“一线流体系统的纠偏方法”在生产系统节能中的应用

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【摘要】摘要“流体系统的纠偏方法”是范昌海先生在流体输送节能领域的一项新型专利技术。本文简单分析了该技术的理论实质，并介绍了该技术在生产系统节能改造中的成功案例。改造后，生产系统的总节电率达到了30.97%，该技术在生产系统节能改造中，具有非常广阔的应用前景。

【关键词】生产系统节能改造；FCH高效节能泵；基准能耗；合同能源管理（EMC）模式

在氧化铝行业，为了有效降低用水单耗，提高水资源利用率，循环水系统几乎无处不在。由于工艺设计的保守性，大多数设计者在离心泵的计算选型时，流量和扬程经常被选大。实际运行中，系统的阻力并没有设计的那样大，如果控制阀门全开，流量就偏大，操作者为了节水就会关小阀门，管路流量扬程特性曲线上扬，使系统工作在高液阻、高能耗的工况点，人为增加了“无效”能耗。据不完全统计，全国水泵装机总容量约24000MW，能耗总量约占全国发电量的20%～25%，而提高水泵系统运行效率的节能潜力可达250亿kWh/a～350亿kWh/a，水泵系统的节能潜力非常可观[1]。

1.“一种在线流体系统的纠偏方法”专利技术简介

1.1 技术简介

“一种在线流体系统的纠偏方法”是范昌海先生在流体输送节能领域的一项新型专利技术。该技术对在线流体系统实施下列纠偏程序：

①选取在线流体系统的节点，测量流体压力；

②测量系统动力机械的功率；

③检定系统管路的合理性；

④测算系统管路特性；

⑤置换系统的动力机械。

1.2 理论实质

泵的工作点本质不仅取决于泵本身的性能，而且与泵所在的管道系统特性有关，泵输出的流量也就是管道系统所输出的流量，输送流体所消耗的能头也就是流体通过泵所获得的能头。因此，泵的流量-扬程曲线与管道特性曲线流量-扬程的交点，就是泵装置的工作点。在生产实际中，当泵所产生的能头和流量不能满足外界负荷的变化时，常需要人为地对泵装置的工作点进行必要的改变和控制，以满足外界负荷的变化，这种人为的改变和控制工作点称为调节。因此，通过分析泵的性能曲线，可以确定最佳工作点，使泵能够在系统内保持最佳工作效率下运行。

如图1所示，为该技术的理论分析图。曲线h1为离心泵的H-Q特性曲线，曲线η1为离心泵的η-Q特性曲线（在此η指泵的总效率，为泵的水力效率ηh、容积效率ηv和机械效率ηm三者之积。仅前两项与泵的设计有关[2]），曲线he1为泵出口阀门全开时管路H-Q特性曲线，曲线he2为经泵出口阀门控制后的管路H-Q特性曲线；虚线h2、η2是经设计定制的节能泵的特性曲线。

由于原泵的流量和扬程均偏大，当泵出口阀门全开时，h1和he1的交点A为原工作点，出于节水考虑，在不影响生产的前提下，对泵的出口阀门开度进行适当关小控制，交点B为阀门控制后的工作点，显然流量下降到Qmin，扬程提高到HB。由于增大了管路阻力，使增大的压头用于消耗阀门的附加阻力上，且泵工作在低效率点（泵效率为η1B），虽然达到了节水的目的，但电机的输出功率可能不降，甚至还会升高，这就人为增加了电耗，留下较多的节电空间。

用节能泵置换原泵后（当然配套电机一般也要更换），泵出口阀门全开，工作点在C点。由于节能泵是根据循环水系统管路特性曲线“量身定做”的，在泵的设计时已考虑叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度等水力参数满足最佳工况点（即C点）的要求，因此，节能泵的工作点可设计在效率最高点附近。这就是FCH节能泵的理论基础。

2.FCH高效节能泵技术在循环水系统节能改造中的具体应用

2.1 系统改造前运行状况

由于考虑了二期工程，循环水系统共设计5台热水泵和4台冷水泵，目前只有一期工程运行，该系统只开2台热水泵和2台冷水泵即可满足生产需要，且2台热水泵和2台冷水泵的出口阀门开度只有20%～50%。目前该系统存在的的最大问题是，4台泵运行严重偏离最佳工况点，效率较低，且部分设备超负荷运行，长期运行会引起故障且影响设备使用寿命。

2.2 基准能耗的确定

因季节变化时，系统循环水量会有差异，电耗也会略有差异。考虑到同一台电机的实际功率因数仅与负载有关，不随季节变化，因此只需考察各泵的实际运行电流，即可反映每台泵的实际电耗。

经统计，热水泵冬季、夏季电流的平均值分别为121.1A、121.5A，相差0.4A，相当于夏季电流平均值的0.33%；冷水泵冬季、夏季电流的平均值分别为238.8A、244.8A，相差6A，相当于夏季电流平均值的2.5%。热水泵春秋季、夏季电流的平均值分别为121.1A、121.5A，相差0.4A，相当于夏季电流平均值的0.33%；冷水泵春秋季、夏季电流的平均值分别为232.5A、244.8A，相差12.3A，相当于夏季电流平均值的5%。

根据统计数据，考虑季节差异在内，可推算出全年的热、冷水泵的平均运行电流是：热水泵121.03A，冷水泵238.70A。

由于仅开2台热水泵和2台冷水泵即可满足生产使用，为此针对6月9日～7月8日一个整月30天的4台水泵的平均功率和平均电流进行了统计，并以此作为推算全年基准能耗的依据。则全年基准能耗可定为：

293.2×238.70/244.3+141.7×121.03/ 120.5=428.77kW。经圆整，可确定全年基准能耗为428.5kW（经与负责此改造的厂家友好协商，最终将基准能耗定为422kW）。

2.3 技改实施概况

经与改造厂家双方共同讨论、研究，决定将1#、3#冷水泵和2#、5#热水泵均更换为FCH高效节能泵，原泵拆除备用。技改完成4台节能泵开始投入运行。

2.4 技改后运行现状及节电收益

项目实施后，4台节能泵运行平稳（没有再出现过电流现象），且节电效果非常明显。第二年一季度4台泵平均运行时间2020.43h，共耗电588528kWh，共节电264093kWh，节电率高达30.97%（事实上，如以统计数据428.77kW为基准能耗，则实际节电率达32.06%）。由于循环水系统几乎全天候连续运转，可以预计每年可节电量约112.92万kWh。

3.结论

国家发改委《高技术产业发展“十一 五”规划》规定：“努力促进节能降耗。围绕‘十一五’节能目标，加快研发和应用重大节能降耗关键技术，提高能源开发利用效率和效益，减少能源资源浪费，缓解能源资源压力。着力推广应用能源资源优化开发利用技术、单项节能改造技术与节能技术的系统集成、节能型的生产工艺、高性能用能设备、可直接或间接减少能源消耗的新材料，以及节约能源、提高用能效率的管理技术。建设钢铁、有色、煤炭、电力、化工、建材等高能耗行业的节能降耗技术应用示范工程。”可以预见，范昌海先生的“一种在线流体系统的纠偏方法”发明专利技术，在仍处低迷的氧化铝行业，尤其是在氧化铝厂循环水系统节能改造中，是大有用武之地的。

参考文献

[1]王杰，张生安，燕增伟.轮循环水系统节能技术的应用[J].化工装备技术，2011年2月第32卷第1期：54-58.

[2]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.

[3]陈兴华.水力学泵与风机[M].水利电力出版社，1987，6.