企业培训_泵系统节能培训教材

泵系统节能培训 培训内容 概述泵系统的基础知识泵系统的设计和运行泵系统的优化的机会和措施泵系统评估和经济性 一 概述 泵的应用泵系统的组成泵系统的能源利用现状 1 泵的应用 工业领域 泵系统耗电占工业系统能耗20 以上 商业领域 供热 通风 空调 HVAC 市政领域 自来水和污水的输送 据统计 泵系统耗电量约占到全世界发电量的20 和工业系统用电量的25 50 在我国 泵的用电量约占全国用电量的20 9 不同的流体系统所泵送的流体可用于不同的使用场合 泵送流体支持另一种产品散热或供热产生动力泵送的流体本身就是产品油输送自来水 2 泵系统的组成 A泵B液位指示C水池D电机E电机控制器F节流阀G旁通阀H热交换器 终端设备 I仪表线J泵出口管K泵入口管 泵系统节能潜力 在美国 泵系统耗电量要占到其工业用电量的25 左右 根据美国能源部进行的 电机系统市场机会评估 结果 泵系统是美国工业系统能效提高存在机会最大的领域 大量案例显示 通过较好的系统设计和对现有系统进行优化 可以实现20 甚至更多的能源费用节省 并且还指出了一些比较大却常被忽略的节能机会 在我国 泵的用电量约占全国用电量的20 9 调查显示 和国外相比 我国没有改造的泵类产品效率平均比国外低3 5 而整个系统的效率同比低20 左右 具有非常大的节能潜力 国内大量研究和成功案例表明 应用系统方法在对系统进行全面地测试分析基础上 应用最合适的手段对泵系统进行优化 可以达到30 50 的节能效果 二 泵系统基础知识 泵的分类泵的主要性能参数容积泵离心泵系统曲线和泵的运行工况点相似定律 1 泵的分类 离心泵和容积泵的区别 容积式泵27 离心式泵73 离心泵是我们关注的重点 离心泵是一种要连续添加能量的泵容积泵是周期性把能量增加给一定量水的泵 2 泵的主要性能参数 流量 扬程 单位时间内泵所输送的流体量称为流量 流量用符号Q表示 其单位常用m3 h m3 min和m3 s 泵所输送的单位重量的流体从进口到出口的能量水头增值称为扬程 扬程用符号H表示 其单位为m 习惯称为米液柱高 泵转子每分钟旋转的圈数称为转速 以n表示 单位为r min 转速 功率 效率 输入功率 又称轴功率 是指原动机传递给泵轴上的功率 以P表示 单位为kW 输出功率 又称有效功率或水功率 是指被泵输送流体获得的功率 泵的输入功率不可能全部传递给被输送的流体 其中必有一部分能量损失 被输送的流体实际得到的功率与泵的输入功率的比值称为泵的效率 以符号 表示 功率 效率 输入功率 又称轴功率 是指原动机传递给泵轴上的功率 以P表示 单位为kW 输出功率 又称有效功率或水功率 是指被泵输送流体获得的功率 泵的输入功率不可能全部传递给被输送的流体 其中必有一部分能量损失 被输送的流体实际得到的功率与泵的输入功率的比值称为泵的效率 以符号 表示 功率 效率 输入功率 又称轴功率 是指原动机传递给泵轴上的功率 以P表示 单位为kW 输出功率 又称有效功率或水功率 是指被泵输送流体获得的功率 泵的输入功率不可能全部传递给被输送的流体 其中必有一部分能量损失 被输送的流体实际得到的功率与泵的输入功率的比值称为泵的效率 以符号 表示 气蚀余量 有效汽蚀余量 NPSHA 泵的汽蚀余量是指单位重量的液体从泵吸入口流至叶轮进口压力最低处的压力降低量 国外称为净正吸入压头 NPSH 有效汽蚀余量 NPSHA 指泵吸入口处单位重量的液体所具有的超过饱和蒸汽压力的富裕能量 它是系统和流量的函数 必需汽蚀余量 NPSHR 是指单位重量的液体从泵吸入口流至叶轮叶片进口压力最低处的压力降落量 它是泵及流量的函数 必需汽蚀余量 NPSHR 有效汽蚀余量 NPSHA 大于必需汽蚀余量 NPSHR 泵才不会出现汽蚀现象 3 容积泵 应用场合 高压力 低流量应用工况场合高粘性流体介质应用工况场合精确控制流量的应用工况场合 4 离心泵 离心泵分类 叶片形状 径流式 混合式 轴流式 叶片侧壁 全开 半开 封闭 吸入类型 单吸或双吸 级数 单极或多极 收集器 涡壳或扩散体形 方位 立式或卧式 20 径流泵 混流泵 轴流泵 离心泵扬程和流量的关系 泵增加了压力 能量 到流体上泵输送 高压力 低流量或者高流量 低扬程可靠性和能耗取决于泵的运行工况点 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 铭牌数据应用到某一特定的运行点 扬程 流量曲线 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 100 80 60 40 20 0 轴功率 kW 离心泵功率 流量曲线 压头曲线 轴功率曲线 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 不同的泵具有不同等性能曲线 100 80 60 40 20 0 轴功率 kW 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 不同的泵具有不同的轴功率曲线 泵1 泵2 100 80 60 40 20 0 效率 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 泵2 泵1 不同的泵具有不同的轴功率曲线 扬程 ft 流量 GPM 效率 性能曲线 效率曲线 5 系统的性能曲线 主要是静压头 全部是摩擦阻力压头 两种系统类型 泵要克服的系统扬程由两个基本部分组成 静扬程和管道阻力扬程 30 25 20 15 10 5 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 管道阻力压头 全扬程 静扬程 固定不变 应用实例 静压头起主导作用的系统包括 冷却塔泵系统污水处理装置的注水泵系统大部分 全部为摩擦阻力的系统包括 封闭的循环冷却水系统废水处理厂的污水泵系统 泵要克服的系统扬程为静扬程 Hstat 和阻力扬程 Hj两者之和 首先让我们了解一下只具有静水头 无摩擦阻力 的系统 类似于从一个储水池泵送到另一个储水池的系统 系统静扬程 p 静压 绝对压力 Pa 流体密度 kg m3 g 重力加速度 9 81m s2 h 液位差 m 静压头不随流量变化 三个静压头曲线 30 25 20 15 10 5 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 由于水功率与流量成正比 所以理想状态下功率随流量线性增加 70 60 50 40 30 20 10 0 流体功率 kW 1000 800 600 400 200 0 15m 20m 25m 流量 m3 h 但实际情况如何呢 在现实世界中 摩擦阻力总是存在的 流体之间及流体和管壁之间 那么 实际的摩擦阻力与伯努利方程到底偏离多少呢 在实际系统中 有时多 有时少 考虑到摩擦阻力 对伯努利方程作如下修改 1 2 Z1 Z2 由于摩擦阻力损失 点2的水利能量比点1低 因此我们在方程的右侧增加一项 hf 管道系统中哪些地方会导致阻力损失呢 管壁阀门弯头三通渐缩管 渐扩管膨胀节容器进口 出口 换句话说 几乎泵送流体经过的每个地方都存在截流损失 流体本身也存在摩擦损失 系统阻力扬程 Hj 整个系统阻力损失Hjf 管道沿程阻力损失Hjs 局部阻力损失 管道阻力损失的计算通常是建立在达西 威斯巴克方程基础上的 该方程对于了解哪些参数影响管道阻力损失是非常有用的 Hjf 摩擦导致的压降 摩擦系数L 管道长度d 管道直径 流量压头 Hjf V2 2g V2 2g 摩擦系数代表许多影响因素 摩擦系数受以下因素影响 管道粗糙度流体黏度管道尺寸流体速度 Hjf V2 2g 管道部件阻力损失主要也是建立在实验数据基础上的 对于管道部件 摩擦阻力主要取决于速度压头 Hjs K K 损失系数 速度压头 K是尺寸的函数 对于阀门 还是阀门类型 阀门开度的函数 各种管道部件的一些典型K值 部件部件K值90 标准弯头90 0 2 0 390 长径弯头90 0 1 0 3方边进口 容器 0 5进入容器的出口1止回阀2闸阀 全开 0 03 0 2球形阀 全开 3 8蝶阀 全开 0 5 2球阀 全开 0 04 0 1 工程上 6 泵的运行工况点 离心泵 容积泵 流量 扬程 静扬程 系统曲线 泵性能曲线 工作点 流量 扬程 静扬程 系统曲线 泵性能曲线 工作点 7 相似定律 当转速改变时性能参数的换算 当密度改变时性能参数的换算 Q 流量H 扬程N 功率n 转速 密度 四 泵系统的设计和运行 管道尺寸的选择泵的选型泵的联合运行系统流量的控制方法泵系统运行的常见问题 1 管道尺寸的选择 整个泵和系统的安装费用工艺要求的最低流速 例如 避免沉淀 工艺要求的最小内径 例如 固体输送 为了最小化管道和附件侵蚀的最大流速市场上可供选择标准管径 选择依据 管道以及附件的初投资降低 管道尺寸减小 管道以及附件的初投资降低 泵和电机的初投资增加 管道尺寸对泵系统生命周期费用影响示意图 能源费用增加 2 泵的选型 多级动力式泵 双吸单级泵 单吸单级泵 混流泵 轴流泵 流量 m3 h 扬程 m 单通道 径向叶片或漩涡泵 压头 ft 流量 GPM 流量 GPM 等效率线 压头 流量曲线 压头 ft 叶轮规格 7 6 5 4 8 3 泵的联合运行 并联运行 两台泵并联时总流量为每台泵流量之和 即qA 2qB 每台泵产生的扬程与总扬程相等 即HA HB 并联后泵的总流量增加 但就每台泵而言 流量比单独运行时有所减少 即qB qC 串联运行 总流量与串联工作的每台泵的流量相等 即qA qB 总扬程为串联工作时每台泵扬程之和 即HA 2HB 与一台泵单独在该系统中运行比较 串连后总扬程和总流量都增加了 而每台泵串联运行时的扬程比它单独运行时降低了 串联台数越多 每台泵与它单独运行时相比 扬程下降也越多 管路性能曲线越陡峭 串联后扬程增加越明显 4 系统流量的控制方法 节流阀控制旁通控制泵转速控制泵运行台数控制 节流控制 旁通控制 泵转速控制 5 泵系统运行常见问题 系统问题 泄漏阀门问题管道支架 离心泵问题 气蚀及内部回流密封和盘根问题泵轴偏差 泵的密封方法 四 泵系统优化的机会和措施 优化系统管路配置泵选型过大多泵配置大小泵配置叶轮切削应用变速驱动 传统的泵系统 10kW 2kW 泵损耗 电机损耗 旁通损失 局部阻力损失 沿程阻力损失 阀门损失 100GPM 固定转速10GPM kW 有用能 10kW 100GPM 最大流量 175GPM正常流量 100GPM 泵系统优化的最终目标 最终目标 流体系统 联轴节 电机 供电线路 变速驱动 在每一个接口处都会存在效率损失 目标是泵系统的总效率最大化 或者是单位功率输入输送尽量多的流体 对于中央空调系统 则要达到输送单位冷量消耗的水泵功率最小 日本提出了28 6W kW的标准 75kW电机的效率曲线 96 95 94 93 92 91 90 效率 100 75 50 25 负载率 2 pole 4 pole 6 pole 8 pole 对于泵系统而言 电机是非常小的影响因素 寻找泵系统节能的有效方法 电机输出功率电机效率 电机输入功率 kw 水力功率泵效率 泵输入功率 kW 或电机输出功率 Motor Pump m3 hr m 比重367 流体功率 kW 41500 33200 24900 16600 8300 0 年摩擦阻力损失费用 5000 4000 3000 2000 1000 0 流量 m3 h 30m长新管每年的摩擦阻力费用 电价0 83元 kWh 联合效率70 300 400 500 600 750 900 1m s 1 5m s 2m s 1 优化系统管路配置 优化设计管路系统 不正确 对管道进行正确的选型并安装可以避免气袋的形成 正确 允许形成气袋的空间 与泵相关的管道配置问题 不正确 正确 允许形成气袋的空间 固定斜率 不正确 正确 允许形成气袋的空间 在泵的上游建立均匀的流场分布 在泵的进口处应当采取直管段 导流装置 转动叶片 管道导流装置图 管道配置优化原则 建议入口流速不超过1 5m s 最大限度减小泵进口侧压头损失以降低产生气蚀的风险 吊架 吸入口 出口 卧式分体泵 电机 吊架 2 泵选型过大 泵选型过大的表现 流动噪音过大 阀门过度节流 旁通管线流量过大 频繁的轴承和密封维护 泵选型过大的改进措施 叶轮调整 应用变速驱动 利用小型泵加强大型泵的使用效能 3 多泵配置 运行灵活 流量 GPM 单泵运行 双泵运行 三泵运行 泵性能曲线 系统性能曲线 扬程 ft 优点 可靠性高 维护保养成本降低 效率高 50 40 30 20 10 0 扬程 m 2000 1500 1000 500 0 流量 m3 h 增加一台泵的效果取决于系统的性质 1台泵 2台泵 925m3 h 1112m3 h 1600m3 h 多泵并联运行对于静压头起主导作用的系统是理想选择 4 大小泵配置 泵间歇运行 适用场合 在高负载期间高流动噪音 气蚀及管道系统的振动现象消失了 5 叶轮切削 系统的大多数旁通阀打开 表明系统设备内的流量过大 适用范围 系统需要过分节流来控制流到系统或工艺的流量 存在高噪音或者振动等级表明流量过大 泵远离其设计点运行 切削原理 Q 流量H 扬程BHP 电机功率 下标1 原始泵 下标2 经过叶轮切削后的泵 D 直径 50 40 30 20 10 0 扬程 m 800 600 400 200 0 流量 m 3 h 70 60 75 78 80 82 75 78 80 82 70 83 84 289mm 251mm 213mm 5 应用变速驱动 系统的大多数旁通阀打开 表明系统设备内的流量过大 适用范围 系统需要过分节流来控制流到系统或工艺的流量 存在高噪音或者振动等级表明流量过大 泵远离其设计点运行 不同控制方式比较 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1200 1000 800 600 400 200 0 流量 m 3 hr 100 speed 90 80 70 40 50 70 60 75 75 当泵速度变化时 相似定律保持的非常好 80 80 80 5 BEP 78 78 假设 全阻力系统 全静扬程系统和混合系统在100 转速时处于同一工作点 如果该三种系统降低泵转速会发生什么 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m 3 h 800m3 h 27 5m 79 5kW 对于全摩擦阻力系统 改变速度泵效率不变 100 转速 90 80 70 40 50 70 60 75 75 80 80 80 5 BEP 78 78 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1200 1000 800 600 400 200 0 流量 m 3 hr 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1200 1000 800 600 400 200 0 流量 m 3 hr 在带有静压头的系统中 随着速度变化泵效率也变化 100 转速 90 80 70 40 50 70 60 75 75 80 80 80 5 BEP 78 78 50 40 30 20 10 0 1200 1000 800 600 400 200 0 流量 m 3 h 对于只有静压头的系统 效果更具有戏剧性 100 转速 90 80 70 40 50 70 60 75 75 80 80 80 5 BEP 78 78 扬程 m 如果系统的实际流量需求为400m3 h 原流量需求的一半 那么 50 40 30 20 10 0 扬程 m 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 为了使全摩擦阻力的系统产生400m3 h的流量 速度被降低到原来的50 100 转速 50 转速 400m3 h 6 9m 10 4kw 50 40 30 20 10 0 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 为了使固定静压头 摩擦阻力的系统流量达到400m3 h速度被降低到原来的78 5 100 转速 78 5 转速 400m3 h 21 9m 34 6kw 扬程 m 50 40 30 20 10 0 1000 800 600 400 200 0 流量 m3 h 为了使全静压头的系统流量达到400m3 h 速度被降低到原来的86 5 100 转速 86 5 转速 400m3 h 27 5m 44 7kW 扬程 m 080010079 510 10 099040050 010 438 50 0262080010079 510 10 0992040078 534 611 60 08727 580010079 510 10 09927 540086 544 78 90 112 静压头 m m3 hr转速 kWm3 kwhkwh m3 注 800m3 h流量的功率值假设电机被直接驱动 ASD被旁通 五 泵系统的评估和经济性 最佳评估时间的选择评估系统的选择泵系统的评估方法泵系统的经济性 典型的系统分析方法 分析当前的工艺生产需求以及未来的生产发展需求 了解系统当前的运行状态和参数 收集系统运行数据并对其进行分析 提出替代的系统设计方案和改进 对潜在的节能方案进行比较 确定技术上最可行 投资回报最合理的方案 对确定的方案进行实施 继续检测和优化系统 继续运行并维护系统 保证系统高效运行 1 最佳评估时间的选择 泵的最初选型阶段 发现并解决问题阶段 系统改进阶段