循環(huán)氨水增壓泵性能改進(jìn)與系統(tǒng)可靠性研究

＊趙立海 張涵冰 劉洋

（神華巴彥淖爾能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 015300）

循環(huán)氨水增壓泵在對于確保氨水溶液的高效循環(huán)和增壓至關(guān)重要，在各種工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用，特別是在制冷和冷卻系統(tǒng)中，其高效運(yùn)行直接影響了工業(yè)過程的整體生產(chǎn)效率以及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究深入探討循環(huán)氨水增壓泵的性能改進(jìn)策略和系統(tǒng)可靠性分析，希望為工業(yè)領(lǐng)域提供有關(guān)循環(huán)氨水增壓泵性能改進(jìn)和系統(tǒng)可靠性的深入洞見，以提高生產(chǎn)效率，減少故障和維護(hù)成本。

1.循環(huán)氨水增壓泵

（1）循環(huán)氨水增壓泵工作原理。循環(huán)氨水增壓泵（圖1）其功能復(fù)雜，由多個關(guān)鍵組成部分協(xié)同工作以實現(xiàn)有效的氨水增壓和傳輸，包括進(jìn)水口、控制器、增壓泵、出水口、穩(wěn)壓罐等[1]。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

該泵的工作原理基于物理原理和流體力學(xué)[2]。在工作開始時，泵的進(jìn)水口打開，將氨水從低壓區(qū)域（通常是一個儲罐或低壓系統(tǒng)）抽入泵的內(nèi)部，控制器根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量需求，自動調(diào)節(jié)增壓泵的啟停和轉(zhuǎn)速，增壓泵將氨水壓力提升到所需的水平，輸送到出水口，穩(wěn)壓罐可以緩沖系統(tǒng)的壓力波動，保證氨水的穩(wěn)定供應(yīng)，以滿足特定的工業(yè)需求。

（2）目前存在的問題。循環(huán)氨水增壓泵在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，然而，當(dāng)前存在一些重要問題影響其性能和可靠性[3]。能源效率問題是循環(huán)氨水增壓泵面臨的主要挑戰(zhàn)之一。許多傳統(tǒng)的泵系統(tǒng)在能源利用方面效率較低，導(dǎo)致能源浪費和運(yùn)行成本的增加[4]。隨著對能源效率要求的不斷提高和環(huán)保意識的增強(qiáng)，泵的能源效率成為了一個緊迫的問題。其次，維護(hù)和可靠性問題對工業(yè)過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性產(chǎn)生了負(fù)面影響。循環(huán)氨水增壓泵的部件，如密封件、軸承和葉輪，容易受到磨損和損壞。導(dǎo)致泵的停機(jī)時間增加，維修成本上升，對生產(chǎn)計劃造成干擾。泵系統(tǒng)中常去出現(xiàn)的問題包括泄漏、振動和噪音。泄漏不僅會導(dǎo)致氨水損失，還對環(huán)境造成不利影響。振動和噪音問題不僅會影響工作環(huán)境的安全和舒適性，還會損害泵的結(jié)構(gòu)和性能。材料的耐久性和腐蝕問題也是當(dāng)前需要解決的問題。由于氨水的特性，泵的內(nèi)部部件容易受到腐蝕和磨損，降低泵的壽命并增加維護(hù)需求。

2.循環(huán)氨水增壓泵性能改進(jìn)策略

（1）降低能耗的策略。為了提高循環(huán)氨水增壓泵的性能，降低能耗是至關(guān)重要的目標(biāo)[5]。采用高效率電動機(jī)是降低泵能耗的重要一步。高效率電動機(jī)能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率更高，減少能源的浪費。換用符合能效標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)，可以顯著減少泵的運(yùn)行成本，特別是在長時間運(yùn)行的工業(yè)應(yīng)用中。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的引入可以在降低能耗方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種系統(tǒng)允許根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)整泵的運(yùn)行速度和功率。在負(fù)載較低的情況下，降低泵的運(yùn)行速度可以大幅減少能源消耗，避免不必要的能源浪費。這種策略特別適用于工藝中負(fù)載波動較大的情況。

優(yōu)化系統(tǒng)布局和管道設(shè)計也有助于減少能耗。通過合理布置泵站和優(yōu)化管道設(shè)計，可以降低管道阻力，減小能源損失，確保流體在輸送過程中的能量損耗最小化。減少不必要的彎頭、轉(zhuǎn)角和閥門，也可以降低系統(tǒng)阻力，進(jìn)一步提高效率。另一個關(guān)鍵策略是熱回收技術(shù)的應(yīng)用。在一些工業(yè)應(yīng)用中，泵排出的廢熱可以被捕獲和回收，用于加熱水或其他過程。

（2）材料和設(shè)計優(yōu)化。材料選擇和設(shè)計優(yōu)化是提高循環(huán)氨水增壓泵性能的關(guān)鍵方面。通過精心選擇材料和優(yōu)化設(shè)計，可以顯著提高泵的效率和可靠性。針對泵的關(guān)鍵部件，如葉輪、導(dǎo)葉片和流道，選擇高性能的材料至關(guān)重要。這些材料應(yīng)具備良好的耐磨和耐腐蝕性能，以應(yīng)對氨水和其他液體對泵內(nèi)部的腐蝕和磨損。同時，這些材料還應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度，以承受高速旋轉(zhuǎn)和液體壓力。合適的材料選擇可延長泵的使用壽命，并減少能源損失。通過使用計算流體力學(xué)（CFD）等先進(jìn)工具，工程師可以深入研究泵內(nèi)流體的動態(tài)行為。這種模擬有助于優(yōu)化葉輪、導(dǎo)流罩、流道和其他內(nèi)部部件的設(shè)計，以減少流體阻力，提高泵的效率。通過精細(xì)的設(shè)計調(diào)整，可以最大程度地減小能源損失。

涂層技術(shù)也可以應(yīng)用在關(guān)鍵部件上，以增強(qiáng)其性能。例如，采用耐磨和耐腐蝕的涂層可以降低葉輪和導(dǎo)葉片的磨損，進(jìn)一步提高泵的效率。這些涂層可以有效地延長泵的壽命，減少維護(hù)需求，同時減少能源損失。設(shè)計優(yōu)化還包括流道和導(dǎo)向器的幾何優(yōu)化。通過精確調(diào)整流道形狀和導(dǎo)向器設(shè)計，可以改善流體的流動性，減少渦流損失，提高泵的效率。這些幾何優(yōu)化可以通過數(shù)值模擬和實驗驗證來實現(xiàn)，確保最佳性能。

3.循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)可靠性分析

(1)可靠性分析方法

對循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析是確保其高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵步驟。以下可靠性分析方法可以單獨或組合使用，根據(jù)循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)的具體情況和需求來選擇。通過系統(tǒng)地進(jìn)行可靠性分析，可以及時識別潛在的問題并采取預(yù)防措施，以確保泵系統(tǒng)的高可靠性和長期穩(wěn)定運(yùn)行，降低維護(hù)成本，并提高工業(yè)過程的可持續(xù)性。

故障樹分析（FTA）：故障樹分析是一種系統(tǒng)性的方法，用于識別可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的各種因素和事件。在循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)中，F(xiàn)TA可以用于建立一個樹狀結(jié)構(gòu)，顯示不同故障事件之間的因果關(guān)系。通過分析故障樹，可以識別潛在的故障模式和最可能的故障原因，以采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

失效模式與效應(yīng)分析（FMEA）：FMEA是一種定量的方法，用于評估不同組件和子系統(tǒng)的可能失效模式以及這些失效對系統(tǒng)性能的影響。在循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)中，F(xiàn)MEA可以幫助識別關(guān)鍵組件的潛在失效，確定其重要性，并確定適當(dāng)?shù)目刂拼胧﹣頊p少故障風(fēng)險。

可靠性塊圖分析：可靠性塊圖是一種圖形化工具，用于表示系統(tǒng)的不同組件和子系統(tǒng)之間的關(guān)系。通過創(chuàng)建可靠性塊圖，可以更清晰地了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和可靠性要求。這有助于識別關(guān)鍵組件和冗余系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)在故障情況下仍能正常運(yùn)行。

故障模式、影響和嚴(yán)重性分析（FMESA）：這種方法結(jié)合了失效模式與效應(yīng)分析（FMEA）和故障樹分析（FTA）的元素，以更全面地評估系統(tǒng)的可靠性。它考慮了故障的可能性、故障對系統(tǒng)的影響以及故障的嚴(yán)重性，從而可以確定哪些故障應(yīng)該優(yōu)先處理。上述方法的優(yōu)缺點及適用性，如表1所示。

表1 優(yōu)缺點及適用性

(2)數(shù)據(jù)采集和分析

在進(jìn)行循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)的可靠性分析時，數(shù)據(jù)的采集和分析是至關(guān)重要的步驟。需要明確定義數(shù)據(jù)源，包括泵的操作日志、維護(hù)記錄、故障報告、傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)及運(yùn)行時間記錄等。這些數(shù)據(jù)源應(yīng)具有可靠性和完整性，以確保可靠性分析的準(zhǔn)確性。采集到的數(shù)據(jù)需要被妥善存儲在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫或記錄系統(tǒng)中。包括定期記錄泵的運(yùn)行參數(shù)、維護(hù)活動、維修歷史及任何故障事件。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性對后續(xù)的分析至關(guān)重要。

在數(shù)據(jù)采集后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，以去除錯誤、噪音或不一致性。這個步驟確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠，為后續(xù)的分析提供了可信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分析工具的選擇包括統(tǒng)計分析、時間序列分析、故障模式分析和可視化工具等。可以識別故障模式、趨勢和與系統(tǒng)可靠性相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。通過分析歷史故障數(shù)據(jù)，可以計算不同故障模式的頻率和概率，以確定哪些故障模式最常見，以及哪些可能對系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響。同時，維護(hù)記錄和維修歷史的分析有助于了解維護(hù)活動對系統(tǒng)可靠性的影響，包括維護(hù)的頻率、維護(hù)時間和維修成本等。最終，通過數(shù)據(jù)分析生成的報告可以用于制定改進(jìn)計劃、優(yōu)化維護(hù)策略，并提供決策支持。數(shù)據(jù)采集和分析有助于更好地了解循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)的性能和可靠性，及時識別問題，并采取措施以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低維護(hù)成本。

(3)系統(tǒng)可靠性改進(jìn)策略

①故障診斷與維護(hù)計劃。建立先進(jìn)的故障診斷系統(tǒng)，包括傳感器和監(jiān)測設(shè)備，用于實時監(jiān)測泵的運(yùn)行狀態(tài)。通過實時數(shù)據(jù)的收集和分析，可以迅速檢測到潛在問題，預(yù)測可能的故障，并提前采取措施，從而避免突發(fā)故障引發(fā)生產(chǎn)中斷。基于故障診斷數(shù)據(jù)和歷史維護(hù)記錄，明確規(guī)定定期維護(hù)活動和緊急維修計劃。通過定期的維護(hù)，可以保持泵系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，減少部件磨損，延長設(shè)備壽命。同時，制定應(yīng)急維修計劃可在故障發(fā)生時迅速采取行動，最大程度地減少生產(chǎn)中斷時間和損失。

②備件管理策略。備件管理對于循環(huán)氨水增壓泵系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。建立合理的備件庫存管理系統(tǒng)，包括確定常用備件和關(guān)鍵部件的種類和數(shù)量，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和維護(hù)計劃來制定，以確保在需要時可以迅速獲得所需備件，減少停機(jī)時間。其次，與供應(yīng)商建立密切的合作關(guān)系，簽署供應(yīng)協(xié)議，確保備件的及時供應(yīng)和質(zhì)量。與供應(yīng)商的協(xié)作可以幫助快速解決緊急情況，減少生產(chǎn)中斷的風(fēng)險。

③定期性維護(hù)與預(yù)防性維護(hù)。定期性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)是確保泵系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵措施。定期維護(hù)按照維護(hù)計劃執(zhí)行，包括清潔、潤滑、緊固件檢查和部件更換。這些活動有助于防止部件的過早磨損和故障，維持系統(tǒng)的高效運(yùn)行。預(yù)防性維護(hù)計劃根據(jù)實際運(yùn)行情況制定的。這包括根據(jù)使用時間或工作量來替換關(guān)鍵部件，以防止突發(fā)故障。預(yù)防性維護(hù)計劃可以大幅降低維護(hù)成本和生產(chǎn)中斷的風(fēng)險。

④人員培訓(xùn)與技能提升。建立全面的培訓(xùn)計劃，包括操作員和維護(hù)人員的培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括安全操作、故障診斷、維護(hù)技巧和應(yīng)急響應(yīng)。確保操作員和維護(hù)人員具備必要的技能和知識，可以正確操作和維護(hù)泵系統(tǒng)。定期評估和提升員工的技能水平。鼓勵員工參與持續(xù)教育和培訓(xùn)，以跟上最新的技術(shù)和最佳實踐。技能提升有助于提高故障診斷和維護(hù)的效率，確保泵系統(tǒng)的可靠性。

4.結(jié)語

循環(huán)氨水增壓泵的性能改進(jìn)和系統(tǒng)可靠性研究是工業(yè)領(lǐng)域的一項重要任務(wù)，不僅有助于企業(yè)提高競爭力，還有助于實現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)和資源利用。我們鼓勵工程師和研究人員繼續(xù)深入研究和創(chuàng)新，以不斷改進(jìn)泵系統(tǒng)的性能和可靠性，為工業(yè)進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。通過共同努力，可以實現(xiàn)更高效、更可靠的生產(chǎn)，同時減少資源浪費，邁向可持續(xù)的未來。