高效与节能的发展浪潮

流程工业领域通用设备技术发展新趋势

作者:2018 ACHEMA展会趋势报告 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:12 发布时间:2018-05-09
流程工业领域中有哪些主导的大趋势?除了长期的能源和资源效率之外,还包括模块化设备制造、集成化的流程工艺设计和当前无所不在的工业4.0,以及适用于化工行业的化工4.0。不断更新的数字化和网络技术能否使泵、压缩机、驱动装置等的操作更加简单和安全?当然,正确的结构设计基础是关键。
高效与节能的发展浪潮

2018年8月3日,化工厂工人Jakob B先生开始交接班,他连接氢氧化钠容器与定量泵时,收到了智能化系统的警报,系统显示,只有先前通过云技术释放的容器信号才能被定量泵所接受。这项报警技术出自于一家大型流程泵生产厂家开发大的App平台,其解决了一个非常棘手的问题:如果连接到定量泵上的容器是错误的,轻者导致流程工艺产品质量的下降,最严重的情况下会危害员工的身体健康。这也是数字化技术改造为流程设备运营商带来了好处的最佳实例。

其他的数字化项目是一些故障、错误识别的解决方案和预防损失的措施。由此可以看出,除了生态和经济上可以被消费者接受的产品之外,流程工业企业最关心的就是流程工艺的可靠性和流程设备的可用性。

云技术提供了极具吸引力的服务和功能。例如,制造商可以通过专门配置的云了解流程泵或者压缩机的当前设置,与操作者一起修正它们的配置或者调用其他的功能。

但不是所有的流程设备运营商都可利用云技术。生产过程验证和记录的工作量非常大,这也就解释了制药企业为什么不愿意改变已经审批合格的药品生产制造过程,因此,在制药工业领域中数字化转型十分困难。

一般而言,数字化转型不是一件难事,最关键的就是改变完成任务所需的硬件(例如材料和设计)。化工领域对流程泵的要求与制药和食品生产领域中的不同,泵是否是在不断变化的部分载荷工况下工作,或者是否在长期的满负荷工况下工作有着决定性意义。

在结构清晰的解决方案帮助下,流程泵系统的能源效率可以不断提高

化工:模块化的灵活性要求

在流程工艺过程中,输送冷、热、酸、碱、腐蚀性、挥发性、易燃易爆液体及有毒介质的流程泵,在生产过程中接触的是最终产品或者中间产品。一般来说,流程泵中接触这些液体介质的零部件都要有例如橡胶、塑料或者搪瓷的涂层。同时,泵需要能够根据被泵送液体介质的变化进行调整。为了防止被泵送液体介质因冷却而变得粘稠或者固化而堵塞流程泵,泵就必须具有例如泵壳加热的功能。在化工领域中,在高毒性和有害环境介质泵送的关键工艺过程中,流程泵还必须关注泵系统的安全可靠性,包括复式滑动密封、电磁离合和屏蔽电机泵。

尤其在往复式容积泵中,必须注意管道连接和容积泵部件受到的往复作用。例如,Lewa公司研究的是检查设计的安装情况是否合理,从而在流程泵设计时保障整个泵系统工作的可靠性和安全性。其基础是流程泵设计软件,它给出了因泵的加速力带来的压力波动、压力损失或者管道中压力脉动等信息,尤其是临界转速时的共振。同时,Lewa公司还能完成这方面的数字化模拟。这样,不需要其他外部机构的帮助,流程设备运营商就能够准确地预测复杂管道系统中的动态过程和压力幅度。离心泵的生产厂家和使用者也必须注意共振,在生产实践中由自振带来的经济损失事件并不少见。

制药:清洁是第一要务

制药工业领域中使用的泵要按照国际上不同的法律法规、技术标准和规范进行设计和制造。对流程泵的整个生产过程来说,最重要的就是保证最高水平的生物安全性。通过了有关部门审核认证的CIP原位清洁性能,对保证最低间隙和无缝隙的泵体结构设计有重要意义。

SIP原位消毒和所用金属、非金属材料的使用许可证、原产地证明等(3.1证书,FDA合规性)一样重要。表面粗糙度、铁素体的检验记录以及大量的焊接技术规范等,也是流程泵生产过程中必须遵守的规定,尤其是当涉及到制药设备中所用的流程泵质量认证时。

在生产符合制药领域使用的流程泵时,第一步工作就是在叶片泵和挤出泵两大类型中做出选择。普通吸力的离心泵在制药领域中的应用占据了主导地位,因为它们通常能够方便地输送液体介质,而且经济实惠。当被输送介质较为粘稠时,则叶片泵就显得力不从心。随着粘度的增加和固体物质含量的增加,建议使用挤出泵。与叶片泵相比较,挤出泵的优点是有着固定的流量,因为挤出泵的输送能力与电动机的转速有关,几乎与压力无关。因此,在输送粘稠液体介质时最适合使用挤出泵。

食品:减少可能的风险

就安全性来讲,食品行业是紧随药品行业的流程工业生产领域。食品生产企业努力减少可能出现的风险,没有人愿意承担声誉受损的产品召回。EHEDG证书就成为符合卫生设计保证、具有CIP原位清洁性能的证明,这也对食品级泵的供应商产生了重要的影响。食品级泵清洁性能的标准是:易于卫生清洁的结构设计,所有泵内部零部件的无缝隙结构,要满足长径比1~3要求的无死角结构设计。如果泵所采用的技术始终满足EHEDG的要求,则卫生清洁时的工作量、所需的时间都可以明显减少。在CIP原位清洁回路中,工作的泵工作的时间很短,因此它消耗的电力能源也很少。

另外,利用变频器进行调速很有必要。从节能、清洁卫生的角度来看,这种功率匹配也非常重要,如果是通过节流阀来调节输送压力和流量,所产生的剪应力会降低节流过程中液体产品的质量。

工业4.0的浪潮

如果没有压缩空气、没有真空技术,许多流程工艺生产过程是无法进行的。想保持永久性的高效率,就不能绕开跨学科的技术。能源效率、预防性维护保养、无油压缩空气和发包模式是压缩空气和真空技术供应商、用户的热门话题。另外,化工和制药行业领域中最需要的还有干式运行的真空泵,以及自动优化、全自动和真空调节控制的成套系统。

预防性维护保养

工业行业的思想观念正在发生转变,维护保养从应急式向着预防性方向发展。传感器采集到的数据经过软件分析评估工作,可以预测泵、压缩机等设备的最佳维护时间,也可以确定未来的停机检修时间,加快生产过程,避免出现过长的生产停机现象。

流程泵消耗了工业用电的30%,制冷、空气压缩机和通风机共计消耗了34%,所有“旋转设备”总共消耗了工业用电的2/3

发包模式

在走向工业4.0的道路上,越来越多的用户不愿意用自己的空气压缩机生产压缩空气了,取而代之的是以固定价格从专业生产厂购买压缩空气。能源署的调查显示,近几年来,大中型流程工业企业辅助生产任务的外包技术已成为明显趋势。由于采用了租赁以及发包模式,厂商不用筹集大笔资金来维护自己的能源供应部门。大型压缩空气供应商企业提供的技术服务,可使压缩空气生产设备保持着最新的技术水平,并按实际需要供应压缩空气。巨大的成本节约潜力也是另一个重要的优点,像Kaeser、Atlas Copco和Aerzen公司这样的大型供应商都在开拓自己的技术服务和发包模式。

能源效率

“能源效率第一”是德国联邦政府《能源绿皮书》的指导思想,一直是压缩空气和真空技术供应商长期以来所遵循的原则。在压缩空气设备的整个使用周期内的总成本中,有关设备的成本费用仅占30%,其他70%的都是能源费用。对压缩空气和真空技术供应商企业来说,经济地利用能源和其他资源是两个紧密相连的问题。利用例如子调速等创新系统,就可以实现很高的节能潜力。

在空压机工作运行时,大约30%~50%的能源会被浪费。行业专家认为,压缩空气技术和真空技术研发的重点应是技术服务策略、维护保养和优化服务,以便能够更好地利用能源。

以扩散泵为例,抽真空的扩散泵没有移动零件,它基于气态推进剂的原理工作,因此有着很高的工作可靠性和极低的维护保养成本。另外,它非常坚固耐用,并能为高真空提供出色的性价比。由于这些特性,确保了它几十年来一直是工业应用中的“工作母机”。真空技术专家Leybold公司通过结构设计和现代化控制系统的不断改进完善,将扩散泵的平均能源消耗减少了30%以上,且没有降低扩散泵的真空性能。同时Leydold公司也在用户使用的方便性和用户系统集成方面做了进一步的改进。

驱动技术:减少能耗的法宝

流程泵必须要有一台电动机,这类驱动装置“消耗”了全球约40%的电力能源。在德国,电动机消耗的电力占工业用电的68%左右。

生产电力能源总是要付出一定的成本,通过热电厂发电生产电力能源对环境保护非常不利。自2005年以来,欧洲正式通过立法程序来减少CO2的排放。欧盟EG 640/2009号发电机指令就是这一立法程序中的一个重要关键点。对于电动机生产厂家来说,这也就意味着要专注于高效电动机和变频调速器。

高效节能技术适用于新开发设计的驱动系统,不适用于已有的电力驱动系统。但实践经验表明,工厂企业现有的驱动系统具有非常大的节能潜力,而且值得注意的是,驱动系统寿命周期的成本费用LCC中有95%来源于能源成本。因此,要不时检查所使用的驱动装置。

由于电动机设计技术的不断改进,变速器和控制调节技术的不断提高,现代化的驱动系统能够保障更高的效率,相应地也减少了驱动系统的能源消耗。尤其是在部分负荷工况下的电动机,当经常在部分载荷下工作的电动机改换了高效节能电动机,在采用了变频调速的驱动系统之后可以节约大量的电能。

为了优化电力成本和电力消耗,就要始终将电动机、逆变器和变速箱作为一个整体进行考察。精心设计和使用运行的驱动系统不仅仅能够节约能源,而且还常常可以提供其他辅助应用给流程设备带来额外的好处。

改用节能型的驱动系统要付出一定的投资费用,但是其投资回收期短,在使用运行费用往往在第一年中就超过了电动机的采购成本。但电动机的使用寿命长,在未来的15~20年的时间里运营商将会收到明显的节能效益。

新的经营模式

利用远程遥控技术,用户可以利用计算机控制和管理设备(流程泵、空压机),识别必要的维护保养需求。另外,也可以利用远程遥控技术修改它们的控制参数,这也适合于安全存储在云中的算法语言。

具有自适应控制的空气压缩机和流程泵的驱动器可以连续监控重要的性能参数。这些自适应控件采用了先进的控制算法,可以自动调整适应环境,有着更高的性能,降低了停机风险并且也节约能源。

关于如何从大数据中快速生成智能数据,以及出现新的经营模式的讨论得出的结论是要谨慎行事。如果基于相关性(类似的行为)而不是因果关系(原因和结果)得出的结论,那么大数据就会在人工智能AI的帮助下导致错误的结论。算法语言尝试着从大量的大数据中识别到某种模式,并得出结论和推断,但这需要对基本算法语言有深刻的理解。

结语

如今,信息技术正在飞速发展,速度非常重要,但并不是一切,在有监管要求的行业中,怎么做才能让制造商和运营商获得盈利才是关键。使用更高的技术安全性和可用性,尤其是更有经济效益的方案应该优先考虑。对于通用设备的供应商来讲,数字化本身不是目的,而应该是达到目的的一种手段。

可以预计,从中长期发展的角度来说,流程泵、空压机和驱动装置的供应商们将不再通过传统的硬件,而是通过系统解决方案和服务获得更大的销售份额。因为单靠硬件特性来辨别产品变得越来越困难,这些创新越来越倾向于专用软件程序和网络的接口技术。

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