泵送系統(tǒng)整體節(jié)能方法
泵送系統(tǒng)占全球電能需求的將近20%，在某些工廠中，它們所消耗的電能可以占到整個(gè)工廠用電量的20%-25%。在加工、發(fā)電、水務(wù)和建筑行業(yè)中，離心泵是主要的耗能設(shè)備。建筑和工廠是能效關(guān)注的重點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儙缀跽既蛴秒娏康?0%。盡管如此，泵送設(shè)備卻很少被業(yè)內(nèi)人士視為潛在的節(jié)能對(duì)象。
使泵運(yùn)轉(zhuǎn)的能源成本被業(yè)界視為不可壓縮的費(fèi)用，通常將其歸入固定成本。但是，通過(guò)使用一種系統(tǒng)方法可以將能耗降低20%-80%，從而使其變成了一項(xiàng)可變成本。
對(duì)英國(guó)已經(jīng)安裝在用的設(shè)備進(jìn)行審核，每年可以節(jié)省逾10 TWh的電能，減少大約550萬(wàn)噸的CO2排放量。
安裝高效的泵和電機(jī)只能節(jié)省很少的能源。為了提高整體效率，必須考慮整個(gè)泵送系統(tǒng)(如圖1所示)。
應(yīng)用系統(tǒng)方法來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，在某種程度上類(lèi)似于‘精益制造’。從根本上來(lái)說(shuō)，只有在必要的時(shí)候、必要的地點(diǎn)才泵送流體，這符合‘準(zhǔn)時(shí)化’的原則。該方法旨在消除不必要的工序，從而使工藝得到顯著改進(jìn)。
在評(píng)估已經(jīng)安裝的設(shè)備時(shí)，能效是重點(diǎn)審核內(nèi)容;它是實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。到目前為止，能源費(fèi)用是泵的壽命周期成本中花費(fèi)最大的一部分(圖2)。根據(jù)泵的類(lèi)型和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其能源費(fèi)用占泵壽命周期成本中的40%-90%之多。此外，系統(tǒng)的工作效率不高還會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化為有害的熱能和振動(dòng)。
這會(huì)對(duì)系統(tǒng)零部件的可靠性造成不良影響。泵的實(shí)際工作點(diǎn)離最佳效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，其平均無(wú)故障工作時(shí)間就越短。因此，我們可以得出以下結(jié)論，即節(jié)能有利于減少維護(hù)和故障停機(jī)的時(shí)間成本。
泵送系統(tǒng)是工藝過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，所造成的經(jīng)濟(jì)損失往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其修理成本。國(guó)際紙業(yè)公司(International Paper)經(jīng)營(yíng)著全美國(guó)的所有造紙廠。在為期一年的觀察中，發(fā)現(xiàn)它們經(jīng)歷了101次泵故障，總共造成高達(dá)500萬(wàn)美元的生產(chǎn)損失。每次故障的平均花費(fèi)為5萬(wàn)美元，其中相當(dāng)大一部分是由于工廠停工造成的經(jīng)濟(jì)損失。最嚴(yán)重的泵送設(shè)施故障案例之一是2011年海嘯引起的福島第一核電站故障。當(dāng)冷卻裝置被水淹之后，泵送系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)而造成三個(gè)受損的核反應(yīng)堆發(fā)出巨大的核輻射。
整體系統(tǒng)節(jié)能
系統(tǒng)理論根據(jù)系統(tǒng)與外部世界的邊界和界面來(lái)定義系統(tǒng)(假設(shè)它是開(kāi)放的系統(tǒng))。在大多數(shù)情況下，泵送系統(tǒng)是開(kāi)放的，而且通常相當(dāng)復(fù)雜。因此，必須清楚地了解系統(tǒng)的邊界，以及輸出、輸入的動(dòng)態(tài)變化。使用一副簡(jiǎn)單的草圖即可清晰地說(shuō)明泵送系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。
評(píng)估泵送設(shè)備的能耗需要適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ�。泵送系統(tǒng)用能量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)ASME EA-2-2009中提供了合適的指導(dǎo)方法。此外，由美國(guó)能源部組織的泵送系統(tǒng)評(píng)估工具(PSAT)培訓(xùn)可以提供必要的技能和知識(shí)。
遵循以下步驟即可便捷地對(duì)泵送設(shè)備進(jìn)行評(píng)估：
A.確定泵送系統(tǒng)當(dāng)前的工作任務(wù)。
B. 確定實(shí)際需求。
C. 調(diào)研主要的能量損失點(diǎn)在哪兒。
D. 采取相應(yīng)的措施減少能量損失。
E. 使供給(泵和系統(tǒng))與需求(工藝)相匹配。
F. 控制所采取的改進(jìn)措施的有效性。
泵的性能
通常用一條性能曲線來(lái)表示泵的液壓特性，用一條系統(tǒng)曲線來(lái)表示整個(gè)泵送系統(tǒng)的工作性能。這兩條曲線都是利用揚(yáng)程與流量的比率關(guān)系繪制而成的。工作點(diǎn)表示泵的液壓條件，該點(diǎn)位于兩條曲線的相交處。泵與系統(tǒng)協(xié)同工作，系統(tǒng)起主導(dǎo)作用，同時(shí)要遵循泵提出的限制條件。
不同類(lèi)型的泵的性能曲線各不相同，具體取決于轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)曲線體現(xiàn)了本質(zhì)特性(例如提升高度、管道損失等)與工作變量(例如調(diào)節(jié)閥、液位等)的綜合作用。
泵與系統(tǒng)曲線是利用評(píng)估期間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的，這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地反映了典型工況。評(píng)估大體上是一個(gè)無(wú)干擾過(guò)程，幾乎不干擾工藝。因?yàn)楸盟拖到y(tǒng)幾乎沒(méi)有處于靜態(tài)狀態(tài)的，因此必須確定工作變量。認(rèn)識(shí)系統(tǒng)和泵的特性有利于找到能量損失的源頭，并確定可能從哪些方面采取相應(yīng)的節(jié)能措施。
尋找能量損失的源頭
低效能的源頭是評(píng)估泵送系統(tǒng)時(shí)關(guān)注的重要問(wèn)題。有些源頭顯而易見(jiàn)，但是還有不少源頭乍看之下難以發(fā)現(xiàn)。通常泵送設(shè)備看起來(lái)一切正常，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，但是實(shí)際上浪費(fèi)了大量的能源。
許多能量損失都與設(shè)備的歷史有關(guān)，例如，修改、技術(shù)選擇、使用了過(guò)高的安全余量等等。各種故障現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)，難以區(qū)分彼此，從而導(dǎo)致難以找到問(wèn)題的根源，無(wú)法確定故障后果的嚴(yán)重程度。
能量浪費(fèi)源頭的一些例子：
•管道和配件內(nèi)的摩擦損失——這是最普遍的低效能的根源，它與液流在管道和配件內(nèi)的流速有著直接的關(guān)系。選擇合適的泵規(guī)格能夠節(jié)省大量的能源。此外，潔凈的管道和流線型的布局也有利于節(jié)能。
•泵不適合系統(tǒng)——泵沒(méi)有工作在其最佳效率點(diǎn)，從而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題，并且浪費(fèi)能源。這通常發(fā)生在為新廠房選擇泵的階段。由于管道系統(tǒng)模擬無(wú)法給出“準(zhǔn)確的”信息，導(dǎo)致選用了規(guī)格過(guò)大的泵，所以使得系統(tǒng)的安全余量過(guò)高。為了降低成本而購(gòu)買(mǎi)接近其最大工作流量的泵也會(huì)導(dǎo)致同樣的問(wèn)題。此外，如果由于工藝發(fā)生變化而對(duì)系統(tǒng)的特性參數(shù)進(jìn)行了修改，卻沒(méi)有對(duì)泵做任何改變(例如調(diào)整葉輪或者更換泵)，那么也會(huì)導(dǎo)致泵與系統(tǒng)不匹配。
•閥門(mén)節(jié)流和調(diào)節(jié)閥——當(dāng)使用調(diào)節(jié)閥時(shí)無(wú)可避免地會(huì)出現(xiàn)低效能問(wèn)題，因?yàn)樗鼈円揽磕Σ翐p失來(lái)調(diào)節(jié)流速。節(jié)流的數(shù)量意味著能量損失的多少，還說(shuō)明泵的規(guī)格過(guò)大(參閱3.1節(jié)實(shí)際案例)。
•不必要的靜壓頭——提升流體所需的能量不一定總是有用，靜壓頭有時(shí)過(guò)大。例如，排水箱液位高而入水箱液位低，這是一種常見(jiàn)的問(wèn)題。另一個(gè)例子是用露天排放管道取代止回閥。
•旁路/回流——盡管有各種理由使用旁路系統(tǒng)，但是它們的確是浪費(fèi)能源的主要源頭。在這種情況下，有一部分液流在經(jīng)過(guò)泵送之后返回吸入側(cè)，未被實(shí)際工作利用。通常安裝旁路是為了避免在某個(gè)工序不用時(shí)關(guān)閉泵，從而將我們帶到下一個(gè)工作點(diǎn)。
•當(dāng)工序不用時(shí)管道內(nèi)仍有流體流動(dòng)——當(dāng)液流在管道內(nèi)不必要地流動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)消耗的能量是無(wú)效的。例如，常常發(fā)現(xiàn)冷卻水在不工作時(shí)仍然流向環(huán)路和換熱器中(參閱3.2節(jié)的實(shí)際案例)。
•供給大于需求——這是能量浪費(fèi)的最大源頭之一，卻常常被人們忽視。當(dāng)液流的流速超過(guò)工藝的需要時(shí)，或者當(dāng)泵在不需要工作的情況下仍保持運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)造成能源的浪費(fèi)。和某些輸送應(yīng)用一樣，閉環(huán)系統(tǒng)常常以這種方式工作。當(dāng)供給并非由需求來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，還會(huì)造成其他的能量損失，例如本文前面所提及的那些。
能量浪費(fèi)的源頭往往相互關(guān)聯(lián)，這意味著它們?cè)斐傻暮蠊麜?huì)重復(fù)發(fā)生。所以，減少每一種源頭都有利于加強(qiáng)最終的節(jié)能效果。達(dá)到該目的的最直接辦法就是針對(duì)工作任務(wù)選擇合適的泵，并調(diào)整流量。
工藝需求
只有使泵送設(shè)備在需要的時(shí)候(準(zhǔn)時(shí))提供需要的功能，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。這意味著要確定泵的真正用途，在大多數(shù)情況下它并不是為了輸送液流。例如，在過(guò)濾管道中安裝的泵可用于輔助清潔液流;但是它的最終功能取決于為什么要首先清潔液流。“五個(gè)為什么”的方法有助于我們理解系統(tǒng)的目的。例如，當(dāng)考慮結(jié)晶過(guò)程中所用的冷卻水泵時(shí)：
問(wèn)：為什么系統(tǒng)中安裝有泵?
答：為了輸送冷卻水。
問(wèn)：為什么要輸送冷卻水?
答：為了加速散熱。
問(wèn)：為什么要加速散熱?
答：為了在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使工藝?yán)鋮s。
問(wèn)：為什么需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使工藝?yán)鋮s。
答：為了控制結(jié)晶速度。
問(wèn)：為什么需要控制結(jié)晶速度?
答：為了獲得合適的晶體大小。
結(jié)論：泵的工作任務(wù)由晶體大小來(lái)控制。
如果當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)在最低流量工況下，仍然能確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終功能，那么就能達(dá)到最佳效率。液流在管道內(nèi)的流速與流量成正比。摩擦損失隨流速的平方變化，因此會(huì)隨流量的平方值而變化。所以，減小流量有利于提高比能——使系統(tǒng)中單位體積的流體移動(dòng)所消耗的能量。最后，為了達(dá)到期望的性能，應(yīng)保證泵組適合其工作任務(wù)。
當(dāng)需求變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的工作條件也相應(yīng)地發(fā)生變化。確定系統(tǒng)在一段時(shí)期內(nèi)的載荷情況有助于了解泵送設(shè)備的工作任務(wù)(圖7)。為了確定泵的工作模式，需要首先確定主要的工作點(diǎn)，這意味著能夠通過(guò)變化的工作負(fù)載計(jì)算出可能的節(jié)能量(這不同于使用單一的固定工作點(diǎn))。
工藝需求取決于合適的泵送系統(tǒng)的工作情況。了解工藝的動(dòng)態(tài)特性和需求對(duì)于確定工作方式起著重要作用。
固定的需求：
恰當(dāng)?shù)牟僮魅Q于泵的選擇和系統(tǒng)布局。選擇一臺(tái)能夠在其最佳效率點(diǎn)提供所需流量的泵是目標(biāo)所在。揚(yáng)程值由泵送設(shè)備在指定流量下的規(guī)定值來(lái)確定。PAST軟件能夠計(jì)算出當(dāng)泵送系統(tǒng)工作在指定工作點(diǎn)時(shí)的泵和電機(jī)效率。當(dāng)弄清楚工作任務(wù)和系統(tǒng)布局之后，就能提高該階段工作的成效。
變動(dòng)的需求：
如果需求波動(dòng)，那么泵送設(shè)備就必須運(yùn)轉(zhuǎn)在多個(gè)工作點(diǎn)下，并且必須恰當(dāng)?shù)靥幚碇虚g狀態(tài)。妥善的解決方案取決于系統(tǒng)的特性參數(shù)(例如靜壓頭、摩擦損失)和工作點(diǎn)。在一切可能的情況下，都應(yīng)該盡量使需求的變動(dòng)平穩(wěn)、簡(jiǎn)化，例如通過(guò)使用緩沖罐來(lái)達(dá)到這一目的。這樣做能夠降低峰值流量，從而減少能耗。
如果波動(dòng)方式復(fù)雜，系統(tǒng)的操作會(huì)變得困難，往往需要一臺(tái)或者多臺(tái)泵以及特定的控制方法。常見(jiàn)的調(diào)節(jié)方法依靠調(diào)節(jié)閥和旁路。但是，現(xiàn)代控制技術(shù)避免使用低效能的元件，因?yàn)樗鼈兪且詡鞲衅骱陀?jì)算信息作為反饋環(huán)節(jié)的控制環(huán)路為基礎(chǔ)的。它們通常更接近所要求的工作任務(wù)，而且更復(fù)雜。
使用變速驅(qū)動(dòng)器能夠解決需求變動(dòng)的問(wèn)題。但是，它并非一種普遍適用的解決方案。務(wù)必要了解在何處以及如何使用變速驅(qū)動(dòng)器，這一點(diǎn)相當(dāng)重要，因?yàn)槿绻褂貌划?dāng)，則會(huì)導(dǎo)致能耗增加而無(wú)法節(jié)能。
對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要考慮實(shí)際工作中的重點(diǎn)和限制。往往不止有一種解決方案，因此可有多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)。節(jié)能效果最優(yōu)的并不是節(jié)能潛力最大的解決方案，而是可實(shí)施性最好的方案。必須將能量審核的結(jié)果付諸實(shí)踐，以達(dá)到節(jié)能的目的，只有這樣才能使減少的能耗量，將縮減的維護(hù)和故障停機(jī)時(shí)間成本轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，從而幫助實(shí)現(xiàn)預(yù)期的投資收益。
實(shí)際案例
英國(guó)進(jìn)行了許多整體系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估，下面介紹了加工行業(yè)中的兩個(gè)案例。二者都針對(duì)工作在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)百套泵送系統(tǒng)之一進(jìn)行節(jié)能評(píng)估。
加工車(chē)間，食品行業(yè)，倫敦
*工作任務(wù)：將工藝流體從機(jī)械過(guò)濾器輸送到供應(yīng)罐。
*泵：兩臺(tái)具有開(kāi)式葉輪的離心渣漿泵，二者交替工作。傳送帶由110 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
*年耗電量：590 MWh，41,300英鎊，電價(jià)為0.07英鎊/kWh。
* 能量損失的主要原因：用于調(diào)整流量的調(diào)節(jié)閥僅工作在10%到40%的開(kāi)度范圍內(nèi)。顯然泵的規(guī)格過(guò)大，調(diào)節(jié)閥浪費(fèi)了過(guò)多的能量。
*解決方案：減小泵的規(guī)格，并用變頻驅(qū)動(dòng)器(該設(shè)備適用于泵的更新)取代調(diào)節(jié)閥。
*結(jié)果：節(jié)省了高達(dá)93%的能源，每年的電力成本縮減了44,000英鎊(單價(jià)8英鎊 /kWh)。二氧化碳排放量減少了298噸。
加工車(chē)間，制藥行業(yè)，蘇格蘭
*工作任務(wù)：冷卻塔和幾個(gè)流程之間的冷卻水回路。
*泵：兩臺(tái)具有閉式葉輪的標(biāo)準(zhǔn)離心泵，二者交替工作。與75 kW的電機(jī)相連。
*年用電量：370 MWh，25,900英鎊，電價(jià)0.07英鎊/kWh。
*能量損失的主要原因：確定冷卻設(shè)備的規(guī)格時(shí)，工作現(xiàn)場(chǎng)的面積比較大，而且考慮了今后擴(kuò)容的需求。但是現(xiàn)在的需求降低了不少，入口和出口的溫差很小。
這說(shuō)明流量過(guò)高，泵的規(guī)格過(guò)大。此外，冷卻水在換熱器和不用的流程管道內(nèi)流動(dòng)。缺乏合適的控制方法來(lái)改變系統(tǒng)的工作負(fù)載，同時(shí)隔離不用的管道。
*解決方案：減小泵的規(guī)格，并安裝一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)器，利用入口和出口的溫差來(lái)調(diào)節(jié)流量，然后采取常規(guī)程序隔離不用的管道。
*結(jié)果：節(jié)省了多達(dá)86%的能量，每年的電力成本縮減了20,000英鎊。二氧化碳排放量減少了172噸。
結(jié)論
采取系統(tǒng)方法能夠提高能效，減小維護(hù)和故障停機(jī)時(shí)間成本，從而降低泵送設(shè)備的生命周期成本。評(píng)估得出了定量的潛在節(jié)能數(shù)據(jù)，并提供了實(shí)踐指導(dǎo)，尤其強(qiáng)調(diào)了有效的解決方案和可能的投資收益�，F(xiàn)在可以對(duì)那些相比于從前發(fā)生變化的工藝予以改進(jìn)，提高它們的效率，使工藝的投資回報(bào)時(shí)間變短，最終使系統(tǒng)變得更加靈活，更加適應(yīng)實(shí)際工況的需要。
泵送系統(tǒng)在許多工藝中都是非常關(guān)鍵的設(shè)施。增強(qiáng)它們的性能有助于縮減工廠的故障停工時(shí)間，降低工作成本，同時(shí)提高靈活性。工業(yè)行業(yè)正面臨著成本高漲和不確定性因素增多的問(wèn)題，因此，同時(shí)提高最終效益和生產(chǎn)率對(duì)大部分工廠來(lái)說(shuō)都是一個(gè)好消息。
是否能達(dá)到期望的節(jié)能效果取決于評(píng)估的質(zhì)量。因此，評(píng)估團(tuán)隊(duì)的技能和所用的方法非常重要。公認(rèn)的資格和認(rèn)證有助于增加泵用戶對(duì)該項(xiàng)服務(wù)的信心。但是，目前針對(duì)泵送系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的認(rèn)證機(jī)構(gòu)和審核人員并不多見(jiàn)——這還是一個(gè)尚在發(fā)展的新興領(lǐng)域。盡管如此，美國(guó)能源部和英國(guó)泵業(yè)制造商協(xié)會(huì)所做的一些工作表明了今后的發(fā)展方向。
