機(jī)泵設(shè)計(jì)余量對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響

魏光輝

機(jī)泵設(shè)計(jì)余量對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響

魏光輝

（浙江新和成特種材料有限公司，浙江 紹興 312369）

機(jī)泵是動(dòng)量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備，為保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，泵的流量、揚(yáng)程等都有一定富余量，在實(shí)際生產(chǎn)中，這些富余的能力卻可能轉(zhuǎn)變?yōu)椴焕蛩?，因而選擇合適的泵，不僅是節(jié)能降耗的要求，更關(guān)乎安全生產(chǎn)。

機(jī)泵；設(shè)計(jì)余量；節(jié)能；安全生產(chǎn)

0 概述

在化工裝置的設(shè)計(jì)中，為保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，以及滿足擴(kuò)能改造的潛在需求，各類單元設(shè)備的能力都要有一定的富余量，比如精餾塔的直徑、換熱器的換熱面積、風(fēng)機(jī)的流量和壓頭、泵的流量和揚(yáng)程等，然而這些富余量過大時(shí)，一些新的問題可能隨之出現(xiàn)，導(dǎo)致操作失穩(wěn)、控制方案失效、產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至于緊急停車，可謂“過猶不及”。

歸根結(jié)底，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)將裝置視為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過程，事實(shí)上裝置在開車階段、運(yùn)行初始階段、運(yùn)行后期，很多參數(shù)都處于不斷變化之中，如果能從動(dòng)態(tài)分析的角度，對(duì)單元設(shè)備富余能力之于生產(chǎn)過程的影響進(jìn)行分析，將可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行消除，對(duì)于化工廠的本質(zhì)安全來講，是大有裨益的。

“三傳一反”是化工生產(chǎn)過程的核心，各類單元操作、單元設(shè)備都是圍繞“三傳一反”展開的，相較于質(zhì)量傳遞、熱量傳遞兩大過程，動(dòng)量傳遞過程往往會(huì)被人忽視。對(duì)于動(dòng)量傳遞過程的關(guān)鍵設(shè)備，如機(jī)泵，也有一種誤解，就是認(rèn)為相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的余量給大點(diǎn)，生產(chǎn)運(yùn)行就不會(huì)有問題，最多能耗升高，其實(shí)不然。本文以機(jī)泵的設(shè)計(jì)為例，對(duì)生產(chǎn)中遇到的一些相關(guān)問題進(jìn)行剖析，并對(duì)解決對(duì)策、設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了探討。

1 案例分析

1.1 凝液泵

再沸器一般使用蒸汽提供熱量，冷凝液可通過兩種方式送至凝液管網(wǎng)，蒸汽疏水閥或凝液泵。使用疏水閥時(shí)，由于疏水閥本身的壓降以及流動(dòng)過程中的管道壓力降，凝液在回送途中將不斷二次汽化，加上疏水閥的漏汽，凝液管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)為汽液兩相流，極易產(chǎn)生水擊[1]，且后系統(tǒng)壓力不穩(wěn)，也會(huì)影響再沸器的換熱效果，因此更多的是使用凝液泵。

某裝置一精餾塔的再沸器使用低壓蒸汽加熱，蒸汽壓力為0.35 MPa（G），飽和蒸汽凝液通過凝液泵送往凝液管網(wǎng)，管網(wǎng)壓力為0.4 MPa（G）。凝液泵為自吸泵，正常流量為70 m3/h，額定流量為84 m3/h，揚(yáng)程為31 m，開車運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，再沸器入口蒸汽壓力急劇下降，就地壓力表指示值從0.35 MPa（G）降至0，同時(shí)出現(xiàn)泵的氣蝕現(xiàn)象。由于該精餾塔為產(chǎn)品精制的核心設(shè)備，被迫緊急停車。

1.1.1 原因分析

自吸泵為離心泵的一種，對(duì)于離心泵的HQ曲線，通常給出的解釋是泵的揚(yáng)程H隨著流量Q增大而減小，實(shí)際上泵的輸送能力是由葉輪大小、轉(zhuǎn)速及出口阻力決定的，H與Q并不成因果關(guān)系，二者皆隨泵出口阻力變化而變化。泵出口阻力減小，表現(xiàn)為流量增大，揚(yáng)程減小，反之亦然。在確定凝液泵的流量和揚(yáng)程時(shí)，要充分考慮其出口阻力的變化，即管路特性曲線，泵的實(shí)際工作點(diǎn)為泵特性曲線和管路特性曲線交點(diǎn)。

該凝液泵特性曲線如Fig.1所示，所選機(jī)泵的葉輪直徑為330 mm，額定工作點(diǎn)在（84 m3/h，31 m）處，通過計(jì)算泵出口管路阻力，流量為84 m3/h時(shí)，泵實(shí)際需要的揚(yáng)程約為13 m，因此，泵的實(shí)際工作點(diǎn)會(huì)向右移動(dòng)，落在（140 m3/h，21 m）處。由于產(chǎn)生的蒸汽凝液的量只有70 m3/h，這樣就會(huì)有相當(dāng)一部分蒸汽被抽出，導(dǎo)致再沸器入口蒸汽壓力急劇下降，以及泵的氣蝕。

Fig.1 凝液泵特性曲線

1.1.2 解決對(duì)策

（1）凝液泵出口管加旁路送至入口管，通過回流的方式保證泵抽出的凝液量，這也是改造后采取的方案。

（2）在泵出口管路上增加一個(gè)截止閥，通過增加管路阻力改變管路特性曲線，使泵工作點(diǎn)向左移動(dòng)，流量降低。

（3）在泵出口管路上增加流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥，效果優(yōu)于加截止閥，但成本較高，尤其是在蒸汽管路上已經(jīng)設(shè)置流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥的情況下，略顯多余。

（4）選擇合適的自吸泵，在設(shè)計(jì)時(shí)可以以最大流量為基準(zhǔn)，如果操作負(fù)荷上限為110%，可以將110%的正常流量作為額定流量，并以此進(jìn)行泵的選型計(jì)算。還可以以正常流量為基準(zhǔn)，將計(jì)算得到的揚(yáng)程加5～10 m進(jìn)行泵的選型，然后根據(jù)泵的特性曲線，校核額定流量需要的揚(yáng)程。在計(jì)算中需要注意摩擦系數(shù)的取值，其安全系數(shù)不宜過大。

以本泵為例，正常流量70 m3/h時(shí)需要的揚(yáng)程為11 m，余量按照5 m計(jì)算，可以選用Fig.1中葉輪直徑為254 mm的泵，當(dāng)泵在額定流量（84 m3/h）下工作時(shí)，需要的揚(yáng)程為13 m，小于特性曲線上對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程16 m，因此選用葉輪直徑254 mm的泵即可以滿足輸送要求。

1.2 真空泵

對(duì)于某些熱敏物系，或者沸點(diǎn)較高，再沸器又需要使用蒸汽加熱時(shí)，需要采用減壓精餾。為保證減壓塔的溫壓平衡，真空泵的選擇至關(guān)重要。某裝置脫氫氰酸塔采用負(fù)壓操作，塔頂操作壓力為75 kPa（A），塔頂氣相經(jīng)過兩級(jí)冷凝器后，不凝氣通過液環(huán)式真空泵送出，系統(tǒng)壓力由真空泵出口返入口的旁路閥調(diào)節(jié)。裝置投入運(yùn)行時(shí)，塔頂壓力迅速下降，在旁路閥全開的情況下，塔頂壓力最終降至20 kPa（A），大量氫氰酸氣體沒有經(jīng)過冷凝，直接進(jìn)入真空泵機(jī)組的氣液分離罐，并出現(xiàn)聚合反應(yīng)，導(dǎo)致真空泵無法正常工作。

1.2.1 原因分析

這種情況很明顯是真空泵吸氣流量太大導(dǎo)致的，真空系統(tǒng)的容積約為400 m3，參照《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，真空系統(tǒng)容積200 m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的空氣泄露量為10～30 kg/h，脫氫氰酸塔系統(tǒng)的空氣泄漏量按50 kg/h計(jì)算，再根據(jù)道爾頓分壓定律及塔頂溫度下氫氰酸的飽和蒸汽壓（分壓），可以計(jì)算出真空泵的吸氣流量為120 m3/h。查閱真空泵廠家返回資料，該真空泵設(shè)計(jì)的吸氣壓力為30 kPa（A），吸氣流量為 400 m3/h，75 kPa（A）壓力在真空泵性能曲線上對(duì)應(yīng)的吸氣流量為540 m3/h，為計(jì)算吸氣流量的4.5倍。

1.2.2 解決對(duì)策

Fig.2真空泵特性曲線

（1）常見的真空泵特性曲線如Fig.2所示，可見真空泵入口處壓力降低，吸氣流量（換算成kg/h或者 Nm3/h）減小，尤其是傾斜段（圖中200～300 mbar之間的部分）減小的更快，因此減小真空泵入口切斷閥的開度，增加切斷閥前后壓降，可以有效減小真空泵的吸氣流量。極限情況是切斷閥關(guān)閉，閥后壓力為真空泵的極限真空，真空泵失去吸氣能力。采用這種方式調(diào)節(jié)真空泵流量時(shí)，切斷閥不可以使用閘閥，因?yàn)殚l閥用于節(jié)流而部分開啟時(shí)，在閘板背面會(huì)產(chǎn)生渦流，容易引起閘板的振動(dòng)和侵蝕，以及損壞閥座的密封面。

（2）增大真空泵出口返入口旁路閥的通量，該旁路閥的通量通?？扇≌婵毡贸隹诹髁康?0%～40%，但如果真空泵選型過大，這一比值可能要提高至80%甚至更大。

（3）根據(jù)真空系統(tǒng)的壓力、不凝氣的量、泄露空氣的量等，選擇合適的真空泵，盡可能使真空泵的操作點(diǎn)位于特性曲線的水平段，吸氣流量可以按照100%余量設(shè)計(jì)，并適當(dāng)增大旁路閥的通量。

在進(jìn)行新建裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，將該真空泵吸氣壓力修改為50 kPa（A），正常/最大吸氣流量修改為200/300 m3/h，旁路閥正常流量（小于通量）修改為60 Nm3/h，新裝置投產(chǎn)后運(yùn)行良好，脫氫氰酸塔塔頂壓力穩(wěn)定在71 kPa（A），真空泵旁路閥開度為66%（回流量仍較大），真空泵用電量由22 kW下降至15 kW，降低了約32%。

2 結(jié)果與討論

泵的揚(yáng)程主要是由出口管路決定的，在設(shè)計(jì)中需要考慮的因素有：上游設(shè)備及終點(diǎn)設(shè)備的位差和壓差、儀表壓降（主要是調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)）、中間設(shè)備壓降（比如換熱器、靜態(tài)混合器）、管道阻力降等。在靜設(shè)備尺寸及安裝位置已確定的情況下，主要考慮兩個(gè)因素，一是調(diào)節(jié)閥壓降，根據(jù)閥阻比S確定，S即調(diào)節(jié)閥全開時(shí)壓差與系統(tǒng)總阻力降的比值，為保證調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能，一般希望S≥0.3[3]；二是管道阻力降，泵的正常流量是由生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)規(guī)模決定的，可按規(guī)范[4]推薦的經(jīng)濟(jì)流速或允許壓降確定管徑，由于規(guī)范是1995年施行的，與之相比，當(dāng)前管道材料費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用之比要小，因此管道百米壓降控制值應(yīng)適當(dāng)減小，在設(shè)計(jì)中，可以不考慮流量大小，根據(jù)百米壓降20 kPa進(jìn)行管徑初選。

一般化工裝置按照運(yùn)行15年或20年設(shè)計(jì)，后期由于管道銹蝕、磨損，粗糙度增大，必然導(dǎo)致管道壓力降增加，基于這種考慮，設(shè)計(jì)規(guī)范[4]要求，對(duì)平均需要使用5～10年的鋼管，在摩擦系數(shù)中加20%～30%的安全系數(shù)，如果考慮流量增加，還需要再增加10%～20%的安全系數(shù)，按照該摩擦系數(shù)計(jì)算出的摩擦壓力降最后還要再乘以1.15倍的系數(shù)，來確定系統(tǒng)的摩擦壓力降。從動(dòng)態(tài)分析的角度看，在裝置運(yùn)行的不同時(shí)期管道總的壓力降應(yīng)盡量接近，才能保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)于一個(gè)新投產(chǎn)的裝置，管道可以認(rèn)為是光滑的，如果安全系數(shù)都按中間值計(jì)算，余量將達(dá)到65%，計(jì)算出的管道壓力降和實(shí)際壓力降偏差較大。

對(duì)于離心泵，當(dāng)泵出口管直徑為DN40或DN50時(shí)，允許壓力降為93 kPa/100 m，如果泵出口管長(zhǎng)度為500 m，因管道壓力降而增加的揚(yáng)程將達(dá)到46.5 m，據(jù)此確定泵的型號(hào)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)確定的泵特性曲線與波動(dòng)的管道壓力降之間的協(xié)調(diào)問題。通常的解決辦法是泵出口管路上增加流量調(diào)節(jié)或液位-流量串級(jí)調(diào)節(jié)，通過減小調(diào)節(jié)閥的開度，來增加管路阻力，有時(shí)還需要增加最小流量線，使泵出口物料部分回流，這樣雖然增加能耗，但系統(tǒng)整體是可控的。離心泵的軸功率Ne=H*Q*ρ/102η，由于流量Q相同時(shí)，揚(yáng)程H越大，泵效率η越低，因此揚(yáng)程偏大，會(huì)導(dǎo)致泵的軸功率及電機(jī)功率更大，在泵出口沒有調(diào)節(jié)閥時(shí)，還可能造成裝置無法正常運(yùn)行。

對(duì)于真空泵，最重要的兩個(gè)參數(shù)是入口壓力和吸氣流量，吸氣流量的計(jì)算可參照《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，相比較而言，入口壓力的確定更為重要。設(shè)計(jì)規(guī)范[4]給出了負(fù)壓管道的壓降控制值，即當(dāng)壓力小于等于49 kPa時(shí)，允許壓力降為1.13 kPa/100 m；當(dāng)壓力大于49 kPa時(shí)，允許壓力降為1.96 kPa/100 m。由于壓力降本身數(shù)值較小，且真空泵通常距離負(fù)壓系統(tǒng)不會(huì)太遠(yuǎn)，其波動(dòng)對(duì)真空泵運(yùn)行影響有限。在確定真空泵入口壓力時(shí)，主要要考慮一定的余量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，余量可取為系統(tǒng)正常操作壓力的20%～30%。

3 結(jié)論

通過計(jì)算分析，可以從以下幾個(gè)角度進(jìn)行泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）最大流量，如果裝置操作負(fù)荷的上限是110%，可以將110%的正常流量作為額定流量，并依此計(jì)算摩擦壓力降，安全系數(shù)不宜過大，從動(dòng)態(tài)分析的角度看，在裝置運(yùn)行的不同時(shí)期，管道總的壓力降應(yīng)盡量接近。

（2）管道材料，如果使用了316 L不銹鋼、雙相鋼或者更高等級(jí)、價(jià)格更為昂貴的材料，建議使用較高的流速，如果使用普通碳鋼，可以將管道直徑放大一級(jí)，使流速適當(dāng)降低。

（3）管道長(zhǎng)度，如果管道長(zhǎng)度僅有數(shù)米或者數(shù)十米，可以將管道直徑適當(dāng)放大，如果管道上管廊、長(zhǎng)數(shù)百米，則需要進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)分析，比較管道材料增加的費(fèi)用和項(xiàng)目生產(chǎn)期內(nèi)可以降低的設(shè)備費(fèi)和能耗，由于鋼鐵產(chǎn)能過剩、價(jià)格降低，流速值宜低于規(guī)范上推薦的經(jīng)濟(jì)流速。

[1]GB/T 50812-2013，化工廠蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：949.

[3] 周洪義.控制閥壓差的確定[J].石油化工自動(dòng)化，2004，（1）：86.

[4]HG/T 20570－95，工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

巴斯夫和戶田工業(yè)加強(qiáng)在正極材料領(lǐng)域的合作與投資助力電動(dòng)交通發(fā)展

巴斯夫與戶田工業(yè)株式會(huì)社近日宣布將采取兩大重要舉措增進(jìn)雙方合作，其中包括提高在美國(guó)和日本的產(chǎn)能，以推動(dòng)電動(dòng)交通發(fā)展，為兩家企業(yè)在此領(lǐng)域創(chuàng)造商業(yè)機(jī)遇。日前，巴斯夫與戶田的合資企業(yè)巴斯夫戶田電池材料有限責(zé)任公司(BTBM)已將日本小野田生產(chǎn)基地的高鎳正極活性材料的產(chǎn)能提高了三倍。該公司于2015年創(chuàng)立，由巴斯夫持有多數(shù)股權(quán)，產(chǎn)能主要用于滿足快速發(fā)展的正極活性材料市場(chǎng)需求。隨著此次擴(kuò)產(chǎn)的完成，巴斯夫戶田電池材料有限責(zé)任公司將運(yùn)營(yíng)全球最大的已認(rèn)證的高鎳正極活性材料燒結(jié)裝置，以服務(wù)不斷增長(zhǎng)的客戶群。此外，雙方還宣布計(jì)劃在美國(guó)展開進(jìn)一步合作。雙方將合并位于俄亥俄州伊利里亞市和密歇根州巴特克里市的制造基地，成立巴斯夫戶田美國(guó)有限責(zé)任公司(BTA)。這家由巴斯夫多數(shù)控股和管理的新公司將為高能正極活性材料領(lǐng)域的客戶提供獨(dú)家解決方案，并奠定其在快速增長(zhǎng)的北美電動(dòng)交通市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)地位。

（來源:https://www.basf.com/cn/zh/company/news-and-media/news-releases/global/2017/12_msm_moved/basf-toda-collaboration-cathode-materials.html）

Influencesof Pump Design Allowance onProduction

WEIGuang-hui
（Zhejiang NHU Special Materials Co.,Ltd.,Shaoxing，Zhejiang 312369，China）

Pump is the core equipment of momentum transfer.For long-term and stable operation,allowance should be considered for flowrate and delivery lift of the pump.However,the surplus capacity might be transformed into adverse factors during production.Therefore，Selecting appropriate pumpswill benefit both energy conservation and safety production.

pump；designallowance；energy conservation；safety production

1006-4184（2017）12-0035-04

2017-08-24

魏光輝（1985-），男，河南永城人，工學(xué)碩士，工程師，注冊(cè)化工工程師，主要從事化工工藝開發(fā)與工程設(shè)計(jì)。E-mail:weigh1899@163.com。