孫 超，郝 嬌，孫 鐵，張素香，馬 超

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

離心泵機(jī)組由離心泵、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置等組成，是無法被取代的重要的通用機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于石油化工企業(yè)中[1]。但是，如果泵機(jī)組設(shè)計(jì)選型不夠合理，則在實(shí)際應(yīng)用中偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致長期低負(fù)載運(yùn)行，造成大量的能源浪費(fèi)，使其成為耗能最大的動(dòng)設(shè)備[2]。因此，對離心泵機(jī)組的能耗進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)，及時(shí)找到用能薄弱環(huán)節(jié)，減少能源的大量浪費(fèi)，不僅能大幅度提高企業(yè)工藝流程的效率，還能對環(huán)保起到重要的作用[3]。依據(jù)當(dāng)前的智能化形勢，相關(guān)人員對能效評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。齊亮等[4]開發(fā)了基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)電機(jī)能效在線監(jiān)測系統(tǒng)；趙學(xué)山[5]研發(fā)了火力發(fā)電廠機(jī)組能耗分析系統(tǒng)；劉華峰[6]設(shè)計(jì)了一種可跟蹤并分析電力用能情況的監(jiān)測系統(tǒng)；張婉瑩[7]開發(fā)了可有效記錄并存儲能源消耗數(shù)據(jù)信息的核心系統(tǒng)。然而，石化企業(yè)很少將評價(jià)軟件應(yīng)用到離心泵機(jī)組中，對機(jī)組整體進(jìn)行評價(jià)。離心泵機(jī)組能效評價(jià)過程錯(cuò)綜復(fù)雜，僅靠人工的方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精確度也很難得到保證，因此開發(fā)具有針對性的能效評價(jià)軟件可起事半功倍的作用[8]。為了方便用戶對機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)有效的評價(jià)，建立能效評價(jià)系統(tǒng)對實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[9]。

1 開發(fā)工具的選取

能效評價(jià)系統(tǒng)采用基于.NET平臺的MVC模式（MVC）。.NET平臺于 2002年由微軟公司開發(fā)，經(jīng)歷了版本的不斷更新，憑借其完善的IDE和卓越的設(shè)計(jì)思想獲得了廣大設(shè)計(jì)開發(fā)者的青睞[10]。MVC是一種軟件開發(fā)架構(gòu)，它將系統(tǒng)劃分為結(jié)構(gòu)清晰、職責(zé)分明的模塊。MVC把系統(tǒng)的組成分解為Model（模型）、View（視圖）、Controller（控制器）三部分，這三部分的層次結(jié)構(gòu)并不明顯，向下依賴關(guān)系也并不顯著，而是以最少的耦合協(xié)同工作，便于系統(tǒng)各部分之間的修改，進(jìn)而大幅度提高軟件的靈活性、封裝性、可維護(hù)性、可修復(fù)性[11]。MVC的目的是實(shí)現(xiàn)Web系統(tǒng)（BS結(jié)構(gòu)）的職能分工，即職責(zé)劃分。

一個(gè)系統(tǒng)的核心通常是模型，其中包含運(yùn)行的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的規(guī)則。View（視圖）在系統(tǒng)中是與用戶最相關(guān)的部分，View（視圖）負(fù)責(zé)采集用戶的請求，處理界面數(shù)據(jù)，并將結(jié)果渲染視圖展示給用戶[12]?？刂破鳎–ontroller）的作用是控制處理過程，它在模型和視圖之間起連接作用，負(fù)責(zé)對用戶的請求做一些簡單的邏輯控制并轉(zhuǎn)成針對Model的操作，選擇相應(yīng)的視圖用于呈現(xiàn)經(jīng)Model處理的結(jié)果[13]。MVC模式的基本處理流程如圖1所示。

2 離心泵機(jī)組能效評價(jià)的數(shù)學(xué)模型

2.1 離心泵機(jī)組參數(shù)的采集

離心泵出廠時(shí)都附有檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告單，報(bào)告單包括離心泵在多個(gè)測試點(diǎn)下測得的流量、揚(yáng)程、效率、軸功率等基本參數(shù)。電機(jī)的額定效率、電流、電壓顯示在電機(jī)的銘牌上，通過以上數(shù)據(jù)可獲得離心泵機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行情況。實(shí)際電流、電壓通過所配置的電流表、電壓表在實(shí)際工況下測得。采用數(shù)字式壓力表測實(shí)際工況下泵的進(jìn)出口壓力，采用安裝在進(jìn)出口的超聲波流量計(jì)測進(jìn)出口流量，裝置的傳動(dòng)效率由其傳動(dòng)方式所定。通過以上數(shù)據(jù)，可獲得離心泵機(jī)組在實(shí)際工況下的運(yùn)行狀態(tài)。記錄期內(nèi)系統(tǒng)宜采用在線測量和記錄數(shù)據(jù)的方法，其主要參數(shù)類別包括離心泵參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)裝置參數(shù)等，主要測點(diǎn)包括進(jìn)出口、主分配管路、系統(tǒng)部件的進(jìn)出口等。對沒有安裝在線測量儀器儀表的系統(tǒng)，測量的時(shí)間間隔應(yīng)能反映系統(tǒng)負(fù)荷變化規(guī)律，通過系統(tǒng)接口直接與其數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連抓取相關(guān)數(shù)據(jù)，能快速準(zhǔn)確地計(jì)算能效。由于需要評價(jià)的離心泵機(jī)組數(shù)量較多，且型號并不統(tǒng)一，所以每臺泵機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)成為參數(shù)采集的一部分[14]。

2.2 邏輯運(yùn)算流程

為了對泵機(jī)組的能效進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)，遵照邏輯運(yùn)算流程，首先采用所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算有效功率，并計(jì)算機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效率，進(jìn)而根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行能效評價(jià)[15-17]。

介質(zhì)在泵進(jìn)出口處流速Cs、Cd的計(jì)算公式：

式中，Cs、Cd分別為介質(zhì)在泵進(jìn)出口處的流速，m/s；Q為離心泵的流量，即當(dāng)前離心泵機(jī)組流量計(jì)顯示數(shù)字，m3/s；Ds、Dd分別為泵進(jìn)出口法蘭處的管道內(nèi)徑，m。

離心泵揚(yáng)程的計(jì)算公式：

式中，H為揚(yáng)程，m；Ps、Pd分別為泵進(jìn)出口處的壓力，Pa；ρ為輸送介質(zhì)的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Zsd為泵進(jìn)出口測壓點(diǎn)的垂直距離，m。

離心泵的有效功率Ne的計(jì)算公式：

式中，Ne為離心泵的有效功率，kW。

軸功率Nz的計(jì)算公式：

式中，Nz為軸功率，kW；No為電機(jī)的輸出功率，kW；ηD為電動(dòng)機(jī)的效率；ηce為傳動(dòng)裝置的效率；U為電機(jī)輸入線電壓，V；I為電機(jī)輸入線電流，A；cosφ為功率因數(shù)。

2.3 離心泵機(jī)組能耗評價(jià)指標(biāo)

在離心泵機(jī)組中，若能建立一個(gè)綜合評價(jià)其能耗指標(biāo)的體系，就能評判離心泵機(jī)組的運(yùn)行是否合理，若不合理，則應(yīng)查找能耗損失原因，以此指導(dǎo)機(jī)組的優(yōu)化和改造。以往標(biāo)準(zhǔn)中給出的泵機(jī)組效率的計(jì)算方法，計(jì)算繁瑣，精度差，現(xiàn)場應(yīng)用中需要視情況而定，所以導(dǎo)致可操作性差[18]。為了更加快捷準(zhǔn)確地評價(jià)離心泵機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，選用離心泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率與額定運(yùn)行效率的比值作為能效評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率ηj：

式中，ηj為記錄期內(nèi)總的平均運(yùn)行效率；PYi為記錄期內(nèi)機(jī)組在第i種載荷下運(yùn)行時(shí)泵輸出的有效功率，kW；ti為記錄期內(nèi)機(jī)組在第i種載荷下的運(yùn)行時(shí)間，h；Wi為記錄期內(nèi)機(jī)組在第i種載荷下運(yùn)行時(shí)電源輸入機(jī)組的電量，kW·h；n為記錄期內(nèi)的載荷變化次數(shù)。

泵機(jī)組額定效率ηje：

式中，ηje為機(jī)組的額定效率；ηDe為電動(dòng)機(jī)額定功效率；ηTe為調(diào)速裝置效率；ηFe為離心泵額定效率。

2.3.1 離心泵機(jī)組的判別依據(jù) 根據(jù)《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[19]，離心泵機(jī)組的能效評價(jià)指標(biāo)采用離心泵機(jī)組在記錄期內(nèi)實(shí)測的機(jī)組運(yùn)行效率與機(jī)組的額定效率比值（ηj/ηje）作為評判依據(jù)。泵機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)見表1。

表1 泵機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)

2.3.2 電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的判別依據(jù) 根據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[20]，電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)采用電機(jī)輸入電流與額定電流的比值進(jìn)行判別，判別依據(jù)見表2。

表2 電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)

2.3.3 泵運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)及判別依據(jù) 根據(jù)《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[19]，泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)公式為：

式中，ηD為電機(jī)效率；U為電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入電壓，V；I為電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入電流，A。泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)見表3。

表3 泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的總體框架及詳細(xì)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用C++進(jìn)行開發(fā)，部署在.NET平臺上。通過內(nèi)存共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信；通過OCCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Oracle數(shù)據(jù)庫的訪問；通過Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)接口服務(wù)；通過本地磁盤或本地?cái)?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存的本地持久化。OCCI是一套應(yīng)用程序編程接口，它允許C++程序與一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，給予強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫操作能力，處理存儲過程等。依據(jù)Web Service規(guī)范實(shí)施的應(yīng)用，無論它們所使用的語言、平臺或內(nèi)部協(xié)議是什么，都可以相互交換數(shù)據(jù)。能耗監(jiān)測分析模塊主要釆用So Tower DE組件技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)耗能在線監(jiān)測、用電總體分析、用電指標(biāo)綜合分析、用能單元能耗分析、節(jié)能項(xiàng)目能耗分析等功能。離心泵能效評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)框架圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)所有主要操作都在主對話框中完成，主對話框的菜單集成了軟件的所有功能，該系統(tǒng)由用戶設(shè)置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、能耗計(jì)算和能效評價(jià)分析這幾部分構(gòu)成。用戶設(shè)置包含用戶密碼修改和系統(tǒng)幫助；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊采用從數(shù)據(jù)庫直接抓取或者手動(dòng)直接輸入的方法；位于服務(wù)器中的能效評價(jià)分析模塊系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交互，對接收、采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，利用能耗公式完成能效評價(jià)任務(wù)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理并通過簡單直觀的數(shù)據(jù)對比顯示出來。可根據(jù)工程實(shí)際需要打印報(bào)告，便于工作人員及時(shí)了解某臺機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況。能效評價(jià)系統(tǒng)各模塊間的信息流如圖3所示，能效評價(jià)系統(tǒng)各模塊間信息流解釋見表4。

圖2 離心泵能效評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)框架圖

圖3 能效評價(jià)系統(tǒng)各模塊間的信息流

表4 能效評價(jià)系統(tǒng)各模塊間信息流解釋

3.3 案例分析

選取某石化廠倉儲部中輸送石腦油的離心泵機(jī)組，泵型號為DZE150-100-45D，泵編號為801-P-103，配用電機(jī)型號為Y280S-4；泵設(shè)計(jì)效率為75%，電機(jī)額定效率為90%，該機(jī)組傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率為95.08%，調(diào)速裝置效率為95.24%，功率因數(shù)為0.847；介質(zhì)石腦油的密度為720 kg/m3，泵的進(jìn)出口高度差為0.8 m；不同工況下的測量數(shù)據(jù)見表5。參數(shù)錄入界面設(shè)有添加、修改、刪除等選項(xiàng)，便于數(shù)據(jù)的隨時(shí)錄入與修改，處理方便。

表5 不同工況下的測量數(shù)據(jù)

3.3.1 實(shí)際參數(shù)的采集 測量參數(shù)輸入界面如圖4所示。圖4中，“*”為必輸入選項(xiàng)，下拉選項(xiàng)部分為已經(jīng)存儲在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，可以以更方便的形式完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。相關(guān)的圖、表信息已經(jīng)錄入系統(tǒng)中，可通過查圖獲取所需參數(shù)信息。機(jī)組編號為機(jī)組信息識別碼，利用它可使機(jī)組的泵設(shè)備、電機(jī)、介質(zhì)聯(lián)動(dòng)。

圖4 測量參數(shù)輸入界面

3.3.2 數(shù)據(jù)處理界面 點(diǎn)擊裝置名稱、設(shè)備名稱、技術(shù)標(biāo)識號、介質(zhì)名稱的下拉按鍵，選定提前設(shè)置好的型號，點(diǎn)擊Load鍵將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，點(diǎn)擊計(jì)算按鍵開始離心泵機(jī)組能效計(jì)算。能耗計(jì)算界面如圖5所示。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果顯示 根據(jù)提前編入的泵、電機(jī)、離心泵機(jī)組的判別標(biāo)準(zhǔn)，與計(jì)算的能效結(jié)果進(jìn)行比較，在計(jì)算結(jié)果中分別顯示機(jī)組、泵設(shè)備、電機(jī)的評價(jià)能效值，可直接打印報(bào)告，保存計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。能效計(jì)算結(jié)果界面如圖6所示。

圖5 能耗計(jì)算界面

圖6 能效計(jì)算結(jié)果界面

4 結(jié) 論

以工程實(shí)際需要為目的，設(shè)計(jì)開發(fā)了離心泵機(jī)組能效評價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過參數(shù)設(shè)置、能耗計(jì)算、評價(jià)報(bào)告打印等功能形成自動(dòng)化模式，可以及時(shí)監(jiān)測每臺設(shè)備的能效情況，大幅度簡化能效評價(jià)的過程，進(jìn)而針對效率較低的機(jī)組采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，解決浪費(fèi)資源情況。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確、便捷地評價(jià)能效情況，分析運(yùn)行狀況并給出評價(jià)報(bào)告，有效地縮短常規(guī)能效評價(jià)所消耗的時(shí)間，且大幅度提高評價(jià)的準(zhǔn)確性，為企業(yè)帶來既方便又準(zhǔn)確的評價(jià)體系，并能形成數(shù)據(jù)庫以方便查詢。同時(shí)，對節(jié)能降耗起積極的作用，在經(jīng)濟(jì)和效率方面為企業(yè)提出良好的發(fā)展方向，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。