前言
節(jié)能降耗是企業(yè)的生存之本。統(tǒng)計顯示，我國中型規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的用能量占了全社會能源消耗的70%左右。其中，用能量占全社會用能量60%以上的企業(yè)是僅占全國企業(yè)1/5的高耗能企業(yè)。泵作為重要的能量轉換裝置和流體輸送設備，是應用極其廣泛的通用機械。據(jù)統(tǒng)計，泵的耗電量約占全國總發(fā)電量的17%，而目前我國泵的實際使用效率卻比發(fā)達國家低10%~30%，節(jié)能形勢十分嚴峻。
在歐洲，估計約有10 %的電力用于泵送設備，這是生產(chǎn)運營的重要組成部分。這種使用的后果之一是，各國監(jiān)管機構和工廠所有者正致力于提高泵和泵送系統(tǒng)的能效。而機械密封系統(tǒng)的適當選擇，會對工廠的能源效率產(chǎn)生重大影響。
機械密封
機械密封是離心泵最常用的一種密封。機械密封的目的是密封泵送流程液體。無論液體是有毒有害的還是昂貴的，這些密封的目的是將其保持在設備和管道系統(tǒng)內(nèi)，以防止其泄漏。如果泄漏的是加熱、加壓的液體或流程液體，就會造成昂貴的能量損失。因此，有必要將其不僅視為防止流程液體污染和泄漏到外部大氣中，而且視為系統(tǒng)內(nèi)節(jié)能的重要組成部分。
對于直徑約為1至2英寸（25至50 mm）的相對較小的密封，能耗相對較低，最大約為0.75 kW。較大的密封可能消耗超過2.24 kW的功率。這個數(shù)字可能看起來很低，但如果密封沖洗方案的熱效率低下，那么效率低下的系統(tǒng)可能會損失大量的能量。為了正常工作，需要用液體沖洗機械密封，以潤滑并保持密封面冷卻。這是通過使用密封系統(tǒng)和密封沖洗方案的各種配置（API方案）來實現(xiàn)的。
泵上的機械密封是最精密的部件之一。密封沖洗方案改變了密封的運行環(huán)境，推動了密封技術的快速發(fā)展并提供可靠的運行。簡單來說，沖洗方案用于為密封創(chuàng)造穩(wěn)定和理想的工作環(huán)境，API 682標準對其進行了規(guī)范和定型，并進行了詳細說明。流體密封協(xié)會（FSA）對總共包括28,000套密封且流程溫度超過400 °F（204 ℃）的泵進行了調(diào)查。圖1顯示了最常用的幾種密封沖洗方案及其能量消耗。該調(diào)查中第二個最常用的密封沖洗方案是 Plan 32，是迄今為止能耗最高的。
圖1：常用幾種密封沖洗方案及其能耗比較
了解密封沖洗方案，對于影響密封系統(tǒng)的能源效率以及了解它們?nèi)绾慰刂泼芊猸h(huán)境至關重要。目前，API 682標準是第4版，詳細說明了30多個沖洗方案。該標準已經(jīng)發(fā)展了20多年，是機械密封應用中具有代表性的良好工程實踐。正如用戶所強調(diào)的，最新版本包含了以前版本的許多改進。通過查看FSA對不同沖洗方案的研究，可以將一些方案與假設案例研究進行比較。單密封沖洗方案是Plan 21、23、32和62（參見圖2到5）。下面簡要概述了單密封的一些可選或可替代的沖洗方案。
圖2：API Plan 21
API Plan 21：通常用于高溫流程液體。沖洗液從泵出口引出，其壓力高于密封腔內(nèi)的壓力。較高的壓力驅動熱的液體通過控制流量的孔板、再經(jīng)冷卻器，然后將冷卻的液體注入密封腔，沖洗密封面，最后返回到泵殼體內(nèi)的流程液體中。該方案為開環(huán)冷卻系統(tǒng)。API Plan 21的一個問題是密封沖洗液最后被混入泵送流程液體中，如果流程液體溫度較高，這種額外的冷卻沖洗液會稀釋流程液體。
該沖洗方案用于提高蒸汽汽化的裕量、滿足附屬密封元件的溫度限制、減少焦化或聚合、提高潤滑性（如熱水）。其優(yōu)點是不僅提供了冷卻沖洗也具有足夠的壓差以保證良好的沖洗流量。缺點是冷卻器的負擔較重，冷卻水側易結垢和阻塞；當流程液體側粘度變得很大時，易堵塞。Plan 21在干燥氣候的情況下，可以采用空氣翅片冷卻器代替水冷卻器。
圖3：API Plan 23
API Plan 23：相比之下，API Plan 23可以說是一個閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。這可能是消除機械密封熱量的最有效方法。密封腔中的介質與葉輪附近的介質通過狹小間隙的喉部襯套隔離開來，密封腔內(nèi)安裝了一個內(nèi)部循環(huán)設備（泵送環(huán)），以使密封腔內(nèi)的液體通過冷卻器冷卻后再返回到密封腔中。在這種情況下，冷卻器僅冷卻密封腔內(nèi)循環(huán)的液體，且這些冷卻的液體不進入流程介質，即冷卻器僅需帶走密封面產(chǎn)生的熱量和泵送過程中的傳熱，因此Plan 23的能源效率明顯高于Plan 21。
Plan 23是用于所有高溫工況的沖洗方案，尤其是用于鍋爐給水及輸送大部分碳氫化合物的工況。這種沖洗方案是80℃及以上的鍋爐給水的標準沖洗方案。在80℃時熱水的潤滑性非常差，從而導致密封磨損。這種方案也用于許多碳氫化合物和化學應用場合，這時要求冷卻阻封液以保證所需的蒸汽壓力（密封腔溫度下）并維持密封腔與被輸送介質之間的壓力差。
圖4：API Plan 32
API Plan 32：該方案涉及通過各種控制裝置、將外部冷的、清潔的沖洗液注入密封腔，沖洗密封面，然后返回到泵殼體內(nèi)的流程液體中。沖洗液通常比流程液體溫度低得多，該液體會稀釋流程液體，并對流程的熱效率產(chǎn)生顯著影響。這種情況如同在不斷流動著冷水的浴缸中，試圖用熱的水龍頭保持水溫，然而浴缸中的水卻很快就會失去了溫度。
對于該方案，需要慎重選擇合適的密封沖洗液，以消除引起注入液體發(fā)生汽化的隱患，并避免沖洗液污染到泵送介質。
圖5：API Plan 62
API Plan 62：Plan 62是一種大氣側沖洗方案，通常用于單密封熱油型應用。對于該應用，蒸汽通過密封件的大氣側，然后進入排出系統(tǒng)。蒸汽不是用于冷卻，而是帶走在工作面大氣側凝結的任何碳氫化合物顆粒，在它們開始碳化并導致密封件和工作面卡住之前將其清除。Plan 62是一種相對節(jié)能的熱油泵密封方法。一般只需要少量蒸汽。然而，控制（蒸汽急冷的）蒸汽流量可能很困難。例如，在某些安裝中，蒸汽會逸出到密封的大氣側，這會顯著增加能量需求，從而迅速降低系統(tǒng)效率。影響API Plan 62蒸汽急冷能源效率的大多數(shù)問題都是維護不善造成的。
急冷是為了防止固體顆粒在密封的大氣側積聚。通常配合間隙很小的節(jié)流襯套使用。
應用案例
在單端面機械密封熱油泵送應用中，可能會選用上面列出的不同的沖洗方案，表1給出了每種應用的簡要情況及相對能源效率。
表1：單端面機械密封沖洗方案的比較
本示例應用的配置為單級端吸離心泵（API 610標準 OH2型泵），主要參數(shù)如下：
泵送介質： 碳氫化合物
介質溫度： 315 ℃
比重： 0.8
比熱： 1.67 kJ/(kg·℃)
密封腔壓力： 0.345 MPa·g
泵驅動機功率： 37 kW
密封型式： 機械密封
假設：泵的熱量損失在冷卻器處發(fā)生。如果泵每天運行24小時，每年按365天計算，使用Plan 23比使用Plan 32每年可節(jié)約超過300,000 kW的能源。當這些節(jié)約分布在多個裝置中的多臺泵時，潛在的總體節(jié)約將是非常巨大的。
總結
在許多應用中，潛在的密封系統(tǒng)節(jié)約可能超過通過變頻驅動器、改進泵水力系統(tǒng)、切割葉輪或調(diào)整泵的規(guī)格所獲得的能源節(jié)約。選擇不合適的密封系統(tǒng)會對工廠的熱效率和工廠的公用事業(yè)產(chǎn)生重大影響。許多工業(yè)應用中的密封系統(tǒng)，即使按預期運行，也極其浪費能源。但是，密封行業(yè)擁有可能克服部分能源浪費的技術，并且人們越來越了解這些解決方案。當今可用的改進密封技術可以減少對導致流程（液體）冷卻/稀釋的能源浪費系統(tǒng)的需求，以及對下游分離/蒸發(fā)、再加熱和/或污水處理的需求。能夠在不同的密封系統(tǒng)或沖洗方案之間進行選擇，需要很好地了解它們的工作原理以及使用它們的原因。獲取這些知識的最佳方式是與了解該專業(yè)領域的密封合作伙伴合作。
參考文獻
1. pumpsandsystems.com
2. API 682
3. API Piping Plans/John Crane
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