design af effektive og effektive pumpesystemer

design af effektive og effektive pumpesystemer

at se på alle muligheder kan hjælpe dig med at spare energi og penge til dine kunder.

af Ed Butts, PE

design af et effektivt pumpesystem går langt ud over at matche den mest effektive pumpe til drifts-eller systemhovedforhold eller bruge et drev med variabel frekvens eller reguleringsventil til variable krav.

disse er blot udgangspunktet. I dagens verden, det utal af mekanisk og elektrisk udstyr til rådighed for designeren og installatøren, kombineret med veletablerede og ligeledes nye designregler og retningslinjer, gør designet af et effektivt og effektivt pumpesystem til to af de vigtigste elementer i et pumpeanlæg.

denne måned gennemgår vi tidligere ideer om god pumpe-eller pumpestationsdesign sammen med nutidens regelændrende kriterier, som designere bør overveje til stort set alle pumpeapplikationer.

definition af et effektivt og effektivt System

effektivitet: det enkelte ord har forskellige betydninger for forskellige mennesker, men aldrig har ordet haft mere gyldighed og værdi end i dagens verden med stadigt stigende energikostnader.

til den typiske sælger betyder effektivitet at overbevise dig om, at deres produkt vil levere mere af noget for mindre af dine penge. For ingeniører betyder effektivitet at producere en form for endeligt resultat, uanset om det resulterer i arbejde eller et produkt med mindst mulig indsats og derfor omkostninger.

effektivitet er dybest set forskellen mellem et teoretisk resultat og det faktiske resultat af en opgave, indsats eller proces. I vandbrøndsvirksomheden gælder effektivitet normalt for elektrisk, mekanisk eller kemisk effektivitet—og der er måder at forbedre hver type på.

sammen med effektivitet skal vandsystemdesignere sikre, at deres design er effektivt. Dette betyder simpelthen, at pumpesystemet ikke kun skal levere vand effektivt, men ved passende strømning og tryk—med andre ord effektivt.

for et pumpesystem starter dets effektivitet altid med at bestemme hastigheden eller mængden af vand, der er nødvendigt for at levere over en forudbestemt tidsperiode. Dette kan være over en 24-timers periode for et vandsystems gennemsnitlige daglige efterspørgsel eller så lidt som 20 minutter for spidsbelastning.

det giver naturligvis lidt fordel og endnu mindre komfort, hvis du skal informere din klient om, at deres nye pumpesystem leverer 750 GPM med den højest mulige effektivitet, når de har brug for 1000 GPM. Eller deres vandingssystem er i stand til at anvende 2 tommer vand over 50 hektar på 12 timer, da klienten anmodede om et system, der kunne levere 1,75 tommer vand over 90 hektar på otte timer.

Hvad Betyder Effektivitet Egentlig?

ordbogen definerer effektiv som “handler for at producere en effekt med et minimum af affald eller indsats eller udviser et højt forhold mellem output og input.”Begge dele af denne definition gælder naturligvis for vandbrøndsindustrien, selvom hver del har en anden anvendelse.

selvom vores mål inden for design og anvendelse er at udvikle et system med det højeste niveau af driftseffektivitet—og i mange tilfælde har vi opnået disse forbedringer på mange niveauer—er det vigtigt at huske, at der altid vil være noget tab af effektivitet i enhver proces eller indsats uanset forbedringer, strømlining eller forbedret design, vi placerer i systemet.

mange af effektivitetsforøgelserne for en given maskine eller proces kan direkte korreleres med kundernes efterspørgsel eller regeringsindgreb og regulering.

på grund af tilskyndelse fra kongreshandlinger, der fører til nye standarder, sætter de reviderede amerikanske koder relateret til energi minimumskrav til energieffektivt design og konstruktion til nye og renoverede bygninger-hvilket påvirker energiforbruget og emissionerne i bygningens levetid. Dette er især vigtigt, da bygninger tegner sig for næsten 40% af det nuværende amerikanske energiforbrug, 65% af elforbruget og lidt mere end 10% af vandforbruget.

med bygninger en hovedkilde til energiforbrug i USA, er det bydende nødvendigt, at bygninger overholder disse nye koder for at sikre, at de opfylder den højere effektivitetsstandard. Brug af mere effektive metoder og materialer tidligere, når man bygger en bygning, koster en brøkdel af, hvad de vil senere, hvis en eftermontering er nødvendig for at hjælpe med at reducere det samlede energiforbrug i bygningens levetid.

der er nye bygningsenergikoder for både erhvervs-og beboelsesbygninger samt andre former for energiforbrug.

anerkendelse af elektriske motorer tegner sig for den største enkeltforbrugsgruppe af elektrisk strøm, nye regler—inklusive attraktive rabatprogrammer—er blevet vedtaget til eftermontering og udskiftning af ældre mindre effektive motorer med nyere mere effektive motorer. Disse nye motorer kan have en direkte anvendelse på brøndpumpe og boosterpumpe applikationer.

ud over de forbedringer, vi kan foretage med nyere elektriske motorer, er der andre tilsyneladende mindre system-eller komponentforbedringer, vi også kan foretage. Disse forbedringer kan i mange tilfælde synes at være så små, at de er ubetydelige eller meningsløse. Men når de tages i betragtning over enhedens levetid eller årlige driftstimer, kan de let tilføje en energibesparelse langt over de oprindelige omkostninger ved selve investeringen.

selvom forbedring af effektiviteten af et system eller pumpeanlæg normalt er bundet direkte til besparelser i elektrisk energi, er der forskellige perifere metoder, der også kan spare energi—og derfor øge effektiviteten. Disse metoder er som følger.

drifts-eller Systemmetoder

• Vælg pumpeanlæg til drift i perioder uden for peak eller load-shedding, når det er muligt. Disse perioder, normalt tidligt om morgenen eller sent om aftenen, kan give lavere energiforbrugsomkostninger end på noget andet tidspunkt af dagen. I reservoirfyldningsapplikationer kan dette muliggøre genopfyldning af reservoiret i en periode med relativt lavt forbrug og dermed afladningshoved.
• brug af en inline-gasspjældventil er i de fleste tilfælde fordelagtigt for vandudslip. Selvom brugen af denne proces skal verificeres for den specifikke pumpeenhed og det involverede system, en indbygget gasspjældventil på en pumpes udledning til en sænket strømningshastighed vil normalt give større energibesparelser end at recirkulere vandet tilbage til kilden eller på anden måde spilde vandet—ud over at bevare denne dyrebare ressource. Brug aldrig en gasventil på sugesiden af en pumpe.
• Brug altid præcise trykmålere og strømningsmålere af høj kvalitet til sporing af data. Selvom dette kan virke som en no-brainer, kræver udvikling og vedligeholdelse af en nøjagtig og effektiv dataindsamlingsproces ikke kun nøjagtige data, men konsekvent nøjagtige data. Variationer eller unøjagtigheder i metoden til dataindsamling kan let føre til forkerte antagelser og beslutninger.
• Overvej og redegør for ikke-pumpende energitab. Igen, mange gange energitab forbundet med ikke-vitale og ikke—relaterede funktioner—såsom belysning, opvarmning, køling, eller udnyttelsestransformatorer inden for en pumpestation-kan synes at være mindre eller ubetydelige. Men da disse tab stiger, såsom til kontinuerlig belysning eller opvarmning, kan energitabene blive ekstreme og fordreje andre energikostnader til pumpeformål.

forbedring af pumpens effektivitet

• brugen af pumpekomponenter med lav hydraulisk friktion som bronse, porcelæn og rustfrit stål vil medføre lavere træk i selve pumpen og dermed lavere pumpeomkostninger. Angiv en C-10/C-20 / C-30 poleret færdig på pumpehjul passager.
• lidt kendte tricks til løbehjul eller volutter, såsom under eller opfyldning af skovle, trimning af volutetungen, dynamisk afbalancering, gering af løbehjulets ydre kant og pumpehjulspolering kan øge effektiviteten et eller to punkter, hvilket sparer hestekræfter.
• vælg den pumpe, der skal fungere så tæt som muligt på det bedste effektivitetspunkt (BEP) eller inden for det bedste effektivitetsvindue (bev) til enhver tid.
• forbedre rør ved hjælp af større suge-og udløbsrør end nødvendigt. Fjernelse af tees, ells og begrænsede rørledninger, hvor det er muligt, og ændring eller brug af rørmaterialer med de laveste friktionsfaktorer, såsom PVC eller cementforet duktilt jern over stål, kan også gavne et system.
• selv ændring af en kontrol -, Isolations-eller kontraventil på pumpens udløbsledning kan betale langsigtet udbytte. Afhængig af ventilstørrelsen, strømningshastigheden og pligten kan ændring af en standard globusstil af inline reguleringsventil med en vinkel eller et mønster Type reguleringsventil spare op til 2-4 psi eller op til 10 fod hovedtab under drift. For en ventil, der anvendes strengt til isolering af stationen, kan anvendelse af en helt åben portventiltype (såsom en elastisk sædeportventil) snarere end en ventil med en inline obstruktion (såsom et uforet stik eller butterflyventil) også sænke hovedtabet gennem ventilen.
• brug af en højtydende belægning på et løbehjul eller en volute eller i hele en skålenhed kan give lavere skivefriktion til løbehjulene, hvilket resulterer i energibesparelser. En belægning som Scotchkote 134 (SK134) kan koste mellem $500-$800 pr. På en pumpeenhed designet til 1000 GPM ved 300 fod TDH kan dette resultere i en hestekræfterbesparelse på op til fire bremsehestekræfter. Ved 4000 timer om året kan dette resultere i en energibesparelse på mere end $1200 alene i det første år.
• under udformningen af nye eller udskiftning dyb brønd pumpeenheder, overveje den relative forskel i skål og motor effektivitet og levetid mellem dykkede og lodrette turbine enheder. Selvom kapitalinvesteringen i et nedsænket pumpesystem næsten altid vil være mindre end en lodret turbineenhed i sammenlignelig størrelse, vil skålens og motorens kombinerede effektivitet ofte være op til 10-15 point højere for den lodrette turbineenhed. For eksempel med et pumpeanlæg designet til 1000 GPM ved 300 fod TDH, kan forskellen i timepumpeomkostninger beløbe sig til $1.30 per time eller $5200 per en 4000-timers (50%) driftsperiode. Derudover er levetiden for en lodret turbineenhed ofte større end en nedsænkning på grund af lavere hastighed, motorvarme og tilgængelighed. Det er klart, at disse forhold ikke altid gælder, så designeren skal evaluere disse faktorer fra sag til sag.
• for vertikale turbinepumper skal du kontrollere skålindstillingen mindst en gang om året for at optimere ydeevnen. Til halvåbne løbehjul skal du bruge en forstærker eller effektmåler til at optimere skåljusteringen.

elektriske motorer og drivere

• til motorer: Forøgelse af trådstørrelser, optimering af spændinger, forbedring af effektfaktoren med kondensatorer, brug af premium effektivitetsmotorer, tilvejebringelse af et rent og køligt driftsmiljø og de-rating af en Motors Hestekræfter for en given belastning kan øge effektiviteten af et pumpeanlæg med så meget som 5% gennem elektriske ændringer alene.
• for alle drivere (inklusive geardrev): Udskift olie og tilføj/udskift fedt ved producentens anbefalede frekvenser og intervaller. Brug olie og fedt vægt og viskositet baseret på producentens retningslinjer. Overfyld ikke oliereservoirer, og hold olieniveauet mellem lave og høje niveauer under drift. For vandkølede geardrev og vandkølede motorer: kontroller drift og minimal strømningshastighed for vandkølesløjfe. Kontroller geardrev / motorens driftstemperatur for at kontrollere, at olien køler til foreskrevne niveauer.
• for standby-motorer: udfør rutinemæssig træning og årlige driftstest som et minimum. Uanset driftstiden skal du udskifte olie en gang om året på et minimum. Drej eller på anden måde brug lagret brændstof for at opretholde kvaliteten. Brug om nødvendigt dieselolie med anti-vokskvalitet eller tilsætningsstof for at forhindre voksning over lange opbevaringsintervaller. Kontroller motorens beredskab med korrekt funktion af batteri sive oplader, jakke varmelegeme, forvarme, og gløderør (hvis relevant). For primermotorer: Udskift olie-og tændrør (gas) ved producentens anbefalede driftstimer; brug kraftig service som retningslinje. Udfør kompression og timing hvert andet år for at kontrollere ensartet cylinderfunktion.
• til drivlinjer: kontroller justering og fedt u-Samlinger med producent-anbefalede intervaller. Til bæltedrev: Kontroller bæltespænding og ensartet bæltepåføring mindst en gang om året. Overvej at udskifte flere kileremme med et enkelt serpentin-eller tandhjulsbælte.

frekvensdrev og reguleringsventiler

frekvensdrev med variabel hastighed (VFD ‘ er) samt trykmoduleringsventiler er hurtigt blevet en foretrukken metode til energibesparelser og forbedring af systemets effektivitet. Men de er ikke uden deres ulemper og begrænsninger, så designeren skal ansætte og overveje specifikke funktioner for at give den højest mulige effektivitet og forlænge pumpesystemets levetid. Disse omfatter følgende:

• som med de fleste elektroniske enheder er VFD ‘ er ligeglad med varme. Ikke kun vil enhedens levetid lide, men driftseffektiviteten vil også. Af disse grunde skal korrekt ventilation og afkøling overholdes.
• ved brug med nedsænkningsmotorer eller andre motorer med et langt kabelkørsel mellem motoren og drevet (mere end 50 fod) kan der opstå en tilstand kendt som reflekteret bølgespænding. Dette betyder simpelthen, at drevet kan blive udsat for et returneret spændingsniveau, der hoppes tilbage fra motoren i værdier hundreder gange højere end motorens isolering er klassificeret til. Forskellige beskyttelsesanordninger, såsom ensrettere, bruges til at negere disse forhold og bør implementeres på alle installationer med lange kabelforskydninger.
• når du dimensionerer en VFD, skal du overveje den faktiske strømstyrke, som enheden skal fungere med, ikke kun hestekræfterne. Da en nedsænket motor vil trække højere strøm end en sammenlignelig hestekræfterstandardmotor, giver størrelse for hestekræfter muligvis ikke en tilstrækkelig reservekapacitet til den højere strøm. I mange tilfælde kan forøgelse af enhedsstørrelsen med en beskytte mod dette potentiale. Dette er et almindeligt problem ved eftermontering af installationer.
• specifikke typer installationer, såsom dem på lodret hulaksel eller standard vandrette motorer, kan resultere i jordsløjfer eller bue af pålagte spændinger i lejerne. Der findes forskellige metoder til at beskytte mod denne forekomst, men den mest pålidelige metode indebærer effektiv og fuldstændig jordforbindelse og binding af drevet og motoren.
• for nye eller eftermonterede VFD-applikationer skal du kontrollere, at hastighedsreduktionen falder sammen med den valgte pumpekurve, og at energibesparelser Gælder ved reducerede hastigheder. Stejle pumpekurver er generelt mere berettigede og gunstige, når de bruges sammen med VFDs end brugen af inline trykreguleringsventiler. En højere grad af energibesparelser ved reducerede strømningshastigheder vil normalt forekomme, når en inline trykreguleringsventil påføres en pumpe med en flad kurve, da hestekræfter har tendens til at falde over et tilsvarende fald i strømningshastigheden.

brug af Pumpedesignprogrammer

da computermodelleringsteknikker fortsætter med at forbedre og arbejde i vores daglige liv, øges behovet for at overveje brugen af pumpevalgsprogrammer også. Efter min optælling er der i øjeblikket fem generiske valg af pumpevalgsprogrammer og utallige producentvalgsprogrammer.

selvom jeg altid har været en skåret og tørret gammeldags, når det kommer til at vælge en pumpe fra kataloger og ved at bruge producentkurver, er min brug af udvælgelsesprogrammer steget kraftigt i løbet af det sidste årti, især nu hvor jeg designer flere pumpesystemer med variabel strømning og hovedforhold.

selvom jeg ikke har til hensigt at annoncere, er jeg meget tilfreds med og arbejder med PumpFlo-programmet udviklet af Engineering Inc. Jeg startede med Version i for mange år siden og arbejder nu med version H og er tilfreds med den måde, hvorpå dette program tillader valg af forskellige pumper ved at indtaste designbetingelserne for kapacitet og hoved eller direkte henvise til en bestemt pumpemodel.

selvom jeg ved, at der er mange andre fremragende pumpevalgsprogrammer til rådighed, er jeg en af dinosaurerne, der foretrækker at holde fast i noget, når det virker for mig (det er den samme grund til, at jeg har været gift i 40 år!).

ud over programmer, der tillader sammenligning af pumper fra forskellige producenter, har stort set alle pumpeproducenter nu deres eget valgprogram eller er en del af et pumpevalgsprogram som PumpFlo, PumpCALC eller PumpBase. De fleste udvælgelsesprogrammer muliggør evaluering af flere hastigheder, sammenligning af effektivitet og hestekræfter, pumpekurve begrænsninger, og valg med forskellige trimmer og trin sammen med de relevante ændringer i effektivitet og hestekræfter, hver en kritisk parameter til korrekt design af et vandpumpesystem.

denne type funktionalitet fremskynder ikke kun udvælgelsen af en brøndpumpe, men hjælper også med nøjagtighed og sammenligning af forskellige modeller og mærker, plus de computergenererede udskrifter og kurver ser bedre ud end den type I, der engang blev produceret for hånd. Selvom brugen af et pumpevalgsprogram sandsynligvis ikke er så effektivt og nødvendigt med indenlandske brøndpumper, anbefaler jeg helhjertet brugen af denne teknologi til større nedsænkelige og lodrette turbinebrønde og boosterpumper.

enhed eller komponent vs. Systemeffektivitet

da effektivitetsordet fortsætter med at krybe ind i vores daglige arbejdsliv med mere og mere frekvens, må vi som vandsystemdesignere anerkende vigtigheden af at presse mere arbejde ud for mindre energi som en måde ikke kun at spare vores klients vigtige driftsomkostninger, men også for at bevare vores verdens begrænsede naturressourcer.

en af de mange måder, vi kan hjælpe med denne bestræbelse på, er ved at evaluere og forbedre både system-og komponenteffektiviteten.

systemeffektiviteten er den mest åbenlyse og tilsyneladende bidragyder til den samlede effektivitet og driftsomkostninger, og den, vi generelt er mest optaget af. I vandsystemer folkesprog, det kaldes almindeligvis tråd-til-vand eller pumpeanlæg effektivitet. Det er nettoeffektiviteten, der består af de individuelle tab inden for hele systemet, der tilsammen skaber den endelige anlægseffektivitet.

på den anden side er enhedseffektiviteten, også kendt som komponenteffektivitet, den relative effektivitet af et specifikt eller individuelt element i det større grupperede system. Det kan være pumpen, føreren eller transmissionseffektiviteten eller endda effektiviteten af en enkelt komponent i den samlede enhed, såsom de interne hydrauliske tab i et løbehjul eller lejefriktionen i et trin i en flertrins lodret turbinepumpe, der hver især er en separat del af den samlede skåleffektivitet.

mange mennesker tror, at systemeffektiviteten er den eneste vigtige faktor, men jeg er ikke enig. I mange tilfælde kan brugen af trinvise forbedringer i enhedens eller komponentens effektivitet være langt mere omkostningseffektiv end engrosændringer af hele systemet. Dette er grunden til, at jeg bruger billige, men effektive metoder, såsom genopfyldning af pumpehjul, polering, eller skålforinger som måder at øge pumpens effektivitet på.

her er et andet eksempel: Konvertering til en 100 hk, 1800 RPM premium effektivitet fra en standard effektivitet elektrisk motor vil øge den fulde belastning effektivitet fra omkring 93% til 94.5%. Ved en fuldbelastet tilstand vil denne trinvise forbedring spare op til 1,27 kV, hvilket, når det ganges med 3000 driftstimer om året, vil resultere i en strømbesparelse på 3820 kV/time. ved $0,15 pr. kV/Time., dette er en potentiel besparelse i driftsomkostninger på $573 pr. år.

denne type besparelser er også mulig med skåleftermontering, hvor en forbedring fra en skåleffektivitet på 75% op til 83% ved en belastning på 50 HK (bremsehestekræft) kan spare op til 6,42 HK.

selv når man demonstrerer disse dokumenterede energibesparelser, er kunderne i mange tilfælde—især i vandingsindstillinger—ofte modstandsdygtige over for at investere omkostningerne ved en hel systemudskiftning eller opgradering, end de måtte være for en komponentudskiftning. Test og evaluering af enhedernes eller komponenternes individuelle effektivitet og derefter anbefale udskiftning eller reparation af disse specifikke elementer er ofte mere befordrende for en kundes budget end en hel systemudskiftning.

du vil stadig generere forretning og salg samt have tilfredshed sandsynligvis spare kunden nogle rigtige penge i sidste ende.

konklusion

da strømomkostningerne fortsætter med at stige hvert år, vil behovet for fuldt ud at overveje effektiviteten af hvert element i vores pumpesystemer også fortsætte med at stige. Formålet med denne kolonne er at minde dig om, hvor vigtig effektivitet er blevet i vores verden. Der er måder, du kan forbedre det med bare en lille tanke, samtidig med at du bevarer pumpesystemets effektivitet.

overvej alle mulighederne, uanset hvor ubetydelige de kan synes, og du kan finde de måske bare tilbyde nogle reelle udbytte for dig og din kunde.

indtil næste måned skal du arbejde sikkert og smart.

Ed Butts, PE, er chefingeniør ved 4b Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Han har mere end 40 års erfaring inden for vandbrøndbranchen med speciale i teknik og Forretningsstyring. Han kan nås på [email protected].