優(yōu)化泵系統(tǒng)效率和其生命周期性能的策略

    流程泵是工廠大的能源消耗之一，提高泵送系統(tǒng)的使用效率是降低工廠運(yùn)行成本的一條新捷徑。

日新月異的商業(yè)環(huán)境正在促使各個(gè)企業(yè) 對其傳統(tǒng)的經(jīng)營慣例作出眾多改變。 市場全球化、需求調(diào)整以及股東利益都要求工廠尋找能進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本的新途徑。

    近年來，雖然企業(yè)越來越多地運(yùn)用信息技術(shù) (IT) 來提高生產(chǎn)力，例如企業(yè)資源規(guī)劃和供應(yīng)鏈的管理。但是，就在工廠為其業(yè)務(wù)系統(tǒng)配備了新的IT工具的同時(shí)，他們卻仍舊在使用著過時(shí)的、低效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)來運(yùn)行生產(chǎn)流程。

    今天，低效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)是生產(chǎn)過程管理中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。更明確地說，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵系統(tǒng)的效率可以在優(yōu)化生產(chǎn)流程中扮演重要角色。盡管它經(jīng)常被忽視，但通過使用能提高其效率的相關(guān)技術(shù)，便可大幅的降低能耗、減少維修和原材料消耗。

    例如：在整個(gè)紙漿造紙管路及工藝流程中，泵送液體通常消耗了工業(yè)電機(jī)能耗的大部分。優(yōu)化泵送系統(tǒng)的效率可增加泵和工藝流程的穩(wěn)定性，同時(shí)在節(jié)能和減少維修成本方面可獲得20%～50%的改進(jìn)潛力。低效的泵送性能除了阻礙整個(gè)生產(chǎn)效率的提高，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的降低、生產(chǎn)時(shí)間的浪費(fèi)，對設(shè)備的間接損害和過高的維修成本。

    更大并不總是更好

    整個(gè)工廠的生產(chǎn)效率往往受約于泵系統(tǒng)的正確選型、安裝和維修。標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)慣例通常是增大泵的選型尺寸以確保滿足工藝峰值期間的需求。在過去，這種做法曾被接受，當(dāng)時(shí)造紙廠有對其所有林業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)品的持續(xù)的訂單需要。

    但是今天，情況有所不同。市場的全球化直接導(dǎo)致了過高的漿產(chǎn)品儲(chǔ)量和過剩的生產(chǎn)能力。這種局勢變化決定了對泵的偏大的選型慣例應(yīng)該被重新審視。

    1996年，一家芬蘭技術(shù)研究中心發(fā)布的一份題為“離心泵性能診斷專家分析報(bào)告”中顯示：通過分析20個(gè)工廠1690臺泵，發(fā)現(xiàn)泵的平均效率小于40%，有10%的泵的運(yùn)行效率低于10%。泵選型過大和節(jié)流控制閥被認(rèn)定為是消耗過多能量的兩大主要原因。

    提升泵效率的策略

    一臺流程泵的初購買價(jià)格一般小于其生命周期成本（LCC）的 15%。一臺50馬力的泵，其生命周期成本包括安裝、操作、維修和系統(tǒng)的停用成本，這些費(fèi)用是初購買成本的幾倍。一般來說，能量消耗會(huì)占泵的生命周期成本約30%，維修費(fèi)用更是高達(dá)40%。如果使用超過20年，能耗和維修費(fèi)用將超過10倍的初始購買費(fèi)用，而這部分成本可以通過效率的提高來顯著的降低。

    泵系統(tǒng)性能受以下幾個(gè)因素影響

    ·泵和其系統(tǒng)組成部分的各自效率

    · 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    ·泵送控制的效果

    ·驅(qū)動(dòng)部分的效率

    ·適當(dāng)?shù)木S修周期

    工廠的系統(tǒng)評估有助于確定和量化改進(jìn)泵送系統(tǒng)效率的佳方案。

    具潛力的提高效率的系統(tǒng)改進(jìn)方案如下

    ·通過更換和產(chǎn)品升級來提高電機(jī)效率

    ·佳匹配各部件選型和負(fù)載需求

    ·通過改進(jìn)工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低電機(jī)的負(fù)載

    ·用泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整替代節(jié)流控制閥或回流裝置

    并且，當(dāng)進(jìn)行泵系統(tǒng)評估時(shí)，以下特征說明該系統(tǒng)效率提升存在潛能：節(jié)流閥、常開的回流管線、多泵并行系統(tǒng)中所有的泵一直在運(yùn)行、在間歇工藝中不變的泵操作、汽蝕噪音的存在。

表1：控制閥與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在同流量條件下對比

    智能流量控制

    變頻器（VFDs）的發(fā)展應(yīng)用，特別是用于泵送控制的智能控制驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，使以控制閥作為流量主控方式的操作慣例發(fā)生了重大變化。而過去，變頻器（VFDs）應(yīng)用于降低能耗或常規(guī)的控制效果不太好的場合。實(shí)際上，智能泵送系統(tǒng)是針對泵系統(tǒng)的優(yōu)化方案，其智能軟件集成在驅(qū)動(dòng)器的微處理芯片中。

    智能驅(qū)動(dòng)器可以讓泵的運(yùn)行接近其佳效率點(diǎn)（BEF），并且當(dāng)泵運(yùn)行偏離了佳效率點(diǎn)時(shí)可以保護(hù)泵避免機(jī)械損壞，新的研究表明，泵運(yùn)行在佳效率點(diǎn)附近可以使泵的效率和運(yùn)行可靠性獲得驚人的改善。表一中比較了不同流量需求下的控制閥的壓差、泵轉(zhuǎn)速和效率的波動(dòng)情況。

    智能變頻驅(qū)動(dòng)器允許泵運(yùn)行在佳葉輪直徑和較低的轉(zhuǎn)速下，這可以進(jìn)一步增加泵的可靠性并使平均故障間隔時(shí)間(MTBF)得到相當(dāng)?shù)母挠^。在新的項(xiàng)目中，可節(jié)省控制閥的購買和安裝成本，隨后再加上節(jié)約的能量和維修費(fèi)用，泵送系統(tǒng)總的生命周期成本會(huì)得到顯著的降低。

    一旦投入使用，智能變頻驅(qū)動(dòng)器技術(shù)可以提供下列改變

    ·自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)工藝變化

    ·自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)泵系統(tǒng)的變化

　 ·系統(tǒng)故障時(shí)保護(hù)泵

    ·提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)控

    已配置傳感器和控制軟件智能泵送系統(tǒng)的可以提供順利的開車和產(chǎn)能變化，持續(xù)生產(chǎn)時(shí)更加嚴(yán)格地控制，并在對產(chǎn)品質(zhì)量或工藝操作沒有產(chǎn)生消極影響時(shí)，就對系統(tǒng)潛在的問題提供提更迅速的診斷。如圖1所示。

圖1：泵系統(tǒng)原理圖， 比較了傳統(tǒng)的泵送系統(tǒng)與智能泵送系統(tǒng)的區(qū)別。

    節(jié)能

    如表2 所示，在紙漿造紙行業(yè)，泵消耗了大部分的電機(jī)耗能。實(shí)際上流程泵的能量集中消耗使他們成為節(jié)能降耗的主要選擇對象。

表2：泵送系統(tǒng)是集中耗能的源地。

    不同的型號的流程泵的機(jī)械設(shè)計(jì)都會(huì)考慮高效運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)的目的是在正常的操作條件下確定泵的尺寸使之運(yùn)行在佳效率點(diǎn)。但是工藝需求和產(chǎn)量要求經(jīng)常隨時(shí)間有較大的變化。結(jié)果，找一個(gè)常速泵使之運(yùn)行在佳效率點(diǎn)的選型過程就好像“射擊一個(gè)移動(dòng)的靶子”。

    工廠所有的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中流程泵在節(jié)能方面具有大的潛能。通過智能化地實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，智能泵送系統(tǒng)可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)能量使用。通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)滿足精確的工藝需求，并避免不必要的能量消耗。

    案例研究顯示，通過優(yōu)化泵的性能大可節(jié)約50%甚至更多的能量。另外，消耗在常速泵上過多的能量并沒有用在泵送液體上，而是浪費(fèi)在泵體上并導(dǎo)致泵系統(tǒng)的可靠性下降。

    除了能耗降低外，智能泵送系統(tǒng)大優(yōu)點(diǎn)是解決和消除工廠生產(chǎn)、維修和工程部門遇到的復(fù)發(fā)性的操作運(yùn)行故障。一般情況下，設(shè)備中故障率高的是離心泵，其密封泄漏是其中停產(chǎn)時(shí)間長和維修費(fèi)用高的故障。泵系統(tǒng)的優(yōu)化有助于減少計(jì)劃外停車并增加產(chǎn)量。

    泵系統(tǒng)的優(yōu)化有助于減少計(jì)劃外停車并增加產(chǎn)量。

    提高設(shè)備管理水平

    一個(gè)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)的成功的、可預(yù)報(bào)式的維修策略應(yīng)該包括對于智能泵送系統(tǒng)的在線監(jiān)控功能的應(yīng)用。相關(guān)監(jiān)控信息可以傳到集成在過程控制系統(tǒng)的設(shè)備管理軟件中，或者發(fā)送到微機(jī)維修管理系統(tǒng)（CMMS）用于報(bào)警和歷史存檔。

    過去，設(shè)備信息需要手工的搜集和歸檔，或頻數(shù)不多地手工錄入微機(jī)維修管理系統(tǒng)。經(jīng)過這些年發(fā)展，自動(dòng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟，特別是應(yīng)用在象渦輪機(jī)等大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備上，但其較少用在預(yù)報(bào)式維修上。工廠一般仍是依靠既定的預(yù)測性的大修計(jì)劃和應(yīng)急補(bǔ)救性維修。

    通過發(fā)展預(yù)報(bào)式維修的能力，維修保養(yǎng)部門可以實(shí)時(shí)持續(xù)地檢查和更新設(shè)備狀態(tài)信息。設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析提供切實(shí)可行的信息來計(jì)劃維修作業(yè)，這樣比執(zhí)行一份自上次停車維修后的既定時(shí)間計(jì)劃更加有效。較之既定計(jì)劃維修主要的優(yōu)點(diǎn)是延長了連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，增加了運(yùn)行機(jī)動(dòng)性，更重要的是降低了維修量。圖2顯示了預(yù)報(bào)式維修方式較之既定預(yù)防維修方式或補(bǔ)救式維修方式，其費(fèi)用顯著降低。

圖2： 預(yù)測維護(hù)可節(jié)省費(fèi)用。

    在預(yù)報(bào)式維修狀況下，切實(shí)的設(shè)備狀態(tài)信息替代了對設(shè)備狀態(tài)的推測，這就讓工廠可以在接到設(shè)備狀態(tài)下降預(yù)報(bào)后就開始計(jì)劃和安排作業(yè)時(shí)間。工廠再也不必被迫搶修已經(jīng)損壞的設(shè)備。這樣一來，過去主要依靠對設(shè)備的歷史記錄、經(jīng)驗(yàn)、和直覺等人工技能的維修作業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)楣收媳鎰e的科學(xué)流程。

    結(jié)論

    過去，制造業(yè)廣泛的使用過程儀表用來測量工藝中的物理和化學(xué)變量，盡管也使用傳感器來監(jiān)控設(shè)備如泵、壓縮機(jī)和其他的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，但僅限于一些價(jià)值非常昂貴的設(shè)備。今天，隨著智能化設(shè)備和數(shù)字通訊的發(fā)展成長，傳統(tǒng)的過程控制和設(shè)備管理職能正漸漸的融合進(jìn)過程管理系統(tǒng)。

    智能泵的出現(xiàn)成為過程管理的進(jìn)一步發(fā)展中決定性的一步。在加入智能功能以后，在同一變頻驅(qū)動(dòng)平臺上不僅提供控制，而且可提供泵的保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控。

    盡管具有節(jié)能和操作上的優(yōu)勢，但當(dāng)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)實(shí)行提高效率的新技術(shù)時(shí)，工廠還要面臨許多障礙。這主要源于經(jīng)理、工程師、以及新技術(shù)和方案的分銷商對改進(jìn)泵系統(tǒng)的性能方面缺乏了解。

    在對新技術(shù)了解后，由于需要改變長期建立起來的生產(chǎn)慣例而感到冒險(xiǎn)，這經(jīng)常會(huì)延遲決定和項(xiàng)目執(zhí)行。另外，在維修、生產(chǎn)和工程部門，低效的人員配置也限制了新技術(shù)的評測和應(yīng)用。鑒于這些約束條件，在工廠部門中普遍存在一種態(tài)度：“設(shè)備沒壞就別改”。

    另一方面，還有供貨商這邊的因素，在改進(jìn)系統(tǒng)效率和實(shí)施中有與之相矛盾的動(dòng)機(jī)。例如，泵的分銷商更愿意賣更多的泵來滿足客戶生產(chǎn)需要的增長，而不會(huì)建議客戶怎樣通過更有效的泵操作來滿足生產(chǎn)量的增長。有趣的是，甚至當(dāng)分銷商發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)并說明潛在的優(yōu)勢后，很多終用戶還愿意在原始投資的基礎(chǔ)上繼續(xù)作出購買決定，而不是為了實(shí)現(xiàn)長期的節(jié)能而增加投資。

    為了能獲得泵系統(tǒng)優(yōu)化后的眾多效益，終用戶，制造商以及分銷商，還有設(shè)計(jì)工程師，必須共同奮斗。廠級的綜合評估可為項(xiàng)目合理性提供一種有效的方法來鑒別發(fā)現(xiàn)好的改進(jìn)機(jī)會(huì)。一個(gè)實(shí)施后，就會(huì)有下一個(gè)更好的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)，這為重大項(xiàng)目提供了穩(wěn)定的發(fā)展渠道來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。