論化工流程泵降低壽命周期成本方法

王春杰 閆志宏

（煙臺(tái)巨力精細(xì)化工股份有限公司 山東煙臺(tái) 265202）

由于能源費(fèi)用不斷上升，化工企業(yè)越來(lái)越關(guān)注生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗，化工流程泵的性能與工況不匹配會(huì)多耗能，可靠性也會(huì)降低，壽命周期成本（LCC）是指某一系統(tǒng)或產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行（包括能耗）、維護(hù)、直至失效報(bào)廢或回收再利用的整個(gè)期間所產(chǎn)生的直接或間接成本的總和。在許多化工流程泵應(yīng)用過(guò)程中，泵初始采購(gòu)成本在僅占較小比例，運(yùn)行能耗費(fèi)用占相當(dāng)大的比例（見(jiàn)圖1，泵系統(tǒng)壽命周期成本比例），因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行合理匹配工藝條件，改變泵的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)降低泵的壽命周期成本很重要。

圖2 泵性能與系統(tǒng)曲線圖

圖1 泵系統(tǒng)壽命周期成本比例

一、泵性能與系統(tǒng)的的工藝條件良好匹配

能源消耗是泵全壽命周期成本的重要組成部 分，離心泵消耗能源占整個(gè)工廠動(dòng)力設(shè)備的20%～50%。泵性能與系統(tǒng)裝置的性能應(yīng)有良好的匹配關(guān)系（見(jiàn)圖2，泵性能與系統(tǒng)曲線圖），應(yīng)能進(jìn)行正確的使用，所節(jié)省的費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)購(gòu)置設(shè)備的費(fèi)用。但在許多情況下，許多生產(chǎn)廠家為花最少的成本而購(gòu)置一些效率低，可靠性差的泵產(chǎn)品，泵在運(yùn)行過(guò)程中由于效率低，要滿足生產(chǎn)要求泵的運(yùn)行能耗居高不下；可靠性差，經(jīng)常故障非計(jì)劃停機(jī)，不僅增加維修費(fèi)用，在大的工藝裝置上因?yàn)楸梅钦ＭC(jī)造成整套裝置停車的損失也很大。由此看來(lái)泵采購(gòu)時(shí)僅僅過(guò)于重視采購(gòu)成本，購(gòu)置一些低效率可靠性差的產(chǎn)品，往往會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的、長(zhǎng)期的問(wèn)題，在實(shí)際使用過(guò)程中耗費(fèi)很多的能源、維護(hù)成本。

在流程工業(yè)中，為降低占?jí)勖芷诔杀颈壤喈?dāng)大的能耗費(fèi)用，首先要避免工藝條件過(guò)于保守。額定流量與正常流量的比值，國(guó)外先進(jìn)工程公司取為1.05 ～1.1，而國(guó)內(nèi)不少工藝設(shè)計(jì)取為1.15 ～1.2，揚(yáng)程的富裕量又較大，造成離心泵正常運(yùn)行時(shí)必需關(guān)小出口閥門，能量白白消耗在閥門上。

其次在離心泵選型時(shí)，應(yīng)盡量使正常工況靠近最佳效率點(diǎn)，泵長(zhǎng)期運(yùn)行工況的效率高。離心泵運(yùn)行工況點(diǎn)離最佳效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，葉輪受到的徑向力越大，將縮短機(jī)封和軸承的壽命，增加維修費(fèi)用；徑向力越大，葉輪口環(huán)磨損加劇，內(nèi)泄漏加大，容積效率降低。

二、避免泵在高于設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行采取的措施

由于設(shè)計(jì)的保守，使用單位在實(shí)際使用的泵常常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)流量的情況。在這種情況下，泵揚(yáng)程-流量曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量將超過(guò) 工藝所需的流量，消耗的電機(jī)功率也相應(yīng)偏大。用戶通常關(guān)小出口閥門來(lái)減小到所需的流量，此時(shí)功率也略微下降。但如果此時(shí)泵不調(diào)整，將永遠(yuǎn)在大流量點(diǎn)運(yùn)行，除非泵具有足夠的汽蝕余量，否則會(huì)遭受到汽蝕的破壞，消耗過(guò)多的功率。如果已選用過(guò)高的安全余量，可以通過(guò)下列措施降低能耗。

1. 切割葉輪外徑滿足裝置運(yùn)行的條件。

2. 如預(yù)計(jì)切割葉輪外徑不能達(dá)不到預(yù)定的參數(shù)，可重新設(shè)計(jì)制造一個(gè)滿足工況點(diǎn)要求的高效葉輪。

三、采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)代替閥門節(jié)流控制

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)流量的方法是調(diào)節(jié)出口閥門的開(kāi)度控制流量，泵轉(zhuǎn)速保持不變。閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)浪費(fèi)能量、貴重材料調(diào)節(jié)閥費(fèi)用高。而目前興起的基于PLC的智能變頻控制系統(tǒng)，取消了泵出口調(diào)節(jié)閥，消除了在出口調(diào)節(jié)閥上的能量損失，選用泵的揚(yáng)程也相應(yīng)降低，泵運(yùn)行功率大大降低，節(jié)省了流量調(diào)節(jié)閥的維修費(fèi)用。智能變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和工藝狀態(tài)監(jiān)視，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)有聲、光報(bào)警，并完成工頻-變頻自動(dòng)切換或投入備用泵工作，實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)載壓力或流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單可靠和節(jié)能的特點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)位號(hào)有多種工況，流量、揚(yáng)程不同，用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)最經(jīng)濟(jì)。

四、選擇合適的泵轉(zhuǎn)速

在汽蝕性能允許的前提下，選用的轉(zhuǎn)速越高，泵效率會(huì)越高，消耗的功率會(huì)越低。因此，除了一些特殊的因素，盡量應(yīng)選用更高的轉(zhuǎn)速來(lái)確保泵具有更高的運(yùn)行效率，從而節(jié)約能源。同時(shí)選用較高的轉(zhuǎn)速，泵結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小，因而泵的成本也較低。離心泵輸送粘性物質(zhì)時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，效率修正系數(shù)加大，介質(zhì)粘性的不利影響減輕。因此應(yīng)采用較高轉(zhuǎn)速，此觀點(diǎn)對(duì)泵選型的經(jīng)濟(jì)性和合理性有指導(dǎo)價(jià)值。

五、選擇合適的間隙

密封環(huán)的耐磨性、間隙合適，會(huì)提高泵的可靠性，降低能耗。葉輪背葉片與泵蓋之間的間隙對(duì)泵的可靠性及能耗也有較大的影響。泵設(shè)計(jì)是密封環(huán)的間隙一般為密封環(huán)直徑的0.2%～0.4%，最大應(yīng)不低于0.6%～0.8%.當(dāng)密封環(huán)逐步磨損、逐步變大超出這些數(shù)值時(shí)，效率開(kāi)始下降。在相同條件下密封環(huán)的磨損取決于泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及材料。

一種比轉(zhuǎn)速在250 的新泵產(chǎn)生的泄漏損失為1%左右，如果內(nèi)部間隙增加至極限點(diǎn)后，其泄漏損失將會(huì)增加，甚至超過(guò)一倍。一般通過(guò)更換密封環(huán)恢復(fù)間隙，從而減小泄漏損失。如果泵比轉(zhuǎn)速數(shù)為75，其泄漏損失約為5%，其密封環(huán)磨損增大至極限值容積損失急劇增大，甚至超過(guò)10%左右。如果恢復(fù)間隙，可減少容積損失5%左右。

六、對(duì)并聯(lián)運(yùn)行離心泵的特殊要求

兩臺(tái)離心泵并聯(lián)運(yùn)行的總流量是由兩泵合成的H-Q 曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)來(lái)確定，并聯(lián)的總流量總是小于兩臺(tái)單泵的流量之和。按API610 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，要求離心泵應(yīng)具有穩(wěn)定的揚(yáng)程-流量特性曲線，即從最大流量點(diǎn)到關(guān)閉點(diǎn)的揚(yáng)程曲線呈連續(xù)上升狀，從額定到關(guān)閉點(diǎn)的揚(yáng)程上升量至少應(yīng)為額定點(diǎn)揚(yáng)程的10%。離心泵的特性滿足上述要求，并采用PLC 智能變頻控制技術(shù)，就可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)離心泵的并聯(lián)運(yùn)行的最佳化。

七、液體粘度的影響

液體粘度影響泵性能。這是因?yàn)橛捎谝后w介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，存在著沿程摩擦損失和內(nèi)部摩擦損失。由于存在著粘度，因此相對(duì)損失較清水介質(zhì)大，隨著介質(zhì)粘度的增加，其阻力也相應(yīng)增大，泵效率也會(huì)降低。如果液體粘度很高，例如高粘度油品的長(zhǎng)距離輸送，對(duì)粘油就要加熱或伴熱以降低粘度，這就要增加伴熱和加熱的一次投資和運(yùn)行費(fèi)用，為此要進(jìn)行多方案比較，確定最佳加熱溫度。

八、結(jié)束語(yǔ)

推行壽命周期成本的評(píng)價(jià)方法，有助于糾正泵采購(gòu)是重視購(gòu)置費(fèi)，忽視運(yùn)行費(fèi)的傾向，而提高離心泵效率是降低泵運(yùn)行費(fèi)首要措施。本文從泵性能應(yīng)與系統(tǒng)的工藝條件良好匹配、避免泵在高于設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行采取的措施、采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)替代閥門節(jié)流控制、選擇合適的泵轉(zhuǎn)速和間隙、對(duì)離心泵并聯(lián)運(yùn)性的特殊要求、液體粘度影響等方面介紹了提高離心泵效率的措施，以求最大限度降低泵系統(tǒng)壽命周期的成本。

[1]王立.泵壽命周期成本及其分析，[J].水泵技術(shù)，2007，（4），10-12.

[2]項(xiàng)偉.旋殼泵在變頻智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)，2011,21（2），32-35.