proiectarea sistemelor de pompare eficiente și eficiente

proiectarea sistemelor de pompare eficiente și eficiente

privind toate opțiunile vă poate ajuta să economisiți energie și bani pentru clienții dvs.

de Ed Butts, PE

proiectarea unui sistem eficient de pompare depășește cu mult potrivirea celei mai eficiente pompe cu condițiile de funcționare sau de cap de sistem sau utilizarea unei unități de frecvență variabilă sau a unei supape de control pentru cerințe variabile.

acestea sunt doar punctele de plecare. În lumea de astăzi, multitudinea de echipamente mecanice și electrice disponibile proiectantului și instalatorului, combinate cu reguli și orientări de proiectare bine stabilite și, de asemenea, noi, fac ca proiectarea unui sistem de pompare eficient și eficient să fie două dintre cele mai importante elemente ale unei instalații de pompare.

în această lună, revizuim ideile anterioare de proiectare a unei pompe bune sau a unei stații de pompare, împreună cu criteriile actuale de schimbare a regulilor pe care designerii ar trebui să le ia în considerare pentru aproape toate aplicațiile de pompare.

definirea unui sistem eficient și eficace

eficiență: acest singur cuvânt are semnificații diferite pentru oameni diferiți, dar niciodată cuvântul nu a avut mai multă valabilitate și valoare decât în lumea de astăzi, cu costuri de energie în continuă creștere.

pentru agentul de vânzări tipic, eficiența înseamnă a vă convinge produsul lor va livra mai mult de ceva pentru mai puțin de bani. Pentru ingineri, eficiența înseamnă producerea unui anumit tip de rezultat final, indiferent dacă are ca rezultat munca sau un produs cu cel mai mic efort și, prin urmare, costuri.

eficiența este practic diferența dintre un rezultat teoretic și rezultatul real al unei sarcini, efort sau proces. În afacerea cu puțuri de apă, eficiența se aplică de obicei eficienței electrice, mecanice sau chimice—și există modalități de îmbunătățire a fiecărui tip.

împreună cu eficiența, proiectanții sistemului de apă trebuie să se asigure că designul lor este eficient. Acest lucru înseamnă pur și simplu că sistemul de pompare nu trebuie doar să livreze apă eficient, ci și la debitul și presiunea corespunzătoare—cu alte cuvinte, eficient.

pentru un sistem de pompare, eficacitatea acestuia începe întotdeauna cu determinarea vitezei sau volumului de apă necesar pentru a fi livrat într-o perioadă de timp predeterminată. Aceasta poate fi pe o perioadă de 24 de ore pentru cererea medie zilnică a unui sistem de apă sau mai puțin de 20 de minute pentru Cererea de vârf.

evident, oferă puține beneficii și chiar mai puțin confort, dacă trebuie să informați clientul noul sistem de pompe oferă 750 GPM la cea mai mare eficiență posibilă atunci când au nevoie de 1000 GPM. Sau sistemul lor de irigare este capabil să aplice 2 inci de apă peste 50 de acri în 12 ore când clientul a solicitat un sistem care ar putea livra 1,75 inci de apă peste 90 de acri în opt ore.

Ce Înseamnă Cu Adevărat Eficiența?

Dicționarul definește eficient ca „acționând pentru a produce un efect cu un minim de deșeuri sau efort sau prezentând un raport ridicat de ieșire la intrare.”Ambele părți ale acestei definiții se aplică în mod evident industriei puțurilor de apă, chiar dacă fiecare parte are o aplicație diferită.

deși scopul nostru în proiectare și aplicare este de a dezvolta un sistem cu cel mai înalt nivel de eficiență operațională—și în multe cazuri am obținut aceste îmbunătățiri pe mai multe niveluri—este important să ne amintim că va exista întotdeauna o pierdere de eficiență în orice proces sau efort, indiferent de orice îmbunătățiri, raționalizare sau proiectare îmbunătățită pe care le punem în sistem.

multe dintre creșterile eficienței unei mașini sau a unui proces dat pot fi corelate direct cu cererea clienților sau cu intervenția și reglementarea guvernului.

de exemplu, ca urmare a solicitării de la acțiunea Congresului care să conducă la noi standarde, codurile revizuite din SUA referitoare la energie stabilesc cerințe minime pentru proiectarea și construcția eficientă din punct de vedere energetic pentru clădirile noi și renovate-cu impact asupra consumului de energie și a emisiilor pe durata de viață a clădirii. Acest lucru este deosebit de important, deoarece clădirile reprezintă aproape 40% din consumul actual de energie din SUA, 65% din consumul de energie electrică și puțin mai mult de 10% din consumul de apă.

cu clădirile o sursă principală de utilizare a energiei în Statele Unite, este imperativ ca clădirile să respecte aceste noi coduri pentru a se asigura că îndeplinesc standardul de eficiență mai mare. Utilizarea unor metode și materiale mai eficiente mai devreme la construirea unei clădiri va costa o fracțiune din ceea ce vor face mai târziu dacă este necesară o modernizare pentru a ajuta la reducerea consumului total de energie pe durata de viață a clădirii.

există noi coduri energetice pentru clădiri atât pentru clădirile comerciale și rezidențiale, cât și pentru alte tipuri de utilizare a energiei.

recunoscând că motoarele electrice reprezintă cel mai mare grup de consum unic de energie electrică, au fost adoptate noi reglementări—inclusiv programe atractive de reducere—pentru modernizarea și înlocuirea motoarelor mai vechi mai puțin eficiente cu motoare mai noi mai eficiente. Aceste motoare noi pot avea o aplicație directă pe aplicațiile pompei și pompei de rapel.

dincolo de îmbunătățirile pe care le putem face cu motoarele electrice mai noi, există și alte îmbunătățiri aparent minore ale sistemului sau componentelor pe care le putem face. Aceste îmbunătățiri, în multe cazuri, pot părea atât de minore încât să fie nesemnificative sau lipsite de sens. Dar atunci când sunt luate în considerare durata de viață a unității sau a orelor de funcționare anuale, acestea pot adăuga cu ușurință o economie de costuri energetice mult peste costul inițial al investiției în sine.

deși îmbunătățirea eficienței unui sistem sau a unei instalații de pompare este de obicei legată direct de economiile de energie electrică, Există diverse metode periferice care pot, de asemenea, să economisească energie—și, prin urmare, să crească eficiența. Aceste metode sunt următoarele.

metode operaționale sau de sistem

• selectați instalațiile de pompare pentru a funcționa în perioadele de vârf sau de descărcare a sarcinii, atunci când este posibil. Aceste perioade, de obicei dimineața devreme sau seara târziu, pot oferi costuri mai mici ale consumului de energie decât în orice alt moment al zilei. În aplicațiile de umplere a rezervorului, acest lucru poate permite reumplerea rezervorului într-o perioadă cu un consum relativ scăzut și, astfel, capul de descărcare.
• utilizarea unei supape de limitare în linie, în majoritatea cazurilor, este avantajoasă pentru vărsarea apei. Deși utilizarea acestui proces trebuie verificată pentru unitatea și sistemul de pompare specific implicat, o supapă de limitare în linie pe descărcarea unei pompe la un debit redus va oferi, de obicei, economii de energie mai mari decât recircularea apei înapoi la sursă sau irosirea apei în alt mod—pe lângă conservarea acestei resurse prețioase. Nu folosiți niciodată o supapă de accelerație pe partea de aspirație a unei pompe.
• utilizați întotdeauna manometre și debitmetre de înaltă calitate și precise pentru urmărirea datelor. Chiar dacă acest lucru poate părea ca un nu-brainer, dezvoltarea și menținerea unui proces precis și eficient de colectare a datelor necesită nu numai date exacte, dar în mod constant date exacte. Variațiile sau inexactitățile în metoda de colectare a datelor pot duce cu ușurință la ipoteze și decizii greșite.
• luați în considerare și luați în considerare pierderile de energie care nu pompează. Încă o dată, de multe ori pierderile de energie asociate cu funcții non-vitale și fără legătură—cum ar fi iluminatul, încălzirea, răcirea sau transformatoarele de utilizare dintr—o stație de pompare-pot părea minore sau nesemnificative. Dar, pe măsură ce aceste pierderi cresc, cum ar fi pentru iluminare continuă sau încălzire, pierderile de energie pot deveni extreme și pot denatura alte costuri de energie în scopuri de pompare.

îmbunătățirea eficienței pompei

• utilizarea componentelor pompei cu frecare hidraulică redusă, cum ar fi bronzul, porțelanul și oțelul inoxidabil, va determina o rezistență mai mică în interiorul pompei și, astfel, costuri mai mici de pompare. Specificați un C-10/C-20 / C-30 finisat lustruit pe pasajele rotorului.
• trucuri puțin cunoscute pentru rotoare sau volute, cum ar fi sub sau umplerea paletelor, tăierea limbii volute, echilibrarea dinamică, tăierea marginii exterioare a rotorului și lustruirea rotorului pot crește eficiența unul sau două puncte, economisind cai putere.
• selectați Pompa pentru a funcționa cât mai aproape posibil de punctul best efficiency (BEP) sau în fereastra best efficiency (BEW) în orice moment.
• îmbunătățiți conductele utilizând conducte de aspirație și evacuare mai mari decât este necesar. Eliminarea teurilor, ell-urilor și a conductelor restricționate acolo unde este posibil și schimbarea sau utilizarea materialelor de conducte cu cei mai mici factori de frecare, cum ar fi PVC sau fontă ductilă căptușită cu ciment peste oțel, pot beneficia, de asemenea, de un sistem.
• chiar și modificarea unei supape de control, izolare sau reținere pe linia de descărcare a pompei poate plăti dividende pe termen lung. În funcție de dimensiunea supapei, debitul și datoria, schimbarea unui stil glob standard de supapă de control inline cu un unghi sau tip de model wye de supapă de control poate economisi până la 2-4 psi sau până la 10 picioare de pierdere a capului în timpul funcționării. Pentru o supapă utilizată strict pentru izolarea stației, utilizarea unui tip de supapă de port complet deschis (cum ar fi o supapă de poartă rezistentă a scaunului), mai degrabă decât o supapă cu obstrucție în linie (cum ar fi un dop necăptușit sau o supapă fluture) poate reduce, de asemenea, pierderea capului prin supapă.
• utilizarea unui strat de acoperire de înaltă performanță pe un rotor sau volută sau pe întregul ansamblu al bolului poate oferi o frecare mai mică a discului rotoarelor, ceea ce duce la economii de energie. O acoperire precum Scotchkote 134 (SK134) Fusion bonded epoxy poate costa între 500 și 800 USD pe etapă pentru a se aplica, dar poate crește eficiența cu până la două până la patru puncte. Pe o unitate de pompare proiectată pentru 1000 GPM la 300 de picioare TDH, acest lucru poate duce la o economie de cai putere de până la patru cai putere de frână. La 4000 de ore pe an de funcționare, acest lucru poate duce la o economie de energie de peste 1200 USD numai în primul an.
• în timpul proiectării unităților de pompare noi sau de înlocuire a puțurilor adânci, luați în considerare diferența relativă în eficiența bolului și a motorului și durata de viață între unitățile de turbină submersibile și verticale. Deși investiția de capital a unui sistem de pompare submersibil va fi aproape întotdeauna mai mică decât o unitate de turbină verticală de dimensiuni comparabile, eficiența combinată a bolului și a motorului va fi adesea cu până la 10-15 puncte mai mare pentru unitatea de turbină verticală. De exemplu, cu o instalație de pompare proiectată pentru 1000 GPM la 300 de picioare TDH, diferența în costurile de pompare orare se poate ridica la 1 USD.30 pe oră sau 5200 USD pe o perioadă de funcționare de 4000 de ore (50%). În plus, durata de viață a unei unități de turbină verticală este adesea mai mare decât un submersibil datorită vitezei mai mici, căldurii motorului și accesibilității. Evident, aceste rapoarte nu se aplică întotdeauna, astfel încât proiectantul trebuie să evalueze acești factori de la caz la caz.
• pentru pompele cu turbină verticală, verificați setarea bolului cel puțin o dată pe an pentru a optimiza performanța. Pentru rotoarele semi-deschise, utilizați un amplificator sau un contor de putere pentru a optimiza reglarea bolului.

motoare electrice și drivere

• pentru motoare: Creșterea dimensiunilor firelor, optimizarea tensiunilor, îmbunătățirea factorului de putere cu condensatori, utilizarea motoarelor cu eficiență premium, asigurarea unui mediu de operare curat și rece și eliminarea puterii unui motor pentru o sarcină dată pot crește eficiența unei instalații de pompare cu până la 5% Doar prin modificări electrice.
• pentru toți șoferii (inclusiv angrenajele): înlocuiți uleiul și adăugați/înlocuiți grăsimea la frecvențele și intervalele recomandate de producător. Folosiți ulei și grăsime greutate și vâscozitate pe baza instrucțiunilor producătorului. Nu umpleți excesiv rezervoarele de ulei și mențineți nivelurile de ulei între nivelurile scăzute și cele ridicate în timpul funcționării. Pentru angrenajele răcite cu apă și Motoarele răcite cu manta de apă: verificați funcționarea și debitul minim pentru bucla de răcire cu apă. Verificați temperatura de funcționare a angrenajului/motorului pentru a verifica dacă uleiul se răcește la nivelurile prescrise.
• pentru motoarele de așteptare: efectuați exerciții de rutină și teste operaționale anuale cel puțin. Indiferent de orele de funcționare, înlocuiți uleiul cel puțin o dată pe an. Rotiți sau utilizați în alt mod combustibilul stocat pentru a menține calitatea. Dacă este necesar, utilizați motorină cu calitate anti-epilare sau aditiv pentru a preveni epilarea pe intervale lungi de depozitare. Verificați disponibilitatea motorului cu funcționarea corectă a încărcătorului de scurgere a bateriei, a încălzitorului jachetei, a preîncălzirii și a bujiilor incandescente (dacă este cazul). Pentru motoarele prime: înlocuiți uleiul și bujiile (gazul) la orele de funcționare recomandate de producător; utilizați serviciul greu ca ghid. Efectuați compresia și sincronizarea la fiecare doi ani pentru a verifica funcția uniformă a cilindrului.
• pentru transmisii: verificați alinierea și ungeți îmbinările în U la intervale recomandate de producător. Pentru transmisii cu curea: Verificați tensiunea curelei și aplicarea uniformă a curelei cel puțin o dată pe an. Luați în considerare înlocuirea mai multor curele În V cu o singură serpentină sau curea dințată.

unități de frecvență variabilă și supape de Control

unități de viteză variabilă sau de frecvență (VFDs), precum și supape de modulare a presiunii au devenit rapid o metodă favorizată pentru economiile de energie și îmbunătățirea eficienței sistemului. Cu toate acestea, ele nu sunt lipsite de dezavantajele și limitările lor, astfel încât proiectantul trebuie să utilizeze și să ia în considerare caracteristici specifice pentru a oferi cea mai mare eficiență posibilă și pentru a prelungi durata de viață a sistemului de pompare. Acestea includ următoarele:

• ca și în cazul majorității dispozitivelor electronice, VFD-urile nu au grijă de căldură. Nu numai că durata de viață a unității va suferi, ci și eficiența operațională. Din aceste motive, trebuie respectată ventilația și răcirea corespunzătoare.
• când se utilizează cu motoare submersibile sau alte motoare cu un cablu lung între motor și unitate (mai mult de 50 de picioare), poate apărea o afecțiune cunoscută sub numele de tensiune de undă reflectată. Aceasta înseamnă pur și simplu că unitatea poate fi expusă la un nivel returnat de tensiune returnat de la motor în valori de sute de ori mai mari decât este evaluată izolația motorului. Diferite dispozitive de protecție, cum ar fi redresoarele, sunt utilizate pentru a nega aceste condiții și ar trebui implementate pe toate instalațiile cu compensări lungi de cablu.
• când dimensionați un VFD, luați în considerare amperajul real cu care va trebui să funcționeze unitatea, nu doar puterea. Deoarece un motor submersibil va atrage un curent mai mare decât un motor standard de cai putere comparabil, dimensionarea pentru cai putere poate să nu ofere o capacitate de rezervă adecvată pentru curentul mai mare. În multe cazuri, creșterea dimensiunii unității cu una poate proteja împotriva acestui potențial. Aceasta este o problemă comună privind instalațiile de modernizare.
• tipurile specifice de instalații, cum ar fi cele de pe arborele vertical gol sau motoarele orizontale standard, pot duce la bucle de împământare sau la arcuirea tensiunilor impuse în interiorul lagărelor. Există diverse metode de protecție împotriva acestui eveniment, dar cea mai fiabilă metodă implică împământarea și legarea eficientă și completă a unității și a motorului.
• pentru aplicații VFD noi sau modernizate, verificați dacă reducerea vitezei coincide cu curba selectată a pompei și dacă economiile de energie se aplică la viteze reduse. Curbele abrupte ale pompei sunt, în general, mai justificate și favorabile atunci când sunt utilizate cu VFD-uri decât utilizarea supapelor de control al presiunii în linie. Un grad mai mare de economii de energie la debite reduse va apărea de obicei atunci când o supapă de control al presiunii în linie este aplicată unei pompe cu o curbă plană, deoarece puterea va tinde să scadă peste o scădere proporțională a debitului.

Utilizarea Software-ului de proiectare a pompei

pe măsură ce tehnicile de modelare pe computer continuă să se îmbunătățească și să lucreze în viața noastră de zi cu zi, crește și necesitatea de a lua în considerare utilizarea programelor de selecție a pompei. După numărul meu, există în prezent cinci opțiuni generice de software de selecție a pompei și nenumărate programe de selecție a producătorului.

deși am fost întotdeauna un cronometru tăiat și uscat în lână când vine vorba de selectarea unei pompe din cataloage și prin utilizarea curbelor producătorului, utilizarea programelor de selecție a crescut foarte mult în ultimul deceniu, mai ales acum că proiectez mai multe sisteme de pompare cu debit variabil și condiții de cap.

deși nu intenționez să fac publicitate, sunt destul de mulțumit și lucrez cu software-ul PumpFlo dezvoltat de Engineered Software Inc. Am început cu versiunea i cu ani în urmă și acum lucrez cu versiunea X și sunt mulțumit de modul în care acest software permite selectarea diferitelor pompe prin introducerea condițiilor de proiectare a capacității și a capului sau referindu-se direct la un model specific de pompă.

chiar dacă știu că există multe alte programe excelente de selecție a pompelor disponibile, sunt unul dintre dinozaurii care preferă să rămână cu ceva atunci când funcționează pentru mine (acesta este același motiv pentru care sunt căsătorit de 40 de ani!).

în plus față de programele care permit compararea pompelor de la diferiți producători, practic toți producătorii de pompe au acum propriul program de selecție sau fac parte dintr-un software de selecție a pompei, cum ar fi PumpFlo, PumpCALC sau PumpBase. Majoritatea programelor de selecție permit evaluarea cu mai multe viteze, Compararea eficienței și a puterii, limitările curbei pompei și selecțiile cu diferite ornamente și etape, împreună cu modificările corespunzătoare ale eficienței și tragerii de cai putere, fiecare fiind un parametru critic în proiectarea corectă a unui sistem de pompare a apei.

acest tip de funcționalitate nu numai că accelerează selectarea unei pompe de puț, dar ajută și la precizia și compararea diferitelor modele și mărci, plus imprimările și curbele generate de computer arată mai bine decât tipul pe care l-am produs odată manual. Deși utilizarea unui software de selecție a pompei nu este probabil la fel de eficientă și necesară cu pompele de puțuri domestice, recomand din toată inima utilizarea acestei tehnologii pentru pompe submersibile și verticale mai mari cu turbină și pompe de rapel.

unitate sau componentă vs. Eficiența sistemului

deoarece cuvântul cheie al eficienței continuă să se strecoare în viața noastră de zi cu zi cu o frecvență din ce în ce mai mare, trebuie să recunoaștem ca proiectanți ai sistemelor de apă importanța stoarcerii mai multă muncă pentru mai puțină energie ca o modalitate nu numai de a economisi costurile operaționale importante ale clientului nostru, ci și de a conserva resursele naturale limitate ale lumii noastre.

una dintre multele modalități prin care putem ajuta în acest demers este evaluarea și îmbunătățirea atât a eficienței sistemului, cât și a componentelor.

eficiența sistemului este cel mai evident și mai evident factor care contribuie la eficiența generală și la costurile de operare și cel de care suntem în general cei mai preocupați. În sistemele de apă vernaculare, este denumit în mod obișnuit eficiența instalației de pompare a apei sau a apei. Eficiența netă, compusă din pierderile individuale din întregul sistem, este cea care, împreună, creează eficiența finală a instalației.

pe de altă parte, eficiența unității, cunoscută și sub numele de eficiență a componentelor, este eficiența relativă a unui element specific sau individual din cadrul sistemului grupat mai mare. Ar putea fi pompa, șoferul sau eficiența transmisiei sau chiar eficiența unei singure componente din cadrul unității globale, cum ar fi pierderile hidraulice interne din cadrul unui rotor sau fricțiunea rulmentului pentru o etapă într-o pompă cu turbină verticală în mai multe etape, care sunt fiecare o parte separată a eficienței globale a bolului.

mulți oameni cred că eficiența sistemului este singurul factor important, dar nu sunt de acord. În multe cazuri, utilizarea îmbunătățirilor incrementale în eficiența unității sau a componentelor poate fi mult mai rentabilă decât modificările cu ridicata ale întregului sistem. Acesta este motivul pentru care folosesc metode ieftine, dar eficiente, cum ar fi umplerea rotorului, lustruirea sau căptușelile bolului, ca modalități de creștere a eficienței pompei.

Iată un alt exemplu: Convertirea la o eficiență premium de 100 CP și 1800 RPM de la un motor electric cu eficiență standard va crește eficiența sarcinii complete de la aproximativ 93% la 94,5%. La o stare încărcată complet, această îmbunătățire incrementală va economisi până la 1,27 kW, care, înmulțită cu 3000 de ore de funcționare pe an, va duce la o economie de energie de 3820 kW/h. la 0,15 USD pe kW/h., aceasta este o economie potențială a costurilor de operare de 573 USD pe an.

acest tip de Economii este posibil și cu adaptări ale bolului, unde o îmbunătățire de la o eficiență a bolului de 75% până la 83% la o sarcină de 50 CP (cai putere de frână) poate economisi până la 6,42 CP.

chiar și atunci când demonstrează aceste economii de energie dovedite, în multe cazuri—în special cele din setările de irigare—clienții sunt adesea rezistenți să investească costul unei înlocuiri sau modernizări a întregului sistem decât ar putea fi pentru înlocuirea unei componente. Testarea și evaluarea eficienței individuale a unităților sau componentelor și apoi recomandarea înlocuirii sau reparării acestor elemente specifice este adesea mai favorabilă bugetului unui client decât înlocuirea întregului sistem.

veți genera în continuare afaceri și vânzări, precum și veți avea satisfacția de a salva probabil clientul niște bani reali în cele din urmă.

concluzie

deoarece costurile energiei electrice continuă să crească în fiecare an, necesitatea de a lua în considerare pe deplin eficiența fiecărui element din sistemele noastre de pompare va continua să crească. Scopul acestei coloane este de a vă reaminti cât de importantă a devenit eficiența în lumea noastră. Există modalități prin care îl puteți îmbunătăți doar cu puțină gândire, păstrând în același timp eficacitatea sistemului de pompare.

luați în considerare toate posibilitățile, indiferent cât de nesemnificative pot părea și puteți găsi că ar putea oferi doar câteva dividende reale pentru dvs. și clientul dvs.

până luna viitoare, lucrați în siguranță și inteligent.

Ed Butts, PE, este inginer șef la 4b Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Are peste 40 de ani de experiență în domeniul puțurilor de apă, specializându-se în inginerie și managementul afacerilor. El poate fi atins la [email protected].