优化泵系统效率和其生命周期性能策略

    日新月异的商业环境正在促使各个企业 对其传统的经营惯例作出众多改变。 市场全球化、需求调整以及股东利益都要求工厂寻找能进一步降低生产成本的新途径。

    近年来，虽然企业越来越多地运用信息技术 (IT) 来提高生产力，例如企业资源规划和供应链的管理。但是，就在工厂为其业务系统配备了最新的IT工具的同时，他们却仍旧在使用着过时的、低效的电机驱动泵送系统来运行生产流程。

    今天，低效的电机驱动泵送系统是生产过程管理中的一个薄弱环节。更明确地说，电机驱动的泵系统的效率可以在优化生产流程中扮演重要角色。尽管它经常被忽视，但通过使用能提高其效率的相关技术，便可大幅的降低能耗、减少维修和原材料消耗。

    例如：在整个纸浆造纸管路及工艺流程中，泵送液体通常消耗了工业电机能耗的最大部分。优化泵送系统的效率可增加泵和工艺流程的稳定性，同时在节能和减少维修成本方面可获得20%～50%的改进潜力。低效的泵送性能除了阻碍整个生产效率的提高，还会导致产品质量的降低、生产时间的浪费，对设备的间接损害和过高的维修成本。

    更大并不总是更好

    整个工厂的生产效率往往受约于泵系统的正确选型、安装和维修。标准的工业惯例通常是增大泵的选型尺寸以确保满足工艺峰值期间的需求。在过去，这种做法曾被接受，当时造纸厂有对其所有林业基础产品的持续的订单需要。

    但是今天，情况有所不同。市场的全球化直接导致了过高的浆产品储量和过剩的生产能力。这种局势变化决定了对泵的偏大的选型惯例应该被重新审视。

    1996年，一家芬兰技术研究中心发布的一份题为离心泵性能诊断专家分析报告中显示：通过分析20个工厂1690台泵，发现泵的平均效率小于40%，有10%的泵的运行效率低于10%。泵选型过大和节流控制阀被认定为是消耗过多能量的两大主要原因。

    提升泵效率的策略

    一台流程泵的最初购买价格一般小于其生命周期成本（LCC）的 15%。一台50马力的泵，其生命周期成本包括安装、操作、维修和系统的停用成本，这些费用是最初购买成本的几倍。一般来说，能量消耗会占泵的生命周期成本约30%，维修费用更是高达40%。如果使用超过20年，能耗和维修费用将超过10倍的初始购买费用，而这部分成本可以通过效率的提高来显著的降低。

    泵系统性能受以下几个因素影响

    ·泵和其系统组成部分的各自效率

    · 整个系统的设计

    ·泵送控制的效果

    ·驱动部分的效率

    ·适当的维修周期

    工厂的系统评估有助于确定和量化改进泵送系统效率的最佳方案。

    最具潜力的提高效率的系统改进方案如下

    ·通过更换和产品升级来提高电机效率

    ·最佳匹配各部件选型和负载需求

    ·通过改进工艺和系统设计降低电机的负载

    ·用泵的转速调整替代节流控制阀或回流装置

    并且，当进行泵系统评估时，以下特征说明该系统效率提升存在潜能：节流阀、常开的回流管线、多泵并行系统中所有的泵一直在运行、在间歇工艺中不变的泵操作、汽蚀噪音的存在。 
表1：控制阀与转速调节在同流量条件下对比

    智能流量控制

    变频器（VFDs）的发展应用，特别是用于泵送控制的智能控制驱动器的应用，使以控制阀作为流量主控方式的操作惯例发生了重大变化。而过去，变频器（VFDs）应用于降低能耗或常规的控制效果不太好的场合。实际上，智能泵送系统是针对泵系统的优化方案，其智能软件集成在驱动器的微处理芯片中。

    智能驱动器可以让泵的运行接近其最佳效率点（BEF），并且当泵运行偏离了最佳效率点时可以保护泵避免机械损坏，最新的研究表明，泵运行在最佳效率点附近可以使泵的效率和运行可靠性获得惊人的改善。表一中比较了不同流量需求下的控制阀的压差、泵转速和效率的波动情况。

    智能变频驱动器允许泵运行在最佳叶轮直径和较低的转速下，这可以进一步增加泵的可靠性并使平均故障间隔时间(MTBF)得到相当的改观。在新的项目中，可节省控制阀的购买和安装成本，随后再加上节约的能量和维修费用，泵送系统总的生命周期成本会得到显著的降低。

    一旦投入使用，智能变频驱动器技术可以提供下列改变

    ·自动调节适应工艺变化

    ·自动调节适应泵系统的变化

　 ·系统故障时保护泵

    ·提供实时的状态监控

    已配置传感器和控制软件智能泵送系统的可以提供顺利的开车和产能变化，持续生产时更加严格地控制，并在对产品质量或工艺操作没有产生消极影响时，就对系统潜在的问题提供提更迅速的诊断。如图1所示。 
图1：泵系统原理图， 比较了传统的泵送系统与智能泵送系统的区别。

    节能

    如表2 所示，在纸浆造纸行业，泵消耗了大部分的电机耗能。实际上流程泵的能量集中消耗使他们成为节能降耗的主要选择对象。 
表2：泵送系统是集中耗能的源地。

    不同的型号的流程泵的机械设计都会考虑高效运行。实际应用中，设计的目的是在正常的操作条件下确定泵的尺寸使之运行在最佳效率点。但是工艺需求和产量要求经常随时间有较大的变化。结果，找一个常速泵使之运行在最佳效率点的选型过程就好像射击一个移动的靶子。

    工厂所有的旋转设备中流程泵在节能方面具有最大的潜能。通过智能化地实时控制电机转速，智能泵送系统可以根据需求调节能量使用。通过电机转速的调节满足精确的工艺需求，并避免不必要的能量消耗。

    案例研究显示，通过优化泵的性能最大可节约50%甚至更多的能量。另外，消耗在常速泵上过多的能量并没有用在泵送液体上，而是浪费在泵体上并导致泵系统的可靠性下降。

    除了能耗降低外，智能泵送系统最大优点是解决和消除工厂生产、维修和工程部门遇到的复发性的操作运行故障。一般情况下，设备中故障率最高的是离心泵，其密封泄漏是其中停产时间最长和维修费用最高的故障。泵系统的优化有助于减少计划外停车并增加产量。

    泵系统的优化有助于减少计划外停车并增加产量。

    提高设备管理水平

    一个用于电机驱动泵送系统的成功的、可预报式的维修策略应该包括对于智能泵送系统的在线监控功能的应用。相关监控信息可以传到集成在过程控制系统的设备管理软件中，或者发送到微机维修管理系统（CMMS）用于报警和历史存档。

    过去，设备信息需要手工的搜集和归档，或频数不多地手工录入微机维修管理系统。经过这些年发展，自动的设备状态监控系统已经发展成熟，特别是应用在象涡轮机等大型转动设备上，但其较少用在预报式维修上。工厂一般仍是依靠既定的预测性的大修计划和应急补救性维修。

    通过发展预报式维修的能力，维修保养部门可以实时持续地检查和更新设备状态信息。设备数据的实时分析提供切实可行的信息来计划维修作业，这样比执行一份自上次停车维修后的既定时间计划更加有效。较之既定计划维修主要的优点是延长了连续运行时间，增加了运行机动性，更重要的是降低了维修量。图2显示了预报式维修方式较之既定预防维修方式或补救式维修方式，其费用显著降低。
图2： 预测维护可节省费用。

    在预报式维修状况下，切实的设备状态信息替代了对设备状态的推测，这就让工厂可以在接到设备状态下降预报后就开始计划和安排作业时间。工厂再也不必被迫抢修已经损坏的设备。这样一来，过去主要依靠对设备的历史记录、经验、和直觉等人工技能的维修作业，现在已经变为故障辨别的科学流程。

    结论

    过去，制造业广泛的使用过程仪表用来测量工艺中的物理和化学变量，尽管也使用传感器来监控设备如泵、压缩机和其他的旋转设备，但仅限于一些价值非常昂贵的设备。今天，随着智能化设备和数字通讯的发展成长，传统的过程控制和设备管理职能正渐渐的融合进过程管理系统。

    智能泵的出现成为过程管理的进一步发展中决定性的一步。在加入智能功能以后，在同一变频驱动平台上不仅提供控制，而且可提供泵的保护和状态监控。

    尽管具有节能和操作上的优势，但当对电机驱动泵送系统实行提高效率的新技术时，工厂还要面临许多障碍。这主要源于经理、工程师、以及新技术和方案的分销商对改进泵系统的性能方面缺乏了解。

    在对新技术了解后，由于需要改变长期建立起来的生产惯例而感到冒险，这经常会延迟决定和项目执行。另外，在维修、生产和工程部门，低效的人员配置也限制了新技术的评测和应用。鉴于这些约束条件，在工厂部门中普遍存在一种态度：设备没坏就别改。

    另一方面，还有供货商这边的因素，在改进系统效率和实施中有与之相矛盾的动机。例如，泵的分销商更愿意卖更多的泵来满足客户生产需要的增长，而不会建议客户怎样通过更有效的泵操作来满足生产量的增长。有趣的是，甚至当分销商发现机会并说明潜在的优势后，很多最终用户还愿意在原始投资的基础上继续作出购买决定，而不是为了实现长期的节能而增加投资。

    为了能获得泵系统优化后的众多效益，最终用户，制造商以及分销商，还有设计工程师，必须共同奋斗。厂级的综合评估可为项目合理性提供一种有效的方法来鉴别发现最好的改进机会。一个实施后，就会有下一个更好的应用被发现，这为重大项目提供了稳定的发展渠道来实现可持续发展的目标。

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