借助EXCEL對流體輸送設備離心泵和管道規格的優化選型

【摘 要】本文借助EXCEL對流體泵送管路規格和泵的揚程最優化選用，達到使流體輸送費用最低目標效果。

【關鍵詞】EXCEL；流體輸送；管路直徑；工藝流量；流動阻力損失；揚程；泵送電耗費；年管路費

0 概述

在生產實際中，在使用離心泵輸送液體時，泵的流量是生產工藝需要確定的。輸送流體管路的長度和管件種類、數量是輸送的始點和終點的相互位置確定的。泵的尺寸基本上也是由流量確定的，也就是說泵的費用基本上是確定的。所以對于流量和管路長度基本上不存在優化選擇問題。但是，當輸送流體管路的長度和流量確定以后，輸送流體的管路通徑（管路規格）與泵送的電耗卻存在著一定的依存關系。若選擇管路規格小（也就是通徑小），所需管路投資就低，但是流體在管路中流動速度大、流動阻力高，所需泵的揚程就高，導致泵送所需的電功率增大、電耗增大；若選用的管路規格大（也就是通徑大），所需管路投資就大、折舊和維護費用高，而流體在管路內的流速低，阻力小，所需泵送的揚程低，導致泵送的電功率降低，電耗減小。除了泵本身的費用之外，流體泵送的費用，基本上決定于上述的管路費用與電耗費用之和。當選用泵送的管路直徑恰當時，會使得管路費用與電耗費用之和達到最低值，也就是最佳經濟的生產狀態。

在化工企業當管路中輸送的是一定濃度時，由于已經有直接計算管路阻力損失的公式，管路的直徑優化數據，可以推導出來費用公式并通過對此費用公式求導數計算極值的方法確定下來（可參閱《制漿造紙機械與設備》——華南工學院、天津輕工業學院合編 上冊）。但是諸如水一般的流體，在管路內流動阻力計算公式中的阻力系數是通過實驗測定出來的，使用者只能通過查圖選用，沒有公式可以直接計算確定。所以對于水一般的流體輸送管路與泵送揚程的最佳值選擇，只能通過對一些列管徑下的各種費用計算類比來確定。但是這樣會造成比較麻煩的計算量。當借助軟件EXCEL來做這一項工作以后，只要針對某一管路直徑下的阻力、用電量、管路費用等一次性的輸入公式計算，以后其他管徑下各種類似參數的計算就會由EXCEL算出了。同時，EXCEL還可以輕松地幫助繪出各種管徑下的各種運轉費用曲線圖，我們可以在圖上很直觀地看出不同管路直徑下不同的泵送費用情況，幫助管路設計者輕松的確定管路參數的最佳值。

1 借助EXCEL選用最佳管路直徑和離心泵揚程的事例

因生產需要，我公司欲從某車間向另一車間泵送某種類似于水的牛頓型液體。已知：生產工藝要求流量200m3/h。管路長度3000m，管路終點比始點的水平高2.5m。管路上90°彎頭30個，蝶閥數量3個。通過測定，此液體密度1200kg/m3，黏度0.01PaS。液體的pH值2-4，屬于酸性。試確定應該選用通徑為多少的管路以及泵的揚程是多少來輸送此液體為最經濟。

1.1 鋼管材料的選用和年使用費用

因為液體的pH值2-4，帶有較強的腐蝕性，需要長途高空架設，所選用內襯塑料的無縫鋼管。估計內襯塑料鋼管的使用壽命8年。估計此種鋼管的每米價格是普通鋼管的2倍。所以此種鋼管的年使用費用≈每噸鋼管的價格×每米鋼管重量×2×鋼管長度÷8年，具體計算數值見下面的計算表。

1.2 泵送電耗

選用離心泵作為泵送的設備。泵送電機消耗的功率P=QHρg/η。上式中：Q——泵送的流量， 單位是m3/s；H——泵送工作點的揚程， 單位是m；ρ——泵送液體的密度，單位是kg/m3；g——重力加速度，單位是m/s2；η——泵在工作點下機械效率。選用泵工作在高效點時，可取η=0.75。

泵送的年工作電耗W=PT ，左式中W——電耗，kW.h（千瓦小時），T——泵的年工作時間。

1.3 泵送的揚程的確定

在“1.2 泵送電耗”中可以看到計算泵的電耗的關鍵所在是計算泵的工作揚程。

上式中Z2-Z1表示管路始點和終點的水平高差，本例中為2.5；U2和U1分別是流體輸送始點和終點速度，本例中取零；p2-p1為流體輸送終點和始點壓力差值，本例中p2和p1都為一個大氣壓，p2-p1=0，所以本例中所需泵的揚程H=流動阻力損失Hf+2.5.

∑hf是流體在管道內各項流動阻力造成的單位質量流體能量損失總和，單位是J/Kg。∑hf包括直管流動阻力和流體流經管件、閥門產生的局部阻力。∑hf是與管路長度、管路內壁相對粗糙度、流體在管路內的流速、流體密度、流體黏度、管路內徑等參數的函數，具體計算比較復雜，可以參照相關書籍資料進行計算。

1.4 本實例的計算過程和結果如表1、表2、表3所示

1.5 各種費用曲線圖

使用excel將重要的結果數據如上表中的第32項“年用電費用”、第35項“襯塑管管路每年費用”、第36項“襯塑管年電費+管路費”等繪制成圖線，在圖線上可以直觀地看到各種費用隨著管路規格的變化而變化的趨勢和具體數量。見下面的《某車間泵送某種流體設備選型費用比較圖》。

從圖1可以明顯看出：電費隨著管徑的增加、迅速降低；管路費用隨著管徑的增加逐漸增高；二者之和曲線呈U形，有最低的極值點。這個最低的極值點所對應的管路規格，就是最優化的管路規格（費用28.6萬/年，管路規格273×6.5）。

2 結論

通過圖線和具體數據可以看出，使用規格（外經×壁厚）273×6.5的襯塑管最經濟。選用泵的參數為：流量200立方米/小時，揚程：20.3米（在泵手冊中應選用稍為高一點的揚程，如選用揚程為計算的1.1～1.2倍=22～25米）。在這種情況下，年費用是28.6萬元。假如對此管路選擇不進行精心的計算，憑經驗選用219×6的襯塑管，年費用將為42.33萬元，比選用273×6.5的襯塑管年增加費用13.73萬元；或選用325×10的襯塑管，年費用將為39.84萬元，比選用273×6.5的襯塑管年增加費用11.24萬元。所以，當需要泵送的流體流量很大、所需管路很長時，那些習慣用經驗數據選泵和管路參數的做法是十分不可取的。在這種情況下，就要精心地計算選用最佳的泵送管路規格和泵送的揚程，否則泵送的費用會相差很大，僅一臺泵就會造成每年數萬元的經濟損失。

同時還應說明，若在管路規格選用不恰當的同時，由于不進行精心的計算，使得離心泵的揚程選用離高效工作點很遠，導致離心泵的工作效率大大降低（如工作效率為50%），在使用中就會造成浪費比上述數據大得多的、更驚人的資金量。一些造紙企業每天運轉的離心式漿泵和水泵數量總和在五百臺以上，若不對其揚程、流量、管徑等進行經心計算選擇、每天造成損失又知多少！所以說，對漿泵水泵規格型號恰當選用以節能降耗，是造紙企業和化工企業進行提升精細化管理的重點之一。

[責任編輯：湯靜]