摘要:以技術(shù)人員的視角,,探討國內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國制造2025”的步伐,并做出展望,。
關(guān)鍵詞:離心泵,;中國制造2025,;展望
0 前言
2013 年,,德國人第一次推出了“工業(yè)4.0”的概念,即“互聯(lián)網(wǎng)+制造”,,美國叫“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”,,我國叫“中國制造2025”,這三者本質(zhì)內(nèi)容是一致的,,都指向一個核心,,就是智能制造。
智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、自動化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,,通過智能化的感知,、人機交互、決策和執(zhí)行技術(shù),,實現(xiàn)設(shè)計過程,、制造過程、應(yīng)用過程和制造裝備智能化,是信息技術(shù),、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成,。
作者認為智能制造具體體現(xiàn)在四個方面:生產(chǎn)智能化、產(chǎn)品智能化,、生產(chǎn)服務(wù)化,、大數(shù)據(jù)及云計算。
巨變正在靜悄悄地發(fā)生,!一日千里的科技正漸行漸近,,所有人、所有企業(yè)都被涉入其中,。對于傳統(tǒng)制造業(yè)——離心泵行業(yè)來說,,既是機遇又是挑戰(zhàn),且隨之而來的可能是國際,、國內(nèi)離心泵行業(yè)的重新大洗牌,。決策層目前糾結(jié)的不應(yīng)是變或不變的問題,而應(yīng)是如何變和何時變的問題,。
本文將以技術(shù)人員的視角,,探討國內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國的制造2025”的步伐。
1 生產(chǎn)智能化
當你走進工廠,,除了機床的轟鳴聲和機器人精準的移動之外,,幾乎看不到一名工人,整片作業(yè)區(qū)域幾無照明,,這便是 “黑燈工廠”,。“黑燈工廠”是“Dark Factory”的直譯,,即智慧工廠,,因為無需人工操作,所以可以關(guān)燈運行,。而智慧工廠的建立,,離不開大量工業(yè)自動化設(shè)備。
隨著全球制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型浪潮的推進,,在互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下,,“黑燈工廠”在我國將如雨后春筍般出現(xiàn)。以海爾冰箱沈陽互聯(lián)工廠為例`1`,,該工廠是行業(yè)內(nèi)第一個數(shù)字化互聯(lián)工廠,,其重要特點就是能夠?qū)崿F(xiàn)高度的柔性,滿足個性化定制的需求,。在整個互聯(lián)工廠的發(fā)展過程中,,工廠已經(jīng)過標準化,、模塊化、自動化三大路徑,,目前正在數(shù)字化快速發(fā)展,。互聯(lián)工廠按工藝布局轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨K布局,,每個模塊都是一條生產(chǎn)線,,可以單獨進行生產(chǎn),并以并聯(lián)的形式快速完成一臺冰箱的生產(chǎn),。
智慧工廠的顯著特點是:滿足不同消費者的不同需求,,實現(xiàn)多品種、小批量,、定制生產(chǎn),。
除了普通的民用以外,離心泵行業(yè)屬于典型的多品種,、小批量,、定制生產(chǎn)的產(chǎn)品??梢詮囊韵聨c來實現(xiàn)(設(shè)計)生產(chǎn)的智能化:
(1)標準化設(shè)計,。除了市場上可以采購到的通用的標準件以外(如緊固件、法蘭及密封件等),,還有不少零件在各種離心泵上都會用到(如葉輪/殼體耐磨環(huán)),,對于這類零件,可以進行標準化設(shè)計,。
(2)模塊化設(shè)計,。模塊化設(shè)計通常以功能區(qū)分、部件的型式出現(xiàn),。針對某一特定的市場需求,,可以像搭積木一樣,將標準化設(shè)計的零件,、模塊化設(shè)計的部件與專業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的零件進行快速的拼接即可。模塊化設(shè)計是綠色設(shè)計方法之一,,可以同時滿足產(chǎn)品的功能和環(huán)境屬性,。國外很多離心泵制造商甚至在水力設(shè)計方面也做到了模塊化設(shè)計,如德國KSB 公司的OMEGA 泵,,同一種泵殼可配兩種不同水力的葉輪,,從而滿足不同工況性能的要求。
(3)參數(shù)化設(shè)計,。除對泵性能具有重大影響的水力零部件以外,,其它零件幾乎都可以進行參數(shù)化設(shè)計,。只要改變其中一個或幾個參數(shù),就會快速自動生成一只新的零件,。
(4)設(shè)計流程的標準化,。從水力設(shè)計開始,到結(jié)構(gòu)設(shè)計(含外觀設(shè)計),、CFD 分析,、應(yīng)力和疲勞分析、強度校核,、抗震分析等,,做到設(shè)計流程的標準化。
2 產(chǎn)品智能化
就是將產(chǎn)品作為一個數(shù)據(jù)采集端,,不斷地采集用戶的數(shù)據(jù)并上傳到云端,,方便用戶進行管理。
美國水力協(xié)會和美國石油協(xié)會分別適時在ANSI/HI 9.6.9 -2014 “Rotary Pumps – Guideline for Condition Monitoring”(原為ANSI/HI 9.6.5 - 2000),、API670 “Machinery Protection Systems”最新版本中介紹了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的創(chuàng)新,。
要想實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化,需要使用多種傳感器對產(chǎn)品進行實時的監(jiān)測,,在發(fā)生不可逆的故障或停機之前得到較準確的診斷,,及早發(fā)現(xiàn)問題并予以糾正。離心泵可以進行以下監(jiān)測:
(1)溫度及溫差,。特別是軸承和密封腔的溫度,。主要涉及軸承、密封腔,、潤滑油,、冷卻水及泵進/出口介質(zhì)的溫度;還涉及到泵殼體上/下溫差,。通過對泵進/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測,,有助于預(yù)測汽蝕的發(fā)生;通過對泵殼體上/下溫差的監(jiān)測,,判斷是否進行了充分的暖泵,。
(2)壓力及壓差。主要包括泵進/出口的壓力,、冷卻水及潤滑油的壓力,、機械密封系統(tǒng)壓力;包括過濾器前后的壓差,。
(3)流量,。可以預(yù)測泵殼體/葉輪耐磨環(huán)更換時間及開式葉輪間隙調(diào)整時間,;通過流量監(jiān)測還可以確定泵出口再循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài),。
(4)轉(zhuǎn)速,。主要用于變速運行的離心泵,以觀察其對泵性能的影響,。
(5)應(yīng)變,。預(yù)測動/靜零部件之間是否會發(fā)生摩擦、泵殼體的腐蝕及現(xiàn)場管路支撐問題,;另外,,還可以監(jiān)測離心泵軸向力的變化。
(6)液位,。包括供液箱的液位,、潤滑油箱的液位及密封系統(tǒng)緩沖/隔離罐的液位。通過對供液箱液位的監(jiān)測,,可以預(yù)測泵汽蝕的發(fā)生,。
(7)泄漏。主要用于預(yù)測密封故障或壓力邊界的失效,。壓力積聚是監(jiān)測泄漏的一種方式,。通過一個雙重無壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到密封儲罐隔離液壓力的變化。這是通過將儲液罐排氣口關(guān)閉至少10 分鐘,、而注意到壓力的增加來完成的,。另一種監(jiān)測泄漏的方式是注意到隔離液流量的變化。通過一個雙重無壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到從密封到排氣系統(tǒng)或收集系統(tǒng)的氣/液體流量的變化,。通過一個雙重有壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到從循環(huán)系統(tǒng)和儲液罐的隔離液位的變化`2`,。
(8)振動。引起離心泵振動的原因很多,,包括泵本體設(shè)計原因和外部條件因素兩大類,。而泵本體設(shè)計引起的振動主要體現(xiàn)在兩個方面,機械引起的振動和水力引起的振動,。機械引起的振動主要由轉(zhuǎn)子部件不平衡,、軸發(fā)生彎曲或變形、動/靜零部件發(fā)生摩擦,、軸承發(fā)生磨損,、泵接近臨界轉(zhuǎn)速運行、零部件松動或損壞等原因所引起,;水力引起的振動主要由偏離泵的最佳效率點運行,、泵送介質(zhì)發(fā)生汽化、葉輪葉片太靠近蝸舌(cutwater)運行,、內(nèi)部回流等原因所引起`3`。通過振動監(jiān)測可以檢測或診斷出泵及其系統(tǒng)存在的各種問題,。
(9)噪音,。表示泵發(fā)生了汽蝕,、動/靜零部件出現(xiàn)摩擦、軸承損壞或其它一些異常情況,。
(10)功耗,。檢查泵的效率,預(yù)測發(fā)熱問題,。
(11)軸向位移,。主要用于可傾瓦推力軸承的離心泵,葉輪和機械密封對軸向位移非常敏感,。
(12)間隙,。趨近式表可以記錄開式葉輪與泵殼之間的間隙。
(13)軸撓度,。通過安裝于泵體上的趨近式表來測量軸撓度,,以確保旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件不會發(fā)生接觸。同時,,軸撓度過大,,會導(dǎo)致耐磨環(huán)、機械密封和軸承過早失效,。
(14)含水量,。通過對潤滑油含水量的檢測,預(yù)測潤滑油的更換周期,。
3 生產(chǎn)服務(wù)化
設(shè)備制造商通過網(wǎng)絡(luò)可以實時監(jiān)控設(shè)備在用戶現(xiàn)場的運行狀況,,以判斷產(chǎn)品什么時候需要檢修和保養(yǎng)。在這個階段,,所有制造商都會向服務(wù)商轉(zhuǎn)型,。
《中國制造2025》明確提出,要加快制造與服務(wù)的協(xié)同發(fā)展,,推動商業(yè)模式創(chuàng)新,,促進生產(chǎn)制造向服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)變。就是由單一產(chǎn)品制造向用戶提供一整套系統(tǒng)解決方案,。在這方面,,發(fā)達國家已經(jīng)走了很長的路。2010 年德勤咨詢公司調(diào)查全球80 家領(lǐng)先制造業(yè)公司,,調(diào)查結(jié)果顯示,,服務(wù)收入占銷售收入的平均值為26%,而我國不足10%,;服務(wù)凈利潤貢獻率平均值達46%,。美國GE 公司50% 以上的利潤來源于服務(wù)。
要想做到生產(chǎn)服務(wù)化,,必須能為用戶提供最優(yōu)化的,、全方位的解決方案,。對于離心泵行業(yè)來說,可以從以下三個方面著手:
(1)產(chǎn)品
由泵制造商提供完整的泵送系統(tǒng),,而不是將單臺泵送到現(xiàn)場然后由承包商或工廠人員安裝,。這些系統(tǒng)將泵放置在預(yù)先制造的結(jié)構(gòu)上,并將所有的輔助設(shè)備,、管路和電氣裝配成一個完整的單元,。這種“打包泵送系統(tǒng)”有助于最大限度地減少安裝不當?shù)耐獠坑绊懀岣弑玫男阅躟4`,。
德國KSB 公司在供水(泵)系統(tǒng)上配備了控制單元Controlmatic,,根據(jù)壓力或流量的變化,自動控制泵的啟動或停機,;在消防泵上配備了自動消防系統(tǒng)EDS,、DU/EU 等。
瑞士SULZER 公司可為市政廢水泵站用泵配置不同的控制器和監(jiān)測設(shè)備,,用以幫助泵站在整個生命周期中最大限度地降低運營成本和可靠性,。
Xylem 公司的Lowara 智能泵系列配備內(nèi)置的超高效IE5 永磁電機,以實現(xiàn)商業(yè)建筑的供水和暖通空調(diào)應(yīng)用的最佳性能,。該公司為迪拜的哈利法塔采用了完全集成的系統(tǒng),,可以控制酒店水箱的水位,并控制流量,、壓力和溫度,。
美國FLOWSERVE 公司開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序-IPS 觀察平臺和Flowstar.net,可以實現(xiàn):通過簡化的示意圖查看性能狀態(tài),;監(jiān)控實時設(shè)備性能,;進行預(yù)測分析;基于事實和可證實數(shù)據(jù)的糾正措施建議,;回顧設(shè)備歷史信息,;管理設(shè)備更換、維修,、保養(yǎng),、調(diào)整的時間及成本等。
在“打包泵送系統(tǒng)”方面,,國內(nèi)也有不少泵廠具有非常成熟的設(shè)計與運行經(jīng)驗,,如上海邦浦實業(yè)集團有限公司的智能供水系統(tǒng)等。
? 為用戶老產(chǎn)品的改造提供最優(yōu)化的解決方案,。以中國電建集團上海能源裝備有限公司為例,,他們?yōu)椴簧倩痣姀S用戶提供過鍋爐給水泵節(jié)能改造整體方案`5`。
案例1.電動給水泵變頻改造
在整個電動給水泵組(前置泵+電動機+液力偶合器+鍋爐給水泵)中,前置泵,、電動機及鍋爐給水泵的效率相對穩(wěn)定,,但是,,由于設(shè)計規(guī)程設(shè)計余量較大以及高峰運行的需要,,導(dǎo)致電動給水泵組在實際運行時,偶合器的實際運行效率遠小于其設(shè)計效率,。
變頻改造方案:普通電動機改為變頻電機,,同時偶合器改為齒輪箱。已有多項業(yè)績:大唐貴州野馬寨電廠3×200MW 機組,、山西永濟電廠2×330MW 機組,、崇信電廠2×660MW 機組等。
案例2.電泵改汽泵
為了減少電廠用電負荷,,目前電改汽項目很多,,將案例1 中的驅(qū)動方式改為小汽機+減速箱。小汽機采用雙軸伸,,一端直接驅(qū)動給水泵,,另一端與減速箱一起驅(qū)動前置泵。已有多項業(yè)績:華能淮陰電廠,、山西華光電廠,、呼和浩特金橋電廠等。
(2)維護
傳統(tǒng)的維護方式多為反應(yīng)式維護(設(shè)備已經(jīng)失效,,進行事故后維修)或預(yù)防性維護(通過采取適當?shù)拇胧?,從而防止設(shè)備發(fā)生故障)。
預(yù)測性維護是制造業(yè)所追求的終極目標,,在產(chǎn)品出現(xiàn)故障,、用戶要求之前派出技術(shù)服務(wù)人員對產(chǎn)品進行維護。在這方面,,目前國內(nèi)外離心泵行業(yè)也僅在少數(shù)監(jiān)測項目上有所突破,,如吉林宇琦泵業(yè)有限公司與國際著名的預(yù)測性維護ITR 公司合作,通過對離心泵振動變化的監(jiān)測,,準確判斷出其存在的問題或?qū)⒁l(fā)生的故障,,不僅為中國石化用戶解決了目前存在的現(xiàn)實問題,而且為他們以后的維護工作提供了準確的解決方案,。
離心泵在很多場合是維持(系統(tǒng))流程穩(wěn)定的重要設(shè)備,,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其安全可靠性進行監(jiān)控是非常必要的。
? 對于有實力的泵公司,,除了向用戶提供設(shè)備以外,,還可以在設(shè)備整個生命周期內(nèi),為用戶提供操作、運行管理,、維修及維護,、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等全套服務(wù)。
? 采用租賃,、甚至無償使用(利潤分成)的形式向用戶提供產(chǎn)品,、產(chǎn)品維修及服務(wù)。
4 大數(shù)據(jù)和云計算
對于收集到的大量運行狀態(tài)信息需要計算的支持,。通過使用數(shù)據(jù),、遠程控制和分析,改變用戶的運營方式,,并幫助他們提高運營效率,。
如何從海量的運行狀態(tài)信息中準確地對故障做出預(yù)測或診斷?
由于上述泵型為成熟產(chǎn)品,,且出廠前進行動平衡試驗,、機械運轉(zhuǎn)試驗時一切正常,最終判斷軸承溫度偏高的原因由機械松動所引起,。建議檢查泵支撐底座是否松動,。
說明:以上僅提供一種可參考的預(yù)測或診斷思路,結(jié)果不一定非常準確,。
5 面臨的困難
高校人才培養(yǎng)不僅與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求脫節(jié),,而且忽視基礎(chǔ)教育。很多高學歷畢業(yè)生居然不會寫郵件,、不會編輯文檔,、不會撰寫科研報告,甚至很多從事制造業(yè)技術(shù)工作的畢業(yè)生無法將自己設(shè)計的機械零部件準確地表達出來(不懂機械制圖標準,、不會標注尺寸),。
能夠沉下心來踏踏實實地從事傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)工作的人員越來越少,有經(jīng)驗的高技術(shù)人才嚴重缺乏,。
缺少研發(fā)資金,。技術(shù)轉(zhuǎn)型升級需要花費大量的資金,這往往是很多傳統(tǒng)制造業(yè)無法承受之重,。
市場對自主創(chuàng)新的,、傳統(tǒng)行業(yè)的智能產(chǎn)品不夠信任。市場營利的短期行為盛行,,抑制了智能制造的積極性,。
6 展望
未來的離心泵將全面走向自動化、智能化和集成化,。
在大數(shù)據(jù)的支持下,,借助現(xiàn)代計算機仿真技術(shù),未來離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和水力設(shè)計將變得相對簡單、快捷,;而泵本體的節(jié)能增效將變得越來越困難,。
未來的離心泵將完全是模塊化設(shè)計,根據(jù)不同用戶的不同需求,,增加或減少不同功能的模塊,。
作為系統(tǒng)中的一個設(shè)備,未來離心泵將會與系統(tǒng)一起進行最優(yōu)化的設(shè)計,,以追求系統(tǒng)整體高效為最終目標,。
未來的離心泵在加工制造上會普遍使用一些先進的制造技術(shù),如增材制造,、仿生制造、柔性制造等,。
未來的離心泵通過大數(shù)據(jù),、云計算,將會實現(xiàn)預(yù)測性維護,,很少會出現(xiàn)意外停機的狀況,。
未來的離心泵將會與機器人融合成為智能泵:可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、優(yōu)化運行,、故障診斷,、人泵對話,甚至具有深度學習及故障自我修復(fù)的功能,。
對于中國的離心泵行業(yè),,我們將拭目以待。
7 參考文獻
`1` 亞麥,,青島企業(yè)迎來智造時代“黑燈工廠”沒有工人,,青島財經(jīng)日報,2015/03/30
`2` ANSI/HI 9.6.9 -2014, Rotary Pumps - Guidelines for Condition Monitoring
`3` 謝小青,,API610 標準的解讀:振動篇,,泵工程師,2017 年6 月號 總第63 期,,P48-53
`4` Todd Loudin, IIoT in Chemical Pumping, Pumps & Systems, November 8, 2017
`5` 瞿宿偉,,火電廠鍋爐給水泵節(jié)能改造整體方案,2016 年中國通用機械泵行業(yè)技術(shù)大會上海能源裝備有限公司講話稿,,2016 年12 月無錫
`6` Steve Davis, Digitalization sparks a quiet revolution, WORLD PUMPS, May 2017, P28-31
8 作者簡介:
謝小青(1967-),,男,漢族,,安徽懷寧,,高級工程師,工程碩士,電站泵和石化泵的設(shè)計,。