求智能泵節(jié)能全壽命成本智能及經(jīng)濟(jì)效益？？

【專家解說(shuō)】：智能泵(IntelligentPumps)是具有一定的計(jì)算機(jī)處理能力，可以部分替代人工智力的泵或泵系統(tǒng)的總稱。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的泵制造業(yè)已向著節(jié)能化、智能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。應(yīng)該說(shuō)，在泵的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)以及選型、銷售等各方面，都存在智能化的發(fā)展空間。但從目前看，智能泵最明顯的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能和自動(dòng)控制，而最早提出智能泵需要的也是因?yàn)楣?jié)能。

一、泵的節(jié)能潛力

泵是耗能的大戶，據(jù)資料介紹，泵的耗電量約占全國(guó)總耗電量的20%，泵所配套的電動(dòng)機(jī)功率約占全國(guó)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘康?5%。在石油和化工廠中，泵的耗電量則更高，分別達(dá)到59%和26%。因此，泵的節(jié)能是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的大事。

在我國(guó)，過(guò)去泵運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量損失很大，離心泵的調(diào)節(jié)，多采用閥門控制和啟閉旁通等方法。據(jù)一份國(guó)外調(diào)查資料顯示，在20個(gè)工廠運(yùn)行的1690臺(tái)泵中，其平均效率只有40%，有10%的泵效率甚至只有10%。

以上數(shù)字顯示，在泵行業(yè)中蘊(yùn)藏著多么巨大的節(jié)能潛力。假如全國(guó)所有在役的泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率都能提高1%，則全年可節(jié)電44億kW·h，折合電費(fèi)38億元(按上海市高峰時(shí)段工業(yè)用電0.865元/kW·h計(jì)算)。

泵效率的提高包括二個(gè)方面：一是泵主機(jī)設(shè)計(jì)效率的提高。由于設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)千方百計(jì)地提高主機(jī)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率，因此提高1%的效率也是十分困難的。二是提高整個(gè)泵運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的效率。據(jù)一些資料介紹，將原來(lái)旁路調(diào)節(jié)改成變速調(diào)節(jié)后，整個(gè)泵系統(tǒng)的效率可以提高30%甚至更高。因此，智能泵的含義并非在智能泵本身，而在于泵的整個(gè)智能系統(tǒng)(IntelligentPumpingSystems)。智能泵的出現(xiàn)，將離心泵的調(diào)節(jié)帶入了現(xiàn)代化的模式，也帶來(lái)了嶄新的管理概念，因此可以說(shuō)是泵系統(tǒng)工程和管理上的一次革命，也是泵業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

由于離心泵的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，若將離心泵的旁路調(diào)節(jié)改為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其效果將非常明顯。若流量減少10%～20%，則泵的參數(shù)大體如表1所示(未考慮性能曲線的影響)。但實(shí)際上離心泵受性能曲線的影響，當(dāng)流量減少時(shí)，揚(yáng)程將會(huì)升高，因此仍可維持工藝所需的揚(yáng)程，而節(jié)能效果則會(huì)稍低于表1的值。其他調(diào)節(jié)方式的節(jié)能效果則介乎二者之間。

表1離心泵變頻調(diào)節(jié)與旁通調(diào)節(jié)的比較

序號(hào)調(diào)節(jié)方式變頻調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)
1流量調(diào)節(jié)100%90%80%80%~100%
2電機(jī)轉(zhuǎn)速n/(r/min)2950265523602950
3變頻頻率f/Hz50454050
4揚(yáng)程變化H(%)1008164100
5耗電量變化(%)1007348100
二、全壽命成本

全壽命成本LCC(LifeCycleCosts)，又譯作“壽命周期成本”，是指從產(chǎn)品籌劃到產(chǎn)品廢棄為止整個(gè)過(guò)程所覆蓋的成本。它既包括了生產(chǎn)者的視角，也包括了消費(fèi)者的視角。但消費(fèi)者從生產(chǎn)者手中將產(chǎn)品買過(guò)來(lái)，因此，產(chǎn)品成本加產(chǎn)品利潤(rùn)，再加上消費(fèi)成本，就成了用戶的全壽命成本。

據(jù)“泵的全壽命成本”[1]一書的作者介紹，泵的全壽命成本包括設(shè)備初置費(fèi)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)(即電費(fèi))、維護(hù)費(fèi)和其它費(fèi)用四部分。對(duì)于一個(gè)典型的中等規(guī)模的泵工業(yè)裝置而言，其四部分費(fèi)用所占的比例如圖1所示。
費(fèi)用比例(工資、價(jià)格因素等)是參考國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)制作的。圖中設(shè)備初置費(fèi)只占總費(fèi)用的10%。事實(shí)上，購(gòu)買價(jià)格可能由于制造商的不同會(huì)有30%的差距，但對(duì)于一個(gè)使用期限超過(guò)15年的泵，設(shè)備初置費(fèi)在它的全壽命成本中，往往是最少考慮的因素。對(duì)于維護(hù)費(fèi)用常有不同的看法，圖1中，維護(hù)費(fèi)指?jìng)淦放浼M(fèi)加人工費(fèi)，它通常占到全壽命成本的25%~40%，因此，它對(duì)泵經(jīng)濟(jì)性的影響要比購(gòu)買泵的初始費(fèi)用更加重要。耗能費(fèi)用是可以測(cè)試的，也可以按性能曲線測(cè)算，它所占的比例最大，在圖1中達(dá)到45%，在有些資料統(tǒng)計(jì)中甚至高達(dá)70%。

表2全壽命成本節(jié)約費(fèi)用實(shí)際案例匯總表

序號(hào)工業(yè)部門/應(yīng)用案例節(jié)省方式節(jié)約費(fèi)用投資回收期(年)全壽命成本節(jié)約的歐元

1建筑業(yè)/空調(diào)單臺(tái)旁通調(diào)節(jié)大型泵47，800
單臺(tái)節(jié)流閥控制大型泵70，400
3臺(tái)變速調(diào)節(jié)泵電費(fèi)
2造紙業(yè)/循環(huán)水泵安裝2臺(tái)不同條件的電費(fèi)0.5711，900
循環(huán)水泵
3化工/冷凝液出口泵修正葉輪電費(fèi)加0.06107，000
換新的小電機(jī)維護(hù)費(fèi)3.18，600
4供水/配水站泵換一臺(tái)正常效率的泵電費(fèi)0.7121，000
5廢水/排污泵因減荷，3臺(tái)大泵中電費(fèi)加維護(hù)費(fèi)3.338，100
有1臺(tái)換成小的
6鋼廠/水循環(huán)采取提高葉輪表面電費(fèi)0.425，800
效率的措施
7化工/工藝出口泵取消輔助冷卻電費(fèi)和水費(fèi)0.285，700
8家用電器/天然水泵變頻驅(qū)動(dòng)電費(fèi)0.5128，000
9礦山/換泵馬達(dá)換效率高的馬達(dá)電費(fèi)1.822，500
10電廠/冷卻水循環(huán)泵改變泵出口水力特性電費(fèi)1.4—
1未改動(dòng)的原蝸殼泵0.418，394，000
2可調(diào)葉片斜流泵14，518，000
3可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉混流泵
11建筑業(yè)/家用循環(huán)泵換小泵電費(fèi)930
12建筑/辦公用循環(huán)泵改造電費(fèi)10，700
13化工/漿料軟管泵高投入增加軟管維護(hù)費(fèi)0.87930
14食品業(yè)/隔膜泵增添金屬閥門維護(hù)費(fèi)1.63400
表2是根據(jù)歐洲若干工廠泵節(jié)能改造的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制作的，從表2可以看出，泵系統(tǒng)的節(jié)能改造重點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)(電費(fèi))和維護(hù)費(fèi)上，最初的投資或改造費(fèi)用一般一年多就可以回收，最長(zhǎng)的約三年多可以回收。

三、泵的智能化

泵的智能化應(yīng)在二個(gè)方面努力，一是希望離心泵的效率曲線比較平坦，當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，效率的變化盡可能地少。但這方面的潛力非常有限，因此重點(diǎn)在操作運(yùn)轉(zhuǎn)方面。當(dāng)外界工藝流量發(fā)生變化時(shí)，泵的智能系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)地接收工藝參數(shù)變化的信息，迅速地進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果反饋到調(diào)節(jié)閥或變頻器，準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)所需的閥門開(kāi)度或電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成變工況應(yīng)對(duì)。在所有的調(diào)節(jié)方法中，尤以變速調(diào)節(jié)最為節(jié)能。

因此，泵的智能系統(tǒng)主要應(yīng)包括下述套件：泵主機(jī)、變頻電機(jī)、變頻器、信號(hào)傳感器、控制模塊、可編程序控制器等。
變頻器VFD(VariableFrequencyDrives)，又稱變頻調(diào)速器，受智能運(yùn)算反饋信息的控制，將輸入頻率為50Hz的交流電，逆變?yōu)橄鄳?yīng)赫茲(Hz)的電流輸出。三相電機(jī)的變頻范圍為0-60Hz，單相電機(jī)的變頻范圍為40～70Hz。

變速電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f(1—s)/P

式中f——變頻后的交流電頻率，通常為40～50Hz。

若取轉(zhuǎn)差率s=0.007，電動(dòng)機(jī)電極對(duì)數(shù)P=1，則80%～90%流量調(diào)節(jié)的頻率分別為f=45Hz和40Hz(見(jiàn)表1)。

可編程序控制器PLC，又稱可編邏輯控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，在內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算，是一種以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制裝置，用以取代繼電器，對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。智能泵的可編程序控制器可控制泵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)管理、預(yù)防汽蝕、診斷報(bào)警等。ITT高質(zhì)泵公司的PumpSmart智能控制器(見(jiàn)圖2)，是一種更為先進(jìn)的綜合控制器，已將控制模塊、編程器等制作成整體，并設(shè)置好參數(shù)，一般不需要用戶自己編程。

典型的智能泵系統(tǒng)和監(jiān)控原理。其對(duì)應(yīng)的代號(hào)意義為：C—控制臺(tái)，CM—控制模塊，D—電動(dòng)機(jī)，P—泵主機(jī)，PLC—可編程序控制器，T—信號(hào)傳感器，VFD—變頻器。
智能泵系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下：

當(dāng)外界(工藝流程)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)(例如，因流量過(guò)大而引起出口壓力降低時(shí))，由裝在進(jìn)口(或出口)的進(jìn)出口信號(hào)傳感器T將信號(hào)傳遞給控制模塊CM?？刂颇K由若干個(gè)集成電路模塊組成，如電源系統(tǒng)模塊CM1、數(shù)據(jù)采集模塊CM2、驅(qū)動(dòng)控制模塊CM3、信息顯示模塊CM4、輸入輸出模塊CM5等等?？刂颇K經(jīng)過(guò)運(yùn)算將結(jié)果顯示在信號(hào)柜C(或控制柜)上并同時(shí)向變頻器VFD發(fā)出調(diào)頻指令，變速電機(jī)D接受調(diào)頻指令后開(kāi)始降速，泵(主機(jī))P的出口流量逐漸減少，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。與控制模塊相連接的還有可編程序控制器，可以預(yù)先存儲(chǔ)泵的性能曲線、流體密度、控制參數(shù)等。在一般情況下，預(yù)存的參數(shù)不需作任何調(diào)整，當(dāng)有重大參數(shù)改變時(shí)，則可重新編制預(yù)存的參數(shù)。泵的性能曲線呈拋物線狀，一般使用其下降段，它是在泵設(shè)計(jì)或試驗(yàn)時(shí)獲得的，可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型將其分段編程。

四、任重而道遠(yuǎn)的歷程

節(jié)能泵的開(kāi)發(fā)和利用是全體泵業(yè)共同努力的結(jié)果，因此才有智能泵這樣重大的突破。對(duì)此許多國(guó)內(nèi)外公司做了大量的工作，例如，ITT高質(zhì)泵公司就較早地向國(guó)內(nèi)介紹并展出了智能泵的系列產(chǎn)品，提出全壽命成本的理念，大大地提高了泵系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。石家莊易奧科技發(fā)展有限公司率先開(kāi)發(fā)出“水泵變頻調(diào)速的節(jié)電量計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，解決了節(jié)電量量化計(jì)算問(wèn)題。還有許多個(gè)人也對(duì)節(jié)能泵的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，如大連的李冬貴，發(fā)明了“工業(yè)流程智能泵”專利(國(guó)內(nèi)專利號(hào)ZL01211714.5，國(guó)際公開(kāi)號(hào)WO02/66835AI)。

智能泵的迅速發(fā)展也依賴于變頻技術(shù)的發(fā)展，因此也可以說(shuō)智能泵是工業(yè)控制自動(dòng)化在泵業(yè)中成功應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例?，F(xiàn)在，在不同的技術(shù)領(lǐng)域有許多文章介紹泵及變頻控制在工業(yè)上應(yīng)用的實(shí)例，智能泵的利用是牽涉多個(gè)行業(yè)在用戶應(yīng)用的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。這項(xiàng)系統(tǒng)工程所考慮的不僅是技術(shù)，更為實(shí)際和重要的應(yīng)為經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?，F(xiàn)在，智能泵的技術(shù)性問(wèn)題應(yīng)該說(shuō)不是“瓶頸”，不久前在上海舉辦的PSC2005第六屆中國(guó)國(guó)際流體機(jī)械、通用設(shè)備展上，ITT高質(zhì)泵公司展出的復(fù)式智能泵演示系統(tǒng)，向觀眾充分顯示了ITT智能泵的先進(jìn)性和可靠性。而令用戶需切實(shí)考慮的則是投入和產(chǎn)出的比例，即因采用智能泵而增加的投資需要幾年可以回收。筆者認(rèn)為，對(duì)新建裝置而言，比較科學(xué)的考慮是接受全壽命成本LCC的思考方式，對(duì)老裝置改造而言，回收期則以低于2~3年為宜。

另一個(gè)需要重大考慮的問(wèn)題是社會(huì)效益，這實(shí)際上是國(guó)家的能源政策問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，2003年我國(guó)GDP占全球3.8%，但消耗全球能源卻占到了11%。我國(guó)單位GDP能耗是美國(guó)的4.3倍、德國(guó)和法國(guó)的7.7倍、日本的11.5倍。我國(guó)能源專家呼吁，“我國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行仍是高投入、高消耗的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，它帶來(lái)了資源枯竭、環(huán)境污染等諸多問(wèn)題，已經(jīng)難以為繼”。因此，在泵業(yè)這個(gè)巨大的能源管理空間上，深挖節(jié)能潛力，推廣應(yīng)用節(jié)能系統(tǒng)(智能泵)，不僅是企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益所在，也是作為國(guó)民對(duì)國(guó)家的一種責(zé)任