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如何优化离心泵的运行（四）如何优化离心泵的运行（四）电力成本的上涨使许多工厂将重点转移到能源消耗上。工厂通常会连续运行泵送设备，许多研究表明，通过优化泵送设备可以节约成本。 在评估节能潜力时，最终用户不能孤立地考虑泵。泵在其运行系统中的适用性至关重要。 即使是设计最好、效率最高的设备，如果在应用不当的系统中以最佳效率点（BEP）运行，也具有节能潜力。 许多工厂已经运营了40多年，其经营理念也随着时间的推移而发生了变化。工厂的改进提高了产量，通常可将产量提高125至150%。 遗憾的是，在改善或提高冷却水泵等辅助服务泵送设备的性能方面却鲜有建树。 随着系统流量需求的增加，泵的工作点被迫向BEP右侧偏移，远远超出了可接受的工作范围（即允许工作区，AOR - 泵沙龙注）。这会导致泵效率和可靠性急剧下降。 在过去的 40 年中，铸造公差、表面光洁度以及叶轮/叶片或叶轮/扩散体的几何形状都有了显著改善。但是，由于许多泵是在工厂投产时安装的，因此当时泵的制造技术在今天看来已经过时。 其结果是能源成本增加，可靠性和可用性降低，这通常会造成生产延迟。 最初设计 泵对不断变化的系统条件做出反应。系统需求（或系统阻力）决定了泵运行时的流量和压力。随着系统流量需求的增加，泵的流量也随之增加，从而使泵的运行点进一步向性能曲线的右侧偏移。 系统需求通过绘制系统阻力曲线与流量的函数关系来表示。由于压力和流量是由泵性能曲线（红色）与系统扬程曲线（绿色）的交点决定的，因此该曲线可帮助最终用户快速确定给定泵的系统流量（见图1）。工艺设计工程师最好选择工作点与BEP相吻合的泵，这样泵的效率可达80 %，如图1所示。 图1：泵与系统曲线的交点 - 工作点 然而，许多辅助泵系统已经超出了最初的设计，需要更高的流量来支持更高的工厂产量。这种情况在冷却水应用、冷凝水泵、除垢泵或任何用水量与产量成正比的应用中尤为常见。 虽然最初的设计可能需要两台泵运行，而现在的要求可能需要两台半泵 - 两台泵不够，三台泵又太多。随着流量的增加，结果通常是系统需求超过了泵的AOR（见图2）。 图2：基于不同系统要求的泵性能曲线交互作用 原始工作点 一家加工厂的厂用水泵的原始系统设计是三台泵并联运行，并安装一台作为备用泵。系统总需求为流量105,000 gpm（23,864 m3/h），总动态扬程（TDH）压力为190 ft（57.9 m）。每台泵的额定流量为35,000 gpm（7,955 m3/h），总动态扬程为190 ft（57.9 m）。 随着产量的增加，需要更多的服务用水，导致现有泵的运行点进一步向性能曲线的右侧偏移。 这导致必需的净正吸入压头（NPSHR）超过可用的净正吸入压头（NPSHA），从而引发严重的汽蚀问题。 为了减少汽蚀问题，工厂将四台泵并联运行，并对每台泵进行节流，以保持单泵流量足够低，从而防止汽蚀。 随着时间的推移，由于没有进行性能测试或验证，叶轮的设计也偏离了最佳状态。汽蚀和服务水量不足的问题持续存在，直到泵站无法满足工厂的需求。 如图3所示，现场泵评估和随后对翻新不佳的叶轮进行的单独性能测试表明，泵的性能已经大大降低。 图3：泵性能测试数据说明性能下降 设计新的叶轮 近年来，逆向工程、激光数字化设备、计算流体动力学（CFD）软件以及通过计算机辅助设计/计算机辅助建模（CAD/CAM）软件打印三维铸造模具的能力等方面的技术进步，彻底改变了售后服务市场。五年前成本高昂的解决方案，如今在经济上已变得可行。 该解决方案从三个方面帮助制造商和最终用户解决了能源优化难题： 1）采集系统阻力数据和运行条件。工厂的泵在不同的流量条件下运行。了解了这些流量要求与系统阻力的匹配情况，就能得出优化的设计流量，确保泵产生的扬程不会通过控制阀减压来降低，从而可以根据需求来优化泵的运行数量。 2）使用先进的激光扫描设备捕捉现有叶轮的几何形状，并建立该叶轮的CFD模型。这样就可以对设计方案进行评估，从而针对新的流量需求进行优化设计。 3）使用3D铸造砂打印机和铸造模拟软件等增材制造技术，大幅缩短交货时间，并减少通常与铸造工艺相关的管理费用。 根据设计数据直接进行的3D打印工艺确保了设计的完整性。砂型打印的高精度意味着叶片与叶片之间的对称性和叶片形状完全一致。砂型打印还能改善铸件表面的光洁度。仅仅这些制造措施就可以将效率提高3 %。 表1-3显示了根据能源审计预测得出的系统改进前后的能源使用情况。除节能外，可靠性和可用性的提高还能延长平均维修间隔时间，从而大幅降低维护成本。 表1：原始系统 * 注：为了防止汽蚀，四台泵（并联）节流运行。 表2：新设计的系统 * 注：三台重新设计的泵并联运行 表3：系统预计的总节能量 * 数字不包括该设备通常需要的定期维修费用。 结论 全世界的每个生产设施都存在着巨大的节能机会，尤其是以下泵送系统： - 使用200 hp及以上的泵 - 主要提供冷却水 - 与工厂产量成比例的需求 - 需要多台泵并联运行 - 存在固有的延迟或生产放缓 - 使用排放阀或旁通管路 - 系统负荷波动大 在过去，泵的升级或改造往往完全由原始设备制造商负责，因为只有他们才能提供具有成本效益的铸件。然而，随着售后服务市场的技术革命，拥有现场水力工程支持的上层服务中心通常可以提供具有成本效益的、新设计的叶轮或蜗壳，以及专门为应用而设计的解决方案。 有了逆向工程、激光数字化设备、CFD软件和快速成型技术，再加上直接从CAD/CAM软件打印3D铸造模具的能力，最终用户就不必再使用过时的泵送系统。解决方案很容易获得，而且在经济上完全可行。 作者简介：Kristo Naude是NRG能源公司的高级工程师，也是德克萨斯A&M涡轮机械实验室的泵顾问。他于1986年获得Pretoria大学机械工程学士学位，并于1998年获得Stellenbosch大学商学院的工商管理硕士学位。 泵沙龙注：封面图片来源于KSB。 |
