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根据美国能源部的调查， 泵系统消耗大约20％的世界能源。这成为推动能效计划的主要潜在动力，同时还能减少二氧化碳排放量。因此，美国水利学院（HI）开发出了一套最初用于教学的软件Pump system Master(PSM)，旨在通过以能效为基础的战略管理，来帮助加工行业、组织机构和政府当局降低能源成本，优化泵系统，获得业务竞争优势。
PSM中可用的第一个工具是泵系统改进建模工具（PSIM）。该软件免费，主要针对教学，工程师能用它对小型泵系统的液压状态进行建模，以此来评估潜在的可节约成本。美国能源署也提供了一种泵系统评估工具（PSAT）。
生命周期成本是确定电机驱动动力系统是否为最优整合方案的一种最佳方法，但是它尚未在业内得到成熟应用。本文旨在分析能否通过综合运用相关软件工具和生命周期成本分析工具来提高泵系统的工作效率（LCCA）。
在马坦萨斯大学设计的抽水系统中，一台离心泵从690立方米的水箱中吸水，然后将水泵送到一个容量为36336立方米的水箱中。管道系统由管径尺寸为5英寸和6英寸的吸水管组成。排水区依次排列着管径尺寸分别为五英寸，四英寸，五英寸，四英寸和十英寸的水管。
撤销了水箱底部的检查装置，水会一直注入水箱中，直到水箱内的水位超过了泵的水位。在泵的排水口安装一个检查装置，以防当水系统回流使泵转子逆时针旋转时导致泵的衬垫损坏。
为了便于计算，将泵系统划分成七个部分：两个在吸水区，另外五个和相应的附属设备在排水区。通过一个不可压缩定常流机械能方程就可计算得到到水泵扬程。
为了模拟不同的性能，需要用到PSIM（2007）软件。第一次运行该软件时采用安装时测得的数据流，然后将运行结果与输入的特性曲线进行对比，从而对泵系统进行有效的诊断。该工具还被用于分析安装变化。应用PSAT（2008）来分析能耗成本，以便找到在相同流量和负载要求的工况下最优的水泵。
为了实现低功耗，对泵系统进行了各种调整和分析。对泵的改变包括叶轮修整分析以及挑选一个新泵。调整分析了泵系统中哪里的损失最大，以及改进之后系统的哪些部分实现了节能。
使用PSIM的计算结果如图一所示。 （图片） 根据泵的效率/流量曲线图，我们可知最大值为50%，能效值可达45%。（图片） 表三显示了PSIM计算的泵特性曲线运行结果。（图片） 工作流量为136.9立方米/小时，实测的流量值较低（129.6立方米/小时）。这可能是由于维护、磨损和高于正常间隙等因素导致泵流量降低，不过依然保持在允许参数范围内。
泵效率是45.1%满足η≥45％的条件。同时可知，该泵系统的工作点在132.6%，最大值是133% BEP，因此即使泵接近临界参数，它也能在规定范围内工作。
泵在气蚀条件不工作，因为它的NPSHdisp> NPSHreq。
利用PSAT软件分析得到了与上述计算相似的值。它表明目前的泵以70.1%的最佳效率运行，这样能一年能节省多达1300美元。
以输送260立方米的水为基本条件，根据系统曲线的流量和扬程数据，采用PSAT（2008）进行计算，得到了下图所示的最高效泵的成本/体积流量曲线图。（图片）
安装示意图 从图四可以看出，泵消耗较少的能源即可处理流量在70-90立方米/小时之间，扬程低于27米的工况。我们挑选了三大厂商的泵，并用PSIM（2007）对现有系统进行建模。（图片）
图四：成本/流量曲线图 利用该程序，我们还可以对休整过的叶轮泵进行建模，结果为88%。建模结果见表四，节省的成本比较结果见表五。（图片） 分析表五可知，适合该设施的最理想的泵来自制造商C，泵的叶轮直径为127毫米，转速为3500转/分。这为15年生命周期提供了最低的成本。（图片） 对于辅助元件，更换了水箱底部的排水检查装置。闸阀只安放在排水处，并保留截面直径为十英寸的闸阀。利用PSIM（2007）软件，并结合目前的泵、修整后的叶轮泵以及制造商C生产的泵，对系统的这些调整进行建模。
对于目前的泵和改进后的系统，流量建模结果显示为150立方米/小时，主轴功率为29千瓦。对于改进的系统而言，所得结果并没有显著减少能源成本，这是因为工作流量减少了，并且系统扬程的92%呈静态。这些系统改进尚未达到提高泵效率的目的，它们仅仅解决了辅助元件（检查装置）放置不当和增加额外配件（闸阀）的问题。
对用PSIM建立的系统进行这些调整，并对制造商C的泵进行建模，结果表明节能约193千瓦时，经济成本节省53美元。
对管道系统的调整并没有显著地节能，因为系统扬程的92%是静态的。本文提出的方案旨在提高安装在UMCC的泵送系统的工作效率，方案的具体措施包括安装制造商C生产的泵，去除排水检查装置，将检查装置安放在水箱底部的吸水管内。所提方案将帮助该泵系统每年节约能源8927千瓦时，这对该大学来说相当于节约了2277个CUP，相当于一年节省了2410美元。
7/17/2015
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