自冷屏蔽泵與水冷屏蔽泵高溫工況下綜合性能的對比分析

摘 要：社會公眾環(huán)保意識的增強促使泵向絕對無泄漏的要求發(fā)展，屏蔽泵由于具有無泄漏、結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、占地少等優(yōu)點迅速在高溫化工領(lǐng)域得到廣泛應用。屏蔽泵根據(jù)原理可以分為水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，水冷屏蔽泵較為成熟，而自冷屏蔽泵處于市場推廣階段，綜合評估方法和指標缺乏?；谧岳淦帘伪煤退淦帘伪玫脑砑捌涮攸c，從冷卻結(jié)構(gòu)、能源消耗和安全可靠性等三個維度構(gòu)建綜合性能評價體系，對自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵進行對比分析。研究表明，自冷屏蔽泵具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低和安全可靠性能優(yōu)異等特征，綜合性能遠超水冷屏蔽泵。

關(guān)鍵詞：屏蔽泵；高溫；水冷；自冷；對比分析

隨著社會大眾環(huán)保意識的增強和我國新環(huán)保法的出臺，社會各界對工業(yè)產(chǎn)品的安全、環(huán)保要求越來越高，迫使泵在特定場合的使用達到絕對無泄漏的要求。社會的需求直接促進了屏蔽泵技術(shù)的迅速發(fā)展。屏蔽泵具有無泄漏、結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、占地少等優(yōu)點，具有良好的環(huán)保性能和干凈的工作環(huán)境，全面滿足社會大眾對于環(huán)保的要求，正日益廣泛應用于化工行業(yè)高溫工況等有特殊要求的領(lǐng)域，市場發(fā)展前景廣闊。

根據(jù)工作原理的不同，可以將輸送高溫型液體的屏蔽泵分為兩種：水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前水冷高溫型屏蔽泵已經(jīng)得到了廣泛的應用，而自冷屏蔽泵仍處于市場推廣階段，其工作原理不清晰，性能評價指標有待開發(fā)。為解決上述問題，本文首先基于水冷屏蔽泵的原理提出自冷屏蔽泵的工作原理，其次從冷卻結(jié)構(gòu)、能源消耗和安全性等三個維度構(gòu)建綜合性能的評價體系，最后根據(jù)構(gòu)建的評價體系對自冷屏蔽泵和水冷屏蔽泵進行對比分析。

1 水冷屏蔽泵與自冷屏蔽泵原理

根據(jù)屏蔽泵的冷卻方式，目前輸送高溫型液體的屏蔽泵主要分為水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵。目前，傳統(tǒng)水冷高溫型屏蔽泵已經(jīng)得到了廣泛的應用，而自冷屏蔽泵仍處于研制和應用推廣階段。自冷屏蔽泵由于沒有冷卻損耗，熱量無流失，更加安全節(jié)能等優(yōu)點也開始廣泛應用起來。

1.1 水冷屏蔽泵結(jié)構(gòu)特點

水冷屏蔽泵是將泵和驅(qū)動電機都被封閉在一個被泵送介質(zhì)充滿壓力的容器內(nèi)，此壓力容器只有靜密封，屏蔽電泵的轉(zhuǎn)子和定子各含有一個屏蔽套，電機繞組完全封閉，輸送的介質(zhì)可以進入電機內(nèi)部，但介質(zhì)被屏蔽套隔開，不會進入定、轉(zhuǎn)子以及鐵心。泵體與葉輪構(gòu)成高溫腔，電機的轉(zhuǎn)子腔與熱交換器等構(gòu)成低溫腔，兩腔的液體相同但溫度不同，兩腔內(nèi)的液體流動是獨立的，低溫腔靠副葉輪進行循環(huán)，如圖1所示為德國海密梯克公司生產(chǎn)的CNK型水冷屏蔽泵產(chǎn)品。

本研究認為水冷循環(huán)屏蔽泵主要具有以下兩個特點：

（1）采用獨立的高低溫腔體設計，高溫腔輸送需傳送的介質(zhì)，低溫腔輸送冷卻液體。

（2）需有水冷屏蔽套以隔離電機的轉(zhuǎn)子。

1.2 自冷屏蔽泵原理及特點

無水冷高溫屏蔽泵因不采用水冷方式，高溫液體直接進入空腔，故不需要水冷屏蔽套。自冷屏蔽泵的結(jié)構(gòu)相對水冷屏蔽泵的結(jié)構(gòu)也更為簡單，占地面積小，如圖2所示為德國海密梯克公司生產(chǎn)的CN型無水冷屏蔽泵產(chǎn)品，其定子繞組要采用超耐熱材料。

相比水冷型屏蔽泵而言，本研究認為自冷循環(huán)屏蔽泵主要具有以下兩個特點：

（1）不需有水冷屏蔽套以隔離電機的轉(zhuǎn)子，占地面積小，結(jié)構(gòu)和維護更加簡單；

（2）由于無水冷系統(tǒng)，電機的定子繞組的耐熱性要求更高。

2 水冷屏蔽泵與自冷屏蔽泵高溫工況下的對比分析

在研究水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的基本原理和分析兩者特點的基礎(chǔ)上，本研究將從水冷高溫型屏蔽泵和自冷高溫屏蔽泵的結(jié)構(gòu)組成、能源消耗和應用選型三個方面進行對比和分析。

2.1 結(jié)構(gòu)組成對比

水冷高溫型屏蔽泵和自冷高溫型屏蔽泵的結(jié)構(gòu)組成主要有以下兩個方面的不同：

2.1.1 組成結(jié)構(gòu)

水冷高溫型屏蔽泵具有單獨的冷卻供水系統(tǒng)，因而需具有水泵、水流管路、水流閥門、水流計量等供水設備，水冷高溫型屏蔽泵的結(jié)構(gòu)較為復雜，屏蔽性要求更高。而自冷高溫型屏蔽泵相比水冷屏蔽泵取消了單獨的冷卻供水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更為簡單。

2.1.2 儀表配置方面

（1）對于水冷屏蔽泵，由于考慮冷卻系統(tǒng)故障等問題，在電機冷卻循環(huán)液中增加一個溫度傳感器，可設置高溫報警，及早發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)在那個地方出現(xiàn)故障。另外為保護電機，也會在電機的定子繞組處增加溫度傳感器，設置高溫報警，要檢查泵電流、線圈溫度、振動、流量、揚程等參數(shù)，根據(jù)情況決定是否停泵。每臺泵帶軸承磨損顯示，配置為最先進的軸承磨損監(jiān)視器，可以檢測軸承徑向、軸向磨損等，同時標準配置為現(xiàn)場顯示，內(nèi)置芯片可以DCS連接，4-20ma電流輸出信號。

（2）對于自冷屏蔽泵，由于電機繞組采用耐高溫材料，所以電機冷卻循環(huán)液來自于泵入口的高溫流體，該溫度通常是穩(wěn)定的，所以在循環(huán)液內(nèi)不需要再設置一個溫度傳感器，而只需在電機的定子繞組處設置一個溫度傳感器。根據(jù)需要同時配置軸承磨損監(jiān)視器用于監(jiān)測軸承磨損問題。

2.1.3 材料

水冷高溫型屏蔽泵具有單獨的冷卻供水系統(tǒng)，對電機定子繞組的耐熱性要求較為寬松，畢竟經(jīng)過換熱器冷卻后的流體在100℃以內(nèi)，該水冷屏蔽電機的定子繞組耐溫都可設計在200℃左右，材料不需要特別耐熱。而自冷屏蔽泵由于取消了獨立的冷卻系統(tǒng)，采用高溫流體來冷卻電機，對定子繞組的耐溫要求及其苛刻，現(xiàn)在各廠家屏蔽泵的自冷屏蔽泵定子繞組的耐溫可達到500℃左右，可見自冷屏蔽泵相對水冷屏蔽泵而言，所使用材料的種類更多，對材料的耐熱性要求更高，技術(shù)更為復雜。由以上對比分析，不難看出自冷高溫型屏蔽泵的結(jié)構(gòu)比水冷高溫型屏蔽泵的結(jié)構(gòu)更為簡單，但對定子繞組耐溫材料的要求更高。

2.2 能源消耗對比

2.2.1 水冷系統(tǒng)能耗損失

水冷屏蔽泵采用流動水作為冷卻液體來冷卻泵體和電機，輸送液體的熱量會經(jīng)冷卻水流失一部分，且冷卻水泵工作需要電消耗。研究表明，同等功率的水冷屏蔽泵因擁有獨立的水冷系統(tǒng)，其能源消耗要比沒有水冷系統(tǒng)的自冷屏蔽泵要多出10.5%左右。endprint

2.2.2 屏蔽電機的能耗損失

由于自冷高溫屏蔽泵的電機繞組完全封閉，在輸送高溫液體時，定轉(zhuǎn)子繞組電阻系數(shù)響應增大，從而加大了定轉(zhuǎn)子銅耗，具體如圖3所示。研究表明，按照功率加權(quán)法計算，水冷型屏蔽泵的效率要比自冷型屏蔽泵效率要高約7%左右。

綜合以上兩點，水冷高溫型屏蔽泵比自冷高溫型屏蔽泵的平均能源消耗要高約3.5%左右，以額定功率為2.2kW的屏蔽泵為例，以屏蔽泵平均每年連續(xù)工作8000h計算，單臺水冷高溫型屏蔽泵比自冷高溫型屏蔽泵每年要多消耗約2.2kw×3.5%×8000h=616kW.h?？傊岳涓邷匦推帘伪孟啾人涓邷匦推帘伪酶鼮楣?jié)約能源。

2.3 安全可靠性對比

在高溫工況，水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵在安全性方面是有差異的，主要表現(xiàn)在：

首先，采用水冷屏蔽泵，根據(jù)常規(guī)設計，在本頂部設有一個殼管式換熱器，萬一高溫流體通過換熱器管側(cè)滲入殼側(cè)，熱油進入水中，水會立即蒸發(fā)發(fā)生爆炸，十分危險。如果輸送高溫屏蔽泵的屏蔽泵采用水冷，殼管式換熱器一定要做氦檢，保證換熱器無泄漏；

其次，采用自冷屏蔽泵，不用采用殼管式換熱器，電機采用高溫流體來冷卻，電機定子繞組采用超耐溫材料設計，在安全性能方面大大提高了；

最后，由于自冷屏蔽泵結(jié)構(gòu)簡單，減少故障率，提高了運行的可靠性。很多國外業(yè)主在高溫工況，在滿足溫度和功率有可選的情況下，都會優(yōu)選自冷性屏蔽泵，畢竟采用水冷屏蔽泵，換熱器是一個隱患點，畢竟安全性和可靠性是所有設備選型的優(yōu)先考慮要素。

3 結(jié)論

自冷屏蔽泵高溫泵型由于定子繞組材料耐高溫及設計等要素，其使用存在一定的局限性：只適用于高溫流體于不超過500℃，電機功率不超過100kw的高溫工況，但是自冷屏蔽泵因其結(jié)構(gòu)簡單、能耗小、噪聲低、維護簡單等優(yōu)點逐漸成為屏蔽泵的未來發(fā)展趨勢，具有廣闊的應用前景。本文在水冷屏蔽泵的原理基礎(chǔ)上提出水冷屏蔽泵的工作原理，從結(jié)構(gòu)組成、能源消耗和安全性等三個維度構(gòu)建了綜合評價體系，對比分析了水冷屏蔽泵和自冷屏蔽泵的各自優(yōu)缺點，依據(jù)評估結(jié)果得出自冷屏蔽泵優(yōu)于水冷屏蔽泵的結(jié)論，本文的研究對屏蔽泵的使用者和研究者具有重要的參考價值，對自冷屏蔽泵的推廣應用具有理論的借鑒意義。

參考文獻：

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作者簡介：宋忠娟，女，江蘇連云港人，工程師，主要從事：化工機械設備設計。endprint