實現模塊化，提高泵的節能性

文/Hans-Jürgen Bittermann

泵在提高其自身能效和產品標準化之間存在著矛盾沖突——縮短泵的設計周期并減少其制造時間，通過快速擴充以實現泵的多樣性功能，并做到盡可能節約能效。Enpro的倡議（其主旨是提高化學工業的能源效率和增加流程效率）為流程工業及其相關項目中，提供了積極的優化方案。正如模塊化1.0概念的出現和Hector項目所顯示的那樣，泵的新設計也將帶來意想不到的機會。本文將講述泵如何實現模塊化功能，并提高泵的節能性。

泵消耗了工業用電的30%，制冷系統、壓縮機和風扇消耗了工業用電的34%。總體來說，旋轉設備消耗了工業用電的2/3。因此，如何提高能效是Enpro計劃中的重要關注點。提高能效在流程工業中受到高度重視，這一點也不足為奇，提高能效在增加流程效率方面同樣值得重視：工業4.0正蓬勃發展，越來越多的人從工業4.0中受益，人們同時也更加期待生產技術有更多的靈活性。要實現這一點，系統必須易于快速轉換，特別是新機器應該能夠以簡單的方式集成到生產過程中。

解決方案中的一種方法是模塊化，它基于兩個基本點：將工藝設備細分為各個模塊，用于實現自動化技術所需的模塊化結構。這是流程工業的典范式轉變——從基礎流程操作轉向提供模塊化的流程工業。例如，當攪拌槽實現自動化時，所謂的模塊化并不是對進料閥、溫度控制單元、攪拌器和所需的傳感器進行單獨集成，而是采用有一種被稱為“打印機驅動程序”的模塊式組件（MTP）進行整體模塊化集成。

這是一項可能完成的任務：德國制造商SEEPEX西派克公司，在與Wago和科隆工業大學自動化技術主席的合作下，于2019年漢諾威博覽會上展示了基于MTP的泵模塊。它可以被導入各個制造商的自動化系統中，以提供配料和灌裝等服務。

模塊化

Enpro中的第一階段（Enpro1.0），主要針對泵的模塊化。Enpro1.0在化工領域，主要為能效化工生產提出模塊化的設備理念。旨在使用模塊化的設備，以減少項目的運行時間，同時提高能源效率。

其主要目的是：證明基于模塊化的方法，能夠二次使用在以前項目中就已經設計好的模塊。在iPAT（Erlangen Nuremberg大學流程機械和工廠工程系主任，Eberhard Schlücker教授主持）的項目中，其工作重點就是針對不同類型的泵進行模塊化設計。

根據所需的工藝參數，不同類型的泵（如離心泵、偏心螺桿泵、隔膜泵）在能效方面取得不同的良好效果。然而，到目前為止，一直存在的問題是泵通常會對整個系統產生深遠的影響。首先，泵沒有統一的連接幾何形狀（而在Enpro的框架內，所有參與的制造商都為其泵提供了統一的連接幾何形狀）。此外，不同類型的泵在泵送性能方面也有不同的特點。

模塊化的互換性必須考慮的一個重點是泵流量的脈動性。脈動——對于不同類型的泵，不同程度上都會產生。為此，針對不同的泵制定改進方案，特別是針對其各自的特點。其目的是將不同類型泵的現有脈動降低到統一的最低水平。

目前開發了一種基于模塊化的技術規劃方案，目的是從數據庫中選擇和配置最合適的設備，而不需要單獨設計。在化工企業、工程公司、軟件生產商、設備制造商和學術界的合作下，所需的模塊化設備應運而生。模塊化的多功能性是通過將主設備定義為該模塊的核心來實現的，并輔以各種附加功能。例如，主設備可以是特定類型的泵，而沖洗泵所需的管道就是可配置的附加功能。為了使這些設備模塊適用于化工廠的設計，研究人員開發了一套工程工具，用于評估工藝中設備的功能及其能效，以便在開始階段選擇最合適、最高效的主要設備，其他功能將在后續步驟中添加。給予上述理念的模塊化設備，被用于整個設計過程中，可謂是覆蓋了從基礎到詳細的全部工作。

該設計方法在不同工作原理的泵上進行了物理演示。此外，設計人員開發了一套監測系統，用于動態觀察每個泵的運行狀態。該系統適用任何類型的泵。設計人員開發了一種創新的阻尼系統，以確保泵排量無脈動產生。最后，將開發一套泵組，其經濟的連接尺寸僅由泵輸送的體積流量決定，而與泵的工作原理無關。所有這些結合起來，將能夠快速選擇最節能的泵，此外，還可以用更高效的模型替換泵。

磨損現象

Enpro 1.0的重點是針對單個模塊，但Hector項目（針對高效化工廠的技術運營研究項目）的重點是：在整個系統中實現模塊間的高效交互。

Hector項目的參與公司如下：①Evonik（基于泵模塊進行的模塊設計和維護）。②Lewa（往復式隔膜泵磨損和效率的實驗和建模）。③Klaus Union（離心泵模塊化和閥門模塊化）。④IAV（用于診斷模塊和預測故障的軟傳感器）。⑤Netzsch（用于診斷和預測螺桿泵磨損的方法）。Hector項目由杜達姆施塔特的Peter F. Pelz教授帶隊，他的同事Philipp Wetterich參與該項目。

在Hector項目中，眾多泵廠家對泵的磨蝕性非常關注。基于模塊化設計的泵系統中，所設計的泵并不是專門針對目前項目進行定制的。因此，泵可能并非工作在其最佳的工作狀態下，那么泵的磨蝕現象勢必非常嚴重。

Lewa

正如Philipp Trunk博士（數字創新部項目經理）所報告的：Lewa（作為 一家系統和解決方案提供商）在該項目中，擔當著將模塊組件特征化的任務。在整個項目過程中，Lewa負責收集運行數據，并對磨損進行記錄。

Lewa公司還負責在模塊化、施工方案特征化、與模塊化工廠技術和流程工業集成等方面的工作。Lewa公司，可對泵的磨蝕性進行模擬預測，這對于泵的新產品研發、模塊改造帶來積極 幫助。

此外，與Evonik公司以及其他組件制造商間，在模塊化研究方面相互交互，推動了模塊化組件的合理化、標準化，最終將泵（子系統）與整個工廠（母系統）集成整合。Lewa公司的解決方案將被客戶廣泛接受，并在流程工業中贏得更多潛在客戶。最重要的是，系統優化的概念撬動了能效經濟的杠桿。

Klaus Union

Klaus Union公司技術經理Frank Holz表示，其項目的目的是讓泵以可控的方式磨損，以得出有關實際泵狀況的結論。其方法是，對電廠中的泵進行監測，并對已知的磨損狀態進行跟蹤。這樣做可以降低不可預見的泵的故障，并將電廠的停車周期降至最低。

Klaus Union

研究各磨損部件與泵性能的關系，獲取泵相關性能數據與磨損之間的關系。在泵上安裝盡可能少的傳感器，在第一步中，對新泵的各個磨損部件（例如耐磨環、節流環、滑動軸承）進行檢查并進行數據記錄；在第二步中，檢測所有磨損后的部件，并研究磨損部件對泵性能數據的影響。

在苛刻工況下，Klaus Union還將利用這些測試中獲得的一手資料，為客戶針對性地提供新的、更耐磨的部件。

IAV

IAV是一家擁有30多年國際開發服務經驗的專業公司。為了確保整個系統中的模塊以經濟高效的方式高效運行，IAV負責研究軟傳感器的使用。重點不是單個模塊，而是在整個系統范圍內有針對性地對系統變量進行記錄。目的是通過解決因數據引發的沖突，得出模塊磨損狀態的結論，并開發預測性診斷功能。該項目獲得的信息為模塊化系統的節能（再）設計提供了巨大潛力。

IAV項目經理Patrick Stracke說，其目的是在泵級和整個系統級開發檢測磨損的方法。這樣可以精確診斷系統網絡中的故障 部件。

Netzsch

偏心螺桿泵通常在高磨損狀態下工作。未來，Netzsch將為客戶監控泵的磨損狀況，并可以計劃維護停車的時間。全球技術與產品管理開發工程師米凱爾·特克尼揚（Mikael Tekneyan）表示，Hector項目基于特定傳感器數據為偏心螺桿泵進行預測性維護奠定了基礎。為此，Netzsch已經進行了磨損測試，并將數據用于建模。

減少復雜性

在Enpro 1.0計劃中，諸多案例研究表明，計算機輔助、基于模塊的設計可以顯著減少新工廠的工作量，縮短項目交付周期。這是因為預選模塊降低了系統的復雜性。然而，復雜性的降低是有代價的：通過組合有限的模塊選擇而創建的工廠將不會像根據應用定制的工廠那樣高效。為了將模塊化方法的優點與節能工作相結合，一方面必須仔細選擇規劃階段可用的模塊——標準模塊套件。另一方面，必須通過系統方法來規劃和運營，進一步挖掘 優化潛力。

泵制造商對于泵的磨損檢測十分關注。這是因為，磨損涉及到泵使用中的能效問題。只有長期可靠的泵才能實現泵的長壽命周期，以降低泵的使用成本。