格兰富提出解决污水泵IE3级别标准缺失的方法

位于PUST泵站中的格兰富SL污水泵位于PUST泵站中的格兰富SL污水泵
污水泵和IE3

IEC电机能效标准用于污水处理应用的技术分析

格兰富MG标准规范电机

今天全球10%以上的电力被用于驱动水泵,而其中多达60%的电力被三分之二的水泵消耗了。 全球水泵制造商格兰富认为,如果每个企业都能换用高效率的水泵系统,则有可能节省全球用电总量的4%,换言之,这相当于十亿人的居民生活用电量。 因此,通过开发更高效节能的电机降低能源成本,已成为终端用户、环境立法部门、政府机构和制造商的首要任务。

照片: 格兰富MG标准规范电机

在过去十年中,行业已投入大量努力来协调全球各地不同的测试与分类标准,以及随后使用标签计划。 国际电工委员会(IEC)已与NEMA、CEMEP、IEEE及其他国际组织合作推出了两大标准:

• IEC 60034-2-1 (Ed. 1.0): 旋转电机— 第2-1部分: 确定损耗和效率的标准
试验方法(不包括牵引车辆用电机,
2007),这说明了测试电机效率的标准方法。

• IEC 60034-30: 旋转电机 — 第30部分 (Ed.1.0): 单速三相鼠笼式感应电动机能效分级(IE能效等级),这标识了感应电机的能效等级。

安装在自动耦合组件上的格兰富SE水泵

照片: 安装在自动耦合组件上的格兰富SE水泵

“确定电动机效率的方法有两种,”格兰富的全球产品经理Mikael Nedergaard说。 “一种是直接测试,根据供电的电压和电流测量输入功率,根据旋转速度和扭矩来测量输出功率。 另一种间接方法则需要测量输入功率,以及通过测量并加上逐个功率损耗部件来计算总损耗。 这种间接测试法只能用于三相电机。”

现行的分类标准 — 用于单速三相鼠笼式感应电动机的IEC60034- 30确定了三个级别的能源效率:
IE3 –超高效率(相当于NEMA最高级)
IE2 – 高效率(相当于NEMA节能级)
IE1 – 标准效率(相当于原CEMEP EFF2级)

格兰富SL潜水泵,22 kW,中扬程,集成电机

照片: 格兰富SL潜水泵,22 kW,中扬程,集成电机

2014年,新启用的IEC60034- 30 – 1规定了第四种效率级别 — IE4超超高级效率。 这一标准将取代目前的IEC 60034-30标准。

“该IE2效率级别于2011年6月经欧盟委员会耗能产品节能化设计指令被强制推行,并且从2015年1月起,额定输出为 7.5-375 千瓦的所有电机不得低于IE3级别,或电机能效达到IE2级能效水平且配备变速驱动器,”格兰富集团全球产品专家Robert Bork Hansen解释说。 “这些规定适用于额定电压1000 V及以下,以持续运转工作方式运行的2、4和6级三相单速感应电机。 重要的是,设计为完全浸入液体中运转的电机和/或完全集成至一个产品中的电机,其能效性能均无法离开产品单独进行测试。”

需要提出的问题是,一个带有集成式电机,并设计为侵入水中使用的水泵,比如污水泵,是否能被描述为IE2或IE3级效率。 因为电机不能脱离水泵单独进行测试 — 这主要是因为没有标准的电机法兰连接,没有特定的冷却系统,甚至也没有规定的测试方法 — 所以答案只能是“否”。

“从理论上讲,污水泵电机的测试应该相对简单,因为电机包含一个可以测试扭矩和功率的轴,”格兰富集团区域项目经理Leo Andersen说。 “不过,任何测试程序都必须处理如冷却和排空,以及用于保持电机冷却的功率等问题。 影响电机轴功率要求的两个其它因素,是使用角接触轴承而导致的机械密封摩擦损耗和轴承摩擦损耗。 污水泵通常会使用一个双端面机械密封装置来防止被泵送的液体泄漏进入电机。”

Leo Andersen继续说道: “安装问题也需要考虑。 例如,在潮湿和干燥的安装环境中,即便是使用相同的电机,效率也会有所不同。 总而言之,系统中的所有损耗都需要有一套明确规定的测试方法,但这样做就涉及建起一个完全模拟原有安装环境的设施的问题。”

来自格兰富污水处理业务客户的事实表明,保证运转可靠性和提高效率是他们最重视的问题。 尽管水泵安装好之后,用户就不想再去碰它; 如果不出故障的话,哪怕牺牲一定程度的能源效率也是可以接受的,然而效率仍然是污水处理行业内所有水泵用户要考虑的问题。随着水泵电机尺寸的增加,这一问题的重要性日益突显。 为客户提供最高能效的污水泵产品是格兰富的目标。
 


如果投标规定污水泵必须符合IE3标准,那么任何一家制造商也不可能提供这样的水泵 — 因为没有可用的适用标准。

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照片:格兰富SL/SE系列的性能曲线,型号:1.95.150.220.4.52H 包括总效率曲线(Eta 1)。 水力效率Eta 2。

格兰富解决方案
由于无法标识一个污水泵中包含一个IE2 IE3级的集成式电机,格兰富提供了一个可以解决水泵和电机效率问题的方案。 格兰富SE1/SEV和SL1/SLV污水泵整合了内部电气组件,即位于泵壳中的IE3能效等级的电机转子和定子。

“如上所述,污水泵电机不同于传统的IE3级电机,在于其轴承、机械密封,以及无风扇冷却,”Robert Bork Hansen解释说。 “在潮湿的安装环境中,冷却是通过将水泵浸没入流体中实现的。 来自格兰富IE3能效等级电机的转子和定子均按照TEFC电机标准经过了型式试验认证,并备有测试报告,因此从任何一方面看,它实质上都是标准的IE3级电机。 然而,轴承的改变,增加了一个机械轴密封,以及冷却方法让产品不能被标识为IE3级电机。”

时至今日污水泵领域都还没有引入一套效率标准的主要原因,可能是这样一个事实:制造商、立法机构和标准制定者将污水泵电机视为一个单独机构,而非水泵中的一个集成部件。因此,人们难以为其确定电机摩擦损耗和效率。

声称其污水泵符合IE3标准的水泵制造商自然有误导顾问和最终用户的嫌疑。 如果投标规定污水泵必须符合IE3标准,那么任何一家制造商也不可能提供这样的水泵 — 因为没有可用于测定带集成电机的污水泵的效率的适用标准。

使用来自IE3能效等级电机的电气部件,并将之安装在污水泵中,人们确实能了解到有关整个电机装置的效率水平的一些信息。 但人们依然无法获得任何具体数值,因为污水泵的摩擦损耗与标准泵中的情况不同,因此这些损耗并未被考虑在内。 人们对水力方面的情况也没有任何了解,而这方面更有潜力提高效率。

“为了实现水泵系统的最高效率水平,所选择的水泵必须有一个与其工况点最为匹配的最佳效率点(BEP),”Mikael Nedergaard说。 “BEP在很大程度上取决于水泵的性能,即功率、流量和扬程。从水泵曲线上,我们能看到这个运转最高效的点。 必须记住的是,如果水泵运转情况与所设计的BEP不一致,水泵效率就会大幅下降。”

格兰富认为,在讨论污水泵和潜水泵时,与其聚焦于电机效率,制造商、顾问和最终用户需要关注的是ISO 9906: 2012“回转动力泵水力性能验收试验”标准,或ANSI / HI 11.6.2012 “回转动力潜水泵性能验收试验”标准规定的泵总效率问题。 水泵的液压系统对电机效率同样重要,因为其提高水泵效率的可能性更大。 由于目前尚无适用于这类水泵的能源效率标准,制造商和供应商不可避免地要强调与IE3级别的关系。 但这种状况正开始改变,欧洲泵业组织正在讨论拟议一套适当的水泵标准。 设立一套合适标准的推动力不仅仅来自于水泵制造商,而且还源于政府机构和监管机构。

“近年来,我们已经为类似于污水泵和潜水泵这种电机和轴都包含在单个外壳中,无法单独测试的小型循环泵设立了能源标准,”Mikael Nedergaard说道。 “由欧洲泵业组织、水泵制造商行业协会以及水泵制造商制定,由欧盟批准的这一标准包括七个节能等级。 水泵的能量效率指数(EEI)根据每年负荷分布来计算,并且水泵根据其能效级别加贴对应标签。 通过引入能效标识,最终用户可以比较各种产品,并确定最合适自己安装环境的水泵。”

如果这个方法在污水泵中也能实现的话,那么我们就能采用国际公认的节能标准来生产污水泵。 由于污水处理行业的发展趋势是污水处理厂正逐步变得规模更大,需要更大更高效的水泵,能源成本将变得越来越重要。 水泵行业和监管机构将不得不做出相应反应,投资确立一套测试制度,使最终用户能获得自己所需的信息。

作者:Bryan Orchard

参考资料:

格兰富关于水泵和能量的事实信息

格兰富Blueflux®能效标签背景

国际电工委员会

TC2旋转机械工作程序(14)出版物

美国电气制造商协会(NEMA)

欧洲泵业组织

欧洲泵业组织的单级离心泵水泵效率指南

欧洲泵业组织有关应用640/2009/EC电机效率指令的指引 — 2011年5月

水泵节能化设计筹备研究(ENER Lot 28:污水泵)

 





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