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工廠用電量的20%-25%。在加工、發(fā)電、水務和建筑行業(yè)中，離心泵是主要的耗能設備。建筑和工廠是能效關注的重點，因為它們幾乎占全球用電量的80%。盡管如此，泵送設備卻很少被業(yè)內人士視為潛在的節(jié)能對象。
使泵運轉的能源成本被業(yè)界視為不可壓縮的費用，通常將其歸入固定成本。但是，通過使用一種系統(tǒng)方法可以將能耗降低20%-80%，從而使其變成了一項可變成本。
對英國已經(jīng)安裝在用的設備進行審核，每年可以節(jié)省逾10 TWh的電能，減少大約550萬噸的CO2排放量。
安裝高效的泵和電機只能節(jié)省很少的能源。為了提高整體效率，必須考慮整個泵送系統(tǒng)(如圖1所示)。
應用系統(tǒng)方法來達到節(jié)能的目的，在某種程度上類似于‘精益制造’。從根本上來說，只有在必要的時候、必要的地點才泵送流體，這符合‘準時化’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。
在評估已經(jīng)安裝的設備時，能效是重點審核內容;它是實現(xiàn)整體系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。到目前為止，能源費用是泵的壽命周期成本中花費最大的一部分(圖2)。根據(jù)泵的類型和運轉狀態(tài)，其能源費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導致能量轉化為有害的熱能和振動。
這會對系統(tǒng)零部件的可靠性造成不良影響。泵的實際工作點離最佳效率點越遠，其平均無故障工作時間就越短。因此，我們可以得出以下結論，即節(jié)能有利于減少維護和故障停機的時間成本。
泵送系統(tǒng)是工藝過程的關鍵設備。當它發(fā)生故障時，所造成的經(jīng)濟損失往往遠遠超過了其修理成本。國際紙業(yè)公司(International Paper)經(jīng)營著全美國的所有造紙廠。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500萬美元的生產(chǎn)損失。每次故障的平均花費為5萬美元，其中相當大一部分是由于工廠停工造成的經(jīng)濟損失。最嚴重的泵送設施故障案例之一是2011年海嘯引起的福島第一核電站故障。當冷卻裝置被水淹之后，泵送系統(tǒng)發(fā)生故障，進而造成三個受損的核反應堆發(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定義系統(tǒng)(假設它是開放的系統(tǒng))。在大多數(shù)情況下，泵送系統(tǒng)是開放的，而且通常相當復雜。因此，必須清楚地了解系統(tǒng)的邊界，以及輸出、輸入的動態(tài)變化。使用一副簡單的草圖即可清晰地說明泵送系統(tǒng)的主要特點。
評估泵送設備的能耗需要適當?shù)姆椒ê凸ぞ�。泵送系統(tǒng)用能量評估標準ASME EA-2-2009中提供了合適的指導方法。此外，由美國能源部組織的泵送系統(tǒng)評估工具(PSAT)培訓可以提供必要的技能和知識。
遵循以下步驟即可便捷地對泵送設備進行評估：
A.確定泵送系統(tǒng)當前的工作任務。
B. 確定實際需求。
C. 調研主要的能量損失點在哪兒。
D. 采取相應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. 控制所采取的改進措施的有效性。
泵的性能
通常用一條性能曲線來表示泵的液壓特性，用一條系統(tǒng)曲線來表示整個泵送系統(tǒng)的工作性能。這兩條曲線都是利用揚程與流量的比率關系繪制而成的。工作點表示泵的液壓條件，該點位于兩條曲線的相交處。泵與系統(tǒng)協(xié)同工作，系統(tǒng)起主導作用，同時要遵循泵提出的限制條件。
不同類型的泵的性能曲線各不相同，具體取決于轉速。系統(tǒng)曲線體現(xiàn)了本質特性(例如提升高度、管道損失等)與工作變量(例如調節(jié)閥、液位等)的綜合作用。
泵與系統(tǒng)曲線是利用評估期間的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)來計算的，這些數(shù)據(jù)準確地反映了典型工況。評估大體上是一個無干擾過程，幾乎不干擾工藝。因為泵送系統(tǒng)幾乎沒有處于靜態(tài)狀態(tài)的，因此必須確定工作變量。認識系統(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的節(jié)能措施。
尋找能量損失的源頭
低效能的源頭是評估泵送系統(tǒng)時關注的重要問題。有些源頭顯而易見，但是還有不少源頭乍看之下難以發(fā)現(xiàn)。通常泵送設備看起來一切正常，運轉良好，但是實際上浪費了大量的能源。
許多能量損失都與設備的歷史有關，例如，修改、技術選擇、使用了過高的安全余量等等。各種故障現(xiàn)象相互關聯(lián)，難以區(qū)分彼此，從而導致難以找到問題的根源，無法確定故障后果的嚴重程度。
能量浪費源頭的一些例子：
•管道和配件內的摩擦損失——這是最普遍的低效能的根源，它與液流在管道和配件內的流速有著直接的關系。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)——泵沒有工作在其最佳效率點，從而導致可靠性問題，并且浪費能源。這通常發(fā)生在為新廠房選擇泵的階段。由于管道系統(tǒng)模擬無法給出“準確的”信息，導致選用了規(guī)格過大的泵，所以使得系統(tǒng)的安全余量過高。為了降低成本而購買接近其最大工作流量的泵也會導致同樣的問題。此外，如果由于工藝發(fā)生變化而對系統(tǒng)的特性參數(shù)進行了修改，卻沒有對泵做任何改變(例如調整葉輪或者更換泵)，那么也會導致泵與系統(tǒng)不匹配。
•閥門節(jié)流和調節(jié)閥——當使用調節(jié)閥時無可避免地會出現(xiàn)低效能問題，因為它們依靠摩擦損失來調節(jié)流速。節(jié)流的數(shù)量意味著能量損失的多少，還說明泵的規(guī)格過大(參閱3.1節(jié)實際案例)。
•不必要的靜壓頭——提升流體所需的能量不一定總是有用，靜壓頭有時過大。例如，排水箱液位高而入水箱液位低，這是一種常見的問題。另一個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能源的主要源頭。在這種情況下，有一部分液流在經(jīng)過泵送之后返回吸入側，未被實際工作利用。通常安裝旁路是為了避免在某個工序不用時關閉泵，從而將我們帶到下一個工作點。
•當工序不用時管道內仍有流體流動——當液流在管道內不必要地流動時，系統(tǒng)消耗的能量是無效的。例如，常常發(fā)現(xiàn)冷卻水在不工作時仍然流向環(huán)路和換熱器中(參閱3.2節(jié)的實際案例)。
•供給大于需求——這是能量浪費的最大源頭之一，卻常常被人們忽視。當液流的流速超過工藝的需要時，或者當泵在不需要工作的情況下仍保持運轉時，都會造成能源的浪費。和某些輸送應用一樣，閉環(huán)系統(tǒng)常常以這種方式工作。當供給并非由需求來驅動時，還會造成其他的能量損失，例如本文前面所提及的那些。
能量浪費的源頭往往相互關聯(lián)，這意味著它們造成的后果會重復發(fā)生。所以，減少每一種源頭都有利于加強最終的節(jié)能效果。達到該目的的最直接辦法就是針對工作任務選擇合適的泵，并調整流量。
工藝需求
只有使泵送設備在需要的時候(準時)提供需要的功能，才能實現(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。“五個為什么”的方法有助于我們理解系統(tǒng)的目的。例如，當考慮結晶過程中所用的冷卻水泵時：
問：為什么系統(tǒng)中安裝有泵?
答：為了輸送冷卻水。
問：為什么要輸送冷卻水?
答：為了加速散熱。
問：為什么要加速散熱?
答：為了在規(guī)定的時間內使工藝冷卻。
問：為什么需要在規(guī)定的時間內使工藝冷卻。
答：為了控制結晶速度。
問：為什么需要控制結晶速度?
答：為了獲得合適的晶體大小。
結論：泵的工作任務由晶體大小來控制。
如果當泵運轉在最低流量工況下，仍然能確保實現(xiàn)系統(tǒng)的最終功能，那么就能達到最佳效率。液流在管道內的流速與流量成正比。摩擦損失隨流速的平方變化，因此會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所消耗的能量。最后，為了達到期望的性能，應保證泵組適合其工作任務。
當需求變動時，系統(tǒng)的工作條件也相應地發(fā)生變化。確定系統(tǒng)在一段時期內的載荷情況有助于了解泵送設備的工作任務(圖7)。為了確定泵的工作模式，需要首先確定主要的工作點，這意味著能夠通過變化的工作負載計算出可能的節(jié)能量(這不同于使用單一的固定工作點)。
工藝需求取決于合適的泵送系統(tǒng)的工作情況。了解工藝的動態(tài)特性和需求對于確定工作方式起著重要作用。
固定的需求：
恰當?shù)牟僮魅Q于泵的選擇和系統(tǒng)布局。選擇一臺能夠在其最佳效率點提供所需流量的泵是目標所在。揚程值由泵送設備在指定流量下的規(guī)定值來確定。PAST軟件能夠計算出當泵送系統(tǒng)工作在指定工作點時的泵和電機效率。當弄清楚工作任務和系統(tǒng)布局之后，就能提高該階段工作的成效。
變動的需求：
如果需求波動，那么泵送設備就必須運轉在多個工作點下，并且必須恰當?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。在一切可能的情況下，都應該盡量使需求的變動平穩(wěn)、簡化，例如通過使用緩沖罐來達到這一目的。這樣做能夠降低峰值流量，從而減少能耗。
如果波動方式復雜，系統(tǒng)的操作會變得困難，往往需要一臺或者多臺泵以及特定的控制方法。常見的調節(jié)方法依靠調節(jié)閥和旁路。但是，現(xiàn)代控制技術避免使用低效能的元件，因為它們是以傳感器和計算信息作為反饋環(huán)節(jié)的控制環(huán)路為基礎的。它們通常更接近所要求的工作任務，而且更復雜。
使用變速驅動器能夠解決需求變動的問題。但是，它并非一種普遍適用的解決方案。務必要了解在何處以及如何使用變速驅動器，這一點相當重要，因為如果使用不當，則會導致能耗增加而無法節(jié)能。
對方案進行優(yōu)化時要考慮實際工作中的重點和限制。往往不止有一種解決方案，因此可有多種方法來實現(xiàn)投資回報。節(jié)能效果最優(yōu)的并不是節(jié)能潛力最大的解決方案，而是可實施性最好的方案。必須將能量審核的結果付諸實踐，以達到節(jié)能的目的，只有這樣才能使減少的能耗量，將縮減的維護和故障停機時間成本轉化為經(jīng)濟效益，從而幫助實現(xiàn)預期的投資收益。
實際案例
英國進行了許多整體系統(tǒng)節(jié)能評估，下面介紹了加工行業(yè)中的兩個案例。二者都針對工作在現(xiàn)場的數(shù)百套泵送系統(tǒng)之一進行節(jié)能評估。
加工車間，食品行業(yè)，倫敦
*工作任務：將工藝流體從機械過濾器輸送到供應罐。
*泵：兩臺具有開式葉輪的離心渣漿泵，二者交替工作。傳送帶由110 kW的電機驅動。
*年耗電量：590 MWh，41,300英鎊，電價為0.07英鎊/kWh。
* 能量損失的主要原因：用于調整流量的調節(jié)閥僅工作在10%到40%的開度范圍內。顯然泵的規(guī)格過大，調節(jié)閥浪費了過多的能量。
*解決方案：減小泵的規(guī)格，并用變頻驅動器(該設備適用于泵的更新)取代調節(jié)閥。
*結果：節(jié)省了高達93%的能源，每年的電力成本縮減了44,000英鎊(單價8英鎊 /kWh)。二氧化碳排放量減少了298噸。
加工車間，制藥行業(yè)，蘇格蘭
*工作任務：冷卻塔和幾個流程之間的冷卻水回路。
*泵：兩臺具有閉式葉輪的標準離心泵，二者交替工作。與75 kW的電機相連。
*年用電量：370 MWh，25,900英鎊，電價0.07英鎊/kWh。
*能量損失的主要原因：確定冷卻設備的規(guī)格時，工作現(xiàn)場的面積比較大，而且考慮了今后擴容的需求。但是現(xiàn)在的需求降低了不少，入口和出口的溫差很小。
這說明流量過高，泵的規(guī)格過大。此外，冷卻水在換熱器和不用的流程管道內流動。缺乏合適的控制方法來改變系統(tǒng)的工作負載，同時隔離不用的管道。
*解決方案：減小泵的規(guī)格，并安裝一臺變頻驅動器，利用入口和出口的溫差來調節(jié)流量，然后采取常規(guī)程序隔離不用的管道。
*結果：節(jié)省了多達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。
結論
采取系統(tǒng)方法能夠提高能效，減小維護和故障停機時間成本，從而降低泵送設備的生命周期成本。評估得出了定量的潛在節(jié)能數(shù)據(jù)，并提供了實踐指導，尤其強調了有效的解決方案和可能的投資收益。現(xiàn)在可以對那些相比于從前發(fā)生變化的工藝予以改進，提高它們的效率，使工藝的投資回報時間變短，最終使系統(tǒng)變得更加靈活，更加適應實際工況的需要。
泵送系統(tǒng)在許多工藝中都是非常關鍵的設施。增強它們的性能有助于縮減工廠的故障停工時間，降低工作成本，同時提高靈活性。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題，因此，同時提高最終效益和生產(chǎn)率對大部分工廠來說都是一個好消息。
是否能達到期望的節(jié)能效果取決于評估的質量。因此，評估團隊的技能和所用的方法非常重要。公認的資格和認證有助于增加泵用戶對該項服務的信心。但是，目前針對泵送系統(tǒng)進行評估的認證機構和審核人員并不多見——這還是一個尚在發(fā)展的新興領域。盡管如此，美國能源部和英國泵業(yè)制造商協(xié)會所做的一些工作表明了今后的發(fā)展方向。
