離心泵最小流量閥結構設計與選用原則

1、離心泵最小流量閥結構設計與選用原則 標題：離心泵最小流量閥結構設計與選用原則 來源：互聯(lián)網(wǎng) 圖1 常開式：20%30%額定流量的水做常流水再循環(huán)浪費能源。 離心泵在工業(yè)中普遍使用，但離心泵在低流量低負荷運行時，容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，出現(xiàn)不穩(wěn)定運行狀況，并產(chǎn)生噪聲震動，這對離心泵是非常有害的。因此離心泵最小流量再循環(huán)回路的合理設計，對離心泵的安全經(jīng)濟運行至關重要。 離心泵最小流量要求 泵的最小流量是對出口而言的，當泵出口流量小于泵的最小流量時，需要增加流量，直到出口流量滿足，泵才可以正常使用。 NPSHa有效汽蝕余量，只取決于裝置的倒灌高度和吸水管的阻力，而與水泵本身無關。 Pd水箱（除氧器）內壓力

2、。 Pv給水泵入口水溫對應的飽和壓力。 給水泵進口水的密度。 g重力加速度。 Hg除氧器水箱內水位到給水泵中心線的高度，也稱倒灌高度。 h1吸水管內的流動損失壓頭。 NPSHr必需汽蝕余量，是由泵本身決定的，同吸入裝置無關。無論裝在什么不同的系統(tǒng)中，泵的NPSHr都保持不變。NPSHr是為了保證泵不發(fā)生汽蝕，要求泵進口處單位重量液體所具有的超過汽化壓力水頭的富裕能量，即要求裝置提供的最小汽蝕余量。 圖2 傳統(tǒng)再循環(huán)回路控制系統(tǒng)。 如果NPSHa=NPSHr，則泵處于汽蝕工況；如果NPSHaNPSHr，則泵嚴重汽蝕；如果NPSHaNPSHr，則表示泵無汽蝕。 由此看出裝置汽蝕余量（NPSHa）小

3、于必需汽蝕余量（NPSHr），是泵發(fā)生汽蝕的直接原因。 為了保證離心泵在低負荷下的正常工作，避免發(fā)生汽蝕，通常在離心泵出口處設置最小流量再循環(huán)回路。當系統(tǒng)在啟動、間歇運行或低負荷運行時，最小流量再循環(huán)旁路打開，使一部分給水從旁路直接打回水箱，增大了給水泵流量，從而避免給水泵汽蝕。一般再循環(huán)流量占給水泵額定流量的25%30%，通常制造廠在離心泵曲線中給出這個數(shù)值。 離心泵最小流量再循環(huán)回路 離心泵再循環(huán)回路有三種基本形式： 1.常開再循環(huán)模式 常開再循環(huán)模式是最簡單的常見形式（圖1）。在再循環(huán)回路中設置一臺手動節(jié)流閥，將手動節(jié)流閥設置一固定的開度，離心泵工作中讓額定流量的25%30%（最小流量）

4、通過手動節(jié)流閥返回到水箱中。 圖3 集成經(jīng)濟型自動再循環(huán)系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)構成簡單，初始投資成本低廉。缺點是閥門處于常開狀態(tài)，始終有25%30%的流量通過再循環(huán)回路回流造成能源浪費，并且需要選擇更大額定流量的離心泵以滿足實際流量的要求。其次是節(jié)流閥不是調節(jié)閥，長期處于流體沖刷狀態(tài)，閥門損壞很快。維修成本及運行成本高。 圖4HORA公司作的流體動態(tài)分析顯示，當減壓過程流速過高時出現(xiàn)超臨界現(xiàn)象，閥件極易受到破壞（紅色區(qū)域為超臨界狀態(tài)）。 2.傳統(tǒng)控制型 典型的離心泵最小流量再循環(huán)回路由下列主要環(huán)節(jié)構成： 流量測量單元（圖2-1）：用于流量檢測。 最小流量控制閥（圖2-2）：安裝在再循環(huán)回

5、路上，用于調節(jié)再循環(huán)流量，實現(xiàn)流體從泵出口的高壓狀態(tài)到水箱（圖2-3）低壓狀態(tài)的減壓過程。 逆止閥（圖2-4）：工業(yè)系統(tǒng)中常常使用兩個以上的給水泵并聯(lián)使用，實現(xiàn)安全備用，防止流體逆流損壞備用泵。 控制單元（圖2-5）：當流量等于或者低于泵需要的最小流量時，控制再循環(huán)流量控制閥開啟。 圖5 多級減壓過程壓力分布曲線。 背壓器（2-6）：用于建立再循環(huán)閥后管道至水箱之間的壓力，避免汽蝕閃蒸工況發(fā)生在管道之中，破壞管道，產(chǎn)生氣阻流路不暢，引起管道震動。建議背壓器盡量靠近水箱（除氧器）一側安裝。 當工藝系統(tǒng)中要求減少給水流量時，給水泵出口控制閥（圖2-7）逐漸關閉，流經(jīng)水泵的流量逐漸降低，當流量計檢測

6、出流量低于泵需要的最小流量時，控制系統(tǒng)輸出控制信號，控制閥門開啟。此時高壓水經(jīng)再循環(huán)閥回到水箱中，通常來說需要多級減壓。 3.集成一體化型 能否將流量測量功能，再循環(huán)旁路減壓功能，逆止閥及控制回路設計集成在一只閥門中簡化再循環(huán)回路呢？這樣的閥門能否工作呢？答案是肯定的。數(shù)萬只德國HORA公司的集成型閥門已經(jīng)連續(xù)安全工作了數(shù)年。 圖6 多級減壓籠式結構。 這種簡潔的再循環(huán)回路設計，具有穩(wěn)定的工作表現(xiàn)及良好的經(jīng)濟效益，大大降低了設備初期投資成本。 最小流量再循環(huán)工況對閥門設計的要求 最小流量再循環(huán)工況的特點及對閥門的要求是什么？我們首先從閥門損壞的機理分析。歸納起來有三種： 結構設計不合理，選材不

7、當，加工工藝落后：此類錯誤屬于低級錯誤，我們在此不做討論。 沖蝕破壞：統(tǒng)計顯示，除第一種原因損壞外，70的閥門是由于沖蝕而損壞的。 特別是處于高壓差的工況條件下，閥門在開啟與關閉瞬間產(chǎn)生縫隙（我們稱為“縫隙開度”）的情況下，極易產(chǎn)生超臨界現(xiàn)象,閥芯與閥座在極具破壞力的條件下被沖蝕損壞。給水泵最小流量再循環(huán)工況就是這種典型的實際工況，百萬級機組給水泵壓力常常會達到400bar的壓力，而水箱（除氧器）壓力僅僅15bar。 圖7 多級減壓拋物面結構。 汽蝕破壞 另外一種常見的閥門損壞形式為汽蝕破壞。根據(jù)伯努利方程得知，流體流過節(jié)流元件時流速增加，壓力下降，流過截流元件后，在相對寬敞的下游流道中流速下

8、降，壓力回升，當采用多級減壓技術時，通過設計節(jié)流元件，控制每一級節(jié)流處的壓力，均高于此溫度下的飽和蒸氣壓力。如果減壓級數(shù)不夠，經(jīng)過節(jié)流元件時下降的壓力低于該溫度下的飽和壓力，此時流體中產(chǎn)生氣泡，我們稱之為空化現(xiàn)象，如果保持這個壓力，在流體中產(chǎn)生的氣泡不易破裂，而是夾在流體中形成“二相”流狀態(tài)，此現(xiàn)象通常稱此為“閃蒸”?！伴W蒸”一般不會對節(jié)流元件產(chǎn)生破壞，但會產(chǎn)生氣阻擴容，使流通能力降低，并具有產(chǎn)生噪聲和震動的可能。但當流體經(jīng)過節(jié)流元件后，回升的壓力高于該流體在此溫度下的飽和壓力時，汽泡會爆裂并釋放出巨大的能量，對閥座、閥芯等節(jié)流元件產(chǎn)生破壞，此現(xiàn)象稱之為汽蝕。據(jù)測算氣泡爆裂時的瞬時壓力高達30

9、00bar，現(xiàn)有的工程材料均難以抵抗其破壞力。這是閥門損壞另外一種原因。 離心泵最小流量再循環(huán)工況具備上述兩種閥門破壞形式。其中熱水泵系統(tǒng)，更是典型。 再循環(huán)閥的結構形式 最小流量再循環(huán)閥門的正確設計與選用，對離心泵安全可靠經(jīng)濟運行非常重要。針對德國HORA公司生產(chǎn)的4種不同結構的最小流量循環(huán)閥進行分析。 圖8 多級減壓開關型最小流量閥 1.多級減壓籠式結構 針對汽蝕及縫隙開度的沖蝕兩種典型的破壞形式，HORA特別設計了此種結構的閥門。其中最高可達9級的減壓結構，可以將500bar的壓力逐級減壓降低到水箱（除氧器）所需要的壓力（12bar），讓每一級壓力降都高于飽和壓力，避免了汽蝕對閥門的破壞

10、。而針對最致命的縫隙開度所造成的沖蝕破壞，設計中使用了兩級密封結構（主密封面和輔助密封面）。在閥門開啟階段，首先開啟主密封面（1）23mm，此時輔助密封面（2）處于關閉狀態(tài)，介質不能流動。當主密封面繼續(xù)開啟時，輔助密封面開啟，因此主密封面不存在縫隙開度過程。關閉階段同開啟階段相反，先關閉輔密封面，然后關閉主密封面。這種巧妙的設計既實現(xiàn)了惡略工況下的密封要求，又避免了縫隙開度對閥門主密封面的沖蝕，從而延長了使用壽命。而金屬密封是閥門長期在高溫狀態(tài)下運行的可保證靠。 2.多級減壓拋物面結構 傳統(tǒng)經(jīng)濟性的多級減壓拋物面結構，將減壓過程分散到各級節(jié)流面上，可以承受220bar的減壓過程，特點是可靠經(jīng)濟

11、，屬于調節(jié)型最小流量閥結構。 圖9 集成功能型泵自動再循環(huán)閥。 3.多級減壓開關型最小流量閥 在再循環(huán)流量不需調節(jié)控制時，可以使用多級減壓開關型最小流量閥。該閥門內部設置了6級碟狀減壓孔板結構，介質連續(xù)穿過減壓堞板，實現(xiàn)多級減壓過程。此種閥門的特點是結構簡單、安全可靠、具有較好的經(jīng)濟性。 4.集成功能型泵自動再循環(huán)閥 這種閥門集成了流量測量，再循環(huán)減壓，旁路自動開啟控制調節(jié)以及逆止回閥等多功能。它的工作過程是：高壓液體經(jīng)過閥門入口進入閥體，閥芯（1）設計成可以檢測流量的測量型結構。當閥芯測量出流量低于泵需要的最小流量時，設置在閥門右側機械聯(lián)動裝置（2）通過閥桿（3）帶動再循環(huán)旁路閥（4）開啟旁

12、路。旁路的開度是通過稱之為“機械計算器”的機械聯(lián)動裝置計算得出的，與檢測出的流量相對應。部件（5）是逆止閥，當流體通過閥門出口逆行進入閥體時，逆止閥工作。 閥門的選用原則 最小流量再循環(huán)閥具有多種結構形式，正確選用合適的閥門，對安全經(jīng)濟的使用給水泵至關重要。具體選用原則見上表。 綜上所述，設計選用泵最小流量再循環(huán)系統(tǒng)，既需要考慮技術的可行性，還要考慮建設使用成本的經(jīng)濟性，適合你的系統(tǒng)才是最佳解決方案。 相關鏈接 德國霍拉調節(jié)閥公司成立于1967年，公司位于德國中西部的魯爾工業(yè)區(qū)，是歐洲最大的高溫高壓調節(jié)閥生產(chǎn)商之一。產(chǎn)品主要有蒸汽減壓閥、最小流量調節(jié)閥、泵自動再循環(huán)閥等高溫高壓調節(jié)閥以及電動和氣動執(zhí)行器，