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未来智能化污水泵送

荣格世界泵业2020-01-13 12:23:28

新思维方式

污水泵站的业主和运营商们,希望泵站功能更强大、更灵活、成本更低、性能更佳。为满足这些要求,必须运用新思维和新设计来创造一些新技术。可能它们的初始建设成本较高,但随着时间的推移,实践将证明这样的解决方案不仅更经济,且有利于提高泵站性能。


为应对这些挑战,需要进行智能化污水泵送。这可以通过原创性思考和调整污水潜水泵中的一些部件来实现。通过将电力电子器件、处理器、软件、传感器、同步电机以及最先进的自洁液压系统集成到潜水外壳内,就能使污水泵送具备智能性。


本文介绍了智能污水泵送的技术先进性,说明了污水泵送系统的业主和运营商将从中获得的重大收益。


集成智能性

污水泵送中的“智能”一词,正是由诸多因素共同作用的结果,不仅提高了运行自动化水平和工作效率,还能使所设计的泵送系统以最低能耗达到所需性能,同时降低总体拥有成本。


智能,是指泵系统可以感测其所处的工作环境以及所承受的负载,并能调整自身行为来满足终端用户的优化目标。通过收集和分析相关数据,泵系统可以就自身如何工作以及向用户提供什么反馈这两个问题做出明智决策,从而实现精确的过程控制,降低堵塞风险,实现清洁无臭的泵坑,大大减少能源消耗,简化资产管理工作,综合数据报告等。简而言之,它能使最终用户安心。


精益资产管理

与典型的泵系统相比,集成的智能污水泵系统所含的独立部件数量更少。这种简化意味着,只需要少数几种不同的组件,例如具有不同排放尺寸的泵蜗壳,与每种蜗壳相对应的叶轮,以及几种规格不等的电机,就能满足多种多样的性能要求。


例如,一台智能污水泵能够达到多台不同常规泵的液压性能,而这些常规泵需要由不同的叶轮、蜗壳和电机组成。这就意味着那些自备备用零件或备用泵的客户能大大受益,因为他们的库存成本将大幅削减。

这种灵活性还有利于泵的组装,只需组装几个关键部件就能建造出一台满足工作配置要求的泵。只储备少量备用泵,且可以在多个泵站众多不同工作条件下使用,可为泵系统的运营商或业主节省大量资金。


电子设备集成

虽然泵系统的前期成本仍然是主要考虑因素,但事实上,泵站整个生命周期的运营成本才是最重要的,远高于在购买设备时不同泵系统设计之间的任何价格差异。如果仅提高泵系统的工作效率,可能还不足以说服买家使用性能更佳的系统来替换原有系统,但如果原来的泵系统存在堵塞问题,时常需要对泵进行清理,那么购买方会更青睐于那些已经实践证明始终不会发生堵塞的泵系统。


当电力电子设备和具有控制软件的处理器集成到潜水泵中时,不仅能使成本降低,且增加了新功能。但困难之处在于,如何将这些新部件组装并集成到潜水泵内,使它们的尺寸、形状和性能相互匹配。


为实现高效的部件集成,需要对某些元件重新进行设计,以便使它们适应潜水泵的工作环境,并且能够像一个系统那样彼此协同工作。在传统的泵控制面板中,电力和控制电子装置被安装在背板上,而在新的集成系统中,它们必须适合安装在污水泵头部。


此外,将电力电子设备放置在污水潜水泵内部,有利于保护它们,防止它们受到热、灰尘、污垢和极端温度变化的影响。冷却装置可靠、紧凑、稳定,不依赖于风扇或A / C单元。电机引线尽可能短,从而消除了与波反射和电压脉冲相关的任何问题。


最后,整个系统是预先设计的,且可以通过简单的设置向导使配置工作简化到最少,所以设备启动和调试时间大大缩减。当电力电子设备放置在电网和电动机之间时,系统性能不受频率影响且可以承受较宽范围的电压。通常,单台设备可以在380V~480V的电压范围内,以50~60Hz之间的任何输入频率工作。



如何体现智能性

嵌入到泵内的处理器,通过控制电力电子设备来达到多种泵性能,始终能够满足实际工作需求。每一种蜗壳尺寸对应单一的叶轮尺寸,这使得用户对于多个备用叶轮的需求变得最小,并且由于已结合蜗壳情况对叶轮进行了优化,所以能达到最高的液压效率。当需要修整或更换叶轮时,不必将泵拆卸,而是通过按下某个按钮,就能够便利地到达不同的工作点。


新系统不再像传统方式那样提供离散的泵性能曲线,而是能在很大范围内不受限地选择任何性能曲线,始终可达规定的工作点。当需要时,又能很容易将其更改为现场实际工作条件。


智能污水泵系统使用非常少的独特部件,这大大减少了最终用户或供应商对于备用零件或者备用泵的需求,不必在仓库中储备较多的此类设备。


一种设计新颖、结构更简单、更紧凑的高性能同步电动机,进一步提高了泵系统的效率,从而使系统能够在泵流量降低的工况下工作时依然保持高电机效率。 集中绕组同步电动机实现了这一点,并符合未来即将提出的超级电机效率(IE4)标准。


先进驱动单元的优点

在智能污水泵送系统中,泵的驱动单元由多种组件集成组合为一体,其中包括监控和控制电路、软件、电力电子装置和同步电机。通过利用新的电动机设计和集中式绕组设计,会带来多方优势,例如提高电机效率、可控性,显著提高低速工作效率,减小尺寸等。


定子由多个相同的定子叠片组成,其中每个叠片都有自己单独的线圈,它们并排放置在定子外壳的内部。与具有相应额定值的感应电动机相比,可在更短的高度上高效生产集中式绕组定子。


转子配有用于产生和保持转子磁场的永磁体,损耗非常低,且能够以同步转速运行。低损耗意味着在转子中几乎不产生热量,因此没有热量通过主轴传递到轴承,所以转子运转时温度更低。此外,由于轴承所受的热应力较小,所以电机轴承的使用寿命更长。


由于电机效率高,绕组温度低于正常值。此外,还有先进的温度保护系统,当需要时,它能使电机功率降低。这种设计延长了电机的使用寿命。


集中绕组同步电机需要采用电力电子装置来使电机启动并运转。电力电子装置可以完全控制泵轴的转速和转矩。因此,污水泵送系统能够在大流量/高扬程的工作现场工作。嵌入式软件用于控制电机的转速和转矩,并读取瞬时负载需求。


工作灵活性

智能污水泵可以在50Hz~60Hz之间的任何频率工作,工作电压范围为380V~480V。每种泵尺寸涵盖了无限多的性能曲线,通常可代替六到八台标准污水泵所涉及的范围。由于智能污水泵具有这些特征,且泵的部件数量减少,可以大大减少备用泵或部件的库存,因此泵工作的灵活性相当高,尤其有利于大型市政和水务局。


通过在控制柜中添加网关,能够实时控制智能污水泵的性能来满足应用需求。主泵站控制器或可编程逻辑控制器(PLC),将控制网关按照指示调节泵的输出。



数据通信

可选的网关或控制器实现了数据通信和测量/分析,通过标准通信协议提供与外部的通信。泵站可以轻松连接到包括监控和数据采集(SCADA)系统在内的远程监控系统。


更智能更小型

集成的智能性有利于降低成本,减小控制面板的物理占地面积,以及减小系统对环境的影响。通过安装智能泵和泵站控制器,将大大减少二氧化碳的排放量。物理占地面积的减小得益于两方面的因素:第一,主要部件从控制面板转移到潜水泵内部,第二,创新、调整和技术集成使得新部件更加小巧紧凑。


泵和控制柜的物理尺寸比从前小得多,由于采用了新的泵站控制算法,故系统的能效极高,对环境的影响也减小了。


控制柜尺寸的减小程度取决于两方面,一是与其进行比较的泵系统,二是控制柜所处的工作环境。


将双联污水泵站中变频驱动(VFD)泵系统的控制柜与两台集成式智能化污水泵进行比较,会发现柜体尺寸明显缩小,机柜成本也显著缩减。原因就在于,后者没有两台变频驱动器,两套电机保护装置,两套泵监控装置,以及相关的布线和接线终端。控制柜背板的表面积可减小到原尺寸的一半或更少。


对于位于温暖或炎热气候地区室外环境中的控制面板,由于发热的电力电子设备放置在潜水泵内部而不是控制柜内,所以尺寸减小的程度更加惊人。无需采用超大型VFD,风扇或控制面板空调装置来对高温环境进行补偿。这种优势将大大降低前期采购成本,提高系统可靠性,降低泵站的能耗。


结论

搭建智能污水泵送平台,运用集成的部件,这些举措使泵系统具有最大的灵活性和可靠性,实现了精益资产管理,并降低了资金和运营成本,因此将显著促进行业的发展。


通过结合智能污水泵平台中的不同元件来应对特定的应用挑战,不仅可以实现诸多优势,如减少占地面积,简化系统连接,大大降低生命周期成本,而且最终能得到一个令用户最大程度安心的解决方案。


作者:

Stefan. M. Abelin,塞莱默(Xylem)公司市场营销项目办公室主任

电邮: stefan.abelin@xyleminc.com

网址: www.xyleminc.com

Stefan具有35年的泵业从业经验,负责Xylem公司污水泵送部门的市场营销项目办公室工作,一直积极参与Xylem公司Flygt Concertor系统的市场推广。Flygt Concertor是世界上首个集成式智能化污水泵送系统。

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