前言
节能降耗是企业的生存之本。统计显示，我国中型规模以上工业企业的用能量占了全社会能源消耗的70%左右。其中，用能量占全社会用能量60%以上的企业是仅占全国企业1/5的高耗能企业。泵作为重要的能量转换装置和流体输送设备，是应用极其广泛的通用机械。据统计，泵的耗电量约占全国总发电量的17%，而目前我国泵的实际使用效率却比发达国家低10%~30%，节能形势十分严峻。
在欧洲，估计约有10 %的电力用于泵送设备，这是生产运营的重要组成部分。这种使用的后果之一是，各国监管机构和工厂所有者正致力于提高泵和泵送系统的能效。而机械密封系统的适当选择，会对工厂的能源效率产生重大影响。
机械密封
机械密封是离心泵最常用的一种密封。机械密封的目的是密封泵送流程液体。无论液体是有毒有害的还是昂贵的，这些密封的目的是将其保持在设备和管道系统内，以防止其泄漏。如果泄漏的是加热、加压的液体或流程液体，就会造成昂贵的能量损失。因此，有必要将其不仅视为防止流程液体污染和泄漏到外部大气中，而且视为系统内节能的重要组成部分。
对于直径约为1至2英寸（25至50 mm）的相对较小的密封，能耗相对较低，最大约为0.75 kW。较大的密封可能消耗超过2.24 kW的功率。这个数字可能看起来很低，但如果密封冲洗方案的热效率低下，那么效率低下的系统可能会损失大量的能量。为了正常工作，需要用液体冲洗机械密封，以润滑并保持密封面冷却。这是通过使用密封系统和密封冲洗方案的各种配置（API方案）来实现的。
泵上的机械密封是最精密的部件之一。密封冲洗方案改变了密封的运行环境，推动了密封技术的快速发展并提供可靠的运行。简单来说，冲洗方案用于为密封创造稳定和理想的工作环境，API 682标准对其进行了规范和定型，并进行了详细说明。流体密封协会（FSA）对总共包括28,000套密封且流程温度超过400 °F（204 ℃）的泵进行了调查。图1显示了最常用的几种密封冲洗方案及其能量消耗。该调查中第二个最常用的密封冲洗方案是 Plan 32，是迄今为止能耗最高的。
图1：常用几种密封冲洗方案及其能耗比较
了解密封冲洗方案，对于影响密封系统的能源效率以及了解它们如何控制密封环境至关重要。目前，API 682标准是第4版，详细说明了30多个冲洗方案。该标准已经发展了20多年，是机械密封应用中具有代表性的良好工程实践。正如用户所强调的，最新版本包含了以前版本的许多改进。通过查看FSA对不同冲洗方案的研究，可以将一些方案与假设案例研究进行比较。单密封冲洗方案是Plan 21、23、32和62（参见图2到5）。下面简要概述了单密封的一些可选或可替代的冲洗方案。
图2：API Plan 21
API Plan 21：通常用于高温流程液体。冲洗液从泵出口引出，其压力高于密封腔内的压力。较高的压力驱动热的液体通过控制流量的孔板、再经冷却器，然后将冷却的液体注入密封腔，冲洗密封面，最后返回到泵壳体内的流程液体中。该方案为开环冷却系统。API Plan 21的一个问题是密封冲洗液最后被混入泵送流程液体中，如果流程液体温度较高，这种额外的冷却冲洗液会稀释流程液体。
该冲洗方案用于提高蒸汽汽化的裕量、满足附属密封元件的温度限制、减少焦化或聚合、提高润滑性（如热水）。其优点是不仅提供了冷却冲洗也具有足够的压差以保证良好的冲洗流量。缺点是冷却器的负担较重，冷却水侧易结垢和阻塞；当流程液体侧粘度变得很大时，易堵塞。Plan 21在干燥气候的情况下，可以采用空气翅片冷却器代替水冷却器。
图3：API Plan 23
API Plan 23：相比之下，API Plan 23可以说是一个闭环冷却系统。这可能是消除机械密封热量的最有效方法。密封腔中的介质与叶轮附近的介质通过狭小间隙的喉部衬套隔离开来，密封腔内安装了一个内部循环设备（泵送环），以使密封腔内的液体通过冷却器冷却后再返回到密封腔中。在这种情况下，冷却器仅冷却密封腔内循环的液体，且这些冷却的液体不进入流程介质，即冷却器仅需带走密封面产生的热量和泵送过程中的传热，因此Plan 23的能源效率明显高于Plan 21。
Plan 23是用于所有高温工况的冲洗方案，尤其是用于锅炉给水及输送大部分碳氢化合物的工况。这种冲洗方案是80℃及以上的锅炉给水的标准冲洗方案。在80℃时热水的润滑性非常差，从而导致密封磨损。这种方案也用于许多碳氢化合物和化学应用场合，这时要求冷却阻封液以保证所需的蒸汽压力（密封腔温度下）并维持密封腔与被输送介质之间的压力差。
图4：API Plan 32
API Plan 32：该方案涉及通过各种控制装置、将外部冷的、清洁的冲洗液注入密封腔，冲洗密封面，然后返回到泵壳体内的流程液体中。冲洗液通常比流程液体温度低得多，该液体会稀释流程液体，并对流程的热效率产生显著影响。这种情况如同在不断流动着冷水的浴缸中，试图用热的水龙头保持水温，然而浴缸中的水却很快就会失去了温度。
对于该方案，需要慎重选择合适的密封冲洗液，以消除引起注入液体发生汽化的隐患，并避免冲洗液污染到泵送介质。
图5：API Plan 62
API Plan 62：Plan 62是一种大气侧冲洗方案，通常用于单密封热油型应用。对于该应用，蒸汽通过密封件的大气侧，然后进入排出系统。蒸汽不是用于冷却，而是带走在工作面大气侧凝结的任何碳氢化合物颗粒，在它们开始碳化并导致密封件和工作面卡住之前将其清除。Plan 62是一种相对节能的热油泵密封方法。一般只需要少量蒸汽。然而，控制（蒸汽急冷的）蒸汽流量可能很困难。例如，在某些安装中，蒸汽会逸出到密封的大气侧，这会显著增加能量需求，从而迅速降低系统效率。影响API Plan 62蒸汽急冷能源效率的大多数问题都是维护不善造成的。
急冷是为了防止固体颗粒在密封的大气侧积聚。通常配合间隙很小的节流衬套使用。
应用案例
在单端面机械密封热油泵送应用中，可能会选用上面列出的不同的冲洗方案，表1给出了每种应用的简要情况及相对能源效率。
表1：单端面机械密封冲洗方案的比较
本示例应用的配置为单级端吸离心泵（API 610标准 OH2型泵），主要参数如下：
泵送介质： 碳氢化合物
介质温度： 315 ℃
比重： 0.8
比热： 1.67 kJ/(kg·℃)
密封腔压力： 0.345 MPa·g
泵驱动机功率： 37 kW
密封型式： 机械密封
假设：泵的热量损失在冷却器处发生。如果泵每天运行24小时，每年按365天计算，使用Plan 23比使用Plan 32每年可节约超过300,000 kW的能源。当这些节约分布在多个装置中的多台泵时，潜在的总体节约将是非常巨大的。
总结
在许多应用中，潜在的密封系统节约可能超过通过变频驱动器、改进泵水力系统、切割叶轮或调整泵的规格所获得的能源节约。选择不合适的密封系统会对工厂的热效率和工厂的公用事业产生重大影响。许多工业应用中的密封系统，即使按预期运行，也极其浪费能源。但是，密封行业拥有可能克服部分能源浪费的技术，并且人们越来越了解这些解决方案。当今可用的改进密封技术可以减少对导致流程（液体）冷却/稀释的能源浪费系统的需求，以及对下游分离/蒸发、再加热和/或污水处理的需求。能够在不同的密封系统或冲洗方案之间进行选择，需要很好地了解它们的工作原理以及使用它们的原因。获取这些知识的最佳方式是与了解该专业领域的密封合作伙伴合作。
参考文献
1. pumpsandsystems.com
2. API 682
3. API Piping Plans/John Crane
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