【原】通过全面的CFD分析来改善高维护泵的运行

前言

在工业工厂内实现节能是工厂管理中的重中之重。可靠性工程师一般仅专注于延长平均维修间隔时间（MTBR），但他们可能经常忽略了如果将完整的工程研究作为根本原因故障分析（RCFA）的一部分进行，则可能会产生潜在的节能。对于泵来说尤其如此，因为它们广泛应用于各行各业。水力工程师使用计算流体动力学（CFD）来调整泵的水力性能，以延长MTBR并降低运行泵的能源成本。这些措施可以显著降低泵的生命周期成本（LCC），即设备的总拥有成本。

了解泵的运行位置

许多工厂都有一份“不良设备”名单，这些是MTBR不到一年或可能两年的泵。制造商和服务商提供了许多不同的解决方案：例如，提高轴刚度、制造升级或增加耐磨涂层等，以应对可能发生的汽蚀或吸入再循环（入口回流）。

这些措施可能会增加MTBR，但不会真正解决问题。真正的第一步应是，通过随泵提供的经验证的性能测试来评估泵的实际运行情况或标准运行点。通常会出现两种令人不安的情况：

-  工厂运行工况点发生了改变，泵的标准运行点不再在泵曲线的优先工作区内。

-  泵当初选型就不合理，一直偏离优先工作区运行。

正如API 610标准所述，泵曲线的优先工作区是泵设计用于优先运行的位置。通过在优先工作区内运行，泵的振动将处于最低水平，从而提高密封和轴承的寿命，并延长MTBR。该区域是最佳效率点（BEP）所在的区域。简单地说，低振动和峰值效率意味着泵的维护和能源成本更低。

解决方案的探讨

一旦发现问题，例如，泵与标准工作点的水力不匹配，有人会说，应根据调查结果该购买更大或更小的泵 - 如果泵在BEP右侧运行，则需要更大流量或更大规格的泵；如果在BEP左侧运行，则需要更小流量或更小规格的泵。通常，这种选择是不可行的，因为更换一台新的泵需要配备新的驱动机、基础、管道、仪表和其它辅助设备等。

图1：CFD分析显示叶轮内部的压力分布

有些公司提供的另一种解决方案是，可以改善水力匹配的水力调整（如，通过调整泵出口阀门的开度来调整流量）。然而，这通常仍然不能满足实际需要，并且肯定不会优化泵的效率。

在许多情况下，最好的解决方案是使泵的BEP与标准工作点相匹配。这只能通过定制叶轮设计来实现。这些叶轮可以通过CFD技术进行开发，来模拟水力性能，同时迭代几个“假设”的水力设计。这些模拟允许验证泵的性能，而无需与构建原型和执行验证性能测试相关的成本和时间延迟。

必须注意两点：首先，并非所有成功的CFD模拟都能产生可制造的水力设计。水力工程师必须了解水力零部件的制造过程，以确保解决方案可行。其次，并非所有期望的修改都能得到满足。有时，所需的水力变化超出了可行范围。但是，在这种情况下，可以使用CFD分析来验证该设备确实不存在其它解决方案。然后，可以将这些重要信息提交给工厂管理人员，以支持和证明更换不良设备（需要高维护的泵）的合理性。

图2：大流量、小流量和定制叶轮设计之间的泵性能比较

先进设计手段的应用

有一家石化炼油厂的可靠性工程师发现他们的3×4×13 OH2型泵选型过大，并且一直在BEP的左侧运行。泵的BEP流量为1,200 gpm，工厂的标准运行点为730 gpm。该泵的原始设计叶轮可靠性较差，MTBR大约为18个月。在彻底检修并返回现场后，该泵的典型振动值为0.25 in/s。

此外，该流量下的泵效率仅为64 %，而BEP的效率为76 %。我们联系了原始设备制造商（OEM），看看它是否有潜在的解决方案。OEM有该规格的小流量叶轮和BEP流量为750 gpm的泵，但扬程不足以满足系统曲线要求。

该设施尝试使用现有的（选型过大的泵在）小流量工况以双泵运行来满足系统要求。但是，该解决方案意味着在BEP左侧运行两台泵。工厂希望恢复到原来的单泵运行状态。为此，工程师开始寻找一家服务提供商，为他的过大的泵型提供真正的具有成本效益的解决方案，并降低维护成本。

一家独立的服务提供商通过应用本文中描述的分析方法，提供了解决此问题的独特方案。对系统曲线和整体泵设计进行了仔细评估，建立了原始叶轮和小流量叶轮的CFD模型。这将为正确评估与任何新设计相关的吸入部位和出口蜗壳特性提供关键信息。开发了几种水力结构并将其输入到CFD模型中，以查看是否可以生成优化设计。

解决方案的实施

经确认，可以设计一只新的叶轮，使其能够在现有壳体内工作，从而实现更好的水力匹配。CFD模拟表明：采用这种新设计，在标准工作点的效率将达到71 %，效率几乎提高了11 %。请注意，新叶轮BEP的效率比原始设计低了5个百分点。最高效率的降低部分主要是由于泵比转速的降低以及与壳体中较大的喉部面积相关的损失。

图3：定制叶轮的三维模型 – 一半显示叶轮，一半显示铸造型芯

新的叶轮将在随后一次泵故障或检修时更换。根据CFD模拟提供的结果，工程师不需要进行经过确认的性能测试。人们一致认为，与该泵相关的现场仪表将产生足够的数据，以验证泵的运行（情况）。

更换叶轮后的泵运行数据显示：流量与预期一致；泵的振动也由原来的0.25 in/s降至0.05 in/s。电机上的技术参数也表明，71 %的预测效率是在现场设备的精度范围内获得的。对于这种典型的API流程泵，更高的效率每年可节省超过15,000美元的电费，仅此一项节省就为新叶轮提供了8个月的投资回报。该泵目前已从不良设备名单中除名，新的MTBR预计至少达到6年。

总结

泵的效率很重要，因为它清楚地表明了泵是否在优先工作区内运行。修改泵（叶轮）的水力设计以提高效率通常可以产生足够的节约，以证明新设计的合理性，并随之提高泵的运行可靠性。在评估泵故障或不良因素列表时，可靠性工程师需要全面评估泵（在其性能曲线上）的运行位置。他们还应该挑战该水力条件下可用的泵效率，而不是满足于提供传统的或10年、20年、30年或更多年前的设计。生成精确CFD模型的能力，使这些解决方案在当今的能源意识不断增强的世界中变得可行、及时和实用。

参考文献

1. Richard Martinez, Standard Alloys, Impeller Redesign & Pump Efficiency, PUMPS&SYSTEMS, 08/29/2013