泵系统的经济运行评价与节能增效技术研究开题报告.docx

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泵系统的经济运行评价与节能增效技术研究开题报告

2008版

技术开发（委托）项目

开题报告

项目名称

泵

系

统

的

经

济

运

行

评

价

与

节

能

增

效

技

术

研

究

负责单位：

扬子石油化工有限公司机械动力部

项目负责人：

朱瑞松

职称:

高级工程师

研究开发年限：

2009年1月至2011年12月

中国石油化工集团公司印制

编制须知

一、国内外现状、发展趋势及开题意义

（一）国外相关产业和技术现状、发展趋势

泵是一种把原动机的机械能转化成被输送流体的动能和压力能，即给予被输送流体能量的流体机械。

化工和石油企业中的原料、半成品和成品大多是液体，需要用泵进行输送，在很多装置中还用泵来调节温度。

泵是农业生产中的主要排灌机械，每年都需要大量的泵。

泵也是矿业和冶金工业中使用得最多的设备，矿井下需要用泵排水；选矿、冶炼和轧制过程中，需要用泵来供水。

核电站需要核主泵、二级泵、三级泵；热电厂需要大量的锅炉给水泵、冷凝水泵、循环水泵和灰渣泵等。

飞机襟翼和起落架的调节、军舰和坦克炮塔的转动、潜艇的沉浮等都需要用到泵，而且对泵有很多特殊的要求。

泵也广为应用于船舶行业，每艘远洋轮上所用的泵一般在百台以上。

城市给排水、蒸汽机车用水、机床的润滑和冷却、纺织工业中输送漂液和染料、造纸工业中输送纸浆，以及食品工业中输送牛奶和糖类食品等，也都需要大量的泵。

近年来，能源消费大幅度增加，世界已面临能源紧缺问题。

2005年底，世界已探明的石油储量为1.2万亿桶，可供生产40.6年；已探明的煤炭储量为9091亿吨，储采比为155年；天然气剩余可采储量为179.83万亿立方米，储采比为65.1年。

节能问题已是摆在世人面前的一个不得不重视的问题。

随着现代石油化学工业的飞速发展，其装置的大型化、高参数化、长周期运行对泵系统提出了愈来愈高的要求。

为了提高泵的性能和运行效率，节约能源，国内外众多学者和研究机构对泵系统的经济运行评价和节能改造技术以及高效泵的设计方法进行了深入广泛的研究，为提高泵的设计和运行水平做出了不懈的努力。

国外Furukawa等人采用奇点法研究了离心泵叶片切割后的性能，并将计算结果与试验结果进行了比较，两者较为吻合。

Fechner研究了在满足部分载荷启动和其它技术条件下如何控制或改变泵的转速，使泵的效率较高且能满足不同流体输送的要求。

Geraedts等人对长输泥浆管路的泵的选型和经济性及可操作性进行了研究。

Bower对可调速驱动的离心泵运行的经济性进行了研究。

近年来，国外的研究大多集中在泵内部流动方面，通过内部流动的研究来指导节能高效泵的开发。

Paone等人最早采用PIV研究叶轮内部流动，测量了叶片间流道内的流场，描述了旋转叶轮叶片附近尾迹的性质。

Akin和Rockwell采用PIV研究了模型叶轮中的尾迹及其与静止扩散叶片的动静交互作用，并用瞬态流线模型和涡量云图描述了流动分离和附着现象。

Eisele等人采用粒子跟踪测速技术对有叶扩压器内部流动进行了研究，发现了几种不稳定流动现象。

Majidi等利用CFX软件基于标准k-湍流模型，对离心泵叶轮内部流动进行了三维数值模拟。

Gonzalez等利用FLUENT软件基于标准k-湍流模型，对蜗壳和叶轮间的相互作用进行了非稳态的数值模拟研究。

Delgosha等利用NUMECA软件基于Baldwin-Lomax两层代数湍流模型，对汽蚀状态的两维弯曲叶片的离心泵叶轮进行了试验和数值研究，数值模拟和试验结果非常吻合。

目前，国外有关泵系统的研究的发展趋势主要集中在以下几个方面：

（1）根据系统经济运行的判别与评价结果，建立适合特定系统的经济运行优化模型，研究相应的经济运行措施。

（2）高效节能泵的理论与设计方法科学化。

理论研究的重点仍然是泵内流动测试、三元粘性流动计算、多相流和汽蚀等。

建立基于泵内部真实流动分析的性能预测和计算机仿真方法，以代替目前的经验设计和反复试验。

（3）密封无泄漏化。

无泄漏泵技术已经得到了一定的发展，如：

屏蔽泵、磁力驱动泵等。

随着环境和节能意识的增强，这种对无泄漏泵的需求将呈现迅速增长趋势。

（4）原动机无极化和监控系统自动化。

未来的原动机将根据泵运行工况的变化自动调整转速，而服役泵的自动化监控系统可使泵的运行更为高效可靠，并减少运行维修费用。

（二）国内相关产业和技术现状、发展趋势

我国是一个能源相对匮乏的国家，特别是石油、天然气的人均资源占有量仅为世界平均水平的7.7％和7.1％。

然而，能源消费继续保持增长趋势，资源约束矛盾日益突出。

节能问题已成为一个制约我国经济和社会发展的亟待解决的问题。

胡锦涛总书记在十七大报告中指出，“坚持节约资源和保护环境的基本国策，关系人民群众切身利益和中华民族生存发展。

必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭。

”同时强调，要提高节能环保水平，落实节能减排工作责任制，加大节能环保投入。

能源节约问题已经引起了从中央到地方各级部门的高度重视。

我国是世界上生产和使用泵最多的国家，泵在国民经济中占有重要的地位，其所消耗的大量能源不容忽视，因此也吸引了人们对泵性能的倍加关注。

据统计，泵耗电量占全国总用电量的20％，耗油量占全国总用油量的5％。

然而我国泵的效率平均仅为75％，比国外低10％左右，部分泵的实际运行效率更低，仅为30％～40％，比发达国家低15％～20％。

若对泵系统进行改造，节电率可提高20％～30％，一年可节电300～400亿千瓦时，约为三峡工程年发电量的一半，效益十分巨大。

国内鄢碧鹏等人以泵站总耗能最小为目标，建立了叶片可调节泵站经济运行优化数学模型，采用遗传算法应用Matlab语言实现优化计算，并以仿真优化结果为样本，利用人工神经网络对相似工况进行预测。

罗志刚对火电厂泵系统的经济运行及自动化问题进行了系统的分析和研究，针对火电厂的给水泵系统，对其运行的经济性进行了分析，提出了系统的设计思想及基本框架。

刘庆坤对离心泵的能耗进行了分析，提出了几种节能措施：

合理选型，减小裕量和阻力，减小叶轮直径，加强操作维修管理，采用调速电机驱动离心泵，合理设计管路系统。

胡彬彬等人用统计归纳方法给出了叶轮切割定律的具体计算公式与曲线图，并验证了低比转数离心泵叶轮公式与曲线图的准确性。

王钢锋等人针对多级离心泵在运行过程中存在出口压力过大、能耗高的问题，从降低离心泵的扬程入手，分析了减少多级离心泵级数的方法。

柴业森等人阐述了在调速节能技术应用中，离心泵的工况不仅要满足管路系统流量、压头的需要，在调速范围内还要对其进行振荡、汽蚀和阻塞的校核。

邵春雷等人采用PIV技术和FLUENT软件对离心泵内部流场进行了研究，提出了基于实例的离心泵动态虚拟设计方法。

袁寿其等人采用PIV技术对不同工况下带分流叶片的离心式水泵叶轮内部流场进行了测量，获得了不同工况下叶轮内的流速分布规律，揭示了直接影响带分流叶片离心泵性能的多种流动现象。

于新华分析了泵的汽蚀现象产生的原因和危害以及泵发生汽蚀现象的条件，确定了泵允许几何安装高度，提出了减少泵发生汽蚀现象的措施。

根据国内泵行业的发展以及石化企业用泵的使用状况，当前的研究工作主要应从以下几个方面着手：

（1）现代设计方法研究。

工程上通常采用的离心泵设计方法主要是模型换算法和设计系数法。

模型换算法依赖的水力模型库不易完善更新，且水力模型库中未考虑泵的汽蚀性能；速度系数法中的速度系数技术水平落后，已无法适应现代工业对高性能离心泵的要求。

这些传统设计方法的试验工作量大，设计准确度低。

因而，研究泵的现代设计方法，无论对高性能泵的开发还是对现役泵的节能增效改造均具有十分重要的意义。

（2）现役泵的节能增效技术研究。

泵在工农业生产中的应用面广量大，过去由于缺乏严格统一的选泵程序，不合理地加大余量，再加上系列品种不全等，往往选用了过大的泵，匹配过大的电机，出现所谓的大马拉小车现象，在实际生产中，造成节流损失过大，泵不在高效区工作，运行效率太低。

而现役泵数量之大，欲采用更换泵的方式来提高泵系统的运行经济性显然得不偿失。

可行的办法是对现役泵进行节能增效改造，针对不同类型泵的运行状况制定相应的节能增效措施和实施方法。

（3）性能预测方法研究。

研究基于计算流体动力学的泵定常性能、非定常性能以及汽蚀性能预测方法，使预测性能与试验和实际运行性能相吻合，减小泵在设计和改造过程中的试验工作量。

（三）与中国石化主业发展的关联度

中国石油化工集团公司是泵的使用大户，虽然石化行业的技术和管理水平总体上较其它大多数行业的水平高，但由于生产能力、工况条件等的改变，有部分泵仍然处于低效运行状态，具有较大的节能增效改造空间。

例如，扬子石化公司有泵4300多台，其中约有150台运行效率较低。

按每台泵平均功率200kW、改造后节电率提高6％、年运行8000小时计算，每年可节电1440万度，可节省电费748.8万元。

此外应用本项目研究成果，可大大提高泵系统运行的安全可靠性，减少或避免非计划停车。

如能避免一次停车损失，经济效益便有几百万元。

中国石油化工集团公司下属的相当规模的大型石油化工、化工、炼油企业有几十家，仅就这些企业采用本项目研究成果，就可创造经济效益2～3亿元。

大量现役泵效率低，能源浪费严重，而全面更换又并不符合实际。

因此，对现役泵系统的运行经济性进行评价，研究开发节能增效技术，扩大其高效运行范围、改善运行的稳定性和可靠性，这对节约能源、提高企业的经济效益和社会效益具有十分重要的意义。

本项目致力于石化企业泵系统的经济运行评价与节能增效技术研究。

对现役泵系统的运行经济性进行评价；研究开发节能增效技术，包括叶轮切割方法、多级泵叶轮抽减方法、变频调速节能方法以及高效叶轮的设计方法等；提出基于计算流体动力学的泵性能预测方法；研究汽蚀防治的措施；开发“石化企业用泵的经济运行评价与节能增效技术支持系统”计算机应用软件，为我国石油化工企业泵系统的高效、低耗、稳定、长周期运行提供技术支持。

开展该方面的研究具有十分重要的意义。

（1）有助于提高我国泵设计运行技术在国际上的学术地位，增强国际竞争力。

英国、法国、德国等国家已有200多年的泵技术研究历史，已形成较完善的研究体系。

而我国这方面起步较晚，真正开展泵的研究工作是在70年代以后。

因此，在引进国外技术的同时加强泵设计运行技术的开发并形成我国自身特色，有利于提高我国在该领域的学术地位，并增强我国工业部门的国际竞争力。

（2）经济效益：

石油化工企业中泵的使用面广量大，一个系统中往往就有几十台乃至上百台泵。

泵系统的低效运行造成能源的大量浪费，其不稳定运行甚至有可能造成停工停产、损坏设备以及影响产品质量。

本项目的研究结果可有效指导泵系统的运行经济性评价、泵的选型和使用、现役泵的节能改造以及高效节能泵的开发，从而大大减少能源浪费，减小事故发生率。

初步估计，如果应用本研究成果，每年可为中国石油化工集团公司节电4～6亿度，节约生产成本2～3亿元。

（3）环境效益：

由非定常流动引起的泵运行时的噪声是环境污染的主要原因之一，严重影响着操作者的身心健康，严格控制泵运行时的噪声对环境保护起着关键性的作用。

我国对泵的噪声也制定了相关的标准，但研究大多集中在机械因素引起的噪声方面。

本研究工作不仅着眼于解决泵的高效运行和高效泵的设计问题，而且涉及非定常流动的研究，提出控制泵压力和流量波动幅度、汽蚀防治的措施，提高泵运行的稳定性和可靠性，有利于加速我国环境保护事业的发展。

（四）项目的创新性

本课题的独到之处是既有石化企业泵系统经济运行评价、节能增效技术和计算机应用软件的开发，又有基于计算流体动力学的泵性能预测理论、性能曲线的分区方法和高效叶轮现代设计技术的研究，架起学术研究和工程应用之间的桥梁。

这是泵节能增效技术领域内的