離心泵的幾種節能途徑探析

石樹明（金陵石化烷基苯廠）

離心泵的幾種節能途徑探析

石樹明（金陵石化烷基苯廠）

離心泵是常見的流體提壓設備，是石油化工裝置主要的耗電設備之一。本文通過對離心泵設計選型、流程改進、操作影響等方面的耗能結果進行分析，探索離心泵的節能途徑以及在化工裝置的具體應用，得出改善離心泵本身的效率、利用葉輪切割、調整轉速、優化工藝分壓輸送及規范操作是離心泵節能的主要途徑，并能取得良好效果，具有較大的節能意義。

離心泵 節能 葉輪切割 轉速 分壓輸送

離心泵被廣泛應用于各行各業，是流體輸送與提壓的主要設備。尤其是石油化工裝置中，離心泵有著舉足輕重的地位，同時也是電能的主要消耗設備之一。據資料顯示，泵的電能消耗約占全國總耗電量的 21%。我國石油、化工行業現役離心泵約有60%處于不合理的運行狀況，目前我國離心泵理論運行效率大多在40%以下，遠低于國家標準的最低效率 50%，比先進國家低 5%～10%。而實際運行效率則比國外低 10%～30%。泵的運行效率與泵本身效率和運行工況有關。通過改進設計來提高泵自身效率，其提高空間已越來越小，只有把泵與實際工況聯系起來考慮，才能找到合理的方法。如果把運行效率低于60%的現役泵改造成高效泵，則可節約 大量的電 能[1]。

由于近年來能源費用日益高漲和節能的需求，使企業越來越重視能源的充分利用，將結合實際的化工裝置，結合影響離心泵的耗能的幾個因素、分別對有效的節能途徑進行分析，以降低運行電耗，降低企業的產品成本，對全社會的節能減排工作也有著十分重要的意義。

1 影響離心泵耗能過高的因素

1） 泵機身的結構或效率所決定的，例如根據流量與揚程的不同，泵效率有可能從 10%～90%之間變化，離心泵的流量越低，揚程越高，則效率就越低；機封的形式也會大大影響泵的效率，如填料密封就比機械密封在耗能10%以上，同樣單端面機封與串聯式機封的能耗也不一樣。

2）機泵在選型過程中，通常是以最大流量和最大阻力為依據，同時考慮生產負荷的波動，產能擴大的需要，以及泵長期運行后的泄漏和管道阻力增加等因素的影響，附加一定的富裕量，而且有時此余量會偏離實際的需求很多，從某廠現役離心泵的實際調查情況看，實際的余量一般會超出 30%～40%，有的甚至更大。這些多余的流量與揚程最后均通過控制閥來調節與減壓，最終使大量的電能耗費在控制閥上。

3）工藝流程的設計也會影響泵的能耗。例如有些工藝流程的設計，并沒有顧及泵的節能，尤其是大流量、不同壓力需求過程中的輸送，設計人員往往從簡單入手，通過母管同一壓力，就高不就低的輸送方面，造成能耗大大增加，并增加了管材的投 資[2]。

2 離心泵的節能方法

離心泵的節能改造方法有很多，有些效果并不大，有些不正確的改造還會影響裝置的正常生產，所以要根據不同的運行情況選擇不同的節能方法，力爭改造可靠性高，費用低，效果好。結合石油煉化企業的工作經驗，詳細介紹常見的有效的離心泵節能改造方案。

2.1加強機泵自身的改造與管理

對于定型的機泵，可通過機泵的自身改造來提高效率，例如降低軸封和軸承的摩擦損失，主要措施：用新材料密封代替填料密封；提高離心泵軸套表面的光潔度；選擇與離心泵精度等級相匹配的軸承；加強對泵軸承的檢查，確保泵軸承的潤滑與完好。生產運行表明可提高水泵效率 1%～3%。

提高泵與電動機的同心度。在檢修安裝及停車檢查時對聯軸器進行檢查，應從徑向和端面同時找正 ，可 提高離 心泵 效率 1.5%～3% ，減 少設備 的磨損。

2.2通過葉輪切割的方式，使泵運行在最佳效率區間

在實際生產中，如果離心泵的工況點偏離高效區，而且通常情況下工況要求流量與揚程都比較穩定，沒有特別高或特別低的工況需求，此時可以考慮 用 切 削葉輪的 辦 法 來 進 行調整以 適 應 工 況[3]。

當離心泵葉輪的出口直徑 D2被車削變小時，離心泵的流量和揚程均相應地下降，其特性曲線移向原始直徑葉輪的特性曲線的下方，切削量越大( D2越小)特性曲線下移越遠，見圖1。

圖1 葉輪切割的性能曲線

葉輪出口直徑的切割量與泵特性的關系稱為離心泵的切割定律，近似表示為：

式中： D'2、 Q′、 H′、 P′——分別為經切 割后的 葉輪出口直徑、流量、揚程和功率； D2、Q、 H、 P——分別為切割前葉輪的出口直徑、流量、揚程和功率。

但不是所有的泵都能進行葉輪切割，因為葉輪切割直接影響到葉輪邊緣與蝸過殼之間的間隙，同時還受泵的比轉速的影響，所以如果盲目切割，泵的效率會降低過多，甚至無法工作。另一方面如泵的效率過低，長時間運行，還不如更換新泵所產生的效益高，所以葉輪切割并不是唯一的節能方式。葉輪出口直徑允許切割量對泵效率的影響見表1。

表1 葉輪出口直徑允許切割量對泵效率的影響

當離心泵的比轉速較低 （30～80） 時按以下三個公式計算可提高計算的準確性：

需要注意的是，當葉輪切割量小的時候，可以進行前后蓋板全切割，但如果切割量大，應只切割葉輪葉片而保留葉輪蓋板，否則，葉輪蓋板切割后會使葉輪與泵殼的間隙加大，泵效率下降過多甚至無法工作。通常情況下也可以咨詢廠家，因為某一型號的泵，也是在某一范圍內通過葉輪切割的方法來滿足不同客戶的需求，所以該型號的泵的葉輪直徑有一個范圍，在此范圍內可進行切割。

在用于葉輪切割改造過程中，其實際切割量要小于計算的切割量，應采用少量多次的分步切割法，每次切割啟動后，對流量、揚程進行標定，再與原數據進行對照，再計算出下一次的切割量，以保證切割不過量，確保生產的正常進行。

葉輪切割后，葉輪要做動平衡試驗，防止葉輪切割后泵因不平衡造成泵的振動而損壞。

例如某油品車間煤油進料泵，葉輪直徑為 350 mm ， 當裝置進料量為 99t/h 的時候，出口壓力為 1.4 MPa，機泵經常超電流運行，給生產帶來隱患。通過調查發現，泵的揚程比實際需要的揚程高出許多，裝置控制閥開度只有 40%，所以用切割葉輪的方法最優。

為防止葉輪過度切割而造成能力欠缺，采取了分步切割的辦法。

按比例切割定律，如控制改造后泵出口壓力為1.0MPa ，切割后葉輪直徑應為 293mm，考慮直接將葉輪切割到位，切割量達到 16.3%，泵效率會下降過多。于是首次切割定為 320mm ，第二次切割定為 310mm ，切割后分別試車后結果見表2。

從表2可看出，在相同流量下，葉輪直徑變小（由 350mm 變為 310mm） 后， 閥的 開度 逐步開大，管道阻力降降低，泵出口壓力降低，同時電流下降，每小時節電量達到 25.8kWh ，節電達 30%以上。

表2 煤油進料泵葉輪切割試車情況

2.3通過改變泵的轉速來調整泵性能曲線，降低管路阻力來節能

如果需要調節離心泵的流量，最常用的方法就是調節在排出管路上安裝調節閥門的開度。流量增大開大閥門，反之則減小閥門的開啟量，如圖2。只通過改變管路的阻力特性來降低流量，其功率變化不大。

而轉速調節則是利用轉速的變化來調節流量。泵轉速增加時，泵的性能曲線向右上移；當減小泵的轉速時，曲線向左下移。若管路特性不變時，就可得到不同的工作點，使流量改變，從而使功率大 大降低[4]，如圖3。

根據比例定律可知：

流量和揚程都是相應地與轉速近似地按一、二次方的正比例變化，而功率與轉速按三次方比例變化，其軸功率變化是非常大的。

在實際變速運用過程中，通常是將泵出口管路上的控制閥全開，而保持流量的不變如圖4。

圖2 控制閥改變流量的功率變化圖

圖3 調整轉速改變流量的功率變化圖

圖4 流量不變時變速調節的功率變化圖

泵的功率為：

式中：

N——泵的功率；

ρ——流體密度；

Q——泵的流量；

H ——泵的揚程；

η——泵的效率；

g——重力加速度。

機泵正常運轉時，泵出入口的壓力差ΔP＝ρgH ，所以公式1也可寫為：

由于流量不變，泵的效率也不會變化，所以在相同的工藝條件下，泵的功率只與泵出入口壓力差成正比。

在實際的操作中，進行了相關的驗證，見表3。

由此可知，泵出入口的壓力差與泵的電流成正比，同時可以看出，如果在設定值 65%的情況下運行，相同的流量下，耗電只占調速前的 36% ，節能的空間巨大。

表3 某塔回流泵P-410變頻調速數據

常用的變速調節有變頻調速、液力耦合器調速等方式，它們工作穩定，節能效果突出，同時泵轉速下降，管道壓力降低，延長了設備的使用壽命。但變速調節也存在一定的局限性，轉速提高一般不能超過額定轉速的 10% ，否則會引起過載且使泵某些零部件損壞，而轉速降低一般不能超過額定轉速的 50% ，否則泵效率太低甚至無法工作。同時調速方式一般適用于較大功率的機泵，對于小功率機泵，其設備投入與產出比并不明顯。

2.4調整葉輪級數，降低泵的揚程

對于流量適當，揚程過高的多級離心泵可采用減少葉輪級數的節能措施。多級泵的特性曲線類似于多臺離心泵的串聯操作，抽級后泵的揚程下降，而流量幾乎不變，泵的軸功率下降，達到節能目的。

2.5實施分壓輸送法，將同一來源、不同揚程需求的泵分開

對于大流量物料的輸送，如果各用戶點所需的壓力并不一樣，利用通常的母管輸送、高壓輸送并不是一個節能的方法，反而會造成低壓片區壓力過高，泵的功率消耗過大的負面影響。

某裝置某塔頂回流及出料泵，物料比重為0.75 ， 塔 頂 回 流 為 600m3/h， 所 需 的 揚 程 為 20m，送出量為 200m3/h，所需揚程為 80m。

原來設計為兩臺泵 （一開一備），按泵效率75%來運行，總功率為 174kW 。后來對此進行了改進，更換此兩臺泵，再新增兩臺高揚程小泵（一開一備）， 其中 回流 泵流 量為 600m3/h，揚程 20m，功 率約 為 33kW ，輸 出 物料 泵 流量 為 200m3/h， 揚程 80m，功率為44kW ，兩臺泵運行的實際功率為77kW,比單一的高壓輸送節約了約 55% 的電能。

3 結束語

離心泵的節能途徑很多，可以從泵的選型、運行、維護等多方面、多角度來實現。要合理選型，對于不符合實際工況的泵要及時進行處理，如變速調節、切割葉輪、調節葉輪數等。要對泵進行及時的維護、保養，及時更換磨損嚴重的零部件。對效率低的老產品進行及時更新換代，以提高運行效率。同時要加強工藝流程的分析判斷，加強離心泵的優化操作。總之，離心泵的節能途徑和方法是多種多樣的，應該結合實際情況，采取近可能合理的方式，使其在最優的工況下運行，以達到節約能源、減少開支的目的。

[1]黃 學.離 心 泵 的 節 能 措 施 與 應 用 分 析[J].廣 西 城 鎮 建設,2008(2):51-55.

[2]關 醒 凡,邱 光 純.現 代 泵 技 術 手 冊[M].北 京:宇 航 出 版社,1995.

[3]楊志紅.離心泵電動機過載故障分析及葉輪切削改造[J].安徽科技,2006(4):51-52.

[4]何平.離心泵變頻調速技術的應用及效果[J].應用能源技術,2004(2):42-43.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.010

2012-12-15）

石樹明，工程師，1994年畢業于北京石油化工學院 （高分 子 化工 專 業）， 現 從 事 工 藝 管 理 工 作 ， E-mail： shism_jlsh@sinopec.com，地址：江蘇南京市棲霞區堯化門堯新大道 97 號，210046。