泵原理與節(jié)能

1、Reducing Facility Energy Costs by Optimizing Pumping Systems 通過優(yōu)化泵送系統(tǒng)降低設(shè)備的能源成本通過優(yōu)化泵送系統(tǒng)降低設(shè)備的能源成本 向文國向文國 中國電機(jī)節(jié)能推廣專家組中國電機(jī)節(jié)能推廣專家組 教授教授 Workshop Topics 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 Introduction to Energy Conservation Benefits Energy Basics How Electric Utilities Bill for Energy Pump System Fundamentals System Requirements P

2、umps Motors, Drives and Controls 節(jié)能介紹節(jié)能介紹 效益效益 能源基礎(chǔ)能源基礎(chǔ) 電能費(fèi)用電能費(fèi)用 泵系統(tǒng)理論基礎(chǔ)泵系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求 泵泵 電動機(jī)，驅(qū)動及控制裝置電動機(jī)，驅(qū)動及控制裝置 Workshop Topics 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 Collecting Pump System Data 泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集 Pump System Elevations 泵系統(tǒng)標(biāo)高 Nameplate Information銘牌信息 Field Measurements現(xiàn)場測量 Pump System Analysis 泵系統(tǒng)分析 Case Studies案例的研究分

3、析 Introduction to Energy Conservation 節(jié)能介紹 financial and pollution prevention benefits of energy conservation 節(jié)能的財(cái)務(wù)效益及環(huán)保效益 財(cái)務(wù)效益 以某制藥廠為例： 一臺160kw 水泵，由于長期工作在低效區(qū)， 經(jīng)過高效改造，運(yùn)行效率得到提高，年運(yùn)行節(jié) 約費(fèi)用可達(dá)37萬元人民幣。 情況比較普遍。 環(huán)保效益 SO2SO2減排減排 NOXNOX減排減排 CO2CO2減排減排 粉塵減排粉塵減排 噪音噪音 等減排等減排 Pump System Fundamentals 泵系統(tǒng)基本原理 There

4、 are a tremendous variety of fluid systems with equally varied purposes 不同流體系統(tǒng)所泵送的流體可用于不同的使用場合不同流體系統(tǒng)所泵送的流體可用于不同的使用場合 The pumped fluid supports another product 所泵送的流體被用作其它產(chǎn)品的介質(zhì) Heat removal or addition Power generation 散熱或供熱散熱或供熱 發(fā)電發(fā)電 The pumped fluid is the product 所泵送的流體即是產(chǎn)品本身 Oil transport Potable

5、 water 油輸送油輸送 飲用水飲用水 Think of the system requirements, or ultimate goal of the system, as a consumer 作為用戶，需要考慮系統(tǒng)的各種要求,或系統(tǒng)的最終目標(biāo) 供電饋線供電饋線 變壓器變壓器 電機(jī)斷路器電機(jī)斷路器/ /啟動器啟動器 無極變速傳動裝置無極變速傳動裝置 ( (電動電動) ) 電機(jī)電機(jī)聯(lián)軸節(jié)聯(lián)軸節(jié)泵泵 系統(tǒng)系統(tǒng) 流體流體 最終最終 目標(biāo)目標(biāo) The electric utility is the source for the supply of energy used by the cons

6、umer. But there are middle- men all along the supply chain. Some almost always give a good deal, but others can be deceptive if you dont keep a close eye on them. 用戶所使用的能量供應(yīng)來自公用電力用戶所使用的能量供應(yīng)來自公用電力 事業(yè)設(shè)施。但是供應(yīng)鏈上存在許多中事業(yè)設(shè)施。但是供應(yīng)鏈上存在許多中 間環(huán)節(jié)。其中一些環(huán)節(jié)非常有利，但間環(huán)節(jié)。其中一些環(huán)節(jié)非常有利，但 是其它環(huán)節(jié)帶有欺騙性，必須予以密是其它環(huán)節(jié)帶有欺騙性，必須予以密 切關(guān)注。切

7、關(guān)注。 An important consideration: System requirements may vary with time 非常重要的考慮：系統(tǒng)要求可能隨時(shí)間而變化 Seasonal loads (chilled water, associated tower water, etc). 季節(jié)性負(fù)載 (冷卻水, 相關(guān)水塔等). Processes that are shut down overnight or during weekends 在晚間或周末需要停車的工藝設(shè)備。 Potable and waste water 生活飲用水及廢水。 EXAMPLES 例如 Annual

8、 flow fluctuation example 年流量波動實(shí)例 Average flow rate 平均流量平均流量 Calendar month月份月份 12345678910 11 12 We can sort the months by flow rate 我們可以通過流量變化對月份進(jìn)行分類排列 87695104311 1221 Average flow rate 平均流量平均流量 Calendar month月份月份 Daily flow fluctuation example 日流量波動實(shí)例 Time時(shí)間時(shí)間 Flow rate 流量流量 12 am 6 am 12 pm 6 p

9、m 12 am The fluid system - it provides a means of directing and controlling flow, but at a price 流體系統(tǒng)流體系統(tǒng) 流量與壓力的關(guān)系流量與壓力的關(guān)系 Pressure壓力壓力 System curve“ “系統(tǒng)特性曲線系統(tǒng)特性曲線 Flow rate流量流量 Guess who pays the system price - the pump (but it just passes the cost along.) 猜想由誰支付系統(tǒng)價(jià)格 泵泵(但是只需要將成本傳遞到.) Pump curve“ 泵特

10、性曲線泵特性曲線 Flow rate流量流量 Pressure壓力壓力 The pump and system only transact business one point at a time 泵及系統(tǒng)只在某一時(shí)間的一交點(diǎn)處運(yùn)轉(zhuǎn)工作 Pump curve“ 泵特性曲線泵特性曲線 System curve“ “系統(tǒng)特性曲線系統(tǒng)特性曲線 Operating Point 運(yùn)轉(zhuǎn)工作點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)工作點(diǎn) Flow rate流量流量 Pressure壓力壓力 The motor, yet another middle man, passes the cost along to the power supply

11、 電機(jī), 還有其它中間環(huán)節(jié)，可以將成本傳遞到供電上 Flow rate流量流量 Power功率功率 Shaft power 軸功率軸功率 Pump fluid power 泵流體功率泵流體功率 Electric power 電功率電功率 Motor efficiencies are essentially constant over much of the motor load range 電機(jī)效率在大部分電機(jī)負(fù)載范圍內(nèi)都是恒定不變的 100 95 90 85 80 75 70 Efficiency, % 效率效率, % 1009080706050403020100 Load, % rated

12、 負(fù)載負(fù)載, % 額定負(fù)荷額定負(fù)荷 100 hp 100 馬力馬力 10 hp 10 馬力馬力 The adjustable speed drive, when present, can have an impact on the nature of several elements 供電饋線供電饋線 變壓器變壓器 電機(jī)斷路器電機(jī)斷路器/啟動器啟動器 無極變速無極變速 傳動裝置傳動裝置 (電動電動) 電機(jī)電機(jī)聯(lián)軸節(jié)聯(lián)軸節(jié)泵泵 流體流體 系統(tǒng)系統(tǒng) 最終目標(biāo)最終目標(biāo) 如果采用無極變速傳動如果采用無極變速傳動, , 將對系統(tǒng)的許多構(gòu)成環(huán)節(jié)的將對系統(tǒng)的許多構(gòu)成環(huán)節(jié)的 性質(zhì)產(chǎn)生影響性質(zhì)產(chǎn)生影響 Comb

13、ined motor and drive efficiency: Centrifugal load simulation 電機(jī)及驅(qū)動裝置的聯(lián)合效率（模擬離心負(fù)載） 88 84 80 76 72 Combined efficiency, % 聯(lián)合效率聯(lián)合效率, % 1009080706050 Speed, % rated速度速度, % 額定速度額定速度 Average 平均效率平均效率 Best 最佳效率最佳效率 Worst最差效率最差效率 Note: Used 50-hp (38 kW), 2-pole, standard efficiency motor 注：采用 50-馬力 (38 kW)

14、, 2-極, 標(biāo)準(zhǔn)效率的電機(jī) Fluids and fluid systems are a lot like people. 流體及流體系統(tǒng)更有與人相似之處. They depend on an external power source to get them started and keep them moving 流體系統(tǒng)利用外部能源啟動并使流體移動。 They are happiest when there are few twists, turns, sudden stops and starts 流體及流體系統(tǒng)內(nèi)部需要有非常少的曲折、回轉(zhuǎn)、突 然停止和啟動。 They are af

15、fected by where theyve been, where they are, and where theyre going 流體及流體系統(tǒng)受其過去、現(xiàn)在和將來所處地點(diǎn)影響。 They need some boundaries to be effective, but if the boundaries are too tight, there will be friction (does anyone have a teenager?) 流體必須受到某種程度的約束限制，但是如果限制太嚴(yán)厲 ，將出現(xiàn)流體動力摩擦 (如同每個人處于十幾歲青少年階 段的狀態(tài)，哪個人沒從該年齡段經(jīng)過呢?)。

16、 Pumping system optimization concepts 泵抽送系統(tǒng)優(yōu)化概念 Properly size systems to meet current needs 正確配置系統(tǒng)規(guī)模以滿足當(dāng)前要求。 Avoid unnecessary friction losses 防止不必要的流體動力摩擦損失。 Balance operation with actual needs 按照實(shí)際需要平衡運(yùn)行。 It is important to properly maintain systems 正確對系統(tǒng)進(jìn)行維修保養(yǎng)。 Pumping system optimization concept

17、s 泵抽送系統(tǒng)優(yōu)化概念 Look for opportunities to reduce speed 尋找降低速度的可能性。 Limit throttled flow control and bypass flow 對系統(tǒng)內(nèi)節(jié)流控制和旁流進(jìn)行限制。 Apply speed control devices, such as variable frequency drives (VFDs), with caution 采用速度控制裝置, 諸如變頻驅(qū)動 (VFD)。 Consider multiple pumps for periodic peak demands 考慮采用多級泵配置以滿足周期性峰值

18、的要求。 - Prescreening motor systems - Finding the easier road to greater savings - - 預(yù)先篩查電機(jī)系統(tǒng)預(yù)先篩查電機(jī)系統(tǒng) - - 發(fā)現(xiàn)更能夠節(jié)約成本的更容易的途徑發(fā)現(xiàn)更能夠節(jié)約成本的更容易的途徑 Primary prescreening: The first priority is to use common sense 主要篩查內(nèi)容：可以優(yōu)先采用經(jīng)驗(yàn)常識進(jìn)行篩查 Turn the equipment off if it isnt needed 如果不需要，關(guān)掉該設(shè)備。 Focus on the large equi

19、pment that runs a lot 重點(diǎn)關(guān)注經(jīng)常運(yùn)行的大型設(shè)備。 Secondary prescreening: . 輔助篩查內(nèi)容: . There are two different methods that can be used in secondary prescreening: 輔助篩查可以采用兩種不同的方法進(jìn)行: Looking at Symptoms 查看征兆 Analysis of the System 對系統(tǒng)進(jìn)行分析 and/or 和/或 SYMPTOMS: Looking therefore P2 is less than P1 V2 大于大于 V1 ; 因此因此

20、P2 小于小于 P1 Now for an extremely important feature to understand: System performance curves 至此需要理解的非常重要的特性是: 系統(tǒng)性能曲線 System curves are made up of two fundamental components - the static head and the frictional head 系統(tǒng)特性曲線包括兩部分系統(tǒng)特性曲線包括兩部分 - - 靜壓頭及流體動力摩擦損失壓頭靜壓頭及流體動力摩擦損失壓頭 30 25 20 15 10 5 0 Head, m 壓頭壓頭

21、, 米米 10008006004002000 Static/ Fixed 流體靜力流體靜力/ 固定系統(tǒng)固定系統(tǒng) Friction 流體動力摩擦系統(tǒng)流體動力摩擦系統(tǒng) Total 合計(jì)合計(jì) Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3 /小時(shí)小時(shí) Illustration of two system types 兩個系統(tǒng)類型的圖解說明 Mostly static head 主要靜壓頭主要靜壓頭 All frictional head 只有流體只有流體 動力摩擦動力摩擦 損失壓頭損失壓頭 Some system examples 系統(tǒng)實(shí)例系統(tǒng)實(shí)例 Static head dominate

22、d systems include: 靜壓頭起決定性作用的系統(tǒng)包括靜壓頭起決定性作用的系統(tǒng)包括: Cooling tower pump systems 冷卻塔泵送系統(tǒng)冷卻塔泵送系統(tǒng) Influent pump systems at waste treatment plants 污水處理裝置的注水泵系統(tǒng)。污水處理裝置的注水泵系統(tǒng)。 Mostly/completely frictional systems include: 大部分大部分/全部為流體動力摩擦系統(tǒng)包括全部為流體動力摩擦系統(tǒng)包括: Closed cycle cooling water systems 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)封閉式循環(huán)冷卻水

23、系統(tǒng) Return activated sludge pump systems at waste treatment plants 在污水處理裝置回收淤漿泵系統(tǒng)在污水處理裝置回收淤漿泵系統(tǒng) First let us look at systems that have only static head (i.e., no friction) - like the example where we pumped water from one tank to another 首先了解只具有靜壓頭(也就是說無流體動 力摩擦) 的系統(tǒng) 類似于將水從一個儲水池泵送到另外一個 儲水池的例子。 The sta

24、tic head component does not change with flow rate - three static head curves 靜壓頭不隨流量變化 三條靜壓頭特性曲線 30 25 20 15 10 5 0 Head, m 壓頭壓頭, 米米 10008006004002000 Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3/小時(shí) 小時(shí) Since hydraulic power is proportional to flow rate times head, the ideal power required increases linearly with fl

25、ow 由于流體功率與流量和壓頭成比例，所以由于流體功率與流量和壓頭成比例，所以 所要求的理想功率水流量線性的增加。所要求的理想功率水流量線性的增加。 70 60 50 40 30 20 10 0 Fluid power, kW 流體功率流體功率, 千瓦千瓦 10008006004002000 15 m 20 m 25 m Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3/小時(shí) 小時(shí) But what about reality? 但是實(shí)際情況怎么樣呢但是實(shí)際情況怎么樣呢? In the real world, friction exists (both within the fluid

26、 itself and between the fluid and pipe walls). 在自然界當(dāng)中在自然界當(dāng)中, 存在流體動力摩擦存在流體動力摩擦 (既存在流體本身既存在流體本身 內(nèi)部，也存在于流體與管道壁內(nèi)部，也存在于流體與管道壁 之間之間). So how much does friction cause the real world to deviate from the relationships of the Bernoulli principle? 因此因此流體動力摩擦使實(shí)際情況與伯努利原理關(guān)系流體動力摩擦使實(shí)際情況與伯努利原理關(guān)系偏偏 離到何種程度？離到何種程度？ It

27、depends. Sometimes a little, sometimes a lot. 在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，流體動力摩擦的影響有時(shí)非常小在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，流體動力摩擦的影響有時(shí)非常小 ，有時(shí)非常大，有時(shí)非常大 We can slightly modify the Bernoulli equation to account for friction: 我們可以輕微修改伯努利方程式來計(jì)算流體動力摩擦我們可以輕微修改伯努利方程式來計(jì)算流體動力摩擦: 1 2 + + Z1 = V12 P1 2g g () + + Z2 V22 P2 2g g () Hydraulic energy at point 2

28、 is lower at point 1 because of the friction loss, so we balance the equation by adding it here 由于流體動力摩擦損 失，在點(diǎn)2的流體動 力能量低于點(diǎn)1的流 體動力能量，因此我 們在這里增加該項(xiàng)來 平衡此方程式。 + hf What are some sources of friction in pumping systems? 在泵抽送系統(tǒng)當(dāng)中什么是產(chǎn)生流體動力摩擦的根源在泵抽送系統(tǒng)當(dāng)中什么是產(chǎn)生流體動力摩擦的根源? Pipe walls管道內(nèi)壁管道內(nèi)壁 Valves閥門閥門 Elbows彎頭彎頭

29、Tees三通三通 Reducers/expanders變徑接頭變徑接頭 Expansion joints膨脹節(jié)膨脹節(jié) Tank inlets/outlets容器進(jìn)口容器進(jìn)口/出口出口 (In other words, almost everything that the pumped fluid passes through, as well as the fluid itself) (換句話說，幾乎所泵送流體經(jīng)過的所有物體，以及流換句話說，幾乎所泵送流體經(jīng)過的所有物體，以及流 體本身都是產(chǎn)生流體動力摩擦的根源體本身都是產(chǎn)生流體動力摩擦的根源)。 First, we will discuss

30、friction loss considerations in piping itself 討論管道系統(tǒng)本身所造討論管道系統(tǒng)本身所造 成的流體動力摩擦損失成的流體動力摩擦損失 Pipe friction loss estimates are usually based on an equation referred to as Darcy-Weisbach 管道流體動力摩擦損失的評估管道流體動力摩擦損失的評估 通常根據(jù)達(dá)西通常根據(jù)達(dá)西-威斯巴克方程式確定威斯巴克方程式確定 This equation is very useful in understanding which parameter

31、s influence friction losses in piping: 對于理解影響管道流體動力摩擦損失 的參數(shù)，下面的該方 程式是非常有用的。 hf =pressure drop due to friction (ft) f=Darcy friction factor L=pipe length (ft) d=pipe diameter (ft) =velocity head (ft) hf = f L d V2 2g V2 2g hf =由于流體動力摩擦 (英尺)產(chǎn)生的壓力降 f=達(dá)西流體動力摩擦系數(shù) L=管道長度 (英尺) d=管道直徑 (英尺) =流量壓頭 (英尺) V2 2g

32、The friction factor is what could be called a fudge factor that accounts for a variety of effects 流體動力摩擦系數(shù)被稱為插入系數(shù)用來計(jì)算各種影響因素 f hf = V2 2g L d The friction factor, f, is affected by: the roughness of the piping, the viscosity of the fluid being pumped, the size of the piping, and the velocity of the f

33、luid f f 流體動力摩擦系數(shù)f 受如下因素影響： 管道的粗糙程度。 所泵送流體的粘度。 管道的尺寸規(guī)格。 以及流體的流動速度。 Now we will discuss piping components and their effect on frictional losses 管道部件部件及其對 流體動力摩擦損失的影響 Piping component friction losses are also primarily dependent on experimental data 管道部件的流體動力摩擦損失也主要取決于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) For pipe components, frictio

34、n losses have generally been estimated based on the velocity head. 對于管道部件對于管道部件, 流體動力摩擦損失通常根據(jù)流量壓頭進(jìn)行評估流體動力摩擦損失通常根據(jù)流量壓頭進(jìn)行評估 。 hf = K V2 2g K = Loss coefficient 損失系數(shù)損失系數(shù) = velocity head 流量壓頭流量壓頭 K is a function of size, and for valves, the valve type, and valve % open. K 是尺寸的函數(shù)是尺寸的函數(shù), 取決于閥門取決于閥門, 閥門類型閥

35、門類型, 及閥門開及閥門開 度占全開位置的百分比。度占全開位置的百分比。 V2 2g Some typical K values for miscellaneous pipe components: 用于各種管道部件的一些典型K值: Component Component K 管道部件管道部件 管道部件管道部件K值值 90 elbow, standard 90 標(biāo)準(zhǔn)彎頭標(biāo)準(zhǔn)彎頭 0.2 - 0.3 90 elbow, long radius 90 長徑彎頭長徑彎頭 1.3 times that of Pump 5 在在200 米米3/小時(shí)的泵小時(shí)的泵1 效率效率 泵泵5 效率的效率的1.3倍倍

36、 米米 3/千瓦時(shí) 千瓦時(shí) Multiple parallel pumps are very common; they provide flexibility and redundancy 多臺并行泵非常普遍，可以保證裝置的靈活性和冗余多臺并行泵非常普遍，可以保證裝置的靈活性和冗余 They are ideal for systems that are dominated by static head 是靜壓頭起決定作用的系統(tǒng)的理想配置選擇是靜壓頭起決定作用的系統(tǒng)的理想配置選擇 。 The redundancy is a key feature that allows systems to withstand a single failure 冗余是這種裝置的一個非常重要的特點(diǎn)，使冗余是這種裝置的一個非常重要的特點(diǎn)，使 系統(tǒng)能夠不受單一故障的影響。系統(tǒng)能夠不受單一故障的影響。 But be sure to turn it off when it is not needed! 但是一定要保證在不需要時(shí)將其關(guān)閉。但是一定要保證在不需要時(shí)將其關(guān)閉。 The effect