减小泵的能耗--有利于节能的五大原则

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  高效节能是所有泵类用户迟早都要解决的问题。只是简单地安装一台高效节能的电机还不足以减小泵的能耗。Daniel Gonterman提出的五项原则为我们提供了一个良好的实践基础。

  在欧盟,工业工厂的能耗几乎占到全部能耗的一半,根据德国电子电气制造商协会(ZVEI)的统计,这其中超过三分之二的能源是被泵、压缩机和风机所消耗的。泵系统的能耗约占工厂能源需求的30%。大部分泵制造商声称能够提供更高效的泵产品,以应对有关组织提出的减少碳排放的要求,满足最终用户减小生产成本的愿望。

  没有任何一种单一的解决方案或者答案能够提高泵的工作效率,因为从泵的安装到投入运行之后,会有许多因素影响其性能。泵制造商所能做的就是研发一种节能的泵系统,在其中应用最佳数量的节能装置和元件。此外,还可以帮助客户选择合适的泵。

  近年来,高效节能的电机成为能效问题的一个重要方面,引起了业界的广泛关注。根据IEC 60034-30 3008的规定,可以将标准化异步电机按照能效分为三个等级,它们分别是:IE1级标准效率电机(相当于EFF2);IE2高效率电机(相当于EFF1),以及 IE3超高效率电机。这些等级适用于0.75-375 kW功率的2、4、6极异步电机。IEC 60034-30标准涉及几乎所有电机,只有两种例外情况,一种是仅用于变频器操作的电机,另一种是完全集成到机械中的电机(无法单独对它们进行测试)。

  使用IE2(EFF1)级电机能够改善能耗情况,使总能效平均提高3.5%。但是,只有当其他相关节能措施都得以实施时,采用高效节能的电机才能真正发挥节能的作用。如果泵的工作状态远离其最佳效率点,那么采用任何高效节能的电机都无法达到合理的能耗等级。

不仅仅是电机

  凯士比(KSB)公司的Daniel Gonterman指出,要想找到最高效节能的泵安装形式,需要从五个方面着手。他介绍说,首先,在选择泵之前,泵制造商或者供应商应该全面了解用户的应用。在需要替换泵的情况下,应该深入分析现有的泵是如何工作的。

  使泵与应用相匹配是最重要的一点,分析泵在现有应用中的性能是泵选择过程中必不可少的一项内容。“从我们多年来与用户讨论负荷曲线图的经验来看,实际上很多用户并不了解泵是如何工作的。” Daniel Gonterman说,“很多用户告诉我们,他们所用泵的规格超过了实际需求,所以没有准确的数据。”

减小泵的能耗--有利于节能的五大原则

图1. 泵测量仪能够测量入口压力、出口压力、压差和扬程

  在很多应用中,特别是需要大量小功率泵的场合中,进行这样的深入分析并不现实。在需要更换泵的情况下,用户往往不愿意考虑其他的替代方案。针对这类情况,KSB研发出了一种叫做泵测量仪(PumpMeter)的监测装置(图1), 它能够测量入口压力、出口压力、压差、扬程,通过计算这些数值,能够绘制出表明工作范围的泵特性曲线,以及泵的负荷曲线图。从该图中,泵类供应商和用户能够判断现有的泵是否在高效运转,并且一眼就能看出泵的运转是否节省成本,泵的可用性是否受到影响。该监测装置代替了泵上游和下游的压力计,以及为实现控制功能所需的压力传送器,还有其他所有额外的监测设备。

  下面再来看第二个方面,即应该针对具体应用为泵选择最合适的材料和规格。仅仅为了保险而选用过大的泵是许多用户常犯的错误,同时也是造成能耗过大的最主要的因素之一。

  第三,还必须重视液压元件的效率,它们必须与性能要求准确匹配。叶轮直径就是会影响性能的一个具体例子。过大的叶轮浪费能源,所以,修整叶轮直径的外缘使其刚好满足系统所要求的流量,能够节省多达10%的能源,此外,还有利于降低维护成本,延长使用寿命。同时,阀门的液压效率也相当重要,因为压力损失会影响泵的性能。

  第四个方面与泵的转速有关。迄今为止,调节泵的转速是节能效果最好的一种措施,但是在很多行业的生产实践中,往往做不到使功率输入与实际需求完全匹配。现在有一些解决方案能够根据需要来调节泵的转速。使用变速驱动器可以提供动态的压力补偿,有利于在低流量情况下节省部分能源。使用节流阀是另一种方法。但是,变速驱动器能够使功耗减少多达60%,KSB公司生产的机动式泵驱动器(PumpDrive)还允许增加变频器,可以用它来对现有设备进行改装。

  最后一点,最佳能效取决于所用电机的类型。使用IE2(EFF1)级电机将增大电机效率,欧盟要求从2011年6月开始必须使用这类电机。从2015年1月开始,额定输出功率在7.7-375 kW的电机的能效不得低于IE3级,或者达到IE2级且装有变速驱动器。IE4级(超高效率)有望在2017年引入。

电机效率

  “在泵行业,几乎每家制造商都已经在供应IE2(EFF1)级异步电机,这似乎成为了一种标准。” Daniel Gonterman接着说。“估计在2015年之前,用户们就会希望采用IE3级电机,尽管这不是必须的。泵行业竞争激烈,许多制造商们竭力在欧盟要求的期限之前达到该标准。但是,在KSB公司,我们对即将生效的IE3标准持保留态度,因为它并没有说明泵的名义效率应该是怎样的。要让该标准适用于异步电机,IEC规范需要说明名义效率点应该是什么。我们认为,关于异步电机的这项标准不够完善,因为它没有考虑应用的本质,以及它如何影响电机效率。

  KSB公司说他们提供一种替代解决方案来满足IE3级的要求,并且该方案也能达到目前提出的IE4级的要求。Daniel Gonterman认为,通过使用同步电机一定能达到欧盟提出的这种能效等级。相比异步电机,同步电机具有更多优点,例如,通过使用变频器更容易控制同步电机,同步电机不会因滑差而导致功率损耗,而在异步电机中滑差必然导致转子磁化。当与变频器结合使用时,即使载荷变化,同步电机仍然具有恒定的效率,它还具有高名义效率点和高工作效率。在现有规定下,同步电机之所以未能在泵送应用领域得到更广泛使用的唯一原因是,它们的价格比异步电机更贵。异步电机可靠耐用,几乎不需要维护,也不需要变频器,因为它自身就能对工作做出反应。如果载荷增大,则滑差和扭矩也会相应增大,以维持工作点不变。

减小泵的能耗--有利于节能的五大原则

图2. 比较IE3级异步电动机和新颖的KSB超级电机在不同流量下的效率。

  KSB公司认为其未来的发展方向就是使用装有变频器的同步电机,以满足即将生效的IE3和现在所提出的IE4电机效率标准的要求。该解决方案能够在泵负荷曲线图所示的整个载荷范围内提供高效率。该公司已经研发出这样的电机,称为“超级电机”,其功率损耗比符合IEC 60034-30 3008标准的IE3级电机少15%(图2)。该电机的另一个特点是它不使用永磁铁;KSB称它为“同步磁阻电机”(图3)。

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图3. KSB超级电机

  目前,变频器在泵行业已经得到了相当广泛的应用,并且呈持续增长的势头。但是也有一些应用场合不需要使用变频器,例如,有固定工作点的应用,对于这种应用,IE3级异步电机仍然是最节省成本的解决方案。现在有越来越多的应用需要调节转速,在这类情况下,只需使用同步电机即可。在需要转速调节操作的应用中,安装有变频器的同步电机能够提供最高等级的效率,即使当它工作在50%负荷的情况下,仍然能减小功率损耗。

  必须说明的一点是,该解决方案的初期投资成本较高,但是,长期来看,通过减少能源成本,投资是可以收回的。当IE3级电机标准开始实施后,目前使用IE2级异步电机的用户将花费更多的资金,因为电机将变得更大。所以,在需要调节转速的应用中,还是考虑采用安装有变频器的同步电机更好。

  KSB并非采用该技术路线的唯一一家泵制造商,目前,许多其他的泵制造商要么推荐带有永磁铁的同步电机,要么在想办法改进它们的泵产品,使其装有异步电机的泵能够更高效地工作。这是一个复杂的问题,制造商们有各种不同的办法来满足IE3标准的要求。KSB采取的是长期策略,旨在帮助用户从现在开始投资,以满足将来IE4标准的要求。

总结

  高效节能的电机是所有泵类用户迟早都要面对的问题。显然,只是安装一台高效节能的电机还不足以减小泵的能耗。

  无论是为了节省能源,提高收益,减少生产成本,还是为了符合即将生效的IEC标准的要求,泵类用户都可以研究许多使系统更高效运转的方法。遵循Daniel Gonterman提出的五项原则不失为一个好主意,因为它们提供了一个良好的基础,大家可以据此展开相关工作。(

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