减小泵的能耗--有利于节能的五大原则 - 文章

减小泵的能耗--有利于节能的五大原则

作者：Christoph P. Pauly

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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。”

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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。

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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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/5/2013)


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