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多泵并联管道中调节阀控制流量平衡系统的应用

0 引言

离心泵在浆体管道输送领域广泛使用。通常,相同工艺的多条生产线利用合流管道输送浆体产品时,采用的是多泵并联的方式,由于各条生产线任务和工艺要求的不同以及单泵出口管路中摩阻的不一致,此时都要求对泵进行流量调节,其实质是改变离心泵的工作点,从而使各条工艺生产线物料输入、输出达到平衡。离心泵的工况点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线共同决定的,因此,改变任何一个特性曲线都可以达到调节流量的目的。

目前,离心泵的流量调节方式主要有出口阀门控制、泵变速控制、管路并联调节阀控制等方式,出口阀门控制方式是简便易行的流量平衡调节方式,具有控制简单、工况适应能力强等特点,特别是在浆体输送管道中多泵并联工况下调节各单条生产线的流量平衡,比泵变速控制具有更好的实际工程应用价值。本文结合陕西神渭输煤管道工程汇总的实际情况,介绍利用调节阀进行流量平衡调节的原理和应用。

1 调节阀控制流量平衡系统

1.1 阀门流量调节工作原理

在多泵并联共用同一输出管路条件下,流量变化的影响因素种类较多,其中最主要的因素是管路的特性曲线改变。

管道的特性曲线公式为

    (1)

式中:HSY为实际扬程;Q为管路中的流量,m3/h;R为管路阻力损失系数。

式(1)表明通过管路的流量和所需扬程H之间的关系。由于实际扬程是确定的,当流量一定时,所需扬程取决于R,但R与管长、管径、管内壁状况及管路附件的种类和数量有关。

流量调节是在泵的出口管路上装设流量调节阀门,通过改变阀门的开度,以改变管路局部阻力损失,使管路阻力曲线发生变化,从而导致泵的工作点位置变化。结合式(1)可以看出,改变离心泵流量最简单的方法就是利用离心泵出口阀门的开度来控制,其实质就是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工作点。当增大离心泵出口调节阀开度时,降低了局部阻力使管路的阻力损失系数R减小,使流量加大,反之,使流量减小。

1.2 系统组成与控制原理

在陕西神渭输煤管道工程中,多泵(离心泵)并联管道系统主要应用于8条棒磨机生产线浆体的输送,其中,4条单线离心泵(一用一备)组成并联系统,共用一条输浆管道,系统简图见图1。

图1 4条生产线多泵并联管道系统简图

图1中,每条生产线为独立系统,其产生的浆体量为变量,与离心泵利用缓冲浆体罐进行隔断,单条生产线仅1台离心泵工作,另1台备用。由于4条生产线离心泵出口管路为同一管道系统,所以各泵输送浆体流量不仅要考虑缓冲浆体罐内的进浆量,还应考虑各离心泵工作时的相互影响。各泵出口管路上安装调节阀(编号:BV3109EA~BV3116EA),用于各单条生产线离心泵输出浆体流量平衡的调节。

调节阀通过改变阀门开度来调整流量大小,因此,控制阀门开度使泵进出口流量平衡显得尤为重要。目前,阀门开度与流量平衡联动的方式通常有3种:

(1)阀门开度与流量计联动,通过流量计反馈参数来调整阀门开度,这种方式最直观,但由于单条生产线产生的浆体量存在变化,流量不稳定,传输的流量数据具有滞后性,并且,多泵并联管道中,各泵之间相互影响,使出口流量也存在波动,控制系统很难准确地调整阀门开度,使流量平衡;

(2)阀门开度和出口压力表联动,该种方式在并联管道中不可取,由于无相关的性能曲线做参考,无法编制阀门开度与出口压力联动程序,也就无法调整阀门开度使流量平衡;

(3)阀门开度与泵进口储罐液位计联动,采用此种方式,首先可人工观察液位变化,调整阀门开度,使流量大致处于平衡状态,再启动联动程序,设置液位最高点时阀门自动开大和液位最低点时阀门自动关小。采用该种联动控制方式,无论工况如何变化,都能有效进行流量平衡控制,控制原理图见图2。

图2 单条生产线泵流量平衡控制逻辑图

2 调节阀性能曲线图标定

采用调节阀进行流量平衡控制,调节阀自身的流量控制性能曲线图对控制系统的设计具有重要的参考意义,但在实际应用中,需要根据现场工况,对调节阀的流量控制性能曲线进行参数标定,以便对控制系统的参数设置进行校正。

调试过程中,启动1条生产线,以水为泵输介质,共采集10组流量参数,并相应记录对应阀门开度,当相对开度为0时,流量为0;当相对开度为100%时,流量为1480m3/h。根据数据绘制阀门相对开度与相对流量性能曲线,并与原性能曲线进行比对校核,见图3。

图3 调节阀的性能曲线校核图

从图3可以看出,调节阀开度与流量关系试验结果与阀门出厂固有性能曲线基本吻合,可作为流量平衡控制系统设计的参考。

但由于在陕西神渭输煤管道工程中,多泵并联流量平衡控制没有采用流量与阀门联动的系统设计,因此,阀门性能曲线的准确度对流量平衡系统设计影响较小。

3 调节阀控制流量平衡系统现场应用

陕西神渭输煤管道工程中,4台离心泵共用同一条管道将4条棒磨机生产线产生浆体输送至场站储罐,因每条生产线产生的浆体量存在变化,需要不断智能调整每台离心泵输浆流量的平衡,正常运行时工作过程截图见图4。

图4 调节阀控制流量平衡系统现场应用图

图4中显示的是整个系统正常工作以及各单线离心泵进口储罐内液位处于近似平衡状态时,流量大小以及阀门开度参数统计。对多泵并联正常工作状态下阀门开度与流量关系进行分析,并与阀门性能曲线进行比较,计算在固有阀门开度的基础上的阀门开度变化差值,结果见表1。

表1 多泵并联正常工作状态下阀门开度与流量关系表

注:阀门开度差值=并联工况下阀门开度值-固有阀门开度值。

由表1可以看出,调节阀开度与流量关系在并联工况下,与阀门固有性能曲线存在差异,且无规律可循,但通过数值比较可以得知,在并联工况下,相同流量所对应的阀门开度值均有所增加,且两端的生产线对应的阀门开度与阀门固有开度变化值更大,这也符合多泵并联工况下流量变化的规律。

图4中各条生产线浆体流量处于近似平衡状态,阀门与泵进口储罐液位进行有效联动,当储罐液位高于2m时,阀门自动增大开度直至储罐液位处于微下降状态;当储罐液位低于1m时,阀门自动关小开度直至储罐液位处于微上升状态。

由上述控制过程可知,可利用阀门进行流量平衡调节,简单方便,能够有效解决生产过程中离心泵出口流量波动的影响问题。

4 结束语

(1)流量平衡控制方式有多种,而通过调节阀控制多泵并联管道中各泵输出流量平衡是一种简便易行的调节方式,在陕西神渭输煤管道工程中的应用表明,这种流量调节方式具有优势;

(2)通过阀门开度与离心泵进口储罐液位计联动来控制离心泵流量平衡是一种高效的控制方式,具有原理清晰、操作简单等优点,可进一步进行工程应用推广;

(3)在多泵并联工况条件下,各泵能够输送的实际流量比单泵输送流量均有所降低,且并联泵中离合流管道最远的一台离心泵所受影响最大,在此次调节阀控制流量平衡系统现场应用中也得到充分验证。

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