前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)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(gè)典型尺寸的頂部裝置可以提供每小時(shí) 1,500 噸的輸出能力。關(guān)鍵流程點(diǎn)，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(jìn)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(jī)供應(yīng)，正常流量約為每小時(shí)50,000標(biāo)準(zhǔn)立方米（Nm3 / h）。電力需求也可能達(dá)到幾兆瓦。

用于壓縮和泵送應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)機(jī)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(diǎn)尤為重要。

離心泵市場(chǎng)涵蓋了一系列下游流程應(yīng)用。許多離心泵配置已針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行專門開發(fā)，包括單級(jí)或多級(jí)、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(dá)400 bar）和溫度（高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械行業(yè)的主要參與者。美國石油學(xué)會(huì)（API）610和水力學(xué)會(huì)（HI）規(guī)范為整個(gè)泵生產(chǎn)過程提供了廣泛而全面的指導(dǎo)。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了從早期工程到車間制造階段的大部分方面。API 610標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)次修訂（目前已到第12版），用于評(píng)估泵效率的標(biāo)準(zhǔn)從以前的效率公差轉(zhuǎn)移到總吸收功率的實(shí)際公差。振動(dòng)限制有類似的修改，反映了為實(shí)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(duì)離心泵的影響

工廠管理層不斷尋求最終市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)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(yùn)行過程中，泵會(huì)受到腐蝕、侵蝕和疲勞。從設(shè)計(jì)角度來看，適當(dāng)?shù)牟牧线x擇對(duì)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(duì)惡劣工況的抵抗力。實(shí)際的冶金工藝對(duì)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(jì)算機(jī)有限元方法（FEM）的發(fā)展也促進(jìn)了對(duì)泵部件內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的更好理解。現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)充分利用了軟件工具的可用性，可對(duì)軸承選擇、平衡鼓和軸套間隙尺寸等機(jī)械設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)評(píng)估。這些因素，以及邊界設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(diǎn)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(shí)別特征（噪聲）來檢測(cè)汽蝕現(xiàn)象。振動(dòng)研究的最新進(jìn)展表明，也可以使用諧波（快速傅里葉變換或FFT）來檢測(cè)汽蝕現(xiàn)象，這為自動(dòng)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(diǎn)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(gè)持續(xù)促進(jìn)泵技術(shù)改進(jìn)的因素是測(cè)試方法的發(fā)展。先進(jìn)的振動(dòng)測(cè)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(cè)試工程師能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)行為進(jìn)行詳細(xì)研究，并發(fā)現(xiàn)機(jī)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(dòng)失速）之間的相關(guān)性。

計(jì)算流體動(dòng)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(jìn)行泵流型的水力設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。計(jì)算能力的提高和可靠代碼的可用性使離心泵設(shè)計(jì)過程得到了持續(xù)改進(jìn)，并將原始設(shè)備制造商 （OEM） 的經(jīng)驗(yàn)與可靠的模擬和預(yù)測(cè)相結(jié)合。現(xiàn)代 CFD 商業(yè)代碼具有對(duì)粘性和非粘性流體進(jìn)行建模的高級(jí)功能。它們還為渦輪機(jī)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(jì)循環(huán)仍然需要在OEM車間進(jìn)行最終的泵物理測(cè)試（進(jìn)行驗(yàn)證），但CFD方法的實(shí)施可以帶來更好的設(shè)計(jì)和更短的生產(chǎn)周期。計(jì)算機(jī)模擬使OEM能夠在最終用戶指定的運(yùn)行工況下快速開發(fā)針對(duì)特定目標(biāo)（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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）技術(shù)集成，從CFD設(shè)計(jì)中獲得的定制水力零件的可能性，這些進(jìn)步的重要性變得更加明顯。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的進(jìn)步是泵技術(shù)的另一個(gè)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(dòng)設(shè)備。在工業(yè)環(huán)境中，泵驅(qū)動(dòng)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(jìn)控制系統(tǒng)的大型泵相比。這主要是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)將對(duì)整個(gè)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(shí)提供多個(gè)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(hù)而）一直工作到損壞。人工和更換成本不在工廠初步設(shè)計(jì)中計(jì)算，而是在運(yùn)行期間產(chǎn)生。今天，安裝專用控制系統(tǒng)甚至對(duì)低功率或小型泵也是有益的。通過集成變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）系統(tǒng)，可以節(jié)省大量能源。通過使用先進(jìn)的自動(dòng)診斷控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)額外的可觀的運(yùn)營和維護(hù)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(chǎng)傳感器，實(shí)現(xiàn)了泵的完全自動(dòng)化。這一目標(biāo)可以通過使用基于性能的模型（PBM）來實(shí)現(xiàn)，由于商業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)的計(jì)算能力的提高，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該系統(tǒng)提供機(jī)器控制、保護(hù)和自動(dòng)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(hù)成本、維修成本，并減少昂貴的計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。

這些系統(tǒng)的主要特征和優(yōu)點(diǎn)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(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移對(duì)需要保護(hù)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(cè)實(shí)際運(yùn)行工況下的預(yù)期性能。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量使他們能夠確定實(shí)際性能。通過比較預(yù)期性能和實(shí)際測(cè)量值，系統(tǒng)能夠提供自動(dòng)診斷指示（特別異常情況，如汽蝕振動(dòng)、機(jī)械退化或變送器故障）并激活相關(guān)的保護(hù)措施。

總結(jié)

泵技術(shù)的許多趨勢(shì)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(biāo)是創(chuàng)造新的高效泵設(shè)計(jì)。采用這兩種方法將為每個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)化定制設(shè)計(jì)。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(jì)過程將使最終用戶能夠?yàn)槠鋺?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(dòng)診斷軟件算法的實(shí)施預(yù)計(jì)將帶來額外的好處。集成VFD以實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)行電源管理將節(jié)省能源，降低維護(hù)成本并增加泵的正常運(yùn)行時(shí)間。這些方法的集成是下一代離心泵成功運(yùn)行的關(guān)鍵。

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