高壓泵之提高石化泵的運行效率

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據有關部門介紹我國能源利用效率比先進國家低10%左右。以能源經濟效率指標來衡量，單位產品能耗比發達國家高20%～80%，加權平均高40%左右。我國是世界上單位產值能耗最高的國家之一。按照“十一五”規劃，未來5年我國單位GDP能耗要降低20%左右，要求鋼鐵、石油、石化、化工等9個重點耗能行業開展企業節能行動。
高壓泵是國家要求節能的機電產品之一，多次抽樣調查的結果表明，我國高壓泵所消耗的電能約為全國發電量的20%左右。在我國，工業用泵占泵總數的55%～60%，而石化用泵占工業用泵的三分之一，由于近年來石油石化行業的發展速度較快，這個比例還會呈現上升的趨勢。因此石化用泵是耗能大戶，節能潛力巨大。有關資料顯示，國內石化泵的實際運行效率普遍比發達國家低10%～30%。原因主要有兩個：一是國產泵的效率多數比工業發達國家同類產品低5%～10%，二是泵選型不當及泵調節方式不合理等。提高泵自身的效率，難度很大，代價也很大，對于廣大的泵的使用者與管理者來說，更是無能為力。全部采用高效進口泵，成本太大，不現實，也沒有必要，立足于國產泵效率較低的現狀，提高國產泵的運行效率，這是我們能做到的，也是應該做到的。這方面的節能潛力巨大，應引起我們的足夠重視。
合理正確地選用泵
合理選用泵的主機，它與管路及其附件構成了一個系統。泵的運行效率不僅與高壓泵本身的性能有關，還與整個系統的性能密切相關。要提高泵的運行效率就必須站在系統的角度上，做到系統各組成（件）的匹配是最佳的、最合理的，也就是做到選型最大限度地合理。

選擇適當的調節方式
由于對管網阻力計算有誤差（這些年來我國的設計規范中給出的管網阻力計算公式與實際相比普遍偏大10％以上），又擔心計算壓力和流量滿足不了工藝要求，或無適宜規格的泵及電機，只好從高選擇，層層加碼，造成我國現行運轉的多數泵的工作流量遠低于額定流量，工作壓力遠高于額定壓力，還有一些泵在實際工作中，由于工藝流程的變化或者其本身就是為調節工藝參數而設置的，因此現場多采用閥門節流來調節流量，以滿足那些不斷變更流量的要求。這種節流方式，據統計至少浪費了20％以上的能源，是一種不經濟的運行方式。國內外的經驗告訴我們采用變速調節及切割葉輪外徑是避免節流損失的最好方法。其中變速調節適用于變工況的情況，切割葉輪外徑適用于固定工況的情況。
變速調節變速調節是在管路特性曲線不變的情況下，通過變速改變泵的性能曲線，從而改變泵工作點的調節方式。(如圖1所示)據統計，國內有相當數量的泵實際上是處在部分負荷下工作，需要進行調速的，據測算約占全國用泵的20％，所以開展泵調速節能具有深遠意義。
對于負載轉矩與轉速成二次方關系的離心泵，變速調節節能效益最顯著。變速調節范圍不宜太大，通常最低轉速不宜小于額定轉速的50%，一般為100％～70%之間。當轉速低于額定轉速的50%時，泵本身效率下降明顯，是不經濟的。調速的方法從電氣方面來說，目前在我國能夠推廣使用的工業裝置有：電磁調速電動機調速、變速電動機調速、晶閘管串級調速、電力半導體變頻調速等；從機械方面來說，主要是液力偶合器。就國外泵行業來說，泵的調速運行已比較普遍，可以將變頻器做得很小，放在泵的機組中。目前國內的電氣調速的可靠性有待進一步提高，也要向小型化發展。國內用偶合器調速的大型泵比較多，主要是鍋爐給水泵，使用技術已相當成熟，只是國產液力偶合器的制造技術和可靠性還有待進一步研究提高。
選擇變速調節裝置時，要考慮技術、經濟諸方面的因素，綜合分析比較，擇優而行，以求得最大的經濟效益。但是考慮到我國當前調速裝置的生產水平、供貨情況、維修能力和節約能源的緊迫感，不一定要追求最佳方案。凡現在仍用節流運行有節電潛力者，應因地制宜，選擇一種調速裝置，把應該節約的電能節約下來。
切割葉輪外徑對于工藝參數基本穩定，泵選用過大，現場采用關小閥門來調節流量，造成泵的工作流量遠低于額定流量，工作壓力遠高于額定壓力的情況，可以采用切割葉輪外徑的方式調節。將離心泵葉輪外徑車小，可使在同一轉速下泵的特性曲線改變，從而改變泵的工作點。
△η范圍內的切割，圖中Ⅰ為切割前泵的特性曲線，AB是降低效率△η范圍內的工作段。Ⅱ為切割后泵的特性曲線，CD為切割后降低效率△η范圍內的工作段，ABCD圍成的四邊形為泵的工作范圍。采用切割葉輪的方法，并在允許效率下降范圍內，將泵的應用范圍從AB段擴大到了整個ABCD工作區。
正確把握管路改造與提高泵運行效率的關系
對于因管路損失太大而使泵實際運行工作點A經常處于額定點B左側的泵站(見圖3(a))，采取減少管路損失的措施后，不僅可以提高管路效率，而且使泵效率從ηa提高到ηb，流量從Qa增加到Qb。對離心泵而言，若動力機是按泵額定工況配置的，軸功率從Na增加到Nb后，負荷系數增大，動力機的效率也可以提高，因此，泵站經過管路改造后，即可獲得良好的節能效果。
目前，國內有很多泵在遠離最佳工況點的位置上運行，能耗大，裝置效率低，從某種意義上說這是由選泵的技術規范決定的。例如，某臺化工用泵，工藝流程實際需要是：Q=20～25m3/h， H=30 ～32m，選泵部門考慮到系統結垢導致管路阻力增加，系統中可能有泄漏，泵長期使用性能降低等三個因素，各加大10%，結果按30%的安全裕量，提出選泵的性能參數是：Q=32.5m3/h，H=41.6m。選用定型產品，實際選為IH80-65-200，該泵的性能參數為：Q=50m3/h，H=50m，配帶動力15kw。而實際工藝流程要求，選用IH65-50-160，其性能參數為：Q=25m3/ h，H=32m，配帶動力5.5kw。可見，由于選型不合理使得配帶動力幾乎增加了兩倍。像這樣的選型還算是比較接近的，還有不少選型使人無法自圓其說。泵在選型過程中經過的部門越多，安全裕量就留得越大，不僅造成很大的浪費，有的甚至造成無法正常工作。
正確確定泵的幾何安裝高度選泵時，一定要使泵的汽蝕性能滿足使用要求，即使泵的汽蝕性能滿足裝置或系統所能提供的汽蝕余量值，具體地說，就是正確地確定泵的幾何安裝高度。對某一臺泵來說，盡管其性能可以滿足使用要求，但是如果幾何安裝高度不合適，由于汽蝕的原因，會限制流量的增加，從而導致性能達不到設計要求。因此，正確地確定泵的幾何安裝高度是保證泵在設計工況下工作時不發生汽蝕的重要條件。
在實際工作中，人們只注意流量、揚程，往往忽視了泵的汽蝕性能。有的安裝人員對泵的理論性能不甚了解，不會也從不去計算泵的允許安裝高度，只按照過去的經驗去確定泵的安裝高度；還有的安裝人員認為泵的揚程越大，安裝高度就越大；或者由于對吸入管路系統阻力損失估計不足，介質的溫度波動估計不足，吸入液面液位變化估計不足等原因使得泵處于汽蝕或潛在汽蝕狀態下運行，造成泵的損壞較快，或者發生汽蝕，不能工作。
因此，研究各種系統的泵的選用規范和計算方法是放在廣大用戶和泵行業面前最大的節能課題，這方面的節能潛力比提高泵本身效率的潛力大許多倍。我們必須重視泵的選型工作，提高選泵水平，并使之規范化。
如果有另外一個泵站，盡管其管路損失大，管路效率低，但其運行工作點A(見圖3(b))經常在額定點的右側。對于這種情況，如僅采用減少管路損失的措施，則會使工作點由A向右移至C點，偏離泵額定點更遠。這時，雖然管路效率提高了，但泵效率卻下降了。對于管路效率提高幅度大于泵效率下降幅度的情況，泵站效率將有所提高，但提高的幅度卻較小；而對于管路效率提高幅度小于泵效率下降幅度的情況，泵站效率不僅不能提高，反而還要下降，甚至會使動力機超載。因此，對于這種情況，僅采用減少管路損失的措施是難以達到理想節能目的的，甚至可能增加能耗。為了獲得良好的節能效果，通常需要采取降速、車削葉輪以及改造管路相結合的綜合措施，不僅提高了管路效率，同時也提高了泵效率，進而提高了整個泵站效率，真正實現了節能。
其他措施
加強現場維護和管理任何機器都需要進行維護和保養，由于現場維護和管理不善造成泵運行效率較低的事例是很多的。主要存在如下一些問題：
a. 不定期檢修沒有必要的解體拆裝是不利的，同樣不按制造廠或現場維護章程規定，不進行定期的檢修也是有害的。有的用戶為了片面追求產量或減少工人的勞動量，泵只要能轉，就不進行定期檢修，甚至連定期的維護也不進行，結果造成泵運行效率越來越低，最后發生不可修復性故障。
b. 液封、液冷、潤滑系統不暢由于結垢、銹蝕或潤滑系統經常會有雜質進入，往往會堵塞或減少液封、液冷、潤滑系統的過流面積，另外在一些泵中，這些系統皆沒有流量顯示裝置，這就需要維護和運行人員注意觀察并定期清洗，否則如果這些系統出現故障，一定會造成泵被迫停機。
c. 易損件不定期更換泵的易損件是要定期更換的，易損件的磨損會降低泵的性能。
d. 不作失效記錄和分析一些產品在用戶使用時沒有較詳細的運行記錄，出現故障也不進行認真地分析，結果造成同類故障在一臺泵中反復發生，這是很不應該的，對于大的故障，用戶應該找制造廠和選泵部門進行認真地失效分析。
f. 緊固件不定期檢查按常規緊固件應有防松墊圈，但由于其不易裝拆，損壞被壓緊件的表面光潔度，螺栓也不易達到規定的預緊力，因此現在泵的緊固件中較少采用防松墊圈。泵是高速回轉機器，由于高速液流或其它原因使泵會有一定的振動（在規定值之內），這些皆有可能造成各類緊固件，如葉輪螺母、圓螺母和各種緊固螺母的微小松動，必須定期檢查其擰緊程度，否則會造成泵的故障。
注重附件及管網系統的維修在泵的維護和檢修過程中，只重視主機，不注意附件及管網系統的事例是很多的，由于附件及管網系統的故障造成泵的停機也時有發生。附件及管網系統的故障主要表現在以下幾方面：
a. 三閥失靈為防止事故停機，防止泵壓出管路系統的液體倒流，在壓出管路上配有逆止閥。為減少泵停機后再啟動時灌泵，在吸入管路配有底閥。為調節工況在壓出管路上配有調節閥，然而大部分情況下，泵是很少調節運行工況的。這樣三閥在泵運行中是很少動作的，再加上水結垢，或者介質中雜物的沉積，經常會造成三閥失靈，其結果可能造成泵的損壞。
b. 管路系統結垢用戶很少去處理管路的結垢問題，其結果造成管路過流斷面積減小，甚至會使泵無法在大流量工況運行，且管路結垢后，也降低了管路壁面的光潔度，增大了水力損失。
c. 吸入管路漏氣除了安裝在閉式系統的泵外，大部分泵在運行時，泵的吸入管路呈負壓狀態，因此，吸入管路系統中，所有的法蘭墊片皆是有彈性的軟質墊片，長期處在壓緊狀態下，墊片會失去彈性，或表面不平滑，其結果會造成吸入管路漏氣。當然還有其它一些原因，也會造成吸入管路漏氣，如法蘭盤之間沒有把緊或沒有把平。吸入管路漏氣，會造成泵汽蝕或振動，甚至會造成泵不能正常工作。
d. 安裝不合要求泵和原動機都是高速回轉的機器，為了能保證泵的正常工作，對泵和原動機的安裝要求是很嚴格的。然而在實際使用中，特別是一些中、小型泵，用戶不注意泵的安裝要求，往往會出現以下一些問題：
首先，基礎不牢固。對泵機組的基礎除了要求牢固且不產生變形外，對于一些在制訂這方面的標準。由于聯接管路加在泵吸入、排出口法蘭上的應力過大，且不對正，加之又是通過強硬緊固聯接的，若管路沒有支撐，完全由泵承受管路系統的重要泵，尤其是大泵，還要考慮到基礎的固有振動頻率與泵機組的固有振動頻率間的關系，絕對不能產生共振，否則后果不堪設想。
其次，泵吸入、排出管路的附加壓力過大。現在絕大部分的泵都沒有對吸入、排出管路附加壓力值進行規定，國際上正重量，其結果會造成泵體、泵蓋變形甚至損壞。泵體、泵蓋變形造成泵的轉子與殼體不同心，使得各種密封環磨損。管路附加應力過大是容易被人們忽略的問題。
最后，泵與原動機軸不同心。泵轉子與原動機轉子不同軸度的危害性是很大的。其主要原因是人們在實際運行時不大注意；或第一次安裝時注意了，但檢修時不大注意；或者吸入、壓出管路聯接后不再檢查泵與原動機轉子的同軸度；或對于采用滑動軸承的泵和原動機，由于靜止時轉子的中心線位置與運轉時不一樣。因此，要保持泵與原動機的同軸度，就應充分重視，定時檢修，特別是對運行時同軸度更應重視。
從上面分析可知，要提高泵的運行效率。作為泵的管理者和使用者，首先應合理地選用泵，要做到選型最大限度地合理，即站在系統的角度上做到各組成（泵、電機、各種相關附件）的匹配是最佳的、最合理的，正確地確定泵的幾何安裝高度，這是提高泵運行效率的關鍵；其次要選擇適當的調節方式，這里有兩種情況：對于工藝流程經常變化或者泵本身就是為調節工藝參數而設置的，泵就要適時進行調節。在調節中，應盡量選用變速調節，不用節流調節。至于選用何種調速方式，還應具體問題具體分析。對于工藝參數基本穩定，泵選用過大，現場采取關小閥門調節流量，造成泵的工作流量遠小于額定流量，工作壓力遠高于額定壓力的情況，采用切割葉輪外徑的方式調節比較經濟。此外，正確把握管路改造與提高泵運行效率的關系；加強現場維護和管理；注重附件及管網系統的維修也是提高泵運行效率的有效措施。