泵系統(tǒng)節(jié)能新理念引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

    傳統(tǒng)節(jié)能是指通過提升設(shè)備能效來達(dá)到減少能源投入的目的，同時(shí)也節(jié)約了能源費(fèi)用或成本。

    從事泵設(shè)計(jì)的工程師都明白泵的效率與汽蝕余量是泵的兩大關(guān)鍵指標(biāo)，泵的效率直接影響能源消耗，而泵的汽蝕余量則對泵的介質(zhì)能否被正常吸入或泵能否正常工作有很大的影響。對于相同的裝置要求，泵的效率越高，在相同的時(shí)間內(nèi)消耗的能源就越少；泵的汽蝕余量值越小，說明泵的汽蝕性能越好，即泵越不易發(fā)生汽蝕。

泵系統(tǒng)節(jié)能新理念引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

    然而，對于動(dòng)力式泵的水力設(shè)計(jì)而言，效率與汽蝕性能很難同時(shí)兼顧，效率要設(shè)計(jì)的足夠高，汽蝕性能就比較差；要獲得較高的汽蝕性能，往往就很難保證泵的效率。

    那么，對于節(jié)能指標(biāo)，效率最高是不是最節(jié)能呢？這就涉及一個(gè)泵節(jié)能新理念—泵系統(tǒng)節(jié)能。

    泵系統(tǒng)節(jié)能是從系統(tǒng)的角度全面地衡量和評價(jià)節(jié)能效果，它不僅要求泵和電機(jī)（或其它原動(dòng)機(jī)）有較高的效率，而且要求包括管路、閥門、變頻器等在內(nèi)的系統(tǒng)裝置及控制元件有較小的能耗，同時(shí)要求泵與系統(tǒng)裝置能很好的匹配，使泵工作在最優(yōu)工作區(qū)。

    例如，一個(gè)泵系統(tǒng)可以由以下要素構(gòu)成：泵、電機(jī)、閥門、管路（含直管、彎管、變徑管、管接頭等）、變頻器（包含在控制柜中）。泵系統(tǒng)節(jié)能是從系統(tǒng)的角度全面地衡量和評價(jià)節(jié)能效果，要求系統(tǒng)具有較高的效率，使泵工作在最優(yōu)工作區(qū)。其中，泵、電機(jī)、變頻器都是能耗設(shè)備，閥門、管路（含直管、彎管、變徑管、管接頭等）等屬于消耗能源的阻力元件。

    泵壽命周期成本（LCC，Life Cycle Cost）是考核泵節(jié)能的一個(gè)重要指標(biāo)，泵及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是泵系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵和前提。研究泵系統(tǒng)節(jié)能之前，首先要研究泵的壽命周期成本。判斷泵系統(tǒng)節(jié)能是以在泵的額定壽命周期內(nèi)泵系統(tǒng)的壽命周期成本最低為最節(jié)能。

    壽命周期成本的概念源于美國軍方。1947年，美國軍方發(fā)現(xiàn)用傳統(tǒng)的一最低價(jià)格為標(biāo)準(zhǔn)來采購或研發(fā)制造武器的方式，在操作維護(hù)與后勤維持費(fèi)用上，往往超過預(yù)期其費(fèi)用很多，其主要原因是在武器獲得階段僅僅注重于應(yīng)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而忽略了對維持階段費(fèi)用的考核。于是美軍開始重視壽命周期成本的分析與研究。鑒于壽命周期成本的研究有很好的應(yīng)用前景，于是世界各國都紛紛開始研究。

    縱覽全球，在節(jié)能方面做得比較成功的國家有德國、日本、英國、美國等，特別是日本和德國，在二次世界大戰(zhàn)之后建成了世界上最發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，在工業(yè)節(jié)能方面取得了令人矚目的成就。

    從節(jié)能范圍來看，泵系統(tǒng)節(jié)能從系統(tǒng)的角度全面地衡量和評價(jià)節(jié)能效果，要考核包括泵、電機(jī)、變頻器等設(shè)備以及閥門、管路等阻力元件的能耗或損失。從泵的壽命周期成本來看，泵壽命周期成本包括研發(fā)成本、生產(chǎn)制造成本、運(yùn)行維持成本（主要是能耗成本）、維護(hù)保養(yǎng)成本等。 產(chǎn)品在產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造、樣機(jī)檢驗(yàn)試驗(yàn)、產(chǎn)品鑒定過程中產(chǎn)生的費(fèi)用屬于研發(fā)成本。在原材料采購、生產(chǎn)加工、裝配調(diào)試、工廠試驗(yàn)以及包裝等過程所產(chǎn)生的費(fèi)用屬于生產(chǎn)制造成本。產(chǎn)品在運(yùn)行過程中的能耗（電動(dòng)泵所消耗的電能、柴油機(jī)泵所消耗的燃油等）、冷卻或保溫介質(zhì)等的成本屬于運(yùn)行維持成本。泵在維護(hù)過程中所產(chǎn)生的維修費(fèi)以及備件（易損件）的成本屬于維護(hù)保養(yǎng)成本。同理，泵系統(tǒng)節(jié)能與泵系統(tǒng)壽命周期成本的關(guān)系亦是如此，泵系統(tǒng)壽命周期成本還包括基建成本等。

    由此，上面有關(guān)泵的節(jié)能問題涉及到泵的能效與汽蝕性能兩大方面（當(dāng)然也與泵的可靠性、安全性等因素有關(guān)，這里主要討論兩個(gè)主要的因素）。泵的能效決定了能源成本的高低，泵的效率越高，泵消耗的能源（電力或燃料等）也就越少，能源成本就越低；一方面，泵的汽蝕性能影響基建成本和維護(hù)成本，泵的汽蝕余量值越小，汽蝕性能就越好，在相同情況下，泵的安裝位置就可以高一些，地下室泵房的深度可以小一些，這樣無形中節(jié)約了基建成本。兩一方面，汽蝕性能好的泵在運(yùn)行過程中，就不會因?yàn)槠g損壞泵的葉輪而增加新的備件成本，也不會因?yàn)檎駝?dòng)、噪聲等故障引起停機(jī)，產(chǎn)生更多的維護(hù)成本。

    以下舉例說明泵的能效與汽蝕性能對泵節(jié)能的影響。

    以流量Q=560m3/h，H=28.5m，效率η=85%，NPSHr=5.6m 的泵為例，如果其效率η增加3個(gè)百分點(diǎn)（3%），必需汽蝕余量NPSHr減小1.1m時(shí)，其節(jié)能與成本的影響如何呢？此時(shí)，效率η=88%，NPSHr=4.5m，假設(shè)考核的地下室泵房的面積為300m2，以泵的數(shù)量為5臺且介質(zhì)為水來考核。

    首先分析一下能效的影響，效率提升后，泵的軸功率減小量為：

    1*9.81*（560/3600）*28.5/0.85 - 1*9.81*（560/3600）*28.5/0.88 = 1.74kW

    則5臺泵年節(jié)約電能為：5*1.74*24*365/0.95 = 80223度

    年節(jié)約電費(fèi)：80223*1.0=80223元 = 8.0223萬元

    接下來分析一下汽蝕余量的變化對基建成本的影響，泵的必需汽蝕余量減小1m后，泵的幾何吸入高度可增加1m，從而泵房的下沉深度可減小1m，建筑的基坑可能由深基坑變?yōu)槠胀壙樱@樣基坑的防護(hù)費(fèi)用可節(jié)省1500～2000元/m2，其它建筑成本可節(jié)省1000～1500元/m2，可節(jié)約費(fèi)用合計(jì)2500～3500元/m2，總的基建成本可節(jié)約 75萬元～105萬元（按300m考慮）。

    但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式注定了效率和汽蝕性能不可能同時(shí)提升，總會一升一降，上面估算的兩種費(fèi)用也會一升一降，如何平衡二者就需核算泵的壽命周期成本，以壽命周期成本最低為原則。

    關(guān)于效率和汽蝕性能之間的協(xié)調(diào)有沒有更好的思路呢？本文作者近期走訪了長沙中聯(lián)泵業(yè)股份有限公司，該公司開發(fā)了一款中開式雙吸泵，其泵體與葉輪的水力設(shè)計(jì)避開一般情況下兼顧效率與汽蝕性能的思路，而是追求效率最大化的原則，達(dá)到預(yù)期效果后，再在葉輪兩個(gè)吸入口均配設(shè)一個(gè)高汽蝕性能的誘導(dǎo)輪，極大地提升了汽蝕性能，這種設(shè)計(jì)理念巧妙地實(shí)現(xiàn)了能效與汽蝕性能的和諧統(tǒng)一。該產(chǎn)品目前已通過有效運(yùn)營獲得了市場認(rèn)可，并且于近期取得國家知識產(chǎn)權(quán)局專利授權(quán)。

    科技創(chuàng)新是國民經(jīng)濟(jì)的主旋律，是當(dāng)今社會經(jīng)久不衰的話題，技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)企業(yè)持續(xù)發(fā)展的源動(dòng)力，企業(yè)只有通過不斷地創(chuàng)新，才能提升在國際環(huán)境中的競爭力。相信在不遠(yuǎn)的將來，中國泵業(yè)一定會通過創(chuàng)新發(fā)展趕超國際先進(jìn)水平。(廣東省流體機(jī)械技術(shù)學(xué)會 王立)