过度膨胀导致能源效率低下

在现代制造业所依赖的所有资源中，能源可以说是最基本的。它也是一种长期以来被视为理所当然的资源。然而，不断上涨的能源价格以及一些行业对温室气体排放的合规担忧，正越来越多地促使运营商严格评估其能源使用情况。

通过Per wikstrom, Jukka Tolvananen, Akseli Savolainen和Peter Barbosa ABB 二零零八年十一月一日

栏:
驱动器的能源效益
节约能源的动力
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在运行泵或风扇电机的总成本中，能源占最大的一部分。

在现代制造业所依赖的所有资源中，能源可以说是最基本的。它也是一种长期以来被视为理所当然的资源。然而，不断上涨的能源价格以及一些行业对温室气体排放的合规担忧，正越来越多地促使运营商严格评估其能源使用情况。

缺乏标准=效率低下

最近向美国节能经济委员会提交的一份报告引用了一项研究，该研究调查了一家领先的化学公司和该公司在最近的项目中使用的两家主要工程承包商的内部实践。这项名为“工业能源效率”的研究的重点是确定安装的泵的尺寸是否符合实际需求。结果表明，90%的泵尺寸不正确。如果在这家公司中有如此高比例的安装不匹配，那么在世界上的其他公司中有多少安装不匹配呢?

此示例应用的“真实”条件，100单位流量，需要4,000单位压力(点“a”)

在风机规格“a”上增加10%的预留量“b”，以确保最大流量安全。

Rs增加了无法满足预期操作条件的风险。因此，有三种基本方法可以通过为系统配置合适的设备来应对变化的操作条件:

如果改变的情况是永久性的，则应改变泵或风扇的尺寸以匹配负载;
可改变泵或风机转速;和/或
可以添加节流装置(如阀门、阻尼器或导叶)，尽管这是浪费能源。

在泵或风扇电机的生命周期成本中，能源成本占主导地位(参见“泵/电机的能源成本”图表)。因此，能耗是优化的最佳起点。

为什么系统会变得超大

为了补偿所有可能对系统功能产生不利影响的潜在因素，工业系统设计师通常会对系统的需求进行过度补偿。这导致许多系统的规模太大而无法开始，从而导致更高的操作和投资成本。为了说明这一点，请考虑以下流程工业应用中带有风扇的系统的案例示例。

在本例中，假设应用的“真实”条件，100单位流量，需要4,000单位压力(“风机电机应用#1”图形中的“a”点)。

为了安全考虑最大流量，传达给工程师的风机数值为110单位流量(“风机电机应用#2”图形中的“b”点)。根据假设的系统，这将需要一个容量更高的风扇(图2中绿色虚线)，可以提供110个流量单位和5000个压力单位。

在确定风扇容量时，风扇系统工程师估计这110个流量单元将导致的总压降(“风扇电机应用#3”图形中的“c”点)。计算出的压降值增加了10%(图3中的“d”点)，因为很难预测管道中假定的90度转弯数是否与估计的数量相符(安装风扇的承包商可能不得不增加转弯数来绕过其他设备)。截面越小，压降越高。因此，10%的利润率并非不合理。

那么在报价请求中最终发送了哪些数据呢?流量:在5,500单位压力下110单位(“风扇电机应用#4”图形中的“e”点)。如果最初的假设是正确的，那么现在的风扇就过大了。在100单位流量时，阻尼器上必要的额外压降必须约为2800单位(图4中的“f”点减去“g”点)。这相当于假定正确总压力的70%。然而，除了非常短的突发事件，很少需要100%的设计流程。假设大多数情况下，需要80%的流量，则挡板所需的额外节流将约为6,000个单位(图4中的“h”点减去“i”点)。这相当于假定正确总压力的150%。

本例中说明的步骤比看起来更常见。此外，在选择风扇时，必须从固定尺寸的标准范围中进行选择。因此，通常会选择下一个较大的。

本例中风扇的正确尺寸应为100×4000 = 400,000功率单位。在上述情况下，需要的风扇功率至少为60.5万(为最佳功率的150%)。用阻尼器控制来纠正这一点会导致大量的能源浪费。在80%流量点的额外损失为480,000功率单位(正确尺寸的风扇的全功率的120%)。用调速风扇代替风门控制，可以节省大部分的能量。

作者信息

文章作者:Per wikstrom, ABB瑞士;Jukka Tolvananen和Akseli Savolainen, ABB Oy传动，芬兰;Peter Barbosa, ABB公司研究，瑞士。更多信息:

驱动器的能源效益

第二章2006年世界能源展望(由国际能源署出版)指出:“2004年至2030年间，全球一次能源预计将增长53%，平均每年增长1.6%。其中70%以上来自发展中国家。”

鉴于这种全球增长的趋势，如何实现减排目标，无论其来源如何?

在世界各地的多个安装中，ABB已经使用了驱动器的应用，以节省大量的能源成本。例如，在科罗拉多州的码垛厂使用带有风扇的驱动器节省了35%，即2,423,750千瓦时。同样，在台湾的一家金属工厂中，使用带有增压泵的驱动器，通过减少使用3,030,720千瓦时，每年节省了61%的能源成本(见下表)。根据ABB的数据，按加权平均计算，这些装置减少了42%的能源消耗。

公司	行业	应用程序	不。已安装的驱动器	确认功率[kW]	节省百分比[千瓦时]
源:控制工程数据来自ABB
佩纳Colorada	矿业	码垛设备中的风扇	1250年	2423750年	35%
中国钢铁台湾公司	金属	升压泵	672	3030720年	61%
Cruz Azul，墨西哥	水泥	窑号风机1+2	1470年	5309640年	54%
雷普索尔YPF，阿根廷	石化	鼓风机(更换汽轮机)	3000年	7560000年	43%
中国大庆塑料厂	石化	混合机	1300年	2600000年	31%

节约能源的动力

根据芬兰拉彭兰塔理工大学(LUT)的一项研究，在并联泵装置中，基于变速驱动器的泵控制可以节省约70%的能源。在流量波动较大的情况下，可以实现最大的节省。

该项目是在LUT的能源和环境技术部进行的。该研究旨在量化三种不同流量控制方法在四种应用中的能耗差异。利用Matlab v 6.1和Simulink软件进行了仿真，并与实际测量结果进行了验证。对比了节流阀控制、标准泵控制和优化泵控制三种控制方法:

节流阀控制:一个泵是节流和其他开/关控制。

标准泵控制:一个泵由变速驱动器(VSD)控制，其他泵由开/关控制。

在优化的泵控制中，每个泵都有自己的VSD，所需流量在所有泵之间均匀分配。因此，它们的转速是相同的。(这种情况与标准模型的不同之处在于泵以优化的方式打开和关闭。优化的泵控制技术是ABB申请的专利。)

研究中使用的第一个模拟工业实例是典型的现实工业抽水情况，可以应用新的控制技术。这个例子取自芬兰一家造纸厂，该造纸厂使用Ahlstrom APP22-65离心泵将化学处理过的水泵入海水淡化装置。以抽水设施的能量分析作为模拟的基础。

基于简化系统和持续时间曲线的仿真表明，在这种情况下，节流控制比其他控制方法消耗更多的能量(参见“造纸厂能耗”图表)。优化泵控制是迄今为止最节能的方法。标准和优化后的泵控制之间的差异大于45%。节流的比能量消耗几乎是优化泵控制的三倍。

控制方法	能源消耗		流	E_年代
	(J / 24小时)	（%）	(m	(J /米
源:控制工程数据来自ABB
节流控制	177114年	0.0	2254	78.58
标准泵控制	102786年	-42	2257	45.54
优化的泵控制	57050年	-68年	2256	25.29