摘 要 本文对智能泵进行了综述，重点介绍了智能泵的节能、全寿命成本、智能及经济效益等。

    关键词 智能泵 节能 智能 成本 效益

    智能泵 (Intelligent Pumps)是具有一定的计算机处理能力，可以部分替代人工智力的泵或泵系统的总称。随着科学技术的发展，特别是计算机和信息技术的迅速发展，传统的泵制造业已向着节能化、智能化、现代化的方向发展。应该说，在泵的设计、制造、运行、维护以及选型、销售等各方面，都存在智能化的发展空间。但从目前看，智能泵最明显的优点是节能和自动控制，而最早提出智能泵需要的也是因为节能。

    一、泵的节能潜力

    泵是耗能的大户， 据资料介绍， 泵的耗电量约占全国总耗电量的 20%， 泵所配套的电动机功率约占全国电动机总容量的 45%。 在石油和化工厂中，泵的耗电量则更高，分别达到 59%和26%。因此，泵的节能是一项意义深远的大事。

    在我国，过去泵运转系统的能量损失很大，离心泵的调节，多采用阀门控制和启闭旁通等方法。据一份国外调查资料显示，在 20个工厂运行的1690台泵中，其平均效率只有40%，有10%的泵效率甚至只有10%。

    以上数字显示，在泵行业中蕴藏着多么巨大的节能潜力。假如全国所有在役的泵运转效率都能提高 1%，则全年可节电44亿kW·h，折合电费38亿元(按上海市高峰时段工业用电0.865元/kW·h计算)。

    泵效率的提高包括二个方面：一是泵主机设计效率的提高。由于设计 人员在进行产品设计时，已经千方百计地提高主机 在 设计工况点的效率，因此提高 1%的效率也是十分困难的。二是提高整个泵运转系统的效率。 据一些资料介绍，将原来旁路调节改成变速调节后，整个泵系统的效率可以提高 30%甚至更高 。因此， 智能泵的含义并非在智能泵本身，而在于泵的整个智能系统 (Intelligent Pumping Systems)。智能泵的出现，将离心泵的调节带入了现代化的模式，也带来了崭新的管理概念，因此可以说是泵系统工程和管理上的一次革命，也是泵业发展的必然趋势。

    由于离心泵的流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，因此，若将离心泵的旁路调节改为转速调节，其效果将非常明显。若流量减少 10%～20%，则泵的参数大体如表1所示(未考虑性能曲线的影响)。但实际上离心泵受性能曲线的影响，当流量减少时，扬程将会升高，因此仍可维持工艺所需的扬程，而节能效果则会稍低于表1的值。其他调节方式的节能效果则介乎二者之间。

表 1 离心泵变频调节与旁通调节的比较

序号

 

调节方式

 

变频调节

 

旁通调节

 

1

 

流量调节

 

100%

 

90%

 

80%

 

80% ~ 100%

 

2

 

电机转速 n /(r/min)

 

2950

 

2655

 

2360

 

2950

 

3

 

变频频率 f /Hz

 

50

 

45

 

40

 

50

 

4

 

扬程变化 H (%)

 

100

 

81

 

64

 

100

 

5

 

耗电量变化 (%)

 

100

 

73

 

48

 

100

 

    二、全寿命成本

    全寿命成本 LCC( Life Cycle Costs )，又译作“ 寿命周期成本 ”， 是指从产品筹划到产品废弃为止整个过程所覆盖的成本。它既包括了生产者的视角，也包括了消费者的视角。但消费者从生产者手中将产品买过来，因此，产品成本加产品利润，再加上消费成本，就成了用户的 全寿命成本。

    据“泵的全寿命成本” [1] 一书的作者介绍，泵的全寿命成本包括设备初置费、运转费 (即电费)、维护费和其它费用四部分。对于一个典型的中等规模的泵工业装置而言，其四部分费用所占的比例如图1所示。

图 1 泵的全寿命成本四项基本费用

    图 1的费用比例(工资、价格因素等)是参考国外的标准制作的。图中设备初置费只占总费用的10%。事实上， 购买价格可能由于制造商的不同会有 30%的差距，但对于一个使用期限超过15年的泵， 设备初置费 在它的全寿命成本中，往往是最少考虑的因素。对于维护费用常有不同的看法，图 1中，维护费指备品配件费加人工费，它通常占到全寿命成本的 25% ~ 40% ， 因此，它对泵经济性的影响要比购买泵的初始费用更加重要。耗能费用是可以测试的，也可以按性能曲线测算，它所占的比例最大，在图 1中达到45%，在有些资料统计中甚至高达70%。

表 2 全寿命成本节约费用实际案例汇总表

序号

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工业部门 /应用案例

 

节省方式

 

节约

费用

 

投资回收

期 (年)

 

全寿命成本

节约的 欧元

 

1

 

建筑业 /空调

 

单台旁通调节大型泵

单台节流阀控制大型泵

3台变速调节泵

 

电费

   

47，800

70，400

 

2

 

造纸业 /循环水泵

 

安装 2台不同条件的

循环水泵

 

电费

 

0.5

 

711，900

 

3

 

化工 /冷凝液出口泵

 

修正叶轮

换新的小电机

 

电费加

维护费

 

0.06

3.1

 

107，000

8，600

 

4

 

供水 /配水站泵

 

换一台正常效率的泵

 

电费

 

0.7

 

121，000

 

5

 

废水 /排污泵

 

因减荷， 3台大泵中有1台换成小的

 

电费加维护费

 

3.3

 

38，100

 

6

 

钢厂 /水循环

 

采取提高叶轮表面效率的措施

 

电费

 

0.4

 

25，800

 

7

 

化工 /工艺出口泵

 

取消辅助冷却

 

电费和水费

 

0.2

 

85，700

 

8

 

家用电器 /天然水泵

 

变频驱动

 

电费

 

0.5

 

128，000

 

9

 

矿山 /换泵马达

 

换效率高的马达

 

电费

 

1.8

 

22，500

 

10

 

电厂 /冷却水循环泵

 

改变泵出口水力特性

1未改动的原蜗壳泵

2可调叶片斜流泵

3可调进口导叶混流泵

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电费

 

1.4

0.4

 

—

18，394，000

14，518，000

 

11

 

建筑业 /家用循环泵

 

换小泵

 

电费

   

930

 

12

 

建筑 /办公用循环泵

 

改造

 

电费

   

10，700

 

13

 

化工 /浆料软管泵

 

高投入增加软管

 

维护费

 

0.8

 

7930

 

14

 

食品业 /隔膜泵

 

增添金属阀门

 

维护费

 

1.6

 

3400

 

    表 2是根据 欧洲若干工厂泵节能改造的实际统计数据制作的，从表 2 可以看出，泵系统的节能改造重点在运转费(电费)和维护费上，最初的投资或改造费用一般一年多就可以回收，最长的约三年多可以回收。

    三、泵的智能化

    泵的智能化应在二个方面努力，一是希望离心泵的效率曲线比较平坦，当流量发生变化时，效率的变化尽可能地少。但这方面的潜力非常有限，因此重点在操作运转方面。当外界工艺流量发生变化时，泵的智能系统应能及时地接收工艺参数变化的信息，迅速地进行自动化运算并将运算结果反馈到调节阀或变频器，准确地调节所需的阀门开度或电机转速，完成变工况应对。在所有的调节方法中，尤以变速调节最为节能。

    因此，泵的智能系统主要应包括下述套件：泵主机、变频电机、变频器、信号传感器、控制模块、可编程序控制器等。

    变频器VFD( Variable Frequency Drives )，又称变频调速器，受智能运算反馈信息的控制，将输入频率为50Hz的交流电，逆变为相应赫兹(Hz)的电流输出。三相电机的变频范围为0-60Hz，单相电机的变频范围为40～70Hz。

    变速电机的转速 n =60 f (1— s )/ P

    式中 f ——变频后的交流电频率，通常为 40～50Hz。

    若取 转差率 s =0.007， 电动机电极对数 P =1，则80%～90%流量调节的频率分别为 f =45Hz和40Hz (见表1)。

    可编程序控制器 PLC，又称可编逻辑控制器， 是一种数字运算操作的电子系统。它采用了可编程序的存储器，在内部执行逻辑运算，是一种以计算机为核心的自动控制装置，用以取代继电器，对各种机械或生产过程进行控制。智能泵的 可编程序控制器可控制泵系统的运转、维护管理、预防汽蚀、诊断报警等。 ITT高质泵公司的PumpSmart 智能控制器(见图2) ，是一种更为先进的综合控制器，已将控制模块、编程器等制作成整体，并设置好参数，一般 不需要用户自己编程。

    典型的智能泵系统和监控原理如图2、图3所示。其对应的代号意义为：C—控制台，CM—控制模块，D—电动机，P—泵主机， PLC— 可编程序控制器， T— 信号传感器， VFD— 变频器。

    智能泵系统的运行过程如下：

    当外界 (工艺流程)的参数发生变化时(例如，因流量过大而引起出口压力降低时)，由装在进口(或出口)的进出口信号传感器T将信号传递给控制模块CM。控制模块由若干个集成电路模块组成，如电源系统模块CM1、数据采集模块CM2、驱动控制模块CM3、信息显示模块CM4、输入输出模块CM5等等。控制模块经过运算将结果显示在信号柜C(或控制柜)上并同时向变频器VFD发出调频指令，变速电机D接受调频指令后开始降速，泵(主机)P的出口流量逐渐减少，系统达到新的平衡。与控制模块相连接的还有 可编程序控制器，可以预先存储泵的性能曲线、流体密度、控制参数等。在一般情况下，预存的参数不需作任何调整，当有重大参数改变时，则可重新编制预存的参数。泵的性能曲线呈抛物线状，一般使用其下降段，它是在泵设计或试验时获得的，可以用简单的数学模型将其分段编程。

    四、任重而道远的历程

    节能泵的开发和利用是全体泵业共同努力的结果，因此才有智能泵这样重大的突破。对此许多国内外公司做了大量的工作，例如， ITT高质泵公司就较早地向国内介绍并展出了 智能泵的系列产品，提出全寿命成本的理念，大大地提高了泵系统运转的效率。 石家庄易奥科技发展有限公司率先开发出“水泵变频调速的节电量计算及系统设计”，解决了节电量量化计算问题。还有许多个人也对节能泵的发展做出了贡献，如大连的李冬贵，发明了“工业流程智能泵”专利 (国内专利号ZL01211714.5，国际公开号WO02/66835AI)。

    智能 泵的迅速发展也依赖于变频技术的发展，因此也可以说 智能 泵是工业控制自动化在泵业中成功应用的一个实例。 现在，在不同的技术领域有许多文章介绍泵及变频控制在工业上应用的实例，智能 泵的利用是牵涉多个行业在用户应用的一项系统工程 。这项系统工程所考虑的不仅是技术，更为实际和重要的应为经济效益和社会效益。现在，智能 泵的技术性问题应该说不是“瓶颈”，不久前在上海举办的 PSC2005 第六届中国国际流体机械、通用设备展上， ITT高质泵公司展出的复式智能 泵演示系统，向观众充分显示了 ITT 智能 泵的先进性和可靠性。而令用户需切实考虑的则是投入和产出的比例，即因采用 智能 泵而增加的投资需要几年可以回收。笔者认为，对新建装置而言，比较科学的考虑是接受 全寿命成本 LCC的思考方式 ，对老装置改造而言，回收期则以低于 2~3 年为宜。

    另一个需要重大考虑的问题是社会效益，这实际上是国家的能源政策问题。 据报道， 2003年 我国 GDP占全球3.8%，但消耗全球能源却占到了11%。 我国单位GDP能耗是美国的4.3倍、德国和法国的7.7倍、日本的11.5倍。我国能源专家呼吁 ，“我国经济运行仍是高投入、高消耗的粗放型经济 增长方式 ，它 带来了资源枯竭、环境污染等诸多问题，已经难以为继” 。因此，在泵业这个巨大的能源 管理空间上，深挖节能潜力，推广应用节能系统(智能泵)，不仅是企业的经济利益所在，也是作为国民对国家的一种责任。(选自《通用机械》2005年第9期)

    作者：全国化工设备设计技术中心站 陈楚成；天华化工机械及自动化研究设计院 陈宗华

参考文献

    1 “Pump Life Cycle Costs: A guide to LCC analysis for pumping systems”, Europump and Hydraulic Institute, 2001