劉晶婷，楊劍鋒

（北京化工大學(xué)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?jiǎng)恿υO(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(fèi)的，這些被浪費(fèi)的能源會(huì)對(duì)泵及泵系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使泵通過(guò)發(fā)熱、噪聲和振動(dòng)的方式來(lái)消耗這些能量。消除這些被浪費(fèi)的能源，在各種不良的工況下，為泵提供保護(hù)，減少大約75%的維護(hù)工作量和維修費(fèi)用。

二、離心泵的節(jié)能減排

PumpSmart專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)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(jì)的嵌入式智能控制部件。旨在避免當(dāng)離心泵運(yùn)行在會(huì)導(dǎo)致故障的工況中時(shí)，提高泵的正常運(yùn)行時(shí)間，提醒操作員泵的危險(xiǎn)運(yùn)行模式，減少意外故障的發(fā)生和維護(hù)工作。通過(guò)減少泵的能耗，降低運(yùn)行壓力，從而減輕離心泵系統(tǒng)的磨損；通過(guò)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(duì)能耗的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)泵的選型尺寸都超過(guò)實(shí)際需要的20%~50%，造成運(yùn)行效率降低，導(dǎo)致過(guò)多能量被泵及系統(tǒng)浪費(fèi)，降低了系統(tǒng)的可靠性和性能。由于離心泵的過(guò)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(guò)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(lái)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(gè)原則：

(1)滿足工作中所需的最大流量和最大揚(yáng)程；

(2)正常運(yùn)行工況點(diǎn)盡可能靠近其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)；

(3)選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕的泵，盡量選擇高轉(zhuǎn)速的泵或風(fēng)機(jī)；

(4)應(yīng)盡量選用性能曲線沒(méi)有“駝峰”的泵，保證運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，若性能曲線具有“駝峰”，則運(yùn)行工況點(diǎn)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(jì)范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少熱、噪聲以及振動(dòng)，使工作環(huán)境更安全，如圖1所示。

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

2.離心泵維護(hù)對(duì)能耗的影響

理論上，離心泵的保護(hù)很簡(jiǎn)單，但泵保護(hù)設(shè)定時(shí)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(yáng)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(shí)，如果泵功率下降到37.28kW以下，則其在低于最小流量下運(yùn)轉(zhuǎn)；如果速度為2 800r/min，則其剛過(guò)最佳效率點(diǎn)BEP；對(duì)于3 600r/min時(shí)最小流量點(diǎn)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(lái)計(jì)算2 800r/min時(shí)最小流量點(diǎn)的功率，則得到17.52kW，但由于其他功率損耗，實(shí)際值為18.64kW。

為了給離心泵提供精確的保護(hù)，需要考慮負(fù)載形式(離心式)、機(jī)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(shí)別泵運(yùn)行在性能曲線上的位置，并進(jìn)行干預(yù)以避免嚴(yán)重后果發(fā)生，以此來(lái)保護(hù)泵和機(jī)械密封的安全。

PumpSmart識(shí)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(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)，PumpSmart提供的選擇包括警告、停機(jī)或忽略；

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

(3)針對(duì)過(guò)載，即關(guān)死揚(yáng)程，PumpSmart會(huì)進(jìn)行警告或減速。

PumpSmart通過(guò)綜合考慮泵的實(shí)際流量、速度變化以及泵的轉(zhuǎn)矩變化對(duì)泵性能的影響，對(duì)泵的最低流量和干運(yùn)行提供了強(qiáng)大的保護(hù)措施。通過(guò)這些保護(hù)措施，減少離心泵由于故障對(duì)能源的消耗，延長(zhǎng)其壽命周期。

3.離心泵的過(guò)程控制對(duì)能耗的影響

在離心泵過(guò)程控制中，對(duì)每臺(tái)泵的流量進(jìn)行監(jiān)控，防止由于工藝擾動(dòng)造成的泵故障。綜合實(shí)際運(yùn)行成本的考慮，采用PumpSmart PS200中的無(wú)傳感器流量測(cè)量功能，利用從變頻器獲得的扭矩和速度數(shù)據(jù)，計(jì)算泵的流量，計(jì)算精度為正負(fù)5%，而不需要使用任何外部傳感器。

流量計(jì)算需要輸入4個(gè)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(diǎn)流量(QEEP)、最佳效率點(diǎn)功率(PEEP)、關(guān)死揚(yáng)程點(diǎn)功率(PSO)和泵的額定速度(Nrated)，如圖3所示。通過(guò)該數(shù)據(jù)，PumpSmart可以確定泵的比轉(zhuǎn)速，以便預(yù)測(cè)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(shí)際性能相互關(guān)聯(lián)，PumpSmart綜合流體效率、機(jī)械損失、渦流損失等9種不同的性能因素，采用了一套校準(zhǔn)功能。在泵的出口閥門(mén)關(guān)閉后，不需要外部設(shè)備或傳感器，運(yùn)行自動(dòng)校準(zhǔn)功能即可，該步驟可以補(bǔ)償泵的磨損，達(dá)到最初的測(cè)量精度。

通過(guò)使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的流量圖譜以及從變頻器獲得的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和速度信息，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器流量PID控制，通過(guò)對(duì)

離心泵的過(guò)程控制進(jìn)行泵保護(hù)，完成對(duì)泵系統(tǒng)性能下降的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以達(dá)到離心泵在過(guò)程控制中的節(jié)能減排。

三、實(shí)踐及結(jié)論

在某泵廠進(jìn)行的多組實(shí)驗(yàn)，電機(jī)滿轉(zhuǎn)速并通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥門(mén)開(kāi)度控制流量，測(cè)得結(jié)果的平均數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

通過(guò)變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速輔以調(diào)節(jié)出口閥門(mén)開(kāi)度，測(cè)得結(jié)果的平均數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知在保持相同流量條件下，采用自動(dòng)變頻降速可將功率由原來(lái)的95.78降至78，可顯著降低功率，同時(shí)有效振動(dòng)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(guò)程中的各個(gè)階段，綜合各個(gè)階段的特征和實(shí)際情況，來(lái)保護(hù)泵的平穩(wěn)運(yùn)行，并保證其在平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，從離心泵的選型、維護(hù)及過(guò)程控制三個(gè)方面，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

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(jì)與經(jīng)濟(jì)性分析[J].煤礦機(jī)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(dòng)化，2011，47(4):73-75.