泵原理与节能

1、Reducing Facility Energy Costs by Optimizing Pumping Systems 通过优化泵送系统降低设备的能源成本通过优化泵送系统降低设备的能源成本 向文国向文国 中国电机节能推广专家组中国电机节能推广专家组 教授教授 Workshop Topics 主要内容主要内容 Introduction to Energy Conservation Benefits Energy Basics How Electric Utilities Bill for Energy Pump System Fundamentals System Requirements P

2、umps Motors, Drives and Controls 节能介绍节能介绍 效益效益 能源基础能源基础 电能费用电能费用 泵系统理论基础泵系统理论基础 系统要求系统要求 泵泵 电动机，驱动及控制装置电动机，驱动及控制装置 Workshop Topics 主要内容主要内容 Collecting Pump System Data 泵系统数据的收集 Pump System Elevations 泵系统标高 Nameplate Information铭牌信息 Field Measurements现场测量 Pump System Analysis 泵系统分析 Case Studies案例的研究分

3、析 Introduction to Energy Conservation 节能介绍 financial and pollution prevention benefits of energy conservation 节能的财务效益及环保效益 财务效益 以某制药厂为例： 一台160kw 水泵，由于长期工作在低效区， 经过高效改造，运行效率得到提高，年运行节 约费用可达37万元人民币。 情况比较普遍。 环保效益 SO2SO2减排减排 NOXNOX减排减排 CO2CO2减排减排 粉尘减排粉尘减排 噪音噪音 等减排等减排 Pump System Fundamentals 泵系统基本原理 There

4、 are a tremendous variety of fluid systems with equally varied purposes 不同流体系统所泵送的流体可用于不同的使用场合不同流体系统所泵送的流体可用于不同的使用场合 The pumped fluid supports another product 所泵送的流体被用作其它产品的介质 Heat removal or addition Power generation 散热或供热散热或供热 发电发电 The pumped fluid is the product 所泵送的流体即是产品本身 Oil transport Potable

5、 water 油输送油输送 饮用水饮用水 Think of the system requirements, or ultimate goal of the system, as a consumer 作为用户，需要考虑系统的各种要求,或系统的最终目标 供电馈线供电馈线 变压器变压器 电机断路器电机断路器/ /启动器启动器 无极变速传动装置无极变速传动装置 ( (电动电动) ) 电机电机联轴节联轴节泵泵 系统系统 流体流体 最终最终 目标目标 The electric utility is the source for the supply of energy used by the cons

6、umer. But there are middle- men all along the supply chain. Some almost always give a good deal, but others can be deceptive if you dont keep a close eye on them. 用户所使用的能量供应来自公用电力用户所使用的能量供应来自公用电力 事业设施。但是供应链上存在许多中事业设施。但是供应链上存在许多中 间环节。其中一些环节非常有利，但间环节。其中一些环节非常有利，但 是其它环节带有欺骗性，必须予以密是其它环节带有欺骗性，必须予以密 切关注。切

7、关注。 An important consideration: System requirements may vary with time 非常重要的考虑：系统要求可能随时间而变化 Seasonal loads (chilled water, associated tower water, etc). 季节性负载 (冷却水, 相关水塔等). Processes that are shut down overnight or during weekends 在晚间或周末需要停车的工艺设备。 Potable and waste water 生活饮用水及废水。 EXAMPLES 例如 Annual

8、 flow fluctuation example 年流量波动实例 Average flow rate 平均流量平均流量 Calendar month月份月份 12345678910 11 12 We can sort the months by flow rate 我们可以通过流量变化对月份进行分类排列 87695104311 1221 Average flow rate 平均流量平均流量 Calendar month月份月份 Daily flow fluctuation example 日流量波动实例 Time时间时间 Flow rate 流量流量 12 am 6 am 12 pm 6 p

9、m 12 am The fluid system - it provides a means of directing and controlling flow, but at a price 流体系统流体系统 流量与压力的关系流量与压力的关系 Pressure压力压力 System curve“ “系统特性曲线系统特性曲线 Flow rate流量流量 Guess who pays the system price - the pump (but it just passes the cost along.) 猜想由谁支付系统价格 泵泵(但是只需要将成本传递到.) Pump curve“ 泵特

10、性曲线泵特性曲线 Flow rate流量流量 Pressure压力压力 The pump and system only transact business one point at a time 泵及系统只在某一时间的一交点处运转工作 Pump curve“ 泵特性曲线泵特性曲线 System curve“ “系统特性曲线系统特性曲线 Operating Point 运转工作点运转工作点 Flow rate流量流量 Pressure压力压力 The motor, yet another middle man, passes the cost along to the power supply

11、 电机, 还有其它中间环节，可以将成本传递到供电上 Flow rate流量流量 Power功率功率 Shaft power 轴功率轴功率 Pump fluid power 泵流体功率泵流体功率 Electric power 电功率电功率 Motor efficiencies are essentially constant over much of the motor load range 电机效率在大部分电机负载范围内都是恒定不变的 100 95 90 85 80 75 70 Efficiency, % 效率效率, % 1009080706050403020100 Load, % rated

12、 负载负载, % 额定负荷额定负荷 100 hp 100 马力马力 10 hp 10 马力马力 The adjustable speed drive, when present, can have an impact on the nature of several elements 供电馈线供电馈线 变压器变压器 电机断路器电机断路器/启动器启动器 无极变速无极变速 传动装置传动装置 (电动电动) 电机电机联轴节联轴节泵泵 流体流体 系统系统 最终目标最终目标 如果采用无极变速传动如果采用无极变速传动, , 将对系统的许多构成环节的将对系统的许多构成环节的 性质产生影响性质产生影响 Comb

13、ined motor and drive efficiency: Centrifugal load simulation 电机及驱动装置的联合效率（模拟离心负载） 88 84 80 76 72 Combined efficiency, % 联合效率联合效率, % 1009080706050 Speed, % rated速度速度, % 额定速度额定速度 Average 平均效率平均效率 Best 最佳效率最佳效率 Worst最差效率最差效率 Note: Used 50-hp (38 kW), 2-pole, standard efficiency motor 注：采用 50-马力 (38 kW)

14、, 2-极, 标准效率的电机 Fluids and fluid systems are a lot like people. 流体及流体系统更有与人相似之处. They depend on an external power source to get them started and keep them moving 流体系统利用外部能源启动并使流体移动。 They are happiest when there are few twists, turns, sudden stops and starts 流体及流体系统内部需要有非常少的曲折、回转、突 然停止和启动。 They are af

15、fected by where theyve been, where they are, and where theyre going 流体及流体系统受其过去、现在和将来所处地点影响。 They need some boundaries to be effective, but if the boundaries are too tight, there will be friction (does anyone have a teenager?) 流体必须受到某种程度的约束限制，但是如果限制太严厉 ，将出现流体动力摩擦 (如同每个人处于十几岁青少年阶 段的状态，哪个人没从该年龄段经过呢?)。

16、 Pumping system optimization concepts 泵抽送系统优化概念 Properly size systems to meet current needs 正确配置系统规模以满足当前要求。 Avoid unnecessary friction losses 防止不必要的流体动力摩擦损失。 Balance operation with actual needs 按照实际需要平衡运行。 It is important to properly maintain systems 正确对系统进行维修保养。 Pumping system optimization concept

17、s 泵抽送系统优化概念 Look for opportunities to reduce speed 寻找降低速度的可能性。 Limit throttled flow control and bypass flow 对系统内节流控制和旁流进行限制。 Apply speed control devices, such as variable frequency drives (VFDs), with caution 采用速度控制装置, 诸如变频驱动 (VFD)。 Consider multiple pumps for periodic peak demands 考虑采用多级泵配置以满足周期性峰值

18、的要求。 - Prescreening motor systems - Finding the easier road to greater savings - - 预先筛查电机系统预先筛查电机系统 - - 发现更能够节约成本的更容易的途径发现更能够节约成本的更容易的途径 Primary prescreening: The first priority is to use common sense 主要筛查内容：可以优先采用经验常识进行筛查 Turn the equipment off if it isnt needed 如果不需要，关掉该设备。 Focus on the large equi

19、pment that runs a lot 重点关注经常运行的大型设备。 Secondary prescreening: . 辅助筛查内容: . There are two different methods that can be used in secondary prescreening: 辅助筛查可以采用两种不同的方法进行: Looking at Symptoms 查看征兆 Analysis of the System 对系统进行分析 and/or 和/或 SYMPTOMS: Looking therefore P2 is less than P1 V2 大于大于 V1 ; 因此因此

20、P2 小于小于 P1 Now for an extremely important feature to understand: System performance curves 至此需要理解的非常重要的特性是: 系统性能曲线 System curves are made up of two fundamental components - the static head and the frictional head 系统特性曲线包括两部分系统特性曲线包括两部分 - - 静压头及流体动力摩擦损失压头静压头及流体动力摩擦损失压头 30 25 20 15 10 5 0 Head, m 压头压头

21、, 米米 10008006004002000 Static/ Fixed 流体静力流体静力/ 固定系统固定系统 Friction 流体动力摩擦系统流体动力摩擦系统 Total 合计合计 Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3 /小时小时 Illustration of two system types 两个系统类型的图解说明 Mostly static head 主要静压头主要静压头 All frictional head 只有流体只有流体 动力摩擦动力摩擦 损失压头损失压头 Some system examples 系统实例系统实例 Static head dominate

22、d systems include: 静压头起决定性作用的系统包括静压头起决定性作用的系统包括: Cooling tower pump systems 冷却塔泵送系统冷却塔泵送系统 Influent pump systems at waste treatment plants 污水处理装置的注水泵系统。污水处理装置的注水泵系统。 Mostly/completely frictional systems include: 大部分大部分/全部为流体动力摩擦系统包括全部为流体动力摩擦系统包括: Closed cycle cooling water systems 封闭式循环冷却水系统封闭式循环冷却水

23、系统 Return activated sludge pump systems at waste treatment plants 在污水处理装置回收淤浆泵系统在污水处理装置回收淤浆泵系统 First let us look at systems that have only static head (i.e., no friction) - like the example where we pumped water from one tank to another 首先了解只具有静压头(也就是说无流体动 力摩擦) 的系统 类似于将水从一个储水池泵送到另外一个 储水池的例子。 The sta

24、tic head component does not change with flow rate - three static head curves 静压头不随流量变化 三条静压头特性曲线 30 25 20 15 10 5 0 Head, m 压头压头, 米米 10008006004002000 Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3/小时 小时 Since hydraulic power is proportional to flow rate times head, the ideal power required increases linearly with fl

25、ow 由于流体功率与流量和压头成比例，所以由于流体功率与流量和压头成比例，所以 所要求的理想功率水流量线性的增加。所要求的理想功率水流量线性的增加。 70 60 50 40 30 20 10 0 Fluid power, kW 流体功率流体功率, 千瓦千瓦 10008006004002000 15 m 20 m 25 m Flow rate, m 3/hr 流量流量, 米米 3/小时 小时 But what about reality? 但是实际情况怎么样呢但是实际情况怎么样呢? In the real world, friction exists (both within the fluid

26、 itself and between the fluid and pipe walls). 在自然界当中在自然界当中, 存在流体动力摩擦存在流体动力摩擦 (既存在流体本身既存在流体本身 内部，也存在于流体与管道壁内部，也存在于流体与管道壁 之间之间). So how much does friction cause the real world to deviate from the relationships of the Bernoulli principle? 因此因此流体动力摩擦使实际情况与伯努利原理关系流体动力摩擦使实际情况与伯努利原理关系偏偏 离到何种程度？离到何种程度？ It

27、depends. Sometimes a little, sometimes a lot. 在实际系统当中，流体动力摩擦的影响有时非常小在实际系统当中，流体动力摩擦的影响有时非常小 ，有时非常大，有时非常大 We can slightly modify the Bernoulli equation to account for friction: 我们可以轻微修改伯努利方程式来计算流体动力摩擦我们可以轻微修改伯努利方程式来计算流体动力摩擦: 1 2 + + Z1 = V12 P1 2g g () + + Z2 V22 P2 2g g () Hydraulic energy at point 2

28、 is lower at point 1 because of the friction loss, so we balance the equation by adding it here 由于流体动力摩擦损 失，在点2的流体动 力能量低于点1的流 体动力能量，因此我 们在这里增加该项来 平衡此方程式。 + hf What are some sources of friction in pumping systems? 在泵抽送系统当中什么是产生流体动力摩擦的根源在泵抽送系统当中什么是产生流体动力摩擦的根源? Pipe walls管道内壁管道内壁 Valves阀门阀门 Elbows弯头弯头

29、Tees三通三通 Reducers/expanders变径接头变径接头 Expansion joints膨胀节膨胀节 Tank inlets/outlets容器进口容器进口/出口出口 (In other words, almost everything that the pumped fluid passes through, as well as the fluid itself) (换句话说，几乎所泵送流体经过的所有物体，以及流换句话说，几乎所泵送流体经过的所有物体，以及流 体本身都是产生流体动力摩擦的根源体本身都是产生流体动力摩擦的根源)。 First, we will discuss

30、friction loss considerations in piping itself 讨论管道系统本身所造讨论管道系统本身所造 成的流体动力摩擦损失成的流体动力摩擦损失 Pipe friction loss estimates are usually based on an equation referred to as Darcy-Weisbach 管道流体动力摩擦损失的评估管道流体动力摩擦损失的评估 通常根据达西通常根据达西-威斯巴克方程式确定威斯巴克方程式确定 This equation is very useful in understanding which parameter

31、s influence friction losses in piping: 对于理解影响管道流体动力摩擦损失 的参数，下面的该方 程式是非常有用的。 hf =pressure drop due to friction (ft) f=Darcy friction factor L=pipe length (ft) d=pipe diameter (ft) =velocity head (ft) hf = f L d V2 2g V2 2g hf =由于流体动力摩擦 (英尺)产生的压力降 f=达西流体动力摩擦系数 L=管道长度 (英尺) d=管道直径 (英尺) =流量压头 (英尺) V2 2g

32、The friction factor is what could be called a fudge factor that accounts for a variety of effects 流体动力摩擦系数被称为插入系数用来计算各种影响因素 f hf = V2 2g L d The friction factor, f, is affected by: the roughness of the piping, the viscosity of the fluid being pumped, the size of the piping, and the velocity of the f

33、luid f f 流体动力摩擦系数f 受如下因素影响： 管道的粗糙程度。 所泵送流体的粘度。 管道的尺寸规格。 以及流体的流动速度。 Now we will discuss piping components and their effect on frictional losses 管道部件部件及其对 流体动力摩擦损失的影响 Piping component friction losses are also primarily dependent on experimental data 管道部件的流体动力摩擦损失也主要取决于实验数据 For pipe components, frictio

34、n losses have generally been estimated based on the velocity head. 对于管道部件对于管道部件, 流体动力摩擦损失通常根据流量压头进行评估流体动力摩擦损失通常根据流量压头进行评估 。 hf = K V2 2g K = Loss coefficient 损失系数损失系数 = velocity head 流量压头流量压头 K is a function of size, and for valves, the valve type, and valve % open. K 是尺寸的函数是尺寸的函数, 取决于阀门取决于阀门, 阀门类型阀

35、门类型, 及阀门开及阀门开 度占全开位置的百分比。度占全开位置的百分比。 V2 2g Some typical K values for miscellaneous pipe components: 用于各种管道部件的一些典型K值: Component Component K 管道部件管道部件 管道部件管道部件K值值 90 elbow, standard 90 标准弯头标准弯头 0.2 - 0.3 90 elbow, long radius 90 长径弯头长径弯头 1.3 times that of Pump 5 在在200 米米3/小时的泵小时的泵1 效率效率 泵泵5 效率的效率的1.3倍倍

36、 米米 3/千瓦时 千瓦时 Multiple parallel pumps are very common; they provide flexibility and redundancy 多台并行泵非常普遍，可以保证装置的灵活性和冗余多台并行泵非常普遍，可以保证装置的灵活性和冗余 They are ideal for systems that are dominated by static head 是静压头起决定作用的系统的理想配置选择是静压头起决定作用的系统的理想配置选择 。 The redundancy is a key feature that allows systems to withstand a single failure 冗余是这种装置的一个非常重要的特点，使冗余是这种装置的一个非常重要的特点，使 系统能够不受单一故障的影响。系统能够不受单一故障的影响。 But be sure to turn it off when it is not needed! 但是一定要保证在不需要时将其关闭。但是一定要保证在不需要时将其关闭。 The effect