优化泵的能源使用

鉴于美国大部分电力来自化石燃料的燃烧，任何形式的电力消耗都会导致温室气体的排放。污水处理设施在处理过程的所有环节都要用电，包括办公室，但最大的消费者是电动机驱动的泵。

污水泵安装在升降机站和处理设施的其他地方需要大量的能源来运行。由于水本质上是重的，将它泵上坡或对抗压力梯度会消耗大量的能量。

例如，内陆帝国公用事业机构在安大略省运营着一个中等规模的污水处理厂，每天850万加仑(MGD)。该设施的所有泵的总功率为1195马力，截至2001年，每年消耗约4,750,000千瓦时的电力。使用美国能源部(DOE)的数据1.345磅的CO₂每千瓦时排放的二氧化碳，在这个单一设施中，泵的运行一年排放了大约3200吨二氧化碳₂这相当于以每加仑20英里的速度行驶约700万英里。

水泵的主要工作是提升和输送水，而消耗的大部分能量都用于此。但是，泵也浪费了大量的能量来克服电机和泵机构内部的摩擦和振动力，以及水通过泵和管道时的湍流和摩擦。

泵的线-水效率描述了泵专门用于输送水的能量，与浪费在克服摩擦、振动和湍流上的能量相比。随着效率的提高，更多施加在水泵上的能量被转移到流动的水中。因此，通过提高泵的效率，做同样数量的工作需要更少的能源，减少温室气体排放和能源成本。

举个例子，上文提到的位于加州安大略省的污水处理厂是加州能源委员会和美国能源部联合研究的一部分。通过对工厂的19台水泵进行能源效率研究，工厂的操作人员发现，在维修最频繁的水泵中，只有3台具有良好的线-水效率，接近70%。其他所有设备的效率都在47%到60%之间。

在更换了包括涡流离合器和旧电机在内的磨损部件后，该工厂每年的能耗减少了约10%，即47.5万千瓦时，节省的电费足以在两年内偿还维修费用，每年减少约320吨温室气体排放。

这个例子并不是唯一的。美国能源部的研究表明，提高泵的效率实际上可以节省废水泵送过程中消耗的总能源的20%。一些案例研究也普遍支持这一说法，包括德克萨斯州奥斯汀奥斯汀能源公司的效率研究和改造，该公司的战略升级每年节省43,000吨二氧化碳排放和120万美元的泵冷却水能源成本。华盛顿州瓦卢拉的博伊西纸业的另一个研究和升级项目每年节省了约330吨的二氧化碳排放和17,500美元的能源成本。

泵为什么会降低效率?

下表列出了通常在各种组合中发生的效率损失的典型原因。它们可分为两类:机械退化和无效操作。

机械退化，如磨损环的减少、叶轮间隙的损失或堆积造成的磨损加剧，需要持续的泵和设备维护来纠正并确保最大效率。也许减少磨损影响的最关键是保持内部磨损环间隙以及叶轮和套管水路的平滑度。保持最高效率意味着将泵和所有系统部件保持在几乎全新的状态。

泵的无效运行可能是由于泵的尺寸过大，选择和使用不当，在节流条件下运行以补偿尺寸过大，系统流量和压力管理不当，泵系统有旁通流，在产生超压时使用多个泵系统，使用高系统压力代替增压泵，或者改变初始设计条件，例如交叉连接，平行主线。或改变管径或材料。

评估需要数据

解决泵效率问题需要双管齐下的方法。首先涉及到物理变化，或泵的选择和维护问题。这包括为每种应用选择正确的泵类型和尺寸，并使其处于最佳运行状态。第二个问题涉及更微妙的控制和监控问题。

泵的维护在其他地方已经得到了广泛的处理，所以我们将集中在基本的选择、控制和监测问题上。当开始一个效率评估项目时，最令人生畏的问题之一是一个简单的问题:从哪里开始?当面对水泵、提升站、管道和其他与废水处理相关的收集和处理设施的复杂网络时，回答这个问题成为一个关键问题。

在污水处理设施中，通常有几个单独的泵或泵站以较高或相对较高的效率运行，而其余的-有时只有少数-以低效率或极低效率运行。这导致整个设备的电力消耗过剩，并提出了如何识别有问题的组件的问题。如果没有设施中每个泵站或泵的性能数据，几乎不可能做出成本效益或时间有效的维护或更换决策。

评估给定泵的性能需要大量的历史数据，包括流量、水量、耗电量、运行时间和其他有助于确定效率问题区域的变量。如果没有这些信息，未来就不可能选择最有效的泵和泵的配置。

在持续的基础上填写数据和监控系统需要一个基本的处理工业通用的仪器包。例如，如果对流量和能耗等参数进行持续监测，则可以提供进行基本效率计算和识别问题设备所需的数据。随着时间的推移，通过持续的泵和泵站监测收集的数据可以用来选择和配置更换硬件。

幸运的是，流量和效率监测技术的进步可以大大简化监测过程。例如，泵站管理器软件包现在包括许多内置功能，包括日志水平、压力、能源使用、流量和系统效率数据。这些系统应该与更大的分布式控制和数据采集系统接口，以支持全面的报告和实时数据，使操作人员能够在短期和长期的基础上优化网络。配置良好的系统还可以包括基于操作水平选择和使用最有效泵的算法。

虽然监控仪器和泵站管理人员需要预先投资，但生命周期研究表明，对于污水泵和提升站，提高效率的设备资本成本很快就会被节能所抵消。例如，“离心泵效率损失的原因”图表显示，将单个100马力泵的效率提高20%，每年可节省145,000千瓦时的电力，成本为11,600美元，二氧化碳排放量为98吨₂当量温室气体排放量。这些数字不言自明:投资提高水泵效率可以减少温室气体排放，节省资金。ce

源:控制工程信息来自麦克纳利研究所和RSE咨询公司。
•空化	•磨损环退化
•水锤	•以临界速度运行
•压力波动	•增加内部再循环
•异物	•叶轮间隙不足
叶轮不平衡或磨损	•内部泵通道被侵蚀或腐蚀
•弯曲轴	•过度润滑或过载轴承
•谐波振动	•积聚物可能会摩擦机械密封
•管道或泵堵塞	叶轮和套管磨损导致间隙增大
•硬件松动	•填料过度紧固或密封安装不当
•使用旋涡泵	•与部件摩擦的固体，尤其是密封件
•叶轮的形状	•离泵的最佳效率点太远
•每小时、每天或每月流量/压力的增加/减少管理不当

	每千瓦时6美分	每千瓦时8美分	每千瓦时10美分	每千瓦时12美分
来源:控制工程数据来自美国能源部和RSE咨询公司。
100马力泵
度要求	726000年	726000年	726000年	726000年
电力成本	43600美元	58000美元	72600美元	87120美元
温室气体排放量	488	488	488	488
100马力的泵，效率提高20%
千瓦时	580800年	580800年	580800年	580800年
电力成本	34880美元	46400美元	58080美元	69696美元
温室气体排放量	391	391	391	391
节省20%的效率提高
千瓦时	145200年	145200年	145200年	145200年
电力成本	8720美元	11600美元	14520美元	17424美元
温室气体排放量	98	98	98	98

作者信息

Robert Eckard是RSE咨询公司的负责人。打电话给他。rseconsulting@gmail.com．

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