智能泵节能的寿命成本和智能及其带来的经济效益预测

智能泵节能的寿命成本和智能性及其经济效益预测

具有一定计算机处理能力,可以部分替代人工智能的泵或泵系统,也叫智能泵。随着科学技术的发展,特别是计算机和信息技术的飞速发展,传统的泵制造业一直朝着节能、智能化和现代化的方向发展。应该说在泵的设计、制造、运行、维护、选型、销售都有一个智能化的发展空。但目前智能泵最明显的优势是节能和自动控制,也正是因为节能,智能泵才被首次提出。泵的节能:泵是耗能大户。资料显示,泵的用电量约占我国总用电量的20%,泵的电机功率约占我国电机总容量的45%。在石油和化工厂,泵的耗电量更高,分别达到59%和26%。在我国,过去水泵运行系统的能量损失很大,离心泵的调节多采用阀门控制和开闭旁路的方法。国外一项调查数据显示,20家工厂1600多台泵平均效率只有40%左右,10%左右的泵效率甚至只有10%。以上数字表明,泵行业节能潜力巨大。如果全国所有在役水泵运行效率能提高至少1%,全年可节电约44亿kW·h,折合26亿元(按高峰时段工业用电0.6元/kW·h计算)。泵效率的提高包括两个方面:(1)泵主机设计效率的提高。因为设计者在设计产品时,已经想尽一切办法提高主机在设计工作点的效率,要提高1%的效率是非常困难的。(2)提高整个泵运行系统的效率。有资料显示,将原来的旁路调节改为变速调节后,整个泵系统的效率可以提高30%甚至更高。因此,智能泵的意义不是智能泵本身,而是泵的整个智能泵送系统。智能泵的出现将离心泵的调节带入了一种现代化的模式和全新的管理理念,因此可以说是泵系统工程和管理的一次革命,也是泵行业发展的必然趋势。因为离心泵的流量与速度的一次方成正比,扬程与速度的平方成正比,功率与速度的立方成正比,如果将离心泵的旁路调节改为调速,效果会非常明显。如果流量降低10% ~ 20%,泵的参数一般如表1所示(不考虑性能曲线的影响)。但实际上由于离心泵性能曲线的影响,当流量降低时,扬程会增加,因此仍能维持工艺所需的扬程,节能效果会略低于表1中的数值。其他调节方式的节能效果介于两者之间。生命成本:LCC( Life Cycle Costs),也译作“生命周期成本”,是指从产品规划到产品报废的全过程所覆盖的成本。既包括生产者的视角,也包括消费者的视角。然而,消费者从生产商那里购买产品。所以产品成本加产品利润,再加上消费成本,就成了用户的全生命周期成本。《泵的寿命成本》作者[1]认为,泵的寿命成本包括初始设备成本、运行成本(即电费)、维护成本和其他成本四部分。

图1泵的寿命成本四项基本费用

费用比率(工资、价格因素等。)是参照国外标准制定的。在图中,设备的初始成本只占总成本的10%。事实上,根据制造商的不同,购买价格可能会有30%的差异,但对于使用寿命超过15年的泵来说,设备的初始成本往往是其全寿命成本中考虑最少的因素。对于维护成本往往有不同的看法。在图1中,维修成本是指备件成本加上人工成本,通常占全寿命成本的25% ~ 40%。因此,它对泵经济性的影响比购买泵的初始成本更重要。能耗可以根据性能曲线进行测量或测算,并且所占比例最大,在图1中达到45%,在某些统计中甚至高达70%。

表2节省生活成本的实际案例汇总

序列号

行业/应用案例

保存模式

救援

费用

投资回收

期间(年)

生命周期成本

节省的欧元

一个

建筑行业/空调整

单旁路调节大泵

单节流阀控制大泵

3台变速调节泵

电费账单

47,800

70,400

2

造纸工业/循环水泵

安装2套不同的条件。

循环水泵

电费账单

0.5

711,900

化学/冷凝出口泵

校正叶轮

新型小型发动机

添加电费

维护费用总额

0.06

3.1

107,000

8,600

供水/配水站泵

换成正常效率的泵。

电费账单

0.7

121,000

废水/污水泵

由于负荷减少,三台大泵中的一台被一台小泵取代。

电费加维护费

3.3

38,100

钢厂/水循环

采取措施提高叶轮表面效率。

电费账单

0.4

25,800

化学/工艺出口泵

取消辅助冷却

电费和水费

0.2

85,700

家用电器/天然水泵

变频驱动

电费账单

0.5

128,000

矿井/水泵转换电机

高效电机

电费账单

1.8

22,500

10

动力装置/冷却水循环泵

改变泵出口的水力特性

1台不变的原蜗壳泵

2可调叶片斜流泵

3可调进口导叶混流泵

电费账单

1.4

0.4

18,394,000

14,518,000

11

建筑/家用循环泵

小泵更换

电费账单

930

12

建筑/办公室用循环泵

改变

电费账单

10,700

13

化学/泥浆软管泵

高输入增加软管

维护费用总额

0.8

7930

14

食品工业/隔膜泵

添加金属阀门

维护费用总额

一个

表2基于欧洲几家工厂泵节能改造的实际统计数据。从表2可以看出,泵系统节能改造的重点是运行费用(电费)和维护费用。一年左右可以收回初期投资或改造成本,最长三年左右可以收回。

智能泵:泵的智能化要从两个方面来做:(1)希望离心泵的效率曲线平坦,在流量变化时,效率的变化尽可能小。但是这方面的潜力非常有限,所以重点还是在运营上。当外界工艺流程发生变化时,泵的智能系统应能及时接收工艺参数变化的信息,迅速进行自动操作,并将操作结果反馈给调节阀或变频器,从而准确调节所需的阀门开度或电机转速,完成对变化工况的响应。在所有调节方式中,变速调节是最节能的。水泵的智能系统应主要包括以下套件:水泵主机、变频电机、变频器、信号传感器、控制模块、可编程控制器等。变频器VFD又称变频调速器,由智能运行反馈信息控制,将50Hz交流电的输入频率逆变为Hz的相应电流输出。三相电机变频范围为0-60Hz,单相电机变频范围为40-70 Hz。变速电机转速n =60 f (1— s )/ P其中f ——变频后交流电的频率,通常为40 ~ 50 Hz。如果转差率s =0.007,电机电极数P =1,则80% ~ 90%流量调节的频率分别为f =45Hz和40Hz(见表1)。可编程控制器PLC,又称可编程逻辑控制器,是一种进行数字操作的电子系统。它使用可编程存储器在内部执行逻辑操作。它是以计算机为核心的自动控制装置,用来代替继电器控制各种机械或生产过程。智能泵的可编程控制器可以控制泵系统的运行、维护和管理,防止汽蚀,诊断和报警等。ITT高品质泵公司的PumpSmart智能控制器(见图2)是一种更先进的集成控制器。控制模块、编程器等。已经做成了一个整体,参数也设置好了。一般用户不需要自己编程。典型的智能泵系统和监控原理如图2和图3所示。对应的代码含义是:C-控制台、CM-控制模块、D-电机、P-泵主机、PLC—-可编程控制器、T-信号传感器、VFD—-变频器。智能泵系统的工作过程如下:当外界参数(工艺流量)发生变化时(例如流量过大导致出口压力下降时),安装在入口(或出口)的进出口信号传感器T将信号传递给控制模块CM。控制模块由多个集成电路模块组成,如电源系统模块CM1、数据采集模块CM2、驱动控制模块CM3、信息显示模块CM4、输入输出模块CM5等。控制模块将计算结果显示在信号柜C(或控制柜)上,同时向变频器VFD发出调频指令。收到调频指令后,变速电机D开始减速,泵(主机)P的出口流量逐渐减小,使系统达到新的平衡。与控制模块相连的还有可编程控制器,可预存泵的性能曲线、流体密度、控制参数等。正常情况下,预存参数不需要调整。当参数发生重大变化时,可以重新编译预存的参数。泵的性能曲线为抛物线,一般采用其下降段。它是在泵的设计或试验过程中获得的,可以通过简单的数学模型进行编程。节能泵的开发利用是所有泵行业共同努力的结果,所以才有了智能泵这样的重大突破。国内外很多公司在这方面做了大量的工作。例如,ITT优质泵公司较早地向中国介绍并展出了一系列智能泵,提出了生命成本的概念,大大提高了泵系统运行的效率。石家庄亿奥科技发展有限公司率先开发了“泵变频调速节电计算及系统设计”,解决了节电定量计算问题。许多个人也为节能泵的发展做出了贡献,如大连的李东贵,他发明了“智能工业流程泵”专利(国内专利号ZL01211714.5,国际公开号WO02/66835AI)。

智能泵的快速发展也依赖于变频技术的发展,所以可以说智能泵是工业控制自动化在泵行业成功应用的一个范例。目前有很多不同技术领域的文章介绍泵和变频控制的工业应用实例。智能泵的应用是一个系统工程,涉及到许多行业用户的应用。这个系统工程不仅要考虑技术,还要考虑经济效益和社会效益。现在,智能泵的技术问题不应该说是“瓶颈”。在前不久于上海举行的PSC2005第六届中国国际流体机械及通用设备展览会上,ITT高质泵公司展出了复合型智能泵演示系统,向观众充分展示了ITT智能泵的先进性和可靠性。用户真正需要考虑的是投入产出比,即由于采用智能泵而增加的投资可以在几年内收回。作者认为,对于新建电厂,科学的考虑是接受LCC,对于老电厂,投资回收期应小于2~3年。另一个重要的考虑是社会效益,这实际上是一个国家能源政策问题。据报道,2003年,中国的国内生产总值占世界的3.8%,但却消耗了全球11%的能源。中国单位GDP能耗是美国的4.3倍,德国和法国的7.7倍,日本的11.5倍。中国能源专家呼吁,“中国经济运行仍是高投入、高消耗的粗放型经济增长方式,带来了资源枯竭、环境污染等诸多问题,不可持续”。所以,在泵行业这个巨大的能源管理空室里,深挖节能潜力,普及节能系统(智能泵)的应用,不仅仅是企业的经济利益,更是对国家的一种民族责任。