合理选型提高系统效率

2008-49期 驱动

文章来源:MM《现代制造》 点击数:152 发布时间:2016-01-09
由电动机驱动的气动控制系统数量多且功率大,因此其在节约能源和提高能源利用率上背负着非常重要的责任。结构化的气动系统设计在电动机和气动系统节能方面扮演着重要角色。
合理选型提高系统效率

在工业企业中,泵是耗电大户。为了充分挖掘泵的节能潜力,必须关注驱动泵所使用的电动机和整个气动系统的结构

根据欧盟委员会某机构的一项调查可知,欧洲电动机驱动系统消耗的电力几乎占欧洲用电总量的70%。其中,气动控制系统每年所消耗的总电量高达288TWh,推动企业不断前进。这相当于27座核电站一年的发电量,或者德意志联邦银行年用电量的27倍(见图1)。若对气动系统进行优化,则每年可以节电30%。

图1  电动机消耗了整个工业用电70%的电量,其中又有1/3是由泵消耗的。泵每年所消耗的电量相当于27座核电站的发电量

气动系统的节电措施既可以是电子技术方面的,也可以是气动机械方面的。也就是说通过电子技术或机械方法都能实现气动系统的优化。经过长时间的发展,市场上已经有了非常成熟的高效节能技术,而且还都可以直接利用,并贯穿于整个系统中,从驱动电机到控制系统、气动分配网络直至应用和执行元器件。但是由于整个链条的工作效率是受最薄弱环节影响的,而且人们对气动系统的损失也往往估计的过低,因此,将工业用泵和其驱动装置作为一个整体来关注是非常必要的。

泵系统在工业企业的生产设备中是一个跨专业的横向焦点,也是一项横跨多种学科的技术。在工业泵市场中,叶片泵占据了73%的市场份额。但从泵的效率来讲,每种泵仅有一个最佳工作点(见图2)。实际上泵的效率与其工作特性曲线和安装使用状况都有着密切关系。在其安装使用中,还包括了与泵组连接的管道,包括管道的直径和长度、使用的法兰和调节阀以及管道中流通的液体介质等。只有在泵的安装环境和泵的实际工作点都接近最佳工作点时,泵系统才会以较高的效率工作,而事实上处于上述工况下工作的泵少之又少。

图2  典型的叶片泵工作特性曲线明确地告诉人们:泵只有工作在最佳工作点上才能实现节能优化,而最佳工作点是由压力和流量来决定的

泵的可靠性是最重要的评判标准

长期以来泵系统一直作为一项跨学科的横向技术独自承担着工作可靠性的任务。当泵失效时,人们会立即察觉其重要性。在一些特殊应用领域中,泵的可靠性更是有着异乎寻常的重要意义,因为一个泵的失效往往会对其他系统带来灾难性的损害,如冷却和润滑系统中的泵,其一旦失效将引起生产停滞进而导致供货延期,为企业带来巨大损失。

基于上述原因,通常情况下所使用的泵都是超出正常需求规格的产品,也就是大马拉小车,以保证泵系统工作时的可靠性。事实证明这是很不合理的。首先超大规格的泵所消耗的能量更多,而且规格型号的增加并不能提高泵的可靠性。此外,在这种大马拉小车的工况下,泵的工作负载始终不高,这样就有可能增加泵的磨损,使维护保养费用增加,反而令泵系统的可靠性降低(见图3)。一般来说,企业在需要购置一台泵时对其工作环境和条件还并不够了解,所以此时匆忙做出的采购决策往往令泵无法在最佳工作点附近工作。

横向跨学科系统,如泵系统,在生产链中有支持生产进程的功能。经验告诉我们:过去几年施行的人员政策使企业的现有职工都在满负荷工作,在横向跨学科技术中效率优化的工作被排在了较后的位置。另外,该系统的效率优化工作是一项综合性的技术工作,其发展是一个循序渐进的过程。

图3  为了保证生产过程的可靠性企业往往采用大马拉小车的工作方式,使用超大规格的泵,使耗电量增加。而这种超规格泵的节流装置还可能加快泵的磨损,增加维护保养的费用

有效的数据库是节能的基础

当企业咨询节能的相关问题时,需要有一个很好的用于节能的数据库。在一些接口技术中,工作条件是随时间不断变化的。在这种情况下,仅靠连续的检测和数据的记录保存是不够的。横向跨学科技术的学习是生产计划员和技术顾问的核心工作任务之一。他们是通过检测技术和专业技术知识,利用专业化的系统分析得出结论的。

在实践中,企业购买设备的资金往往是非常紧张的,并一再要求节约使用。而采购人员则可通过另一种方式有效降低设备的购置费用,即在设备采购过程中,将横向跨学科设备的能源费用计算在内,因为其节能潜力非常大。而能源效率是不能仅靠简单的命令来实现的,只有通过大力加强内部管理才能实现。在进行设备的寿命周期费用的计算中得出了上述结论。

寿命周期费用计算关注的是生产设备在其全部使用过程中所产生的总费用。在泵系统中,能源费用占整个寿命周期费用的82%,相较于投资费用仅占总费用的8%(见图4)。能源利用率提高很少的几个百分点就会对泵系统的运行费用产生很大影响。因此,高效技术的投资是非常经济的。

图4  在泵的生命周期费用中,很大一部分是能源费用,累计两年的电费就可购买一台新泵

关注采购,降低后续运行费用

在考虑降低耗能的运行费用时电动机驱动系统是企业关注的焦点。在采购新设备时,若只关注设备投资,那么在设备今后的运行中将会有大量财富随时间“流失”。仅两年时间泵的能源费用就会超过泵的投资总额。这就要求企业领导人在企业采购和生产组织有所分工的同时,还要考虑企业的整体优化。

在整体费用考察中非常关键的是购置新泵和泵配件的费用。在做出决策时,应把超支费用的资本收益计入高效生产之中。此收益可以是企业的现金收益。这样,企业在高效技术领域中的投资将带来更多保障并令系统更加可靠。

能源效率是工作目标

对正在使用的泵系统进行评估是非常有意义的。掌握了足够的横向跨学科知识后,就能够认识到现有泵系统的节能潜力,使企业从中受益。例如在进行泵系统购置方案的决策时,企业早已不再按时间要求来更新老技术了。只要是对企业有利的,负责这一工作的主管部门就会采取相应的行动,在各部门的共同协作下,向着统一的节能目标迈进。

从下面的问题中可以看出泵系统在企业的生产加工流程中有着怎样的意义:

(1)电费在整体费用中所占的比例是多少?尤其是电动机驱动的泵系统所产生的电费?

(2)高效节能的泵系统的竞争优势何在?

(3)非资金方面的因素有什么作用?例如生产设备的可靠性和产品质量。

(4)谁是这项工作的负责人?

(5)能源费用信息都汇总起来了吗?是否已提报给相关负责部门?

就像询问能源相关问题时一样,很多企业也不能准确地说出其设备需要输送的液体介质流量和压力。这就可能使得某些机床设备因液体介质流量不足而出现问题。此时,分工在企业中就扮演了非常重要的角色。生产是龙头,其他部门都要以生产为中心,为其服务。

一旦生产出现问题,必须快速采取措施,旋转节流阀挡板(见图5)。通过长期观察,这是一个经济的泵系统瓶颈的解决方案。

图5  节流阀节流板的关闭会提高压力,造成能源损失。排除管道网络中的瓶颈部位是提高能源利用率的有效方法

管道检测中附加的检测接口

企业需要对现有泵系统的实际状况进行分析,在可能的情况下,应对所有泵系统的特征数据做好记录,如有关压力、流量、功率以及年工作时间等。第一个系统描述是在铭牌数据基础之上建立订货资料、维护保养计划以及财务账目中有关维护保养费用和配件费用的记录。

图6  粘附在叶片上的沉积物和表面粗糙度会使泵的效率降低。采用合适的表面处理技术后,泵的效率可以提高20%

测定管道比例也是不可回避的,必须在管道上设置安装检测仪的接口。记录管道压力和流量的工作必须与生产同时进行,以便准确反应泵系统的实际工作状况。只有清楚的了解它们之间的相互关系后,才能真正实现节能,并从中获益。通过整体系统的检测评估,可以确定需要采取的短期节能措施、今后可尝试的节能措施以及各项节能措施投资成本的高低等问题。弗兰克地区的能源协会办事处能够为企业提供EAM泵系统的检测服务。若现场勘查中发现问题,可集中在短期内解决,令企业快速获益。但是泵系统的整体优化需在完成结构分析和实施计划后才能实现,这也为泵系统出现故障后替换新的高效节能零部件提供了可能性。以下各项就是对现有设备节能效率的综述:

(1)企业选用的超规格泵是能源浪费的罪魁祸首,可利用通用规格的泵代替超规模泵或采取其他措施来避免此类不必要的浪费。如在一些特殊情况下可通过更换叶轮或将叶片直径车削的小一些等措施,以达到降低泵的功率的目标。这些都是经济的校正泵流量的有效方法。

(2)一般情况下,旁通流量都会带来能源浪费,因此采用这种方法进行流量调节是不经济的。

(3)利用泵送流量的分散技术可以满足流量需求的波动,满足不同的流量需求。当在超负荷工况下工作时,泵系统所输送的流量也是变动的;此时,通过一个或几个泵的压力开关调节能够实现输送流量在各个泵系统之间的自动转换与调整。当系统所需压力不同时,可通过流量在不同泵或泵网络系统间的分配而提高整体效率。这是一个非常有意义的解决方案。多泵系统的效率与各个泵在其工作工况下的效率有关。在多泵系统中,可根据系统对流量的需求自动关闭或开启某个泵,使其尽可能在最佳工作点附近工作。

(4)隔开某段网络管道后,可在流量需求较小的情况下减少泵系统泵送的循环流量,从而减少能源消耗。

(5)最简单的节能办法是在不需要时关闭泵系统的电源,但是供暖泵是在供暖周期外工作的。

(6)定期进行管道通风和清理集尘器,能够避免不必要的压力损失。

(7)增大管道直径、用弧形弯管代替直角管道、采用过流横截面积较大的截止阀以及使用长度尽可能短的管道等措施,都能对泵系统的节能产生很重要的影响。

(8)改善泵系统的工作条件是所有优化分析中都要提到的问题。

(9)扩大或关闭管道网络中的一部分总会引起泵系统工作环境的变化,从而使系统效率也发生变化。

(10)泵驱动电机的安装方式不同也会影响系统效率。在欧洲电动机市场中还有80%的电动机是效率等级2的电动机,通过简单的经济性考察就能确定:根据电动机每年的工作时间不同高效电动机的节能效果最高可达40%。

(11)随着泵系统使用时间的延长,泵的效率将明显下降,泵的叶片表面粗糙度和泵体内腔的表面粗糙度也会随使用时间的延长而明显变化。所以应定期清理泵体内腔的附着物和管道中的沉积物。通过抛光、喷丸或涂漆等措施可明显改善表面质量(见图6)。在最好情况下,可通过降低摩擦损耗提高泵的节能效果,最高可节能20%。

(12)过高的维修保养费用和非常强的噪声是泵系统工作条件不良的表现。这可能与气蚀、过分的磨损或压力损失过大有关。所以生产中应记录好流量需求数据,逐段进行检测和复查。

(13)若泵系统内部因间隙过大而发生泄漏时,泵系统的功率和效率都会下降。所以应经常对泵的滑动轴承和叶片密封环进行检查,必要时予以更换。

(14)在恒定泵送扬程和输送流量等需求不变的情况下,由节流阀或节流板控制的范围不断变大,这说明泵系统正工作在超负荷情况下。利用节流阀调节叶片泵的流量将造成部分能源浪费,但相较于无节流阀调节或旁通管道调节其效果还是比较明显的。

(15)利用调节电动机转速的方法对泵系统的输出量进行调节不失为一个明智之举(见图7)。这种可变转速驱动装置能够实现很高的节能效果,能够在高能源利用率的情况下满足泵系统流量输出的需求。

图7  变速驱动是一个有效的、使泵系统与不同流量相匹配的解决方案。同时,其也开启了更高节能潜力的大门,因为在变速调节中,泵始终都是在最佳工作点上工作的

节能带来效益

提高效率的措施能够提高泵送系统的可靠性和能源利用率。一个好的公司统帅必须能及时了解发展形势,并在企业的核心业务中反映这种形势。例如,企业必须清楚的了解并作出决策:其是否能够长期承受高成本的产品生产或投资购买高性能的技术产品,从而降低风险。在这里,需要有相应权限和跨学科的管理。今天,横向跨学科技术已经得到了广泛应用,为企业的可持续发展和提高产量提供了很大帮助。