离心泵所执行的流体输送任务对我们的日常生活和流程工业的可靠运行具有极为重要的意义

离心泵所执行的流体输送任务对我们的日常生活和工业过程的可靠运行都具有极为重要的意义，因此可靠性就成为了离心泵运行的关键衡量标准之一。德国约30%的电量都被消耗在泵及其电动驱动装置上，用以推动生活中不可或缺的流程工业。很明显，泵及电动驱动装置在提升能效和降低排放量方面具有极其重要的意义。

如果离心泵总是能够按照预定工作范围运行，那么就能最大程度地延长其工作寿命及提升能效。但事实上，协调起来非常困难。所以就出现了这样一种疑问，这个问题是否拥有自动化方面的解决方案。答案是肯定的。

图1  离心泵特征寿命和损坏机制的工作点函数

为了能够正确评判解决方案的质量，就有必要评定出高能效运行的标准。例如，2004年杜邦公司在美国开展了一项研究调查。图1说明了其中存在的复杂依赖关系。

图１中的蓝色曲线表示额定转速下的典型离心泵特性曲线，这个曲线也称为H/Q曲线。特性曲线描述了给定泵机的流量与压头之间的相互关系。红色的钟形曲线表示了泵和/或其重要零部件的使用寿命（特征寿命），在所有情况下，此曲线都是处于特性曲线上的泵机工作点的函数。顶点位于离心泵的最佳能效点上，表示最大可能使用寿命。

图2  描述一台离心泵工作状况的定性泵特性曲线图

根据红色特征曲线（可靠性曲线），确立了3个运行范围：

-10%~+5%的范围称为“最佳惯例”。

-20%~+10%的范围称为“优良惯例”。

-30%~+15%的范围称为“良好惯例”。

图3  通过节流和转速控制方式对泵流量进行调节时的特性曲线和能耗说明图：由坐标原点与系统特性曲线交点以及泵特性曲线所围成的面积反映了泵的液体输出量

图中还显示了离心泵在过于远离其理想工作范围内运行有可能发生的问题和损坏机制。

由于在采购泵时，通常并不知道泵的实际工作点，所以肯定会考虑安全裕量。总体来说，这样会导致泵的规格过高，正如以下一台离心泵的特性图所示（图2）：

流量需要进行调整以配合多变的需求量。典型的解决方案包括在固定转速下对流量实施节流以及如图3所示对转速进行调整或控制。

图4  变速离心泵特性曲线控制原理

如上所述的依赖关系阐明了节流方式的一些严重缺点。节流会导致泵在其允许范围之外的工作点工作，并给使用寿命和能效带来不良后果。因此引申出我们对满足“在预定范围内工作”和“高能效运行”这两项要求所认识到的如下关键方面。

图5  用于测定离心泵工作范围和其它重要特性的设备

离心泵在预定范围内的工作

在寻找能够避免此类问题的技术路径之前，我们首先必须了解泵对应于其特性曲线的实际工作范围。如果泵机运行在其预定工作范围之外，我们必须决定采用哪一种技术手段将泵机调回其正确工作范围内，并尽量延长泵使用寿命和提高能效。

图6  显示屏上的“EFF三角形”提示操作人员注意低能效运行状况

在实际工作中，会使用压力表来同时监测离心泵的吸入压力和排出压力，这里假设存在这样一个测量点。以泵特性曲线为基础，对泵的工作范围做出粗略的估计。但是，我们建议在估计时要谨慎从事，因为特性曲线，特别是H/Q曲线，有可能存在非常低的梯度。如果情况如此，那么排出压头的改变有可能无法察觉，或者压力表测得的压力有可能导致流量上出现极大的差异。

图7  两个配备了新型监测单元的离心泵

多年以来，离心泵变速控制解决方案使我们一直为了能够确保泵在预定范围内运行而选择更简洁和更有效的方案。例如，有一种专门应用软件，它除了能够获取用于转速控制的变频器的数据和参数，还能用于控制特性曲线。特性曲线控制的原理如图4所示。速度控制能够确保离心泵总是在预定（绿色）范围内工作。

如果离心泵总能在预定范围运行，那么就能最大程度延长其工作寿命，提升其能效。

图8  一个典型的闭环液体系统

目前，并不是所有离心泵都有必要配备变速控制装置。一方面，所要求配备的电子线路本身会消耗额外的电能。从能源经济性角度来看，转速控制是在冷却和加热回路中涉及到变流量的唯一可取方案。

另一方面，转速控制确实能够实现特性曲线控制（图4）以确保离心泵按照预定范围运行。但是，这一功能的实施要求对所控制的泵机拥有详尽的了解。与变速控制配合起来，特性曲线控制确保了泵总是在其预定工作范围内运行。

对于许多不需要转速控制任务的离心泵来说，问题在于如何可靠地确定由压头和流量所定义的当前工作范围。直至目前，这项工作总是不得不使用大量复杂和昂贵的仪表。对于所有日常使用的标准化泵机来说，这种方法是不可行的，因为如此大量的工作和物资投入的解决方案只能应用于那些诸如电厂锅炉给水泵。因此，未来泵机应用的目标必须是为那些无需转速控制的离心泵生成一个能够将上述泵机特有关系整合的一个“简单”设备。这个设备必须能够实现离心泵当前工作范围的可视化。

图9  一套典型的开环液体系统

多年以来，泵机行业的许多人士，包括泵机制造商和用户都认为：监测解决方案开销应当控制在泵机价格10%以内。

一种这一类别的解决方案实际上已经于2010年5月进入市场了。这款设备产品成功地将仪表的最低限度要求与智能化软件结合了起来，不仅能够测定工作范围，还能测定一系列其他重要数据。这款设备采用了一对压力传感器，一个传感器布置在吸入管嘴处，另一个布置在排出管嘴处（图5）。

在测量静态压力的同时，这个仪表的软件还能计算出动态压头和流量。这些数据随后可用于测定许多其他信息，使离心泵以高能效方式在预定范围内工作。除了直接测量诸如吸入压力和排出压力之外，此设备还能计算出差压。由于泵机的特性曲线总是储存在这款仪表内，所以泵瞬时工作范围的特性曲线可以随压头一起连续显示出来。此仪表生成的信息将针对每一台泵机以各自的负荷特性的形式得到分析和储存。

图10  一台中央采暖循环泵的负荷特性图

此仪表显示了评估离心泵高能效运行所需要的全部信息，包括对运行本身进行评价。这种瞬时工作模式的信息可以在象形符号的帮助下显示出来（图6）。

这些信息让用户有机会采用更多的处理措施，诸如加装变速控制系统，把能效和可用性（使用寿命）提供给那些没有高能效运行的系统。如果变速系统已经加装上了，则此仪表能够当作一个信号变送器来使用，提醒操作者注意实际排出压力或差压（图7）。

这款设备的供货方式可以是由厂家安装在泵机上并设置好参数，随时可以投入使用，或者作为一个独立的单元加装到已在运行中的泵机上。

各种输出信号可以经处理后再转发给更高层级的自动化系统。通过这种方式，泵机的模拟或数字信号就可以在现有的过程控制系统中得到处理。可以说，既能够提供重要数据和信息，也能够“现场”评估这些数据信息，所以我们有信心：离心泵能在其预定工作范围内运行。这样就从离心泵资产管理解决方案的角度创造了新的可能性。

图11 这个离心泵工作范围图显示出针对不同压头要求时采用节流和转速控制时的效果

离心泵的资产管理

工厂资产管理工作正在变得越来越重要，特别是在化学工业当中。化学工厂的全部资产都值得我们关注。当涉及到生产工厂时，资产管理的目标不仅是要管理它们，还要从价值增强的角度优化它们的使用情况。运行每一项资产都要按照适合的方式以及预定的方式，从而优化资产的效用、可用性和生产率。这样就可以通过用规定时间内更高的产量表示出价值提升。同时还可以提升公司在市场的竞争力。

在生产工厂信息系统辅助下，工厂资产管理提供了技术方面（工程设计、规划、安装、调试和维护）、运行方面（工厂运行、生产）和商业方面（成本、利润）利用率的功能、方法和工具。但是，这种信息系统的质量并不能超越作为输入信息的资产数据的质量。

这些资产所接收到的信息必须能够让所有用户群都能够简便而系统地使用和处理它们。因此，这方面的最低标准是“少而精”，也就是说，在保持信息质量的同时减少数据量。以上所述的设备可作为一个例子来说明，将信息量限制在重要信息是如何提升离心泵对于其用户的利用率指标。集中提供重要信息也意味着采用数字化数据传输方式的系统不会因为不必要的“数据垃圾”出现因负荷过重而性能下降的问题。

在工厂资产管理的范畴内，这个设备能够帮助提升对不利或有害工作条件的认知度，从而有利于采用更为积极主动的方式来管理工厂，从而让资产本身达到更长的使用寿命和更高的可用性。这款设备在设备损坏发生之前很早就能通过信号表明这台设备并没有工作在预定的范围内，从而有助于避免成本高昂的故障诊断分析工作。

这款设备能够良好地适用于各种各样的离心泵，例如为生产设备供应冷却水、在增压系统内工作、在供水系统和冷却回路内工作以及在外围和基础设施过程中工作，最重要的是：在离心泵工艺过程中工作。

图12  一台变速离心泵在高效供应不同压头时的功率要求

离心泵的高能效运行

除了要求资产在预定范围内运行，我们还希望资产能够以高能效的方式得到使用。变速控制本身就适用于丰富的应用类别，例如用于存在波动性需求的闭环液体系统（图8）。

在许多离心泵应用当中，特别是在闭环液体系统中，流量需求随时间而变化。负荷特性图用于说明在整个泵机工作范围的工作时间分布情况。图10所示为一台获得了Blue Angel认证的中央取暖循环泵的负荷特性图。

这个负荷特性图细分为4个不同的工作点。此图显示出泵机在这4个工作点上各自运行了多长时间，并以这段时间占总运行时间的百分比来表示。将这个真实的负荷特性与离心泵在100%能效最高工作点且可以达到最好的平均故障间隔时间（MTBF）进行对比后可知，在100%工作点上运行的时间只占总运行时间的6%，这样我们就面对着如何解决这个问题冲突。

原则上，可以采取多种不同的方法来让离心泵运行状况与较低的需求匹配起来，从而适应偏离设计条件的工作点。其中两种方案已经在图3进行了说明。但是，如果将全部不同的备选方案列出就会超出本文的范围。效率最低的方法是节流，最高效的方法是改变泵机转速以匹配负荷特性。事实上，负荷特性是关键的应用参数。在与诸如节流或旁路控制、不同方法组合等方案相比时，它决定了方案可以达到的潜在节约能源的范围。节流意味着通过有选择性地改变系统的流阻来改变系统的特性。旁路解决方案则涉及到将多余的流量分流（旁路）绕过泵机。这两种方案都不会形成高能效的解决方案。

另一种对应恒定需求量来调节离心泵流量的方式是修整泵机叶轮。这种方法特别适用于规格过大的泵机或用于达到工作范围图的中点。基本上修整叶轮会降低泵机的输入功率，在特别有利的情况下，甚至有可能达到采用较小型电动机时的效果。

图11所示是一个典型的对应于不同转速的离心泵的工作范围图。深蓝色曲线是配备这台离心泵的设备的实际系统特性曲线。这里显示出两种可达到工作点B2的备选方案－转速控制（深蓝色曲线）和节流（虚线曲线）。图12显示了流量和泵转速函数的所需功率，在图12的辅助下，我们清楚地看到转速控制对于这个事例来说属于能效更高的解决方案。

转速控制的另一项优点是离心泵总是能够运行在与各种转速相对应的预定工作范围内。这种联系在图4所示的特性曲线控制方案中得到了精确图示并可在此方案中得到保证。

展望：EuP/ErP指令的影响力

在欧盟提升能效措施的范围内，与产品相关的措施都以EuP/ErP指令为基础，在电动机之外，当然离心泵产品也列入其中。如果要求离心泵达到最大可能的能源节约效果，除了采取转速控制之外别无他法。这种情况已经在2009年7月22日颁布的欧盟委员会法规（EC）第640/2009号中做出了规定。只有在负荷特性已知时才能进行详细的投资回报计算，而且只能计算转速控制的额外成本是否是合理的。

在绝大多数情况下，电气变速驱动装置的供应商并不拥有受驱动设备在负荷特性方面的详细信息。对于离心泵来说，配备如上所述的仪表就可以轻松解决这个问题。实际上，在以达成更高能效为目标时，这种仪表可以带来明显的优势。