前言

旋轉機械技術在下游行業(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的反應器，該過程所需的空氣通常由離心式或軸向壓縮機供應，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。

用于壓縮和泵送應用的旋轉機械在確定設備的整體穩(wěn)健性方面起著至關重要的作用。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用。許多離心泵配置已針對不同的應用進行專門開發(fā)，包括單級或多級、軸向或徑向剖分，以及臥式或立式結構。

臥式泵是下游應用中最常見的泵。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。

技術法規(guī)和行業(yè)標準是旋轉機械行業(yè)的主要參與者。美國石油學會（API）610和水力學會（HI）規(guī)范為整個泵生產(chǎn)過程提供了廣泛而全面的指導。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，推動了離心泵技術在性能和總體成本降低方面的發(fā)展。金屬材料技術的發(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。從設計角度來看，適當?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)部應力場的更好理解。現(xiàn)代旋轉機械設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計要點進行精細評估。這些因素，以及邊界設計工作條件，有助于轉子的最終穩(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。下游壓力恢復導致蒸汽氣泡突然內(nèi)爆，導致點蝕，從而損壞葉輪。汽蝕效應可能是巨大的，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對機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）之間的相關性。

計算流體動力學（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計是一項艱巨的任務。計算能力的提高和可靠代碼的可用性使離心泵設計過程得到了持續(xù)改進，并將原始設備制造商 （OEM） 的經(jīng)驗與可靠的模擬和預測相結合。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區(qū)域提供了幾種湍流方程和非平穩(wěn)算法。

完整的設計循環(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)代計算機輔助設計或計算機輔助制造（CAD/CAM）技術集成，從CFD設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)的進步是泵技術的另一個重要發(fā)展領域。有關歐洲工業(yè)的數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)能源都是用于泵的驅動設備。在工業(yè)環(huán)境中，泵驅動裝置消耗了大約76%的總能量。盡管成本相當高，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。用戶設置要控制的流程參數(shù)，系統(tǒng)提供所有相關流程參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。它會自動轉移對需要保護干預的參數(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，使用戶可以預測實際運行工況下的預期性能。現(xiàn)場測量使他們能夠確定實際性能。通過比較預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）并激活相關的保護措施。

總結

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