高效節(jié)能是所有泵類用戶遲早都要解決的問題。只是簡(jiǎn)單地安裝一臺(tái)高效節(jié)能的電機(jī)還不足以減小泵的能耗。Daniel Gonterman提出的五項(xiàng)原則為我們提供了一個(gè)良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

　　在歐盟，工業(yè)工廠的能耗幾乎占到全部能耗的一半，根據(jù)德國(guó)電子電氣制造商協(xié)會(huì)(ZVEI)的統(tǒng)計(jì)，這其中超過三分之二的能源是被泵、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)所消耗的。泵系統(tǒng)的能耗約占工廠能源需求的30%。大部分泵制造商聲稱能夠提供更高效的泵產(chǎn)品，以應(yīng)對(duì)有關(guān)組織提出的減少碳排放的要求，滿足最終用戶減小生產(chǎn)成本的愿望。

　　沒有任何一種單一的解決方案或者答案能夠提高泵的工作效率，因?yàn)閺谋玫陌惭b到投入運(yùn)行之后，會(huì)有許多因素影響其性能。泵制造商所能做的就是研發(fā)一種節(jié)能的泵系統(tǒng)，在其中應(yīng)用最佳數(shù)量的節(jié)能裝置和元件。此外，還可以幫助客戶選擇合適的泵。

　　近年來，高效節(jié)能的電機(jī)成為能效問題的一個(gè)重要方面，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。根據(jù)IEC 60034-30 3008的規(guī)定，可以將標(biāo)準(zhǔn)化異步電機(jī)按照能效分為三個(gè)等級(jí)，它們分別是：IE1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)(相當(dāng)于EFF2);IE2高效率電機(jī)(相當(dāng)于EFF1)，以及 IE3超高效率電機(jī)。這些等級(jí)適用于0.75-375 kW功率的2、4、6極異步電機(jī)。IEC 60034-30標(biāo)準(zhǔn)涉及幾乎所有電機(jī)，只有兩種例外情況，一種是僅用于變頻器操作的電機(jī)，另一種是完全集成到機(jī)械中的電機(jī)(無法單獨(dú)對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試)。

　　使用IE2(EFF1)級(jí)電機(jī)能夠改善能耗情況，使總能效平均提高3.5%。但是，只有當(dāng)其他相關(guān)節(jié)能措施都得以實(shí)施時(shí)，采用高效節(jié)能的電機(jī)才能真正發(fā)揮節(jié)能的作用。如果泵的工作狀態(tài)遠(yuǎn)離其最佳效率點(diǎn)，那么采用任何高效節(jié)能的電機(jī)都無法達(dá)到合理的能耗等級(jí)。

不僅僅是電機(jī)

　　凱士比(KSB)公司的Daniel Gonterman指出，要想找到最高效節(jié)能的泵安裝形式，需要從五個(gè)方面著手。他介紹說，首先，在選擇泵之前，泵制造商或者供應(yīng)商應(yīng)該全面了解用戶的應(yīng)用。在需要替換泵的情況下，應(yīng)該深入分析現(xiàn)有的泵是如何工作的。

　　使泵與應(yīng)用相匹配是最重要的一點(diǎn)，分析泵在現(xiàn)有應(yīng)用中的性能是泵選擇過程中必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。“從我們多年來與用戶討論負(fù)荷曲線圖的經(jīng)驗(yàn)來看，實(shí)際上很多用戶并不了解泵是如何工作的。” Daniel Gonterman說，“很多用戶告訴我們，他們所用泵的規(guī)格超過了實(shí)際需求，所以沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。”

圖1. 泵測(cè)量?jī)x能夠測(cè)量入口壓力、出口壓力、壓差和揚(yáng)程

　　在很多應(yīng)用中，特別是需要大量小功率泵的場(chǎng)合中，進(jìn)行這樣的深入分析并不現(xiàn)實(shí)。在需要更換泵的情況下，用戶往往不愿意考慮其他的替代方案。針對(duì)這類情況，KSB研發(fā)出了一種叫做泵測(cè)量?jī)x(PumpMeter)的監(jiān)測(cè)裝置(圖1)， 它能夠測(cè)量入口壓力、出口壓力、壓差、揚(yáng)程，通過計(jì)算這些數(shù)值，能夠繪制出表明工作范圍的泵特性曲線，以及泵的負(fù)荷曲線圖。從該圖中，泵類供應(yīng)商和用戶能夠判斷現(xiàn)有的泵是否在高效運(yùn)轉(zhuǎn)，并且一眼就能看出泵的運(yùn)轉(zhuǎn)是否節(jié)省成本，泵的可用性是否受到影響。該監(jiān)測(cè)裝置代替了泵上游和下游的壓力計(jì)，以及為實(shí)現(xiàn)控制功能所需的壓力傳送器，還有其他所有額外的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

　　下面再來看第二個(gè)方面，即應(yīng)該針對(duì)具體應(yīng)用為泵選擇最合適的材料和規(guī)格。僅僅為了保險(xiǎn)而選用過大的泵是許多用戶常犯的錯(cuò)誤，同時(shí)也是造成能耗過大的最主要的因素之一。

　　第三，還必須重視液壓元件的效率，它們必須與性能要求準(zhǔn)確匹配。葉輪直徑就是會(huì)影響性能的一個(gè)具體例子。過大的葉輪浪費(fèi)能源，所以，修整葉輪直徑的外緣使其剛好滿足系統(tǒng)所要求的流量，能夠節(jié)省多達(dá)10%的能源，此外，還有利于降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，閥門的液壓效率也相當(dāng)重要，因?yàn)閴毫�損失會(huì)影響泵的性能。

　　第四個(gè)方面與泵的轉(zhuǎn)速有關(guān)。迄今為止，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速是節(jié)能效果最好的一種措施，但是在很多行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，往往做不到使功率輸入與實(shí)際需求完全匹配�，F(xiàn)在有一些解決方案能夠根據(jù)需要來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。使用變速驅(qū)動(dòng)器可以提供動(dòng)態(tài)的壓力補(bǔ)償，有利于在低流量情況下節(jié)省部分能源。使用節(jié)流閥是另一種方法。但是，變速驅(qū)動(dòng)器能夠使功耗減少多達(dá)60%，KSB公司生產(chǎn)的機(jī)動(dòng)式泵驅(qū)動(dòng)器(PumpDrive)還允許增加變頻器，可以用它來對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改裝。

　　最后一點(diǎn)，最佳能效取決于所用電機(jī)的類型。使用IE2(EFF1)級(jí)電機(jī)將增大電機(jī)效率，歐盟要求從2011年6月開始必須使用這類電機(jī)。從2015年1月開始，額定輸出功率在7.7-375 kW的電機(jī)的能效不得低于IE3級(jí)，或者達(dá)到IE2級(jí)且裝有變速驅(qū)動(dòng)器。IE4級(jí)(超高效率)有望在2017年引入。

電機(jī)效率

　　“在泵行業(yè)，幾乎每家制造商都已經(jīng)在供應(yīng)IE2(EFF1)級(jí)異步電機(jī)，這似乎成為了一種標(biāo)準(zhǔn)。” Daniel Gonterman接著說。“估計(jì)在2015年之前，用戶們就會(huì)希望采用IE3級(jí)電機(jī)，盡管這不是必須的。泵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，許多制造商們竭力在歐盟要求的期限之前達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。但是，在KSB公司，我們對(duì)即將生效的IE3標(biāo)準(zhǔn)持保留態(tài)度，因?yàn)樗�并沒有說明泵的名義效率應(yīng)該是怎樣的。要讓該標(biāo)準(zhǔn)適用于異步電機(jī)，IEC規(guī)范需要說明名義效率點(diǎn)應(yīng)該是什么。我們認(rèn)為，關(guān)于異步電機(jī)的這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，因?yàn)樗鼪]有考慮應(yīng)用的本質(zhì)，以及它如何影響電機(jī)效率。

　　KSB公司說他們提供一種替代解決方案來滿足IE3級(jí)的要求，并且該方案也能達(dá)到目前提出的IE4級(jí)的要求。Daniel Gonterman認(rèn)為，通過使用同步電機(jī)一定能達(dá)到歐盟提出的這種能效等級(jí)。相比異步電機(jī)，同步電機(jī)具有更多優(yōu)點(diǎn)，例如，通過使用變頻器更容易控制同步電機(jī)，同步電機(jī)不會(huì)因滑差而導(dǎo)致功率損耗，而在異步電機(jī)中滑差必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁化。當(dāng)與變頻器結(jié)合使用時(shí)，即使載荷變化，同步電機(jī)仍然具有恒定的效率，它還具有高名義效率點(diǎn)和高工作效率。在現(xiàn)有規(guī)定下，同步電機(jī)之所以未能在泵送應(yīng)用領(lǐng)域得到更廣泛使用的唯一原因是，它們的價(jià)格比異步電機(jī)更貴。異步電機(jī)可靠耐用，幾乎不需要維護(hù)，也不需要變頻器，因?yàn)樗�自身就能�?duì)工作做出反應(yīng)。如果載荷增大，則滑差和扭矩也會(huì)相應(yīng)增大，以維持工作點(diǎn)不變。

圖2. 比較IE3級(jí)異步電動(dòng)機(jī)和新穎的KSB超級(jí)電機(jī)在不同流量下的效率。

　　KSB公司認(rèn)為其未來的發(fā)展方向就是使用裝有變頻器的同步電機(jī)，以滿足即將生效的IE3和現(xiàn)在所提出的IE4電機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)的要求。該解決方案能夠在泵負(fù)荷曲線圖所示的整個(gè)載荷范圍內(nèi)提供高效率。該公司已經(jīng)研發(fā)出這樣的電機(jī)，稱為“超級(jí)電機(jī)”，其功率損耗比符合IEC 60034-30 3008標(biāo)準(zhǔn)的IE3級(jí)電機(jī)少15%(圖2)。該電機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是它不使用永磁鐵;KSB稱它為“同步磁阻電機(jī)”(圖3)。

圖3. KSB超級(jí)電機(jī)

　　目前，變頻器在泵行業(yè)已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，并且呈持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。但是也有一些應(yīng)用場(chǎng)合不需要使用變頻器，例如，有固定工作點(diǎn)的應(yīng)用，對(duì)于這種應(yīng)用，IE3級(jí)異步電機(jī)仍然是最節(jié)省成本的解決方案�，F(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在這類情況下，只需使用同步電機(jī)即可。在需要轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)操作的應(yīng)用中，安裝有變頻器的同步電機(jī)能夠提供最高等級(jí)的效率，即使當(dāng)它工作在50%負(fù)荷的情況下，仍然能減小功率損耗。

　　必須說明的一點(diǎn)是，該解決方案的初期投資成本較高，但是，長(zhǎng)期來看，通過減少能源成本，投資是可以收回的。當(dāng)IE3級(jí)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)施后，目前使用IE2級(jí)異步電機(jī)的用戶將花費(fèi)更多的資金，因?yàn)殡姍C(jī)將變得更大。所以，在需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中，還是考慮采用安裝有變頻器的同步電機(jī)更好。

　　KSB并非采用該技術(shù)路線的唯一一家泵制造商，目前，許多其他的泵制造商要么推薦帶有永磁鐵的同步電機(jī)，要么在想辦法改進(jìn)它們的泵產(chǎn)品，使其裝有異步電機(jī)的泵能夠更高效地工作。這是一個(gè)復(fù)雜的問題，制造商們有各種不同的辦法來滿足IE3標(biāo)準(zhǔn)的要求。KSB采取的是長(zhǎng)期策略，旨在幫助用戶從現(xiàn)在開始投資，以滿足將來IE4標(biāo)準(zhǔn)的要求。

總結(jié)

　　高效節(jié)能的電機(jī)是所有泵類用戶遲早都要面對(duì)的問題。顯然，只是安裝一臺(tái)高效節(jié)能的電機(jī)還不足以減小泵的能耗。

　　無論是為了節(jié)省能源，提高收益，減少生產(chǎn)成本，還是為了符合即將生效的IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，泵類用戶都可以研究許多使系統(tǒng)更高效運(yùn)轉(zhuǎn)的方法。遵循Daniel Gonterman提出的五項(xiàng)原則不失為一個(gè)好主意，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘粋�(gè)良好的基礎(chǔ)，大家可以據(jù)此展開相關(guān)工作。(