【摘 要】本文借助EXCEL對(duì)流體泵送管路規(guī)格和泵的揚(yáng)程最優(yōu)化選用，達(dá)到使流體輸送費(fèi)用最低目標(biāo)效果。

【關(guān)鍵詞】EXCEL；流體輸送；管路直徑；工藝流量；流動(dòng)阻力損失；揚(yáng)程；泵送電耗費(fèi)；年管路費(fèi)

0 概述

在生產(chǎn)實(shí)際中，在使用離心泵輸送液體時(shí)，泵的流量是生產(chǎn)工藝需要確定的。輸送流體管路的長(zhǎng)度和管件種類(lèi)、數(shù)量是輸送的始點(diǎn)和終點(diǎn)的相互位置確定的。泵的尺寸基本上也是由流量確定的，也就是說(shuō)泵的費(fèi)用基本上是確定的。所以對(duì)于流量和管路長(zhǎng)度基本上不存在優(yōu)化選擇問(wèn)題。但是，當(dāng)輸送流體管路的長(zhǎng)度和流量確定以后，輸送流體的管路通徑（管路規(guī)格）與泵送的電耗卻存在著一定的依存關(guān)系。若選擇管路規(guī)格小（也就是通徑?。?，所需管路投資就低，但是流體在管路中流動(dòng)速度大、流動(dòng)阻力高，所需泵的揚(yáng)程就高，導(dǎo)致泵送所需的電功率增大、電耗增大；若選用的管路規(guī)格大（也就是通徑大），所需管路投資就大、折舊和維護(hù)費(fèi)用高，而流體在管路內(nèi)的流速低，阻力小，所需泵送的揚(yáng)程低，導(dǎo)致泵送的電功率降低，電耗減小。除了泵本身的費(fèi)用之外，流體泵送的費(fèi)用，基本上決定于上述的管路費(fèi)用與電耗費(fèi)用之和。當(dāng)選用泵送的管路直徑恰當(dāng)時(shí)，會(huì)使得管路費(fèi)用與電耗費(fèi)用之和達(dá)到最低值，也就是最佳經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)狀態(tài)。

在化工企業(yè)當(dāng)管路中輸送的是一定濃度時(shí)，由于已經(jīng)有直接計(jì)算管路阻力損失的公式，管路的直徑優(yōu)化數(shù)據(jù)，可以推導(dǎo)出來(lái)費(fèi)用公式并通過(guò)對(duì)此費(fèi)用公式求導(dǎo)數(shù)計(jì)算極值的方法確定下來(lái)（可參閱《制漿造紙機(jī)械與設(shè)備》——華南工學(xué)院、天津輕工業(yè)學(xué)院合編 上冊(cè)）。但是諸如水一般的流體，在管路內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算公式中的阻力系數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的，使用者只能通過(guò)查圖選用，沒(méi)有公式可以直接計(jì)算確定。所以對(duì)于水一般的流體輸送管路與泵送揚(yáng)程的最佳值選擇，只能通過(guò)對(duì)一些列管徑下的各種費(fèi)用計(jì)算類(lèi)比來(lái)確定。但是這樣會(huì)造成比較麻煩的計(jì)算量。當(dāng)借助軟件EXCEL來(lái)做這一項(xiàng)工作以后，只要針對(duì)某一管路直徑下的阻力、用電量、管路費(fèi)用等一次性的輸入公式計(jì)算，以后其他管徑下各種類(lèi)似參數(shù)的計(jì)算就會(huì)由EXCEL算出了。同時(shí)，EXCEL還可以輕松地幫助繪出各種管徑下的各種運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用曲線(xiàn)圖，我們可以在圖上很直觀(guān)地看出不同管路直徑下不同的泵送費(fèi)用情況，幫助管路設(shè)計(jì)者輕松的確定管路參數(shù)的最佳值。

1 借助EXCEL選用最佳管路直徑和離心泵揚(yáng)程的事例

因生產(chǎn)需要，我公司欲從某車(chē)間向另一車(chē)間泵送某種類(lèi)似于水的牛頓型液體。已知：生產(chǎn)工藝要求流量200m3/h。管路長(zhǎng)度3000m，管路終點(diǎn)比始點(diǎn)的水平高2.5m。管路上90°彎頭30個(gè)，蝶閥數(shù)量3個(gè)。通過(guò)測(cè)定，此液體密度1200kg/m3，黏度0.01PaS。液體的pH值2-4，屬于酸性。試確定應(yīng)該選用通徑為多少的管路以及泵的揚(yáng)程是多少來(lái)輸送此液體為最經(jīng)濟(jì)。

1.1 鋼管材料的選用和年使用費(fèi)用

因?yàn)橐后w的pH值2-4，帶有較強(qiáng)的腐蝕性，需要長(zhǎng)途高空架設(shè)，所選用內(nèi)襯塑料的無(wú)縫鋼管。估計(jì)內(nèi)襯塑料鋼管的使用壽命8年。估計(jì)此種鋼管的每米價(jià)格是普通鋼管的2倍。所以此種鋼管的年使用費(fèi)用≈每噸鋼管的價(jià)格×每米鋼管重量×2×鋼管長(zhǎng)度÷8年，具體計(jì)算數(shù)值見(jiàn)下面的計(jì)算表。

1.2 泵送電耗

選用離心泵作為泵送的設(shè)備。泵送電機(jī)消耗的功率P=QHρg/η。上式中：Q——泵送的流量， 單位是m3/s；H——泵送工作點(diǎn)的揚(yáng)程， 單位是m；ρ——泵送液體的密度，單位是kg/m3；g——重力加速度，單位是m/s2；η——泵在工作點(diǎn)下機(jī)械效率。選用泵工作在高效點(diǎn)時(shí)，可取η=0.75。

泵送的年工作電耗W=PT ，左式中W——電耗，kW.h（千瓦小時(shí)），T——泵的年工作時(shí)間。

1.3 泵送的揚(yáng)程的確定

在“1.2 泵送電耗”中可以看到計(jì)算泵的電耗的關(guān)鍵所在是計(jì)算泵的工作揚(yáng)程。

上式中Z2-Z1表示管路始點(diǎn)和終點(diǎn)的水平高差，本例中為2.5；U2和U1分別是流體輸送始點(diǎn)和終點(diǎn)速度，本例中取零；p2-p1為流體輸送終點(diǎn)和始點(diǎn)壓力差值，本例中p2和p1都為一個(gè)大氣壓，p2-p1=0，所以本例中所需泵的揚(yáng)程H=流動(dòng)阻力損失Hf+2.5.

∑hf是流體在管道內(nèi)各項(xiàng)流動(dòng)阻力造成的單位質(zhì)量流體能量損失總和，單位是J/Kg?！苃f包括直管流動(dòng)阻力和流體流經(jīng)管件、閥門(mén)產(chǎn)生的局部阻力?！苃f是與管路長(zhǎng)度、管路內(nèi)壁相對(duì)粗糙度、流體在管路內(nèi)的流速、流體密度、流體黏度、管路內(nèi)徑等參數(shù)的函數(shù)，具體計(jì)算比較復(fù)雜，可以參照相關(guān)書(shū)籍資料進(jìn)行計(jì)算。

1.4 本實(shí)例的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如表1、表2、表3所示

1.5 各種費(fèi)用曲線(xiàn)圖

使用excel將重要的結(jié)果數(shù)據(jù)如上表中的第32項(xiàng)“年用電費(fèi)用”、第35項(xiàng)“襯塑管管路每年費(fèi)用”、第36項(xiàng)“襯塑管年電費(fèi)+管路費(fèi)”等繪制成圖線(xiàn)，在圖線(xiàn)上可以直觀(guān)地看到各種費(fèi)用隨著管路規(guī)格的變化而變化的趨勢(shì)和具體數(shù)量。見(jiàn)下面的《某車(chē)間泵送某種流體設(shè)備選型費(fèi)用比較圖》。

從圖1可以明顯看出：電費(fèi)隨著管徑的增加、迅速降低；管路費(fèi)用隨著管徑的增加逐漸增高；二者之和曲線(xiàn)呈U形，有最低的極值點(diǎn)。這個(gè)最低的極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的管路規(guī)格，就是最優(yōu)化的管路規(guī)格（費(fèi)用28.6萬(wàn)/年，管路規(guī)格273×6.5）。

2 結(jié)論

通過(guò)圖線(xiàn)和具體數(shù)據(jù)可以看出，使用規(guī)格（外經(jīng)×壁厚）273×6.5的襯塑管最經(jīng)濟(jì)。選用泵的參數(shù)為：流量200立方米/小時(shí)，揚(yáng)程：20.3米（在泵手冊(cè)中應(yīng)選用稍為高一點(diǎn)的揚(yáng)程，如選用揚(yáng)程為計(jì)算的1.1～1.2倍=22～25米）。在這種情況下，年費(fèi)用是28.6萬(wàn)元。假如對(duì)此管路選擇不進(jìn)行精心的計(jì)算，憑經(jīng)驗(yàn)選用219×6的襯塑管，年費(fèi)用將為42.33萬(wàn)元，比選用273×6.5的襯塑管年增加費(fèi)用13.73萬(wàn)元；或選用325×10的襯塑管，年費(fèi)用將為39.84萬(wàn)元，比選用273×6.5的襯塑管年增加費(fèi)用11.24萬(wàn)元。所以，當(dāng)需要泵送的流體流量很大、所需管路很長(zhǎng)時(shí)，那些習(xí)慣用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選泵和管路參數(shù)的做法是十分不可取的。在這種情況下，就要精心地計(jì)算選用最佳的泵送管路規(guī)格和泵送的揚(yáng)程，否則泵送的費(fèi)用會(huì)相差很大，僅一臺(tái)泵就會(huì)造成每年數(shù)萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。

同時(shí)還應(yīng)說(shuō)明，若在管路規(guī)格選用不恰當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，由于不進(jìn)行精心的計(jì)算，使得離心泵的揚(yáng)程選用離高效工作點(diǎn)很遠(yuǎn)，導(dǎo)致離心泵的工作效率大大降低（如工作效率為50%），在使用中就會(huì)造成浪費(fèi)比上述數(shù)據(jù)大得多的、更驚人的資金量。一些造紙企業(yè)每天運(yùn)轉(zhuǎn)的離心式漿泵和水泵數(shù)量總和在五百臺(tái)以上，若不對(duì)其揚(yáng)程、流量、管徑等進(jìn)行經(jīng)心計(jì)算選擇、每天造成損失又知多少！所以說(shuō)，對(duì)漿泵水泵規(guī)格型號(hào)恰當(dāng)選用以節(jié)能降耗，是造紙企業(yè)和化工企業(yè)進(jìn)行提升精細(xì)化管理的重點(diǎn)之一。

[責(zé)任編輯：湯靜]