泵系统中限流孔板的配置和应用

张璐璐 冯 璐 李 汉 王 波

(华陆工程科技有限责任公司)

泵系统中限流孔板的配置和应用

张璐璐*冯 璐 李 汉 王 波

(华陆工程科技有限责任公司)

在泵管路设计中，针对整个系统的安全防护和泵正常运行流量的要求，配置合理的管路元件。依据限流孔板的特性和管路计算，阐述它在泵管路系统中的应用。通过计算孔板口径，探讨在管路系统中如何选用适合的限流孔板，并且全面考虑整个流量分配系统与泵回流线路的关系，使之与系统安全操作相匹配。结果表明，在正常运行时使用合适的限流孔板和回路管径，不仅能够保证输出量，而且在事故情况下排出流量保护设备，有效地配合了整个系统内设备的安全设计。

泵 限流孔板 管路计算

在化工装置工艺系统设计中，常用的减压设施有减压阀、自力式压力调节阀、限流孔板及压力调节阀等。减压阀和自力式压力调节阀通常用于降低蒸汽、压缩空气或氮气等公用工程管道的压力，以满足工艺系统的需要；工艺物料管道通常选用限流孔板降压；工艺需要设置具有压力调节作用的设施时,可以选用调节阀，当压降过大时,可以进行多级调节[1]。

在工艺物料管道中，限流孔板设置在管道中用于限制流体的流量或降低流体的压力，通常用于需要降压且精度要求不高的场合。由于限流孔板为同心锐孔板，流体通过孔板产生压差，流量随压差的增大而增大。但是当压差超过临界值时，无论压差如何增加，流量都维持在一定的数值，从而达到限制流体流量或降低流体压力的目的[2]。在工业管道设计中，限流孔板常用于阀门上、下游需要有较大压降时，为减少流体对阀门的冲蚀，当经孔板节流不会产生气相时，可在阀门上游串联孔板；另外，在流体需要流量小且连续流通的地方，如泵的冲洗管道，热备用泵的旁路管道(低流量保护管道)、分析取样管等场所也可采用[3]。

泵回流管路的设计中有多个设备相关联，由于采用单个调节阀，在事故状态下具有一定的局限性，无法充分实现管路特性，进而考虑与限流孔板联合配置的方法以实现其功能。笔者根据限流孔板的特点，计算适宜的孔板口径，探讨在管路系统中如何合理配置限流孔板，并评价其安全性与实践性。

1 泵回流管线

离心泵在操作时，流量太小可能造成泵内温度升高振动而使泵损坏。为了确保其安全稳定操作，大流量、高扬程和高功率的离心泵通常设有最小流量控制[4]。泵后加回流管线，一方面开车时可以调节阀门，使微量流量通过以保护泵体；另一方面，当从泵厂家采购的泵最小连续流量比流程计算所需的最小流量大时，为了满足工艺要求，需要增加回流管分流。

2 限流孔板的型式

限流孔板用于降低管道压力或限制管道内流体的流量。通常安装固定在两片管道法兰之间，用合适的垫片和螺栓密封、固定。化工生产中推荐使用带手柄的限流孔板，以方便安装和拆卸。

限流孔板按板数可分为单板孔板和多板孔板(图1、2)。单孔限流孔板外径等于连接法兰的螺栓中心圆直径减去螺栓直径，以确保限流孔板的精确对中。限流孔板的厚度取决于管径大小和压差强弱，其厚度应足以防止孔板在操作条件下的弯曲。

图1 单孔板图例

图2 多孔板图例

3 限流孔板的作用

在化工装置中，为了确保物料在输送过程中的安全性和流量的可调节性，通常在输送泵的出口管线设有回流管线返回泵入口管线或物料储罐。但由于泵出口压力较高，返回线必须减压后才能返回，通过在回流管线上设置限流孔板，可实现降低压力和限制流量的目的，保证输送系统的安全运行。据文献报道，为保证泵始终保持大于最小流量运行，在泵的出口引出一条回流管线，通过该管线的物料经收料管线进入储罐，并在合适位置安装最小流量孔板；为保证泵不超过最大允许流量运行，在泵出口总管上安装最大流量孔板[5]。

在回流管线上设置限流孔板，开车时阀门全开，流量由限流孔板控制，不需手动调节阀组。正常生产运行时，由于限流孔板压差大，大部分流量从调节阀主路流出，通过调节阀的流量控制以保证流程所需的回流量。事故状态时，调节阀故障关闭，气源恢复供气至少15min，但为了保证不对机封、轴承及泵体等部件造成损害，在微量流量通过时泵仅能运行几分钟。此时流量只能从泵回流管线的限流孔板通过，维持泵工作所需的最小流量，为排除故障争取宝贵的时间。

4 限流孔板的计算

由于泵系统出口压力高，操作状况复杂，在事故状况下回流管线对设备尤为重要。如图3所示，将物料输入回流罐V中，泵回流管线流量由限流孔板进一步缓冲调节，泵内输出液体。已知正常运行时，泵流量120m3/h，泵出口假定关闭压力1.88MPa(事故状况下阀门关闭)，正常出口压力1.15MPa，回流管和塔出口压力0.45MPa，管内流体密度为1 220kg/m3，粘度为0.22mPa·s，管道内径d=80mm。忽略阻力对摩擦系数的影响，λ1=λ2，限流孔板支路：长度l1=7m，局部当量约为le1=213m，管径d1=80mm。回流入塔主路：长度l2=90m，局部当量约为le2=133m，管径d2=150mm，厂家返回泵最小连续流量Q=60m3/h。

图3 泵系统限流孔板工艺简图

4.1流量分配的计算

由并联管路流量分配采用等压降原则进行常规计算，代入可知：

Q1+Q2=120

泵正常流量Q=120m3/h运行时，支路分配流量为Q1=20m3/h，主路流量为Q2=100m3/h。此时不考虑压差对限流孔板的阻力影响，若要满足塔正常回流量不变，需要增大泵流量至144m3/h，此时限流孔板节流量为24m3/h。由于泵在大流量运行时效率会降低，因此一般情况下, 离心泵的使用范围是0.6～1.2倍的设计点流量，如果在超出此范围内运行，应该另行选择[6]。

4.2孔径的计算

以事故状况下需要返回泵的最小连续流量60m3/h作为限流孔板流量选取的依据，采用HG/T 20570.15-95[2]进行估算。

在泄压启动初期，由于限流孔板前侧的压力等于反应系统泄压瞬时的工作压力，压力值相对较大，这时通过限流孔板的泄放流速比较大。随着时间的推移,反应系统压力下降后，通过限流孔板的泄放流速会相对较小[7]。

由于限流孔板的流量与两侧压差成正比，正常运行时主路背压小可通过大部分流量，为了保证主路能够分配到工作流量120m3/h，故采用事故工况下的孔径26mm进行迭代核算。正常工况下泵的出口压力为1.15MPa，假定支路流量为24m3/h，根据以上公式计算可知，限流孔板C=0.61，支路流量为40m3/h。故将结果重新带入流量试差，雷诺数为9.8×105，查限流孔板C-Re-d0/D关系图发现满足曲线，试差值可用。但为了保证正常操作下的主路流量，泵的设计流量应该提高到160m3/h，即限流孔板孔径26mm时，主路通过120m3/h，支路需要流过40m3/h。此结果是在不受主路干扰时孔板理论通过的最大量。

当泵送流量超过最大允许流量运行时，将引起如下问题：汽蚀振动；泵出口压力减小使得泵进出口压差减小，不能保证泵内部循环冷却的正常流量；泵腔压力变化，不能保证泵转子的轴向力平衡或影响泵轴向力自动平衡机构工作；电机超载。上述问题的出现均可能导致泵机组的损坏，造成危险[8]。

由以上论述可知，流量的正确选择对孔径计算尤为关键。一方面事故状态下限流孔板对于整个泵系统运行至关重要，若无回流管线，当调节阀发生故障时，气源关闭，导致泵损坏，故需要考虑泵最小连续流量的影响；另一方面，若按照常规回流管线中的流量等压降分配原则，选取的流量计算孔径，当正常回流量为120m3/h，限流孔板中流量为24m3/h时，计算孔径为d0=17mm，结果较小，二者对比可知，流量越高孔径相应越大。综上所述，选用事故工况下的较大孔径26mm，当支路孔板的正常流量发生波动时，主路通过调节阀与回流罐的液位联锁保证主流量不变，仍可满足正常操作条件，只是支路流速变得缓慢。此计算方法考虑更为全面，更加贴近实际工艺，大幅度降低了安全隐患，提供了更加优良的操作环境。

依据设计标准[9]中限流孔板计算方法，该标准等效采用国际标准ISO5167-2-2003，用于验证以上计算结果，具体如下：

式中C——流出系数；

d——工作条件下节流孔直径，m；

D——上游管道内径，m；

qm——质量流量，kg/s；

qv——体积流量，m3/s；

β——直径比；

ε——膨胀系数；

Δp——差压，Pa；

ρ1——流体密度，kg/m3。

由以上两种计算方法可以看出，采用迭代法更加详细复杂，但二者结果差别不大。故在工程设计中，工艺专业可以采用HG/T 20570.15-95的计算方法初步有效的判断孔径，进而确定回流管径的合理性。

4.3孔板厚度的计算

由以上计算结果：Δp=1.43MPa，管道内径d=80mm；根据所选取厂家的CNLOK产品资料(样本2010，版本号CF-003-1002)，可粗略判知：采用限流孔板孔径26mm，材料316L，厚度为5mm最适宜。

由以上计算结果，选取限流孔板孔径26mm，316L材料厚度为5mm最适宜。

5 结束语

随着工程设计的深入进行，设计文件也愈加细致。由于很难评估正常运行时限流孔板的作用，因此有必要对它进行精确的设计，使回流管径大小合理，泵系统更加安全，操作更为方便。泵控制着整个系统的流量，如何全面考虑整个流量分配系统与泵回流线路的关系，并使之与系统安全操作相匹配显得尤为重要。此限流孔板计算方法参照已有公式并结合系统特点，全面考虑正常运行和事故状态对整个系统的影响，选取合适的孔径，正常操作时限制流量，事故状态下排出流量保护设备，从细节处杜绝泵的安全隐患，从而使工艺系统和实际结果更加贴切。

[1] 佟珂，白元峰.浅谈化工装置常用减压设施的选用[J].化工设计，2008，18(1)：29.

[2] 刘清娟，李恩钦，冯戈.限流孔板在化工装置的应用[J].化工设计，2009，19(3)：34.

[3] HG/T 20570.15-95，管路限流孔板的设置[S].北京：中国寰球化学工程公司，1996.

[4] 高贵勇.泵的小流量管道的设置[J].通用机械，2014，(5)：56～57.

[5] 朱敏.磁力泵使用过程中孔板保护问题探讨[J].广东科技，2013，22(16)：210～211.

[6] 秦建林.化工企业泵的节能降耗措施[J].化工机械，2011，38(2)：243～244，250.

[7] 范咏峰，陈争荣.调节阀在石油化工装置紧急泄压中的应用[J].石油化工自动化，2011，47(2)：19～22.

[8] 孔繁余，袁寿其，刘厚林，等.孔板管路对磁力泵工作的安全保护[J].中国安全科学学报，2004，14(4)：51～54.

[9] GB/T 2624.2-2006，用安装在圆型截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第二部分：孔板[S].北京：中国质检出版社，2006.

ConfigurationandApplicationofRestrictionOrificeinPumpSystem

ZHANG Lu-lu, FENG Lu, LI Han, WANG Bo

(HualuEngineeringandTechnologyCo.,Ltd.,Xi’an710065,China)

In the design of pump’s piping system, configuring the proper pipeline elements as required by both protection and safety of whole system and the pump’s normal flow becomes necessary. According to restriction orifice’s characteristic and the piping calculation, their application in the pump’s piping system was introduced. Through calculating the orifice diameter, discussing the way of selecting proper restriction orifice and considering the relationship between the entire flow distribution system and the reflux pump line, the safe

*张璐璐，女，1984年7月生，工程师。陕西省西安市，710065。

TQ055.89

A

0254-6094(2016)06-0740-05

2015-12-16，

2016-10-28)

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