流體系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)理念分析

文_霍躍根 長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 采用高效節(jié)能的泵類等主體流體輸送設(shè)備

1.1 設(shè)計(jì)理念先進(jìn)且量身定制

通過先進(jìn)軟件量身定制泵類等流體模型，結(jié)合工藝流程中對(duì)流體各種參數(shù)的實(shí)質(zhì)性需要、流體介質(zhì)屬性的計(jì)算及元件阻力損失,進(jìn)行綜合性考慮。在總結(jié)出流體屬性介質(zhì)模塊后，采用仿真網(wǎng)絡(luò)建模及計(jì)算模塊，利用流體系統(tǒng)控制方程組數(shù)值求解的方法，建立起元件仿真計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)或流體仿真軟件平臺(tái)，對(duì)其流體粘性和泵類等體內(nèi)部壓力引起的流體流動(dòng)狀態(tài)及擾動(dòng)瞬變情況進(jìn)行定量分析，時(shí)時(shí)進(jìn)行改進(jìn)與校正，最大限度地符合設(shè)計(jì)要求。這樣就能改善葉輪及流道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，并減小進(jìn)口沖擊、出口尾跡脫流的損失等（避免流體在葉片之間形成回流，使流體在葉輪間的流動(dòng)更接近設(shè)計(jì)要求的狀態(tài)），從而提高容積效率，使泵類等流體輸送設(shè)備效率得以最大限度地提高。

量身定制技術(shù)原理分析，結(jié)合離心泵的性能曲線特性，設(shè)定水泵運(yùn)行曲線及參數(shù)，定義流量為Q，揚(yáng)程曲線H，效率曲線η：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行流量-揚(yáng)程曲線參數(shù)值定義為實(shí)際參數(shù)點(diǎn)A，A點(diǎn)偏離泵高效點(diǎn)B，效率有所下降，再結(jié)合實(shí)際流量揚(yáng)程需求，選用優(yōu)秀更高效的水力模型，量身定制高效節(jié)能水泵或葉輪以實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)點(diǎn)A（經(jīng)實(shí)際工況需求校正后）設(shè)計(jì)，流量-效率曲線Q-η的最高效率ηmax與參數(shù)點(diǎn)A完全重合（圖1）。解決了水泵偏工況運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)與實(shí)際需要的工況點(diǎn)吻合，保證水泵最高效率點(diǎn)與工況點(diǎn)重合,達(dá)到高效運(yùn)行。

圖1 水泵運(yùn)行曲線與參數(shù)

1.2 流體設(shè)備的高精度加工

泵等流體設(shè)備定型設(shè)計(jì)完成后，選擇鑄件制造技術(shù)先進(jìn)的公司進(jìn)行制造和精密加工，然后上調(diào)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。這樣確保流體產(chǎn)品的精度。

1.3 根據(jù)需要在葉輪等關(guān)鍵部位采用高科技的涂料

如超薄高分子材料、超滑合金等處理，減少水力等摩擦力和局部阻力，增加葉輪的硬度和防腐蝕功能，保持其高效的節(jié)能效果。

1.4 使用新技術(shù)生產(chǎn)的部件以減少機(jī)械部份的損耗

如軸套密封摩擦與軸承的摩擦對(duì)端蓋進(jìn)行改造，改進(jìn)傳統(tǒng)的填料或機(jī)械密封技術(shù)而使用橡膠軟密封等。有些橡膠軟密封效果好且壽命是普通密封的3～5倍。

2 對(duì)流體主要參數(shù)的各個(gè)方面進(jìn)行綜合性優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)流體輸送系統(tǒng)的路徑及其中的設(shè)備或部件進(jìn)行優(yōu)化。如對(duì)管道路徑進(jìn)行改造以減少阻力或使水量根據(jù)生產(chǎn)要求更趨于合理地分配。對(duì)閥門等管道上的部件進(jìn)行更換使之更適應(yīng)工藝的需要，或者再對(duì)流體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使流體系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制（不再憑經(jīng)驗(yàn)或手動(dòng)操作閥門的開度）功能縮減不必要的水泵高揚(yáng)程或減小管道內(nèi)壓力而改用滿足和合適于實(shí)際工藝要求的揚(yáng)程或壓力?？s減一些不必要的流量浪費(fèi)和縮減富余量而采用有益的節(jié)流措施來達(dá)到節(jié)能的效果。優(yōu)化主要流體設(shè)備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量選擇高效工作區(qū)較寬的水利等流體模型，使之在高效區(qū)寬、高性能范圍廣及汽蝕性能好的工作區(qū)內(nèi)。

3 工業(yè)電氣自動(dòng)化對(duì)流體輸送系統(tǒng)配套的節(jié)能技術(shù)

工業(yè)電氣自動(dòng)化在節(jié)省運(yùn)行成本、提高生產(chǎn)效率、改善工業(yè)環(huán)境等方面都起著積極作用，伴隨“綠色工業(yè)革命”的興起在工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)廣受推崇，并已經(jīng)成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工業(yè)建設(shè)的雙重目標(biāo)。配置無線遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)代替泵站管理人員可以在設(shè)備管理處的中控室監(jiān)控各個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)、液位高低等，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算運(yùn)行；支持手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制開機(jī)、停機(jī)；圖像監(jiān)視站內(nèi)全景及重要的工位。這樣可以減少部分人工，能及時(shí)掌握數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)的安全性，及時(shí)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)匹配生產(chǎn)，智能化大幅提升， 更進(jìn)一步的提升節(jié)能效果。

更換效率更高的電機(jī),如應(yīng)用高效節(jié)能的永磁調(diào)速電機(jī)及雙功率電機(jī)等新型節(jié)能產(chǎn)品能收到良好的效果。配置自動(dòng)化電力補(bǔ)償系統(tǒng)或?qū)υ械淖詣?dòng)化電力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行改造，使補(bǔ)償效率更高并減少諧波，從而改善并提高整個(gè)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工藝需要配置變頻器或電磁調(diào)速系統(tǒng)等，以適應(yīng)并改善因工藝變動(dòng)導(dǎo)致流體變化較大的需求而達(dá)到理想的可靠控制狀態(tài)。配置效率更高的自動(dòng)化操作和智能調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，或采用精度更高且更安全可靠的儀表設(shè)備進(jìn)行測(cè)量、傳輸及控制。

4 制定合理檢修和維護(hù)保養(yǎng)制度

由于銹蝕、積垢和結(jié)晶、腐蝕、磨蝕和空蝕等破壞作用，使泵等運(yùn)行效率下降，使用壽命縮短，所以在維護(hù)和檢修中應(yīng)針對(duì)其產(chǎn)生的原因而制定相應(yīng)措施，如的暖泵、盤泵或前后閥門的操作，定期清理過濾缸等，檢查管線連接，保證進(jìn)/出液管路暢通，及時(shí)更換這些損壞的部件，保持泵的高效運(yùn)行。

5 單一節(jié)能方案的缺點(diǎn)

一個(gè)優(yōu)秀節(jié)能方案是對(duì)一個(gè)流體系統(tǒng)各方面綜合衡量后的結(jié)果，這也是衡量節(jié)能方案水平高低的標(biāo)尺。如果單獨(dú)采用變頻器進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)的局限性：

①它對(duì)于整個(gè)流體系統(tǒng)（包括泵體本身）機(jī)械部分及流體力學(xué)部分低效率運(yùn)行的最根本性問題沒有任何改進(jìn)和提高。

②其本身是一個(gè)故障源，復(fù)雜的控制單元和變頻工作時(shí)本身對(duì)其內(nèi)部元器件有一定的沖擊和損害，所以會(huì)因變頻器損壞或故障而需檢修停產(chǎn)的情況給生產(chǎn)帶來影響。

③維持其本身的工作或在變頻調(diào)速時(shí)自身也要產(chǎn)生損耗。

④使用大功率的變頻器時(shí)要更大的空間，從而減縮了安全區(qū)間和工作空間，從而給操作帶來壓抑和不方便感，或給工作效率或人身安全帶來影響。

⑤使用大功率的變頻器時(shí)對(duì)環(huán)境的要求比較高，因溫度、濕度及空氣清潔程度等不適而提高了其故障率及縮短其壽命，故經(jīng)常需加裝空調(diào)及排熱通風(fēng)管道等。

⑥使用大功率的變頻器時(shí)提高環(huán)境的溫度、產(chǎn)生大量諧波等，從而影響如影響電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量、影響電機(jī)及電器壽命等電氣運(yùn)行環(huán)境。

⑦使用大功率的變頻器時(shí)產(chǎn)生的諧波及加劇周圍電場(chǎng)磁場(chǎng)的歧變，即電場(chǎng)、磁場(chǎng)、輻射、電磁感應(yīng)使信號(hào)受到干擾，從而產(chǎn)生了信號(hào)失真及使電器設(shè)備誤動(dòng)作等，所以純變頻器節(jié)能改造僅是較粗糙的一種節(jié)能方式。

6 提高認(rèn)識(shí)并轉(zhuǎn)變觀念

節(jié)能的空間主要來自以下：①系統(tǒng)中存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，包括設(shè)計(jì)富裕量過大等（包括如大揚(yáng)程/高壓力及大流量的情況）有優(yōu)化節(jié)能的空間。②系統(tǒng)的流體負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)且變動(dòng)幅度較大，使在小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)就可以調(diào)節(jié)節(jié)能。③流體系統(tǒng)及其中的設(shè)備存在高損耗，可以通過改造和提升達(dá)到節(jié)能的目的。④實(shí)際建成的系統(tǒng)與原設(shè)計(jì)估計(jì)的情況不同或長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不需達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能時(shí)而留下節(jié)能的空間。

在實(shí)際節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施中，使用單位相關(guān)人員有時(shí)對(duì)節(jié)能措施存在較大的誤解甚至有反感和抵觸的情緒，這是因?yàn)槌衷撚^點(diǎn)者認(rèn)為所有節(jié)能效益都必須唯一通過犧牲揚(yáng)程/壓力和流量等才能達(dá)到，而難以體會(huì)在最初的設(shè)計(jì)方案中必須考慮到流體系統(tǒng)中的揚(yáng)程/壓力、流量及溫度等存在損失的現(xiàn)象或出現(xiàn)一些特殊情況，且整個(gè)流體系統(tǒng)在建造時(shí)也并非百分之百地按設(shè)計(jì)理想化地安裝完成，故設(shè)計(jì)人員在最初的設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留適當(dāng)?shù)母辉Ａ渴强衫斫獾?。但?dāng)該流體系統(tǒng)建成以后，這些系統(tǒng)中的壓力、溫度及流量損失（如“跑、冒、滴、漏”等）或者其富裕量通過實(shí)際測(cè)量可以清楚地統(tǒng)計(jì)出來后，通過這種實(shí)時(shí)的測(cè)量、計(jì)算和優(yōu)化來縮減一些不必要的富裕量從而達(dá)到節(jié)能的目的，這就是為什么每臺(tái)設(shè)備都要“系統(tǒng)性考慮”以后再“量身定制”的根本原因。因此使用方完全沒有必要有擔(dān)心和抵觸等心理障礙，不切實(shí)際地維持原來的設(shè)計(jì)參數(shù)不放而不做任何改變。

7 結(jié)語

通過各個(gè)方面的綜合考慮與優(yōu)化設(shè)計(jì)，流體系統(tǒng)節(jié)能效率平均可達(dá)15%且可逐步提高，這主要受制于生產(chǎn)的連續(xù)性或因改造成本較高而使整個(gè)改造不能一步到位（可分階段對(duì)水泵等主要流體輸送設(shè)備進(jìn)行改造、再對(duì)管路系統(tǒng)、電儀及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造），所以節(jié)能改造大有空間。