Pump Smart技術(shù)在離心泵節(jié)能及安全運行實踐中的應(yīng)用

劉晶婷，楊劍鋒

（北京化工大學化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）

一、引言

在石油化工行業(yè)中，離心泵是化工生產(chǎn)的主要動力設(shè)備，也是材料、備件損耗的主要環(huán)節(jié)。泵消耗了世界上20%的電能，這其中大約50%是被浪費的，這些被浪費的能源會對泵及泵系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響，使泵通過發(fā)熱、噪聲和振動的方式來消耗這些能量。消除這些被浪費的能源，在各種不良的工況下，為泵提供保護，減少大約75%的維護工作量和維修費用。

二、離心泵的節(jié)能減排

PumpSmart專門設(shè)計用來實現(xiàn)泵的節(jié)能降耗，它由兩部分組成：第一部分是工業(yè)變頻器，具有變頻器本身各種功能和特性；第二部分是為泵特殊設(shè)計的嵌入式智能控制部件。旨在避免當離心泵運行在會導(dǎo)致故障的工況中時，提高泵的正常運行時間，提醒操作員泵的危險運行模式，減少意外故障的發(fā)生和維護工作。通過減少泵的能耗，降低運行壓力，從而減輕離心泵系統(tǒng)的磨損；通過調(diào)節(jié)泵速滿足指定的工藝要求，降低能源消耗。

1.離心泵選型對能耗的影響

在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)泵的選型尺寸都超過實際需要的20%~50%，造成運行效率降低，導(dǎo)致過多能量被泵及系統(tǒng)浪費，降低了系統(tǒng)的可靠性和性能。由于離心泵的過大選型，需要使用流量控制閥(FCV)將流量調(diào)回正常狀態(tài)，更多地控制多余流量。由于通過閥的流體速率較高，加速離心泵的腐蝕和磨損，即從泵、系統(tǒng)相互作用的角度來講，流量控制閥(FCV)增加了系統(tǒng)曲線的磨擦損耗。

在泵送系統(tǒng)中，離心泵的選型有以下幾個原則：

(1)滿足工作中所需的最大流量和最大揚程；

(2)正常運行工況點盡可能靠近其設(shè)計工況點；

(3)選擇結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕的泵，盡量選擇高轉(zhuǎn)速的泵或風機；

(4)應(yīng)盡量選用性能曲線沒有“駝峰”的泵，保證運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，若性能曲線具有“駝峰”，則運行工況點應(yīng)處于駝峰區(qū)的右邊，而且壓能應(yīng)低于零流量下的壓能。

利用PumpSmart選擇合理的泵，可使流量控制閥在其設(shè)計范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，減少熱、噪聲以及振動，使工作環(huán)境更安全，如圖1所示。

PumpSmart泵送系統(tǒng)的實現(xiàn)，提高了離心泵系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的維護成本，從而減少了能量的消耗，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2.離心泵維護對能耗的影響

理論上，離心泵的保護很簡單，但泵保護設(shè)定時必須考慮許多因素。表1概括了離心泵的故障原因及后果，其揚程與流量關(guān)系曲線如圖2所示。

表1 離心泵故障原因及后果

如圖2所示，速度最大時，如果泵功率下降到37.28kW以下，則其在低于最小流量下運轉(zhuǎn)；如果速度為2 800r/min，則其剛過最佳效率點BEP；對于3 600r/min時最小流量點的功率37.28kW，如果只采用相似定律，不考慮流量(或速度)的效率變化，來計算2 800r/min時最小流量點的功率，則得到17.52kW，但由于其他功率損耗，實際值為18.64kW。

為了給離心泵提供精確的保護，需要考慮負載形式(離心式)、機械損失、容積效率、渦流損失、泵的磨損、鑄件變化、泵型、泵送介質(zhì)密度以及控制狀態(tài)等各方面的條件。pumpsmart可識別泵運行在性能曲線上的位置，并進行干預(yù)以避免嚴重后果發(fā)生，以此來保護泵和機械密封的安全。

PumpSmart識別不良工況，并提供不同的控制響應(yīng)，其方案主要有以下幾種。

(1)針對干運轉(zhuǎn)，PumpSmart提供的選擇包括警告、停機或忽略；

(2)針對低于最小流量，PumpSmart提供的選擇包括簡單的警告、降速或忽略該情況；

(3)針對過載，即關(guān)死揚程，PumpSmart會進行警告或減速。

PumpSmart通過綜合考慮泵的實際流量、速度變化以及泵的轉(zhuǎn)矩變化對泵性能的影響，對泵的最低流量和干運行提供了強大的保護措施。通過這些保護措施，減少離心泵由于故障對能源的消耗，延長其壽命周期。

3.離心泵的過程控制對能耗的影響

在離心泵過程控制中，對每臺泵的流量進行監(jiān)控，防止由于工藝擾動造成的泵故障。綜合實際運行成本的考慮，采用PumpSmart PS200中的無傳感器流量測量功能，利用從變頻器獲得的扭矩和速度數(shù)據(jù)，計算泵的流量，計算精度為正負5%，而不需要使用任何外部傳感器。

流量計算需要輸入4個泵的性能數(shù)據(jù)即可完整定義泵的性能，分別是最佳效率點流量(QEEP)、最佳效率點功率(PEEP)、關(guān)死揚程點功率(PSO)和泵的額定速度(Nrated)，如圖3所示。通過該數(shù)據(jù)，PumpSmart可以確定泵的比轉(zhuǎn)速，以便預(yù)測泵的性能，包括泵的轉(zhuǎn)矩特性。此外為了使泵的理論性能和實際性能相互關(guān)聯(lián)，PumpSmart綜合流體效率、機械損失、渦流損失等9種不同的性能因素，采用了一套校準功能。在泵的出口閥門關(guān)閉后，不需要外部設(shè)備或傳感器，運行自動校準功能即可，該步驟可以補償泵的磨損，達到最初的測量精度。

通過使用經(jīng)過校準的流量圖譜以及從變頻器獲得的實時轉(zhuǎn)矩和速度信息，實現(xiàn)了無傳感器流量PID控制，通過對

離心泵的過程控制進行泵保護，完成對泵系統(tǒng)性能下降的識別，實現(xiàn)對泵磨損的實時監(jiān)測，以達到離心泵在過程控制中的節(jié)能減排。

三、實踐及結(jié)論

在某泵廠進行的多組實驗，電機滿轉(zhuǎn)速并通過調(diào)節(jié)出口閥門開度控制流量，測得結(jié)果的平均數(shù)據(jù)見表2。

通過變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速輔以調(diào)節(jié)出口閥門開度，測得結(jié)果的平均數(shù)據(jù)見表3。

通過實驗對比可知在保持相同流量條件下，采用自動變頻降速可將功率由原來的95.78降至78，可顯著降低功率，同時有效振動值也顯著下降，證明PumpSmart能夠貫穿于離心泵在化工行業(yè)使用過程中的各個階段，綜合各個階段的特征和實際情況，來保護泵的平穩(wěn)運行，并保證其在平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，從離心泵的選型、維護及過程控制三個方面，以達到節(jié)能減排的目標。

表2

表3

[1]姚明朝.離心泵的應(yīng)用和節(jié)能技術(shù)改造[J].化工設(shè)備與管理，2010，47(1):27-28.

[2]郭仁寧，李頌.離心泵取消底閥節(jié)能裝置設(shè)計與經(jīng)濟性分析[J].煤礦機械，2009，30(9):34-35.

[3]黃永謀.離心泵的節(jié)能措施與應(yīng)用[J].石油化工自動化，2011，47(4):73-75.