能源智能化设计

通过泵和压缩机的智能化提高能效

作者:本网编辑 文章来源:根据ACHEMA 2012年趋势报告整理而成 点击数:329 发布时间:2012-04-28
泵机和压缩机的能耗在过程工业设备能耗中占很大的份额,提高泵机和压缩机能效的一个关键性因素就是增强控制阀和传感器在自动化生产环境当中的稳定性.

泵机和压缩机的能耗在过程工业设备能耗中占很大的份额。帮助企业减少流程设备的能耗将继续成为ACHEMA 2012展会的重要主题之一,本届展会将于2012年6月18~22日在德国法兰克福举行。提高泵机和压缩机能效的一个关键性因素就是增强控制阀和传感器在自动化生产环境当中的稳定性。

人们已经习惯了许多领域都在实现“智能化”的说法,也看到了智能化泵机和控制装置及智能材料。而“能源智能化”的含义却更为凝重,需要人们做出更多的努力才能实现。

如何才能找到节约能源的机会呢?一种立竿见影的方式就是仔细审视和优化各个独立构成要素(泵、阀门、导热介质和压缩机)或子系统(压缩空气供应系统、冷冻水供应系统)。由弗劳恩霍夫系统与创新研究所进行的一项研究显示,对于众多用户来说,这种方法毫无疑问是非常重要的一步。驱动流体流动的设备,例如泵、风扇和压缩机,都是耗能大户。而在采取整体性的解决方法以及在系统层面上实施优化时,所遇到的困难更多。但是只有这种方式才能带来最好的节能效果。用户还可以从增强过程稳定性和改善产品质量方面获得收益。

泵机能源智能化

据估算(Motor Challenge Program,Hydraulic Institute),泵耗用了全世界20%~25%的电力能源,而过程工业能耗占泵总量的1/4,仅德国化学工业就安装了49万台泵。

目前,大多数运行中的泵机系统都配备了离心泵,据估算比例在全球范围内约为73%,在特定工业(例如化学工业)中可高达85%~90%。

使用工程设计非常优秀的泵和液压系统的优化配置是达到最高能效的最好途径。而持续维护也能减少能耗,因为磨损和老化会降低所有设备的能效。腐蚀和沉积物会增加管网内的流阻,阀门和管件的泄漏会导致系统内的压力损失。一项由EfE经济能源研究中心提供的研究结果表明,维护较差的泵机能效可能会降低多达15%。

在实际应用当中,一般情况下隔膜泵的能效是离心泵的2倍。柱塞泵可能达不到理论上的能效水平,因为存在摩擦损失。

摩擦损失的来源可以是齿轮单元(5%~40%)、柱塞密封(1%~20%)、轴承(根据润滑油油位可上至3%)、兴涡损失(上至3%)和液压装置(2%~x%)。

解决方案如下:

使用能效更高的齿轮单元(齿轮传动、皮带传动);

提升轴承效率(不采用密封垫片、稀油润滑、优化粘度);

以尽可能低的粘度来进行稀油润滑,尽量减少兴涡损失;

选用密封面小、尽可能短的密封件。

柱塞泵有效的脉动管理能够减少1%以上的损失。在正常工作条件下,脉动的流动方式会增加压力损失。连续流动能够节省能源并降低所有系统部件上的压力。

ErP设定了最低能效标准

欧盟生态设计指令(ErP)要求制造商提升设备在整个寿命周期内的能效,减少对环境的影响。

《电动机规范》(EC640/2009)适用于几乎所有额定功率在0.75~375 kW之间的电动机,规定如下:

第1阶段:截止到2011年6月16日,所有电动机必须达到IE2标准;

第2阶段:自2015年1月1日起,所有额定功率在7.5~375kW的电动机都必须达到IE3标准或者通过配备变频器达到IE2标准;

第3阶段:自2017年起,所有额定功率在0.75~375kW的电动机都必须达到IE3标准或者通过配备变频器达到IE2标准。

最低能效标准已在美国实施多年。高能效电动机(IE2)的比例远高于德国等欧洲国家。

基于对ErP指令的认知,从生态学和经济的角度考虑,不使用能源就是最好的解决方案。由DENEFF能效企业倡议所进行的一项研究指出,如企业和家庭进行节能,有可能节省10座核电站的发电量。

优秀泵机设计的基本原则是工作点靠近最优泵机,管径尺寸必须经过液力学修正,并配合使用现有的降能耗技术(高效电动机、用变频器实现转速控制、从液力原理设计以实现最优能效、减少线圈和轴承内的损失)。

FfE能源经济学研究中心提供了一些2009年的数据,投资成本包括了变频器的成本(100~200欧元/千瓦泵额定功率)和每台泵机的安装成本(约2000欧元左右)。

叶轮改型是另一种可用于针对特定应用改造离心泵机和减少泵机能耗的方法。降低泵机和电动机的额定功率,可以降低10%~40%的能耗。根据叶轮尺寸,改型成本不同,有时可高达1000欧元。

具备交互功能的E泵

变速驱动装置不仅能够节约能源和成本,而且还提供了交互能力。配备了传感器和微电子设备的泵机就变成了执行器,可以“干预”和影响过程流。

拥有通信功能的泵具备参数配置能力,它可以确保在一个特定的时间点,在反应器内能够达到所要求的压力等级和体积流量,或者确保在正确时刻精确混合两种物质。

与采用蝶阀等机械控制装置相比,使用变速驱动装置时的流量控制度更精确,反应时间更短。E泵能够更快地调节流量以匹配实际需求,并能够在需求波动时做出更精确的响应。变速泵机能效更高,而且运行更稳定。

优化方案实施的障碍

如果优化方案效果很好,那么为什么不能让用户享受全部的优化方案呢?原因如下:

决策以回报周期为基准:很多公司规定最长回报周期为2~3年。但回报周期只是一项风险管理参数,根本没有涉及到投资收益率(ROI)。净现值(NPV)才是真正考虑投资收益率的指标。

缺乏对技术的理解:负责能源管理的人员提供信息的方式无法让没有工程技术专业知识的经理理解。

支出限制:决策者对于任何不是绝对必要的投资都不予批准。

缺乏人力资源:大家理解节能机会的存在,但没时间采取适当的行动。

在发生故障时才进行投资:经常只是在系统真正发生故障时才考虑投资。此时,只考虑新系统必须快速投入使用,且成本要尽可能最低,全然不考虑生命周期成本。

无法分配成本:很多公司只知道自己的整体能耗是多少,却没有每一台设备的能源数据。在很多情况下,维护旧设备的人员成本并没有分配到具体的项目。从而不具备能耗和现有设备劳动力成本的相关信息,无法识别出低能效设备,因此,不能准确地对设备优化做出财务评估。

压缩机能效问题

压缩空气在工业领域的使用就像使用电力一样普遍。压缩空气在很多生产中都是一种非常重要的能源,仅德国就安装了大约62000套压缩空气系统。由于压缩空气安全、可靠并且容易使用,对于许多用户来说,成本只是次要的考虑因素。在一些情况下,压缩空气会损失掉大量的成本,一般会有15%的损失率,有的损失度甚至可能高达70%。目前,所有主要制造商都提供了压缩空气审计服务,用于鉴别泄漏现象,尺寸设计不良的压缩空气管路以及供量与需求量之间的不匹配现象。

有必要尽可能提高构成压缩空气系统的每一个构成部分的能效,更有必要优化整个系统。除过程工业中的连续生产以外,还需要分析出需求的波动特性。如果在波动的情况下,那么投资变速型压缩机就是一个合理的解决方案。在大型系统中推荐采用更高级的控制器,从而让同一个空压站内的多个压缩机能够协调一致地运行。例如,在不同容量规格的压缩机之间分配好负荷就能提升负荷响应效率。

如果压缩空气管路极长,那么分布式供气方式将是很好的方案。但集中式的压缩空气站有很多优势,压缩集中设置在同一个地点,维修和维护工作就更为方便。压缩做功会发出热量,采用热量回收系统能够进一步降低能源成本。96%供应给压缩机的能量都可以作为废热进行重新利用(例如用于采暖)。

合同供应方式

越来越多的公司正在选择采用压缩空气的合同供应方式,从而可以在不占用大量资金的情况下,安装一套新型高能效的压缩空气系统。在与用户商定压缩空气合同供应模式之前,应先建立压缩空气使用特性数据(最大、平均和最小耗量)。重点理解消耗量的动态变化情况,知道在单位分钟/小时/天内发生的体积流量的流动幅度。对压缩空气质量有什么要求?客户运行采用单班制还是多班制?

决定购买压缩空气的客户能够更好的了解成本。高精度的计量方式能够准确地对客户实际使用的压缩空气量进行计费。除了成本透明以外,这种合同供气体制还能够不断优化压缩空气成本。

漏点的检测

压缩空气是一种成本高昂的能源,所以应当防止发生泄漏。“丢失”的压缩空气量必须用能源密集的压缩机予以补充。但是在实际应用中用户对压缩空气泄漏的重视程度不够充分。

在支路多、管路非常长的压缩空气管路中,很多因素都可以导致泄漏。在实际应用中,可以采用高灵敏度的热流传感器来检测漏点。据ZVEI(德国电气电子行业协会)统计表明,一家电池制造商采用这种方式后,耗电量每年减少563MWh,节约电量高达21%,同时还减少了654t的CO2排放。

自动控制安全阀

在墨西哥湾钻油平台发生爆炸事故之后,在石油天然气行业当中提出创新方案的压力变得十分大。一些制造商已经推出了LDAR(泄漏检测和修理)系统。

在美国和中东地区,自动控制安全阀(POSV)应用良好,并通过了长期的检验。这些阀门只有达到了标准DIN EN ISO 4126-4之后才能在欧洲应用。这些阀门的密封压力可提升至设定压力,因此用户可以让阀门运行在设定压力附近。与弹簧加载安全阀相比,POSV阀门的背压更高,不需要利用弹簧作用力来保持POSV阀门闭紧。这些阀门已广泛应用于化学、炼油和陆上工业。

通过自动化降低运行成本

必须区别阀门自动化的2种不同的要求特性。一种是只进行开/关控制,此种情况下阀门只需要移动至端头挡块处;另一种是控制模式,通过设置值来调节阀门,控制流量。阀门自动化成本不仅取决于用户所选择阀门的实际价格,还取决于操作模式(手动、电动、气动或液动)。不同的组合会带来不同的资金投入、运行成本和能源成本。

另外,与直线阀门(蝶阀、闸阀)相比,90°的阀门(瓣阀、旋塞阀)所需的操作力较小。它们的驱动装置相似且成本较低。

一些供应商提供的产品具有标准化的Opos接口,这种接口支持一些将智能化调位器与气动或转动驱动装置相结合,得到高效的解决方案。这种接口的安装成本低、备件库存成本低、可靠性高,同时,这种接口内置了截止功能,可以在不间断运行的情况下安全更换调位器。让用户可以拥有更大的产品选型自由度。

对控制阀维护不足可能会对过程可靠性带来非常不利的影响。在生产过程中,需要对控制阀的实际状况进行分析,并了解一些专业知识。FDT/DTM可以用于提供并监测控制台或工厂资产管理系统的连接功能。生产管理团队可以连续地监测阀门和调位器。供货商需要提供具有预测性、预防性的诊断能力的产品,而不是只提示注意故障。用户通过系统可以重点了解阀门状况,而不仅仅是得到报警消息。系统需要对问题的根本原因做出分析,提出应采取的措施,并提出在扩展阀门和整个生产过程中的建议。

自动化阀门在能效改进方面有什么作用?ZVEI已经确定自动化确实具有重要意义。采用了电动-气动调位器的阀门可以用于优化流量控制。在化学工业和石化工业的不断发展和应用过程中,控制系统的反应也更加快速。生产更多数量的产品所需的初级能源量更少。仅通过安装智能化的电动-气动调位器,以及在OLEX工艺内采用一个适合的气动回路来隔离丁烷,就可以将产品的良品率提升3%。

声学传感器可用于检测阀门泄漏并防止潜在的产品损失。如果标称直径为DN150的喇叭阀内部有磨损,那么上游2MPa的压力就产生3%的泄漏(相当于800kg/h的泄漏损失量),损失金额可高达10000欧元/天。与传统设备相比,先进的调位器只消耗1/10的仪表空气,显著减少了辅助能源的消耗量。每台传统的调位器每年大约消耗200~250欧元的仪表空气。在一个中等规模的工厂内,如果有100台调位器,那么将可以节约20000欧元。同时,系统内的压缩空气消耗量可以更高效地进行管理。

小结

泵、压缩机和阀门制造商经常会在价格方面展开竞争,而忽略设备运行成本的竞争。每个参与决策的人都应当认识到,考虑净现值(NPV)比只考虑回报期能够得到更好的决策。
 

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