關(guān)鍵詞 智能泵 節(jié)能 智能成本 效益

    智能泵 (IntelligentPumps)是具有一定的計算機(jī)處理能力，可以部分替代人工智力的泵或泵系統(tǒng)的總稱。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的泵制造業(yè)已向著節(jié)能化、智能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。應(yīng)該說，在泵的設(shè)計、制造、運(yùn)行、維護(hù)以及選型、銷售等各方面，都存在智能化的發(fā)展空間。但從目前看，智能泵*明顯的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能和自動控制，而*早提出智能泵需要的也是因為節(jié)能。

    一、泵的節(jié)能潛力

    泵是耗能的大戶， 據(jù)資料介紹， 泵的耗電量約占國內(nèi)總耗電量的20%， 泵所配套的電動機(jī)功率約占國內(nèi)電動機(jī)總?cè)萘康?45%。 在石油和化工廠中，泵的耗電量則更高，分別達(dá)到59%和26%。因此，泵的節(jié)能是一項意義深遠(yuǎn)的大事。

   在我國，過去泵運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量損失很大，離心泵的調(diào)節(jié)，多采用閥門控制和啟閉旁通等方法。據(jù)一份國外調(diào)查資料顯示，在20個工廠運(yùn)行的1690臺泵中，其平均效率只有40%，有10%的泵效率甚至只有10%。

   以上數(shù)字顯示，在泵行業(yè)中蘊(yùn)藏著多么巨大的節(jié)能潛力。假如國內(nèi)所有在役的泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率都能提高1%，則全年可節(jié)電44億kW·h，折合電費(fèi)38億元(按上海市高峰時段工業(yè)用電0.865元/kW·h計算)。

    泵效率的提高包括二個方面：一是泵主機(jī)設(shè)計效率的提高。由于設(shè)計人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，已經(jīng)千方百計地提高主機(jī) 在 設(shè)計工況點(diǎn)的效率，因此提高 1%的效率也是十分困難的。二是提高整個泵運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率。據(jù)一些資料介紹，將原來旁路調(diào)節(jié)改成變速調(diào)節(jié)后，整個泵系統(tǒng)的效率可以提高 30%甚至更高 。因此，智能泵的含義并非在智能泵本身，而在于泵的整個智能系統(tǒng) (Intelligent PumpingSystems)。智能泵的出現(xiàn)，將離心泵的調(diào)節(jié)帶入了現(xiàn)代化的模式，也帶來了嶄新的管理概念，因此可以說是泵系統(tǒng)工程和管理上的一次**，也是泵業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

   由于離心泵的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，若將離心泵的旁路調(diào)節(jié)改為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其效果將非常明顯。若流量減少10%～20%，則泵的參數(shù)大體如表1所示(未考慮性能曲線的影響)。但實際上離心泵受性能曲線的影響，當(dāng)流量減少時，揚(yáng)程將會升高，因此仍可維持工藝所需的揚(yáng)程，而節(jié)能效果則會稍低于表1的值。其他調(diào)節(jié)方式的節(jié)能效果則介乎二者之間。

表 1 離心泵變頻調(diào)節(jié)與旁通調(diào)節(jié)的比較

    二、全壽命成本

    全壽命成本 LCC( Life Cycle Costs)，又譯作“ 壽命周期成本 ”，是指從產(chǎn)品籌劃到產(chǎn)品廢棄為止整個過程所覆蓋的成本。它既包括了生產(chǎn)者的視角，也包括了消費(fèi)者的視角。但消費(fèi)者從生產(chǎn)者手中將產(chǎn)品買過來，因此，產(chǎn)品成本加產(chǎn)品利潤，再加上消費(fèi)成本，就成了用戶的全壽命成本。

    據(jù)“泵的全壽命成??” [1]一書的作者介紹，泵的全壽命成本包括設(shè)備初置費(fèi)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)(即電費(fèi))、維護(hù)費(fèi)和其它費(fèi)用四部分。對于一個典型的中等規(guī)模的泵工業(yè)裝置而言，其四部分費(fèi)用所占的比例如圖1所示。

圖 1 泵的全壽命成本四項基本費(fèi)用

    圖1的費(fèi)用比例(工資、價格因素等)是參考國外的標(biāo)準(zhǔn)制作的。圖中設(shè)備初置費(fèi)只占總費(fèi)用的10%。事實上， 購買價格可能由于制造商的不同會有30%的差距，但對于一個使用期限超過15年的泵， 設(shè)備初置費(fèi) 在它的全壽命成本中，往往是*少考慮的因素。對于維護(hù)費(fèi)用常有不同的看法，圖1中，維護(hù)費(fèi)指備品配件費(fèi)加人工費(fèi)，它通常占到全壽命成本的 25% ~ 40% ，因此，它對泵經(jīng)濟(jì)性的影響要比購買泵的初始費(fèi)用更加重要。耗能費(fèi)用是可以測試的，也可以按性能曲線測算，它所占的比例*大，在圖1中達(dá)到45%，在有些資料統(tǒng)計中甚至高達(dá)70%。

表 2 全壽命成本節(jié)約費(fèi)用實際案例匯總表

    表 2是根據(jù) 歐洲若干工廠泵節(jié)能改造的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)制作的，從表2 可以看出，泵系統(tǒng)的節(jié)能改造重點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)(電費(fèi))和維護(hù)費(fèi)上，*初的投資或改造費(fèi)用一般一年多就可以回收，*長的約三年多可以回收。

    三、泵的智能化

   泵的智能化應(yīng)在二個方面努力，一是希望離心泵的效率曲線比較平坦，當(dāng)流量發(fā)生變化時，效率的變化盡可能地少。但這方面的潛力非常有限，因此重點(diǎn)在操作運(yùn)轉(zhuǎn)方面。當(dāng)外界工藝流量發(fā)生變化時，泵的智能系統(tǒng)應(yīng)能及時地接收工藝參數(shù)變化的信息，迅速地進(jìn)行自動化運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果反饋到調(diào)節(jié)閥或變頻器，準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)所需的閥門開度或電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成變工況應(yīng)對。在所有的調(diào)節(jié)方法中，尤以變速調(diào)節(jié)*為節(jié)能。

   因此，泵的智能系統(tǒng)主要應(yīng)包括下述套件：泵主機(jī)、變頻電機(jī)、變頻器、信號傳感器、控制模塊、可編程序控制器等。

    變頻器VFD( Variable FrequencyDrives)，又稱變頻調(diào)速器，受智能運(yùn)算反饋信息的控制，將輸入頻率為50Hz的交流電，逆變?yōu)橄鄳?yīng)赫茲(Hz)的電流輸出。三相電機(jī)的變頻范圍為0-60Hz，單相電機(jī)的變頻范圍為40～70Hz。

    變速電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n =60f (1— s )/ P

    式中 f ——變頻后的交流電頻率，通常為40～50Hz。

    若取 轉(zhuǎn)差率 s =0.007，電動機(jī)電極對數(shù) P =1，則80%～90%流量調(diào)節(jié)的頻率分別為 f =45Hz和40Hz(見表1)。

    可編程序控制器 PLC，又稱可編邏輯控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用了可編程序的存儲器，在內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算，是一種以計算機(jī)為核心的自動控制裝置，用以取代繼電器，對各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。智能泵的可編程序控制器可控制泵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)管理、預(yù)防汽蝕、診斷報警等。 ITT高質(zhì)泵公司的PumpSmart 智能控制器(見圖2)，是一種更為先進(jìn)的綜合控制器，已將控制模塊、編程器等制作成整體，并設(shè)置好參數(shù)，一般 不需要用戶自己編程。

   典型的智能泵系統(tǒng)和監(jiān)控原理如圖2、圖3所示。其對應(yīng)的代號意義為：C—控制臺，CM—控制模塊，D—電動機(jī)，P—泵主機(jī)， PLC—可編程序控制器， T— 信號傳感器， VFD— 變頻器。

    智能泵系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下：

    當(dāng)外界(工藝流程)的參數(shù)發(fā)生變化時(例如，因流量過大而引起出口壓力降低時)，由裝在進(jìn)口(或出口)的進(jìn)出口信號傳感器T將信號傳遞給控制模塊CM?？刂颇K由若干個集成電路模塊組成，如電源系統(tǒng)模塊CM1、數(shù)據(jù)采集模塊CM2、驅(qū)動控制模塊CM3、信息顯示模塊CM4、輸入輸出模塊CM5等等?？刂颇K經(jīng)過運(yùn)算將結(jié)果顯示在信號柜C(或控制柜)上并同時向變頻器VFD發(fā)出調(diào)頻指令，變速電機(jī)D接受調(diào)頻指令后開始降速，泵(主機(jī))P的出口流量逐漸減少，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。與控制模塊相連接的還有可編程序控制器，可以預(yù)先存儲泵的性能曲線、流體密度、控制參數(shù)等。在一般情況下，預(yù)存的參數(shù)不需作任何調(diào)整，當(dāng)有重大參數(shù)改變時，則可重新編制預(yù)存的參數(shù)。泵的性能曲線呈拋物線狀，一般使用其下降段，它是在泵設(shè)計或試驗時獲得的，可以用簡單的數(shù)學(xué)模型將其分段編程。

    四、任重而道遠(yuǎn)的歷程

   節(jié)能泵的開發(fā)和利用是全體泵業(yè)共同努力的結(jié)果，因此才有智能泵這樣重大的突破。對此許多國內(nèi)外公司做了大量的工作，例如，ITT高質(zhì)泵公司就較早地向國內(nèi)介紹并展出了 智能泵的系列產(chǎn)品，提出全壽命成本的理念，大大地提高了泵系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。石家莊易奧科技發(fā)展有限公司率先開發(fā)出“水泵變頻調(diào)速的節(jié)電量計算及系統(tǒng)設(shè)計”，解決了節(jié)電量量化計算問題。還有許多個人也對節(jié)能泵的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，如大連的李冬貴，發(fā)明了“工業(yè)流程智能泵”(國內(nèi)號ZL01211714.5，國際公開號WO02/66835AI)。

    智能 泵的迅速發(fā)展也依賴于變頻技術(shù)的發(fā)展，因此也可以說 智能泵是工業(yè)控制自動化在泵業(yè)中成功應(yīng)用的一個實例。 現(xiàn)在，在不同的技術(shù)領(lǐng)域有許多文章介紹泵及變頻控制在工業(yè)上應(yīng)用的實例，智能泵的利用是牽涉多個行業(yè)在用戶應(yīng)用的一項系統(tǒng)工程 。這項系統(tǒng)工程所考慮的不僅是技術(shù)，更為實際和重要的應(yīng)為經(jīng)濟(jì)效益和社會效益?，F(xiàn)在，智能泵的技術(shù)性問題應(yīng)該說不是“瓶頸”，不久前在上海舉辦的 PSC2005 第六屆中國國際流體機(jī)械、通用設(shè)備展上，ITT高質(zhì)泵公司展出的復(fù)式智能 泵演示系統(tǒng)，向觀眾充分顯示了 ITT 智能泵的先進(jìn)性和可靠性。而令用戶需切實考慮的則是投入和產(chǎn)出的比例，即因采用 智能泵而增加的投資需要幾年可以回收。筆者認(rèn)為，對新建裝置而言，比較科學(xué)的考慮是接受 全壽命成本 LCC的思考方式，對老裝置改造而言，回收期則以低于 2~3 年為宜。

   另一個需要重大考慮的問題是社會效益，這實際上是國家的能源政策問題。 據(jù)報道， 2003年 我國GDP占全球3.8%，但消耗全球能源卻占到了11%。我國單位GDP能耗是美國的4.3倍、德國和法國的7.7倍、日本的11.5倍。我國能源專家呼吁，“我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行仍是高投入、高消耗的粗放型經(jīng)濟(jì) 增長方式 ，它 帶來了資源枯竭、環(huán)境污染等諸多問題，已經(jīng)難以為繼”。因此，在泵業(yè)這個巨大的能源管理空間上，深挖節(jié)能潛力，推廣應(yīng)用節(jié)能系統(tǒng)(智能泵)，不僅是企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益所在，也是作為國民對國家的一種責(zé)任。(選自《通用機(jī)械》2005年第9期)

    作者：國內(nèi)化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站陳楚成；天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院 陳宗華