Главная / Статьи / Промышленные насосы / |
Энергосберегающие методы выбора насосов систем водоснабжения
Современные системы подачи и распределения воды достаточно энергоемки и характеризуются значительными колебаниями нагрузки во времени. В наиболее сложных условиях находятся насосные установки, подающие воду непосредственно в городскую сеть (насосные станции второго подъема, станции подкачки и т.п.), диапазон изменения нагрузки которых находится в широких пределах. Значительные колебания нагрузки существенно затрудняют подбор оптимальных параметров и числа насосных агрегатов, а также выбор эффективного способа управления ими.
Появление на отечественном рынке регулируемого привода и первый опыт его применения для оснащения насосных агрегатов, входящих в состав групп, выявил значительные трудности в управлении такой системой и поставил целый ряд вопросов, требующих своего разрешения. К ним следует отнести следующие вопросы:
1. Как зависит потребление энергии группой насосных агрегатов от их числа для покрытия одинаковой нагрузки при использовании нерегулируемого электропривода?
2. Какова зависимость потребляемой энергии от числа и параметров устанавливаемых агрегатов при использовании регулируемого привода и как влияет на энергоэффективность выбор способа управления ими?
3. Какую роль на энергопотребление, наряду с технологическими параметрами (диапазон подач, статистическое распределение нагрузки, статический напор), оказывают ограничения по кавитации, установленной мощности электродвигателей привода, предельно допустимым максимальной и минимальной частоте вращения рабочего колеса?
4. Какой тип регулируемого привода и способа управления наиболее эффективен: индивидуальный с индивидуальным управлением или групповой с синхронным управлением группой насосных агрегатов от одного частотного преобразователя?
5. Каким должно быть с точки зрения энергоэффективности оптимальное соотношение между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов при частичном оснащении насосных установок регулируемым приводом?
Для ответа на эти вопросы необходимо рассмотреть особенности работы насосных агрегатов в составе группы параллельно подключенных насосов. Работа насосного агрегата в составе группы принципиально отличается от условий работы одиночного агрегата. Максимальная подача одиночного агрегата обусловлена минимальным гидравлическим сопротивлением раздросселированного трубопровода и при правильном выборе параметров насоса смещение его в область высоких значений подач невозможно. Поэтому рабочая точка одновременно является границей, не допускающей смещение агрегата в зону возможного возникновения кавитации и перегрузки электродвигателя привода.
При работе в составе группы любое изменение состояния какого либо агрегата путем его включения в работу (отключения) или регулирование частоты вращения рабочего колеса приводит к изменению состояния всей системы. При этом происходит перераспределение нагрузки между агрегатами, что может привести к увеличению подачи одной группы агрегатов с риском попадания их в зону кавитации и перегрузки электродвигателей привода и недогрузке другой группы с риском попадания их в область неустойчивой работы и помпажа.
Число возможных состояний системы, состоящей из n параллельно подключенных нерегулируемых агрегатов, равно 2n. Для типовой насосной станции с шестью агрегатами число возможных состояний равно 64. Эффективное управление такой системой невозможно без применения современных средств автоматики, разработки и использования алгоритмов управления, позволяющих контролировать работу системы в рамках принятых ограничений. Поскольку границы системы, состоящей из группы насосных агрегатов, складываются из границ областей допустимых режимов работы отдельных агрегатов, необходимо четко очертить границы области возможных режимов работы каждого отдельного, входящего в состав группы, агрегата.
Для этого нами была разработана математическая модель работы насосного агрегата с регулируемым приводом и составлена специальная компьютерная программа «SKAN-NAS», позволяющая сканировать характеристики в представляющем практический интерес диапазоне нагрузок. При этом в качестве исходных данных о насосе, являются его напорная и кавитационные характеристики, а также характеристика КПД. В качестве исходной информации в программу вводятся также следующие параметры: мощность электродвигателя привода, разность отметок уровня воды в приемном резервуаре и оси рабочего колеса, зависимость потерь напора на всасывающей линии насоса от его подачи, максимально и минимально допустимые значения коэффициента частоты вращения (K=nm/nh , где nm – текущая частота вращения рабочего колеса, nh – номинальная), минимально допустимые значения КПД.
В качестве примера на рисунке 1 приведены результаты построения области возможных режимов работы насосного агрегата Д-1250-65 с регулируемым приводом. Из приведенного рисунка видно, что область возможных ограничений представляет собой криволинейный многоугольник АВСPДEFLA, каждая сторона которого представляет ограничения по определенному параметру: помпажу, кавитации, предельно допустимой частоте вращения рабочего колеса, допустимой мощности электродвигателя привода насоса. Правая граница ограничений ВСPД получена для уставноленной мощности электропривода Ndb = 350 кВт и высоты всасывания Hbc = 0. Повышение уровня воды в приемном резервуаре (или снижение отметки оси насоса) на 3 м. вод. ст. и установка электродвигателя привода Ndb = 450 кВт позволит существенно расширить область возможных режимов работы насоса (см. рис. 1, кривая ВС'P'Д.
Рис.1. Область возможных режимов работы насоса Д-1250-65 с регулируемым приводом с учетом ограничений.
Для сопоставления эффективности применения различных способов управления и получения зависимости энергопотребления для разного количества установленных агрегатов представляют интерес результаты математического моделирования работы группы насосных агрегатов для одинаковых условий их эксплуатации. Моделирование проводилось с учетом ограничений на основе решения задачи минимизации энергозатрат путем одновременной оптимизации состава и режимов работы насосных агрегатов с использованием для распределения нагрузки между агрегатами оптимизационного метода неопределенных множителей Лагранжа [2,3]. Результаты вычислений затрат энергии потребляемой группой агрегатов для различных способов управления и их числа приведены в таблице.
Таблица
| № пп. |
Способ управления
насосными агрегатами, их тип и характеристика |
Затраты энергии, потребляемой насосной станцией за год SW [тыс.кВт•ч.] (числитель) и степень их приближения к минимально-возможным в % (знаменатель) от числа установленных насосов |
|||||
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
| 1 |
Дросселирование трубопроводов с поинтервальным подключением однотипных нерегулируемых агрегатов |
10450/(67,4) | 9131/(77,1) | 8564/(88,2) | 8267/(85,2) | 8182/(86,1) | 8086/(87,1) |
| 2 |
Стабилизация давления в напорном коллекторе насосной станции с поинтервальным подключением однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом |
9431/(74,7) | 8821/ (79,8) | 8621/(81,7) | 8549/(82,4) | 8474/ (83,1) | 8452/ (83,3) |
| 3 |
Стабилизация давления в напорном коллекторе насосной станции с одновременной оптимизацией состава и режимов работы однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом |
9431/ (74,7) | 8548/ (82,4) | 8482/ (83,0) | 8404/ (83,8) | 8375/ (84,1) | 8359/ (84,3) |
| 4 |
Минимизация избыточных напоров в сети с применением группового привода с синхронным управлением однотипными насосными агрегатами |
7667/ (91,8) | 7668/ (91,9) | 7680/ (91,7) | 7690/ (91,6) | 7698/ (91,6) | 7702/ (91,4) |
| 5 |
Минимизация избыточных напоров в сети с поинтервальным подключением однотипных регулируемых насосов с индивидуальным приводом |
7667/ (91,8) | 7353/ (95,8) | 7229/ (97,4) | 7184/ (98,0) | 7147/ (98,5) | 7129 (98,8) |
| 6 |
Минимизация избыточных напоров в сети с одновременной оптимизацией состава и режимов работы однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом |
7667/ (91,9) | 7242/ (97,2) | 7189/ (98,0) | 7155/ (98,4) | 7134/(98,7) | 7119/ (98,9) |
| 7 |
Минимизация избыточных напоров в сети с одновременной оптимизацией состава и режимов работы разнотипных регулируемых насосных агрегатов с индивидуальным приводом |
7382/ (95,4) | 7141/(98,6) | 7093/ (99,3) | 7078/ (99,5) | 7064/ (99,7) | 7055/ (99,8) |
| 8 |
Теоретически минимально-возможные затраты энергии (значение целевой функции оптимизации) |
7044/(100) | 7044/(100) | 7044/(100) | 7044/(100) | 7044/(100) | 7044/(100) |
По данным таблицы построены графики зависимости потребляемой насосными агрегатами энергии от их числа и способов управления. Результаты построения приведены на рисунке 2.
Рис.2. Зависимость потребляемой насосными агрегатами энергии от их числа при переменной нагрузке для различных способов управления (1-дросселирование, 2.3- стабилизация давления в напорном коллекторе насосной станции; 4,5.6.7-минимизация избыточных напоров в сети трубопроводов, 8-теоретически минимально-возможные затраты энергии для заданных условий эксплуатации (значение целевой функции оптимизации)
Номерам кривых на рисунке, характеризующих энергопотребление, соответствуют номера способов управления, приведенные в таблице. Полученные результаты потребления энергии показывают, что наиболее энергоэффективным способом управления группой агрегатов при переменной нагрузке является минимизация избыточных напоров. При анализе полученных данных становится очевидно, что увеличение количества агрегатов с одного до трех, четырех приводит к существенному снижению потребления энергии. Но при дальнейшем наращивании их числа теряется экономическая целесообразность увеличения их количества, так как затраты на покупки, монтаж и эксплуатацию большого количества насосов не покрываются получаемой прибылью от экономии энергии. Точное количество агрегатов должно определяться в каждом конкретном случае отдельно, с составлением технико-экономического обоснования.
Из рассмотренных способов минимизации (см. таблицу) наибольший энергетический эффект достигается в случае применения одновременной оптимизации режимов работы и состава из разнотипных насосных агрегатов. Оптимальные параметры разнотипных агрегатов определяются предварительно на стадии выбора оборудования путем увязки характеристик подбираемых насосных агрегатов с параметрами водовода и статистическим распределением нагрузки. Рекомендуемый метод выбора оптимального числа агрегатов, их параметров и способов управления обеспечивает существенную экономию энергии (от 15 до 20%), что позволяет на 92-99% использовать имеющийся потенциал энергосбережения, чего невозможно достичь ни одним из иных известных методов.
Список Литературы
1. Храменков С.В., Гаврилин Е.Н. и
др. Энергосберегающая система управления режимом работы насосной станцией
// Водоснабжение и санитарная техника, 1999, № 6.
2. Николаев В.Г. Анализ энергоэффективности
различных способов управления насосными установками с регулируемым приводом
// Водоснабжение и санитарная техника, 2006, № 11, часть 2.
3. Патент 2230938 РФ, МПК 7F 04 Д 15/00.
Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке
В.Г. Николаев.
Николаев В.Г.
Московский институт коммунального хозяйства и строительства, Москва, Россия
Идёт загрузка...