摘要本文對智能泵進行了綜述，重點介紹了智能泵的節能、全壽命成本、智能及經濟效益等。關鍵詞智能泵節能智能成本效益智能泵(IntelligentPumps)是具有壹定的計算機處理能力，可以部分替代人工智力的泵或泵系統的總稱。隨著科學技術的發展，特別是計算機和信息技術的迅速發展，傳統的泵制造業已向著節能化、智能化、現代化的方向發展。應該說，在泵的設計、制造、運行、維護以及選型、銷售等各方面，都存在智能化的發展空間。但從目前看，智能泵最明顯的優點是節能和自動控制，而最早提出智能泵需要的也是因為節能。壹、泵的節能潛力泵是耗能的大戶，據資料介紹，泵的耗電量約占全國總耗電量的20%，泵所配套的電動機功率約占全國電動機總容量的45%。在石油和化工廠中，泵的耗電量則更高，分別達到59%和26%。因此，泵的節能是壹項意義深遠的大事。在我國，過去泵運轉系統的能量損失很大，離心泵的調節，多采用閥門控制和啟閉旁通等方法。據壹份國外調查資料顯示，在20個工廠運行的1690臺泵中，其平均效率只有40%，有10%的泵效率甚至只有10%。以上數字顯示，在泵行業中蘊藏著多麽巨大的節能潛力。假如全國所有在役的泵運轉效率都能提高1%，則全年可節電44億kW?h，折合電費38億元(按上海市高峰時段工業用電0.865元/kW?h計算)。泵效率的提高包括二個方面：壹是泵主機設計效率的提高。由於設計人員在進行產品設計時，已經千方百計地提高主機在設計工況點的效率，因此提高1%的效率也是十分困難的。二是提高整個泵運轉系統的效率。據壹些資料介紹，將原來旁路調節改成變速調節後，整個泵系統的效率可以提高30%甚至更高。因此，智能泵的含義並非在智能泵本身，而在於泵的整個智能系統(IntelligentPumpingSystems)。智能泵的出現，將離心泵的調節帶入了現代化的模式，也帶來了嶄新的管理概念，因此可以說是泵系統工程和管理上的壹次革命，也是泵業發展的必然趨勢。由於離心泵的流量與轉速的壹次方成正比，揚程與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比，因此，若將離心泵的旁路調節改為轉速調節，其效果將非常明顯。若流量減少10%～20%，則泵的參數大體如表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，當流量減少時，揚程將會升高，因此仍可維持工藝所需的揚程，而節能效果則會稍低於表1的值。其他調節方式的節能效果則介乎二者之間。表1離心泵變頻調節與旁通調節的比較序號調節方式變頻調節旁通調節1流量調節100%90%80%80%~100%2電機轉速n/(r/min)29502655236029503變頻頻率f/Hz504540504揚程變化H(%)10081641005耗電量變化(%)1007348100二、全壽命成本全壽命成本LCC(LifeCycleCosts)，又譯作?壽命周期成本?，是指從產品籌劃到產品廢棄為止整個過程所覆蓋的成本。它既包括了生產者的視角，也包括了消費者的視角。但消費者從生產者手中將產品買過來，因此，產品成本加產品利潤，再加上消費成本，就成了用戶的全壽命成本。據?泵的全壽命成本?[1]壹書的作者介紹，泵的全壽命成本包括設備初置費、運轉費(即電費)、維護費和其它費用四部分。對於壹個典型的中等規模的泵工業裝置而言，其四部分費用所占的比例如圖1所示。圖1泵的全壽命成本四項基本費用圖1的費用比例(工資、價格因素等)是參考國外的標準制作的。圖中設備初置費只占總費用的10%。事實上，購買價格可能由於制造商的不同會有30%的差距，但對於壹個使用期限超過15年的泵，設備初置費在它的全壽命成本中，往往是最少考慮的因素。對於維護費用常有不同的看法，圖1中，維護費指備品配件費加人工費，它通常占到全壽命成本的25%~40%，因此，它對泵經濟性的影響要比購買泵的初始費用更加重要。耗能費用是可以測試的，也可以按性能曲線測算，它所占的比例最大，在圖1中達到45%，在有些資料統計中甚至高達70%。表2全壽命成本節約費用實際案例匯總表序號工業部門/應用案例節省方式節約費用投資回收期(年)全壽命成本節約的歐元1建築業/空調單臺旁通調節大型泵單臺節流閥控制大型泵3臺變速調節泵電費47，80070，4002造紙業/循環水泵安裝2臺不同條件的循環水泵電費0.5711，9003化工/冷凝液出口泵修正葉輪換新的小電機電費加維護費0.063.1107，0008，6004供水/配水站泵換壹臺正常效率的泵電費0.7121，0005廢水/排汙泵因減荷，3臺大泵中有1臺換成小的電費加維護費3.338，1006鋼廠/水循環采取提高葉輪表面效率的措施電費0.425，8007化工/工藝出口泵取消輔助冷卻電費和水費0.285，7008家用電器/天然水泵變頻驅動電費0.5128，0009礦山/換泵馬達換效率高的馬達電費1.822，50010電廠/冷卻水循環泵改變泵出口水力特性1未改動的原蝸殼泵2可調葉片斜流泵3可調進口導葉混流泵電費1.40.4?18，394，00014，518，00011建築業/家用循環泵換小泵電費93012建築/辦公用循環泵改造電費10，70013化工/漿料軟管泵高投入增加軟管維護費0.8793014食品業/隔膜泵增添金屬閥門維護費1.63400表2是根據歐洲若幹工廠泵節能改造的實際統計數據制作的，從表2可以看出，泵系統的節能改造重點在運轉費(電費)和維護費上，最初的投資或改造費用壹般壹年多就可以回收，最長的約三年多可以回收。三、泵的智能化泵的智能化應在二個方面努力，壹是希望離心泵的效率曲線比較平坦，當流量發生變化時，效率的變化盡可能地少。但這方面的潛力非常有限，因此重點在操作運轉方面。當外界工藝流量發生變化時，泵的智能系統應能及時地接收工藝參數變化的信息，迅速地進行自動化運算並將運算結果反饋到調節閥或變頻器，準確地調節所需的閥門開度或電機轉速，完成變工況應對。在所有的調節方法中，尤以變速調節最為節能。因此，泵的智能系統主要應包括下述套件：泵主機、變頻電機、變頻器、信號傳感器、控制模塊、可編程序控制器等。變頻器VFD(VariableFrequencyDrives)，又稱變頻調速器，受智能運算反饋信息的控制，將輸入頻率為50Hz的交流電，逆變為相應赫茲(Hz)的電流輸出。三相電機的變頻範圍為0-60Hz，單相電機的變頻範圍為40～70Hz。變速電機的轉速n=60f(1?s)/P式中f?變頻後的交流電頻率，通常為40～50Hz。若取轉差率s=0.007，電動機電極對數P=1，則80%～90%流量調節的頻率分別為f=45Hz和40Hz(見表1)。可編程序控制器PLC，又稱可編邏輯控制器，是壹種數字運算操作的電子系統。它采用了可編程序的存儲器，在內部執行邏輯運算，是壹種以計算機為核心的自動控制裝置，用以取代繼電器，對各種機械或生產過程進行控制。智能泵的可編程序控制器可控制泵系統的運轉、維護管理、預防汽蝕、診斷報警等。ITT高質泵公司的PumpSmart智能控制器(見圖2)，是壹種更為先進的綜合控制器，已將控制模塊、編程器等制作成整體，並設置好參數，壹般不需要用戶自己編程。典型的智能泵系統和監控原理如圖2、圖3所示。其對應的代號意義為：C?控制臺，CM?控制模塊，D?電動機，P?泵主機，PLC?可編程序控制器，T?信號傳感器，VFD?變頻器。智能泵系統的運行過程如下：當外界(工藝流程)的參數發生變化時(例如，因流量過大而引起出口壓力降低時)，由裝在進口(或出口)的進出口信號傳感器T將信號傳遞給控制模塊CM。控制模塊由若幹個集成電路模塊組成，如電源系統模塊CM1、數據采集模塊CM2、驅動控制模塊CM3、信息顯示模塊CM4、輸入輸出模塊CM5等等。控制模塊經過運算將結果顯示在信號櫃C(或控制櫃)上並同時向變頻器VFD發出調頻指令，變速電機D接受調頻指令後開始降速，泵(主機)P的出口流量逐漸減少，系統達到新的平衡。與控制模塊相連接的還有可編程序控制器，可以預先存儲泵的性能曲線、流體密度、控制參數等。在壹般情況下，預存的參數不需作任何調整，當有重大參數改變時，則可重新編制預存的參數。泵的性能曲線呈拋物線狀，壹般使用其下降段，它是在泵設計或試驗時獲得的，可以用簡單的數學模型將其分段編程。四、任重而道遠的歷程節能泵的開發和利用是全體泵業***同努力的結果，因此才有智能泵這樣重大的突破。對此許多國內外公司做了大量的工作，例如，ITT高質泵公司就較早地向國內介紹並展出了智能泵的系列產品，提出全壽命成本的理念，大大地提高了泵系統運轉的效率。石家莊易奧科技發展有限公司率先開發出?水泵變頻調速的節電量計算及系統設計?，解決了節電量量化計算問題。還有許多個人也對節能泵的發展做出了貢獻，如大連的李冬貴，發明了?工業流程智能泵?專利(國內專利號ZL01211714.5，國際公開號WO02/66835AI)。智能泵的迅速發展也依賴於變頻技術的發展，因此也可以說智能泵是工業控制自動化在泵業中成功應用的壹個實例。現在，在不同的技術領域有許多文章介紹泵及變頻控制在工業上應用的實例，智能泵的利用是牽涉多個行業在用戶應用的壹項系統工程。這項系統工程所考慮的不僅是技術，更為實際和重要的應為經濟效益和社會效益。現在，智能泵的技術性問題應該說不是?瓶頸?，不久前在上海舉辦的PSC2005第六屆中國國際流體機械、通用設備展上，ITT高質泵公司展出的復式智能泵演示系統，向觀眾充分顯示了ITT智能泵的先進性和可靠性。而令用戶需切實考慮的則是投入和產出的比例，即因采用智能泵而增加的投資需要幾年可以回收。筆者認為，對新建裝置而言，比較科學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，回收期則以低於2~3年為宜。另壹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。我國能源專家呼籲，?我國經濟運行仍是高投入、高消耗的粗放型經濟增長方式，它帶來了資源枯竭、環境汙染等諸多問題，已經難以為繼?。因此，在泵業這個巨大的能源管理空間上，深挖節能潛力，推廣應用節能系統(智能泵)，不僅是企業的經濟利益所在，也是作為國民對國家的壹種責任。(選自《通用機械》2005年第9期)作者：全國化工設備設計技術中心站陳楚成；天華化工機械及自動化研究設計院陳宗華參考文獻1?PumpLifeCycleCosts:AguidetoLCCanalysisforpumpingsystems?,EuropumpandHydraulicInstitute,2001
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