【摘 要】本文借助EXCEL对流体泵送管路规格和泵的扬程最优化选用，达到使流体输送费用最低目标效果。

　　【关键词】EXCEL；流体输送；管路直径；工艺流量；流动阻力损失；扬程；泵送电耗费；年管路费

　　0 概述

　　在生产实际中，在使用离心泵输送液体时，泵的流量是生产工艺需要确定的。输送流体管路的长度和管件种类、数量是输送的始点和终点的相互位置确定的。泵的尺寸基本上也是由流量确定的，也就是说泵的费用基本上是确定的。所以对于流量和管路长度基本上不存在优化选择问题。但是，当输送流体管路的长度和流量确定以后，输送流体的管路通径（管路规格）与泵送的电耗却存在着一定的依存关系。若选择管路规格小（也就是通径小），所需管路投资就低，但是流体在管路中流动速度大、流动阻力高，所需泵的扬程就高，导致泵送所需的电功率增大、电耗增大；若选用的管路规格大（也就是通径大），所需管路投资就大、折旧和维护费用高，而流体在管路内的流速低，阻力小，所需泵送的扬程低，导致泵送的电功率降低，电耗减小。除了泵本身的费用之外，流体泵送的费用，基本上决定于上述的管路费用与电耗费用之和。当选用泵送的管路直径恰当时，会使得管路费用与电耗费用之和达到最低值，也就是最佳经济的生产状态。

　　在化工企业当管路中输送的是一定浓度时，由于已经有直接计算管路阻力损失的公式，管路的直径优化数据，可以推导出来费用公式并通过对此费用公式求导数计算极值的方法确定下来（可参阅《制浆造纸机械与设备》——华南工学院、天津轻工业学院合编 上册）。但是诸如水一般的流体，在管路内流动阻力计算公式中的阻力系数是通过实验测定出来的，使用者只能通过查图选用，没有公式可以直接计算确定。所以对于水一般的流体输送管路与泵送扬程的最佳值选择，只能通过对一些列管径下的各种费用计算类比来确定。但是这样会造成比较麻烦的计算量。当借助软件EXCEL来做这一项工作以后，只要针对某一管路直径下的阻力、用电量、管路费用等一次性的输入公式计算，以后其他管径下各种类似参数的计算就会由EXCEL算出了。同时，EXCEL还可以轻松地帮助绘出各种管径下的各种运转费用曲线图，我们可以在图上很直观地看出不同管路直径下不同的泵送费用情况，帮助管路设计者轻松的确定管路参数的最佳值。

　　1 借助EXCEL选用最佳管路直径和离心泵扬程的事例

　　因生产需要，我公司欲从某车间向另一车间泵送某种类似于水的牛顿型液体。已知：生产工艺要求流量200m3/h。管路长度3000m，管路终点比始点的水平高2.5m。管路上90°弯头30个，蝶阀数量3个。通过测定，此液体密度1200kg/m3，黏度0.01PaS。液体的pH值2-4，属于酸性。试确定应该选用通径为多少的管路以及泵的扬程是多少来输送此液体为最经济。

　　1.1 钢管材料的选用和年使用费用

　　因为液体的pH值2-4，带有较强的腐蚀性，需要长途高空架设，所选用内衬塑料的无缝钢管。估计内衬塑料钢管的使用寿命8年。估计此种钢管的每米价格是普通钢管的2倍。所以此种钢管的年使用费用≈每吨钢管的价格×每米钢管重量×2×钢管长度÷8年，具体计算数值见下面的计算表。

　　1.2 泵送电耗

　　选用离心泵作为泵送的设备。泵送电机消耗的功率P=QHρg/η。上式中：Q——泵送的流量， 单位是m3/s；H——泵送工作点的扬程， 单位是m；ρ——泵送液体的密度，单位是kg/m3；g——重力加速度，单位是m/s2；η——泵在工作点下机械效率。选用泵工作在高效点时，可取η=0.75。

　　泵送的年工作电耗W=PT ，左式中W——电耗，kW.h（千瓦小时），T——泵的年工作时间。

　　1.3 泵送的扬程的确定

　　在“1.2 泵送电耗”中可以看到计算泵的电耗的关键所在是计算泵的工作扬程。

　　上式中Z2-Z1表示管路始点和终点的水平高差，本例中为2.5；U2和U1分别是流体输送始点和终点速度，本例中取零；p2-p1为流体输送终点和始点压力差值，本例中p2和p1都为一个大气压，p2-p1=0，所以本例中所需泵的扬程H=流动阻力损失Hf+2.5.

　　∑hf是流体在管道内各项流动阻力造成的单位质量流体能量损失总和，单位是J/Kg。∑hf包括直管流动阻力和流体流经管件、阀门产生的局部阻力。∑hf是与管路长度、管路内壁相对粗糙度、流体在管路内的流速、流体密度、流体黏度、管路内径等参数的函数，具体计算比较复杂，可以参照相关书籍资料进行计算。

　　1.4 本实例的计算过程和结果如表1、表2、表3所示

　　1.5 各种费用曲线图

　　使用excel将重要的结果数据如上表中的第32项“年用电费用”、第35项“衬塑管管路每年费用”、第36项“衬塑管年电费+管路费”等绘制成图线，在图线上可以直观地看到各种费用随着管路规格的变化而变化的趋势和具体数量。见下面的《某车间泵送某种流体设备选型费用比较图》。

　　从图1可以明显看出：电费随着管径的增加、迅速降低；管路费用随着管径的增加逐渐增高；二者之和曲线呈U形，有最低的极值点。这个最低的极值点所对应的管路规格，就是最优化的管路规格（费用28.6万/年，管路规格273×6.5）。

　　2 结论

　　通过图线和具体数据可以看出，使用规格（外经×壁厚）273×6.5的衬塑管最经济。选用泵的参数为：流量200立方米/小时，扬程：20.3米（在泵手册中应选用稍为高一点的扬程，如选用扬程为计算的1.1～1.2倍=22～25米）。在这种情况下，年费用是28.6万元。假如对此管路选择不进行精心的计算，凭经验选用219×6的衬塑管，年费用将为42.33万元，比选用273×6.5的衬塑管年增加费用13.73万元；或选用325×10的衬塑管，年费用将为39.84万元，比选用273×6.5的衬塑管年增加费用11.24万元。所以，当需要泵送的流体流量很大、所需管路很长时，那些习惯用经验数据选泵和管路参数的做法是十分不可取的。在这种情况下，就要精心地计算选用最佳的泵送管路规格和泵送的扬程，否则泵送的费用会相差很大，仅一台泵就会造成每年数万元的经济损失。

　　同时还应说明，若在管路规格选用不恰当的同时，由于不进行精心的计算，使得离心泵的扬程选用离高效工作点很远，导致离心泵的工作效率大大降低（如工作效率为50%），在使用中就会造成浪费比上述数据大得多的、更惊人的资金量。一些造纸企业每天运转的离心式浆泵和水泵数量总和在五百台以上，若不对其扬程、流量、管径等进行经心计算选择、每天造成损失又知多少！所以说，对浆泵水泵规格型号恰当选用以节能降耗，是造纸企业和化工企业进行提升精细化管理的重点之一。