提高泵送系統能源效率方法

作者：泵來源：離心泵發布時間：2024-10-22

泵送系統是能源密集型設備，其能耗占電動機能耗的近 25%，占一些工業、水和污水處理設施總能耗的20%至60%。雖然泵送要求的系統變化、正常磨損和管道內的積垢會導致效率隨時間推移而降低，但為特定應用選擇合適的泵時，通常會忽略初始成本之外的因素，從而導致長期問題和高于所需的電力成本。
1. 使用變速驅動器 (VSD)
變速驅動裝置可通過改變電機的轉速，使泵在任何揚程或流量下都能在接近其 BEP 的情況下運行，以滿足應用的實際揚程和流量需求，而不是泵所能產生的揚程和流量。
使用 VSD 的主要原因之一是在規劃階段過大的泵上，VSD會減慢電機的轉速，從而減少不必要的能源消耗來提高能效。
使用VSD提高能源效率的第二個主要原因是，在不同的時間段或不同的使用工況下泵的工作負載變化相對較大。使用VSD可以節省的能量取決于應用及其要求。
在水和污水行業，它通常可以節省30% 以上的能源使用。當與灌溉泵一起使用時，功耗可以減少75%；當安裝在乳制品應用的真空泵上時，可以節省40% 至63%的能源。因此，可以看出，雖然VSD確實是有成本的，但在許多情況下，它們所能節省的成本證明了投資的合理性。
2. 小心泵尺寸過大
當泵不在其佳效率點（BEP）的 20% 范圍內運行時，通常被認為是尺寸過大，但如果工作點在 BEP 流量的 50%至110% 范圍內，則通常被認為是可以接受的。
這個范圍允許一定的誤差，以防實際阻力曲線被高估。泵過大的原因有很多，其中一個原因是在規劃和設計階段的早期，使用管道和配件損失的估計值來確定泵的尺寸（大小）。
由于需要對設備需求進行估算，而且已發表的文獻中可能存在不同的流動阻力系數或配件損失參考值，因此在指定泵時可能會出現一定程度的誤差。
泵尺寸過大的另一個原因是考慮到系統設計可能會在幾年后進行擴容，而在當前條件下尺寸正確的泵將無法滿足未來可能出現的額外需求。有時會增加一個 "安全裕量"，并采購和安裝更大的泵，以滿足未來系統擴容的需要。
還有一些其它原因也可能導致尺寸過大，其中包括：
- 急需一臺泵，但尺寸合適的泵缺貨
- 由于預算限制，從備件庫存中選擇了一臺泵
- 在多泵系統中購買了一臺尺寸不合適新泵來替換現有泵
- 考慮到管道內部預計會有腐蝕產物積聚，從而增加泵的總揚程要求，因此泵的尺寸過大
- 為了抵消磨損的影響，增加了一個不恰當的 "安全系數"，以提高泵的流量和揚程
然而，無論過大的原因是什么，它都會產生連鎖效應，因為更高的流量和壓力要求電機提供更大的功率，這可能會導致不必要的能源消耗。
使用尺寸過大泵的情況并不少見，因為工程師通常會根據實際應用的需要來指定泵的安全裕量。例如，眾所周知，旋轉動力泵（如離心泵）通常尺寸過大 20% 至 30%。雖然如前所述，一些過大的尺寸可以很好地彌補設計過程中的不確定性，但盡可能接近BEP運行的泵將顯著提高其能源效率并減少能源使用。
可以通過多種方式確定泵是否過大，其中包括：
- 如果需要通過節流來滿足系統性能要求
- 具有較高的旁通流量
- 運行流量與泵的 BEP 流量相差 10% 至 20% 以上
- 流動噪音過大
- 軸承和密封需要經常更換
- 具有間歇性運行，如泵循環系統
3. 切割或者更換葉輪
如果泵的尺寸過大，與其更換整臺泵并避免昂貴的操作流程（如節流以提高能源效率），不如切割或更換葉輪，這是降低壓力和流量的一種相對經濟有效的方法。切割包括對葉輪進行機加工以減小其直徑。
然而，切割應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變大，如果葉輪切割過度，會導致更大的流量再循環（內部回流）并降低泵送效率。
通過切割葉輪，可以降低葉輪出口邊的流速，從而減少泵送流體的能量，導致泵的流量和壓力降低。因此，在當前葉輪產生過大揚程的應用中，使用較小或經過切割的葉輪可以提高效率。
泵殼體和軸的設計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，說明不同型號的泵在使用不同直徑葉輪時的性能。葉輪的切割不應小于曲線所示小直徑。
4. 并聯泵
對于存在多個不同工作要求的系統中，除了使用VSD之外，還有一種替代方法就是安裝多臺泵，以靈活地提供所需的流量。
與單臺泵相比，安裝多臺泵為系統提供了更大的運行靈活性、更高的效率，如果一臺泵發生故障，系統可以繼續運行，并且維護要求也更低。
這種設置的常見配置之一是安裝一臺小泵來滿足低流量運行，而安裝大泵來應對大設計流量。這樣可以確保所有泵都不需要在遠離其BEP的地方運行。
然而，實現這些優勢的關鍵在于選擇正確的泵，因為如果沒有正確選擇并聯泵，或者沒有以組合方式運行，就會影響可靠性和整體系統效率。
這種現象并不少見，可能會導致一些問題，例如其中一臺泵在（出口閥）關閉狀態下運行，從而導致過熱和故障。為了選擇泵組合，應計算每臺泵的能效（gmp/kW），然后選擇能效高的單泵或泵組合。
5. 控制系統
泵不必要地運行，導致使用的能量超過所需的能量，這種情況并不少見。安裝控制系統將使泵送系統能夠遠程控制，允許根據當時的泵送要求啟動和停止泵送系統。
例如，如果多臺泵都在運行，但目前的流量只需要一臺泵，那么其它泵就可以停止運行，并在以后需要高流量時重新啟動其它泵。
6. 泵的磨損和維護
泵磨損是降低能源效率的一個關鍵領域，其損失范圍在10%-25%之間。大多數磨損發生在運行的頭幾年，并將導致泵的BEP在泵曲線上向左移動。
磨損的跡象包括汽蝕、動/靜零部件之間的間隙增加、耐磨環和軸承磨損以及泵軸上的填料調整（對于填料密封）。雖然磨損是不可避免的，但確保進行日常維護將有助于減少磨損造成的效率損失，并減緩磨損過程。這大約可以節省2%-7%的能源。
適當的維護和保養包括更換磨損的葉輪和/或耐磨環、軸承檢查及維修、更換軸承潤滑油、檢查和更換填料或機械密封以及檢查泵/電機對中情況。
當泵的運行效率太低，而維護又無法改善時，更換泵是降低長期能源成本選擇。除了維護泵之外，清潔和維護管道也會影響系統的能源效率。
7. 優化管道
雖然管道在安裝后可以進行優化，但卻很難修復，因此在泵送系統的設計階段就必須花時間從一開始就進行正確的設計，通過避免急彎和管道尺寸的突然變化來確保將壓降降低。
應使用低損失的閥門和配件，在選擇管道時應平衡管道的初始成本和通過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。
通過優化管道，可以限制摩擦壓降，進而提高能效，因為泵克服摩擦損失所需的能量減少了。
8. 檢查電機
就像過大的泵會降低系統的能源效率一樣，過大的電機也會導致這種情況。指定使用過大電機的原因有很多，包括考慮到未來可能增加的泵送能力、負載波動或電壓不平衡，以及在采購設備時無法獲得正確尺寸的電機。
市場上有一些避免電機過大的選擇，其中一些正在開發中，它們能夠適應短期過載，從而避免選擇過大。
還可以安裝高效電機，這樣可以帶來一系列好處，包括節約能源成本、通過改進設計和結構減少故障，以及降低功率因數和效率對電壓和負載波動的敏感性。

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