機泵設計余量對生產運行的影響

魏光輝

機泵設計余量對生產運行的影響

魏光輝

（浙江新和成特種材料有限公司，浙江 紹興 312369）

機泵是動量傳遞的關鍵設備，為保證裝置長期穩定運行，泵的流量、揚程等都有一定富余量，在實際生產中，這些富余的能力卻可能轉變為不利因素，因而選擇合適的泵，不僅是節能降耗的要求，更關乎安全生產。

機泵；設計余量；節能；安全生產

0 概述

在化工裝置的設計中，為保證裝置長期穩定運行，以及滿足擴能改造的潛在需求，各類單元設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、風機的流量和壓頭、泵的流量和揚程等，然而這些富余量過大時，一些新的問題可能隨之出現，導致操作失穩、控制方案失效、產品質量下降，甚至于緊急停車，可謂“過猶不及”。

歸根結底，這是因為在設計時將裝置視為一個穩態的過程，事實上裝置在開車階段、運行初始階段、運行后期，很多參數都處于不斷變化之中，如果能從動態分析的角度，對單元設備富余能力之于生產過程的影響進行分析，將可能出現的問題進行消除，對于化工廠的本質安全來講，是大有裨益的。

“三傳一反”是化工生產過程的核心，各類單元操作、單元設備都是圍繞“三傳一反”展開的，相較于質量傳遞、熱量傳遞兩大過程，動量傳遞過程往往會被人忽視。對于動量傳遞過程的關鍵設備，如機泵，也有一種誤解，就是認為相關設計參數的余量給大點，生產運行就不會有問題，最多能耗升高，其實不然。本文以機泵的設計為例，對生產中遇到的一些相關問題進行剖析，并對解決對策、設計優化進行了探討。

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，蒸汽疏水閥或凝液泵。使用疏水閥時，由于疏水閥本身的壓降以及流動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，凝液管網內流動為汽液兩相流，極易產生水擊[1]，且后系統壓力不穩，也會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，管網壓力為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，揚程為31 m，開車運行時發現，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，同時出現泵的氣蝕現象。由于該精餾塔為產品精制的核心設備，被迫緊急停車。

1.1.1 原因分析

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

該凝液泵特性曲線如Fig.1所示，所選機泵的葉輪直徑為330 mm，額定工作點在（84 m3/h，31 m）處，通過計算泵出口管路阻力，流量為84 m3/h時，泵實際需要的揚程約為13 m，因此，泵的實際工作點會向右移動，落在（140 m3/h，21 m）處。由于產生的蒸汽凝液的量只有70 m3/h，這樣就會有相當一部分蒸汽被抽出，導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截止閥，通過增加管路阻力改變管路特性曲線，使泵工作點向左移動，流量降低。

（3）在泵出口管路上增加流量計和調節閥，效果優于加截止閥，但成本較高，尤其是在蒸汽管路上已經設置流量計和調節閥的情況下，略顯多余。

（4）選擇合適的自吸泵，在設計時可以以最大流量為基準，如果操作負荷上限為110%，可以將110%的正常流量作為額定流量，并以此進行泵的選型計算。還可以以正常流量為基準，將計算得到的揚程加5～10 m進行泵的選型，然后根據泵的特性曲線，校核額定流量需要的揚程。在計算中需要注意摩擦系數的取值，其安全系數不宜過大。

以本泵為例，正常流量70 m3/h時需要的揚程為11 m，余量按照5 m計算，可以選用Fig.1中葉輪直徑為254 mm的泵，當泵在額定流量（84 m3/h）下工作時，需要的揚程為13 m，小于特性曲線上對應的揚程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

對于某些熱敏物系，或者沸點較高，再沸器又需要使用蒸汽加熱時，需要采用減壓精餾。為保證減壓塔的溫壓平衡，真空泵的選擇至關重要。某裝置脫氫氰酸塔采用負壓操作，塔頂操作壓力為75 kPa（A），塔頂氣相經過兩級冷凝器后，不凝氣通過液環式真空泵送出，系統壓力由真空泵出口返入口的旁路閥調節。裝置投入運行時，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過冷凝，直接進入真空泵機組的氣液分離罐，并出現聚合反應，導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致的，真空系統的容積約為400 m3，參照《化工工藝設計手冊》[2]，真空系統容積200 m3時，對應的空氣泄露量為10～30 kg/h，脫氫氰酸塔系統的空氣泄漏量按50 kg/h計算，再根據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，該真空泵設計的吸氣壓力為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應的吸氣流量為540 m3/h，為計算吸氣流量的4.5倍。

1.2.2 解決對策

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。采用這種方式調節真空泵流量時，切斷閥不可以使用閘閥，因為閘閥用于節流而部分開啟時，在閘板背面會產生渦流，容易引起閘板的振動和侵蝕，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）根據真空系統的壓力、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位于特性曲線的水平段，吸氣流量可以按照100%余量設計，并適當增大旁路閥的通量。

在進行新建裝置的設計時，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，新裝置投產后運行良好，脫氫氰酸塔塔頂壓力穩定在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 結果與討論

泵的揚程主要是由出口管路決定的，在設計中需要考慮的因素有：上游設備及終點設備的位差和壓差、儀表壓降（主要是調節閥和流量計）、中間設備壓降（比如換熱器、靜態混合器）、管道阻力降等。在靜設備尺寸及安裝位置已確定的情況下，主要考慮兩個因素，一是調節閥壓降，根據閥阻比S確定，S即調節閥全開時壓差與系統總阻力降的比值，為保證調節閥有較好的調節性能，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工藝和生產規模決定的，可按規范[4]推薦的經濟流速或允許壓降確定管徑，由于規范是1995年施行的，與之相比，當前管道材料費用與運行費用之比要小，因此管道百米壓降控制值應適當減小，在設計中，可以不考慮流量大小，根據百米壓降20 kPa進行管徑初選。

一般化工裝置按照運行15年或20年設計，后期由于管道銹蝕、磨損，粗糙度增大，必然導致管道壓力降增加，基于這種考慮，設計規范[4]要求，對平均需要使用5～10年的鋼管，在摩擦系數中加20%～30%的安全系數，如果考慮流量增加，還需要再增加10%～20%的安全系數，按照該摩擦系數計算出的摩擦壓力降最后還要再乘以1.15倍的系數，來確定系統的摩擦壓力降。從動態分析的角度看，在裝置運行的不同時期管道總的壓力降應盡量接近，才能保證系統平穩運行。對于一個新投產的裝置，管道可以認為是光滑的，如果安全系數都按中間值計算，余量將達到65%，計算出的管道壓力降和實際壓力降偏差較大。

對于離心泵，當泵出口管直徑為DN40或DN50時，允許壓力降為93 kPa/100 m，如果泵出口管長度為500 m，因管道壓力降而增加的揚程將達到46.5 m，據此確定泵的型號，勢必會出現確定的泵特性曲線與波動的管道壓力降之間的協調問題。通常的解決辦法是泵出口管路上增加流量調節或液位-流量串級調節，通過減小調節閥的開度，來增加管路阻力，有時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，揚程H越大，泵效率η越低，因此揚程偏大，會導致泵的軸功率及電機功率更大，在泵出口沒有調節閥時，還可能造成裝置無法正常運行。

對于真空泵，最重要的兩個參數是入口壓力和吸氣流量，吸氣流量的計算可參照《化工工藝設計手冊》[2]，相比較而言，入口壓力的確定更為重要。設計規范[4]給出了負壓管道的壓降控制值，即當壓力小于等于49 kPa時，允許壓力降為1.13 kPa/100 m；當壓力大于49 kPa時，允許壓力降為1.96 kPa/100 m。由于壓力降本身數值較小，且真空泵通常距離負壓系統不會太遠，其波動對真空泵運行影響有限。在確定真空泵入口壓力時，主要要考慮一定的余量，根據經驗，余量可取為系統正常操作壓力的20%～30%。

3 結論

通過計算分析，可以從以下幾個角度進行泵的優化設計：

（1）最大流量，如果裝置操作負荷的上限是110%，可以將110%的正常流量作為額定流量，并依此計算摩擦壓力降，安全系數不宜過大，從動態分析的角度看，在裝置運行的不同時期，管道總的壓力降應盡量接近。

（2）管道材料，如果使用了316 L不銹鋼、雙相鋼或者更高等級、價格更為昂貴的材料，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，使流速適當降低。

（3）管道長度，如果管道長度僅有數米或者數十米，可以將管道直徑適當放大，如果管道上管廊、長數百米，則需要進一步的經濟分析，比較管道材料增加的費用和項目生產期內可以降低的設備費和能耗，由于鋼鐵產能過剩、價格降低，流速值宜低于規范上推薦的經濟流速。

[1]GB/T 50812-2013，化工廠蒸汽凝結水系統設計規范[S].

[2] 中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊[M].第4版.北京：化學工業出版社，2009：949.

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

[4]HG/T 20570－95，工藝系統工程設計技術規定[S].

巴斯夫和戶田工業加強在正極材料領域的合作與投資助力電動交通發展

巴斯夫與戶田工業株式會社近日宣布將采取兩大重要舉措增進雙方合作，其中包括提高在美國和日本的產能，以推動電動交通發展，為兩家企業在此領域創造商業機遇。日前，巴斯夫與戶田的合資企業巴斯夫戶田電池材料有限責任公司(BTBM)已將日本小野田生產基地的高鎳正極活性材料的產能提高了三倍。該公司于2015年創立，由巴斯夫持有多數股權，產能主要用于滿足快速發展的正極活性材料市場需求。隨著此次擴產的完成，巴斯夫戶田電池材料有限責任公司將運營全球最大的已認證的高鎳正極活性材料燒結裝置，以服務不斷增長的客戶群。此外，雙方還宣布計劃在美國展開進一步合作。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有限責任公司(BTA)。這家由巴斯夫多數控股和管理的新公司將為高能正極活性材料領域的客戶提供獨家解決方案，并奠定其在快速增長的北美電動交通市場的優勢地位。

（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，工學碩士，工程師，注冊化工工程師，主要從事化工工藝開發與工程設計。E-mail:weigh1899@163.com。