АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

ANALYSIS OF PUMP STATION ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENT METHODS

Roman Lizunov

master's student, Department of Mechanical Engineering, Kostanay Regional University named after A. Baytursynov,

Kazakhstan, Kostanay

Dinara Rakhimova

master of agricultural sciences, Kostanay Regional University named after A. Baytursynov,

Kazakhstan, Kostanay

Ayap Kurmanov

scientific adviser, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering, Kostanay Regional University named after A. Baytursynov,

Kazakhstan, Kostanay

АННОТАЦИЯ

В данной статье проведён анализ методов регулирования напора и подачи насосов водоснабжения. Приведены факторы регулирования работы насосов для повышения энергоэффективности. Выявлен оптимальный метод регулирования параметров работы насосных станций с максимальной энергоэффективностью.

ABSTRACT

This article analyzes the methods for regulating the pressure and supply of water supply pumps. The factors for regulating the operation of pumps to improve energy efficiency are given. The optimal method for regulating the operation parameters of pumping stations with maximum energy efficiency has been identified.

Ключевые слова: насос, энергоэффективность, коэффициент полезного действия, электропривод.

Keywords: pump, energy efficiency, efficiency, electric drive.

Введение

В системах с переменной загрузкой, каковыми являются, в том числе и насосные станции, центробежные насосы при проектировании рассчитываются на максимальную производительность, в том числе с учетом возникновения экстремальных ситуаций - аварий в сети, порывов и т.п. Установка в целом должна иметь максимальный КПД в номинальном режиме. Режимная точка насоса при этом находится на пересечении характеристики насоса «Подача» - Q, «Напор» - H, и характеристики системы (трубопровода). Во всем рабочем диапазоне достигаемый КПД электропривода существенно зависит от применяемого способа регулирования.

Полное отсутствие регулирования при пониженных расходах воды (например, ночью) приводит к росту давления в системе в моменты снижения водопотребления, а это вызывает:

• потери энергии на создание избыточного давления (тот уровень давления, который поддерживается электронасосами, может быть значительно снижен);
• потери перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках (при снижении водопотребления конечными потребителями возрастает давление в системе, что увеличивает потери воды). Так, например, по статистическим наблюдениям, рост давления в трубопроводе на 1 атмосферу, вызывает соответствующее увеличение потерь воды на 2-7 % (для трубопроводов, находящихся в аварийном режиме, увеличение потерь существенно выше);
• износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов.

Для решения данной проблемы требуется применение дополнительных технологий, позволяющих улучшить энергоэффективность без потерь в производстве в следствии изменения частоты вращения вала.

Объект и методика

По этой причине, при проектировании систем с электроприводами в течение последних десятилетий в проекты закладывались возможности регулирования подачи воды (воздуха) с помощью доступных на то время способов, являющихся косвенными по отношению к электроприводу, поскольку регулирование силы потока осуществляется не самим электродвигателем, а специальными устройствами. Среди таких способов можно отметить следующие:

1. Регулирование потока с помощью вихревых клапанов

Клапаны завихрения изменяют параметры потока жидкости на всасывающей стороне насосов. Благодаря результирующему изменению характеристики аппарата устанавливаются новые рабочие точки на характеристике системы (меньшие значения напора Н и расхода Q). Однако при этом происходит снижение КПД установки. [1, 3]

2. Регулирование потока с помощью дроссельных клапанов

При дросселировании регулирование расходы осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода с помощью запорной арматуры (шиберы, вентили, задвижки и т.п.), в результате чего изменяется характеристика системы. Возникающие при этом в запорной арматуре потери преобразуются в тепловую энергию, а электропривод тратит энергию на преодоление противодавления заслонки. При этом повышенное давление вызывает утечки жидкости и износ оборудования. Таким образом, регулирование потока с помощью дроссельного клапана является регулированием за счет потерь, поэтому с энергетической точки зрения оно еще менее предпочтительно, чем регулирование вихревыми клапанами. Причем, как дополнение, к данному способу регулирования, можно отметить, что на практике, это очень ненадежный и грубый метод регулирования. Задвижки, заслонки находятся в постоянном контакте с жидкостью, коррозируют, быстро разрушаются механически от циклов закрытия-открытия. Выставить определенную подачу дросселированием практически невозможно вследствие грубости механической системы и неадекватности ее реакции на управляющее воздействие, а также нелинейной зависимости подачи от сужения трубопровода. [2]

3. Регулирование байпасом

С помощью байпаса ответвляется часть потока и возвращается на всасывающую сторону насоса или вентилятора. Этот способ регулирования подходит исключительно для осевых насосов и вентиляторов с повышающим количеством транспортируемой жидкости или воздуха. У радиальных насосов и вентиляторов с повышенным потреблением мощности при повышенном количестве транспортируемой жидкости и воздуха достигаемый КПД хуже, чем у всех других описанных здесь способах регулирования. [6]

4. Регулирование путем включения выключения (прерывистое регулирование)

При таком регулировании изменение расхода обеспечивается коммутацией в гидросистему различного количества насосов. Например, если один насос не обеспечивает необходимый расход, в параллель ему включается второй, третий и т.д.

Этот способ достаточно часто используется в настоящее время. Недостатком такого регулирования является именно его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным за счет его слишком грубой дискретности, а это потери энергии и перекачиваемой жидкости. Кроме того, включение и выключение насосов приводит к постоянным гидроударам в системе, что исключительно вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5-7 кратные, относительно номинала, скачки тока в электроцепях, что также вредно сказывается на ресурсе электрооборудования. Чтобы компенсировать дискретность процесса, используется накопитель, например, напорный или сборный резервуар. Если этот накопитель не был предусмотрен технологической схемой, то требуются большие инвестиции. Другой существенный недостаток состоит в большом количестве контактной и силовой аппаратуры, что ухудшает показатели системы. Известно также, что при таком регулировании обмотки двигателя разрушаются значительно быстрее, чем при постоянной работе, из-за механических напряжений, возникающих в обмотках двигателя при пуске.

Отсутствие регулирования или применение этих устаревших методов приводит к существенным потерям электроэнергии и снижению ресурса оборудования. [2, 3] Такое регулирование не соответствует нужным параметрам для улучшения показателей производства. Но, в настоящее время для регулировки параметров эксплуатации насосов, широкое распространение получил частотно регулируемый привод.

Тем не менее, ни один из выше перечисленных способов регулирования расхода жидкости и сокращения энергопотребления электроприводом не в состоянии обеспечить оптимальную работу электропривода в сочетании с поддержанием необходимого давления в трубопроводе и эффективным расходованием электроэнергии. Единственный существующий для одновременного достижения всех этих целей способ - регулирование путем изменения числа оборотов вала электропривода.

Результаты исследований

Ниже отображены примерные PQ - характеристики (т.е. оптимальное соотношение мощности двигателя в зависимости от расхода воды) одного и того же электродвигателя, работающего в системе, регулируемой перечисленными выше способами. На данном графике (рисунок 1) показаны значения PQ - характеристик при разных уровнях напора (давления) воды и ее расхода:

Рисунок 1. Диаграмма зависимости КПД электропривода в зависимости от применяемого способа энергосбережения.

Как показано на этом графике, только частотное регулирование способно обеспечить минимальную мощность двигателя при минимальном расходе воды.

Для любого способа регулирования оптимальное соотношение PQ -характеристики наступает при достижении нормативного (100 %) расхода воды и одновременно нормативного давления системы (100%), когда КПД двигателя приближается к 1. Как уже отмечалось выше, значение КПД электропривода напрямую определяет потребляемую им мощность, согласно следующей формулы:

где, P - мощность электропривода;

Q - расход воды (м³/час);

H - напор (давление) воды;

η - КПД электропривода.

Соответственно, и расходуемая на поддержание данной мощности электроэнергия тем меньше, чем выше КПД. Такое соотношение обеспечивается только при изменении скорости вращения электропривода. [1]

Выводы

Регулирование методом изменения скорости вращения вала электропривода за счет изменения числа оборотов обеспечивает требуемую величину напора в системе без какого-либо снижения КПД электропривода.

Регулирование числа оборотов - это единственный способ, обеспечивающий минимально необходимый расход при оптимальном КПД привода. В случае применения подобного метода осуществляется поддержание достаточно постоянного давления в гидросистеме независимо от расхода воды. Таким образом, при малых расходах (например, ночью) насос вращается на малой скорости, необходимой только для того, чтобы поддерживать номинальное давление и не тратит лишней электроэнергии. И, наоборот, в случае увеличения водопотребления (например, в пиковые часы - утром, вечером или в праздничные дни), происходит пропорциональное увеличение числа оборотов электродвигателя, компенсирующее увеличение расхода воды и поддерживающее давление водопровода на заданном уровне.

Список литературы:

1. Производственно-технический и научно-практический журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2012 / 9 (57).
2. СНиП 2.04.02-84 5. Водозаборные сооружения.
3. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение: Проектирование систем и сооружений. Учеб. – М.: АСВ, 2003 г.