1.自动循环泵保护阀概述


自动循环泵保护阀为了满足工艺流量需求，离心泵系统流量在一定的范围内波动，太小的流量往往会造成离心泵的温度过高，操作不稳定，并产生大量的噪声。因此在离心泵的出口安装了自动循环泵保护阀，用来防止介质倒流，并实现系统的小流量回水以维持泵正常运行所需的最小流量，提高了泵的使用效率，减少了泵的故障。

2.泵保护系统性能分析


泵保护系统主要有三种形式。


    泵保护系统①带有非调节型旁路减压器的泵保护系统 。


    泵保护系统②常规的泵保护系统 。


    泵保护系统③带有自动循环泵保护阀的泵保护系统 。


    自动循环泵保护阀因具有流量感知、止回、旁通控制和多级减压等功能, 其性能较好。


3.自动循环泵保护阀工作原理


自动循环泵保护阀的主阀为升降式止回阀 。沙缸过滤器 其主阀从全关到全开的过程中，介质不断从阀体入口流入，克服弹簧力的作用，从阀盖主流出口流出，同时阀瓣上升带动拨杆左端上升。由杠杆原理, 拨杆右端下降，针阀在自重和介质力作用下下降。当主阀全开时，针阀全关，关闭流道B，D 腔与C 腔产生的压差使节流活塞右移，关闭流道A ,停止旁通回流。


当主流出口压力超过额定值时，由于主阀进出口压差改变及弹簧的作用，阀瓣从上到下运动直至关闭，同时带动拨杆左端下降, 右端上升, 针阀开启，打开流道B。D 腔内的介质经流道B 流向旁通出口。由于节流活塞C 腔受力比D 腔大，故节流活塞左移, 打开流道A。此时介质通过流道A，经多级正反螺旋槽减压后回流到高压离心水泵的入口，保证水泵正常运转。


4.自动循环泵保护阀类型


目前钢厂、电厂和化工厂等采用的自动循环泵保护阀主要为美国的YAWAY和HBE公司及德国的SCHROEDAH和HORA公司产品。4 家公司的产品基本上采用了同类型结构，即主阀为弹簧加载的升降式止回阀，副阀为带有减压机构的节流阀。


    自动循环泵保护阀按压力级基本上分为两类：


    自动循环泵保护阀分类一：低压型(150～300 磅级)


    自动循环泵保护阀分类二：高压型(600～2500 磅级) 。


    低压型和高压型的主阀结构都是一样的，不同的是旁通副阀的减压机构形式，低压型主要采用节流孔板式减压，高压型则采用多级沟槽式减压.


5  计算


5.1  主要性能 
5.2  主要参数


①阀门流阻系数ζ


ζ = (5104 Fg/ Gy) 2


Fg = π/ 4 ×dg


2 = 3114/ 4 ×13162 = 1451193 6


Gy = 31610


ζ = (5104 ×1451193 6/ 31610) 2 = 51362 7



②主流压降ΔPz


ΔPz = ζ·ρ·V z


2/ 2


V z = Qz / Fz , Qz = 01087 8


Fz = π/ 4 ×dz


2 = 3114/ 4 ×01192 = 01028 3


V z = Qz / Fz = 01087 8/ 01028 3 = 31102 4


ΔPz = 51362 7 ×1 000 ×31102 42/ 2


= 25 80717


③弹簧预压缩量F1


弹簧在阀门全开位置时力的平衡方程为


 ( F1 + hz ) K + Gz + Pzc ·Fz = PZJ ·Fz


 式中 ( F1 + hz ) K ———弹簧对阀瓣的作用力↓


 Gz ———阀瓣自重↓


Pzc ·Fz ———主流出口压力对阀瓣的作用力↓


PZJ ·Fz ———主流进口压力对阀瓣的作用力↑


即


( F1 + hz ) K = ( PZJ - Pzc) Fz - Gz


( F1 + hz ) K = ( Pz ·Fz - Gz
阀门在全开位置时,弹簧的压缩量为


F2 = F1 + hz = (ΔPz ·Fz - Gz ) / K = (25


80717 ×01028 3 - 19113) / 5191 = 91121


则弹簧的预压缩量为


F1 = 91121 - 4715 = 43171


④节流面积(按节流串的节流面积和控制前部节流孔面积计算)


比较设计数据可知,在节流串中,第一级节流串面积最小,该面积FJL C 为圆台侧面积,即


FJL C = πLJL C ( dJL C + DJL C) / 2


 = 3114 ×919 ×(3210 + 4610) / 2 ×10- 6


 = 1211235 ×10- 4


控制前部节流孔面积FJL 为


 FJL = π/ 4 ×DJL


2 = 3114/ 4 ×01008 52


 = 51671 6 ×10- 5


总节流面积FJL Z 为


FJL Z = nJL ×FJL = 14 ×51671 6 ×10- 5


 = 7194 ×10- 4


FJL Z < FJL C


所以,旁通流量由控制前部节流孔的面积控制。

5.3  验算旁通流量


5.4  说明


阀门流阻系数应由试验确定, 理论计算误差较大,而且主路和旁通的流阻系数显然是不一样的,这里只进行了简单的模拟计算。在实际设计中弹簧的预压量取值为62 ,而非计算的43.71 。


6.自动循环泵保护阀改进


齐鲁石化烯烃厂从国外某公司进口的自动循环泵保护阀, 使用几年后, 在工作过程中出现了外漏及旁通阀能开不能关等故障, 因此委托北京航天石化技术装备工程公司研制1500 磅级6/ 6/ 2 in1 自动循环泵保护阀1 台及该阀的旁通阀4 套。经对原阀的结构及故障进行分析, 做了改进。


①首先采用计算机模拟主阀全开、旁通阀全关时的状态, 以此确定拨杆和针阀的行程。


②重新设计O 形圈, 提高密封可靠性。过滤沙缸厂家O 形圈(11) 的作用是使C 腔和D 腔产生压差, 使节流活塞能够移动, 因此该O 形圈及其沟槽尺寸的确定非常关键。设计时根据O 形圈新标准重新选择了O 形圈及对应的沟槽尺寸。使用过程中, 原阀在F 处出现了外漏。为解决这个问题, 设计时在控制前部上添加了一个O 形圈(6) , 在旁通与阀体之间又增加了一处密封。实际使用证明, O 形圈的设计及添加是合适的。


③针阀E 处的间隙原为0125 mm , 设计时改为110 mm , 间隙加大, 有助于在D 腔形成高压,提高了节流活塞运动的可靠性。


④当阀瓣全部打开时, 带动拨杆向上运动, 针阀在重力作用下下降, 靠锥面密封。针阀如果不能密封, D 腔介质通过流道B 泄荷, D 腔的高压无法建立, 将导致节流活塞不能运动。设计时在控制前部的G处增开一半圆型槽, 使针阀密封单靠重力作用变为靠重力和介质力双重作用, 增大了针阀的密封比压, 提高了旁通副阀工作的可靠性。


⑤在阀盖内腔阀瓣导向段的中心H 处增加了Ф3 mm 的通孔。使封闭的弹簧腔与主阀内腔相通,减小了阀瓣运动时的阻力, 提高了主阀感知流量变化的灵敏度。


⑥改进了节流体铸造工艺。由于节流体内腔为正反螺旋槽结构, 形状复杂, 原来采用砂型铸造,精度较低, 砂眼、夹杂、粘砂等缺陷多。设计时改为由计算机设计三维实体, 通过实体造型仪直接生成蜡模, 两天内即可浇铸成毛坯件。产品精度高,质量好, 生产周期短。


7.自动循环泵保护阀结语

改进后的自动循环泵保护阀使用效果良好。自动循环泵保护阀是一种特殊的流量调节阀, 其旁通阀结构复杂, 减压机构需要精心计算与设计, 并且还须与离心泵组合安装后做流量调节试验, 因此在设计制造试验等方面有一定的难度, 但同时因其在电厂、钢厂和化工厂等行业应用广泛, 并且能节省大量的资金, 因此有着很好的市场前景。

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