論化工流程泵降低壽命周期成本方法

王春杰 閆志宏

（煙臺巨力精細化工股份有限公司 山東煙臺 265202）

由于能源費用不斷上升，化工企業越來越關注生產系統的能耗，化工流程泵的性能與工況不匹配會多耗能，可靠性也會降低，壽命周期成本（LCC）是指某一系統或產品從設計、制造、安裝、運行（包括能耗）、維護、直至失效報廢或回收再利用的整個期間所產生的直接或間接成本的總和。在許多化工流程泵應用過程中，泵初始采購成本在僅占較小比例，運行能耗費用占相當大的比例（見圖1，泵系統壽命周期成本比例），因此在實際生產過程中進行合理匹配工藝條件，改變泵的運行狀態對降低泵的壽命周期成本很重要。

圖2 泵性能與系統曲線圖

圖1 泵系統壽命周期成本比例

一、泵性能與系統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工廠動力設備的20%～50%。泵性能與系統裝置的性能應有良好的匹配關系（見圖2，泵性能與系統曲線圖），應能進行正確的使用，所節省的費用將遠遠超過購置設備的費用。但在許多情況下，許多生產廠家為花最少的成本而購置一些效率低，可靠性差的泵產品，泵在運行過程中由于效率低，要滿足生產要求泵的運行能耗居高不下；可靠性差，經常故障非計劃停機，不僅增加維修費用，在大的工藝裝置上因為泵非正常停機造成整套裝置停車的損失也很大。由此看來泵采購時僅僅過于重視采購成本，購置一些低效率可靠性差的產品，往往會帶來嚴重的、長期的問題，在實際使用過程中耗費很多的能源、維護成本。

在流程工業中，為降低占壽命周期成本比例相當大的能耗費用，首先要避免工藝條件過于保守。額定流量與正常流量的比值，國外先進工程公司取為1.05 ～1.1，而國內不少工藝設計取為1.15 ～1.2，揚程的富裕量又較大，造成離心泵正常運行時必需關小出口閥門，能量白白消耗在閥門上。

其次在離心泵選型時，應盡量使正常工況靠近最佳效率點，泵長期運行工況的效率高。離心泵運行工況點離最佳效率點越遠，葉輪受到的徑向力越大，將縮短機封和軸承的壽命，增加維修費用；徑向力越大，葉輪口環磨損加劇，內泄漏加大，容積效率降低。

二、避免泵在高于設計流量下運行采取的措施

由于設計的保守，使用單位在實際使用的泵常常會出現實際流量遠遠偏離設計流量的情況。在這種情況下，泵揚程-流量曲線與管路特性曲線的交點對應的流量將超過 工藝所需的流量，消耗的電機功率也相應偏大。用戶通常關小出口閥門來減小到所需的流量，此時功率也略微下降。但如果此時泵不調整，將永遠在大流量點運行，除非泵具有足夠的汽蝕余量，否則會遭受到汽蝕的破壞，消耗過多的功率。如果已選用過高的安全余量，可以通過下列措施降低能耗。

1. 切割葉輪外徑滿足裝置運行的條件。

2. 如預計切割葉輪外徑不能達不到預定的參數，可重新設計制造一個滿足工況點要求的高效葉輪。

三、采用變頻調速驅動代替閥門節流控制

傳統調節流量的方法是調節出口閥門的開度控制流量，泵轉速保持不變。閥調節系統浪費能量、貴重材料調節閥費用高。而目前興起的基于PLC的智能變頻控制系統，取消了泵出口調節閥，消除了在出口調節閥上的能量損失，選用泵的揚程也相應降低，泵運行功率大大降低，節省了流量調節閥的維修費用。智能變頻系統實現對設備和工藝狀態監視，出現故障時會有聲、光報警，并完成工頻-變頻自動切換或投入備用泵工作，實時根據負載壓力或流量進行自動調節的功能，系統具有簡單可靠和節能的特點。當一個位號有多種工況，流量、揚程不同，用變頻調速驅動最經濟。

四、選擇合適的泵轉速

在汽蝕性能允許的前提下，選用的轉速越高，泵效率會越高，消耗的功率會越低。因此，除了一些特殊的因素，盡量應選用更高的轉速來確保泵具有更高的運行效率，從而節約能源。同時選用較高的轉速，泵結構尺寸相對較小，因而泵的成本也較低。離心泵輸送粘性物質時，轉速升高，效率修正系數加大，介質粘性的不利影響減輕。因此應采用較高轉速，此觀點對泵選型的經濟性和合理性有指導價值。

五、選擇合適的間隙

密封環的耐磨性、間隙合適，會提高泵的可靠性，降低能耗。葉輪背葉片與泵蓋之間的間隙對泵的可靠性及能耗也有較大的影響。泵設計是密封環的間隙一般為密封環直徑的0.2%～0.4%，最大應不低于0.6%～0.8%.當密封環逐步磨損、逐步變大超出這些數值時，效率開始下降。在相同條件下密封環的磨損取決于泵結構的設計及材料。

一種比轉速在250 的新泵產生的泄漏損失為1%左右，如果內部間隙增加至極限點后，其泄漏損失將會增加，甚至超過一倍。一般通過更換密封環恢復間隙，從而減小泄漏損失。如果泵比轉速數為75，其泄漏損失約為5%，其密封環磨損增大至極限值容積損失急劇增大，甚至超過10%左右。如果恢復間隙，可減少容積損失5%左右。

六、對并聯運行離心泵的特殊要求

兩臺離心泵并聯運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來確定，并聯的總流量總是小于兩臺單泵的流量之和。按API610 標準的規定，要求離心泵應具有穩定的揚程-流量特性曲線，即從最大流量點到關閉點的揚程曲線呈連續上升狀，從額定到關閉點的揚程上升量至少應為額定點揚程的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，就可自動實現兩臺離心泵的并聯運行的最佳化。

七、液體粘度的影響

液體粘度影響泵性能。這是因為由于液體介質在管道內流動時，存在著沿程摩擦損失和內部摩擦損失。由于存在著粘度，因此相對損失較清水介質大，隨著介質粘度的增加，其阻力也相應增大，泵效率也會降低。如果液體粘度很高，例如高粘度油品的長距離輸送，對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行費用，為此要進行多方案比較，確定最佳加熱溫度。

八、結束語

推行壽命周期成本的評價方法，有助于糾正泵采購是重視購置費，忽視運行費的傾向，而提高離心泵效率是降低泵運行費首要措施。本文從泵性能應與系統的工藝條件良好匹配、避免泵在高于設計流量下運行采取的措施、采用變頻調速驅動替代閥門節流控制、選擇合適的泵轉速和間隙、對離心泵并聯運性的特殊要求、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，2007，（4），10-12.

[2]項偉.旋殼泵在變頻智能控制系統中的應用[J].化工設計，2011,21（2），32-35.