提高泵送系統(tǒng)能源效率方法

作者：泵來(lái)源：離心泵發(fā)布時(shí)間：2024-10-22

泵送系統(tǒng)是能源密集型設(shè)備，其能耗占電動(dòng)機(jī)能耗的近 25%，占一些工業(yè)、水和污水處理設(shè)施總能耗的20%至60%。雖然泵送要求的系統(tǒng)變化、正常磨損和管道內(nèi)的積垢會(huì)導(dǎo)致效率隨時(shí)間推移而降低，但為特定應(yīng)用選擇合適的泵時(shí)，通常會(huì)忽略初始成本之外的因素，從而導(dǎo)致長(zhǎng)期問(wèn)題和高于所需的電力成本。
1. 使用變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)
變速驅(qū)動(dòng)裝置可通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使泵在任何揚(yáng)程或流量下都能在接近其 BEP 的情況下運(yùn)行，以滿(mǎn)足應(yīng)用的實(shí)際揚(yáng)程和流量需求，而不是泵所能產(chǎn)生的揚(yáng)程和流量。
使用 VSD 的主要原因之一是在規(guī)劃階段過(guò)大的泵上，VSD會(huì)減慢電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減少不必要的能源消耗來(lái)提高能效。
使用VSD提高能源效率的第二個(gè)主要原因是，在不同的時(shí)間段或不同的使用工況下泵的工作負(fù)載變化相對(duì)較大。使用VSD可以節(jié)省的能量取決于應(yīng)用及其要求。
在水和污水行業(yè)，它通常可以節(jié)省30% 以上的能源使用。當(dāng)與灌溉泵一起使用時(shí)，功耗可以減少75%；當(dāng)安裝在乳制品應(yīng)用的真空泵上時(shí)，可以節(jié)省40% 至63%的能源。因此，可以看出，雖然VSD確實(shí)是有成本的，但在許多情況下，它們所能節(jié)省的成本證明了投資的合理性。
2. 小心泵尺寸過(guò)大
當(dāng)泵不在其佳效率點(diǎn) （BEP）的 20% 范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通常被認(rèn)為是尺寸過(guò)大，但如果工作點(diǎn)在 BEP 流量的 50%至110% 范圍內(nèi)，則通常被認(rèn)為是可以接受的。
這個(gè)范圍允許一定的誤差，以防實(shí)際阻力曲線(xiàn)被高估。泵過(guò)大的原因有很多，其中一個(gè)原因是在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段的早期，使用管道和配件損失的估計(jì)值來(lái)確定泵的尺寸（大小）。
由于需要對(duì)設(shè)備需求進(jìn)行估算，而且已發(fā)表的文獻(xiàn)中可能存在不同的流動(dòng)阻力系數(shù)或配件損失參考值，因此在指定泵時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差。
泵尺寸過(guò)大的另一個(gè)原因是考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)在幾年后進(jìn)行擴(kuò)容，而在當(dāng)前條件下尺寸正確的泵將無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)可能出現(xiàn)的額外需求。有時(shí)會(huì)增加一個(gè) "安全裕量"，并采購(gòu)和安裝更大的泵，以滿(mǎn)足未來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)容的需要。
還有一些其它原因也可能導(dǎo)致尺寸過(guò)大，其中包括：
- 急需一臺(tái)泵，但尺寸合適的泵缺貨
- 由于預(yù)算限制，從備件庫(kù)存中選擇了一臺(tái)泵
- 在多泵系統(tǒng)中購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)尺寸不合適新泵來(lái)替換現(xiàn)有泵
- 考慮到管道內(nèi)部預(yù)計(jì)會(huì)有腐蝕產(chǎn)物積聚，從而增加泵的總揚(yáng)程要求，因此泵的尺寸過(guò)大
- 為了抵消磨損的影響，增加了一個(gè)不恰當(dāng)?shù)?"安全系數(shù)"，以提高泵的流量和揚(yáng)程
然而，無(wú)論過(guò)大的原因是什么，它都會(huì)產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，因?yàn)楦叩牧髁亢蛪毫σ箅姍C(jī)提供更大的功率，這可能會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗。
使用尺寸過(guò)大泵的情況并不少見(jiàn)，因?yàn)楣こ處熗ǔ?huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要來(lái)指定泵的安全裕量。例如，眾所周知，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力泵（如離心泵）通常尺寸過(guò)大 20% 至 30%。雖然如前所述，一些過(guò)大的尺寸可以很好地彌補(bǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中的不確定性，但盡可能接近BEP運(yùn)行的泵將顯著提高其能源效率并減少能源使用。
可以通過(guò)多種方式確定泵是否過(guò)大，其中包括：
- 如果需要通過(guò)節(jié)流來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求
- 具有較高的旁通流量
- 運(yùn)行流量與泵的 BEP 流量相差 10% 至 20% 以上
- 流動(dòng)噪音過(guò)大
- 軸承和密封需要經(jīng)常更換
- 具有間歇性運(yùn)行，如泵循環(huán)系統(tǒng)
3. 切割或者更換葉輪
如果泵的尺寸過(guò)大，與其更換整臺(tái)泵并避免昂貴的操作流程（如節(jié)流以提高能源效率），不如切割或更換葉輪，這是降低壓力和流量的一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的方法。切割包括對(duì)葉輪進(jìn)行機(jī)加工以減小其直徑。
然而，切割應(yīng)限制在泵大葉輪直徑的75%左右，而且隨著葉輪的切割，葉輪與泵殼體之間的間隙會(huì)變大，如果葉輪切割過(guò)度，會(huì)導(dǎo)致更大的流量再循環(huán)（內(nèi)部回流）并降低泵送效率。
通過(guò)切割葉輪，可以降低葉輪出口邊的流速，從而減少泵送流體的能量，導(dǎo)致泵的流量和壓力降低。因此，在當(dāng)前葉輪產(chǎn)生過(guò)大揚(yáng)程的應(yīng)用中，使用較小或經(jīng)過(guò)切割的葉輪可以提高效率。
泵殼體和軸的設(shè)計(jì)可以容納各種尺寸的葉輪，許多泵制造商都提供泵性能曲線(xiàn)，說(shuō)明不同型號(hào)的泵在使用不同直徑葉輪時(shí)的性能。葉輪的切割不應(yīng)小于曲線(xiàn)所示小直徑。
4. 并聯(lián)泵
對(duì)于存在多個(gè)不同工作要求的系統(tǒng)中，除了使用VSD之外，還有一種替代方法就是安裝多臺(tái)泵，以靈活地提供所需的流量。
與單臺(tái)泵相比，安裝多臺(tái)泵為系統(tǒng)提供了更大的運(yùn)行靈活性、更高的效率，如果一臺(tái)泵發(fā)生故障，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，并且維護(hù)要求也更低。
這種設(shè)置的常見(jiàn)配置之一是安裝一臺(tái)小泵來(lái)滿(mǎn)足低流量運(yùn)行，而安裝大泵來(lái)應(yīng)對(duì)大設(shè)計(jì)流量。這樣可以確保所有泵都不需要在遠(yuǎn)離其BEP的地方運(yùn)行。
然而，實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵在于選擇正確的泵，因?yàn)槿绻麤](méi)有正確選擇并聯(lián)泵，或者沒(méi)有以組合方式運(yùn)行，就會(huì)影響可靠性和整體系統(tǒng)效率。
這種現(xiàn)象并不少見(jiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，例如其中一臺(tái)泵在（出口閥）關(guān)閉狀態(tài)下運(yùn)行，從而導(dǎo)致過(guò)熱和故障。為了選擇泵組合，應(yīng)計(jì)算每臺(tái)泵的能效（gmp/kW），然后選擇能效高的單泵或泵組合。
5. 控制系統(tǒng)
泵不必要地運(yùn)行，導(dǎo)致使用的能量超過(guò)所需的能量，這種情況并不少見(jiàn)。安裝控制系統(tǒng)將使泵送系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程控制，允許根據(jù)當(dāng)時(shí)的泵送要求啟動(dòng)和停止泵送系統(tǒng)。
例如，如果多臺(tái)泵都在運(yùn)行，但目前的流量只需要一臺(tái)泵，那么其它泵就可以停止運(yùn)行，并在以后需要高流量時(shí)重新啟動(dòng)其它泵。
6. 泵的磨損和維護(hù)
泵磨損是降低能源效率的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，其損失范圍在10%-25%之間。大多數(shù)磨損發(fā)生在運(yùn)行的頭幾年，并將導(dǎo)致泵的BEP在泵曲線(xiàn)上向左移動(dòng)。
磨損的跡象包括汽蝕、動(dòng)/靜零部件之間的間隙增加、耐磨環(huán)和軸承磨損以及泵軸上的填料調(diào)整（對(duì)于填料密封）。雖然磨損是不可避免的，但確保進(jìn)行日常維護(hù)將有助于減少磨損造成的效率損失，并減緩磨損過(guò)程。這大約可以節(jié)省2%-7%的能源。
適當(dāng)?shù)木S護(hù)和保養(yǎng)包括更換磨損的葉輪和/或耐磨環(huán)、軸承檢查及維修、更換軸承潤(rùn)滑油、檢查和更換填料或機(jī)械密封以及檢查泵/電機(jī)對(duì)中情況。
當(dāng)泵的運(yùn)行效率太低，而維護(hù)又無(wú)法改善時(shí)，更換泵是降低長(zhǎng)期能源成本選擇。除了維護(hù)泵之外，清潔和維護(hù)管道也會(huì)影響系統(tǒng)的能源效率。
7. 優(yōu)化管道
雖然管道在安裝后可以進(jìn)行優(yōu)化，但卻很難修復(fù)，因此在泵送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就必須花時(shí)間從一開(kāi)始就進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，通過(guò)避免急彎和管道尺寸的突然變化來(lái)確保將壓降降低。
應(yīng)使用低損失的閥門(mén)和配件，在選擇管道時(shí)應(yīng)平衡管道的初始成本和通過(guò)管道泵送流體的成本，例如，大型管道可能更昂貴，但由于摩擦損失較小，泵送成本較低。
通過(guò)優(yōu)化管道，可以限制摩擦壓降，進(jìn)而提高能效，因?yàn)楸每朔Σ翐p失所需的能量減少了。
8. 檢查電機(jī)
就像過(guò)大的泵會(huì)降低系統(tǒng)的能源效率一樣，過(guò)大的電機(jī)也會(huì)導(dǎo)致這種情況。指定使用過(guò)大電機(jī)的原因有很多，包括考慮到未來(lái)可能增加的泵送能力、負(fù)載波動(dòng)或電壓不平衡，以及在采購(gòu)設(shè)備時(shí)無(wú)法獲得正確尺寸的電機(jī)。
市場(chǎng)上有一些避免電機(jī)過(guò)大的選擇，其中一些正在開(kāi)發(fā)中，它們能夠適應(yīng)短期過(guò)載，從而避免選擇過(guò)大。
還可以安裝高效電機(jī)，這樣可以帶來(lái)一系列好處，包括節(jié)約能源成本、通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)減少故障，以及降低功率因數(shù)和效率對(duì)電壓和負(fù)載波動(dòng)的敏感性。

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