在上个月的专栏中(点击这里阅读)，我们研究了一个小型废物收集系统的设计过程。根据预期的工厂运行情况，该系统被设计为处理80华氏度的水的最大流量为400gpm。这些系统需求以及各种经验法则被用来确定组成系统的项目的大小。
现在我们将寻找降低系统总生命周期成本的方法。这是通过寻找减少系统资本、操作和维护成本的方法来实现的，并且需要更仔细地查看系统需求。
表1。典型废物收集系统的运行概况工艺流程率
工艺流体为80华氏度的水，设计流量基于400 gpm的预期最大流量。在对该手术进行了更深入的调查并与同类设施进行了比较后，制定了一个平均手术表。表1显示了废物收集系统的流量和运行百分比的典型范围。
看看典型的废物收集系统的运行概况，400 gpm的设计流量只需要系统运行的5%。大多数情况下，通过系统的流量在150至200gpm之间。我们还可以看到，当工厂关闭时，收集系统仍在运行，流速为80 gpm。利用这些修改后的操作数据，我们可以寻找改进设计的方法。
由于所有的管道系统都是由过程、控制和泵元件组成的，因此我们需要对系统元件的综合效果进行评价。
流程元素
在我们的系统中发现的过程元素包括我们的收集和分配罐以及连接管道。
油罐及船只
系统储罐的标高通常被认为是一个不能改变的固定值。如果废物收集系统安装在现有设施中，则储罐的高度可能确实是固定的。如果系统安装在新设施中，储罐的高度仍然可以调整。
在示例系统设计中，储罐高度的差异导致静态水头为20英尺。如果储罐高度差减小5英尺，则静态扬程将减小到15英尺，从而使输送泵的总扬程永久减小5英尺。这可能会大大降低整个油田的泵送成本
系统的生命周期。
储罐和容器的尺寸通常是根据系统设计进入储罐的流量来确定的。储罐在工厂内的位置也会影响储罐的大小。一个更小的废物收集罐导致更小的罐占地在工厂设施，将更少的成本制造和安装。较小水箱的体积将导致水箱液位迅速变化，这可能导致收集泵启动次数过多。大型废物收集罐会导致设施内的占地面积更大，并且制造和安装成本更高。大水箱导致液位变化速度较慢，减少了废物收集箱所需的启动次数。
在我们的系统中，储罐的最大流量为400gpm，但它在此流量下运行的时间只有5%。由于系统的正常流量为每分钟200加仑或以下，因此可以考虑减小废物收集池的尺寸。这将降低建造和安装储罐的成本。
管道
对于通过管道的相同流量，较小的管道直径比较大的管道产生更高的流体速度。较小的管径通常制造和安装成本更低，但会导致更高的水头损失。增大管径可以减少管道的水头损失，但增加了施工成本。
管道中使用的阀门和配件的数量和类型也受管道直径的影响。与管道尺寸相同，较大直径的阀门和管件的购买和安装成本较高，但与管道直径相似，较小直径的阀门和管件的水头损失也会增加。阀门和管件的几何形状影响水头损失。多次换向、内径较小的截止阀，其水头损失高于内部流道较大、内部流体不换向的球阀
阀体。
通常的做法是根据获得最佳流体速度来确定管道的尺寸。管道的最佳流体速度取决于所传输的流体、所使用的管道材料、国际标准、管道路由，通常在客户规格文件中列出。
图1所示。排水收集系统设计时，设计流量为400gpm。在本专栏中，我们将深入研究系统的预期操作条件和改进设计的方法。(图片由作者提供)在示例系统中，管道和相关阀门和配件的尺寸达到了10英尺/秒的平均设计流速。根据系统设计流量为400gpm，并结合指定管材的可用管径，选择了直径为4英寸的管材。如图1所示，管道的尺寸是根据设计流量确定的，但在一年的剩余时间里，管道的尺寸会变大。因此，由于一年中大部分时间预计流量较低，因此可以减小管径。这将导致建筑费用的进一步减少。
控制元素
示例系统的控制元件基于罐内的液位开关。系统在关闭水泵和油箱加注时启动。当罐内液位达到并激活高位开关时，输送泵启动。泵的尺寸使通过泵的流量大于进入油箱的进口流量，导致油箱液位降低。当罐内液位下降并激活低液位开关时，输送泵停止工作。
通过这种简单的控制，无论进入储罐的流量如何，泵都能以相对恒定的流量排出。泵和系统的尺寸为最大流量，即使进入系统的流量变化，95%的时间小于200gpm。
泵的元素
如表1所示，该系统被设计为达到400gpm的进口流量。因此，泵的设计需要考虑进来的流量和一些额外的流量。这允许在最极端的操作条件下降低储罐液位。在本例中，假设泵的流量为最大流量的125%，即500 gpm。然后泵将以该流速运行，而不管系统的流入流量如何。
实现更高效设计的一种方法是将单个传输泵替换为两个传输泵，大小为流量的一半，并在收集槽中增加一个高-高电平开关。BETVICTOR体育官网当两个泵都关闭并且流BETVICTOR体育官网体进入系统时，收集罐的液位增加。
当集水箱的液位达到高位开关时，其中一个较小的泵启动。BETVICTOR体育官网如果单个较小的泵无法跟上，则收集槽内的液位将继续增加，直到高-高液位开关被激活，导致第二个较小的泵启动。
当两个较小的泵工作时，收集罐中的液位BETVICTOR体育官网会下降，直到低液位开关被激活，导致两个泵关闭。使用这种方法，系统将更有效地运行。
这种方法将需要使用两个较小尺寸的泵，这通常会比一个大泵花费更多。BETVICTOR体育官网然而，大多数电厂都有运行要求，即单个项目的损失不会影响系统的运行。因此，在主泵失效的情况下，大多数电厂都会安装备用泵。有两个半尺寸泵的系统只需要第三个半尺寸泵作为备用，这很可能会BETVICTOR体育官网平衡
泵的成本。
另一种选择是改变控制系统，通过在收集罐上合并一个液位控制器，并使用变速驱动器改变泵的操作。使用这种方法，通过输送泵的流量被控制为等于进入收集罐的流量。当进入罐内的流量增加时，罐内的液位也会增加。这将由液位控制电路感应，它将通过变速驱动控制器增加泵的转速，直到出口流量等于进口流量。
同样，如果进入集水箱的流量减少，则泵的出口流量将导致水箱液位降低。储罐液位的降低将使液位控制器降低变速驱动器的转速，从而降低泵的流量，直到泵的出口流量等于流入收集罐的流量。
结论
在这个例子中，我们看到了系统中的每个项目是如何基于设计流速率进行设计或大小调整的。这种方法可以保证系统能够满足最坏的情况。
正如我们所看到的，大多数管道系统在一系列条件下运行，因此许多项目对于正常的工厂操作来说都是超大的。单个系统元素可以得到改进，但是如果不清楚系统中的所有元素是如何协同工作的，那么这些更改可能不会改善整个系统。
通过完成流体管道系统的计算机仿真，可以设计出满足设计案例的系统，然后寻找进一步改进设计的方法。通过这种方法，用户可以降低资本成本、运营成本和维护成本，同时提高系统的正常运行时间。