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化工泵節能的研究與思考

作者:進口閥門 日期:2020-06-03 點擊:177

美國沃爾頓工業集團Garcia為我們帶來一份化工泵如何節約能源的研究報告以及他的思考:

一座化工廠可能存在數百個泵送系統,而驅動泵送系統的電機和變頻器會消耗大量電力。泵占世界總電能消耗的10%。作為工業領域最大的泵用戶之一,化工行業泵的用電消耗約占其行業總用電消耗的20%

然而研究表明,制造及加工廠的泵送效率卻不到40%。過程密集型行業(如化工行業)在生產流程中大量使用泵,該流程一般由恒功率的泵 – 通常是離心泵來管理并且始終需要控制過程流量。恒功率泵以及使用傳統的流量控制方法(如節流)會浪費大量能源。改進設備或變更控制系統可實現30%-50%的能源節約。

變頻器和電機的現代化配套方式能夠更加高效地控制和監測泵的運行。

變速運行提高效率

傳統方式下,控制化工廠泵送系統中的液體流量有點像在駕駛車輛過程中將油門踩到底,同時使用制動踏板改變速度。
離心泵的出口端配備一個控制閥,而離心泵由全速運行的直接啟動(DOL)電機驅動并使用此控制閥壓制或阻礙液體,從而實現所需流量。為了安全起見,在工程設計階段通常會選擇超大規格的泵和DOL電機,但是實際上幾乎達不到最大設想流量。簡而言之,液體從由全速工作的超大規格電機驅動的超大規格泵中流出,然后遇到半閉合的流量閥。雖然流量得到控制,但是方式非常粗暴,所以會導致系統部件嚴重磨損以及浪費能源。
施加到管道系統中的多余機械能通常會帶來不必要的副作用如振動、熱量和噪聲。這些不利因素可逐漸削弱泵、管路、閥門、接頭和儀表的完整性,從而導致成本高昂的停機并降低過程可靠性。據行業內報道,與其他電機驅動型系統相比,工業過程中的泵送系統的總維護成本最高。此外,泵和閥門是司空見慣的過程泄漏來源,不僅成本高而且還危險。
調節流量和泵送容量的更好選擇是在電機上使用變頻器(VSD)。流量控制可以更加精確,還能夠大量節約能源,立方定律描述了離心泵或風扇的流量輸出與能源輸入之間的關系。例如,電機速度下降20%可使能耗降低50%。
最近,一項ABB測試對比了由恒速運行的37千瓦(kW)電機直接驅動離心泵與同等VSD控制泵系統的數據,結果突顯了VSD在部分流量控制中的優勢。與節流閥控制相比,在50%、67%83%的流量下,用電量(輸入功率)分別下降80%、61%35%。
同步磁阻電機的優勢

將感應電機替換為先進的同步電機技術,如同步磁阻(SynRM)和鐵氧體輔助同步磁阻(FA-SynRM),可進一步增加能源節約。為了對比三種不同技術的效率,分別使用感應電機(作為參考)以及SynRMFA-SynRM電機構建了三個電機驅動系統。所有三個系統采用 IEC 160框架尺寸,額定功率為 11 kW,在50 Hz下的標稱同步速度為1500 rpm。
在恒定轉矩特性曲線中,與IE3高性能感應電機相比,SynRMFA-SynRM電機每年分別實現$159$281的能源成本節約。在二次轉矩特性曲線中,分別節約了$122$213。這些節約對應不到2年的回收期,意味著這些電機在其生命周期中將實現更顯著的成本節約。與效率較低的感應電機驅動系統相比,能源節約可增加一倍以上。
同步電機不僅會提高能源效率,通常還在較低溫度下運行,有助于提高安全性和可靠性。
感應電機相對便宜、堅固,而且沒有換向器和電刷,說明其十分可靠并且幾乎無需維護。主要缺點是異步轉速會導致轉子導體損耗。這種損耗會降低效率并增加軸承中產生的熱量,從而導致軸承使用壽命縮短。盡管使用感應電機也可實現VSD控制,但是這會引發定子、轉子和VSD損耗,從而導致效率下降。
在同步電機中,轉子以與驅動磁場相同的速度轉動,消除了大多數導致轉子損耗的因素。因此,電機可在較低溫度下運行,從而延長軸承和絕緣系統等部件的使用壽命。
總擁有成本(TCO)下降

盡管在不同應用中的數字不同,但是能源在電機驅動型泵送系統的使用壽命期間占據其總擁有成本的50- 95%。大量的節約是可能的,但是經常被忽視。例如,客戶最近告訴我們稱其工廠淘汰了之前提供連續照明的500W燈泡,在能源節約方面取得了進展。這確實是一種節約,但是我們告訴他如何使配有半閉閥、連續運行的75kW 電機驅動泵的能源使用降低50%并節省37,000W——這是燈泡能源節約的75倍。
觀察一下您的周圍并思考一下:如果您使用變頻器和電機現代化的配套,也許能夠使化工廠每年節約數百萬美元。 
數字化監測和預防性維護

除了降低能源成本外,變頻器技術的進步使得其在離心泵系統中的功能價值大大增加。由于連續的數據采集所提供數字化監測以及可實現的預防性維護,使過程控制更加精細。
例如,我們現在可以僅通過變頻器數據判定泵的健康狀況,譬如是否臟污或堵塞。數字監測功能會在發生更大問題或意外故障之前通知電機和泵開始加速或減速,從而清潔葉輪。變頻器可以執行和管理的其他智能功能包括軟管填充、汽蝕監測、無傳感器流量計算、多泵控制、液位控制、干運行保護和泵清潔等程序。
利用預防性維護和遠程狀態監測可以對泵送系統進行精細校正,并且可以對任何泵送系統的健康狀況進行深入檢查,而無需在泵的運行位置對泵進行實際檢查。這一點對于數百個泵分布在工廠中難以靠近的化工行業是一個巨大的優勢。

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