變速驅(qū)動－模擬系統(tǒng)控制來降低并聯(lián)泵系統(tǒng)的能耗
在各種工業(yè)流程應(yīng)用中，泵送大約會消耗總能耗的1/4。多年來，泵業(yè)生產(chǎn)商已經(jīng)對泵效問題進行了研究和改善，并獲得了持續(xù)的提升。不過，有一個問題常常會被忽略，即泵總是系統(tǒng)的一部分，還可能包括許多并聯(lián)的泵、電機、驅(qū)動裝置及其相應(yīng)的管路系統(tǒng)。尤其對并聯(lián)泵送來說，還有方方面面的問題值得我們探尋。借助不同類型的調(diào)節(jié)方法可降低這些泵送過程的能耗。很多情況下，在泵送系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)法是一種行之有效的降低調(diào)節(jié)損耗的方法。
該研究項目是芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)針對泵送系統(tǒng)開展的“全方位能效研究課題”的一部分，旨在解決與電機驅(qū)動泵的能耗、維護檢測及運行監(jiān)測相關(guān)的一系列問題。該課題與ABB芬蘭公司驅(qū)動器集團攜手展開。這項研究的目標(biāo)是針對并聯(lián)泵開發(fā)新型節(jié)能控制方案。為了達成這個目標(biāo)，引入了一種多功能的并聯(lián)泵運行監(jiān)測方法，即基于模擬狀態(tài)的并聯(lián)泵電路系統(tǒng)。
電路和水力網(wǎng)路間的類比已非鮮見，許多泵送案例和供水系統(tǒng)早已運用了這一方法。然而，在觀測由并聯(lián)泵、管道系統(tǒng)、液體特性、電機及驅(qū)動裝置組成的整個泵送工藝時，也可以充分利用兩者之間的相似性。在對整個并聯(lián)泵送工藝進行觀測時，可對一些用于電路計算的復(fù)雜工具進行改進，通常還可以進行與能耗相關(guān)的獨立計算。
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| 圖1. 兩臺泵并聯(lián)（Wirzenius 1978，131） |
節(jié)能
芬蘭與其他工業(yè)國家一樣，會在市政供水系統(tǒng)和工業(yè)流程領(lǐng)域進行泵送。泵送系統(tǒng)是市政供水領(lǐng)域中淡水供應(yīng)、污水系統(tǒng)和廢水處理過程的一部分。泵的典型應(yīng)用是將水由低位泵送至高位。泵也常用于供給化學(xué)品和循環(huán)水。
芬蘭最重要的用水大戶集中于工業(yè)領(lǐng)域，主要是因為造紙行業(yè)和電廠的發(fā)電工藝需要大量的水。工業(yè)用水占芬蘭整個國家用水量的80％之多。
據(jù)最新的一項數(shù)據(jù)估計，芬蘭的造紙、化工及金屬加工行業(yè)在泵送過程中可以節(jié)約的能量將近430 GWh/年。這只是假設(shè)在泵送系統(tǒng)中使用變頻器和高效電機時，粗略估計的節(jié)能潛力。
電路模擬工具
脫離對現(xiàn)場設(shè)備的測量來觀測實際或設(shè)計狀態(tài)下的泵系統(tǒng)的運行顯然需要許多的計算步驟。要得出并聯(lián)泵的能耗，需要計算每個環(huán)節(jié)的流量和壓頭，這對帶有調(diào)速功能的系統(tǒng)有很多困難。如上所述，在電路和水力系統(tǒng)之間的類比并不是新近的發(fā)現(xiàn)，過去在微流體應(yīng)用和給水規(guī)劃中就早有使用。這項研究發(fā)現(xiàn)，依靠軟件工具不一定比單獨的人工計算來得精確。使用軟件模擬并聯(lián)泵的優(yōu)勢是省時，特別適用于比較和分析并聯(lián)泵送的不同調(diào)節(jié)手段和系統(tǒng)方案。本案例中，模擬系統(tǒng)將實現(xiàn)整個泵和電機-驅(qū)動組合的全方位的觀測，可以看作一種尋求并聯(lián)泵系統(tǒng)節(jié)能潛力的有用工具。本章將簡要介紹一種采用模擬電路計算觀測水力系統(tǒng)的方法。
如圖1所示，并聯(lián)泵系統(tǒng)包括兩臺并聯(lián)的泵、管道以及進水罐和出水罐。 圖中還可以看到同一個泵送系統(tǒng)的電路回路。在電路中，電壓電源表示泵，電阻器表示管路中由于摩擦損失的壓頭。
該泵系統(tǒng)總壓頭可分為靜壓頭和動壓頭兩部分。靜壓頭包括測量壓頭和液面高度產(chǎn)生的壓差，動壓頭包括速度壓頭和摩擦損失壓頭。
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H：系統(tǒng)總壓頭[m]
Hst：靜壓頭[m]
Hdyn：動壓頭[m]
Hgeo：測量壓頭[m]
Pa：工廠出口處的壓力[Pa]
Pe：工廠入口處的壓力[Pa]
ρ：密度[kg/m3]
g：重力加速度[m/s2]
va：工廠出口處的流速[m/s]
ve：工廠入口處的流速[m/s]
稨r：摩擦損失壓頭[m]
動壓頭還可以被分解到若干管路中，每一段管路將包含總動壓頭的一部分�；诖耍瑘D1中泵1的系統(tǒng)壓頭公式如下：
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HAD是A點和D點之間的系統(tǒng)總壓頭[m]
Hst是儲罐液位之間的靜壓頭[m]
HdynAC是A點和C點之間的動壓頭[m]
HdynCD是C點和D點之間的動壓頭[m]
在圖1中，在泵壓力線的連接點C點之后，兩個泵的流量相加即為C點和D點之間的總動壓頭。圖1所示的泵系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，如果速度壓頭忽略不計，那么該系統(tǒng)的總壓頭為：
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其中：
Hr,AC為A點和C點之間的摩擦損失壓頭[m]
Hr,CD為C點和D點之間的摩擦損失壓頭[m]
摩擦損失壓頭由流速決定，所以系統(tǒng)壓頭隨流速而變化。其中，摩擦損失壓頭為 ：
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其中：
k：流體摩擦系數(shù)
Q：體積流量[m3/s]
如果假定靜壓頭保持穩(wěn)定，按照以上講述的方法可將目標(biāo)泵系統(tǒng)分割成無數(shù)小的管路部分，每一段都包括一定的由管道、閥門和連接件產(chǎn)生的動壓頭損失。這些管道部分可以按照管徑進行分類。那樣的話，類似泵系統(tǒng)的總系統(tǒng)壓頭就包括靜壓頭和若干不同管徑的管路所產(chǎn)生的摩擦損失壓頭總和。
假定圖1中的電源為可控的電源，電阻器為可變電阻，那么泵送系統(tǒng)和電路之間就可以進行類比了。此時，電源的電動勢就代表系統(tǒng)總壓頭，電阻器的電壓就代表管路、閥門和連接件造成的摩擦壓頭損失。此系統(tǒng)的靜壓頭就可以看作一個與電流無關(guān)的加入到系統(tǒng)中的電壓。根據(jù)這種類比，就可以通過軟件來模擬泵的性能。
