摘要： 以膜过滤系统反冲罐补液泵为例，讨论小流量高扬程泵变流量间歇供料运行对设备和连续生产的影响，从机械和智能控制两方面提出改进措施。 Abstract： Taking membrane filtration system recoil tank infusion pumps for example， the impact of the small flow high head pump variable flow intermittent feeding operation on equipment and continuous production was discussed， and improvement measures are proposed from the mechanical and intelligent control.
关键词： 流量；振动；反冲
Key words： flow；vibration；recoil
中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）30-0030-03
0 引言
某环己酮肟生产装置有3套并联反应系统，反应含催化剂的混合液经过反应釜液循环泵从反应釜底部抽出送至膜分离系统MF，在一定的压差推动下，实现催化剂与反应产物的分离。其中产物以清液的方式从陶瓷膜管中渗出，通过流量控制器进入中间反应液储罐，再送入叔丁醇回收工序再处理。膜分离系统带有周期性自动反冲洗系统，反冲过程是指在3.0MPa氮气作用下，周期性采用反冲介质，使膜管在与过滤相反的方向受到短暂的反向压力作用，从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截流液中，并且可以破坏膜表面凝胶层和浓差极化层，过滤通量得到明显提高，延长了膜组件的运行周期。反冲液储罐内部为2层，外侧腔室为充满氮气的气室（1.0～1.2MPa），内侧腔室为贮存滤后清液（反冲介质）的液相室，反冲介质由中间反应液储罐通过反冲罐补液泵补入，若反冲液储罐内液相室的液位上涨至高液位开关LSH动作，联锁关闭反冲罐补液阀（XPV1A、XPV1B、XPV1C）。
另为避免反冲罐补液阀关闭，会导致反冲罐补液泵（扬程H：220m）出口压力由正常值1.50MPa骤然上涨至3.0MPa，泵出现憋压，致使泵的机封故障率高，检修频繁。考虑快关阀本身响应时间的滞后达到提前开阀等因素，避免泵憋压，确保泵出口压力稳定，设置了相关联锁。
①若反冲罐补液阀XPV1A、XPV1B、XPV1C全部关闭，将打开回流快开阀XPV4；②若反冲罐补液阀XPV1A、XPV1B、XPV1C任一打开，将打开回流快开阀XPV4；③若反冲罐补液阀XPV1A、XPV1B、XPV1C任两打开，将关闭回流快开阀XPV4；④若反冲罐补液阀XPV1A、XPV1B、XPV1C全部打开，将关闭回流快开阀XPV4。
具体流程见图1。
某化工厂膜过滤系统补液罐补液流程略有不同，反冲液储罐内部只有1个腔室，下部为贮存的滤后清液（反冲介质），上部为充满的氮气。反冲介质由中间反应液储罐通过反冲罐补液泵补入，若反冲液储罐内液位上涨至高液位开关LSH动作，联锁关闭反冲罐补液阀。为避免反冲罐补液阀关闭，导致反冲罐补液泵出现的憋压现象，新增配一带液位控制LIC至中间反应液储罐（常压罐）的送料管线，通过液位控制阀送料，确保反冲液储罐液位始终低于高液位开关LSH的动作值，不联锁关闭反冲罐补液阀。
图1中反冲液输送泵采用的双端支撑卧式多级泵，泵性能参数为：Q=12m3/h H=248m，该泵自投入使用以来因工艺原因出口断流造成设备振动大，密封泄漏量大、寿命短，曾经造成装置的非计划停车。该泵实际操作流量范围为0～12m3/h，泵出口旁路气动调节阀频繁启闭，最小流量已接近泵关死点，最大流量接近泵额定工况点。泵短时间在接近关死点区域运行是允许的，但长时间频繁在关死点至额定工况点运行会带来诸多问题。
1 离心泵的工作流量范围
离心泵的振动随着流量而变，通常在最佳效率点流量附近其值最小，并且随着流量的增大或减少而增加。从最佳效率点流量起振动随流量的变化取决于泵的能量密度（比能）、比转速及汽蚀比转速。通常，振动的变化随能量密度的增加、比转速增大和汽蚀比转速增大而增加。
根据这些规律，离心泵的工作流量范围可以分成两个区，一个称为“最佳效率区”或“优先工作区”，在此区内，泵表现出低振动，另一个称为“允许工作区”，此区以这样的流量点来确定，即在此区内的流量下泵的振动较高，但仍然是“可以接受的”水平。图1中示出了这一概念。除振动之外的其它几种因素，例如，温升随着流量减少而增大，或必需汽蚀余量随着流量增大而增大，这两个因素可能会决定“允许工作区”变得更窄。
图解：
1 流量的允许工作区；
2 流量的优先工作区；
3 流量限定的最大允许振动限定；
4 基本振动限定；
5 流量最佳效率点；
6 示出最大允许振动的典型振动和流量曲线；
7 扬程流量曲线；
8 扬程与流量的最佳效率点。
2 离心泵超工作区运行
在允许工作区之外运行，势必产生超基本振动限定的振动，在大流量区域还会产生电机过载，在小流量区域会产生局部介质过热，造成密封面液膜不稳定。为了在密封端面上保持稳定的液膜所必须的密封室内条件，包括温度、压力、液体流量，只有在允许工作区运行的泵才能保证有足够的流动液体将密封产生的热量及时撤除，过度的热量会使密封面液膜汽化，使密封处于临界干摩擦状态，造成密封泄漏量加大，寿命大幅降低。此外，在允许工作区之外运行，还会产生较大的残余轴向力、径向力，改变泵转子临界转速，使转子工作状态趋向于不稳定。 因此，应当给泵一个优先选用的工作区，此工作区位于所提供叶轮的最佳效率点流量的70～120%区间内。额定流量点应位于所提供叶轮最佳效率点流量的80～110%区间内。为优先工作区确定具体范围和给额定流量点定位的目的并不是想要诱使人们去开发更多规格数目的小泵或是排斥使用高比转速泵。对那些已确知在规定区间以外的流量点工作的令人满意的小泵，和对优先工作区比规定工作区间狭窄的高比转速泵，如果合适的话，也是完全可以使用的。
“肟化装置反冲罐补液泵”在实际运行中便存在严重超允许工作区运行的情况，其造成的直接结果是是泵振动大、密封工作状态、不稳定。因此，我们必须提供使泵能够维持工作而其运行不致被泵抽送液体的温升所损害的最小流量，即必须满足API610中所规定的最小连续热限制流量要求。因此，必须改变反冲罐补液泵的工作区至合理的范围，才能从根本上解决问题。
3 控制及选型解决办法
方案一：
由于反冲罐补液泵工艺条件特殊，频繁的流量调节不可避免，也就是说其操作流量很难稳定在一定值。为了满足泵在超工作区的小流量区域稳定运行，必须提供一定的流量来满足密封工作需求。建议在反冲罐补液泵出口加一旁通管线，旁通流量5m3/h，泵的额定工况点流量调整为12m3/h，其余参数不变。这样对应0～12m3/h的工艺需求流量，泵的实际工作区调整为5～12m3/h。其最小工作流量5m3/h大于额定流量30%的热稳定流量，完全能满足最小连续热限制流量要求，这样才能从根本上解决泵的工作区不合理而带来的一系列问题。
选用GSB/H1-12/248-22-84ST型卧式高速泵。泵为卧式单级悬臂式结构，叶轮采用开式部分流型，与多级泵相比具有结构简单、紧凑和占地面积小。维修维护方便等优点。同时该泵没有径向和轴向力更有利于保护机械密封。泵结构见图3。
方案二：
图1的工艺中泵始终为恒定高速运转，一旦下游反应釜中的液体到达一定的液位的时候，快开阀迅速的关闭，泵此时还是处于恒定高速运转，管路憋压，产生振动，泵的出口压力迅速上升，泵很容易损坏，频繁维修泵和更换机械密封，特别是三个反应釜都处于打开的状态时候表现的更为明显，由于泵此时还处于运转的状态，还造成能源的浪费，平均每2分钟快开阀关开一次。
要求：工艺要求在保证釜内快速补料的同时，当快开阀关闭时降低泵的转速，当快开阀打开时增加泵的转速。
①建议泵反冲罐补液泵出口主管路增加压力变送器，并将管路实际压力4-20mA信号送至PumpSmart，由PumpSmart变频调速来保持泵出口管路的流量依据需求变化，同时也能够节能。
可选1：使用PumpSmart的系统曲线补偿功能，在压力控制时，PumpSmart会在基本设定压力值的基础上，依据实际泵的速度自动增加或降低泵的出口压力补偿值。
可选2：使用PumpSmart的多变量设定点功能，利用PumpSmart V5版的SMARTFLOW（自动测算流量）功能，在压力控制时，PumpSmart会在基本设定压力值的基础上，依据实际泵的流量多少自动增加或降低泵的出口压力设定值。
②推荐PumpSmart的Speed 0verride强制速度功能。在系统检修开车或紧急情况时使用一个开关量信号（DI3）激活速度控制，此时PumpSmart自动从压力控制模式转换为手动调速，此时速度可由DCS或控制盘给定。
可选1：使用PumpSmart的本地速度控制功能，通过PumpSmart的控制盘按键“R/L”切换远程控制和本地控制时，PumpSmart会从远程压力控制切换为本地的速度控制，此时速度设定值由控制盘给定。任何情况下，控制盘选远程控制R，即为压力控制；控制盘选本地控制L，即为控制盘给定的速度控制。
③推荐引入反冲罐补液泵入口的液位信号，使用PumpSmart的状态监控功能。当反冲罐补液泵入口的液位较低时，PumpSmart可以依据设定运行在最低速度或者发出报警信号，甚至可以报故障停机。
④利用PumpSmart V5版的SMARTFLOW（自动测算流量）功能，PumpSmart能测出流出泵口的流量大小，将此流量值输送给DCS系统显示。
4 结束语
采用高速泵可最大满足工艺产量需求，没有径向和轴向力更有利于保护机械密封。PumpSmart采用ABB ACS800的DTC直接转矩控制，转矩阶跃响应时间小于5ms，动态精度小于0.1%—0.4%秒。对电机的闭环控制静态精度为电机额定转速的0.01%。系统响应时间小，控制精度高。智能泵控制器自带软件依据泵性能曲线，使泵运行在高效区，提高生产需求的流量和产量，比定速泵节能30%到70%，此系统中，负载从0到3套并联反应系统管道全开，有很大节能空间。
参考文献：
[1]牟介刚.离心泵现代设计方法研究和工程实现[D].浙江大学，2005.
[2]谢荣全主编.项目名称：离心泵[Z].中国机电设备招标采购年鉴，2000-2002.
[3]陈元松主编.长沙工业泵厂[Z].长沙年鉴，1988.
