navrhování účinných a účinných čerpacích systémů
při pohledu na všechny možnosti vám může pomoci ušetřit energii a peníze pro vaše zákazníky.
od Ed Butts, PE
navrhování účinného čerpacího systému jde daleko nad rámec přizpůsobení nejúčinnějšího čerpadla podmínkám služby nebo hlavy systému nebo použití měniče nebo regulačního ventilu s proměnnou frekvencí pro variabilní požadavky.
to jsou jen výchozí body. V dnešním světě, nesčetné množství mechanických a elektrických zařízení, které má k dispozici projektant a instalátor, v kombinaci s dobře zavedenými a podobně novými konstrukčními pravidly a pokyny, činí návrh účinného a účinného čerpacího systému dvěma nejdůležitějšími prvky čerpací stanice.
Tento měsíc přezkoumáváme minulé myšlenky dobrého návrhu čerpadla nebo čerpací stanice spolu se současnými kritérii měnícími pravidla, která by návrháři měli zvážit prakticky pro všechny čerpací aplikace.
definování efektivního a efektivního systému
účinnost: toto jediné slovo má pro různé lidi různé významy, ale nikdy nemělo slovo větší platnost a hodnotu než v dnešním světě se stále rostoucími náklady na energii.
pro typického prodejce znamená účinnost přesvědčit vás, že jejich produkt dodá více něčeho za méně peněz. Pro inženýry znamená účinnost produkovat nějaký typ konečného výsledku, ať už to má za následek práci nebo produkt s nejmenším úsilím, a tedy náklady.
účinnost je v podstatě rozdíl mezi teoretickým výsledkem a skutečným výsledkem úkolu, úsilí nebo procesu. V podnikání studny, účinnost se obvykle vztahuje na elektrickou, mechanický, nebo chemická účinnost – a existují způsoby, jak zlepšit každý typ.
spolu s účinností musí návrháři vodních systémů zajistit, aby jejich konstrukce byla účinná. To jednoduše znamená, že čerpací systém musí nejen dodávat vodu efektivně, ale při vhodném průtoku a tlaku-jinými slovy efektivně.
u čerpacího systému začíná jeho účinnost vždy stanovením rychlosti nebo objemu vody potřebné k dodání po předem stanovenou dobu. To může být po dobu 24 hodin pro průměrnou denní poptávku vodního systému nebo jen 20 minut pro špičkovou poptávku.
je zřejmé, že poskytuje malý přínos a ještě méně pohodlí, pokud musíte informovat svého klienta, že jejich nový čerpací systém poskytuje 750 GPM při nejvyšší možné účinnosti, když potřebují 1000 GPM. Nebo jejich zavlažovací systém je schopen aplikovat 2 palce vody přes 50 akrů za 12 hodin, když klient požádal o systém, který by mohl dodat 1,75 palce vody přes 90 akrů za osm hodin.
Co Vlastně Znamená Účinnost?
slovník definuje efektivní jako „jednat tak, aby vytvářel efekt s minimálním plýtváním nebo úsilím nebo vykazoval vysoký poměr výstupu ke vstupu.“Obě části této definice se zjevně vztahují na průmysl studní, i když každá část má jinou aplikaci.
přestože naším cílem v oblasti návrhu a aplikace je vyvinout systém s nejvyšší úrovní provozní efektivity-a v mnoha případech jsme dosáhli těchto zlepšení na mnoha úrovních—je důležité si uvědomit, že v každém procesu nebo úsilí vždy dojde ke ztrátě účinnosti bez ohledu na jakákoli vylepšení, zefektivnění nebo vylepšený design, který do systému vložíme.
mnoho zvýšení účinnosti daného stroje nebo procesu může být přímo korelováno s poptávkou zákazníků nebo vládními zásahy a regulací.
například kvůli výzvě Kongresu, která vedla k novým normám, revidované americké kódy týkající se energie stanovily minimální požadavky na energeticky efektivní návrh a konstrukci nových a renovovaných budov-ovlivňující spotřebu energie a emise pro životnost budovy. To je obzvláště důležité, protože budovy představují téměř 40% současné spotřeby energie v USA, 65% spotřeby elektřiny a o něco více než 10% spotřeby vody.
vzhledem k tomu, že budovy jsou hlavním zdrojem spotřeby energie ve Spojených státech, je nezbytné, aby budovy dodržovaly tyto nové kódy, aby zajistily, že splňují vyšší standard účinnosti. Použití účinnějších metod a materiálů dříve při stavbě budovy bude stát zlomek toho, co budou později, pokud je zapotřebí dodatečné vybavení, které pomůže snížit celkovou spotřebu energie po celou dobu životnosti budovy.
existují nové energetické kódy budov jak pro komerční, tak pro obytné budovy, jakož i pro jiné typy spotřeby energie.
vzhledem k tomu, že elektromotory představují největší skupinu elektrické energie s jednou spotřebou, byly přijaty nové předpisy-včetně atraktivních programů slev – pro dovybavení a nahrazení starších méně účinných motorů novějšími účinnějšími motory. Tyto nové motory mohou mít přímou aplikaci na aplikace čerpadla a pomocného čerpadla.
kromě vylepšení, které můžeme provést s novějšími elektromotory, můžeme provést i další zdánlivě drobná vylepšení systému nebo komponent. Tato zlepšení se v mnoha případech mohou zdát tak malá, že jsou nevýznamná nebo bezvýznamná. Ale když započítány po dobu životnosti jednotky nebo roční provozní doby, mohou snadno přidat až úspory nákladů na energii výrazně nad počáteční náklady samotné investice.
ačkoli zlepšení účinnosti systému nebo čerpací stanice je obvykle spojeno přímo s úsporami elektrické energie, existují různé periferní metody, které mohou také šetřit energii—a proto zvýšit účinnost. Tyto metody jsou následující.
Provozní nebo systémové metody
- vyberte čerpací zařízení, která mají být provozována v období mimo špičku nebo v období, kdy je to možné. Tato období, obvykle během časných ranních nebo pozdních večerních hodin, může poskytnout nižší náklady na spotřebu energie než v kteroukoli jinou denní dobu. V aplikacích pro plnění nádrže to může umožnit doplňování nádrže během období s relativně nízkou spotřebou, a tím i vypouštěcí hlavu.
- použití vloženého škrticího ventilu je ve většině případů výhodné pro vypouštění vody. Ačkoli použití tohoto procesu musí být ověřeno pro konkrétní čerpací jednotku a příslušný systém, vložený škrticí ventil na vypouštění čerpadla na snížený průtok obvykle poskytne větší úspory energie než recirkulace vody zpět ke zdroji nebo jiné plýtvání vodou-kromě zachování tohoto vzácného zdroje. Nikdy nepoužívejte škrticí ventil na sací straně čerpadla.
- vždy používejte vysoce kvalitní a přesné tlakoměry a průtokoměry pro sledování dat. I když se to může zdát jako ne-nasnadě, vývoj a udržování přesného a efektivního procesu sběru dat vyžaduje nejen přesná data,ale důsledně přesná data. Variace nebo nepřesnosti ve způsobu sběru dat mohou snadno vést k nesprávným předpokladům a rozhodnutím.
- zvažte a účtujte ztráty energie bez čerpání. Ještě jednou, mnohokrát energetické ztráty spojené s neživotními a nesouvisejícími funkcemi—jako je osvětlení, topení, chlazení, nebo transformátory využití v čerpací stanici—se mohou jevit jako malé nebo nevýznamné. Ale jak tyto ztráty mount, například pro nepřetržité osvětlení nebo vytápění, energetické ztráty se mohou stát extrémní a narušit další náklady na energii pro účely čerpání.
zlepšení účinnosti čerpadla
- použití součástí čerpadla s nízkým hydraulickým třením, jako je bronz, porcelán a nerezová ocel, způsobí nižší odpor v samotném čerpadle a tím nižší náklady na čerpání. Zadejte C-10/C-20/C-30 leštěný povrch na průchodech oběžného kola.
- málo známé triky na oběžná kola nebo voluty, jako je pod nebo zásyp lopatek, ořezávání volutového jazyka, dynamické vyvažování, pokosování vnějšího okraje oběžného kola a leštění oběžného kola může zvýšit účinnost o jeden nebo dva body, což šetří výkon.
- zvolte čerpadlo tak, aby fungovalo co nejblíže k bodu nejlepší účinnosti (BEP) nebo v okně nejlepší účinnosti (BEW).
- Zlepšete potrubí pomocí většího sacího a výtlačného potrubí, než je požadováno. Odstranění odpališť, ells, a omezené potrubí, pokud je to možné, a změna nebo použití potrubních materiálů s nejnižšími třecími faktory, jako je PVC nebo tvárná litina lemovaná cementem nad ocelí, může také prospět systému.
- dokonce i úprava ovládacího, izolačního nebo zpětného ventilu na výtlačném potrubí čerpadla může vyplácet dlouhodobé dividendy. V závislosti na velikosti ventilu, průtoku a povinnosti může změna standardního stylu kuliček inline regulačního ventilu s úhlem nebo typem řídicího ventilu typu wye ušetřit až 2-4 psi nebo až 10 stop ztráty hlavy během provozu. U ventilu používaného výhradně pro izolaci stanice může použití plně otevřeného portového ventilu (jako je pružný šoupátko sedadla) spíše než ventil s vloženou překážkou (jako je nelinkovaná zátka nebo škrticí klapka) také snížit ztrátu hlavy ventilem.
- použití vysoce výkonného povlaku na oběžném kole nebo na volutu nebo v celé sestavě mísy může poskytnout nižší tření kotoučů, což vede k úspoře energie. Povlak, jako je Scotchkote 134 (SK134) fusion bonded epoxy může stát mezi $ 500 – $ 800 za fázi aplikovat, ale může zvýšit účinnost až o dva až čtyři body. U čerpací jednotky navržené pro 1000 GPM při 300 stopách TDH to může mít za následek úsporu výkonu až čtyř brzdových koní. Při 4000 hodinách provozu za rok to může vést k úspoře energie o více než 1200 USD pouze v prvním roce.
- při návrhu nových nebo náhradních čerpacích jednotek hlubokých vrtů zvažte relativní rozdíl v účinnosti mísy a motoru a životnosti mezi ponornými a vertikálními turbínovými jednotkami. Ačkoli kapitálová investice ponorného čerpacího systému bude téměř vždy menší než srovnatelně velká Vertikální turbínová jednotka, kombinovaná účinnost mísy a motoru bude u vertikální turbínové jednotky často až o 10-15 bodů vyšší. Například u čerpací stanice navržené pro 1000 GPM při 300 stopách TDH může rozdíl v hodinových nákladech na čerpání činit 1$.30 za hodinu nebo $ 5200 za 4000 hodin (50%) provozní období. Kromě toho je životnost vertikální turbínové jednotky často větší než ponorná kvůli nižší rychlosti, teplu motoru a dostupnosti. Je zřejmé, že tyto poměry neplatí vždy, takže návrhář musí tyto faktory vyhodnotit případ od případu.
- u vertikálních turbínových čerpadel zkontrolujte nastavení misky nejméně jednou ročně, abyste optimalizovali výkon. U polootevřených oběžných kol použijte zesilovač nebo měřič výkonu k optimalizaci nastavení misky.
elektromotory a ovladače
- pro motory: Zvýšení velikosti drátu, optimalizace napětí, zlepšení účiníku pomocí kondenzátorů, použití motorů s prémiovou účinností, zajištění čistého a chladného provozního prostředí a de-hodnocení výkonu motoru pro danou zátěž může zvýšit účinnost čerpací stanice až o 5% pouze elektrickými změnami.
- pro všechny řidiče (včetně převodových pohonů): vyměňte olej a přidejte / vyměňte mazivo v frekvencích a intervalech doporučených výrobcem. Používejte hmotnost a viskozitu oleje a tuku podle pokynů výrobce. Během provozu nepřeplňujte olejové nádrže a udržujte hladiny oleje mezi nízkou a vysokou hladinou. U vodou chlazených převodových pohonů a vodou chlazených motorů: ověřte provoz a minimální průtok pro vodní chladicí smyčku. Zkontrolujte provozní teplotu pohonu ozubeného kola/motoru a ověřte chlazení oleje na předepsané úrovně.
- u motorů v pohotovostním režimu: provádějte minimálně rutinní cvičení a roční provozní zkoušky. Bez ohledu na provozní dobu vyměňte olej minimálně jednou ročně. Otáčejte nebo jinak používejte uložené palivo pro udržení kvality. Pokud je to nutné, použijte motorovou naftu s kvalitou proti voskování nebo přísadou, abyste zabránili voskování v dlouhých skladovacích intervalech. Ověřte připravenost motoru správnou funkcí nabíječky baterií, ohřívače pláště, předehřívače a žhavicích svíček (je-li k dispozici). U prvotřídních motorů: vyměňte olej a zapalovací svíčky (plyn) v hodinách provozu doporučených výrobcem; jako vodítko použijte těžkou službu. Proveďte kompresi a časování každé dva roky, abyste ověřili jednotnou funkci válce.
- u hnacích drah: zkontrolujte zarovnání a namažte U-spoje v intervalech doporučených výrobcem. Pro řemenové pohony: Ověřte napnutí řemenu a rovnoměrné použití pásu nejméně jednou ročně. Zvažte nahrazení více klínových řemenů jediným hadovitým nebo ozubeným řemenem.
měniče a regulační ventily s proměnnou frekvencí
měniče s proměnnou rychlostí nebo frekvencí (VFDs), jakož i ventily s modulací tlaku se rychle staly oblíbenou metodou pro úsporu energie a zlepšení účinnosti systému. Nicméně, oni nejsou bez jejich nevýhod a omezení, takže Projektant musí zaměstnat a zvážit specifické vlastnosti poskytnout nejvyšší možnou účinnost a prodloužit životnost čerpacího systému. Patří sem následující:
- stejně jako u většiny elektronických zařízení se VFD nestarají o teplo. Nejen, že životnost jednotky trpí, ale provozní účinnost bude také. Z těchto důvodů je třeba dodržovat správné větrání a chlazení.
- při použití s ponornými motory nebo jinými motory s dlouhým kabelem mezi motorem a pohonem (více než 50 stop) může dojít ke stavu známému jako napětí odražené vlny. To jednoduše znamená, že pohon může být vystaven vrácené úrovni napětí odražené od motoru v hodnotách stokrát vyšších,než je izolace motoru určena. K negaci těchto podmínek se používají různá ochranná zařízení, jako jsou usměrňovače, a měla by být implementována na všech instalacích s dlouhými kompenzacemi kabelů.
- při dimenzování VFD zvažte skutečný proud, se kterým bude jednotka muset pracovat, nejen výkon. Protože ponorný motor bude čerpat vyšší proud než srovnatelný standardní motor o výkonu, dimenzování pro výkon nemusí poskytovat dostatečnou rezervní schopnost pro vyšší proud. V mnoha případech může zvětšení velikosti jednotky o jednu chránit před tímto potenciálem. Jedná se o běžný problém v oblasti dodatečných instalací.
- specifické typy zařízení, jako jsou zařízení na svislém dutém hřídeli nebo standardních vodorovných motorech, mohou mít za následek uzemnění nebo obloukování uložených napětí uvnitř ložisek. K ochraně před tímto výskytem existují různé metody, ale nejspolehlivější metoda zahrnuje účinné a úplné uzemnění a lepení pohonu a motoru.
- u nových nebo dodatečně vybavených aplikací VFD ověřte, zda se snížení rychlosti shoduje se zvolenou křivkou čerpadla a zda se při snížených rychlostech uplatňují úspory energie. Strmé křivky čerpadla jsou obecně oprávněnější a příznivější při použití s VFDs než použití inline regulačních ventilů tlaku. Vyšší stupeň úspory energie při snížených průtokových rychlostech obvykle nastane, když je na čerpadlo s plochou křivkou aplikován inline tlakový regulační ventil, protože výkon bude mít tendenci klesat nad přiměřeným poklesem průtoku.
používání softwaru pro návrh čerpadel
vzhledem k tomu, že techniky počítačového modelování se stále zlepšují a pracují do našeho každodenního života, zvyšuje se také potřeba zvážit použití programů pro výběr čerpadel. Podle mého počtu, v současné době existuje pět generických možností výběru softwaru čerpadla a nespočet programů pro výběr výrobců.
i když jsem byl vždy řezaný a sušený ve vlně starý časovač, pokud jde o výběr čerpadla z katalogů a pomocí křivek výrobce, Moje používání výběrových programů se za poslední desetiletí výrazně zvýšilo, zejména nyní, když navrhuji více čerpacích systémů s proměnlivým průtokem a podmínkami hlavy.
i když nemám v úmyslu inzerovat, jsem docela potěšen a pracuji se softwarem PumpFlo vyvinutým společností Engineered Software Inc. Začal jsem s verzí I před lety a nyní pracuji s verzí X a jsem potěšen tím, jak tento software umožňuje výběr různých čerpadel zadáním konstrukčních podmínek kapacity a hlavy nebo přímo odkazem na konkrétní model čerpadla.
i když vím, že existuje mnoho dalších vynikajících softwarových programů pro výběr čerpadel, jsem jedním z dinosaurů, kteří dávají přednost tomu, aby se drželi něčeho, když to funguje pro mě (to je stejný důvod, proč jsem byl ženatý 40 let!).
kromě programů umožňujících srovnání čerpadel od různých výrobců mají prakticky všichni výrobci čerpadel svůj vlastní výběrový program nebo jsou součástí softwaru pro výběr čerpadel, jako jsou PumpFlo, PumpCALC nebo PumpBase. Většina výběrových programů umožňuje vícerychlostní hodnocení, porovnání účinnosti a výkonu, omezení křivky čerpadla, a výběry s různými ozdobami a stupni spolu s příslušnými změnami účinnosti a čerpání výkonu, každý z nich je kritickým parametrem při správném navrhování systému čerpání vody.
tento typ funkčnosti nejen urychluje výběr studny, ale také pomáhá s přesností a porovnáním různých modelů a značek, plus počítačem generované výtisky a křivky vypadají lépe než typ I, který byl kdysi vyroben ručně. Ačkoli použití softwaru pro výběr čerpadla pravděpodobně není tak efektivní a nezbytné u čerpadel pro domácí studny, z celého srdce doporučuji použití této technologie pro větší ponorné a vertikální turbínové studny a přídavná čerpadla.
jednotka nebo součást vs. Účinnost systému
vzhledem k tomu, že módní slovo efektivity se stále častěji vkrádá do našeho každodenního pracovního života, musíme jako návrháři vodních systémů uznat důležitost vytlačování více práce za méně energie jako způsob, jak nejen ušetřit našim klientům důležité provozní náklady, ale také zachovat omezené přírodní zdroje našeho světa.
jedním z mnoha způsobů, jak můžeme v tomto úsilí pomoci, je vyhodnocení a zlepšení efektivity systému i komponent.
efektivita systému je nejzřetelnějším a nejzřetelnějším přispěvatelem k celkové efektivitě a provozním nákladům a ta, o kterou se obecně nejvíce zajímáme. Ve vodních systémech Lidově, to je obyčejně odkazoval se na jako drát-to-voda nebo účinnost čerpací stanice. Je to čistá účinnost, složená z jednotlivých ztrát v rámci celého systému, která společně vytváří konečnou účinnost zařízení.
na druhé straně je jednotková účinnost, známá také jako účinnost komponent, relativní účinnost jednoho konkrétního nebo individuálního prvku v rámci většího seskupeného systému. Mohlo by to být čerpadlo, řidič, nebo účinnost přenosu, nebo dokonce účinnost jedné složky v celkové jednotce, jako jsou vnitřní hydraulické ztráty v oběžném kole nebo tření ložisek pro jeden stupeň ve vícestupňovém vertikálním turbínovém čerpadle, které jsou každou samostatnou částí celkové účinnosti misky.
mnoho lidí si myslí, že účinnost systému je jediným důležitým faktorem, ale nesouhlasím. V mnoha případech může být použití přírůstkových vylepšení účinnosti jednotky nebo komponenty mnohem nákladově efektivnější než velkoobchodní změny celého systému. To je důvod, proč používám levné, ale účinné metody, jako je zásyp oběžného kola, leštění, nebo obložení mísy jako způsoby, jak zvýšit účinnost čerpadla.
zde je další příklad: Převod na 100 HP, 1800 ot / min prémiová účinnost ze standardního účinného elektromotoru zvýší účinnost plného zatížení ze zhruba 93% na 94.5%. Při plném zatížení bude toto přírůstkové zlepšení šetřit až 1, 27 kW, což po vynásobení 3 000 provozních hodin ročně povede k úspoře energie 3820 kW / h. při 0, 15 USD za kW / h., jedná se o potenciální úsporu provozních nákladů 573 USD ročně.
tento typ úspor je také možný u dodatečných úprav mísy, kde zlepšení z účinnosti mísy o 75% až 83% při zatížení 50 BHP (brzdový výkon) může ušetřit až 6,42 BHP.
i při prokázání těchto prokázaných úspor energie jsou zákazníci v mnoha případech—zejména v nastavení zavlažování—často odolní investovat náklady na výměnu nebo upgrade celého systému, než mohou být za výměnu součástí. Testování a hodnocení individuální účinnosti jednotek nebo součástí a následné doporučení výměny nebo opravy těchto specifických prvků je často příznivější pro rozpočet zákazníka než výměna celého systému.
budete stále vytvářet podnikání a prodej, stejně jako mít spokojenost pravděpodobně šetří zákazníkovi nějaké skutečné peníze na konci.
závěr
vzhledem k tomu, že náklady na energii stále rostou každý rok, bude i nadále stoupat potřeba plně zvážit účinnost každé položky v našich čerpacích systémech. Účelem tohoto sloupce je připomenout, jak důležitá je účinnost v našem světě. Existují způsoby, jak je můžete vylepšit jen s malou myšlenkou a současně zachovat účinnost čerpacího systému.
zvažte všechny možnosti bez ohledu na to, jak nevýznamné se mohou zdát, a možná zjistíte, že mohou nabídnout jen nějaké skutečné dividendy pro vás a vašeho zákazníka.
až do příštího měsíce pracujte bezpečně a chytře.
Ed Butts, PE, je hlavní inženýr v 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Má více než 40 let zkušeností v oboru vodohospodářství se specializací na strojírenství a řízení podniku. Může být dosažen na [email protected].