designa effektiva och effektiva pumpsystem

designa effektiva och effektiva pumpsystem

titta på alla alternativ kan hjälpa dig att spara energi och pengar för dina kunder.

av Ed Butts, PE

att utforma ett effektivt pumpsystem går långt utöver att matcha den mest effektiva pumpen till drift eller systemhuvudförhållanden eller använda en frekvensomriktare eller reglerventil för variabla krav.

dessa är bara utgångspunkterna. I dagens värld gör den myriad av mekanisk och elektrisk utrustning som finns tillgänglig för konstruktören och installatören, i kombination med väletablerade och likaså nya designregler och riktlinjer, utformningen av ett effektivt och effektivt pumpsystem till två av de viktigaste elementen i en pumpanläggning.

den här månaden granskar vi tidigare tankar om bra pump-eller pumpstationsdesign tillsammans med dagens regelbytekriterier som designers bör överväga för praktiskt taget alla pumpapplikationer.

definiera ett effektivt och effektivt System

effektivitet: det enda ordet har olika betydelser för olika människor, men aldrig har ordet haft mer giltighet och värde än i dagens värld med ständigt stigande energikostnader.

till den typiska säljaren innebär effektivitet att övertyga dig om att deras produkt kommer att leverera mer av något för mindre av dina pengar. För ingenjörer innebär effektivitet att producera någon typ av slutresultat, oavsett om det resulterar i arbete eller en produkt med minst ansträngning och därmed kostnad.

effektivitet är i grunden skillnaden mellan ett teoretiskt resultat och det faktiska resultatet av en uppgift, ansträngning eller process. I vattenbrunnsbranschen gäller effektivitet vanligtvis elektrisk, mekanisk eller kemisk effektivitet—och det finns sätt att förbättra varje typ.

tillsammans med effektivitet måste vattensystemdesigners se till att deras design är effektiv. Detta innebär helt enkelt att pumpsystemet inte bara måste leverera vatten effektivt, utan vid lämpligt flöde och tryck—med andra ord effektivt.

för ett pumpsystem börjar dess effektivitet alltid med att bestämma hastigheten eller volymen av vatten som behövs för att leverera under en förutbestämd tidsperiod. Detta kan vara över en 24-timmarsperiod för ett vattensystems genomsnittliga dagliga efterfrågan eller så lite som 20 minuter för toppbehov.

uppenbarligen ger det liten nytta, och ännu mindre komfort, om du måste informera din klient deras nya pumpsystem levererar 750 GPM på högsta möjliga effektivitet när de behöver 1000 GPM. Eller deras bevattningssystem kan applicera 2 tum vatten över 50 hektar på 12 timmar när kunden begärde ett system som kunde leverera 1,75 tum vatten över 90 hektar på åtta timmar.

Vad Betyder Effektivitet Egentligen?

ordboken definierar effektiv som ”agerar för att producera en effekt med ett minimum av avfall eller ansträngning, eller uppvisar ett högt förhållande av utgång till ingång.”Båda delarna av denna definition gäller uppenbarligen vattenbrunnsindustrin även om varje del har en annan tillämpning.

även om vårt mål inom design och applikation är att utveckla ett system med högsta driftseffektivitet—och i många fall har vi uppnått dessa förbättringar på många nivåer—är det viktigt att komma ihåg att det alltid kommer att bli en viss förlust av effektivitet i alla processer eller ansträngningar oavsett eventuella förbättringar, effektivisering eller förbättrad design vi placerar i systemet.

många av effektivitetsökningarna för en viss maskin eller process kan direkt korreleras med kundernas efterfrågan eller statlig intervention och reglering.

till exempel, på grund av uppmaningar från kongressåtgärder som leder till nya standarder, ställer de reviderade amerikanska koderna relaterade till energi minimikrav för energieffektiv design och konstruktion för nya och renoverade byggnader-vilket påverkar energianvändning och utsläpp för byggnadens livslängd. Detta är särskilt viktigt eftersom byggnader står för nästan 40% av den nuvarande amerikanska energianvändningen, 65% av elförbrukningen och lite mer än 10% av vattenanvändningen.

med byggnader som en viktig energikälla i USA är det absolut nödvändigt att byggnader följer dessa nya koder för att säkerställa att de uppfyller den högre effektivitetsstandarden. Att använda effektivare metoder och material tidigare när man bygger en byggnad kommer att kosta en bråkdel av vad de kommer senare om en eftermontering behövs för att minska den totala energianvändningen under byggnadens livslängd.

det finns nya energikoder för både kommersiella byggnader och bostadshus samt andra typer av energianvändning.

att erkänna elmotorer står för den största enskilda konsumtionsgruppen för elkraft, nya regler—inklusive attraktiva rabattprogram—har antagits för eftermontering och byte av äldre mindre effektiva motorer med nyare effektivare motorer. Dessa nya motorer kan ha en direkt applikation på brunnspump och boosterpumpapplikationer.

utöver de förbättringar vi kan göra med nyare elmotorer finns det andra till synes mindre system-eller komponentförbättringar vi också kan göra. Dessa förbättringar kan i många fall tyckas vara så små att de är obetydliga eller meningslösa. Men när de räknas över enhetens livslängd eller årliga driftstimmar kan de lätt lägga till en energikostnadsbesparing långt över den ursprungliga kostnaden för själva investeringen.

även om förbättring av effektiviteten hos ett system eller pumpanläggning vanligtvis är knuten direkt till besparingar i elektrisk energi, finns det olika perifera metoder som också kan spara energi—och därmed öka effektiviteten. Dessa metoder är som följer.

drift-eller Systemmetoder

• Välj pumpanläggningar som ska användas under perioder utanför topp eller belastning när det är möjligt. Dessa perioder, vanligtvis under tidigt på morgonen eller sent på kvällen, kan ge lägre energiförbrukningskostnader än vid någon annan tidpunkt på dagen. I reservoarfyllningsapplikationer kan detta möjliggöra påfyllning av behållaren under en period med relativt låg förbrukning och därmed urladdningshuvudet.
• att använda en inline-gasventil är i de flesta fall fördelaktigt för vattenavfall. Även om användningen av denna process måste verifieras för den specifika pumpenheten och systemet som är involverat, kommer en inline—gasventil på en pumps urladdning till en sänkt flödeshastighet vanligtvis att ge större energibesparingar än att återcirkulera vattnet tillbaka till källan eller på annat sätt slösa bort vattnet-förutom att bevara denna värdefulla resurs. Använd aldrig en gasreglage på pumpens sugsida.
• använd alltid högkvalitativa och exakta tryckmätare och flödesmätare för att spåra data. Även om detta kan verka som en no-brainer, kräver utveckling och underhåll av en korrekt och effektiv datainsamlingsprocess inte bara exakta data utan konsekvent exakta data. Variationer eller felaktigheter i datainsamlingsmetoden kan lätt leda till felaktiga antaganden och beslut.
• överväga och redogöra för icke-pumpande energiförluster. Återigen kan energiförlusterna i samband med icke-vitala och orelaterade funktioner—som belysning, uppvärmning, kylning eller utnyttjandetransformatorer inom en pumpstation—många gånger vara mindre eller obetydliga. Men eftersom dessa förluster monteras, till exempel för kontinuerlig belysning eller uppvärmning, kan energiförlusterna bli extrema och snedvrida andra energikostnader för pumpändamål.

förbättra pumpens effektivitet

• användningen av pumpkomponenter med låg hydraulisk friktion som brons, porslin och rostfritt stål kommer att orsaka lägre drag i själva pumpen och därmed lägre pumpkostnader. Ange en C-10/C-20 / C-30 polerad färdig på pumphjulspassager.
• lite kända knep för impellrar eller voluter, såsom under-eller återfyllning av skovlar, trimning av volutungan, dynamisk balansering, mitering av pumphjulets ytterkant och pumphjulspolering kan öka effektiviteten en eller två punkter, vilket sparar hästkrafter.
• Välj pumpen för att arbeta så nära bästa effektivitetspunkt (BEP) som möjligt eller inom bästa effektivitetsfönster (BEW) hela tiden.
• förbättra rörledningar genom att använda större sug-och utloppsrör än vad som krävs. Att eliminera tees, ells och begränsade rörledningar där det är möjligt och byta eller använda rörmaterial med de lägsta friktionsfaktorerna, såsom PVC eller cementfodrad segjärn över stål, kan också gynna ett system.
• även modifiering av en kontroll -, isolerings-eller backventil på pumpens utloppsledning kan betala långsiktiga utdelningar. Beroende på ventilstorlek, flödeshastighet och plikt kan byte av en standard globe-stil med inline-reglerventil med en vinkel-eller wye-Mönstertyp av reglerventil spara upp till 2-4 psi eller upp till 10 fot huvudförlust under drift. För en ventil som används strikt för isolering av stationen kan användning av en helt öppen portventiltyp (t.ex. en fjädrande sätesgrindventil) snarare än en ventil med en inline-obstruktion (t. ex. en ofodrad plugg eller fjärilsventil) också sänka huvudförlusten genom ventilen.
• användning av en högpresterande beläggning på ett pumphjul eller Volut eller genom en skålaggregat kan ge lägre skivfriktion till pumphjulen, vilket resulterar i energibesparingar. En beläggning som Scotchkote 134 (SK134) fusionsbunden epoxi kan kosta mellan $500-$800 per steg att applicera men kan öka effektiviteten med så mycket som två till fyra punkter. På en pumpenhet konstruerad för 1000 GPM vid 300 fot TDH kan detta resultera i en hästkraftsbesparing på upp till fyra bromshästkrafter. Vid 4000 timmar per driftsår kan detta resultera i en energibesparing på mer än $1200 bara under det första året.
• under utformningen av nya eller ersättande djupbrunnspumpenheter, överväga den relativa skillnaden i skål och motoreffektivitet och livslängd mellan nedsänkbara och vertikala turbinenheter. Även om kapitalinvesteringen av ett dränkbart pumpsystem nästan alltid kommer att vara mindre än en vertikal turbinenhet med jämförbar storlek, kommer skålens och motorns kombinerade effektivitet ofta att vara upp till 10-15 poäng högre för den vertikala turbinenheten. Till exempel, med en pumpanläggning konstruerad för 1000 GPM vid 300 fot TDH, kan skillnaden i timpumpningskostnader uppgå till $1.30 per timme eller $5200 per en 4000-timmars (50%) driftsperiod. Dessutom är livslängden för en vertikal turbinenhet ofta större än en nedsänkbar på grund av lägre hastighet, motorvärme och tillgänglighet. Självklart gäller dessa förhållanden inte alltid, så designern måste utvärdera dessa faktorer från fall till fall.
• för vertikala turbinpumpar, kontrollera skålinställningen minst en gång om året för att optimera prestanda. För halvöppna impellrar, använd en förstärkare eller effektmätare för att optimera skålinställningen.

elektriska motorer och drivrutiner

• för motorer: Att öka trådstorlekarna, optimera spänningar, förbättra effektfaktorn med kondensatorer, använda premiumeffektivitetsmotorer, ge en ren och sval driftsmiljö och avklassificering av en Motors hästkrafter för en given belastning kan öka effektiviteten hos en pumpanläggning med så mycket som 5% genom elektriska förändringar ensamma.
• för alla drivrutiner (inklusive växellådor): Byt ut olja och tillsätt/byt ut fett vid tillverkarens rekommenderade frekvenser och intervall. Använd olja och fett vikt och viskositet baserat på tillverkarens riktlinjer. Överfyll inte oljereservoarer och behåll oljenivåerna mellan låga och höga nivåer under drift. För vattenkylda växlar och vattenmantelkylda motorer: kontrollera drift och minsta flödeshastighet för vattenkylningsslinga. Kontrollera driftens / motorns driftstemperatur för att kontrollera att oljan kyls till föreskrivna nivåer.
• för standby-motorer: utför rutinmässig träning och årliga driftstester på ett minimum. Oavsett driftstimmar, byt ut olja en gång om året till ett minimum. Rotera eller på annat sätt använda lagrat bränsle för att bibehålla kvaliteten. Använd vid behov dieselbränsle med antivaxkvalitet eller tillsats för att förhindra vaxning under långa lagringsintervall. Kontrollera motorns beredskap med korrekt funktion av batteriladdare, jackvärmare, förvärmning och glödstift (om tillämpligt). För huvudmotorer: Byt ut olja och tändstift (gas) vid tillverkarens rekommenderade driftstimmar; använd tung service som riktlinje. Utför kompression och timing vartannat år för att verifiera enhetlig cylinderfunktion.
• för drivlinor: kontrollera inriktningen och smörj U-lederna med tillverkarens rekommenderade intervall. För remdrivningar: Verifiera bältesspänning och enhetlig bältesapplikation minst en gång om året. Överväg att byta ut flera kilremmar med en enda serpentin eller kuggrem.

frekvensomriktare och reglerventiler

variabel hastighet eller frekvensomriktare (VFD) samt tryckmodulerande ventiler har snabbt blivit en gynnad metod för energibesparingar och förbättrad systemeffektivitet. De är dock inte utan sina nackdelar och begränsningar, så konstruktören måste använda och överväga specifika funktioner för att ge högsta möjliga effektivitet och förlänga pumpsystemets livslängd. Dessa inkluderar följande:

• som med de flesta elektroniska enheter bryr sig inte VFDs om värme. Inte bara kommer enhetens livslängd att lida men driftseffektiviteten kommer också. Av dessa skäl måste korrekt ventilation och kylning observeras.
• vid användning med nedsänkbara motorer eller andra motorer med en lång kabelkörning mellan motorn och enheten (mer än 50 fot) kan ett tillstånd som kallas reflekterad vågspänning uppstå. Detta betyder helt enkelt att enheten kan utsättas för en returnerad spänningsnivå som studsas tillbaka från motorn i värden hundratals gånger högre än motorns isolering är klassad för. Olika skyddsanordningar, såsom likriktare, används för att negera dessa förhållanden och bör implementeras på alla installationer med långa kabelförskjutningar.
• vid dimensionering av en VFD, överväga den faktiska strömstyrkan som enheten behöver arbeta med, inte bara hästkraften. Eftersom en dränkbar motor kommer att dra högre ström än en jämförbar hästkrafter standardmotor, dimensionering för hästkrafter kanske inte ger en tillräcklig reservkapacitet för högre ström. I många fall kan en ökning av enhetens storlek skydda mot denna potential. Detta är en vanlig fråga om eftermonteringsinstallationer.
• specifika typer av installationer, såsom de på vertikal ihålig axel eller standard horisontella motorer, kan resultera i jordslingor eller ljusbågar av pålagda spänningar i lagren. Olika metoder finns för att skydda mot denna händelse, men den mest tillförlitliga metoden innebär effektiv och fullständig jordning och bindning av drivenheten och motorn.
• för nya eller eftermonterade VFD-applikationer, kontrollera att hastighetsminskningen sammanfaller med den valda pumpkurvan och att energibesparingar gäller vid reducerade hastigheter. Branta pumpkurvor är i allmänhet mer motiverade och gynnsamma när de används med VFD än användningen av inline tryckreglerventiler. En högre grad av energibesparingar vid reducerade flödeshastigheter uppstår vanligtvis när en inline-tryckreglerventil appliceras på en pump med en platt kurva, eftersom hästkraften tenderar att sjunka över en motsvarande minskning av flödeshastigheten.

använda Pumpdesignprogramvara

eftersom datormodelleringstekniker fortsätter att förbättra och arbeta i vårt dagliga liv ökar också behovet av att överväga användningen av pumpvalsprogram. Av min räkning, det finns för närvarande fem generiska pump val programvara val och otaliga tillverkare urvalsprogram.

även om jag alltid har varit en skuren och torkad gammal timer när det gäller att välja en pump från kataloger och genom att använda tillverkarkurvor, har min användning av urvalsprogram ökat kraftigt under det senaste decenniet, särskilt nu när jag utformar fler pumpsystem med variabelt flöde och huvudförhållanden.

även om jag inte avser att annonsera, är jag ganska nöjd med och arbetar med PumpFlo-programvaran utvecklad av Engineered Software Inc. Jag började med Version Jag år sedan och nu arbetar med Version X och är nöjd med hur denna programvara möjliggör val av olika pumpar genom att mata in konstruktionsförhållandena för kapacitet och huvud eller direkt hänvisar till en specifik pumpmodell.

även om jag vet att det finns många andra utmärkta program för pumpval, är jag en av dinosaurierna som föredrar att hålla fast vid något när det fungerar för mig (det är samma anledning som jag har varit gift i 40 år!).

förutom program som möjliggör jämförelse av pumpar från olika tillverkare, har praktiskt taget alla pumptillverkare nu sitt eget urvalsprogram eller ingår i en pumpvalsprogramvara som PumpFlo, PumpCALC eller PumpBase. De flesta urvalsprogram möjliggör utvärdering av flera hastigheter, effektivitet och hästkraftsjämförelse, pumpkurvbegränsningar och val med olika trim och steg tillsammans med lämpliga förändringar i effektivitet och hästkraftsdragning, var och en en kritisk parameter vid korrekt utformning av ett vattenpumpsystem.

denna typ av funktionalitet påskyndar inte bara valet av en brunnspump utan hjälper också till med noggrannhet och jämförelse av olika modeller och märken, plus de datorgenererade utskrifterna och kurvorna ser bättre ut än den typ jag en gång producerade för hand. Även om användningen av en pump val programvara är förmodligen inte lika effektiv och nödvändig med inhemska väl pumpar, jag rekommenderar helhjärtat användningen av denna teknik för större dränkbara och vertikala turbin väl och booster pumpar.

enhet eller komponent vs. Systemeffektivitet

eftersom effektivitetsordet fortsätter att krypa in i vårt dagliga arbetsliv med mer och mer frekvens, måste vi som vattensystemdesigners erkänna vikten av att pressa ut mer arbete för mindre energi som ett sätt att inte bara spara våra kunders viktiga driftskostnader utan också för att bevara vår världs begränsade naturresurser.

ett av de många sätten vi kan hjälpa till i denna strävan är att utvärdera och förbättra både system-och komponenteffektiviteten.

systemeffektiviteten är den mest uppenbara och uppenbara bidragsgivaren till den totala effektiviteten och driftskostnaderna, och den som vi i allmänhet är mest bekymrade över. I vattensystem folkmun, det kallas ofta tråd-till-vatten eller pumpanläggning effektivitet. Det är nettoeffektiviteten, som består av de enskilda förlusterna inom hela systemet som tillsammans skapar den slutliga anläggningens effektivitet.

å andra sidan är enhetseffektiviteten, även känd som komponenteffektivitet, den relativa effektiviteten hos ett specifikt eller enskilt element i det större grupperade systemet. Det kan vara pumpen, föraren eller överföringseffektiviteten eller till och med effektiviteten hos en enda komponent i den totala enheten, såsom de inre hydrauliska förlusterna i ett pumphjul eller lagerfriktionen för ett steg i en flerstegs vertikal turbinpump som var och en är en separat del av den totala skåleffektiviteten.

många tycker att systemeffektiviteten är den enda viktiga faktorn, men jag håller inte med. I många fall kan användning av inkrementella förbättringar i enhets-eller komponenteffektiviteten vara mycket mer kostnadseffektiv än grossistförändringar av hela systemet. Detta är anledningen till att jag tout använda billiga men effektiva metoder såsom pumphjul återfyllning, polering, eller skål foder som sätt att öka pumpeffektiviteten.

här är ett annat exempel: Omvandling till en 100 hk, 1800 RPM premium effektivitet från en standardeffektiv elmotor kommer att öka fullbelastningseffektiviteten från ungefär 93% till 94,5%. Vid fullbelastat tillstånd kommer denna inkrementella förbättring att spara upp till 1,27 kW, vilket multipliceras med 3000 driftstimmar per år kommer att resultera i en energibesparing på 3820 kW/h. vid $0,15 per kW/h., Detta är en potentiell besparing i driftskostnader på $573 per år.

denna typ av besparingar är också möjligt med skålmontering där en förbättring från en skåleffektivitet på 75% upp till 83% vid en belastning på 50 hk (bromshästkraft) kan spara upp till 6,42 hk.

även när man visar dessa beprövade energibesparingar, i många fall—särskilt de i bevattningsinställningar—är kunderna ofta resistenta mot att investera kostnaden för ett helt systembyte eller uppgradering än de kan vara för en komponentbyte. Att testa och utvärdera enheternas eller komponenternas individuella effektivitet och sedan rekommendera utbyte eller reparation av dessa specifika element är ofta mer gynnsamt för kundens budget än ett helt systembyte.

du kommer fortfarande att generera affärer och försäljning samt ha tillfredsställelsen att sannolikt spara kunden några riktiga pengar i slutändan.

slutsats

eftersom kraftkostnaderna fortsätter att stiga varje år kommer behovet av att fullt ut överväga effektiviteten hos varje artikel i våra pumpsystem också att fortsätta öka. Syftet med denna kolumn är att påminna dig om hur viktig effektivitet har blivit i vår värld. Det finns sätt att förbättra det med bara en liten tanke, samtidigt som pumpsystemets effektivitet bevaras.

Tänk på alla möjligheter oavsett hur obetydliga de kan tyckas, och du kanske tycker att de bara kan erbjuda några riktiga utdelningar för dig och din kund.

fram till nästa månad, arbeta säkert och smart.

Ed Butts, PE, är chefsingenjör vid 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Han har mer än 40 års erfarenhet av vattenbrunnsbranschen, specialiserad på teknik och företagsledning. Han kan nås på [email protected].