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如何优化半钢压力表系统效率

作者:发表时间:2019-08-14


      大多数化工厂都在努力提高能源效率。公司正在实施能源管理软件,在整个工厂安装半钢压力表以帮助降低电费,甚至改变运行时间以在峰值负载下使用更少的电力以避免相关的更高费率。节能的最佳方法之一是专注于半钢压力表,与任何其他类别或类型的旋转设备相比,一般压力表在化学工厂中消耗的能量更多。根据我们最近的一项研究,一般压力表维护和运行的平均年度支出比半钢压力表大约高50%。运行大量压力表的公司通常会认识到高能源成本以及半钢压力表对可靠性和过程控制的影响。然而,太多的组织分别关注这些因素,实际上它们是紧密相连的。

      最近美国能源部工业技术计划使用压力表效率技术的报告包含了对细分市场和行业的能源使用和节约潜力的深入分析。该报告指出半钢压力表是电机能量的最大消费者。此外,在工厂的所有旋转资产中,半钢压力表具有最高的电能节省潜力。另一项芬兰研究中心对半钢压力表性能的研究发现,在所有细分市场的20个不同工厂中,1,690个半钢压力表的平均输送效率低于40%。该研究还表明,10%的半钢压力表的水力效率低于10%。考虑到这种可观的效率损失,您可以预期任何连续过程工厂中10%至20%的半钢压力表都是优化的候选者。更有可能的是,实际数字要高得多。



      在最大的连续运行的过程工厂中,当考虑系统的所有方面时,降低成本的机会可以很容易地代表数百万美元,从而显著影响底线。提高可靠性和实现半钢压力表系统优化的努力总是涉及解决所谓的“能量和可靠性关系”。通常,超过将过程流体移动通过管道所需的机械能表现为振动、热量和噪声。这种多余的能量成为一种破坏力,破坏了半钢压力表和工艺的可靠性。因此,与其他系统相比,半钢压力表系统通常具有最高的总体维护成本,包括控制阀、仪表和其他类型的过程控制设备。此外,半钢压力表和阀门是逃逸排放的主要过程泄漏路径。

生命分析

      如今,公司越来越依赖生命周期成本计算来选择最佳解决方案,以在系统的整个生命周期中创造经济和环境价值。在初始系统设计期间使用生命周期成本视角将最小化运营成本并最大化可靠性。对于半钢压力表系统,使用特别有意义,因为初始购买价格通常仅占长期成本的10%左右。分析评估购买、安装、操作、维护和处理所有系统组件的成本,确定系统的使用方法来识别和量化所有组成部分。例如,液压研究所的“半钢压力表寿命周期成本:半钢压力表系统分析指南”中提供的等式包括初始成本或购买价格的条款(例如,半钢压力表、管道、辅助设备)、安装和调试费用(包括培训)、能源成本(预测整个系统,包括控制、运营成本(正常系统监督的劳动工时)、维护成本(例如,零件,工具、劳动工时)、停机成本(生产损失)和环境成本(泄漏损失和许可证违规)。



      能耗是半钢压力表生命周期成本的主要因素。由于过多的能源消耗会导致更高的维护成本,因此这两个元素的组合通常会占据整个生命周期成本。因此,重要的是确定当前的能源成本和能源价格在系统预计寿命内的预期年度升级,以及维护的劳动力和材料成本。如今,半钢压力表和自动化供应商(单独或合作)提供定制服务,帮助客户识别、鉴定和量化半钢压力表系统的拥有成本。此外,具有前瞻性思维的供应商将其产品视为一整套商品和服务,提供产品、信息、培训、客户服务和个人关注的适当组合,以充分满足客户的需求。

适当的尺寸

      不正确的尺寸通常是半钢压力表效率低下的罪魁祸首,半钢压力表的尺寸过大经常发生,因为在指定半钢压力表时没有完全定义参数。理想情况下,每台半钢压力表应始终在最佳效率点(BEP)运行,但通常情况并非如此。为了最大限度地提高效率计划的回报,重要的是要知道哪些半钢压力表最需要注意,以及它们是否具有比最佳流量更多或更少的流量。例如,考虑一台用于在100英尺处输送5,000加仑水的半钢压力表。合适尺寸的半钢压力表可提供70%的效率并需要180马力(133千瓦)。相反,如果半钢压力表系统尺寸过大(过剩容量)和节流(效率较低),则效率可降至40%,制动功率可升至315 hp(232 kW)。135马力或99千瓦(75%的过剩能量)的差异将导致不可靠性和不良控制性能,随着时间的推移不断降低。通过系统的过多能量通常会引起明显的症状,包括高度节流的控制阀与明显的管道运动相结合,甚至连接到用于支撑节流半钢压力表的工厂基础设施的振动管道。半钢压力表、控制阀或管道本身内部的气蚀清楚地表明存在液压湍流或不稳定性。

      如果系统的流量从半钢压力表出来太高,一些用户选择简单地使用排放侧的阀门来节流。这是一种配置系统的效率非常低且成本高昂的方法。它增加了操作半钢压力表的能量成本,缩短了设备的使用寿命并延长了停机时间。半钢压力表专为特定的液压流量范围而设计。当半钢压力表在其BEP下最佳运行时,液体流量是恒定的,并且作用在叶轮上的径向力是平衡的并且最小化。当半钢压力表进一步远离其BEP运行时,叶轮上的径向和轴向载荷上升。这些增加的负载会导致轴偏转,这会增加半钢压力表轴承和机械密封的压力,并加速半钢压力表故障的可能性。

监测和维护

      半钢压力表设备状况是整个系统效率的最重要因素。今天,存在各种方法来监测旋转设备的温度、振动和一般健康状况,并且诊断变得更容易。保持可靠的半钢压力表运行需要部署一个强大的程序,该程序结合监控基本机器运行状况数据以及半钢压力表运行条件。该计划应涉及四个方面:

      1.半钢压力表性能监测。为了更好地了解半钢压力表的性能,请监控五个参数:吸入压力、排出压力、流量、半钢压力表速和功率。定期检查吸入和排出压力对于确定总动态压头(TDH)和可用的净正吸入压头(NPSHa)至关重要,从而使半钢压力表在整个使用过程中保持高效。永久流量计通常是有效流量监测的最佳选择。如果您想要临时解决方案,请使用夹式流量计。对于功率测量,请考虑不仅仅使用传感器进行监测。评估输入电压、功率因数和电机效率等因素,以准确确定传输到半钢压力表的实际轴功率。半钢压力表速也起作用,功率变化应与半钢压力表速成正比。

      2。振动监测。半钢压力表的振动水平直接与其相关性能曲线的运行位置有关。实质上,高振动水平表明性能不佳。为避免将来出现问题,请在安装半钢压力表时进行振动读数。该初始读数为未来监测提供了基线。

      3.轴承温度监测。监测半钢压力表轴承温度的最佳方法是通过一个与轴承外圈接触的测量装置。但是,还有其他一些侵入性较小的选择。一种替代方案是使用红外枪从轴承座的外部获得温度读数。

      4.目视检查。为了检测半钢压力表的窘迫,如开裂,漏水或腐蚀的视觉症状,进行频繁的目视检查,它们是一种廉价的方法,有助于保护您的系统免受未来的故障。

过程控制

      根据研究,大多数涉及半钢压力表(或设计用于管理系统中其他设备行为的设备)的基本控制回路实际上增加了过程的可变性。主要原因是半钢压力表、控制阀和管道的尺寸不合适。即,不一致地选择它们以确保最佳性能,这通常使调节控制回路变得困难。由于半钢压力表和阀门尺寸错误,自动控制会随着时间的推移而不断降低,因此,控制回路通常切换到手动模式以稳定过程。

其他研究表明,很高比例的控制回路实际上是在手动模式下运行。在所有细分市场中的115个独立设施的基准报告显示,在表现最差的情况下,高达60%的控制回路是“坏参与者”,其中许多是在手动模式下运行的。一旦您选择了半钢压力表进行优化,您可以考虑一系列机械和数字选项来帮助调节您的输送资产。机械和控制修改系统,使用速度控制来帮助线性地改变速度,伴随着马力消耗的增加或减少,可以提供相当大的能量节省。即使很小的速度降低也可能导致功耗降低30%。或者,叶轮修整(改变叶轮直径)可以以平方速率改变马力消耗,提供显著的功率减小但不能改变速度变化的功率。

      另一个半钢压力表选择是安装并联系统以应对流量或需求率的波动,通过安装两个带有并联管道的类似半钢压力表系统来处理可变流量,工厂操作员可以处理一个半钢压力表不能单独支持的速率。虽然这看起来似乎是一个明显的解决方案,但如果负载增加的次数超过设计用于处理的半钢压力表,则原始半钢压力表可能从一开始就运行效率低下。电子控制系统、数字技术,例如电子逆变器,仅电子变频器(VFD)和变速驱动器(VSD),除电子设备外还包括机械设备,可以提高半钢压力表电机的速度,从而帮助提高效率。VFD是一种通过改变提供给电动机的频率来控制电动机速度的电气系统。驱动器还根据输出频率调节输出电压,以提供相对恒定的电压与频率比(V / Hz),这是交流电机产生转矩特性所要求的。在闭环控制中,提供给电动机的功率和频率的变化会改变其速度,从而补偿过程需求的变化。这意味着更高的过程控制和系统效率,以及更多的智能集成。现代VFD是改变半钢压力表速的最有效方法,电子效率高达98%。其中最简单的是软启动器,一种固态电机启动器,用于通过降低每相的电压来启动或停止电机,逐渐增加固定频率的电压,直到电机达到满电压/速度。电机,尤其是低压电机,在首次开启时具有较高的初始电流(放大器电流),这可能会导致电压波动并影响其他电路的性能。电压尖峰也会损坏电机绕组。要解决此问题,您可以串联添加组件以控制启动时的当前浪涌。此外,电子系统驻留在气候控制环境中至关重要,随着工厂整合数字系统,环境变得越来越普遍。使用变频器的更先进的VFD或VSD可以改变半钢压力表的速度以匹配过程流量需求。VFD具有巨大的优势,包括减小半钢压力表尺寸,降低能源成本和提高效率。美国能源部估计,高达25%的已安装电机系统可以从改造VSD技术中受益。尽管该技术具有已知的优点,但最初采用VFD相对较慢,主要是由于感知到的复杂性、可靠性和电气问题。然而,今天更成熟的VFD技术和电缆安装实践在很大程度上缓解了这些问题。因此,半钢压力表系统上的VFD实施正在增加。

案例要点

      在评估半钢压力表系统中的低效率时,重要的是寻找通过各种子系统移动的过剩能量的告示症状。通常,效率低下是由于对设备完整性和周围基础设施产生负面影响的问题的组合。化学过程中的半钢压力表具有1,180-rpm,250-hp(187-kW)中压电动机,驱动半钢压力表。半钢压力表的容量为14英寸。(35.5厘米)排出管线,分成三条独立的管线,每条管线加入200°F(93°C)的滤液,分离出最终用户系统。每个10英寸。(25.4厘米)分支有自己的8英寸,(20.3厘米)控制阀,通常在20%至40%的开放范围内运行。半钢压力表排放法兰和管道之间的垫圈经常发生故障。从下游到化学塔的顶部,每个分支上的管道发出嘎嘎声,导致过多的裂缝。这种管道裂缝可能导致下水道中的化学损失、环境事故和意外停机。总而言之,超大型半钢压力表系统平均每月停机一天,以修复某些组件或多个组件。这12天的意外停机时间削减了生产目标,增加了成本并降低了利润。在这种情况下,财务影响每年超过100万美元。除此之外,该公司在当地和全国都遭到了负面宣传。这里的主要解决方案是实施VFD以实现恒定排放压力控制。半钢压力表系统通常消耗约200hp(149kW),最终用户阀门高度节流(20%-40%开启),振动水平约为每秒0.6英寸(1.5厘米)。实施VFD后,半钢压力表在正常运行期间消耗75马力(56千瓦)。实际上,超过125马力(93千瓦),不需要移动流体,直接损坏半钢压力表并降低其可靠性。

提高半钢压力表系统效率

      评估半钢压力表系统可以带来显着的性能提升。一旦确定,过剩能量的数量将作为量化项目理由所需价值的第一步。然后,预测可靠性改进并使用过去的工作订单和计算机化维护管理系统维修记录来估算避免的年度维护成本。此外,评估更好的过程控制是否可以降低材料可变性带来的成本。根据当前成本与优化成本估算生命周期节省。未来的工厂将根据可衡量的长期运营成本并通过识别潜在的能源消耗来做出计算决策。 


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