前言

旋转机械技术在下游行业中起着重要作用。工厂流程工况通常很恶劣。一个典型尺寸的顶部装置可以提供每小时 1,500 吨的输出能力。关键流程点，例如温度接近800°C的炉料泵（furnace charge pumps），需要特殊的技术解决方案。

催化裂化（FCC）装置要求进料与催化剂混合，然后泵送到温度约为500°C的反应器，该过程所需的空气通常由离心式或轴向压缩机供应，正常流量约为每小时50,000标准立方米（Nm3 / h）。电力需求也可能达到几兆瓦。

用于压缩和泵送应用的旋转机械在确定设备的整体稳健性方面起着至关重要的作用。离心泵几乎存在于所有工厂流程中，这一点尤为重要。

离心泵市场涵盖了一系列下游流程应用。许多离心泵配置已针对不同的应用进行专门开发，包括单级或多级、轴向或径向剖分，以及卧式或立式结构。

卧式泵是下游应用中最常见的泵。它们适用于各种压力（高达400 bar）和温度（高达450℃），而立式泵适用于更为有限的应用范围，主要适用于低净正吸入压头（NPSHA）工况和极低的温度。

技术法规和行业标准是旋转机械行业的主要参与者。美国石油学会（API）610和水力学会（HI）规范为整个泵生产过程提供了广泛而全面的指导。这些标准涵盖了从早期工程到车间制造阶段的大部分方面。API 610标准已经进行了数次修订（目前已到第12版），用于评估泵效率的标准从以前的效率公差转移到总吸收功率的实际公差。振动限制有类似的修改，反映了为实现更长的设备使用寿命和更好的能源效率所做的努力。

叶轮中的压力等值线/速度矢量（由IPC提供）

对离心泵的影响

工厂管理层不断寻求最终市场竞争力，推动了离心泵技术在性能和总体成本降低方面的发展。金属材料技术的发展发挥了重要作用。在运行过程中，泵会受到腐蚀、侵蚀和疲劳。从设计角度来看，适当的材料选择对于获得令人满意的使用寿命是必要的。

今天的材料技术提高了对恶劣工况的抵抗力。实际的冶金工艺对材料的化学性质有更好的控制，例如双相不锈钢（CD4MCu）或特殊钢种（用于轴的沉淀硬化不锈钢17-4PH）。在其它情况下，创新工艺（如用于轴套表面硬化的等离子或激光涂层）可以提供更好的耐磨性。计算机有限元方法（FEM）的发展也促进了对泵部件内部应力场的更好理解。现代旋转机械设计充分利用了软件工具的可用性，可对轴承选择、平衡鼓和轴套间隙尺寸等机械设计要点进行精细评估。这些因素，以及边界设计工作条件，有助于转子的最终稳定性。

影响离心泵的另一个众所周知的问题是汽蚀现象。这种现象的特征是当净压力低于蒸汽压力时发生的流体汽化、产生气泡。下游压力恢复导致蒸汽气泡突然内爆，导致点蚀，从而损坏叶轮。汽蚀效应可能是巨大的，从性能下降到叶轮完全失效。

过去，专业的泵操作员通过识别特征（噪声）来检测汽蚀现象。振动研究的最新进展表明，也可以使用谐波（快速傅里叶变换或FFT）来检测汽蚀现象，这为自动诊断打开了大门。

解决汽蚀问题的传统方法，是基于在工作点泵的必需汽蚀余量NPSHR与装置汽蚀余量之间的安全裕量来确定的。

另一个持续促进泵技术改进的因素是测试方法的发展。先进的振动测量系统的商业可用性，允许采集大量数据。趋近式（电涡流）探头和速度传感器使测试工程师能够对机械振动行为进行详细研究，并发现机械参数、流量读数、性能、FFT频谱谐波分量、轨迹形状和特定现象（如汽蚀或内部流动失速）之间的相关性。

计算流体动力学（CFD）的引入也影响了流程泵行业的发展。使用三维形状进行泵流型的水力设计是一项艰巨的任务。计算能力的提高和可靠代码的可用性使离心泵设计过程得到了持续改进，并将原始设备制造商 （OEM） 的经验与可靠的模拟和预测相结合。现代 CFD 商业代码具有对粘性和非粘性流体进行建模的高级功能。它们还为涡轮机械旋转区域提供了几种湍流方程和非平稳算法。

完整的设计循环仍然需要在OEM车间进行最终的泵物理测试（进行验证），但CFD方法的实施可以带来更好的设计和更短的生产周期。计算机模拟使OEM能够在最终用户指定的运行工况下快速开发针对特定目标（如高效率或低NPSHR）优化的水力零件形状。鉴于通过与现代计算机辅助设计或计算机辅助制造（CAD/CAM）技术集成，从CFD设计中获得的定制水力零件的可能性，这些进步的重要性变得更加明显。

控制系统

控制系统的进步是泵技术的另一个重要发展领域。有关欧洲工业的数据显示，大多数能源都是用于泵的驱动设备。在工业环境中，泵驱动装置消耗了大约76%的总能量。尽管成本相当高，但用于低功率泵的控制系统的想法在过去并不流行，特别是与目前使用先进控制系统的大型泵相比。这主要是因为控制系统将对整个泵站成本产生较大影响，从而导致小型泵的效益与成本的比率较低。

OEM过去普遍采用的一种方法是在设备安装时提供多个备件。这种基于冗余的方法使泵的初始安装成本较高。在这种情况下，许多泵（缺少日常维护而）一直工作到损坏。人工和更换成本不在工厂初步设计中计算，而是在运行期间产生。今天，安装专用控制系统甚至对低功率或小型泵也是有益的。通过集成变频驱动（VFD）系统，可以节省大量能源。通过使用先进的自动诊断控制系统，可以实现额外的可观的运营和维护节省。

现代泵控制系统采用安装最少数量的现场传感器，实现了泵的完全自动化。这一目标可以通过使用基于性能的模型（PBM）来实现，由于商业可编程逻辑控制器（PLC）系统的计算能力的提高，现在可以实现这一目标。该系统提供机器控制、保护和自动诊断功能。

与没有安装监控系统相比，安装成本略高的监控系统可以降低泵的维护成本、维修成本，并减少昂贵的计划外停机时间。

这些系统的主要特征和优点是多变量控制能力、VFD 和 PBM。用户设置要控制的流程参数，系统提供所有相关流程参数的连续监控。它会自动转移对需要保护干预的参数的控制。与传统的节流方法相比，VFD可以大大减少使用的电量、提高能源效率。

PBM的可用性，使用户可以预测实际运行工况下的预期性能。现场测量使他们能够确定实际性能。通过比较预期性能和实际测量值，系统能够提供自动诊断指示（特别异常情况，如汽蚀振动、机械退化或变送器故障）并激活相关的保护措施。

总结

泵技术的许多趋势都在不断发展。许多原始设备制造商正在继续研究和开发CFD和CAD / CAM集成，目标是创造新的高效泵设计。采用这两种方法将为每个独特的应用优化定制设计。与基于供应商产品目录选择的传统泵选择方法相比，这种定制设计过程将使最终用户能够为其应用找到效率最高的解决方案。

带有PMB的新控制系统的普及和自动诊断软件算法的实施预计将带来额外的好处。集成VFD以实现更好的运行电源管理将节省能源，降低维护成本并增加泵的正常运行时间。这些方法的集成是下一代离心泵成功运行的关键。

注：本文是由两位作者Massimiliano Di Febo和Pasquale Paganini共同完成，Di Febo是IPC的运营经理；Paganini是IPC技术经理。