減小泵的能耗--有利于節(jié)能的五大原則
高效節(jié)能是所有泵類用戶遲早都要解決的問題。只是簡單地安裝一臺高效節(jié)能的電機還不足以減小泵的能耗。Daniel Gonterman提出的五項原則為我們提供了一個良好的實踐基礎。
在歐盟，工業(yè)工廠的能耗幾乎占到全部能耗的一半，根據德國電子電氣制造商協(xié)會(ZVEI)的統(tǒng)計，這其中超過三分之二的能源是被泵、壓縮機和風機所消耗的。泵系統(tǒng)的能耗約占工廠能源需求的30%。大部分泵制造商聲稱能夠提供更高效的泵產品，以應對有關組織提出的減少碳排放的要求，滿足最終用戶減小生產成本的愿望。
沒有任何一種單一的解決方案或者答案能夠提高泵的工作效率，因為從泵的安裝到投入運行之后，會有許多因素影響其性能。泵制造商所能做的就是研發(fā)一種節(jié)能的泵系統(tǒng)，在其中應用最佳數量的節(jié)能裝置和元件。此外，還可以幫助客戶選擇合適的泵。
近年來，高效節(jié)能的電機成為能效問題的一個重要方面，引起了業(yè)界的廣泛關注。根據IEC 60034-30 3008的規(guī)定，可以將標準化異步電機按照能效分為三個等級，它們分別是：IE1級標準效率電機(相當于EFF2);IE2高效率電機(相當于EFF1)，以及 IE3超高效率電機。這些等級適用于0.75-375 kW功率的2、4、6極異步電機。IEC 60034-30標準涉及幾乎所有電機，只有兩種例外情況，一種是僅用于變頻器操作的電機，另一種是完全集成到機械中的電機(無法單獨對它們進行測試)。
使用IE2(EFF1)級電機能夠改善能耗情況，使總能效平均提高3.5%。但是，只有當其他相關節(jié)能措施都得以實施時，采用高效節(jié)能的電機才能真正發(fā)揮節(jié)能的作用。如果泵的工作狀態(tài)遠離其最佳效率點，那么采用任何高效節(jié)能的電機都無法達到合理的能耗等級。
不僅僅是電機
凱士比(KSB)公司的Daniel Gonterman指出，要想找到最高效節(jié)能的泵安裝形式，需要從五個方面著手。他介紹說，首先，在選擇泵之前，泵制造商或者供應商應該全面了解用戶的應用。在需要替換泵的情況下，應該深入分析現有的泵是如何工作的。
使泵與應用相匹配是最重要的一點，分析泵在現有應用中的性能是泵選擇過程中必不可少的一項內容。“從我們多年來與用戶討論負荷曲線圖的經驗來看，實際上很多用戶并不了解泵是如何工作的。” Daniel Gonterman說，“很多用戶告訴我們，他們所用泵的規(guī)格超過了實際需求，所以沒有準確的數據。”
圖1. 泵測量儀能夠測量入口壓力、出口壓力、壓差和揚程
在很多應用中，特別是需要大量小功率泵的場合中，進行這樣的深入分析并不現實。在需要更換泵的情況下，用戶往往不愿意考慮其他的替代方案。針對這類情況，KSB研發(fā)出了一種叫做泵測量儀(PumpMeter)的監(jiān)測裝置(圖1)， 它能夠測量入口壓力、出口壓力、壓差、揚程，通過計算這些數值，能夠繪制出表明工作范圍的泵特性曲線，以及泵的負荷曲線圖。從該圖中，泵類供應商和用戶能夠判斷現有的泵是否在高效運轉，并且一眼就能看出泵的運轉是否節(jié)省成本，泵的可用性是否受到影響。該監(jiān)測裝置代替了泵上游和下游的壓力計，以及為實現控制功能所需的壓力傳送器，還有其他所有額外的監(jiān)測設備。
下面再來看第二個方面，即應該針對具體應用為泵選擇最合適的材料和規(guī)格。僅僅為了保險而選用過大的泵是許多用戶常犯的錯誤，同時也是造成能耗過大的最主要的因素之一。
第三，還必須重視液壓元件的效率，它們必須與性能要求準確匹配。葉輪直徑就是會影響性能的一個具體例子。過大的葉輪浪費能源，所以，修整葉輪直徑的外緣使其剛好滿足系統(tǒng)所要求的流量，能夠節(jié)省多達10%的能源，此外，還有利于降低維護成本，延長使用壽命。同時，閥門的液壓效率也相當重要，因為壓力損失會影響泵的性能。
第四個方面與泵的轉速有關。迄今為止，調節(jié)泵的轉速是節(jié)能效果最好的一種措施，但是在很多行業(yè)的生產實踐中，往往做不到使功率輸入與實際需求完全匹配�，F在有一些解決方案能夠根據需要來調節(jié)泵的轉速。使用變速驅動器可以提供動態(tài)的壓力補償，有利于在低流量情況下節(jié)省部分能源。使用節(jié)流閥是另一種方法。但是，變速驅動器能夠使功耗減少多達60%，KSB公司生產的機動式泵驅動器(PumpDrive)還允許增加變頻器，可以用它來對現有設備進行改裝。
最后一點，最佳能效取決于所用電機的類型。使用IE2(EFF1)級電機將增大電機效率，歐盟要求從2011年6月開始必須使用這類電機。從2015年1月開始，額定輸出功率在7.7-375 kW的電機的能效不得低于IE3級，或者達到IE2級且裝有變速驅動器。IE4級(超高效率)有望在2017年引入。
電機效率
“在泵行業(yè)，幾乎每家制造商都已經在供應IE2(EFF1)級異步電機，這似乎成為了一種標準。” Daniel Gonterman接著說。“估計在2015年之前，用戶們就會希望采用IE3級電機，盡管這不是必須的。泵行業(yè)競爭激烈，許多制造商們竭力在歐盟要求的期限之前達到該標準。但是，在KSB公司，我們對即將生效的IE3標準持保留態(tài)度，因為它并沒有說明泵的名義效率應該是怎樣的。要讓該標準適用于異步電機，IEC規(guī)范需要說明名義效率點應該是什么。我們認為，關于異步電機的這項標準不夠完善，因為它沒有考慮應用的本質，以及它如何影響電機效率。
KSB公司說他們提供一種替代解決方案來滿足IE3級的要求，并且該方案也能達到目前提出的IE4級的要求。Daniel Gonterman認為，通過使用同步電機一定能達到歐盟提出的這種能效等級。相比異步電機，同步電機具有更多優(yōu)點，例如，通過使用變頻器更容易控制同步電機，同步電機不會因滑差而導致功率損耗，而在異步電機中滑差必然導致轉子磁化。當與變頻器結合使用時，即使載荷變化，同步電機仍然具有恒定的效率，它還具有高名義效率點和高工作效率。在現有規(guī)定下，同步電機之所以未能在泵送應用領域得到更廣泛使用的唯一原因是，它們的價格比異步電機更貴。異步電機可靠耐用，幾乎不需要維護，也不需要變頻器，因為它自身就能對工作做出反應。如果載荷增大，則滑差和扭矩也會相應增大，以維持工作點不變。
圖2. 比較IE3級異步電動機和新穎的KSB超級電機在不同流量下的效率。
KSB公司認為其未來的發(fā)展方向就是使用裝有變頻器的同步電機，以滿足即將生效的IE3和現在所提出的IE4電機效率標準的要求。該解決方案能夠在泵負荷曲線圖所示的整個載荷范圍內提供高效率。該公司已經研發(fā)出這樣的電機，稱為“超級電機”，其功率損耗比符合IEC 60034-30 3008標準的IE3級電機少15%(圖2)。該電機的另一個特點是它不使用永磁鐵;KSB稱它為“同步磁阻電機”(圖3)。
圖3. KSB超級電機
目前，變頻器在泵行業(yè)已經得到了相當廣泛的應用，并且呈持續(xù)增長的勢頭。但是也有一些應用場合不需要使用變頻器，例如，有固定工作點的應用，對于這種應用，IE3級異步電機仍然是最節(jié)省成本的解決方案�，F在有越來越多的應用需要調節(jié)轉速，在這類情況下，只需使用同步電機即可。在需要轉速調節(jié)操作的應用中，安裝有變頻器的同步電機能夠提供最高等級的效率，即使當它工作在50%負荷的情況下，仍然能減小功率損耗。
必須說明的一點是，該解決方案的初期投資成本較高，但是，長期來看，通過減少能源成本，投資是可以收回的。當IE3級電機標準開始實施后，目前使用IE2級異步電機的用戶將花費更多的資金，因為電機將變得更大。所以，在需要調節(jié)轉速的應用中，還是考慮采用安裝有變頻器的同步電機更好。
KSB并非采用該技術路線的唯一一家泵制造商，目前，許多其他的泵制造商要么推薦帶有永磁鐵的同步電機，要么在想辦法改進它們的泵產品，使其裝有異步電機的泵能夠更高效地工作。這是一個復雜的問題，制造商們有各種不同的辦法來滿足IE3標準的要求。KSB采取的是長期策略，旨在幫助用戶從現在開始投資，以滿足將來IE4標準的要求。
總結
高效節(jié)能的電機是所有泵類用戶遲早都要面對的問題。顯然，只是安裝一臺高效節(jié)能的電機還不足以減小泵的能耗。
無論是為了節(jié)省能源，提高收益，減少生產成本，還是為了符合即將生效的IEC標準的要求，泵類用戶都可以研究許多使系統(tǒng)更高效運轉的方法。遵循Daniel Gonterman提出的五項原則不失為一個好主意，因為它們提供了一個良好的基礎，大家可以據此展開相關工作。(
