泵技術(shù)概述
一、 概述
一直以來,泵的功率損失和泵的維護(hù)是纏繞用戶的兩大主要問題。功率損失致使成本增加,運(yùn)行中泵的維護(hù)始終是用戶頭痛的難題。毫無疑問,圍繞提高泵效率和減低泵維護(hù)成本這兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)變革成為了推動(dòng)泵技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。本文通過對近期泵技術(shù)發(fā)展的分析,揭示了提高泵效率的技術(shù)特點(diǎn),變頻驅(qū)動(dòng)、智能泵、泵系統(tǒng)得以廣泛使用的原因;介紹了應(yīng)用電子元件的作用和歐美為泵標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一付出的努力。
二、 提高泵效率技術(shù)的發(fā)展
1995年,歐泵,歐洲泵制造行業(yè)協(xié)會(huì)建立了一個(gè)節(jié)能項(xiàng)目,開始致力于節(jié)能研究。與此同時(shí),美國水力學(xué)會(huì)(HI),美國泵工業(yè)貿(mào)易協(xié)會(huì)協(xié)助美國能源部準(zhǔn)備制作關(guān)于泵及泵系統(tǒng)節(jié)能的錄像片。
以后,HI組建了泵產(chǎn)品的壽命周期成本(LCC)委員會(huì),旨在對泵用戶、制造商和工程師們宣傳泵及泵系統(tǒng)的壽命周期成本理念。對于大部分泵,LCC中最重要的一個(gè)因素是功率損失,因此,LCC的研究被擬訂為是與歐泵的節(jié)能兼容的項(xiàng)目。
以次為背景,全世界的泵制造商重新致力于在設(shè)計(jì)上提高泵效率,在運(yùn)行中降低泵功率損失的研究開發(fā)。值得注意的是泵已經(jīng)是成熟的產(chǎn)品了,所以,單純提高泵效率的可能性很小。但是,改進(jìn)泵的效率損失這個(gè)領(lǐng)域的研究是非常有前途的。一些制造商使用美國航天上的非金屬材料或碳來封堵泵運(yùn)行中的間隙,從而改進(jìn)了泵的效率。例如泵葉輪和泵殼內(nèi)圈的間隙,中間襯套之間的間隙等。
一些國家也在悄悄地進(jìn)行研究,并試圖改善泵內(nèi)流道表面的質(zhì)量。殼體表面越光滑,水阻力就越小。從而提高泵的效率。
復(fù)合材料和許多金屬相媲美,它可以機(jī)加工,制成平滑的表面。葉輪的葉片被加工成不同的幾何形狀并被組裝到葉輪上。于是,設(shè)計(jì)工程人員可以不必顧及泵殼表面的粗糙度,型心移位或其他的鑄造問題。復(fù)合材料完全可以替代銅錫合金(青銅)和316不銹鋼材料用于鹽水或腐蝕性流體中。但在無磨損,無腐蝕性流體中,比如凈水,復(fù)合材料還是不具有和鑄鋼材料競爭的優(yōu)勢。
三、 變頻驅(qū)動(dòng)
在大部分國家,變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)被更多的用于要求精確的流量控制,變速或長時(shí)間運(yùn)行的大型泵,功率損失高的場合。
1. 應(yīng)用領(lǐng)域
(1)商業(yè)建筑業(yè) 在空調(diào)系統(tǒng)中匹配VFD用于高層建筑中冷卻水的閉環(huán)泵水。
(2)管道工業(yè) 為了節(jié)省泵管道工業(yè)中的能源,許多國家使用了VFD。在管道工業(yè)中要使用大量的大型泵(功率可達(dá)10000制動(dòng)馬力),所以,VFD的用量也非常的大。
(3)離心泵 離心泵采用活動(dòng)軸設(shè)計(jì),這會(huì)造成第一臨界速度高于最大工作速度;也會(huì)造成減小的VFD的輸出速度接近泵的其他臨界速度。但有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不確定的振動(dòng)問題,不過,問題找出就會(huì)得到解決。
(4)另外,在電業(yè)、食品加工、水和污水處理工業(yè)中使用大量的VFD;制藥、化學(xué)和煉油工業(yè)中使用小量的VFD。泵雖然不是這些領(lǐng)域的核心設(shè)備,但起著至關(guān)重要的作用。這些工業(yè)中用的小型泵多于大型泵,他們可以使用調(diào)節(jié)閥控制流量而不使用可變速的節(jié)能小型泵。
2. 主要特點(diǎn)
(1)節(jié)能 在水處理和污水處理工業(yè)中使用了大量的VFD,當(dāng)泵系統(tǒng)要改變流量輸出時(shí),使用VFD比關(guān)閉和起動(dòng)單獨(dú)的泵改變流量輸出節(jié)省能量。
(2)簡便 當(dāng)流量有微小變量時(shí),使用單泵關(guān)閉和起動(dòng)方法需要大量的泵,而使用變速泵方法只需要一定數(shù)量的泵,并且避免了泵被關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象。
(3)特殊功能 在食品加工中使用VFD可以實(shí)現(xiàn)多種流體的參和或過程控制。在電業(yè)工業(yè)中,使用VFD調(diào)節(jié)鍋爐給水泵的速度。載荷減小,蒸汽隨之減小,電動(dòng)機(jī)或主渦輪發(fā)電機(jī)軸的驅(qū)動(dòng)可利用VFD調(diào)節(jié)鍋爐給水泵的速度匹配系統(tǒng)的需要和節(jié)能的要求。有時(shí),分離出的蒸汽渦輪被用于驅(qū)動(dòng)鍋爐給水泵和改變泵的速度和流量輸出。
3. 其他特點(diǎn)
VFD可以替代流量控制閥和監(jiān)測儀表實(shí)現(xiàn)精確的流量控制。VFD控制泵速度的變化從而實(shí)現(xiàn)泵輸出壓力或輸出流量的控制。
VFD可以使泵平穩(wěn)起動(dòng),避免了泵在開始全速起動(dòng)時(shí),流量突然增加,造成水擊現(xiàn)象。同時(shí),減小流體的沖擊和機(jī)械壓力,減低了系統(tǒng)疲勞程度,節(jié)省了電動(dòng)機(jī)的成本,增加了泵的壽命。
4.新發(fā)展
近幾年,VFD在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中作為部件用于容積泵的控制變得非常普遍。它的功能相當(dāng)于一個(gè)過程控制器控制容積泵的輸出。
四、 智能泵
智能泵是一種新產(chǎn)品,它的概念也因人而異,我們講的智能泵是指利用儀表檢測設(shè)備反饋現(xiàn)場信號到智能泵分析系統(tǒng),經(jīng)過分析、判斷,分析系統(tǒng)給出泵是何時(shí)和如何產(chǎn)生故障的。
因?yàn)楸O(jiān)測設(shè)備和泵的運(yùn)行息息相關(guān),所以對泵的用戶來說監(jiān)測設(shè)備變得至關(guān)重要。泵的管理者需要知道在給定的泵運(yùn)行的方式下的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)是什么,以便安排出大修間隔時(shí)間(MTBO),及時(shí)修理、更換磨損和用壞的零件。
HI已經(jīng)撰述了相關(guān)文獻(xiàn),列出了可以監(jiān)控離心泵的14種方式。它們是動(dòng)力、溫度、腐蝕狀態(tài)、泄漏檢測、壓力、振動(dòng)、潤滑分析、軸況、安裝前的水壓測試和設(shè)計(jì)審核。每種方式有效的監(jiān)控都可以防止和檢測泵故障。
由于檢測設(shè)備和智能泵分析設(shè)備非常昂貴,所以智能泵的整體發(fā)展緩慢。一般,在特大型泵和非常重要的流程中才使用監(jiān)測設(shè)備。
世界上有幾家泵制造商提供智能泵設(shè)備,用于電業(yè)中的鍋爐給水泵控制。沒有鍋爐給水泵就不會(huì)有蒸汽循環(huán)。例如,一個(gè)有500MW,2400PSI的電廠需要用兩個(gè)12000馬力的給水泵。對泵的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測是非常重要的。
管道工業(yè)一樣需要智能泵設(shè)備控制特大型泵和非常重要的流程。脫碳和除垢用泵和多級泵的供應(yīng)商因?yàn)橥瑯拥脑蚪o煉油廠配備智能泵。
現(xiàn)有的智能泵系統(tǒng)可以幫助用戶延長泵故障間隔時(shí)間,故障分析可以幫助判斷維護(hù)的成本。當(dāng)然,隨著智能泵越來越廣泛的使用,其價(jià)格也會(huì)下降。
五、 電子應(yīng)用
近幾年來,電子技術(shù)在科技發(fā)展和變革中起到了關(guān)鍵的作用。在泵和泵系統(tǒng)中,電子技術(shù)正得到越來越廣泛的使用。泵的檢測和泵的診斷系統(tǒng)及兩者之間的通訊都需要電子技術(shù)。沒有電子元件,使用變頻驅(qū)動(dòng)泵配合系統(tǒng)設(shè)備或節(jié)能根本無法實(shí)現(xiàn)。
高壓泵的潤滑系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),使用各種各樣的電子設(shè)備才能完成準(zhǔn)確的操作。
鍋爐給水泵在起動(dòng)之前需要預(yù)熱,熱流均衡的流過,泵的轉(zhuǎn)子才能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。電子元件被用于控制系統(tǒng),確保大型泵的安全運(yùn)行。
配比泵和計(jì)量泵應(yīng)用電子技術(shù)完成流體的參合過程,達(dá)到用戶期望的結(jié)果。比如在飲用水種參入氯氣,配比泵和計(jì)量泵不是完全獨(dú)立工作,它們需要電子元件,沒有電子元件,整個(gè)系統(tǒng)是無法完成工作的。
總之,泵工業(yè)對電子的依賴日趨嚴(yán)重。泵的制造商需要有能力獨(dú)立制造出完整的泵系統(tǒng),而每一個(gè)子系統(tǒng)均需要電子元件。
六、 泵系統(tǒng)
在中東、遠(yuǎn)東部分地區(qū)、非洲和拉丁美洲,做水處理和污水處理工程需要泵制造商能制造一個(gè)完整的泵包。這包括管道、閥門、啟動(dòng)和測量設(shè)備。有些地區(qū),比如委內(nèi)瑞拉,甚至要求泵的供應(yīng)商做建筑和市政設(shè)施工作。
世界上的泵用戶希望泵的供應(yīng)商完成所有的子系統(tǒng),保證泵系統(tǒng)的安全,平穩(wěn)運(yùn)行。子系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng),變速控制,流量或程序控制,預(yù)熱系統(tǒng),潤滑控制等。世界的趨勢是用戶更希望購買整個(gè)的泵系統(tǒng)而不是單單的一個(gè)泵。
用戶購買泵系統(tǒng)的目的是出于希望泵供應(yīng)商對系統(tǒng)及泵付完全的責(zé)任的要求。用戶希望泵的供應(yīng)商對泵的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行保修或維修,對泵的正個(gè)系統(tǒng)承擔(dān)責(zé)任而不只只是一個(gè)泵。
在一些發(fā)展中國家,缺少組裝系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的工程技術(shù)人員,所以泵的供應(yīng)商必須派自己的技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場操作,這也是泵系統(tǒng)發(fā)展的原因。
現(xiàn)在,供應(yīng)商可以提供監(jiān)測儀器,診斷設(shè)備,電子控制,預(yù)熱控制和潤滑控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)不但要泵制造商擔(dān)保,而且要他們自己設(shè)計(jì)和供應(yīng),這樣,用戶在購買時(shí)才更加放心。
一旦泵在運(yùn)行中出現(xiàn)了問題,用戶只找泵的供應(yīng)商解決問題即可,泵的供應(yīng)商既然對泵系統(tǒng)完全承擔(dān)責(zé)任,那由他找出問題并加以解決再合適不過。
七、 泵的標(biāo)準(zhǔn)
歐洲和美國都有影響力廣泛的泵商業(yè)協(xié)會(huì)。各地市場分額大的泵業(yè)司成為協(xié)會(huì)的地方代表。協(xié)會(huì)內(nèi)建有出版新標(biāo)準(zhǔn)或修改現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。歐洲有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO),美國有美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織(ANSI)和美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASA)。
歐泵和HI達(dá)成協(xié)議統(tǒng)一泵的標(biāo)準(zhǔn)。1996年2月,兩個(gè)組織簽定相互合作協(xié)議。協(xié)議規(guī)定為了有利于雙方的共同利益,兩組織要增進(jìn)了解和長期合作,維系制造商和協(xié)會(huì)成員之間的關(guān)系,在技術(shù)上同泵用戶保持交流,世界范圍內(nèi)共享泵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立大西洋兩岸間和跨國商業(yè)交往。
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