流體系統節能設計理念分析

文_霍躍根 長沙有色冶金設計研究院有限公司

1 采用高效節能的泵類等主體流體輸送設備

1.1 設計理念先進且量身定制

通過先進軟件量身定制泵類等流體模型，結合工藝流程中對流體各種參數的實質性需要、流體介質屬性的計算及元件阻力損失,進行綜合性考慮。在總結出流體屬性介質模塊后，采用仿真網絡建模及計算模塊，利用流體系統控制方程組數值求解的方法，建立起元件仿真計算數據庫或流體仿真軟件平臺，對其流體粘性和泵類等體內部壓力引起的流體流動狀態及擾動瞬變情況進行定量分析，時時進行改進與校正，最大限度地符合設計要求。這樣就能改善葉輪及流道內流體的流動狀態，并減小進口沖擊、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更接近設計要求的狀態），從而提高容積效率，使泵類等流體輸送設備效率得以最大限度地提高。

量身定制技術原理分析，結合離心泵的性能曲線特性，設定水泵運行曲線及參數，定義流量為Q，揚程曲線H，效率曲線η：現場實際運行流量-揚程曲線參數值定義為實際參數點A，A點偏離泵高效點B，效率有所下降，再結合實際流量揚程需求，選用優秀更高效的水力模型，量身定制高效節能水泵或葉輪以實際運行的參數點A（經實際工況需求校正后）設計，流量-效率曲線Q-η的最高效率ηmax與參數點A完全重合（圖1）。解決了水泵偏工況運行，滿足設計點與實際需要的工況點吻合，保證水泵最高效率點與工況點重合,達到高效運行。

圖1 水泵運行曲線與參數

1.2 流體設備的高精度加工

泵等流體設備定型設計完成后，選擇鑄件制造技術先進的公司進行制造和精密加工，然后上調試臺進行測試。這樣確保流體產品的精度。

1.3 根據需要在葉輪等關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，保持其高效的節能效果。

1.4 使用新技術生產的部件以減少機械部份的損耗

如軸套密封摩擦與軸承的摩擦對端蓋進行改造，改進傳統的填料或機械密封技術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 對流體主要參數的各個方面進行綜合性優化設計

對整個流體輸送系統的路徑及其中的設備或部件進行優化。如對管道路徑進行改造以減少阻力或使水量根據生產要求更趨于合理地分配。對閥門等管道上的部件進行更換使之更適應工藝的需要，或者再對流體系統進行優化設計，使流體系統具有自動調節與控制（不再憑經驗或手動操作閥門的開度）功能縮減不必要的水泵高揚程或減小管道內壓力而改用滿足和合適于實際工藝要求的揚程或壓力?？s減一些不必要的流量浪費和縮減富余量而采用有益的節流措施來達到節能的效果。優化主要流體設備的機構設計，盡量選擇高效工作區較寬的水利等流體模型，使之在高效區寬、高性能范圍廣及汽蝕性能好的工作區內。

3 工業電氣自動化對流體輸送系統配套的節能技術

工業電氣自動化在節省運行成本、提高生產效率、改善工業環境等方面都起著積極作用，伴隨“綠色工業革命”的興起在工業領域的節能技術廣受推崇，并已經成為當前經濟建設和工業建設的雙重目標。配置無線遠程自動監控系統，計算機代替泵站管理人員可以在設備管理處的中控室監控各個設備工作狀態、液位高低等，進行科學計算運行；支持手動控制、自動控制、遠程控制開機、停機；圖像監視站內全景及重要的工位。這樣可以減少部分人工，能及時掌握數據，保證生產的安全性，及時調控數據匹配生產，智能化大幅提升， 更進一步的提升節能效果。

更換效率更高的電機,如應用高效節能的永磁調速電機及雙功率電機等新型節能產品能收到良好的效果。配置自動化電力補償系統或對原有的自動化電力補償系統進行改造，使補償效率更高并減少諧波，從而改善并提高整個電力系統的供電質量。根據整個系統的工藝需要配置變頻器或電磁調速系統等，以適應并改善因工藝變動導致流體變化較大的需求而達到理想的可靠控制狀態。配置效率更高的自動化操作和智能調節的系統，或采用精度更高且更安全可靠的儀表設備進行測量、傳輸及控制。

4 制定合理檢修和維護保養制度

由于銹蝕、積垢和結晶、腐蝕、磨蝕和空蝕等破壞作用，使泵等運行效率下降，使用壽命縮短，所以在維護和檢修中應針對其產生的原因而制定相應措施，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/出液管路暢通，及時更換這些損壞的部件，保持泵的高效運行。

5 單一節能方案的缺點

一個優秀節能方案是對一個流體系統各方面綜合衡量后的結果，這也是衡量節能方案水平高低的標尺。如果單獨采用變頻器進行節能改造時的局限性：

①它對于整個流體系統（包括泵體本身）機械部分及流體力學部分低效率運行的最根本性問題沒有任何改進和提高。

②其本身是一個故障源，復雜的控制單元和變頻工作時本身對其內部元器件有一定的沖擊和損害，所以會因變頻器損壞或故障而需檢修停產的情況給生產帶來影響。

③維持其本身的工作或在變頻調速時自身也要產生損耗。

④使用大功率的變頻器時要更大的空間，從而減縮了安全區間和工作空間，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對環境的要求比較高，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，故經常需加裝空調及排熱通風管道等。

⑥使用大功率的變頻器時提高環境的溫度、產生大量諧波等，從而影響如影響電網的運行質量、影響電機及電器壽命等電氣運行環境。

⑦使用大功率的變頻器時產生的諧波及加劇周圍電場磁場的歧變，即電場、磁場、輻射、電磁感應使信號受到干擾，從而產生了信號失真及使電器設備誤動作等，所以純變頻器節能改造僅是較粗糙的一種節能方式。

6 提高認識并轉變觀念

節能的空間主要來自以下：①系統中存在“大馬拉小車”的現象，包括設計富裕量過大等（包括如大揚程/高壓力及大流量的情況）有優化節能的空間。②系統的流體負荷經常變動且變動幅度較大，使在小負荷運行時就可以調節節能。③流體系統及其中的設備存在高損耗，可以通過改造和提升達到節能的目的。④實際建成的系統與原設計估計的情況不同或長時間內不需達到設計產能時而留下節能的空間。

在實際節能項目的實施中，使用單位相關人員有時對節能措施存在較大的誤解甚至有反感和抵觸的情緒，這是因為持該觀點者認為所有節能效益都必須唯一通過犧牲揚程/壓力和流量等才能達到，而難以體會在最初的設計方案中必須考慮到流體系統中的揚程/壓力、流量及溫度等存在損失的現象或出現一些特殊情況，且整個流體系統在建造時也并非百分之百地按設計理想化地安裝完成，故設計人員在最初的設計時預留適當的富裕量是可理解的。但當該流體系統建成以后，這些系統中的壓力、溫度及流量損失（如“跑、冒、滴、漏”等）或者其富裕量通過實際測量可以清楚地統計出來后，通過這種實時的測量、計算和優化來縮減一些不必要的富裕量從而達到節能的目的，這就是為什么每臺設備都要“系統性考慮”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心和抵觸等心理障礙，不切實際地維持原來的設計參數不放而不做任何改變。

7 結語

通過各個方面的綜合考慮與優化設計，流體系統節能效率平均可達15%且可逐步提高，這主要受制于生產的連續性或因改造成本較高而使整個改造不能一步到位（可分階段對水泵等主要流體輸送設備進行改造、再對管路系統、電儀及控制系統進行改造），所以節能改造大有空間。