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15 bar。

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

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。

相关链接

德国霍拉调节阀公司成立于1967年，公司位于德国中西部的鲁尔工业区，是欧洲最大的高温高压调节阀生产商之一。产品主要有蒸汽减压阀、最小流量调节阀、泵自动再循环阀等高温高压调节阀以及电动和气动执行器，每年有超过60%的产品出口到世界各地。霍拉公司生产的调节阀主要应用及服务电力、石化、冶金、建材等工业领域，主要客户有西门子、ABB、ESSO石油、BASF、KSB泵等公司。

凭借近40年的设计制造经验，霍拉从德国霍尔特走向欧洲及世界市场并成为世界著名的锅炉与电力制造商以及测量与控制公司的合作伙伴，并成为德国大电站制造商协会（VGB）成员。2000年，霍拉公司正式进入中国大陆。