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化工泵节能的研究与思考

来源:ABB作者:泵友圈

Pettery Hyytiaeinen,ABB运动控制全球化工行业经理,为我们带来一份化工泵如何节约能源的研究报告以及他的思考:


一座化工厂可能存在数百个泵送系统,而驱动泵送系统的电机和变频器会消耗大量电力。泵占世界总电能消耗的10%。[1] 作为工业领域最大的泵用户之一,化工行业泵的用电消耗约占其行业总用电消耗的20%


然而研究表明,制造及加工厂的泵送效率却不到40%。[2] 过程密集型行业(如化工行业)在生产流程中大量使用泵,该流程一般由恒功率的泵 – 通常是离心泵来管理并且始终需要控制过程流量。恒功率泵以及使用传统的流量控制方法(如节流)会浪费大量能源。改进设备或变更控制系统可实现30%-50%的能源节约。[3]


变频器和电机的现代化配套方式能够更加高效地控制和监测泵的运行。


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变速运行提高效率


传统方式下,控制化工厂泵送系统中的液体流量有点像在驾驶车辆过程中将油门踩到底,同时使用制动踏板改变速度。

离心泵的出口端配备一个控制阀,而离心泵由全速运行的直接启动(DOL)电机驱动并使用此控制阀压制或阻碍液体,从而实现所需流量。为了安全起见,在工程设计阶段通常会选择超大规格的泵和DOL电机,但是实际上几乎达不到最大设想流量。简而言之,液体从由全速工作的超大规格电机驱动的超大规格泵中流出,然后遇到半闭合的流量阀。虽然流量得到控制,但是方式非常粗暴,所以会导致系统部件严重磨损以及浪费能源。

施加到管道系统中的多余机械能通常会带来不必要的副作用 – 如振动、热量和噪声。这些不利因素可逐渐削弱泵、管路、阀门、接头和仪表的完整性,从而导致成本高昂的停机并降低过程可靠性。据行业内报道,与其他电机驱动型系统相比,工业过程中的泵送系统的总维护成本最高。此外,泵和阀门是司空见惯的过程泄漏来源,不仅成本高而且还危险。

调节流量和泵送容量的更好选择是在电机上使用变频器(VSD)。流量控制可以更加精确,还能够大量节约能源,“立方定律”描述了离心泵或风扇的流量输出与能源输入之间的关系。例如,电机速度下降20%可使能耗降低50%。

最近,一项ABB测试对比了由恒速运行的37千瓦(kW)电机直接驱动离心泵与同等VSD控制泵系统的数据,结果突显了VSD在部分流量控制中的优势。与节流阀控制相比,在50%、67%和83%的流量下,用电量(输入功率)分别下降80%、61%和35%。



02



同步磁阻电机的优势


将感应电机替换为先进的同步电机技术,如同步磁阻(SynRM)和铁氧体辅助同步磁阻(FA-SynRM),可进一步增加能源节约。为了对比三种不同技术的效率,分别使用感应电机(作为参考)以及SynRM和FA-SynRM电机构建了三个电机驱动系统。所有三个系统采用 IEC 160框架尺寸,额定功率为 11 kW,在50 Hz下的标称同步速度为1500 rpm。

在恒定转矩特性曲线中,与IE3高性能感应电机相比,SynRM和FA-SynRM电机每年分别实现$159和$281的能源成本节约。在二次转矩特性曲线中,分别节约了$122和$213。这些节约对应不到2年的回收期,意味着这些电机在其生命周期中将实现更显著的成本节约。与效率较低的感应电机驱动系统相比,能源节约可增加一倍以上。

同步电机不仅会提高能源效率,通常还在较低温度下运行,有助于提高安全性和可靠性。


感应电机相对便宜、坚固,而且没有换向器和电刷,说明其十分可靠并且几乎无需维护。主要缺点是异步转速会导致转子导体损耗。这种损耗会降低效率并增加轴承中产生的热量,从而导致轴承使用寿命缩短。尽管使用感应电机也可实现VSD控制,但是这会引发定子、转子和VSD损耗,从而导致效率下降。

在同步电机中,转子以与驱动磁场相同的速度转动,消除了大多数导致转子损耗的因素。因此,电机可在较低温度下运行,从而延长轴承和绝缘系统等部件的使用寿命。


03



总拥有成本(TCO)下降


尽管在不同应用中的数字不同,但是能源在电机驱动型泵送系统的使用寿命期间占据其总拥有成本的50- 95%。大量的节约是可能的,但是经常被忽视。例如,客户最近告诉我们称其工厂淘汰了之前提供连续照明的500W灯泡,在能源节约方面取得了进展。这确实是一种节约,但是我们告诉他如何使配有半闭阀、连续运行的75kW 电机驱动泵的能源使用降低50%并节省37,000W——这是灯泡能源节约的75倍。

观察一下您的周围并思考一下:如果您使用变频器和电机现代化的配套,也许能够使化工厂每年节约数百万美元。

04



数字化监测和预防性维护


除了降低能源成本外,变频器技术的进步使得其在离心泵系统中的功能价值大大增加。由于连续的数据采集所提供数字化监测以及可实现的预防性维护,使过程控制更加精细。

例如,我们现在可以仅通过变频器数据判定泵的健康状况,譬如是否脏污或堵塞。数字监测功能会在发生更大问题或意外故障之前通知电机和泵开始加速或减速,从而清洁叶轮。变频器可以执行和管理的其他智能功能包括软管填充、汽蚀监测、无传感器流量计算、多泵控制、液位控制、干运行保护和泵清洁等程序。

利用预防性维护和远程状态监测可以对泵送系统进行精细校正,并且可以对任何泵送系统的健康状况进行深入检查,而无需在泵的运行位置对泵进行实际检查。这一点对于数百个泵分布在工厂中难以靠近的化工行业是一个巨大的优势。

[1] https://www.grundfos.com/water-energy/meet-the-water-and-energy-challenge-now/facts-about-pumps-and-sustainability.html
[2] http://ietd.iipnetwork.org/content/pump-systems

[3] http://ietd.iipnetwork.org/content/pump-systems



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