在工業(yè)工廠內(nèi)實現(xiàn)節(jié)能是工廠管理中的重中之重?？煽啃怨こ處熞话銉H專注于延長平均維修間隔時間（MTBR），但他們可能經(jīng)常忽略了如果將完整的工程研究作為根本原因故障分析（RCFA）的一部分進行，則可能會產(chǎn)生潛在的節(jié)能。對于泵來說尤其如此，因為它們廣泛應用于各行各業(yè)。水力工程師使用計算流體動力學（CFD）來調(diào)整泵的水力性能，以延長MTBR并降低運行泵的能源成本。這些措施可以顯著降低泵的生命周期成本（LCC），即設備的總擁有成本。

許多工廠都有一份“不良設備”名單，這些是MTBR不到一年或可能兩年的泵。制造商和服務商提供了許多不同的解決方案：例如，提高軸剛度、制造升級或增加耐磨涂層等，以應對可能發(fā)生的汽蝕或吸入再循環(huán)（入口回流）。

這些措施可能會增加MTBR，但不會真正解決問題。真正的第一步應是，通過隨泵提供的經(jīng)驗證的性能測試來評估泵的實際運行情況或標準運行點。通常會出現(xiàn)兩種令人不安的情況：

-  工廠運行工況點發(fā)生了改變，泵的標準運行點不再在泵曲線的優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)。

-  泵當初選型就不合理，一直偏離優(yōu)先工作區(qū)運行。

正如API 610標準所述，泵曲線的優(yōu)先工作區(qū)是泵設計用于優(yōu)先運行的位置。通過在優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)運行，泵的振動將處于最低水平，從而提高密封和軸承的壽命，并延長MTBR。該區(qū)域是最佳效率點（BEP）所在的區(qū)域。簡單地說，低振動和峰值效率意味著泵的維護和能源成本更低。

一旦發(fā)現(xiàn)問題，例如，泵與標準工作點的水力不匹配，有人會說，應根據(jù)調(diào)查結果該購買更大或更小的泵 - 如果泵在BEP右側運行，則需要更大流量或更大規(guī)格的泵；如果在BEP左側運行，則需要更小流量或更小規(guī)格的泵。通常，這種選擇是不可行的，因為更換一臺新的泵需要配備新的驅動機、基礎、管道、儀表和其它輔助設備等。

圖1：CFD分析顯示葉輪內(nèi)部的壓力分布

有些公司提供的另一種解決方案是，可以改善水力匹配的水力調(diào)整（如，通過調(diào)整泵出口閥門的開度來調(diào)整流量）。然而，這通常仍然不能滿足實際需要，并且肯定不會優(yōu)化泵的效率。

在許多情況下，最好的解決方案是使泵的BEP與標準工作點相匹配。這只能通過定制葉輪設計來實現(xiàn)。這些葉輪可以通過CFD技術進行開發(fā)，來模擬水力性能，同時迭代幾個“假設”的水力設計。這些模擬允許驗證泵的性能，而無需與構建原型和執(zhí)行驗證性能測試相關的成本和時間延遲。

必須注意兩點：首先，并非所有成功的CFD模擬都能產(chǎn)生可制造的水力設計。水力工程師必須了解水力零部件的制造過程，以確保解決方案可行。其次，并非所有期望的修改都能得到滿足。有時，所需的水力變化超出了可行范圍。但是，在這種情況下，可以使用CFD分析來驗證該設備確實不存在其它解決方案。然后，可以將這些重要信息提交給工廠管理人員，以支持和證明更換不良設備（需要高維護的泵）的合理性。

圖2：大流量、小流量和定制葉輪設計之間的泵性能比較

有一家石化煉油廠的可靠性工程師發(fā)現(xiàn)他們的3×4×13 OH2型泵選型過大，并且一直在BEP的左側運行。泵的BEP流量為1,200 gpm，工廠的標準運行點為730 gpm。該泵的原始設計葉輪可靠性較差，MTBR大約為18個月。在徹底檢修并返回現(xiàn)場后，該泵的典型振動值為0.25 in/s。

此外，該流量下的泵效率僅為64 %，而BEP的效率為76 %。我們聯(lián)系了原始設備制造商（OEM），看看它是否有潛在的解決方案。OEM有該規(guī)格的小流量葉輪和BEP流量為750 gpm的泵，但揚程不足以滿足系統(tǒng)曲線要求。

該設施嘗試使用現(xiàn)有的（選型過大的泵在）小流量工況以雙泵運行來滿足系統(tǒng)要求。但是，該解決方案意味著在BEP左側運行兩臺泵。工廠希望恢復到原來的單泵運行狀態(tài)。為此，工程師開始尋找一家服務提供商，為他的過大的泵型提供真正的具有成本效益的解決方案，并降低維護成本。

一家獨立的服務提供商通過應用本文中描述的分析方法，提供了解決此問題的獨特方案。對系統(tǒng)曲線和整體泵設計進行了仔細評估，建立了原始葉輪和小流量葉輪的CFD模型。這將為正確評估與任何新設計相關的吸入部位和出口蝸殼特性提供關鍵信息。開發(fā)了幾種水力結構并將其輸入到CFD模型中，以查看是否可以生成優(yōu)化設計。

經(jīng)確認，可以設計一只新的葉輪，使其能夠在現(xiàn)有殼體內(nèi)工作，從而實現(xiàn)更好的水力匹配。CFD模擬表明：采用這種新設計，在標準工作點的效率將達到71 %，效率幾乎提高了11 %。請注意，新葉輪BEP的效率比原始設計低了5個百分點。最高效率的降低部分主要是由于泵比轉速的降低以及與殼體中較大的喉部面積相關的損失。

圖3：定制葉輪的三維模型 – 一半顯示葉輪，一半顯示鑄造型芯

新的葉輪將在隨后一次泵故障或檢修時更換。根據(jù)CFD模擬提供的結果，工程師不需要進行經(jīng)過確認的性能測試。人們一致認為，與該泵相關的現(xiàn)場儀表將產(chǎn)生足夠的數(shù)據(jù)，以驗證泵的運行（情況）。

更換葉輪后的泵運行數(shù)據(jù)顯示：流量與預期一致；泵的振動也由原來的0.25 in/s降至0.05 in/s。電機上的技術參數(shù)也表明，71 %的預測效率是在現(xiàn)場設備的精度范圍內(nèi)獲得的。對于這種典型的API流程泵，更高的效率每年可節(jié)省超過15,000美元的電費，僅此一項節(jié)省就為新葉輪提供了8個月的投資回報。該泵目前已從不良設備名單中除名，新的MTBR預計至少達到6年。

泵的效率很重要，因為它清楚地表明了泵是否在優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)運行。修改泵（葉輪）的水力設計以提高效率通常可以產(chǎn)生足夠的節(jié)約，以證明新設計的合理性，并隨之提高泵的運行可靠性。在評估泵故障或不良因素列表時，可靠性工程師需要全面評估泵（在其性能曲線上）的運行位置。他們還應該挑戰(zhàn)該水力條件下可用的泵效率，而不是滿足于提供傳統(tǒng)的或10年、20年、30年或更多年前的設計。生成精確CFD模型的能力，使這些解決方案在當今的能源意識不斷增強的世界中變得可行、及時和實用。

1. Richard Martinez, Standard Alloys, Impeller Redesign & Pump Efficiency, PUMPS&SYSTEMS, 08/29/2013

文章來源：泵沙龍