离心泵最小流量阀结构设计与选用原则.docx

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离心泵最小流量阀结构设计与选用原则

标题：

离心泵最小流量阀结构设计与选用原则

来源：

互联网

图1 常开式：

20%~30%额定流量的水做常流水再循环浪费能源。

离心泵在工业中普遍使用，但离心泵在低流量低负荷运行时，容易发生汽蚀现象，出现不稳定运行状况，并产生噪声震动，这对离心泵是非常有害的。

因此离心泵最小流量再循环回路的合理设计，对离心泵的安全经济运行至关重要。

离心泵最小流量要求

泵的最小流量是对出口而言的，当泵出口流量小于泵的最小流量时，需要增加流量，直到出口流量满足，泵才可以正常使用。

NPSHa——有效汽蚀余量，只取决于装置的倒灌高度和吸水管的阻力，而与水泵本身无关。

Pd——水箱（除氧器）内压力。

Pv——给水泵入口水温对应的饱和压力。

ρ——给水泵进口水的密度。

g——重力加速度。

Hg——除氧器水箱内水位到给水泵中心线的高度，也称倒灌高度。

h1——吸水管内的流动损失压头。

NPSHr——必需汽蚀余量，是由泵本身决定的，同吸入装置无关。

无论装在什么不同的系统中，泵的NPSHr都保持不变。

NPSHr是为了保证泵不发生汽蚀，要求泵进口处单位重量液体所具有的超过汽化压力水头的富裕能量，即要求装置提供的最小汽蚀余量。

图2 传统再循环回路控制系统。

如果NPSHa=NPSHr，则泵处于汽蚀工况；如果NPSHa＜NPSHr，则泵严重汽蚀；如果NPSHa＞NPSHr，则表示泵无汽蚀。

由此看出装置汽蚀余量（NPSHa）小于必需汽蚀余量（NPSHr），是泵发生汽蚀的直接原因。

为了保证离心泵在低负荷下的正常工作，避免发生汽蚀，通常在离心泵出口处设置最小流量再循环回路。

当系统在启动、间歇运行或低负荷运行时，最小流量再循环旁路打开，使一部分给水从旁路直接打回水箱，增大了给水泵流量，从而避免给水泵汽蚀。

一般再循环流量占给水泵额定流量的25%~30%，通常制造厂在离心泵曲线中给出这个数值。

离心泵最小流量再循环回路

离心泵再循环回路有三种基本形式：

1.常开再循环模式

常开再循环模式是最简单的常见形式（图1）。

在再循环回路中设置一台手动节流阀，将手动节流阀设置一固定的开度，离心泵工作中让额定流量的25%~30%（最小流量）通过手动节流阀返回到水箱中。

图3 集成经济型自动再循环系统。

这种系统的优点是系统构成简单，初始投资成本低廉。

缺点是阀门处于常开状态，始终有25%~30%的流量通过再循环回路回流造成能源浪费，并且需要选择更大额定流量的离心泵以满足实际流量的要求。

其次是节流阀不是调节阀，长期处于流体冲刷状态，阀门损坏很快。

维修成本及运行成本高。

图4 HORA公司作的流体动态分析显示，当减压过程流速过高时出现超临界现象，阀件极易受到破坏（红色区域为超临界状态）。

2.传统控制型

典型的离心泵最小流量再循环回路由下列主要环节构成：

■流量测量单元（图2-1）：

用于流量检测。

■最小流量控制阀（图2-2）：

安装在再循环回路上，用于调节再循环流量，实现流体从泵出口的高压状态到水箱（图2-3）低压状态的减压过程。

■逆止阀（图2-4）：

工业系统中常常使用两个以上的给水泵并联使用，实现安全备用，防止流体逆流损坏备用泵。

■控制单元（图2-5）：

当流量等于或者低于泵需要的最小流量时，控制再循环流量控制阀开启。

图5 多级减压过程压力分布曲线。

■背压器（2-6）：

用于建立再循环阀后管道至水箱之间的压力，避免汽蚀闪蒸工况发生在管道之中，破坏管道，产生气阻流路不畅，引起管道震动。

建议背压器尽量靠近水箱（除氧器）一侧安装。

当工艺系统中要求减少给水流量时，给水泵出口控制阀（图2-7）逐渐关闭，流经水泵的流量逐渐降低，当流量计检测出流量低于泵需要的最小流量时，控制系统输出控制信号，控制阀门开启。

此时高压水经再循环阀回到水箱中，通常来说需要多级减压。

3.集成一体化型

能否将流量测量功能，再循环旁路减压功能，逆止阀及控制回路设计集成在一只阀门中简化再循环回路呢？

这样的阀门能否工作呢？

答案是肯定的。

数万只德国HORA公司的集成型阀门已经连续安全工作了数年。

图6 多级减压笼式结构。

这种简洁的再循环回路设计，具有稳定的工作表现及良好的经济效益，大大降低了设备初期投资成本。

最小流量再循环工况对阀门设计的要求

最小流量再循环工况的特点及对阀门的要求是什么？

我们首先从阀门损坏的机理分析。

归纳起来有三种：

■结构设计不合理，选材不当，加工工艺落后：

此类错误属于低级错误，我们在此不做讨论。

■冲蚀破坏：

统计显示，除第一种原因损坏外，70％的阀门是由于冲蚀而损坏的。

特别是处于高压差的工况条件下，阀门在开启与关闭瞬间产生缝隙（我们称为“缝隙开度”）的情况下，极易产生超临界现象,阀芯与阀座在极具破坏力的条件下被冲蚀损坏。

给水泵最小流量再循环工况就是这种典型的实际工况，百万级机组给水泵压力常常会达到400bar的压力，而水箱（除氧器）压力仅仅15bar。

图7 多级减压抛物面结构。

汽蚀破坏

另外一种常见的阀门损坏形式为汽蚀破坏。

根据伯努利方程得知，流体流过节流元件时流速增加，压力下降，流过截流元件后，在相对宽敞的下游流道中流速下降，压力回升，当采用多级减压技术时，通过设计节流元件，控制每一级节流处的压力，均高于此温度下的饱和蒸气压力。

如果减压级数不够，经过节流元件时下降的压力低于该温度下的饱和压力，此时流体中产生气泡，我们称之为空化现象，如果保持这个压力，在流体中产生的气泡不易破裂，而是夹在流体中形成“二相”流状态，此现象通常称此为“闪蒸”。

“闪蒸”一般不会对节流元件产生破坏，但会产生气阻扩容，使流通能力降低，并具有产生噪声和震动的可能。

但当流体经过节流元件后，回升的压力高于该流体在此温度下的饱和压力时，汽泡会爆裂并释放出巨大的能量，对阀座、阀芯等节流元件产生破坏，此现象称之为汽蚀。

据测算气泡爆裂时的瞬时压力高达3000bar，现有的工程材料均难以抵抗其破坏力。

这是阀门损坏另外一种原因。

离心泵最小流量再循环工况具备上述两种阀门破坏形式。

其中热水泵系统，更是典型。

再循环阀的结构形式

最小流量再循环阀门的正确设计与选用，对离心泵安全可靠经济运行非常重要。

针对德国HORA公司生产的4种不同结构的最小流量循环阀进行分析。

图8 多级减压开关型最小流量阀

1.多级减压笼式结构

针对汽蚀及缝隙开度的冲蚀两种典型的破坏形式，HORA特别设计了此种结构的阀门。

其中最高可达9级的减压结构，可以将500bar的压力逐级减压降低到水箱（除氧器）所需要的压力（~12bar），让每一级压力降都高于饱和压力，避免了汽蚀对阀门的破坏。

而针对最致命的缝隙开度所造成的冲蚀破坏，设计中使用了两级密封结构（主密封面和辅助密封面）。

在阀门开启阶段，首先开启主密封面

（1）2~3mm，此时辅助密封面

（2）处于关闭状态，介质不能流动。

当主密封面继续开启时，辅助密封面开启，因此主密封面不存在缝隙开度过程。

关闭阶段同开启阶段相反，先关闭辅密封面，然后关闭主密封面。

这种巧妙的设计既实现了恶略工况下的密封要求，又避免了缝隙开度对阀门主密封面的冲蚀，从而延长了使用寿命。

而金属密封是阀门长期在高温状态下运行的可保证靠。

2.多级减压抛物面结构

传统经济性的多级减压抛物面结构，将减压过程分散到各级节流面上，可以承受220bar的减压过程，特点是可靠经济，属于调节型最小流量阀结构。

图9 集成功能型泵自动再循环阀。

3.多级减压开关型最小流量阀

在再循环流量不需调节控制时，可以使用多级减压开关型最小流量阀。

该阀门内部设置了6级碟状减压孔板结构，介质连续穿过减压堞板，实现多级减压过程。

此种阀门的特点是结构简单、安全可靠、具有较好的经济性。

4.集成功能型泵自动再循环阀

这种阀门集成了流量测量，再循环减压，旁路自动开启控制调节以及逆止回阀等多功能。

它的工作过程是：

高压液体经过阀门入口进入阀体，阀芯

（1）设计成可以检测流量的测量型结构。

当阀芯测量出流量低于泵需要的最小流量时，设置在阀门右侧机械联动装置

（2）通过阀杆（3）带动再循环旁路阀（4）开启旁路。

旁路的开度是通过称之为“机械计算器”的机械联动装置计算得出的，与检测出的流量相对应。

部件（5）是逆止阀，当流体通过阀门出口逆行进入阀体时，逆止阀工作。

阀门的选用原则

最小流量再循环阀具有多种结构形式，正确选用合适的阀门，对安全经济的使用给水泵至关重要。

具体选用原则见上表。

综上所述，设计选用泵最小流量再循环系统，既需要考虑技术的可行性，还要考虑建设使用成本的经济性，适合你的系统才是最佳解决方案。