提高离心泵能效的策略

典型工业泵在20年内的LCC主要由维护和能源成本组成如图1所示。

图1：离心泵生命周期成本能源成本是离心泵总拥有成本中*高的。离心泵消耗的能量占工厂电机能量的25%至60%，这具体取决于行业。然而，在许多情况下，泵性能和系统要求的正确匹配可以将泵的能源成本平均降低 20%。为设施中的应用确定正确的泵技术的过程应该远远超出初始成本，但在很多情况下，它并没有。这种短视的方法可能会给组织带来重大的长期问题。在流程工业中，离心泵的购买价格通常为总拥有成本的5-10%。通常，考虑到当前的设计实践，100马力泵系统的生命周期成本（LCC），包括安装，运行，维护和退役的成本，将是初始购买价格的20倍以上。在一个对成本无情的市场中，优化泵效率是一个越来越重要的考虑因素。一旦安装了泵，其效率主要取决于流程工况。影响性能的主要因素包括泵和系统组件的效率、整体系统设计、有效的泵控制和适当的维护周期。为了实现机械设计的效率，泵制造商必须与最终用户和设计工程师密切合作，在确定泵时需要考虑所有这些因素。泵运行中遇到的不同损失分析1.  动/静零部件之间的机械摩擦损失主要零部件包括：1）滚珠或滚柱径向轴承2）滑动轴承3）推力轴承4）压盖、轴颈衬套（节流衬套）和填料环每种泵造成的总机械损失的比例取决于泵的类型和状况。轴承和压盖的适当润滑可减少摩擦损失。2.  液体与转子盘外部旋转面之间的圆盘摩擦损失原则上，这里所涉及的零部件是与液体接触的泵的所有旋转表面，这些旋转表面实际上不参与引导液体。这些要素包括：1）转子盘或盖板的外表面2）盖板的外边缘3）密封环的边缘4）平衡鼓/盘的整个表面通过测量在各种工况下驱动圆盘所需的功率，这种功率损失似乎取决于转速、圆盘直径、圆盘侧面和壳体内壁的粗糙度、液体的密度和粘度以及圆盘和壳体之间的轴向间隙。轴向间隙会影响功率损耗。与旋转圆盘接触的任何液体元素都将被拖动，至少在短距离内，在这段行程中，元素必然受到离心力的作用。这将诱导它们向外滑动。来自液体主体的其它元素将流入取代原始元素，因此将存在如下图所示的额外的流动类型。

图2：圆盘摩擦损失等区域示意图也就是说，摩擦冲击在很小的范围内产生了叶轮叶片的直接推力在有效范围内产生的泵送效应。但在圆盘和壳体之间的空间中，轴向距离可能会影响径向和切向速度分量。如果该距离较大，则相对大量的液体很容易卷入二次循环，从而从圆盘中窃取能量。但是，如果距离很小，能量应该更少。上述研究表明，在可比工况下，轴向间隙的增加会导致功率损失的增加。因此，可以通过具有尽可能小的轴向间隙来最小化圆盘摩擦损失，以提高效率。3.  泄漏损失泄漏的液体在多个点从主流中脱离开来，每个点的压力都不同。泄漏可能发生在密封圈以外的其它区域：1）液体密封填料函的液封环2）多级泵的平衡机构3）多级泵的节流衬套4）泵的耐磨环5）压盖/机械密封在普通泵中，只能测量通过多级泵平衡机构的泄漏量，并且泄漏点处的压力是已知的。通过不时地处理这些泄漏可以减少通过压盖/机械密封的泄漏。4.  水力损失如果我们计算了机械损失Pb、圆盘摩擦损失Pd和泄漏损失Pl的值，那么我们可以断言，残余能量Ps-Pb –Pd–Pl必须完全转移到流经泵的主流液体中，它没有别的地方可去。但这与液体从吸入法兰到出口法兰的过程中接收相应的净能量增量是完全不同的。这两个量之间的差异就是我们所说的水力损失（Ph），可以用这种方法计算。能量 En 被转移到液体中，用于向液体元素施加切向加速度。单位重量的液体将接收（VnV2 / g）单位的能量，因为每秒有W个单位的液体有效流动，因此

其中，Vn是实际的涡流分量，V2是液体的切向速度，Kp表示对应于一马力的每秒能量。现在，每单位重量液体的净能量增量由He表示，接收到的净功率W.H.P或Pw为WHe/Kp。因此，水力损失Ph可以写成

则水力效率为

流量减少和增加工况下的损失对入口速度三角形的检查表明，在流量增加或流量减少的情况下，现在需要考虑额外的能量损失。a.  在转子中如果叶片叶尖与设计的入口相对速度vr1相切，则它们不能同时与修正后的速度vr1c或vr1d相切。因此可能会形成涡流。

正常和失真的入口速度图当流动状态低于正常水平时，每个叶轮通道中的液体流可能会集中在叶片前部附近，在叶片后部附近留下或多或少的死区，这与有效向前运动有关，但其浪费能量的能力都是一样的。b.  泵壳体当泵流量减少时，将有额外的能量损失。虽然液体离开叶轮进入蜗壳的速度高于正常水平，但蜗壳内的平均速度必须低于正常水平。因此，能量转换效率最大化的必要条件不再适用。

离心泵叶轮中流量减小、正常和增加的理想出口速度图如果现在泵的流量大大高于正常水平，则速度矢量就会出现异常倾斜。在蜗壳蜗舌处可能发生非常严重的液体主流收缩，从而造成能量损失。对于导叶或扩散体式泵壳体，异常高的流量将再次破坏叶片倾角与速度矢量倾角之间的必要对应关系。这也增加了能量损耗。

泵壳体高流量运行绝大多数泵送系统的运行都远离其*佳效率点。由于各种原因，从短视或过于保守的设计、规范和采购，到数十年来运行工况的不断变化，大多数泵、管道和控制阀都太大或太小。在预计未来的负荷增长时，最终用户、供应商和设计工程师通常会增加10%至50%的“安全裕度”，以确保泵和电机能够适应预期的增容。在这种情况下，扬程-流量曲线与系统扬程曲线相交的流量远远超过使用过剩功率所需的流量。当然，泵可以节流到所需的流量，功率会降低一些。但是，如果泵不受控制地运行，它将始终以过量流量运行。除非有足够的装置汽蚀余量，否则泵可能会发生汽蚀损坏，功耗也会过高。如果在选择使用工况时，采取了合理的限制措施，以避免使用过多的安全裕度来获得额定使用工况，则可以节省大量的能源。但在现有安装中，如果泵具有过大的裕度，则可以使用以下选项：1）现有叶轮可进行切割，以满足安装所需的使用工况。2）可从泵制造商处订购具有直径减小的替换叶轮。3）在某些情况下，同一台泵可能有两种单独的叶轮设计，其中一个叶轮的宽度比最初提供的叶轮窄。较窄的替代叶轮将比正常宽度的叶轮在更低的流量下获得*佳效率。转速的影响及其控制离心泵的转速对泵内发生的各种损失有显著影响，因此也是可以控制效率的重要因素之一。转速对各种损失的影响机械损失：在泵中，转速N和机械（功率）损失Pb之间的相关性为Pb = K1·Nm上式中m值介于1和2之间，具体取决于轴承和填料函的类型。输入功率随转速的立方而变化。Ps = K2·N3因此，相对机械损失 = Pb/Ps = K1·Nm / K2·N3圆盘摩擦损失：对于泵送液体的给定泵，转速和功率损失之间的关系可以通过以下公式给出Pd = K3·N2.85则，相对圆盘摩擦损失 = Pd/Ps = K3·N2.85 / K2·N3结果表明，相对圆盘摩擦损失值随着转速的降低而增大。泄漏：相对泄漏损失似乎与泵转速无关。随着泵转速的下降，相对泄漏（功率）损失可能会略有增加。水力损失：当液体以Q的流量流过泵流道时，它经历了能量损失，包括摩擦损失和涡流损失。水力（功率）损失表示为Ph = K11·N2.95将其与输入功率进行比较Δn = K11·N2.95 / K2·N3因此，相对功率损失的值随着泵转速的下降而升高。通过具有适当的转速控制机构，可以将这种损失最小化。转速控制是一种选项，可以使泵在广泛的流量范围内高效运行。在离心泵中，转速与流量呈线性关系，但与功率呈立方关系。例如，将泵从 1800 rpm 减速到 1200 rpm 会导致流量减少 33%，功率降低 70%。这也减少了对系统的压力。泵中有两种类型的转速控制：多速电机和变速驱动器。多速电机具有离散速度（例如，高、中和低速）。变速驱动器可以在连续范围内提供转速控制。*常见的类型是变频驱动器（VFD），它调节提供给电机的电源的频率。VFD因其能够自动调节泵速转以满足系统要求而被广泛使用。然而，对于静态扬程占总扬程很大一部分的系统，VFD可能无法满足系统需求。尺寸过大会导致泵在其扬程-流量曲线上*佳效率点 （BEP） 的*左侧运行。假设为一个低静态扬程系统，变速驱动器允许泵在任何扬程或流量下在其BEP 附近运行。同时，驱动器可以编程为在远离BEP时保护泵免受机械损坏 - 从而提高机械可靠性。此外，过度的阀门节流成本很高，不仅会导致更高的能源和维护成本，而且还会严重损害控制回路的性能。在泵出口管路上使用小于50%开度的节流控制阀可能会加速部件磨损，从而减慢阀门响应。VFD允许离心泵以较低的转速运行，进一步提高了泵的可靠性，并显著提高了平均故障间隔时间（MTBF）。

比转速的影响在给定的一组运行工况下选择的比转速越高，泵的效率越高，因此功耗就越低。除非有其它考虑因素，否则从节能的角度来看，趋势应该是倾向于选择更高比速度的泵。间隙的影响有适当间隙的良好耐磨环，可提高泵的可靠性并降低能耗。还应保持叶轮与蜗壳或背板之间的正确间隙。由于磨损，泵效率会随着时间的推移而降低。设计良好的泵通常具有0.2 % 至0.4 % 的径向间隙。然而，只要它保持在0.6 % 至0.8 % 以下，其对效率的影响就可以忽略不计。当间隙开始增加超过这些值时，效率开始急剧下降。在相同的运行工况下，磨损率主要取决于耐磨环的设计和材料。通常，对于非腐蚀性液体，耐磨性随着密封/配合表面材料的硬度而增加。如果泵的比转速为2500（文中比转速数据均为美制单位 ），则新泵中的泄漏损失约为1 %。因此，当内部间隙增加到泄漏量增加一倍的程度时，通过恢复泵间隙，可以重新获得大约 1 % 的节能效果。但是，如果我们处理的是比转速为750的泵，则泄漏损失约为5%。如果在泵磨损到泄漏损失增加一倍后间隙得以恢复，我们可以指望节省 5% 的电量。表面粗糙度的变化根据结构材料和被泵送液体的特性，流道的粗糙度也会随着时间的推移而变化。在某些情况下，流道可能会获得光滑的抛光，而在其它情况下，它们可能会变得粗糙。这两种变化都会显著影响泵的性能。壳体粗糙度的增加通常会降低总扬程和效率。流道尺寸的变化由于磨损或腐蚀，泵的流道尺寸可能会随着时间的推移而改变，这通常会增加流道的尺寸，或者导致结垢、生锈或沉淀，而这通常会减小流道的尺寸。后者特别容易发生在间歇运行的泵中。运行一台泵而不是两台泵许多装置配有两台并联运行的泵，以在满负荷情况下输送所需的流量。然而很多时候，即使需求下降到单台泵可以承载负荷的程度，两台泵仍保持在线运行状态。当一台泵能够满足此工况时，在半负荷下运行两台泵所浪费的能量是巨大的。如果我们想将流量降低到半负荷，并且仍然保持两台泵在线，则需要节流泵的流量并创建新的系统扬程曲线。在这种情况下，每台泵将以117%的额定扬程输送50%的额定流量，其中大部分必须节流。每台泵将消耗其额定功耗的72.5%。因此，在半负荷工况下运行的两台泵的总功耗，将接近单台泵保持在线所需的两倍。点击查阅--2023年化工专业技能培训课程汇总液体粘度的影响液体粘度会影响泵的性能，这是因为离心泵的两个主要损失是由流体摩擦和圆盘摩擦引起的。这些损失随泵送液体的粘度而变化，因此扬程、流量输出和机械输出都与原始值不同。随着液体粘度的增加，泵产生的扬程降低，效率降低。因此，在流程工业中，需要在泵的吸入管线中保持良好的保温和蒸汽伴热。汽蚀的影响由于汽蚀，形成蒸汽气泡，这些气泡将改变转子通道中的速度分布和压力分布。蒸汽压气泡的作用实际上会降低液体的密度。也就是说，泵的行为就像另一种密度较低的液体流过它一样。由于流体混合物的平均速度现在较高（因为每秒重量不变），出口速度图趋向于呈现扭曲的形状，并将降低总扬程。密度的下降降低了产生的压力。由于汽蚀，会有能量损失。密度变化的影响泵以米为单位的液体产生相同的扬程，与比重无关。泵输送的体积量与比重无关，但重量与比重成正比。给定体积出口流量的输入功率和输出功率与密度成比例地变化。如果水被加热，密度会发生变化。在高压蒸汽锅炉中，水的密度降低幅度可能达到15%或更多。如果在规定的压力下每秒排放给定重量的水，则功率输出将随着水温的升高而增加。泵尺寸大小选择离心泵可能具有挑战性，因为这些泵在不同的压力下产生不同的流量。每台离心泵都有一个“*佳效率点”（BEP）。理想情况下，在正常运行工况下，所需的流量将与泵的 BEP 一致。与选择泵相关的复杂性通常会导致泵的尺寸不适合其应用。选择太大或太小的泵都会降低系统性能。泵尺寸过小可能会导致流量不足，无法满足系统要求。过大的泵在提供足够流量的同时，会产生其它负面影响 - 泵和电机组件的采购成本较高，能源成本更高（因为过大泵的运行效率较低）和更高的维护要求（因为随着泵远离BEP运行，它们会承受更大的压力）。在实际工程应用中，具有讽刺意味的是，购买许多过大型泵的目的是为了提高系统的可靠性。不幸的是，保守的做法通常优先考虑初始性能而不是系统生命周期成本。因此，会指定比实际所需的泵更大的泵，从而导致系统无法以*佳方式运行。提高对指定过大泵的成本的认识应该会阻止这种趋势。可变负载在具有高度可变负载的系统中，对于正常运行负载，尺寸适合处理*大负载的泵可能会过大。在这些情况下，使用多台泵、多速电机或变速驱动器通常会在各种运行工况下提高系统性能。为了处理大范围的流量变化，多台泵通常采用并联配置。这种布置允许每台泵根据需要可以随时启动和停机，以满足系统需求。并联布置泵的一种方式是使用两台或多台相同类型的泵。或者，具有不同流量的泵可以并联安装并配置，使得通常称为“小型泵”的小型泵在正常工况下运行，而大型泵在高需求期间运行。阀门和配件应对泵送系统控制进行评估，以确定*经济的控制方法。高压力损失的阀门，如截止阀，通常用于控制目的。然而，这些类型的阀门即使完全打开，也会发生重大损失。如果评估显示需要控制阀，请选择最小化阀门压降的类型。在工厂流程中泵送系统控制阀的效率低下，为节能和降低维护成本提供了机会。消耗系统总压降很大一部分或节流过度的阀门可能是节能的机会。液体泵送系统中的压降或扬程损失增加了这些系统的能源需求。压降是由管道和弯管、弯头或接头中的阻力或摩擦以及控制阀上的节流引起的。克服压降所需的功率与流体流量（以m3/h 表示）和压降大小（以扬程“m”表示）成正比。流体流经阀门和配件引起的摩擦损失和压降取决于所用管道和配件的尺寸和类型、内表面的粗糙度以及流体流量和粘度。案例研究 1在炼油厂的加氢裂化装置中，回流泵的泵送介质为石脑油，比重为0.7。电机额定功率为190千瓦。由于流程中的一些不利情况，有时水也会进入泵送介质，导致比重增加至0.9。由于P=γQH/（102η）其中 γ是比重，Q 是出口流量，H 是扬程。结果电机消耗更多的电流。如果它被忽视，将会浪费能量。案例研究2 泵以米为单位的液体产生相同的扬程，与比重无关。泵输送的体积量与比重无关，但重量与比重成正比。给定体积出口流量的输入功率和输出功率与密度成比例地变化。在炼油厂的真空蒸馏装置中，塔底泵送比重约为0.9的减压渣油。大多数炼油厂都针对不同类型的原油进行配置，如高硫和低硫。在高硫原油加工过程中，减压渣油的比重和粘度增加。这会产生更多的功耗。案例研究3 在具有高度可变负载的系统中，对于正常运行负载，尺寸适合处理*大负载的泵可能会过大。在这些情况下，使用多台泵、多速电机或变速驱动器通常会在各种运行工况下提高系统性能。为了处理大范围的流量变化，多台泵通常采用并联配置。这种布置允许每台泵根据需要可以随时启动和停机，以满足系统需求。并联布置泵的一种方式是使用两台或多台相同类型的泵。或者，具有不同流量的泵可以并联安装并配置，使小型泵在正常工况下运行，而大型泵在高需求期间运行。在炼油厂的原油蒸馏装置中，主原油泵并联安装。有时，原油蒸馏装置输出取决于次级装置的输出。如果次级装置中存在任何干扰，则必须降低原油蒸馏装置中的负荷。在这种情况下，并联配置使用多台泵。这种布置可以节约能源。案例研究4由于磨损或腐蚀，泵的流道尺寸可能会随着时间的推移而改变，这通常会增加流道的尺寸，或者导致结垢、生锈或沉淀，而这通常会减小流道的尺寸。后者特别容易发生在间歇运行的泵中。硫磺回收装置中的硫坑泵就是间歇性运行泵，它将液态硫泵入夹套管道中。如果夹套中的蒸汽循环不正常或由于夹套管道老化，一些硫颗粒会沉积在管线中。这减小了流道大小。管道粗糙度的增加会增加摩擦损失，通常会降低效率。由于这些原因，泵开始消耗更多的功率，并更频繁地跳闸。因此，为了避免硫在管线中沉积，需注入蒸汽以便清洁硫磺管路。结论以下是节省泵送系统能源的不同方法：1）当实际运行工况与设计工况差异很大，如扬程或流量变化超过25%至30%时，必须考虑用适当尺寸的泵进行更换。2）根据要求串联或并联运行多台泵。3）减少泵的数量（当系统压力要求、扬程和流量要求较低时）。4）改进管道设计以减少摩擦损失。5）减少管道系统中的弯头和阀门数量。6）避免节流过程来降低流量要求。7）在流量要求较低时通过切割或更换叶轮。8）使用变速驱动器。