Pump Smart技术在离心泵节能及安全运行实践中的应用

2013-12-07刘晶婷杨剑锋

中国设备工程 2013年8期

刘晶婷，杨剑锋

（北京化工大学化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）

一、引言

在石油化工行业中，离心泵是化工生产的主要动力设备，也是材料、备件损耗的主要环节。泵消耗了世界上20%的电能，这其中大约50%是被浪费的，这些被浪费的能源会对泵及泵系统产生严重的影响，使泵通过发热、噪声和振动的方式来消耗这些能量。消除这些被浪费的能源，在各种不良的工况下，为泵提供保护，减少大约75%的维护工作量和维修费用。

二、离心泵的节能减排

PumpSmart专门设计用来实现泵的节能降耗，它由两部分组成：第一部分是工业变频器，具有变频器本身各种功能和特性；第二部分是为泵特殊设计的嵌入式智能控制部件。旨在避免当离心泵运行在会导致故障的工况中时，提高泵的正常运行时间，提醒操作员泵的危险运行模式，减少意外故障的发生和维护工作。通过减少泵的能耗，降低运行压力，从而减轻离心泵系统的磨损；通过调节泵速满足指定的工艺要求，降低能源消耗。

1.离心泵选型对能耗的影响

在实际生产中，大多数泵的选型尺寸都超过实际需要的20%~50%，造成运行效率降低，导致过多能量被泵及系统浪费，降低了系统的可靠性和性能。由于离心泵的过大选型，需要使用流量控制阀(FCV)将流量调回正常状态，更多地控制多余流量。由于通过阀的流体速率较高，加速离心泵的腐蚀和磨损，即从泵、系统相互作用的角度来讲，流量控制阀(FCV)增加了系统曲线的磨擦损耗。

在泵送系统中，离心泵的选型有以下几个原则：

(1)满足工作中所需的最大流量和最大扬程；

(2)正常运行工况点尽可能靠近其设计工况点；

(3)选择结构简单、体积小、质量轻的泵，尽量选择高转速的泵或风机；

(4)应尽量选用性能曲线没有“驼峰”的泵，保证运转稳定，若性能曲线具有“驼峰”，则运行工况点应处于驼峰区的右边，而且压能应低于零流量下的压能。

利用PumpSmart选择合理的泵，可使流量控制阀在其设计范围内运转，减少热、噪声以及振动，使工作环境更安全，如图1所示。

PumpSmart泵送系统的实现，提高了离心泵系统的可靠性，降低了系统的维护成本，从而减少了能量的消耗，增加了企业的经济效益。

2.离心泵维护对能耗的影响

理论上，离心泵的保护很简单，但泵保护设定时必须考虑许多因素。表1概括了离心泵的故障原因及后果，其扬程与流量关系曲线如图2所示。

表1 离心泵故障原因及后果

如图2所示，速度最大时，如果泵功率下降到37.28kW以下，则其在低于最小流量下运转；如果速度为2 800r/min，则其刚过最佳效率点BEP；对于3 600r/min时最小流量点的功率37.28kW，如果只采用相似定律，不考虑流量(或速度)的效率变化，来计算2 800r/min时最小流量点的功率，则得到17.52kW，但由于其他功率损耗，实际值为18.64kW。

为了给离心泵提供精确的保护，需要考虑负载形式(离心式)、机械损失、容积效率、涡流损失、泵的磨损、铸件变化、泵型、泵送介质密度以及控制状态等各方面的条件。pumpsmart可识别泵运行在性能曲线上的位置，并进行干预以避免严重后果发生，以此来保护泵和机械密封的安全。

PumpSmart识别不良工况，并提供不同的控制响应，其方案主要有以下几种。

(1)针对干运转，PumpSmart提供的选择包括警告、停机或忽略；

(2)针对低于最小流量，PumpSmart提供的选择包括简单的警告、降速或忽略该情况；

(3)针对过载，即关死扬程，PumpSmart会进行警告或减速。

PumpSmart通过综合考虑泵的实际流量、速度变化以及泵的转矩变化对泵性能的影响，对泵的最低流量和干运行提供了强大的保护措施。通过这些保护措施，减少离心泵由于故障对能源的消耗，延长其寿命周期。

3.离心泵的过程控制对能耗的影响

在离心泵过程控制中，对每台泵的流量进行监控，防止由于工艺扰动造成的泵故障。综合实际运行成本的考虑，采用PumpSmart PS200中的无传感器流量测量功能，利用从变频器获得的扭矩和速度数据，计算泵的流量，计算精度为正负5%，而不需要使用任何外部传感器。

流量计算需要输入4个泵的性能数据即可完整定义泵的性能，分别是最佳效率点流量(QEEP)、最佳效率点功率(PEEP)、关死扬程点功率(PSO)和泵的额定速度(Nrated)，如图3所示。通过该数据，PumpSmart可以确定泵的比转速，以便预测泵的性能，包括泵的转矩特性。此外为了使泵的理论性能和实际性能相互关联，PumpSmart综合流体效率、机械损失、涡流损失等9种不同的性能因素，采用了一套校准功能。在泵的出口阀门关闭后，不需要外部设备或传感器，运行自动校准功能即可，该步骤可以补偿泵的磨损，达到最初的测量精度。

通过使用经过校准的流量图谱以及从变频器获得的实时转矩和速度信息，实现了无传感器流量PID控制，通过对

离心泵的过程控制进行泵保护，完成对泵系统性能下降的识别，实现对泵磨损的实时监测，以达到离心泵在过程控制中的节能减排。

三、实践及结论

在某泵厂进行的多组实验，电机满转速并通过调节出口阀门开度控制流量，测得结果的平均数据见表2。

通过变频调节泵转速辅以调节出口阀门开度，测得结果的平均数据见表3。

通过实验对比可知在保持相同流量条件下，采用自动变频降速可将功率由原来的95.78降至78，可显著降低功率，同时有效振动值也显著下降，证明PumpSmart能够贯穿于离心泵在化工行业使用过程中的各个阶段，综合各个阶段的特征和实际情况，来保护泵的平稳运行，并保证其在平稳运行的基础上，从离心泵的选型、维护及过程控制三个方面，以达到节能减排的目标。