泵送系統(tǒng)占全球電能需求的將近20%，在某些工廠中，它們所消耗的電能可以占到整個工廠用電量的20%-25%。在加工、發(fā)電、水務(wù)和建筑行業(yè)中，離心泵是主要的耗能設(shè)備。建筑和工廠是能效關(guān)注的重點(diǎn)，因為它們幾乎占全球用電量的80%。盡管如此，泵送設(shè)備卻很少被業(yè)內(nèi)人士視為潛在的節(jié)能對象。

　　使泵運(yùn)轉(zhuǎn)的能源成本被業(yè)界視為不可壓縮的費(fèi)用，通常將其歸入固定成本。但是，通過使用一種系統(tǒng)方法可以將能耗降低20%-80%，從而使其變成了一項可變成本。

　　對英國已經(jīng)安裝在用的設(shè)備進(jìn)行審核，每年可以節(jié)省逾10 TWh的電能，減少大約550萬噸的CO2排放量。

　　安裝高效的泵和電機(jī)只能節(jié)省很少的能源。為了提高整體效率，必須考慮整個泵送系統(tǒng)(如圖1所示)。

　　應(yīng)用系統(tǒng)方法來達(dá)到節(jié)能的目的，在某種程度上類似于‘精益制造’。從根本上來說，只有在必要的時候、必要的地點(diǎn)才泵送流體，這符合‘準(zhǔn)時化’的原則。該方法旨在消除不必要的工序，從而使工藝得到顯著改進(jìn)。

　　在評估已經(jīng)安裝的設(shè)備時，能效是重點(diǎn)審核內(nèi)容;它是實現(xiàn)整體系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。到目前為止，能源費(fèi)用是泵的壽命周期成本中花費(fèi)最大的一部分(圖2)。根據(jù)泵的類型和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其能源費(fèi)用占泵壽命周期成本中的40%-90%之多。此外，系統(tǒng)的工作效率不高還會導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化為有害的熱能和振動。

　　這會對系統(tǒng)零部件的可靠性造成不良影響。泵的實際工作點(diǎn)離最佳效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，其平均無故障工作時間就越短。因此，我們可以得出以下結(jié)論，即節(jié)能有利于減少維護(hù)和故障停機(jī)的時間成本。

　　泵送系統(tǒng)是工藝過程的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)它發(fā)生故障時，所造成的經(jīng)濟(jì)損失往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其修理成本。國際紙業(yè)公司(International Paper)經(jīng)營著全美國的所有造紙廠。在為期一年的觀察中，發(fā)現(xiàn)它們經(jīng)歷了101次泵故障，總共造成高達(dá)500萬美元的生產(chǎn)損失。每次故障的平均花費(fèi)為5萬美元，其中相當(dāng)大一部分是由于工廠停工造成的經(jīng)濟(jì)損失。最嚴(yán)重的泵送設(shè)施故障案例之一是2011年海嘯引起的福島第一核電站故障。當(dāng)冷卻裝置被水淹之后，泵送系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)而造成三個受損的核反應(yīng)堆發(fā)出巨大的核輻射。

　　整體系統(tǒng)節(jié)能

　　系統(tǒng)理論根據(jù)系統(tǒng)與外部世界的邊界和界面來定義系統(tǒng)(假設(shè)它是開放的系統(tǒng))。在大多數(shù)情況下，泵送系統(tǒng)是開放的，而且通常相當(dāng)復(fù)雜。因此，必須清楚地了解系統(tǒng)的邊界，以及輸出、輸入的動態(tài)變化。使用一副簡單的草圖即可清晰地說明泵送系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。

　　評估泵送設(shè)備的能耗需要適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ�。泵送系統(tǒng)用能量評估標(biāo)準(zhǔn)ASME EA-2-2009中提供了合適的指導(dǎo)方法。此外，由美國能源部組織的泵送系統(tǒng)評估工具(PSAT)培訓(xùn)可以提供必要的技能和知識。

　　遵循以下步驟即可便捷地對泵送設(shè)備進(jìn)行評估：

　　A.確定泵送系統(tǒng)當(dāng)前的工作任務(wù)。

　　B. 確定實際需求。

　　C. 調(diào)研主要的能量損失點(diǎn)在哪兒。

　　D. 采取相應(yīng)的措施減少能量損失。

　　E. 使供給(泵和系統(tǒng))與需求(工藝)相匹配。

　　F. 控制所采取的改進(jìn)措施的有效性。

　　泵的性能

　　通常用一條性能曲線來表示泵的液壓特性，用一條系統(tǒng)曲線來表示整個泵送系統(tǒng)的工作性能。這兩條曲線都是利用揚(yáng)程與流量的比率關(guān)系繪制而成的。工作點(diǎn)表示泵的液壓條件，該點(diǎn)位于兩條曲線的相交處。泵與系統(tǒng)協(xié)同工作，系統(tǒng)起主導(dǎo)作用，同時要遵循泵提出的限制條件。

　　不同類型的泵的性能曲線各不相同，具體取決于轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)曲線體現(xiàn)了本質(zhì)特性(例如提升高度、管道損失等)與工作變量(例如調(diào)節(jié)閥、液位等)的綜合作用。

　　泵與系統(tǒng)曲線是利用評估期間的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)來計算的，這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地反映了典型工況。評估大體上是一個無干擾過程，幾乎不干擾工藝。因為泵送系統(tǒng)幾乎沒有處于靜態(tài)狀態(tài)的，因此必須確定工作變量。認(rèn)識系統(tǒng)和泵的特性有利于找到能量損失的源頭，并確定可能從哪些方面采取相應(yīng)的節(jié)能措施。

　　尋找能量損失的源頭

　　低效能的源頭是評估泵送系統(tǒng)時關(guān)注的重要問題。有些源頭顯而易見，但是還有不少源頭乍看之下難以發(fā)現(xiàn)。通常泵送設(shè)備看起來一切正常，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，但是實際上浪費(fèi)了大量的能源。

　　許多能量損失都與設(shè)備的歷史有關(guān)，例如，修改、技術(shù)選擇、使用了過高的安全余量等等。各種故障現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)，難以區(qū)分彼此，從而導(dǎo)致難以找到問題的根源，無法確定故障后果的嚴(yán)重程度。

　　能量浪費(fèi)源頭的一些例子：

　　•管道和配件內(nèi)的摩擦損失——這是最普遍的低效能的根源，它與液流在管道和配件內(nèi)的流速有著直接的關(guān)系。選擇合適的泵規(guī)格能夠節(jié)省大量的能源。此外，潔凈的管道和流線型的布局也有利于節(jié)能。

　　•泵不適合系統(tǒng)——泵沒有工作在其最佳效率點(diǎn)，從而導(dǎo)致可靠性問題，并且浪費(fèi)能源。這通常發(fā)生在為新廠房選擇泵的階段。由于管道系統(tǒng)模擬無法給出“準(zhǔn)確的”信息，導(dǎo)致選用了規(guī)格過大的泵，所以使得系統(tǒng)的安全余量過高。為了降低成本而購買接近其最大工作流量的泵也會導(dǎo)致同樣的問題。此外，如果由于工藝發(fā)生變化而對系統(tǒng)的特性參數(shù)進(jìn)行了修改，卻沒有對泵做任何改變(例如調(diào)整葉輪或者更換泵)，那么也會導(dǎo)致泵與系統(tǒng)不匹配。

　　•閥門節(jié)流和調(diào)節(jié)閥——當(dāng)使用調(diào)節(jié)閥時無可避免地會出現(xiàn)低效能問題，因為它們依靠摩擦損失來調(diào)節(jié)流速。節(jié)流的數(shù)量意味著能量損失的多少，還說明泵的規(guī)格過大(參閱3.1節(jié)實際案例)。

　　•不必要的靜壓頭——提升流體所需的能量不一定總是有用，靜壓頭有時過大。例如，排水箱液位高而入水箱液位低，這是一種常見的問題。另一個例子是用露天排放管道取代止回閥。

　　•旁路/回流——盡管有各種理由使用旁路系統(tǒng)，但是它們的確是浪費(fèi)能源的主要源頭。在這種情況下，有一部分液流在經(jīng)過泵送之后返回吸入側(cè)，未被實際工作利用。通常安裝旁路是為了避免在某個工序不用時關(guān)閉泵，從而將我們帶到下一個工作點(diǎn)。

　　•當(dāng)工序不用時管道內(nèi)仍有流體流動——當(dāng)液流在管道內(nèi)不必要地流動時，系統(tǒng)消耗的能量是無效的。例如，常常發(fā)現(xiàn)冷卻水在不工作時仍然流向環(huán)路和換熱器中(參閱3.2節(jié)的實際案例)。

　　•供給大于需求——這是能量浪費(fèi)的最大源頭之一，卻常常被人們忽視。當(dāng)液流的流速超過工藝的需要時，或者當(dāng)泵在不需要工作的情況下仍保持運(yùn)轉(zhuǎn)時，都會造成能源的浪費(fèi)。和某些輸送應(yīng)用一樣，閉環(huán)系統(tǒng)常常以這種方式工作。當(dāng)供給并非由需求來驅(qū)動時，還會造成其他的能量損失，例如本文前面所提及的那些。

　　能量浪費(fèi)的源頭往往相互關(guān)聯(lián)，這意味著它們造成的后果會重復(fù)發(fā)生。所以，減少每一種源頭都有利于加強(qiáng)最終的節(jié)能效果。達(dá)到該目的的最直接辦法就是針對工作任務(wù)選擇合適的泵，并調(diào)整流量。

　　工藝需求

　　只有使泵送設(shè)備在需要的時候(準(zhǔn)時)提供需要的功能，才能實現(xiàn)節(jié)能的目的。這意味著要確定泵的真正用途，在大多數(shù)情況下它并不是為了輸送液流。例如，在過濾管道中安裝的泵可用于輔助清潔液流;但是它的最終功能取決于為什么要首先清潔液流。“五個為什么”的方法有助于我們理解系統(tǒng)的目的。例如，當(dāng)考慮結(jié)晶過程中所用的冷卻水泵時：

　　問：為什么系統(tǒng)中安裝有泵?

　　答：為了輸送冷卻水。

　　問：為什么要輸送冷卻水?

　　答：為了加速散熱。

　　問：為什么要加速散熱?

　　答：為了在規(guī)定的時間內(nèi)使工藝?yán)鋮s。

　　問：為什么需要在規(guī)定的時間內(nèi)使工藝?yán)鋮s。

　　答：為了控制結(jié)晶速度。

　　問：為什么需要控制結(jié)晶速度?

　　答：為了獲得合適的晶體大小。

　　結(jié)論：泵的工作任務(wù)由晶體大小來控制。

　　如果當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)在最低流量工況下，仍然能確保實現(xiàn)系統(tǒng)的最終功能，那么就能達(dá)到最佳效率。液流在管道內(nèi)的流速與流量成正比。摩擦損失隨流速的平方變化，因此會隨流量的平方值而變化。所以，減小流量有利于提高比能——使系統(tǒng)中單位體積的流體移動所消耗的能量。最后，為了達(dá)到期望的性能，應(yīng)保證泵組適合其工作任務(wù)。

　　當(dāng)需求變動時，系統(tǒng)的工作條件也相應(yīng)地發(fā)生變化。確定系統(tǒng)在一段時期內(nèi)的載荷情況有助于了解泵送設(shè)備的工作任務(wù)(圖7)。為了確定泵的工作模式，需要首先確定主要的工作點(diǎn)，這意味著能夠通過變化的工作負(fù)載計算出可能的節(jié)能量(這不同于使用單一的固定工作點(diǎn))。

　　工藝需求取決于合適的泵送系統(tǒng)的工作情況。了解工藝的動態(tài)特性和需求對于確定工作方式起著重要作用。

　　固定的需求：

　　恰當(dāng)?shù)牟僮魅�決于泵的選擇和系統(tǒng)布局。選擇一臺能夠在其最佳效率點(diǎn)提供所需流量的泵是目標(biāo)所在。揚(yáng)程值由泵送設(shè)備在指定流量下的規(guī)定值來確定。PAST軟件能夠計算出當(dāng)泵送系統(tǒng)工作在指定工作點(diǎn)時的泵和電機(jī)效率。當(dāng)弄清楚工作任務(wù)和系統(tǒng)布局之后，就能提高該階段工作的成效。

　　變動的需求：

　　如果需求波動，那么泵送設(shè)備就必須運(yùn)轉(zhuǎn)在多個工作點(diǎn)下，并且必須恰當(dāng)?shù)靥幚碇虚g狀態(tài)。妥善的解決方案取決于系統(tǒng)的特性參數(shù)(例如靜壓頭、摩擦損失)和工作點(diǎn)。在一切可能的情況下，都應(yīng)該盡量使需求的變動平穩(wěn)、簡化，例如通過使用緩沖罐來達(dá)到這一目的。這樣做能夠降低峰值流量，從而減少能耗。

　　如果波動方式復(fù)雜，系統(tǒng)的操作會變得困難，往往需要一臺或者多臺泵以及特定的控制方法。常見的調(diào)節(jié)方法依靠調(diào)節(jié)閥和旁路。但是，現(xiàn)代控制技術(shù)避免使用低效能的元件，因為它們是以傳感器和計算信息作為反饋環(huán)節(jié)的控制環(huán)路為基礎(chǔ)的。它們通常更接近所要求的工作任務(wù)，而且更復(fù)雜。

　　使用變速驅(qū)動器能夠解決需求變動的問題。但是，它并非一種普遍適用的解決方案。務(wù)必要了解在何處以及如何使用變速驅(qū)動器，這一點(diǎn)相當(dāng)重要，因為如果使用不當(dāng)，則會導(dǎo)致能耗增加而無法節(jié)能。

　　對方案進(jìn)行優(yōu)化時要考慮實際工作中的重點(diǎn)和限制。往往不止有一種解決方案，因此可有多種方法來實現(xiàn)投資回報。節(jié)能效果最優(yōu)的并不是節(jié)能潛力最大的解決方案，而是可實施性最好的方案。必須將能量審核的結(jié)果付諸實踐，以達(dá)到節(jié)能的目的，只有這樣才能使減少的能耗量，將縮減的維護(hù)和故障停機(jī)時間成本轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，從而幫助實現(xiàn)預(yù)期的投資收益。

　　實際案例

　　英國進(jìn)行了許多整體系統(tǒng)節(jié)能評估，下面介紹了加工行業(yè)中的兩個案例。二者都針對工作在現(xiàn)場的數(shù)百套泵送系統(tǒng)之一進(jìn)行節(jié)能評估。

　　加工車間，食品行業(yè)，倫敦

　　*工作任務(wù)：將工藝流體從機(jī)械過濾器輸送到供應(yīng)罐。

　　*泵：兩臺具有開式葉輪的離心渣漿泵，二者交替工作。傳送帶由110 kW的電機(jī)驅(qū)動。

　　*年耗電量：590 MWh，41,300英鎊，電價為0.07英鎊/kWh。

　　* 能量損失的主要原因：用于調(diào)整流量的調(diào)節(jié)閥僅工作在10%到40%的開度范圍內(nèi)。顯然泵的規(guī)格過大，調(diào)節(jié)閥浪費(fèi)了過多的能量。

　　*解決方案：減小泵的規(guī)格，并用變頻驅(qū)動器(該設(shè)備適用于泵的更新)取代調(diào)節(jié)閥。

　　*結(jié)果：節(jié)省了高達(dá)93%的能源，每年的電力成本縮減了44,000英鎊(單價8英鎊 /kWh)。二氧化碳排放量減少了298噸。

　　加工車間，制藥行業(yè)，蘇格蘭

　　*工作任務(wù)：冷卻塔和幾個流程之間的冷卻水回路。

　　*泵：兩臺具有閉式葉輪的標(biāo)準(zhǔn)離心泵，二者交替工作。與75 kW的電機(jī)相連。

　　*年用電量：370 MWh，25,900英鎊，電價0.07英鎊/kWh。

　　*能量損失的主要原因：確定冷卻設(shè)備的規(guī)格時，工作現(xiàn)場的面積比較大，而且考慮了今后擴(kuò)容的需求。但是現(xiàn)在的需求降低了不少，入口和出口的溫差很小。

　　這說明流量過高，泵的規(guī)格過大。此外，冷卻水在換熱器和不用的流程管道內(nèi)流動。缺乏合適的控制方法來改變系統(tǒng)的工作負(fù)載，同時隔離不用的管道。

　　*解決方案：減小泵的規(guī)格，并安裝一臺變頻驅(qū)動器，利用入口和出口的溫差來調(diào)節(jié)流量，然后采取常規(guī)程序隔離不用的管道。

　　*結(jié)果：節(jié)省了多達(dá)86%的能量，每年的電力成本縮減了20,000英鎊。二氧化碳排放量減少了172噸。

　　結(jié)論

　　采取系統(tǒng)方法能夠提高能效，減小維護(hù)和故障停機(jī)時間成本，從而降低泵送設(shè)備的生命周期成本。評估得出了定量的潛在節(jié)能數(shù)據(jù)，并提供了實踐指導(dǎo)，尤其強(qiáng)調(diào)了有效的解決方案和可能的投資收益�，F(xiàn)在可以對那些相比于從前發(fā)生變化的工藝予以改進(jìn)，提高它們的效率，使工藝的投資回報時間變短，最終使系統(tǒng)變得更加靈活，更加適應(yīng)實際工況的需要。

　　泵送系統(tǒng)在許多工藝中都是非常關(guān)鍵的設(shè)施。增強(qiáng)它們的性能有助于縮減工廠的故障停工時間，降低工作成本，同時提高靈活性。工業(yè)行業(yè)正面臨著成本高漲和不確定性因素增多的問題，因此，同時提高最終效益和生產(chǎn)率對大部分工廠來說都是一個好消息。

　　是否能達(dá)到期望的節(jié)能效果取決于評估的質(zhì)量。因此，評估團(tuán)隊的技能和所用的方法非常重要。公認(rèn)的資格和認(rèn)證有助于增加泵用戶對該項服務(wù)的信心。但是，目前針對泵送系統(tǒng)進(jìn)行評估的認(rèn)證機(jī)構(gòu)和審核人員并不多見——這還是一個尚在發(fā)展的新興領(lǐng)域。盡管如此，美國能源部和英國泵業(yè)制造商協(xié)會所做的一些工作表明了今后的發(fā)展方向。