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浅谈国内离心泵行业如何跟上“中国制造2025”的步伐

   日期:2018-04-04     浏览:1719    
核心提示:智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上,通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程、制造过程、应用过程和制造装备智能化,是信息技术、智能技术与装备制造技术的深度融合与集成。

谢小青

上海电气凯士比核电泵阀有限公司,上海浦东 201306

摘要:以技术人员的视角,探讨国内离心泵行业如何跟上“中国制造2025”的步伐,并做出展望。

关键词:离心泵;中国制造2025;展望

0 前言

2013 年,德国人第一次推出了“工业4.0”的概念,即“互联网+制造”,美国叫“工业互联网”,我国叫“中国制造2025”,这三者本质内容是一致的,都指向一个核心,就是智能制造。

智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上,通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程、制造过程、应用过程和制造装备智能化,是信息技术、智能技术与装备制造技术的深度融合与集成。

作者认为智能制造具体体现在四个方面:生产智能化、产品智能化、生产服务化、大数据及云计算。

巨变正在静悄悄地发生!一日千里的科技正渐行渐近,所有人、所有企业都被涉入其中。对于传统制造业——离心泵行业来说,既是机遇又是挑战,且随之而来的可能是国际、国内离心泵行业的重新大洗牌。决策层目前纠结的不应是变或不变的问题,而应是如何变和何时变的问题。

本文将以技术人员的视角,探讨国内离心泵行业如何跟上“中国的制造2025”的步伐。

1 生产智能化

当你走进工厂,除了机床的轰鸣声和机器人精准的移动之外,几乎看不到一名工人,整片作业区域几无照明,这便是 “黑灯工厂”。“黑灯工厂”是“Dark Factory”的直译,即智慧工厂,因为无需人工操作,所以可以关灯运行。而智慧工厂的建立,离不开大量工业自动化设备。

随着全球制造业智能化转型浪潮的推进,在互联网时代的大背景下,“黑灯工厂”在我国将如雨后春笋般出现。以海尔冰箱沈阳互联工厂为例`1`,该工厂是行业内第一个数字化互联工厂,其重要特点就是能够实现高度的柔性,满足个性化定制的需求。在整个互联工厂的发展过程中,工厂已经过标准化、模块化、自动化三大路径,目前正在数字化快速发展。互联工厂按工艺布局转变为按模块布局,每个模块都是一条生产线,可以单独进行生产,并以并联的形式快速完成一台冰箱的生产。

智慧工厂的显著特点是:满足不同消费者的不同需求,实现多品种、小批量、定制生产。

除了普通的民用以外,离心泵行业属于典型的多品种、小批量、定制生产的产品。可以从以下几点来实现(设计)生产的智能化:

1)标准化设计。除了市场上可以采购到的通用的标准件以外(如紧固件、法兰及密封件等),还有不少零件在各种离心泵上都会用到(如叶轮/壳体耐磨环),对于这类零件,可以进行标准化设计。

2)模块化设计。模块化设计通常以功能区分、部件的型式出现。针对某一特定的市场需求,可以像搭积木一样,将标准化设计的零件、模块化设计的部件与专业设计生产的零件进行快速的拼接即可。模块化设计是绿色设计方法之一,可以同时满足产品的功能和环境属性。国外很多离心泵制造商甚至在水力设计方面也做到了模块化设计,如德国KSB 公司的OMEGA 泵,同一种泵壳可配两种不同水力的叶轮,从而满足不同工况性能的要求。

3)参数化设计。除对泵性能具有重大影响的水力零部件以外,其它零件几乎都可以进行参数化设计。只要改变其中一个或几个参数,就会快速自动生成一只新的零件。

4)设计流程的标准化。从水力设计开始,到结构设计(含外观设计)、CFD 分析、应力和疲劳分析、强度校核、抗震分析等,做到设计流程的标准化。

2 产品智能化

就是将产品作为一个数据采集端,不断地采集用户的数据并上传到云端,方便用户进行管理。

美国水力协会和美国石油协会分别适时在ANSI/HI 9.6.9 -2014 Rotary Pumps – Guideline for Condition Monitoring”(原为ANSI/HI 9.6.5 - 2000)、API670 Machinery Protection Systems”最新版本中介绍了无线数据传输技术的创新。

要想实现产品的智能化,需要使用多种传感器对产品进行实时的监测,在发生不可逆的故障或停机之前得到较准确的诊断,及早发现问题并予以纠正。离心泵可以进行以下监测:

1)温度及温差。特别是轴承和密封腔的温度。主要涉及轴承、密封腔、润滑油、冷却水及泵进/出口介质的温度;还涉及到泵壳体上/下温差。通过对泵进/出口介质温度的监测,有助于预测汽蚀的发生;通过对泵壳体上/下温差的监测,判断是否进行了充分的暖泵。

2)压力及压差。主要包括泵进/出口的压力、冷却水及润滑油的压力、机械密封系统压力;包括过滤器前后的压差。

3)流量。可以预测泵壳体/叶轮耐磨环更换时间及开式叶轮间隙调整时间;通过流量监测还可以确定泵出口再循环系统的状态。

4)转速。主要用于变速运行的离心泵,以观察其对泵性能的影响。

5)应变。预测动/静零部件之间是否会发生摩擦、泵壳体的腐蚀及现场管路支撑问题;另外,还可以监测离心泵轴向力的变化。

6)液位。包括供液箱的液位、润滑油箱的液位及密封系统缓冲/隔离罐的液位。通过对供液箱液位的监测,可以预测泵汽蚀的发生。

7)泄漏。主要用于预测密封故障或压力边界的失效。压力积聚是监测泄漏的一种方式。通过一个双重无压密封装置内侧密封泄漏检测到密封储罐隔离液压力的变化。这是通过将储液罐排气口关闭至少10 分钟、而注意到压力的增加来完成的。另一种监测泄漏的方式是注意到隔离液流量的变化。通过一个双重无压密封装置内侧密封泄漏检测到从密封到排气系统或收集系统的气/液体流量的变化。通过一个双重有压密封装置内侧密封泄漏检测到从循环系统和储液罐的隔离液位的变化`2`

8)振动。引起离心泵振动的原因很多,包括泵本体设计原因和外部条件因素两大类。而泵本体设计引起的振动主要体现在两个方面,机械引起的振动和水力引起的振动。机械引起的振动主要由转子部件不平衡、轴发生弯曲或变形、动/静零部件发生摩擦、轴承发生磨损、泵接近临界转速运行、零部件松动或损坏等原因所引起;水力引起的振动主要由偏离泵的最佳效率点运行、泵送介质发生汽化、叶轮叶片太靠近蜗舌(cutwater)运行、内部回流等原因所引起`3`。通过振动监测可以检测或诊断出泵及其系统存在的各种问题。

9)噪音。表示泵发生了汽蚀、动/静零部件出现摩擦、轴承损坏或其它一些异常情况。

10)功耗。检查泵的效率,预测发热问题。

11)轴向位移。主要用于可倾瓦推力轴承的离心泵,叶轮和机械密封对轴向位移非常敏感。

12)间隙。趋近式表可以记录开式叶轮与泵壳之间的间隙。

13)轴挠度。通过安装于泵体上的趋近式表来测量轴挠度,以确保旋转部件与静止部件不会发生接触。同时,轴挠度过大,会导致耐磨环、机械密封和轴承过早失效。

14)含水量。通过对润滑油含水量的检测,预测润滑油的更换周期。

3 生产服务化

设备制造商通过网络可以实时监控设备在用户现场的运行状况,以判断产品什么时候需要检修和保养。在这个阶段,所有制造商都会向服务商转型。

《中国制造2025》明确提出,要加快制造与服务的协同发展,推动商业模式创新,促进生产制造向服务型制造的转变。就是由单一产品制造向用户提供一整套系统解决方案。在这方面,发达国家已经走了很长的路。2010 年德勤咨询公司调查全球80 家领先制造业公司,调查结果显示,服务收入占销售收入的平均值为26%,而我国不足10%;服务净利润贡献率平均值达46%。美国GE 公司50% 以上的利润来源于服务。

要想做到生产服务化,必须能为用户提供最优化的、全方位的解决方案。对于离心泵行业来说,可以从以下三个方面着手:

1)产品

由泵制造商提供完整的泵送系统,而不是将单台泵送到现场然后由承包商或工厂人员安装。这些系统将泵放置在预先制造的结构上,并将所有的辅助设备、管路和电气装配成一个完整的单元。这种“打包泵送系统”有助于最大限度地减少安装不当的外部影响,提高泵的性能`4`

德国KSB 公司在供水(泵)系统上配备了控制单元Controlmatic,根据压力或流量的变化,自动控制泵的启动或停机;在消防泵上配备了自动消防系统EDSDU/EU 等。

瑞士SULZER 公司可为市政废水泵站用泵配置不同的控制器和监测设备,用以帮助泵站在整个生命周期中最大限度地降低运营成本和可靠性。

Xylem 公司的Lowara 智能泵系列配备内置的超高效IE5 永磁电机,以实现商业建筑的供水和暖通空调应用的最佳性能。该公司为迪拜的哈利法塔采用了完全集成的系统,可以控制酒店水箱的水位,并控制流量、压力和温度。

美国FLOWSERVE 公司开发了基于网络的软件程序-IPS 观察平台和Flowstar.net,可以实现:通过简化的示意图查看性能状态;监控实时设备性能;进行预测分析;基于事实和可证实数据的纠正措施建议;回顾设备历史信息;管理设备更换、维修、保养、调整的时间及成本等。

在“打包泵送系统”方面,国内也有不少泵厂具有非常成熟的设计与运行经验,如上海邦浦实业集团有限公司的智能供水系统等。

 为用户老产品的改造提供最优化的解决方案。以中国电建集团上海能源装备有限公司为例,他们为不少火电厂用户提供过锅炉给水泵节能改造整体方案`5`

案例1.电动给水泵变频改造

在整个电动给水泵组(前置泵+电动机+液力偶合器+锅炉给水泵)中,前置泵、电动机及锅炉给水泵的效率相对稳定,但是,由于设计规程设计余量较大以及高峰运行的需要,导致电动给水泵组在实际运行时,偶合器的实际运行效率远小于其设计效率。

变频改造方案:普通电动机改为变频电机,同时偶合器改为齿轮箱。已有多项业绩:大唐贵州野马寨电厂3×200MW 机组、山西永济电厂2×330MW 机组、崇信电厂2×660MW 机组等。

案例2.电泵改汽泵

为了减少电厂用电负荷,目前电改汽项目很多,将案例1 中的驱动方式改为小汽机+减速箱。小汽机采用双轴伸,一端直接驱动给水泵,另一端与减速箱一起驱动前置泵。已有多项业绩:华能淮阴电厂、山西华光电厂、呼和浩特金桥电厂等。

2)维护

传统的维护方式多为反应式维护(设备已经失效,进行事故后维修)或预防性维护(通过采取适当的措施,从而防止设备发生故障)。

预测性维护是制造业所追求的终极目标,在产品出现故障、用户要求之前派出技术服务人员对产品进行维护。在这方面,目前国内外离心泵行业也仅在少数监测项目上有所突破,如吉林宇琦泵业有限公司与国际著名的预测性维护ITR 公司合作,通过对离心泵振动变化的监测,准确判断出其存在的问题或将要发生的故障,不仅为中国石化用户解决了目前存在的现实问题,而且为他们以后的维护工作提供了准确的解决方案。

为了迅速适应生产和高效地响应不断变化的条件及新订单,KSB 公司开发了适用于智能手机和平板电脑的Sonolyzer APP,可以在20 秒内确定定速泵的效率(见图1)。它通过记录电动机风扇发出的噪音,将其与用户输入的性能数据相匹配。然后将用户输入的性能数据与制造商开发的水力数据库相关联,APP 可以确定泵是否在部分负荷下运行,并通过优化水力系统或驱动设备来让用户知道是否存在节能空间。

1- KSB 公司适用于智能手机和平板电脑的Sonolyzer APP 确定定速泵的效率

西门子的“智能水管理”方案解决了水务行业面临的特殊挑战,包括检测高成本的泄漏、高耗能泵站的成本以及强降雨期间废水的破坏性影响。研究估计,高达40%的水通常会被泄漏掉,可以使用智能分析解决方案进行回收,这些泄漏导致的电力成本可以降低30`6`

3)服务

离心泵在很多场合是维持(系统)流程稳定的重要设备,通过物联网技术对其安全可靠性进行监控是非常必要的。

可以为用户难以维护或难以访问的远程离心泵提供智能解决方案。用户随时随地可以使用智能手机、平板电脑或计算机通过物联网对其进行访问。备件也可以从泵制造商的ERP系统中看到,而无需接触ERP操作员。这样可以大大减少流程停机时间、降低维修和运营成本、节省能源、增加利润。

 对于有实力的泵公司,除了向用户提供设备以外,还可以在设备整个生命周期内,为用户提供操作、运行管理、维修及维护、网络安全系统等全套服务。

 采用租赁、甚至无偿使用(利润分成)的形式向用户提供产品、产品维修及服务。

4 大数据和云计算

对于收集到的大量运行状态信息需要计算的支持。通过使用数据、远程控制和分析,改变用户的运营方式,并帮助他们提高运营效率。

如何从海量的运行状态信息中准确地对故障做出预测或诊断?

案例. 压力油润滑推力轴承温度偏高的原因分析传感器提供的监测信息如下:

1)轴承温度偏高;

2)冷却水和润滑油压力正常;

3)冷却水和润滑油温度正常;

4)泵壳体应变正常;

5)轴向力应变正常;

6)润滑油含水量正常;

7)机械密封开始出现泄漏;

8)轴承座振动超标,振动频率以1 倍频为主。

由上述信息可以得出:轴承温度偏高与冷却水和润滑油无关;机械密封开始出现泄漏与振动相关;而引起振动超标的振动频率以1倍频为主,由此可以判断轴承温度偏高是由振动(1倍频)引起的。

1 倍频偏高,说明:

1)转子不平衡;

2)轴弯曲;

3)机械松动。

由于上述泵型为成熟产品,且出厂前进行动平衡试验、机械运转试验时一切正常,最终判断轴承温度偏高的原因由机械松动所引起。建议检查泵支撑底座是否松动。

说明:以上仅提供一种可参考的预测或诊断思路,结果不一定非常准确。

不过,对于国计民生具有重大影响的火电厂及核电站用离心泵,出于安全考虑,通常不适用于云计算。相信不少人对“2010 9 月,伊朗核设施突遭来源不明的网络病毒攻击事件”记忆犹新,导致纳坦兹离心浓缩厂的上千台离心机报废,刚封顶的布什尔核电站不得不取出核燃料并延期启动,事件所造成的严重后果,令世人震惊。

5 面临的困难

高校人才培养不仅与产业发展需求脱节,而且忽视基础教育。很多高学历毕业生居然不会写邮件、不会编辑文档、不会撰写科研报告,甚至很多从事制造业技术工作的毕业生无法将自己设计的机械零部件准确地表达出来(不懂机械制图标准、不会标注尺寸)。

能够沉下心来踏踏实实地从事传统制造业技术工作的人员越来越少,有经验的高技术人才严重缺乏。

缺少研发资金。技术转型升级需要花费大量的资金,这往往是很多传统制造业无法承受之重。

市场对自主创新的、传统行业的智能产品不够信任。市场营利的短期行为盛行,抑制了智能制造的积极性。

6 展望

未来的离心泵将全面走向自动化、智能化和集成化。

在大数据的支持下,借助现代计算机仿真技术,未来离心泵的结构设计和水力设计将变得相对简单、快捷;而泵本体的节能增效将变得越来越困难。

未来的离心泵将完全是模块化设计,根据不同用户的不同需求,增加或减少不同功能的模块。

作为系统中的一个设备,未来离心泵将会与系统一起进行最优化的设计,以追求系统整体高效为最终目标。

未来的离心泵在加工制造上会普遍使用一些先进的制造技术,如增材制造、仿生制造、柔性制造等。

未来的离心泵通过大数据、云计算,将会实现预测性维护,很少会出现意外停机的状况。

未来的离心泵将会与机器人融合成为智能泵:可以实现数据收集、优化运行、故障诊断、人泵对话,甚至具有深度学习及故障自我修复的功能。

对于中国的离心泵行业,我们将拭目以待。

7 参考文献

`1` 亚麦,青岛企业迎来智造时代“黑灯工厂”没有工人,青岛财经日报,2015/03/30

`2` ANSI/HI 9.6.9 -2014, Rotary Pumps - Guidelines for Condition Monitoring

`3` 谢小青,API610 标准的解读:振动篇,泵工程师,2017 6 月号 总第63 期,P48-53

`4` Todd Loudin, IIoT in Chemical Pumping, Pumps & Systems, November 8, 2017

`5` 瞿宿伟,火电厂锅炉给水泵节能改造整体方案,2016 年中国通用机械泵行业技术大会上海能源装备有限公司讲话稿,2016 12 月无锡

`6` Steve Davis, Digitalization sparks a quiet revolution, WORLD PUMPS, May 2017, P28-31

8 作者简介:

谢小青(1967-),男,汉族,安徽怀宁,高级工程师,工程硕士,电站泵和石化泵的设计。电话:18116021715

E-mailxiejinghui@sohu.com Xiaoqing.Xie@sec-ksb.com

 
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