化工耐腐蝕離心泵技術(shù)在中石油、中石化油氣精

        化工離心泵技術(shù)在中石油、中石化油氣精煉中的應(yīng)用
       旋轉(zhuǎn)機(jī)械技術(shù)在下游產(chǎn)業(yè)中起著重要作用。事實(shí)上，設(shè)備的工藝條件可能是很?chē)?yán)苛的：一個(gè)正常大小的上游頂端設(shè)備的輸出率可達(dá)1500噸/小時(shí)，還有一些關(guān)鍵的工藝節(jié)點(diǎn)，如爐內(nèi)裝料泵的溫度接近800℃，這些加工過(guò)程都需要特殊的技術(shù)解決方案。流體催化裂化（FCC）設(shè)備要求進(jìn)料首先與催化劑混合，然后泵送到溫度達(dá)500℃左右的反應(yīng)器里。這一過(guò)程所需的空氣通常由正常流速約50000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)的離心式或軸流式壓縮機(jī)來(lái)提供，功率可達(dá)數(shù)兆瓦。壓縮和泵送應(yīng)用場(chǎng)合中所采用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械對(duì)于保障加工過(guò)程的整體穩(wěn)健性起著至關(guān)重要的作用，而在這些設(shè)備里，離心泵又是重中之重，它幾乎參與了所有的工藝過(guò)程。
各種尺寸大小的離心泵遍布下游工藝應(yīng)用。針對(duì)不同的應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多種離心泵配置形式，從單一泵到多級(jí)泵，軸向或徑向剖分式，臥式或立式轉(zhuǎn)子。
迄今為止，最常見(jiàn)的形式是臥式泵，它們適用的壓力和溫度范圍廣泛，工作壓力可高達(dá)400巴，溫度可高達(dá)450℃，而立式泵的應(yīng)用范圍比較有限，主要用在低汽蝕余量的工況和非常低的溫度環(huán)境下。
        技術(shù)法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
         對(duì)于流程工業(yè)泵，（美國(guó)石油協(xié)會(huì)www.dursunzaman.com）API 610標(biāo)準(zhǔn)和水力協(xié)會(huì)準(zhǔn)則提供了一系列廣泛而全面的指導(dǎo)方針，從而推動(dòng)整個(gè)泵生產(chǎn)工藝的發(fā)展。這些標(biāo)準(zhǔn)由泵制造商和客戶組成的董事會(huì)來(lái)制定，涵蓋了從早期設(shè)計(jì)到車(chē)間制造階段的主要方面。API 610標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)及時(shí)得到了修正：用來(lái)評(píng)估泵效率的標(biāo)準(zhǔn)從以前的效率公差變成了針對(duì)整體吸收能力的實(shí)際公差。振動(dòng)極限也做了類似的調(diào)整，反映了客戶和制造商群體日益關(guān)注的問(wèn)題，即延長(zhǎng)泵的使用壽命和提高能效。
金屬材料技術(shù)的發(fā)展很重要。眾所周知，在工作期間，泵會(huì)遭受侵蝕和腐蝕，產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。從設(shè)計(jì)的角度看來(lái)，要獲得令人滿意的機(jī)械使用壽命，首先必須確保選用合適的制造材料。材料技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，如今已經(jīng)出現(xiàn)了許多能抵御上述現(xiàn)象的優(yōu)秀材料。實(shí)際冶金過(guò)程對(duì)材料的化學(xué)特性具有較高的控制作用，例如雙相鋼（CD4MCU）或沉淀硬化17-4-PH特種鋼常用于制造泵的軸。還有一些其他的例子，比如等離子或激光涂層這類創(chuàng)新工藝可以對(duì)套筒表面進(jìn)行硬化處理，有助于提高耐磨性。計(jì)算機(jī)有限元分析方法的發(fā)展幫助我們更好地了解各個(gè)泵部件內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)情況。泵技術(shù)不斷朝著性能更佳和運(yùn)轉(zhuǎn)速度更高的方向發(fā)展，因而極大地推動(dòng)了泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)這一研究領(lǐng)域的發(fā)展。此外，還有一個(gè)重要因素，即計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為業(yè)界提供了足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力。現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)充分利用了經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)和專用軟件工具，有助于針對(duì)某些機(jī)械設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致的評(píng)估，如選擇軸承，平衡活塞，確定軸套間隙的大小。所有這些因素以及邊界設(shè)計(jì)操作條件結(jié)合在一起確保了轉(zhuǎn)子的最終穩(wěn)定性。
             汽蝕
         汽蝕是另一個(gè)眾人皆知的影響離心泵的問(wèn)題。它是由于流體汽化所造成的，在流體汽化過(guò)程中凈壓力會(huì)低于蒸氣壓力。下游壓力的恢復(fù)使得蒸汽氣泡突然內(nèi)爆，導(dǎo)致葉輪表明出現(xiàn)凹點(diǎn)。汽蝕可能帶來(lái)巨大的影響，使泵的性能逐漸降低，直到徹底失效。過(guò)去，專業(yè)的泵操作人員常常通過(guò)辨別具有特點(diǎn)的碎石噪音來(lái)檢測(cè)汽蝕。振動(dòng)研究的最新進(jìn)展表明還能利用諧波（FFT）技術(shù)來(lái)檢測(cè)發(fā)生的汽蝕現(xiàn)象，這樣就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷。解決此問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是在必須汽蝕余量（來(lái)源原始設(shè)備制造商）的基礎(chǔ)上留有一定的靜態(tài)安全裕度。一種有效的汽蝕監(jiān)控方法是測(cè)量最靠近泵吸入點(diǎn)處的壓力、溫度和流速。然而，以往永久安裝的監(jiān)控系統(tǒng)所用的次數(shù)非常有限，這樣就顯得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本過(guò)高，特別是對(duì)于小型泵來(lái)說(shuō)。市場(chǎng)上出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的邏輯控制器已經(jīng)改變了這一狀況，如今即使是小型的離心泵也能從這種控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中受益。另一項(xiàng)一直對(duì)泵技術(shù)改進(jìn)做出貢獻(xiàn)的因素是測(cè)試方法的研發(fā)。先進(jìn)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的商業(yè)可用性使得我們能夠采集大量的數(shù)據(jù)。接近探針和機(jī)體速度傳感器使測(cè)試工程師能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)行為進(jìn)行詳細(xì)的檢查，并找到機(jī)械參數(shù)、流量讀數(shù)、性能、FFT頻譜諧波分量和軌道形狀以及一些特殊的干擾現(xiàn)象（如汽蝕或內(nèi)流旋轉(zhuǎn)失速等）之間的相關(guān)性。計(jì)算流體力學(xué)的引入也影響了流程泵行業(yè)的發(fā)展。泵流型三維形狀的水力設(shè)計(jì)實(shí)際上是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。隨著計(jì)算能力的逐步增強(qiáng)，以及可以利用可靠的設(shè)計(jì)程序，離心泵的設(shè)計(jì)過(guò)程得以持續(xù)完善改進(jìn)，同時(shí)，還能將OEM經(jīng)驗(yàn)和可靠的仿真預(yù)測(cè)結(jié)合起來(lái)。現(xiàn)代CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）商用程序擁有先進(jìn)的功能，可以對(duì)粘性和無(wú)粘性流體建模，提供多種湍流方程以及針對(duì)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的非平穩(wěn)算法。整個(gè)設(shè)計(jì)回路需要條條路線都閉合，并且通過(guò)OEM生產(chǎn)車(chē)間的最終機(jī)器物理測(cè)試，但是如果采用CFD方法就能在較短周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)仿真有利于我們?cè)谳^短時(shí)間內(nèi)根據(jù)客戶規(guī)定的工作條件，針對(duì)具體的優(yōu)化目標(biāo)（F.E.最大效率，汽蝕余量）研發(fā)出水力通道形狀。當(dāng)我們考慮是否能通過(guò)集成現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)來(lái)制造CFD設(shè)計(jì)出的定制液壓零件時(shí)，這些科技上的進(jìn)步就顯得尤為重要。
         控制系統(tǒng)的改進(jìn)
           如上文所述，化工離心泵廣泛應(yīng)用于石油和天然氣行業(yè)。歐盟的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示能耗的絕大部分來(lái)自泵驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用：中低功率范圍總計(jì)幾乎達(dá)到已安裝的驅(qū)動(dòng)器功率的總和，消耗了總能量的76％。盡管這方面相當(dāng)重要，但在過(guò)去十年，與目前使用非常先進(jìn)的控制系統(tǒng)的大型泵相比而言，人們較少關(guān)注低功率泵的控制系統(tǒng)。這主要是因?yàn)樾⌒捅玫氖找娉杀局容^低，而控制系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)泵站成本有著很大的影響。過(guò)去的一種冗余做法是安裝多個(gè)備用件。這種冗余的方法對(duì)于多臺(tái)泵的初始安裝成本要求很高，并且在很多時(shí)候，如果泵一直工作直到報(bào)廢，那么就顯著增加了工作階段的成本。相關(guān)的經(jīng)濟(jì)方面的負(fù)面影響不會(huì)出現(xiàn)在設(shè)備的初始設(shè)計(jì)階段，而是出現(xiàn)在工作階段。如今安裝專用的控制系統(tǒng)非常方便，即使對(duì)于低功耗/小型泵也是如此：集成VFD系統(tǒng)能節(jié)省大量能源，先進(jìn)的自動(dòng)診斷控制系統(tǒng)也有利于顯著減少工作和維護(hù)成本（延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間和最終的機(jī)器壽命）。現(xiàn)代泵控制系統(tǒng)，如IPC PROTEO，江蘇利工作用現(xiàn)場(chǎng)已安裝的最少數(shù)量的傳感器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全面的泵自動(dòng)化控制流程。如今得益于商用PLC系統(tǒng)計(jì)算能力的大幅提高，江蘇靖江不銹鋼泵閥總廠可以通過(guò)實(shí)施績(jī)效模型（PBM）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些系統(tǒng)不僅能夠執(zhí)行機(jī)械控制任務(wù)(公眾號(hào):泵管家)，而且還可以對(duì)泵進(jìn)行保護(hù)和自動(dòng)診斷。與未受監(jiān)控的安裝情況相比，稍高的安裝成本會(huì)被降低的維護(hù)成本，維修成本和生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間所抵消。
               這類系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下：
● 多變量控制功能：用戶設(shè)置被控制的流程參數(shù)；系統(tǒng)對(duì)所有相關(guān)流程參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)對(duì)需要保護(hù)機(jī)制干預(yù)的變量實(shí)施控制。
● VFD驅(qū)動(dòng)器：與傳統(tǒng)節(jié)流方法相比，這種驅(qū)動(dòng)器能大幅降低功率吸收，從而達(dá)到更高的能效（甚至提高40％，這取決于具體的條件）。
● 可以利用機(jī)械模型的基于性能模型（PBM）來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際工作條件下的預(yù)期性能。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)使我們得以確定實(shí)際的性能。預(yù)期性能與實(shí)際性能的偏差即可使系統(tǒng)提供自動(dòng)診斷指征（特別是一些異常現(xiàn)象，如汽蝕擾動(dòng)，機(jī)械性能退化，變送器故障）并激活相關(guān)防護(hù)措施。
                  發(fā)展
      化工耐腐蝕泵的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在不斷發(fā)展。經(jīng)驗(yàn)豐富的用戶和泵制造商在涉及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的重要工作領(lǐng)域相互交流。泵技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步為業(yè)界帶來(lái)許多好處。正如前文所述，CFD是非常有趣的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。目前還在研發(fā)如何在工控機(jī)（IPC）中將CFD和CAD/CAM集成，以利于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的高效泵設(shè)計(jì)。實(shí)際上，通過(guò)綜合應(yīng)用這些方法，將有可能實(shí)現(xiàn)為每個(gè)具體的泵實(shí)例提供最優(yōu)化的定制設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)的根據(jù)產(chǎn)品一覽表來(lái)挑選泵的方法不同，這種定制設(shè)計(jì)過(guò)程不僅能達(dá)到最高的設(shè)計(jì)效率，而且能獲得上述討論的所有好處。基于性能模型（PMB）的新控制系統(tǒng)和自動(dòng)診斷軟件算法（例如PROTEO）一旦與液壓領(lǐng)域的這些先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，那么將有望獲得本文提及的其他好處。VFD驅(qū)動(dòng)器能更好地管理工作時(shí)功率，將它與基于性能模型的控制系統(tǒng)集成在一起，就能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，減少維護(hù)費(fèi)用，并使正常運(yùn)行時(shí)間最大化。新一代化工耐腐蝕離心泵成功工作的關(guān)鍵因素就在于綜合應(yīng)用利工泵閥論述的這些方法。