projektowanie wydajnych i efektywnych systemów pompowych

projektowanie wydajnych i efektywnych systemów pompowych

przegląd wszystkich opcji może pomóc ci zaoszczędzić energię i pieniądze dla Twoich klientów.

By Ed Butts, PE

projektowanie wydajnego systemu pompowego wykracza daleko poza dopasowanie najbardziej wydajnej pompy do warunków pracy lub głowicy systemu lub użycie napędu lub zaworu sterującego o zmiennej częstotliwości dla zmiennych wymagań.

to dopiero początek. W dzisiejszym świecie niezliczona ilość urządzeń mechanicznych i elektrycznych dostępnych dla projektanta i instalatora, w połączeniu z ugruntowanymi, a także nowymi zasadami i wytycznymi projektowymi, sprawia, że projektowanie wydajnego i efektywnego systemu pompowego jest jednym z najważniejszych elementów pompowni.

w tym miesiącu przeglądamy wcześniejsze pomysły na dobry projekt pompy lub stacji pomp wraz z obecnymi kryteriami zmieniającymi reguły, które projektanci powinni rozważyć dla praktycznie wszystkich zastosowań pompowania.

Definiowanie sprawnego i efektywnego systemu

efektywność: to pojedyncze słowo ma różne znaczenia dla różnych ludzi, ale nigdy nie miało większej ważności i wartości niż w dzisiejszym świecie z ciągle rosnącymi kosztami energii.

dla typowego sprzedawcy wydajność oznacza przekonanie Cię, że ich produkt dostarczy więcej czegoś za mniej pieniędzy. Dla inżynierów wydajność oznacza uzyskanie pewnego rodzaju końcowego rezultatu, niezależnie od tego, czy jest to praca, czy produkt przy najmniejszym wysiłku, a tym samym kosztach.

efektywność jest zasadniczo różnicą między teoretycznym wynikiem a faktycznym wynikiem zadania, wysiłku lub procesu. W branży studni wodnych wydajność zwykle odnosi się do wydajności elektrycznej, mechanicznej lub chemicznej—i istnieją sposoby na poprawę każdego typu.

wraz z wydajnością projektanci systemów wodnych muszą zapewnić skuteczność ich projektu. Oznacza to po prostu, że system pompowy musi nie tylko skutecznie dostarczać wodę, ale również przy odpowiednim przepływie i ciśnieniu—innymi słowy, skutecznie.

w przypadku systemu pompowego jego skuteczność zawsze zaczyna się od określenia szybkości lub objętości wody potrzebnej do dostarczenia w określonym czasie. Może to trwać 24 godziny w przypadku średniego dziennego zapotrzebowania systemu wodnego lub zaledwie 20 minut w przypadku szczytowego zapotrzebowania.

oczywiście zapewnia to niewielkie korzyści, a nawet mniejszy komfort, jeśli musisz poinformować swojego klienta, że ich nowy system pomp zapewnia 750 GPM przy najwyższej możliwej wydajności, gdy potrzebują 1000 GPM. Lub ich system nawadniania jest w stanie zastosować 2 cale wody ponad 50 akrów w ciągu 12 godzin, gdy klient zażądał systemu, który mógłby dostarczyć 1,75 cala wody ponad 90 akrów w ciągu ośmiu godzin.

Co Tak Naprawdę Oznacza Efektywność?

Słownik definiuje efficient jako „działanie w celu uzyskania efektu przy minimalnym marnotrawstwie lub wysiłku, lub wykazujące wysoki stosunek wydajności do danych wejściowych.”Obie części tej definicji mają oczywiście zastosowanie do przemysłu studni wodnych, mimo że każda część ma inne zastosowanie.

chociaż naszym celem w projektowaniu i stosowaniu jest opracowanie systemu o najwyższym poziomie wydajności operacyjnej—i w wielu przypadkach osiągnęliśmy te ulepszenia na wielu poziomach, ważne jest, aby pamiętać, że zawsze będzie jakaś utrata wydajności w każdym procesie lub wysiłku, niezależnie od jakichkolwiek ulepszeń, usprawnień lub ulepszonych projektów, które wprowadzamy do systemu.

wiele wzrostów wydajności danej maszyny lub procesu może być bezpośrednio skorelowanych z zapotrzebowaniem klientów lub interwencją rządu i regulacjami.

na przykład, ze względu na monitowanie ze strony działań Kongresu prowadzących do nowych standardów, zmienione Amerykańskie kodeksy dotyczące energii określają minimalne wymagania dotyczące energooszczędnego projektowania i budowy nowych i odnowionych budynków-wpływając na zużycie energii i emisje przez cały okres użytkowania budynku. Jest to szczególnie ważne, ponieważ budynki stanowią prawie 40% obecnego zużycia energii w USA, 65% zużycia energii elektrycznej i nieco ponad 10% zużycia wody.

ponieważ budynki są głównym źródłem zużycia energii w Stanach Zjednoczonych, konieczne jest przestrzeganie tych nowych przepisów, aby zapewnić, że spełniają wyższe standardy wydajności. Zastosowanie bardziej efektywnych metod i materiałów wcześniej podczas budowy budynku będzie kosztować ułamek tego, co będzie później, jeśli konieczna będzie modernizacja, aby pomóc zmniejszyć całkowite zużycie energii przez cały okres użytkowania budynku.

istnieją nowe kody energetyczne budynków zarówno dla budynków komercyjnych, jak i mieszkalnych, a także innych rodzajów zużycia energii.

uznając, że Silniki elektryczne stanowią największą grupę energii elektrycznej o pojedynczym zużyciu, przyjęto nowe przepisy—w tym atrakcyjne programy rabatowe—dotyczące modernizacji i wymiany starszych, mniej wydajnych silników na nowsze, bardziej wydajne silniki. Te nowe silniki mogą mieć bezpośrednie zastosowanie w pompach szybowych i pompach wspomagających.

oprócz ulepszeń, które możemy wprowadzić w nowszych silnikach elektrycznych, możemy również wprowadzić inne, pozornie drobne ulepszenia systemu lub komponentów. Te ulepszenia, w wielu przypadkach, mogą wydawać się tak niewielkie, że są nieistotne lub bezsensowne. Ale po uwzględnieniu żywotności urządzenia lub rocznych godzin pracy, mogą one łatwo dodać do oszczędności kosztów energii znacznie ponad początkowy koszt samej inwestycji.

chociaż poprawa wydajności systemu lub pompowni jest zwykle związana bezpośrednio z oszczędnością energii elektrycznej, istnieją różne metody peryferyjne, które również mogą oszczędzać energię, a tym samym zwiększać wydajność. Metody te są następujące.

metody operacyjne lub systemowe

• Wybierz pompownie do pracy poza szczytem lub w okresach zrzucania obciążenia, jeśli jest to możliwe. Okresy te, zwykle we wczesnych godzinach porannych lub późnych godzinach wieczornych, mogą zapewnić niższe koszty zużycia energii niż w każdej innej porze dnia. W zastosowaniach do napełniania zbiornika może to pozwolić na ponowne napełnienie zbiornika w okresie o stosunkowo niskim zużyciu, a tym samym głowicę wyładowczą.
• zastosowanie zaworu dławiącego inline w większości przypadków jest korzystne dla zrzucania wody. Chociaż wykorzystanie tego procesu musi być zweryfikowane dla konkretnej jednostki pompującej i danego systemu, wbudowany zawór dławiący na wylocie pompy do obniżonego natężenia przepływu zwykle zapewnia większe oszczędności energii niż recyrkulacja wody z powrotem do źródła lub w inny sposób marnowanie wody—oprócz zachowania tego cennego zasobu. Nigdy nie używaj zaworu dławiącego po stronie ssącej pompy.
• Zawsze używaj wysokiej jakości i dokładnych manometrów i przepływomierzy do śledzenia danych. Chociaż może się to wydawać bezmyślne, opracowanie i utrzymanie dokładnego i skutecznego procesu gromadzenia danych wymaga nie tylko dokładnych danych, ale konsekwentnie dokładnych danych. Różnice lub nieścisłości w metodzie zbierania danych mogą łatwo prowadzić do błędnych założeń i decyzji.
• rozważaj i rozliczaj straty energii bez pompowania. Po raz kolejny, wiele razy straty energii związane z nieistotnymi i niepowiązanymi funkcjami—takimi jak oświetlenie, ogrzewanie, chłodzenie lub transformatory utylizacyjne w stacji pomp-mogą wydawać się niewielkie lub nieistotne. Jednak gdy straty te rosną, na przykład w przypadku ciągłego oświetlenia lub ogrzewania, straty energii mogą stać się ekstremalne i zniekształcać inne koszty energii do celów pompowania.

Poprawa wydajności pompy

• zastosowanie elementów pomp o niskim tarciu hydraulicznym, takich jak brąz, porcelana i stal nierdzewna, spowoduje mniejszy opór w samej pompie, a tym samym niższe koszty pompowania. Określ C-10 / C-20 / C-30 polerowane wykończone na przejściach wirnika.
• mało znane sztuczki związane z wirnikami lub wolutami, takie jak pod lub zasypywanie łopatek, przycinanie języka spiralnego, wyważanie dynamiczne, mitowanie zewnętrznej krawędzi wirnika i polerowanie wirnika mogą zwiększyć wydajność o jeden lub dwa punkty, oszczędzając moc.
• Wybierz pompę, aby działała jak najbliżej punktu najlepszej wydajności (BEP) lub w oknie najlepszej wydajności (BEW) przez cały czas.
• popraw rurociągi, stosując większe rurociągi ssące i tłoczące niż jest to wymagane. Wyeliminowanie trójników, wiązek i ograniczonych rurociągów, jeśli jest to możliwe, Oraz zmiana lub użycie materiałów rurociągowych o najniższych współczynnikach tarcia, takich jak PCV lub żeliwo sferoidalne pokryte cementem nad stalą, może również przynieść korzyści systemowi.
• nawet modyfikacja zaworu sterującego, izolacyjnego lub zwrotnego na linii wylotowej pompy może przynieść długoterminowe dywidendy. W zależności od wielkości zaworu, natężenia przepływu i obciążenia, zmiana standardowego stylu zaworu sterującego inline z zaworem regulacyjnym o kącie lub wzorze wye może zaoszczędzić do 2-4 psi lub do 10 stóp utraty głowy podczas pracy. W przypadku zaworu używanego wyłącznie do izolacji stacji, użycie w pełni otwartego zaworu portowego (takiego jak sprężysty Zawór zasuwowy gniazda) zamiast zaworu z przeszkodą w linii (takiego jak nieocieplona wtyczka lub zawór motylkowy) może również obniżyć utratę głowicy przez zawór.
• zastosowanie wysokowydajnej powłoki na wirniku lub spirali lub w całym zespole bębna może zapewnić mniejsze tarcie Tarczowe Wirników, co skutkuje oszczędnością energii. Powłoka, taka jak Scotchkote 134 (SK134) Fusion bonded epoksydowa, może kosztować od 500 do 800 USD za etap aplikacji, ale może podnieść wydajność nawet o dwa do czterech punktów. W pompowni zaprojektowanej do 1000 GPM przy 300 stopach TDH może to skutkować oszczędnością mocy do czterech koni mechanicznych. Przy 4000 godzinach pracy rocznie może to skutkować oszczędnością energii o ponad 1200 w pierwszym roku.
• podczas projektowania nowych lub zamiennych jednostek do pompowania głębokich studni należy wziąć pod uwagę względną różnicę w wydajności bębna i silnika oraz żywotności między zanurzalnymi i pionowymi zespołami turbin. Chociaż inwestycja kapitałowa w zatapialny system pompowania będzie prawie zawsze mniejsza niż pionowa Jednostka turbiny o porównywalnej wielkości, łączna wydajność bębna i silnika będzie często o 10-15 punktów wyższa w przypadku pionowej jednostki turbiny. Na przykład w przypadku pompowni zaprojektowanej do 1000 GPM przy 300 stopach TDH różnica godzinowych kosztów pompowania może wynosić 1 USD.30 za godzinę lub 5200 USD za 4000 godzin (50%) okresu operacyjnego. Ponadto żywotność pionowej jednostki turbinowej jest często większa niż zanurzeniowa ze względu na niższą prędkość obrotową, ciepło silnika i dostępność. Oczywiście współczynniki te nie zawsze mają zastosowanie, więc projektant musi oceniać te czynniki indywidualnie.
• w przypadku pionowych pomp turbinowych sprawdzaj ustawienie bębna co najmniej raz w roku, aby zoptymalizować wydajność. W przypadku wirników półotwartych użyj wzmacniacza lub miernika mocy, aby zoptymalizować regulację bębna.

Silniki i sterowniki elektryczne

• do silników: Zwiększenie rozmiarów przewodów, optymalizacja napięć, Poprawa współczynnika mocy za pomocą kondensatorów, wykorzystanie silników o wysokiej wydajności, zapewnienie czystego i chłodnego środowiska pracy oraz zmniejszenie mocy silnika dla danego obciążenia może podnieść wydajność pompowni nawet o 5% dzięki zmianom elektrycznym.
• dla wszystkich kierowców (w tym przekładni): wymień olej i dodaj/wymień smar w zalecanych przez producenta częstotliwościach i odstępach czasu. Stosować masę i lepkość oleju i smaru zgodnie z wytycznymi producenta. Nie przepełniaj zbiorników oleju i utrzymuj poziom oleju między niskim A wysokim poziomem podczas pracy. W przypadku przekładni chłodzonych wodą i silników chłodzonych płaszczem wodnym: sprawdź działanie i minimalne natężenie przepływu dla pętli chłodzenia wodą. Sprawdź temperaturę pracy napędu/silnika, aby sprawdzić, czy olej chłodzi się do zalecanych poziomów.
• dla silników rezerwowych: wykonywać co najmniej rutynowe ćwiczenia i coroczne badania eksploatacyjne. Niezależnie od godzin pracy wymieniaj olej co najmniej raz w roku. Obracać lub w inny sposób używać zmagazynowanego paliwa w celu utrzymania jakości. Jeśli to konieczne, użyj oleju napędowego o jakości przeciw woskowaniu lub dodatku, aby zapobiec woskowaniu przez długie okresy przechowywania. Sprawdź gotowość silnika za pomocą odpowiedniej funkcji Ładowarki akumulatorowej, podgrzewacza płaszcza, podgrzewacza wstępnego i świec żarowych (jeśli dotyczy). W przypadku silników głównych: wymienić olej i świece zapłonowe (gaz) w zalecanych przez producenta godzinach pracy;jako wytyczne należy stosować usługę heavy-duty. Przeprowadzaj kompresję i rozrząd co dwa lata, aby zweryfikować jednolitą funkcję cylindra.
• dla układów napędowych: sprawdzaj wyrównanie i smaruj Przeguby w odstępach zalecanych przez producenta. Do napędów taśmowych: Sprawdzaj napięcie i równomierne nakładanie pasa co najmniej raz w roku. Rozważ zastąpienie wielu pasów klinowych jednym serpentynem lub pasem zębatym.

Napędy O Zmiennej Częstotliwości i zawory regulacyjne

Napędy O Zmiennej Prędkości lub Częstotliwości (VFD), a także zawory modulujące ciśnienie szybko stały się preferowaną metodą oszczędzania energii i poprawy wydajności systemu. Jednak nie są one pozbawione swoich wad i ograniczeń, dlatego projektant musi zastosować i rozważyć specyficzne cechy, aby zapewnić najwyższą możliwą wydajność i przedłużyć żywotność systemu pompowego. Należą do nich następujące:

• podobnie jak w przypadku większości urządzeń elektronicznych, VFD nie dbają o ciepło. Ucierpi nie tylko żywotność urządzenia, ale także wydajność operacyjna. Z tych powodów należy przestrzegać właściwej wentylacji i chłodzenia.
• w przypadku stosowania z silnikami zanurzeniowymi lub innymi silnikami z długim kablem między silnikiem a napędem (ponad 50 stóp) może wystąpić stan znany jako napięcie fali odbitej. Oznacza to po prostu, że napęd może być narażony na zwrócony poziom napięcia odbity od silnika w wartościach setki razy wyższych niż znamionowa jest izolacja silnika. Różne urządzenia zabezpieczające, takie jak prostowniki, są używane do przeciwdziałania tym warunkom i powinny być wdrożone we wszystkich instalacjach z długimi przesunięciami kabli.
• przy doborze VFD należy wziąć pod uwagę rzeczywiste natężenie prądu, z którym urządzenie będzie musiało pracować, a nie tylko moc. Ponieważ silnik zanurzeniowy pobiera większy prąd niż porównywalny silnik Standardowy o mocy, dobór mocy dla koni mechanicznych może nie zapewnić odpowiedniej zdolności rezerwowej dla wyższego prądu. W wielu przypadkach zwiększenie wielkości jednostki o jeden może uchronić przed tym potencjałem. Jest to częsty problem w instalacjach modernizacyjnych.
• specyficzne typy instalacji, takie jak te na pionowym wałku drążkowym lub standardowych silnikach poziomych, mogą powodować pętle uziemienia lub łuki narzuconych napięć w łożyskach. Istnieją różne metody ochrony przed tym zjawiskiem, ale najbardziej niezawodna metoda polega na skutecznym i całkowitym uziemieniu i spajaniu napędu i silnika.
• w przypadku nowych lub modernizowanych zastosowań VFD sprawdź, czy redukcja prędkości pokrywa się z wybraną krzywą pompy i czy przy zmniejszonych prędkościach stosuje się oszczędność energii. Strome krzywe pompy są na ogół bardziej uzasadnione i korzystne w przypadku stosowania Z VFD niż zastosowanie zaworów regulacji ciśnienia inline. Wyższy stopień oszczędności energii przy zmniejszonych natężeniach przepływu zwykle występuje, gdy zawór regulacji ciśnienia inline jest stosowany do pompy o płaskiej krzywej, ponieważ moc ma tendencję do spadku ponad proporcjonalny spadek natężenia przepływu.

Korzystanie z oprogramowania do projektowania pomp

ponieważ techniki modelowania komputerowego nadal ulepszają i działają w naszym codziennym życiu, wzrasta również potrzeba rozważenia zastosowania programów doboru pomp. Według moich obliczeń, istnieje obecnie pięć ogólnych opcji wyboru oprogramowania pompy i niezliczone programy wyboru producenta.

chociaż zawsze byłem wytarty i wysuszony w wełnie, jeśli chodzi o wybór pompy z katalogów i korzystanie z krzywych producenta, moje wykorzystanie programów selekcji znacznie wzrosło w ciągu ostatniej dekady, zwłaszcza teraz, gdy projektuję więcej systemów pompujących o zmiennym przepływie i warunkach głowicy.

chociaż nie zamierzam się reklamować, jestem bardzo zadowolony i pracuję z oprogramowaniem PumpFlo opracowanym przez Engineered Software Inc. Zacząłem od wersji I lata temu, a teraz pracuję z wersją X i jestem zadowolony ze sposobu, w jaki to oprogramowanie pozwala na wybór różnych pomp, wprowadzając warunki konstrukcyjne wydajności i głowicy lub bezpośrednio odnosząc się do konkretnego modelu pompy.

Chociaż wiem, że dostępnych jest wiele innych doskonałych programów do wyboru pomp, jestem jednym z dinozaurów, którzy wolą trzymać się czegoś, gdy działa to dla mnie (jest to ten sam powód, dla którego jestem żonaty od 40 lat!).

oprócz programów umożliwiających porównanie pomp różnych producentów, praktycznie wszyscy producenci pomp mają teraz własny program doboru lub są częścią oprogramowania doboru pomp, takiego jak PumpFlo, PumpCALC lub PumpBase. Większość programów wyboru umożliwia ocenę wielu prędkości, porównanie wydajności i mocy, ograniczenia krzywej pompy i wybory z różnymi wykończeniami i etapami, a także odpowiednie zmiany wydajności i mocy, z których każdy jest krytycznym parametrem w prawidłowym projektowaniu systemu pompowania wody.

ten typ funkcjonalności nie tylko przyspiesza wybór pompy odwiertu, ale także pomaga w dokładności i porównywaniu różnych modeli i marek, a także generowane komputerowo wydruki i krzywe wyglądają lepiej niż typ I niegdyś produkowany ręcznie. Chociaż korzystanie z oprogramowania do doboru pomp nie jest prawdopodobnie tak wydajne i konieczne w przypadku domowych pomp studniowych, z całego serca polecam stosowanie tej technologii dla większych zatapialnych i pionowych turbin oraz pomp wspomagających.

Jednostka lub składnik vs. Wydajność systemu

ponieważ hasło wydajności wciąż wkrada się do naszego codziennego życia zawodowego z coraz większą częstotliwością, jako projektanci systemów wodnych musimy uznać znaczenie wyciskania większej ilości pracy za mniej energii jako sposobu nie tylko na zaoszczędzenie ważnych kosztów operacyjnych dla naszych klientów, ale także na zachowanie ograniczonych zasobów naturalnych na świecie.

jednym ze sposobów, w jaki możemy pomóc w tym przedsięwzięciu, jest Ocena i poprawa wydajności zarówno systemu, jak i komponentów.

wydajność systemu jest najbardziej oczywistym i widocznym czynnikiem przyczyniającym się do ogólnej wydajności i kosztów operacyjnych, a ten, którym jesteśmy na ogół najbardziej zaniepokojeni. W systemach wodnych potocznie jest to powszechnie określane jako wydajność drutu do wody lub pompowni. To właśnie wydajność netto, składająca się z indywidualnych strat w całym systemie, razem tworzą końcową wydajność instalacji.

z drugiej strony, sprawność jednostki, znana również jako sprawność komponentu, jest względną sprawnością jednego konkretnego lub pojedynczego elementu w większym zgrupowanym systemie. Może to być wydajność pompy, sterownika lub przekładni, a nawet wydajność pojedynczego elementu w całym zespole, taka jak wewnętrzne straty hydrauliczne w wirniku lub tarcie łożyska dla jednego etapu w wielostopniowej pionowej pompie turbinowej, które stanowią oddzielną część ogólnej wydajności bębna.

Wiele osób uważa, że sprawność systemu jest jedynym ważnym czynnikiem, ale nie zgadzam się. W wielu przypadkach stosowanie stopniowych ulepszeń wydajności jednostki lub komponentu może być znacznie bardziej opłacalne niż hurtowe zmiany całego systemu. To jest powód, dla którego używam tanich, ale skutecznych metod, takich jak zasypywanie wirnika, polerowanie lub okładziny miski jako sposobów na zwiększenie wydajności pompy.

oto kolejny przykład: Konwersja na 100 km, 1800 RPM premium efficiency ze standardowego silnika elektrycznego zwiększy sprawność pełnego obciążenia z około 93% do 94.5%. Przy pełnym obciążeniu ta stopniowa poprawa pozwoli zaoszczędzić do 1,27 kW, co po pomnożeniu przez 3000 godzin pracy rocznie spowoduje oszczędność energii w wysokości 3820 kW / godz. Przy 0,15 USD za kW / godz., jest to potencjalne oszczędności w kosztach operacyjnych w wysokości 573 USD rocznie.

ten rodzaj oszczędności jest również możliwy przy modernizacji bębna, gdzie poprawa wydajności bębna o 75% do 83% przy obciążeniu 50 km (moc hamulca) może zaoszczędzić do 6,42 km.

nawet w przypadku wykazania tych sprawdzonych oszczędności energii, w wielu przypadkach—szczególnie w instalacjach nawadniających—klienci często są odporni na zainwestowanie kosztów wymiany lub modernizacji całego systemu niż w przypadku wymiany podzespołów. Testowanie i ocena indywidualnej wydajności jednostek lub komponentów, a następnie zalecanie wymiany lub naprawy tych konkretnych elementów jest często bardziej korzystne dla budżetu klienta niż wymiana całego systemu.

nadal będziesz generować biznes i sprzedaż, a także będziesz miał satysfakcję z prawdopodobnie zaoszczędzenia klientowi prawdziwych pieniędzy.

podsumowanie

wraz ze wzrostem kosztów energii z roku na rok rośnie również potrzeba pełnego uwzględnienia wydajności każdego elementu w naszych systemach pompowych. Celem tej kolumny jest przypomnienie, jak ważna stała się efektywność w naszym świecie. Istnieją sposoby, które można poprawić za pomocą odrobiny myśli, jednocześnie zachowując skuteczność systemu pompowego.

rozważ wszystkie możliwości, bez względu na to, jak nieistotne mogą się wydawać, a może się okazać, że mogą po prostu zaoferować prawdziwe dywidendy dla Ciebie i Twojego klienta.

do następnego miesiąca pracuj bezpiecznie i mądrze.

Ed Butts, PE, jest głównym inżynierem w 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Ma ponad 40-letnie doświadczenie w branży studni wodnych, specjalizując się w inżynierii i zarządzaniu przedsiębiorstwem. Można do niego dotrzeć na [email protected].