在各種工業(yè)流程應(yīng)用中，泵送大約會(huì)消耗總能耗的1/4。多年來(lái)，泵業(yè)生產(chǎn)商已經(jīng)對(duì)泵效問題進(jìn)行了研究和改善，并獲得了持續(xù)的提升。不過，有一個(gè)問題常常會(huì)被忽略，即泵總是系統(tǒng)的一部分，還可能包括許多并聯(lián)的泵、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置及其相應(yīng)的管路系統(tǒng)。尤其對(duì)并聯(lián)泵送來(lái)說，還有方方面面的問題值得我們探尋。借助不同類型的調(diào)節(jié)方法可降低這些泵送過程的能耗。很多情況下，在泵送系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)法是一種行之有效的降低調(diào)節(jié)損耗的方法。
        該研究項(xiàng)目是芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)針對(duì)泵送系統(tǒng)開展的“全方位能效研究課題”的一部分，旨在解決與電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的能耗、維護(hù)檢測(cè)及運(yùn)行監(jiān)測(cè)相關(guān)的一系列問題。該課題與ABB芬蘭公司驅(qū)動(dòng)器集團(tuán)攜手展開。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是針對(duì)并聯(lián)泵開發(fā)新型節(jié)能控制方案。為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，引入了一種多功能的并聯(lián)泵運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法，即基于模擬狀態(tài)的并聯(lián)泵電路系統(tǒng)。
        電路和水力網(wǎng)路間的類比已非鮮見，許多泵送案例和供水系統(tǒng)早已運(yùn)用了這一方法。然而，在觀測(cè)由并聯(lián)泵、管道系統(tǒng)、液體特性、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置組成的整個(gè)泵送工藝時(shí)，也可以充分利用兩者之間的相似性。在對(duì)整個(gè)并聯(lián)泵送工藝進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，可對(duì)一些用于電路計(jì)算的復(fù)雜工具進(jìn)行改進(jìn)，通常還可以進(jìn)行與能耗相關(guān)的獨(dú)立計(jì)算。
        

圖1. 兩臺(tái)泵并聯(lián)（Wirzenius 1978，131）

        節(jié)能
        芬蘭與其他工業(yè)國(guó)家一樣，會(huì)在市政供水系統(tǒng)和工業(yè)流程領(lǐng)域進(jìn)行泵送。泵送系統(tǒng)是市政供水領(lǐng)域中淡水供應(yīng)、污水系統(tǒng)和廢水處理過程的一部分。泵的典型應(yīng)用是將水由低位泵送至高位。泵也常用于供給化學(xué)品和循環(huán)水。
        芬蘭最重要的用水大戶集中于工業(yè)領(lǐng)域，主要是因?yàn)樵旒埿袠I(yè)和電廠的發(fā)電工藝需要大量的水。工業(yè)用水占芬蘭整個(gè)國(guó)家用水量的80％之多。
        據(jù)最新的一項(xiàng)數(shù)據(jù)估計(jì)，芬蘭的造紙、化工及金屬加工行業(yè)在泵送過程中可以節(jié)約的能量將近430 GWh/年。這只是假設(shè)在泵送系統(tǒng)中使用變頻器和高效電機(jī)時(shí)，粗略估計(jì)的節(jié)能潛力。
        
        電路模擬工具
        脫離對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量來(lái)觀測(cè)實(shí)際或設(shè)計(jì)狀態(tài)下的泵系統(tǒng)的運(yùn)行顯然需要許多的計(jì)算步驟。要得出并聯(lián)泵的能耗，需要計(jì)算每個(gè)環(huán)節(jié)的流量和壓頭，這對(duì)帶有調(diào)速功能的系統(tǒng)有很多困難。如上所述，在電路和水力系統(tǒng)之間的類比并不是新近的發(fā)現(xiàn)，過去在微流體應(yīng)用和給水規(guī)劃中就早有使用。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，依靠軟件工具不一定比單獨(dú)的人工計(jì)算來(lái)得精確。使用軟件模擬并聯(lián)泵的優(yōu)勢(shì)是省時(shí)，特別適用于比較和分析并聯(lián)泵送的不同調(diào)節(jié)手段和系統(tǒng)方案。本案例中，模擬系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)整個(gè)泵和電機(jī)-驅(qū)動(dòng)組合的全方位的觀測(cè)，可以看作一種尋求并聯(lián)泵系統(tǒng)節(jié)能潛力的有用工具。本章將簡(jiǎn)要介紹一種采用模擬電路計(jì)算觀測(cè)水力系統(tǒng)的方法。
        如圖1所示，并聯(lián)泵系統(tǒng)包括兩臺(tái)并聯(lián)的泵、管道以及進(jìn)水罐和出水罐。 圖中還可以看到同一個(gè)泵送系統(tǒng)的電路回路。在電路中，電壓電源表示泵，電阻器表示管路中由于摩擦損失的壓頭。
        該泵系統(tǒng)總壓頭可分為靜壓頭和動(dòng)壓頭兩部分。靜壓頭包括測(cè)量壓頭和液面高度產(chǎn)生的壓差，動(dòng)壓頭包括速度壓頭和摩擦損失壓頭。
        
        H：系統(tǒng)總壓頭[m]
        Hst：靜壓頭[m]
        Hdyn：動(dòng)壓頭[m]
        Hgeo：測(cè)量壓頭[m]
        Pa：工廠出口處的壓力[Pa]
        Pe：工廠入口處的壓力[Pa]
        ρ：密度[kg/m3]
        g：重力加速度[m/s2]
        va：工廠出口處的流速[m/s]
        ve：工廠入口處的流速[m/s]
        稨r：摩擦損失壓頭[m]
        動(dòng)壓頭還可以被分解到若干管路中，每一段管路將包含總動(dòng)壓頭的一部分�；�于此，圖1中泵1的系統(tǒng)壓頭公式如下： 
          其中：
        HAD是A點(diǎn)和D點(diǎn)之間的系統(tǒng)總壓頭[m]
        Hst是儲(chǔ)罐液位之間的靜壓頭[m]
        HdynAC是A點(diǎn)和C點(diǎn)之間的動(dòng)壓頭[m]
        HdynCD是C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的動(dòng)壓頭[m]
        在圖1中，在泵壓力線的連接點(diǎn)C點(diǎn)之后，兩個(gè)泵的流量相加即為C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的總動(dòng)壓頭。圖1所示的泵系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，如果速度壓頭忽略不計(jì)，那么該系統(tǒng)的總壓頭為：
        
        其中：
        Hr,AC為A點(diǎn)和C點(diǎn)之間的摩擦損失壓頭[m]
        Hr,CD為C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的摩擦損失壓頭[m]
        摩擦損失壓頭由流速?zèng)Q定，所以系統(tǒng)壓頭隨流速而變化。其中，摩擦損失壓頭為 ：
        
        其中：
        k：流體摩擦系數(shù)
        Q：體積流量[m3/s]
        如果假定靜壓頭保持穩(wěn)定，按照以上講述的方法可將目標(biāo)泵系統(tǒng)分割成無(wú)數(shù)小的管路部分，每一段都包括一定的由管道、閥門和連接件產(chǎn)生的動(dòng)壓頭損失。這些管道部分可以按照管徑進(jìn)行分類。那樣的話，類似泵系統(tǒng)的總系統(tǒng)壓頭就包括靜壓頭和若干不同管徑的管路所產(chǎn)生的摩擦損失壓頭總和。
        假定圖1中的電源為可控的電源，電阻器為可變電阻，那么泵送系統(tǒng)和電路之間就可以進(jìn)行類比了。此時(shí)，電源的電動(dòng)勢(shì)就代表系統(tǒng)總壓頭，電阻器的電壓就代表管路、閥門和連接件造成的摩擦壓頭損失。此系統(tǒng)的靜壓頭就可以看作一個(gè)與電流無(wú)關(guān)的加入到系統(tǒng)中的電壓。根據(jù)這種類比，就可以通過軟件來(lái)模擬泵的性能。