的故事:积累的知识可以防止过度膨胀
在2020年2月BETVICTOR体育官网泵及系统列，我们讨论了泵规格中的FEED(前端工程设计)过程，并了解了它如何导致泵的超大尺寸，这种做法可能导致设备在系统内无法高效运行。BETVICTOR体育官网
图1:流程图显示设备的位置和高度以及泵尺寸所需的细节。(图片由作者提供)我们注意到，工程师通常会在FEED过程中加入一个安全系数来考虑系统的未知因素，作为系统设计的保险。我不喜欢“安全系数”这个词，因为所有的工程设计都应该是安全的。我更喜欢用“设计余量”这个词来描述我们如何考虑初步设计过程中的不确定性。
本月，我们将遵循我上一篇文章中的FEED流程，但使用设计边距的概念来记录这些假设，并与参与该流程的每个人分享。我们的目标是利用团队的集体经验，根据类似管道系统的设计和运行历史，了解系统将如何运行。我们的目标是尽量减少我们在FEED过程中做出的假设数量，并减少设计余量的大小，以避免设备过大。
我们还将进行系统审查，以帮助确定在系统投入运行后可能出现的问题。让我们开始，看看如何喂你的泵正确。BETVICTOR体育官网
关键是:了解系统将如何运作
所有管道系统都由泵元件、过程元件和控制元件组成，它们共同工作以满足每个系统的运行要求。泵的大小是通过工艺和控制元件通过设计流量来制造产品或提供服务的。
在我们的示例中，流程公司的运营团队正在为即将到来的设施扩展做计划。在完成市场研究后，团队成员确定在可预见的未来，该系统需要每分钟600加仑(gpm)的容量。根据他们在类似项目中的经验，他们意识到该系统在头一两年可能会以较低的容量运行。但是，该公司对自己的产品充满信心，并希望设计出具有灵活性的系统，以提高其未来的能力——如果能够以合理的成本完成的话。
他们聘请了一家工程公司，确定了600加仑/分的系统容量要求，并记录了他们在较低流量下系统最初运行长达两年的经验。他们设定的目标是将产能扩大到每小时1200加仑，以满足潜在的市场需求。
设计公司提出了两种选择。方案1包括调整系统规模以满足当前条件，以及拟议的未来设计容量为1,200加仑/小时。选项2包括对系统进行调整，以满足当前600gpm的需求，并有能力在未来增加第二个600gpm的并行流。最初，方案2被认为是成本较低的选择。
然而，经过进一步的评估，发现一个1200加仑/分的热交换器的成本低于两个600加仑/分的热交换器的成本。此外，一台1200加仑/分的泵的成本低于两台600加仑/分的泵的成本。BETVICTOR体育官网这个信息使选项1看起来更有利。
该公司的操作程序要求安装备用泵，以防止在单个泵故障后任何过程系统关闭。这要求为这两个选项购买备用设备。最初，当以600gpm的流量运行时，备用泵的成本更倾向于选择2。然而，考虑到拟议的未来产能，方案1中两台大型泵的成本与方案2中三台小型泵的成本相似。BETVICTOR体育官网
基于这些和其他考虑，公司决定继续执行选项1。而且，由于系统的预期流量变化很大，因此采用变频驱动(VFD)来帮助泵更好地满足系统要求。这产生了与2020年2月提出的相同的流程图BETVICTOR体育官网泵及系统但现在每个人都对该系统在其拟议的生命周期内将如何运作有了更清晰的认识。
设计余量与安全系数
在FEED过程中，我们希望利用工程团队的集体经验来了解基于类似系统的设计和运行历史的系统将如何运行。这将最大限度地减少在过程中所做的假设的数量。为了证明这一点，图2使用安全系数法(在我的2020年2月提出)比较了泵的尺寸计算BETVICTOR体育官网泵及系统文章)和设计余量法。
工程团队根据规模标准为系统的过程和控制元素创建一组有根据的假设。例如:
静压头:
在正常操作下，1号罐的液位为5英尺，2号罐的液位为5英尺，罐压为15磅/平方英寸(psi)。使用安全系数(图2)，计算出的静态头部为84.6英尺(与过去的文章相同)。
在工厂运行期间，必须在设计中考虑罐体液位和压力的变化。1号储罐对大气开放，可以在1英尺的低储罐液位下运行，从而使储罐的最小能量值为101英尺。2号罐是一个封闭罐，最大工作压力为20 psi，最大工作液位为9英尺，因此最大罐能为206.2英尺的流体。由此产生的最大可能静水头是105.2英尺的流体。系统可能只有不到5%的时间像这样运行，但是泵的尺寸必须满足这种极端的要求。
管道水头损失:
我们将通过使用来自先前完成的类似设计项目的竣工管道列表开始我们的设计。我们对管道长度、隔离阀和止回阀的数量、罐孔和弯头的数量都有了实际的估计，这些都是计算水头损失所需的。由于FEED阶段发生在实际管道布线之前，因此我们需要为与管道长度和弯头数相关的未知值分配设计余量。
管道规格文件在计算泵的设计点扬程时提供了设计余量指导。对管道长度的预估增加了20%，在进行泵尺寸水头损失计算时，弯头的数量增加了一倍。这导致管道水头损失51.4英尺。
过程元件换热器(HX):
该公司的HX规范规定，在设计流量下，最大允许压差应不大于15磅每平方英寸压差(psid)。考虑到热交换管结垢，增加了5psid压力的设计余量。这将导致泵尺寸为46英尺流体的热交换水头损失。在正常运行情况下，HX水头损失将小于此值，但此值用于选择计算。
控制元件阀(CV):
CV规范规定，所有阀门的通径应该是15psi的压差，阀门在设计流量下处于80%开度位置。注:运营公司决定将CV作为备用，以防VFD无法在作业范围内保持流量。
图2比较了到达泵选择设计点时的安全系数和设计余量方法。在这两种方法中，泵扬程等于在设计流量下过程和控制元件的计算扬程损失的总和。
记住，在安全系数法中，每个审稿人根据自己的专业知识中的工作经验添加自己的安全系数。很难确定总安全系数，但上个月，我们提出了一个30%的系数。
使用设计余量法，设计变量的数量减少如下:
- 更好地了解系统生命周期内的系统流量速率
- 根据工厂的预期运行情况计算最大静水头
- 使用以前系统设计的竣工数据来估算管道长度和路线
- 识别管道长度和弯头数量的不确定性;考虑文档化的设计余量
- 根据植物历史确定HX污染的实际值
- 在设计流速下考虑CV上的压降
设计边距值在大小计算的每个步骤中指定。当问题出现时，知道设计边界以及它们是如何确定的，可以让每个人都清楚地了解这个过程。
根据FEED计算的结果，工程公司提供了一个泵的规格，设计点为1200 gpm，扬程为226英尺。
泵的选择过程
泵的规格，包括设计点和变频器的要求，被发送给泵投标人名单上的每个供应商。
由于泵的设计点是系统预期的最大值，因此许多供应商现在推荐的泵的最佳效率点(BEP)流量接近1,200 gpm。供应商仍然增加叶轮直径，以更好地利用所选电机的尺寸。有些习惯很难改掉。使用变频器作为控制元件，可以通过改变泵的叶轮转速来调节流经系统的流量，以满足实际系统的要求。
成功的泵供应商推荐了6 x 5-16端吸泵，直径15 1/8英寸的叶轮以每分钟1750转(rpm)的速度运行，消耗88马力(hp)。该泵在1000gpm时的BEP为75%，泵配有125马力的VFD电机。
工程公司审查泵的建议，接受投标并创建采购订单。供应商接受采购订单，将文件包发送给设计团队，然后将泵送到作业现场。
使系统投入运行
一旦系统完成并投入运营，目前市场只需要400gpm。利用制造商提供的泵曲线和HX压降数据，开发了系统能量平衡。在当前运行400gpm，预期运行600gpm和未来设计运行1200gpm时进行能量平衡。
系统使用变频器控制成功。请记住，CV仅在VFD失败时作为备份包含。通过完全打开的变频器的水头损失被考虑为控制损失，可以被认为是变频器的备份。
管道扬程损失根据已安装管道计算，实际静扬程根据罐间正常运行差计算。HX值基于制造商提供的数据，没有污染。
图3显示了系统中使用的能量。注意，过程元素和控制元素消耗的能量等于泵提供的能量。通过在泵元件上使用变速驱动器(VSD)，泵的转速仅提供过程和控制元件所需的实际能量。
在图4中，请注意，泵转速的变化直接影响到BEP，以及BEP流量的百分比。还要注意的是，泵的功率有一个戏剧性的下降，在较低的流量。这是由于在较低的流量下，过程元件的水头损失减少，从而允许泵以较低的速度运行。
“工作区域的旋转动力泵指南(ANSI/HI 9.6.3)”标准建议以BEP流量的80%至110%之间的流量运行泵。带变频器的泵的BEP流量百分比更接近于泵的实际流量，泵在600 gpm左右运行时处于中间位置。
可以避免过大的泵BETVICTOR体育官网
在关于泵选择FEED工艺的系列文章中，设计流量和总开发扬程要求是规范的关键值。这些计算必须在许多系统细节可用之前完成。这导致了对最终设计的假设。
本月，我们介绍了设计余量法。我们看到了团队成员如何利用他们的经验来制定长期项目计划。通过提供这个计划，每个公司都可以在最初的设计中加入灵活性，同时包括最小化未来费用的方法。
我们还讨论了使用以前类似设计的项目作为流程的起点。设计边距是用来确定中间设计和最终设计期间可能发生的变化。通过这些步骤，我们减少了设备过大的可能性。
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