前言

旋轉(zhuǎn)機械技術(shù)在下游行業(yè)中起著重要作用。工廠流程工況通常很惡劣。一個典型尺寸的頂部裝置可以提供每小時 1,500 噸的輸出能力。關(guān)鍵流程點，例如溫度接近800°C的爐料泵（furnace charge pumps），需要特殊的技術(shù)解決方案。

催化裂化（FCC）裝置要求進料與催化劑混合，然后泵送到溫度約為500°C的反應(yīng)器，該過程所需的空氣通常由離心式或軸向壓縮機供應(yīng)，正常流量約為每小時50,000標準立方米（Nm3 / h）。電力需求也可能達到幾兆瓦。

用于壓縮和泵送應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)機械在確定設(shè)備的整體穩(wěn)健性方面起著至關(guān)重要的作用。離心泵幾乎存在于所有工廠流程中，這一點尤為重要。

離心泵市場涵蓋了一系列下游流程應(yīng)用。許多離心泵配置已針對不同的應(yīng)用進行專門開發(fā)，包括單級或多級、軸向或徑向剖分，以及臥式或立式結(jié)構(gòu)。

臥式泵是下游應(yīng)用中最常見的泵。它們適用于各種壓力（高達400 bar）和溫度（高達450℃），而立式泵適用于更為有限的應(yīng)用范圍，主要適用于低凈正吸入壓頭（NPSHA）工況和極低的溫度。

技術(shù)法規(guī)和行業(yè)標準是旋轉(zhuǎn)機械行業(yè)的主要參與者。美國石油學(xué)會（API）610和水力學(xué)會（HI）規(guī)范為整個泵生產(chǎn)過程提供了廣泛而全面的指導(dǎo)。這些標準涵蓋了從早期工程到車間制造階段的大部分方面。API 610標準已經(jīng)進行了數(shù)次修訂（目前已到第12版），用于評估泵效率的標準從以前的效率公差轉(zhuǎn)移到總吸收功率的實際公差。振動限制有類似的修改，反映了為實現(xiàn)更長的設(shè)備使用壽命和更好的能源效率所做的努力。

葉輪中的壓力等值線/速度矢量（由IPC提供）

對離心泵的影響

工廠管理層不斷尋求最終市場競爭力，推動了離心泵技術(shù)在性能和總體成本降低方面的發(fā)展。金屬材料技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。在運行過程中，泵會受到腐蝕、侵蝕和疲勞。從設(shè)計角度來看，適當(dāng)?shù)牟牧线x擇對于獲得令人滿意的使用壽命是必要的。

今天的材料技術(shù)提高了對惡劣工況的抵抗力。實際的冶金工藝對材料的化學(xué)性質(zhì)有更好的控制，例如雙相不銹鋼（CD4MCu）或特殊鋼種（用于軸的沉淀硬化不銹鋼17-4PH）。在其它情況下，創(chuàng)新工藝（如用于軸套表面硬化的等離子或激光涂層）可以提供更好的耐磨性。計算機有限元方法（FEM）的發(fā)展也促進了對泵部件內(nèi)部應(yīng)力場的更好理解。現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機械設(shè)計充分利用了軟件工具的可用性，可對軸承選擇、平衡鼓和軸套間隙尺寸等機械設(shè)計要點進行精細評估。這些因素，以及邊界設(shè)計工作條件，有助于轉(zhuǎn)子的最終穩(wěn)定性。

影響離心泵的另一個眾所周知的問題是汽蝕現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的特征是當(dāng)凈壓力低于蒸汽壓力時發(fā)生的流體汽化、產(chǎn)生氣泡。下游壓力恢復(fù)導(dǎo)致蒸汽氣泡突然內(nèi)爆，導(dǎo)致點蝕，從而損壞葉輪。汽蝕效應(yīng)可能是巨大的，從性能下降到葉輪完全失效。

過去，專業(yè)的泵操作員通過識別特征（噪聲）來檢測汽蝕現(xiàn)象。振動研究的最新進展表明，也可以使用諧波（快速傅里葉變換或FFT）來檢測汽蝕現(xiàn)象，這為自動診斷打開了大門。

解決汽蝕問題的傳統(tǒng)方法，是基于在工作點泵的必需汽蝕余量NPSHR與裝置汽蝕余量之間的安全裕量來確定的。

另一個持續(xù)促進泵技術(shù)改進的因素是測試方法的發(fā)展。先進的振動測量系統(tǒng)的商業(yè)可用性，允許采集大量數(shù)據(jù)。趨近式（電渦流）探頭和速度傳感器使測試工程師能夠?qū)C械振動行為進行詳細研究，并發(fā)現(xiàn)機械參數(shù)、流量讀數(shù)、性能、FFT頻譜諧波分量、軌跡形狀和特定現(xiàn)象（如汽蝕或內(nèi)部流動失速）之間的相關(guān)性。

計算流體動力學(xué)（CFD）的引入也影響了流程泵行業(yè)的發(fā)展。使用三維形狀進行泵流型的水力設(shè)計是一項艱巨的任務(wù)。計算能力的提高和可靠代碼的可用性使離心泵設(shè)計過程得到了持續(xù)改進，并將原始設(shè)備制造商 （OEM） 的經(jīng)驗與可靠的模擬和預(yù)測相結(jié)合。現(xiàn)代 CFD 商業(yè)代碼具有對粘性和非粘性流體進行建模的高級功能。它們還為渦輪機械旋轉(zhuǎn)區(qū)域提供了幾種湍流方程和非平穩(wěn)算法。

完整的設(shè)計循環(huán)仍然需要在OEM車間進行最終的泵物理測試（進行驗證），但CFD方法的實施可以帶來更好的設(shè)計和更短的生產(chǎn)周期。計算機模擬使OEM能夠在最終用戶指定的運行工況下快速開發(fā)針對特定目標（如高效率或低NPSHR）優(yōu)化的水力零件形狀。鑒于通過與現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計或計算機輔助制造（CAD/CAM）技術(shù)集成，從CFD設(shè)計中獲得的定制水力零件的可能性，這些進步的重要性變得更加明顯。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的進步是泵技術(shù)的另一個重要發(fā)展領(lǐng)域。有關(guān)歐洲工業(yè)的數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)能源都是用于泵的驅(qū)動設(shè)備。在工業(yè)環(huán)境中，泵驅(qū)動裝置消耗了大約76%的總能量。盡管成本相當(dāng)高，但用于低功率泵的控制系統(tǒng)的想法在過去并不流行，特別是與目前使用先進控制系統(tǒng)的大型泵相比。這主要是因為控制系統(tǒng)將對整個泵站成本產(chǎn)生較大影響，從而導(dǎo)致小型泵的效益與成本的比率較低。

OEM過去普遍采用的一種方法是在設(shè)備安裝時提供多個備件。這種基于冗余的方法使泵的初始安裝成本較高。在這種情況下，許多泵（缺少日常維護而）一直工作到損壞。人工和更換成本不在工廠初步設(shè)計中計算，而是在運行期間產(chǎn)生。今天，安裝專用控制系統(tǒng)甚至對低功率或小型泵也是有益的。通過集成變頻驅(qū)動（VFD）系統(tǒng)，可以節(jié)省大量能源。通過使用先進的自動診斷控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)額外的可觀的運營和維護節(jié)省。

現(xiàn)代泵控制系統(tǒng)采用安裝最少數(shù)量的現(xiàn)場傳感器，實現(xiàn)了泵的完全自動化。這一目標可以通過使用基于性能的模型（PBM）來實現(xiàn)，由于商業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)的計算能力的提高，現(xiàn)在可以實現(xiàn)這一目標。該系統(tǒng)提供機器控制、保護和自動診斷功能。

與沒有安裝監(jiān)控系統(tǒng)相比，安裝成本略高的監(jiān)控系統(tǒng)可以降低泵的維護成本、維修成本，并減少昂貴的計劃外停機時間。

這些系統(tǒng)的主要特征和優(yōu)點是多變量控制能力、VFD 和 PBM。用戶設(shè)置要控制的流程參數(shù)，系統(tǒng)提供所有相關(guān)流程參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。它會自動轉(zhuǎn)移對需要保護干預(yù)的參數(shù)的控制。與傳統(tǒng)的節(jié)流方法相比，VFD可以大大減少使用的電量、提高能源效率。

PBM的可用性，使用戶可以預(yù)測實際運行工況下的預(yù)期性能。現(xiàn)場測量使他們能夠確定實際性能。通過比較預(yù)期性能和實際測量值，系統(tǒng)能夠提供自動診斷指示（特別異常情況，如汽蝕振動、機械退化或變送器故障）并激活相關(guān)的保護措施。

總結(jié)

泵技術(shù)的許多趨勢都在不斷發(fā)展。許多原始設(shè)備制造商正在繼續(xù)研究和開發(fā)CFD和CAD / CAM集成，目標是創(chuàng)造新的高效泵設(shè)計。采用這兩種方法將為每個獨特的應(yīng)用優(yōu)化定制設(shè)計。與基于供應(yīng)商產(chǎn)品目錄選擇的傳統(tǒng)泵選擇方法相比，這種定制設(shè)計過程將使最終用戶能夠為其應(yīng)用找到效率最高的解決方案。

帶有PMB的新控制系統(tǒng)的普及和自動診斷軟件算法的實施預(yù)計將帶來額外的好處。集成VFD以實現(xiàn)更好的運行電源管理將節(jié)省能源，降低維護成本并增加泵的正常運行時間。這些方法的集成是下一代離心泵成功運行的關(guān)鍵。

注：本文是由兩位作者Massimiliano Di Febo和Pasquale Paganini共同完成，Di Febo是IPC的運營經(jīng)理；Paganini是IPC技術(shù)經(jīng)理。