這些年，當(dāng)我們翻開(kāi)雜志，點(diǎn)擊網(wǎng)站，參觀展會(huì)，或者是傾聽(tīng)銷售人員的介紹時(shí)，如果此產(chǎn)品、彼設(shè)計(jì)或者他手段沒(méi)有提及如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能，會(huì)顯得不太尋常。政府機(jī)構(gòu)正在介入，他們倡導(dǎo)、獎(jiǎng)勵(lì)或者懲罰與能耗有關(guān)的行為。社會(huì)也予以支持，因?yàn)閷?duì)能源的關(guān)注是全球性的。

泵制造商及其用戶尤其在乎與能源相關(guān)問(wèn)題�！妒澜绫脴I(yè)》（World Pumps）雜志去年9月刊中的一篇報(bào)告稱，工業(yè)領(lǐng)域的能耗占全美總能耗的比例高達(dá)33%，而其中，泵系統(tǒng)的能耗占工業(yè)比重的27~33%。雖然這些數(shù)據(jù)在全世界范圍內(nèi)會(huì)有差別，但其中反映的現(xiàn)象并非美國(guó)所獨(dú)有。

可見(jiàn)，泵和系統(tǒng)提供商不遺余力地投入其產(chǎn)品能效的提升且對(duì)這些舉措進(jìn)行大力宣傳就不足為奇了。這些積聚的效應(yīng)持續(xù)推動(dòng)“節(jié)能”主張的空前膨脹，給客戶帶來(lái)了一絲困惑。

變頻驅(qū)動(dòng)的發(fā)展

過(guò)去十年間，眾多技術(shù)推動(dòng)泵的系統(tǒng)能耗不斷降低，而其中更為出眾的則是體積更小，成本更低廉且效率更高的變頻驅(qū)動(dòng)（VSD）的開(kāi)發(fā)和利用。區(qū)別于經(jīng)由一個(gè)旁通閥門(mén)或使用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出，變頻驅(qū)動(dòng)通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制系統(tǒng)流量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵在接近系統(tǒng)流量和壓力需求出現(xiàn)波動(dòng)的工況時(shí)的控制，從而避免了可觀的能源損耗。

電機(jī)的相對(duì)效率也必須被納入考慮的范疇，泵就其類型而言在控制難易程度上也存在差異。但在任何情況下，無(wú)論電機(jī)性能如何卓越，控制系統(tǒng)有多先進(jìn)，有兩項(xiàng)基本要素將直接影響泵運(yùn)營(yíng)的原始能耗支出，即泵自身在所需壓力下的效率和在給定應(yīng)用中，由于泵件磨損而造成性能下降的程度和速率。這些要素根據(jù)所使用的泵的類型不同而存在廣泛差異，且對(duì)一定時(shí)間內(nèi)所測(cè)得能耗支出有著顯著的影響。

基本效率

第一個(gè)因素是基于前BASF泵設(shè)備主管Hennecke博士在2006年發(fā)表的一項(xiàng)有關(guān)生命周期成本比較結(jié)果的報(bào)告計(jì)算得出的。他挑選了過(guò)程行業(yè)中具有代表性的5類泵，對(duì)其生命周期成本（LCC）進(jìn)行了調(diào)研。Hennecke是LCC概念的主要支持者，（他還參與了歐洲泵業(yè)聯(lián)盟-Europump和水利學(xué)會(huì)- Hydraulic Institute合辦刊物的編輯工作），同時(shí)他也是德國(guó)化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)泵工作組（Pump Working Group of the VCI）的成員，這一切有利于他完全基于由5家生產(chǎn)商各自提供的數(shù)據(jù)展開(kāi)研究，而每一家被選中的廠商都是制造某一特定類型的泵的行業(yè)領(lǐng)袖。

被挑選的泵包括離心泵、側(cè)通道泵、蠕動(dòng)泵、隔膜活塞泵、以及Hydra-Cell泵，各自在總體設(shè)計(jì)上區(qū)別于其他類型的泵。

衡量生命周期成本

圖1.各類型的泵在5巴壓力、1.4立方米/小時(shí)輸送能力下的生命周期成本（LCC）比較。（來(lái)源：F-W Hennecke）

 生命周期成本被定義為泵的實(shí)際采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本, 必須涵蓋從產(chǎn)品購(gòu)入到報(bào)廢時(shí)間段內(nèi)的每一個(gè)元素，不過(guò)在對(duì)各類型泵進(jìn)行總體比較時(shí)，可將部分次要的因素排除在外，做到普遍適用于所有類型或單獨(dú)針對(duì)某些場(chǎng)合。此次調(diào)研的核心要素包括采購(gòu)成本，維護(hù)維修成本和能耗成本。

Hennecke對(duì)每個(gè)類型的泵都引入了操作參數(shù)以達(dá)到特定的流量（1 立方米/小時(shí)至 8 立方米/小時(shí)）和預(yù)設(shè)的工作循環(huán)時(shí)間（4000 小時(shí)/年）。每次測(cè)量中，會(huì)在5至100巴這一特定的壓力范圍內(nèi)計(jì)算LCC。對(duì)于更高壓力的應(yīng)用，Hennecke博士只考慮了隔膜活塞式泵和Hydra-Cell泵，雖然兩者存在顯著差異，但可大致被歸為往復(fù)式容積泵的類別。

而此調(diào)研中所涉及到的其他類型的泵無(wú)法在高于10巴的壓力下有效運(yùn)行。他還指出，實(shí)際上不是所有類型的泵都適用于全部應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于調(diào)研的目的，諸如溫度、固體物含量、危險(xiǎn)性液體和泵流體脈動(dòng)等局限性因素都被排除在外。

圖1采用柱狀圖比較了這些泵在50米壓頭（5巴）和1.4立方米/ 小時(shí)流量下的LCC值。圖2示意的是對(duì)各種類型泵在4.2立方米/小時(shí)流量時(shí)所獲取的總體LCC值。

圖2.各類型的泵在不同壓力下以4.2立方米/小時(shí)泵送的生命周期成本（LCC）比較。（來(lái)源：F-W Hennecke）

Hennecke的能源成本調(diào)研基于制造商的泵的技術(shù)規(guī)格參數(shù)，與特定操作等級(jí)的電力需求相關(guān)。因此所反映的是泵的效率。從中可以發(fā)現(xiàn)，在較低的壓力和流量下，離心泵、側(cè)通道泵和Hydra-Cell泵大體相近，雖然后者在機(jī)械效率上有一定的優(yōu)勢(shì)。這是通過(guò)Hennecke在一樣低的壓力和較高的流量的計(jì)算結(jié)果中揭示的。不過(guò)對(duì)于所有的流量來(lái)說(shuō)，在較高壓力下工作的效果是拉大能耗支出的差距。

研究證實(shí)了一項(xiàng)重要的原則：也就是說(shuō)，泵所有者的生命周期成本，以及其中的能源成本，因所采用的泵的類型不同而存在著顯著差異。這條原則在比以往任何時(shí)候都更加關(guān)注能源因素的2010年仍然同樣適用。

泵的比較

廣義上說(shuō)，容積泵相比離心泵具有更高的效率級(jí)別。此外，容積式泵的應(yīng)用更加靈活，相對(duì)而言不受液體粘度或操作壓力的影響（如圖3所示）。典型的離心泵效率曲線說(shuō)明：若要限制能耗，需要避免將工作點(diǎn)向左或向右偏離，將工作點(diǎn)限定在曲線中間的部分是十分重要的。而在現(xiàn)實(shí)中卻難以實(shí)現(xiàn)。

Henneke關(guān)注LCC（不僅僅是能耗支出），在他的選擇的對(duì)象中忽略了幾種或多或少可能表現(xiàn)出高能效的不類型的容積式工業(yè)泵，如活塞/柱塞泵、齒輪泵、雙螺桿泵和單螺桿泵等。不過(guò)在高于30~40巴的壓力下，高效泵和其他泵的電力需求差別就非常明顯了（如表1所示）。

無(wú)密封件的益處

 

圖3.對(duì)于不同類型的泵，壓力變化對(duì)效率的影響實(shí)例。

之前我們都沒(méi)有考慮到泵在運(yùn)行一段時(shí)間以后潛在的能效損失。因?yàn)楸容^都是在新的設(shè)備之間展開(kāi)，均按設(shè)備商數(shù)據(jù)表上所公布的要求供給電力，且泵送的流體總體上是潔凈的。但實(shí)際應(yīng)用工況并不總是如此。

在運(yùn)行了一段時(shí)期后，密封件和緊密嚙合的活動(dòng)件的磨損是造成性能損失最常見(jiàn)的原因。這類易損件磨損的越快，且在這種磨損狀況下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間越久，電費(fèi)賬單金額就會(huì)越高。即使?jié)崈舻睦渌�也不�?huì)是較好的密封潤(rùn)滑劑。如回收的液體、不干凈的液體、高溫的液體、腐蝕性液體、特別稀的液體或帶有磨蝕性顆粒的液體所帶來(lái)的潛在損壞都更為嚴(yán)重。

應(yīng)用因泵的類型而異，對(duì)于具有 “普遍性”的應(yīng)用要比較謹(jǐn)慎。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)（在對(duì)等的前提下），對(duì)那些不依賴于密封或緊密嚙合的金屬表面泵，受到磨損及其潛在的后果的影響就會(huì)小些。據(jù)Wanner International公司內(nèi)的檔案文件中所記錄的眾多案例可說(shuō)明：采用無(wú)密封設(shè)計(jì)的泵所帶來(lái)的持續(xù)高效可直接節(jié)能，還具有降低維修及維護(hù)成本的優(yōu)點(diǎn)。

圖4.密封失效產(chǎn)生的泄漏將降低泵效并造成能耗浪費(fèi)（Seonam 污水處理廠）。

圖5.安裝了非密封設(shè)計(jì)的Hydra-Cell 型泵后，消除了泄漏的問(wèn)題并使Seonam污水處理廠的能耗減半。

在韓國(guó)Seonam污水處理廠，工程師們?cè)趯⑿孤┑穆輻U泵替換成seal-less G25泵后獲取了雙倍的成功。雖然消毒系統(tǒng)的工作壓力只有8巴，螺桿泵無(wú)法令人滿意地應(yīng)對(duì)液體中具磨蝕性的過(guò)氧化鎂。過(guò)早的密封件磨損導(dǎo)致外漏（圖4），隨著磨損的加劇使得泵效降低，能耗浪費(fèi)也隨之加劇。自從安裝了容積泵（圖5）以來(lái)，不再發(fā)生泄漏，能源開(kāi)支降低了50%之多。

同時(shí)，一家法國(guó)的化學(xué)制品商稱其用一臺(tái)配置了11 kW電機(jī)的G25型泵替代了原有37 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵后，大大節(jié)約了能耗，這臺(tái)泵負(fù)責(zé)的是中央泵系統(tǒng)送料清洗槽和噴頭的泵送工作，介質(zhì)是“不一定清潔”的水，水溫60℃，工作壓力在66 巴。

在另一個(gè)案例中，說(shuō)的是瑞典一家工廠的活塞泵向燃燒器供給松脂原料，其他同樣類型的泵負(fù)責(zé)運(yùn)送瀝青油，這些泵每年因故障頻繁停運(yùn)達(dá)10次。此類液體的低潤(rùn)滑性和瀝青油內(nèi)含有的灰渣引起了泵的嚴(yán)重磨損，并導(dǎo)致性能的損失和最終的故障。在以較少密封件的泵取代了原有的活塞泵后，工廠每年所節(jié)省的能耗和機(jī)械故障維修費(fèi)用估計(jì)有170,000瑞典克朗（計(jì)18,000歐元）。

在德國(guó)，一家化學(xué)制品加工企業(yè)一直以來(lái)都使用55kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁離心泵將聚苯乙烯輸送入長(zhǎng)達(dá)5.8km的生產(chǎn)線。后來(lái)他們用一臺(tái)配備13.2kW電機(jī)的Hydra-Cell G35泵成功替代了原有的這臺(tái)泵。其他競(jìng)爭(zhēng)單元包括一臺(tái)具有雙面軸向密封的4級(jí)離心泵和一臺(tái)多級(jí)密封式電動(dòng)泵。G35泵不但具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且泵效也是其他同類泵的兩倍。

系統(tǒng)控制

對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，控制也不容忽視。一家大型機(jī)床制造商希望精準(zhǔn)地控制其冷卻劑的壓力和流量(20-30 巴, 10-20 升/分鐘)，這樣就可以根據(jù)不同的工具改變工況、優(yōu)化性能和能耗。本來(lái)想通過(guò)一臺(tái)由變頻器控制的離心泵來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，但若使用這種類型的泵，流量很大程度上受到排放壓力的干擾，從而會(huì)加大控制的難度和復(fù)雜度。相比之下，往復(fù)容積式泵的流量就不受排放壓力的影響，因而所有相關(guān)參數(shù)的控制都不在話下。此外，從表2可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于要求的流量和操作壓力，容積式泵可實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能。

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Hydra-Cell泵的持續(xù)高泵效（約85%）可部分通過(guò)其緊湊的設(shè)計(jì)來(lái)闡釋。與具有相當(dāng)性能的傳統(tǒng)計(jì)量泵或者大型的離心泵相比，Hydra-Cell制造上不那么復(fù)雜，且占地較小。多個(gè)水力平衡的膜片（大多數(shù)為3或5型），被集成在單個(gè)端部，依次撓曲，實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)的平穩(wěn)流動(dòng)。鑒于驅(qū)動(dòng)部件都浸沒(méi)在潤(rùn)滑劑中工作，因而由泵引起的摩擦能損失極小。

Hydra-Cell泵可應(yīng)對(duì)具有磨蝕性液體的嚴(yán)酷工況，并不會(huì)過(guò)早出現(xiàn)性能的損失。通過(guò)膜片與驅(qū)動(dòng)端隔絕，泵送液體完全處于在泵的介質(zhì)接觸端內(nèi)部。泵內(nèi)無(wú)活動(dòng)密封件，因此無(wú)密封件磨損。此外，較齒輪或葉輪泵而言，也不會(huì)出現(xiàn)嚙合面磨損的可能。泵內(nèi)閥和閥座可根據(jù)介質(zhì)選擇相匹配的耐用材料，其部件的更換可在數(shù)分鐘內(nèi)在線完成。