Керування продуктивністю насосних установок

Насосні агрегати можна умовно розділити на три великі групи: потужні (понад 500 кВт) агрегати енергетичних об'єктів; промислові агрегати і насосні станції централізованого водопостачання (50–300 кВт); масові установки (2–50 кВт), до яких відносяться насоси з подачею 12–100м³/год і напором 20–80 мм.вод.ст.

У першій групі в силу її специфіки використовуються прогресивні види електроприводу. В другій і особливо в третій, найбільш масовій, до теперішнього часу переважає нерегульований електропривод з асинхронними короткозамкненими двигунами, а керування продуктивністю здійснюється вкрай неефективним способом – дроселюванням. Це не дозволяє забезпечити режим раціонального енергоспоживання і витрати води, пари, повітря тощо при зміні технологічних потреб у широких межах.

Характерним прикладом таких механізмів є насосні станції холодного та гарячого водопостачання і систем опалювання житлових і промислових будівель. Вибрані, виходячи з максимальної продуктивності, механізми значну частину часу працюють з меншою продуктивністю, що визначається зміною потреби в різні періоди часу. За деякими даними середньодобове завантаження насосів холодного водопостачання складає всього 50–55% максимальної. Існуючі системи водопостачання не забезпечують помітного зниження споживаної потужності при зменшенні витрати, а також обумовлюють істотне зростання тиску (напору) в системі, що приводить до витоків води і несприятливо позначається на роботі технологічного устаткування і мереж водопостачання.

Насос має квадратичну залежність моменту опору від швидкості, а потужність на валу двигуна турбомеханізму зменшується в кубічній залежності при зниженні частоти обертання. Практично показники степеню швидкості змінюються в межах 2,5–6,0 [17, С.379] для різноманітних конструкцій та умов роботи насосів, що необхідно враховувати при виборі електропривода (примітка укладачів). Відповідно існують і великі можливості енергозбереження.

Традиційні способи регулювання подачі насосних установок полягають у дроселюванні напірних ліній насосів і зміні загального числа працюючих агрегатів по одному з технологічних параметрів – тиску на колекторі в точці мережі, рівню в прийомному або регулюючому резервуарі тощо. Ці способи регулювання направлені на рішення технологічних задач і практично не враховують енергетичних аспектів транспорту води. При такому регулюванні від 5 до 15%, а в окремих випадках до 25–30% споживаної електроенергії затрачується нераціонально через:

– втрат енергії в дроселюючому органі;

– створення надмірних напорів в трубопровідній мережі;

– витоків і непродуктивних витрат води в мережі та в споживача;

– збільшення геометричного підйому при відкачуванні води з резервуарів каналізаційних насосних станцій тощо.

Тому з появою надійного регульованого електроприводу створилися передумови для розробки принципово нової технології транспорту води з плавним регулюванням робочих параметрів насосної установки без непродуктивних витрат електроенергії з широкими можливостями підвищення точності і ефективності технологічних критеріїв роботи систем водоподачі. При цьому геометричним місцем робочих точок насосної установки стають характеристики трубопроводів, а не характеристики насосів як у випадку регулювання подачі насосних агрегатів з постійною частотою обертання.

Проте саме по собі оснащення насосної установки регульованим електроприводом не гарантує економії електроенергії. Щоб одержати економію електроенергії необхідно

– по-перше, переконатися в потенційній можливості її економії на об'єкті з урахуванням його технологічних, гідравлічних і режимних характеристик;

– по-друге, розробити раціональні технічні рішення з урахуванням додаткових капітальних витрат на їх упровадження і здійснити такий алгоритм керування насосною установкою, при якому практично реалізується потенційна можливість економії електроенергії.

Для вирішення обох задач обов'язковий системний підхід, коли насосна установка як об'єкт аналізу і керування розглядається з погляду кількісної визначеності всіх параметрів стану взаємопов’язаних характеристик працюючих регульованих і нерегульованих насосів, характеристики трубопровідної мережі, режим енергоспоживання насосної установки, частоти обертання електроприводів, діапазону і характеру розподілу подач насосної установки тощо.

Рис. 2.4 ілюструє можливості зниження потужності, споживаної двигуном насоса, при регулюванні швидкості електроприводу в порівнянні з регулюванням дросельною заслінкою.

Рис. 2.4

При номінальній витраті і напорі насос працює в точці А, якій відповідає характеристика магістралі 3і характеристиці Q–Н насоса (крива 1) при номінальній швидкості двигуна. Зі зменшенням витрати при нерегульованому електроприводі (на рисунку показана витрата, яка складає 0,6Q_н) за рахунок дросельного регулювання відбувається зміна опору магістралі (крива 4). Насос працює в точці В кривої 1, що приводить до зростання напору, який стає більшим від номінального. Потужність, споживана насосом, пропорційна площі прямокутника ODBF.

При використанні регульованого електроприводу за рахунок зниження швидкості насос працює при зниженні витрати в точці 3, що відповідає іншій характеристиці Q–H (крива 2) при незмінній характеристиці магістралі (крива 3). Потужність, споживана електроприводом у цьому випадку, пропорційна OECF, що наочно ілюструє можливості істотного зниження енергоспоживання при впровадженні регульованих електроприводів насосів. Якнайкращі техніко-економічні показники при регулюванні швидкості насосів забезпечує система ПЧ-АД.

Щоб повніше представити енергетичні процеси в насосній установці, обладнаній регульованим електроприводом, слід враховувати, що переміщення робочих координат насоса по характеристиці водоводу при зниженні подачі насосної установки приводить, як правило, до виходу робочих точок насоса з робочої зони, тобто до зниження ККД працюючих агрегатів, а у ряді випадків до кавітаційного або помпажного режиму. Особливо значні зміни зазнає ККД регульованих насосів – у них він може змінюватися від номінальних значень до нуля, коли при зниженні частоти обертання тиск, що розвивається насосом, стає рівним або нижчим за тиску, створюваного роботою паралельних насосів, або геометричним підйомом.

На рис. 2.5 показана у відносних одиницях n*=n_i/n_н і Н_ст/Н_ф область значень ККД регульованого насоса h_i, обмежена величинами h_i = 0,95h_ні h_i=0,1h_н. Тут n_i, nн – поточна і номінальна частота обертання насоса; Н_ст і Н_ф – геометричний підйом або протитиск і фіктивний напір насоса при нульовій подачі.

З рисунку видно, що значення ККД залежать як від частоти обертання, так і від поточних координат насоса, водоводу та протитиску в мережі. Тому закономірна постанова запитання, якою мірою зниження ККД насоса при зменшенні оборотів компенсується зниженням напорів при русі по траєкторії водоводу. Визначено, що для регульованого насоса залежно від його характеристик, а також характеристик паралельно працюючих насосів і трубопровідної мережі існує обмежений інтервал частоти обертання, на якому його енергетичні характеристики не гірші ніж при номінальній частоті обертання.

Рис. 2.5

На рис. 2.6 показані криві, які відображають залежність відносних питомих витрат електроенергії W* на перекачування одиниці об'єму води від відносної частоти обертання (n_i/n_н) насоса при різних значеннях протитиску в мережі.

Рис. 2.6

Залежності мають яскраво виражений екстремальний характер. Спочатку при зниженні частоти обертання від номінальних обертів питомі витрати електроенергії знижуються, а потім, коли економія електроенергії від зниження напору стає сумірною з втратами від зниження ККД насоса, виявляється екстремум функції. Надалі зменшення частоти обертання приводить до різкого збільшення питомих витрат електроенергії, і ліва ділянка кривих йде до нескінченності при прямуванні ККД насоса до нульового значення. Абсолютне значення екстремуму кривих залежить від протитиску зі сторони працюючих насосів. При зміні числа насосів екстремум зміщується в ту або іншу сторону.

Оскільки системи водоподачі є динамічними об'єктами з робочими параметрами, що постійно змінюються в часі, насосна установка може потрапити в режим роботи, при якому значення ККД виявляться занадто низькими (до 0,1). За деяких умов цей режим може бути тривалим (до 3–5 годин на добу). Щоб уникнути таких режимів, вже на стадії розробки САК розраховують режимні точки, при яких слід проводити зміну загального числа працюючих агрегатів, щоб мінімізувати енергоспоживання насосної установки. При реалізації систем автоматичного керування застосовуються технічні рішення, які дозволяють утримувати регульовані агрегати від входження в зону низьких значень ККД насоса. Ці рішення використовують сучасну програмовану мікропроцесорну регулюючу апаратуру, здатну ідентифікувати об'єкт керування і розраховувати поточні значення настроювальних параметрів САК. Потім за допомогою регульованого електроприводу переміщувати вектор параметрів стану об'єкту відповідно до критерію регулювання, який розраховується тим самим регулюючим пристроєм або задається зовнішньою програмою.

На рис. 2.7 зіставлені криві необхідної потужності насосних приводів трьох принципів керування. Як видно з рисунка при витраті в обсязі 50% розрахункового максимуму необхідна потужність при дроселюванні (крива 1) складає 73%, при використанні запірно-регулюючої арматури (крива 2) – тільки 50% номінальної, при регулюванні частоти обертання електродвигуна (крива 3) – всього 14% номінальної потужності.

Рис. 2.7

Економічність визначається не тільки енергетичними витратами, враховуються також шуми при регулюванні. Рис. 2.8 показує зміну рівня звукового тиску (шумів) при регулюванні потоку з трьома різними системами. Тут: 1 – регулювання дроселем; 2– використання запірно-регулюючої арматури; 3 – регулювання частоти обертання електродвигуна.

Рис. 2.8

Виходячи з номінальної точки, показано збільшення тиску звуку для обох механічних систем, особливо в діапазоні частот необхідного робочого режиму – від 40 до 80% проектного максимуму. В цьому випадку при електричному регулюванні частоти обертання електродвигуна рівень тиску звуку падає на 20 дБ. У порівнянні з механічною системою виграш складає 20–30 дБ, завдяки чому витрати на шумознижуючі заходи значно зменшуються.

Для кількісної оцінки економії електроенергії і води при впровадженні регульованого електроприводу на одній з підкачувальних насосних станцій холодного водопостачання житлових будинків був встановлений частотно-регульований електропривод, який забезпечує постійність натиску на виході насоса незалежно від витрати, і проведені запис тиску на вході і виході насосної станції та виміри витрати електроенергії і води при роботі в нерегульованому і регульованому режимах. Насос з номінальною подачею 100 м³/год і напором 32 м приводився в дію асинхронним двигуном потужністю 15 кВт. Проведені виміри показали, що за рік економія електроенергії складає 45457 кВт∙год (40,5%), а економія води – 114135 м³ (25%). При економічному ефекті тільки за рахунок економії електроенергії вартість електричного устаткування для регулювання частоти обертання електродвигуна окупиться за рік експлуатації.

Наведений приклад переконливо підтверджує можливості істотного зниження енергоспоживання при використанні систем регульованих асинхронних електроприводів (особливо ПЧ-АД). Попередні розрахунки показують, що при широкому впровадженні частотно-регульованих приводів можна заощадити 7–10% виробленої електроенергії.

Поява регульованого електроприводу в насосних установках систем водопостачання і водовідведення дозволить створити принципово нову енергозберігаючу технологію транспорту води, в якій економиться не тільки електроенергія, але й зберігається теплова енергія і скорочується витрата води за рахунок витоків її при перевищеннях тиску в магістралі, коли витрата мала. При частотному регулюванні насосів можна в значній мірі уникнути аварійні ситуації за рахунок запобігання гідравлічних ударів, що виникають при зміні режимів роботи і пуску системи при нерегульованому електроприводі.

Отримано можливість гнучкого і оперативного рішення задач водоподачі і водовідведення при істотному зниженні витрати електроенергії при перекачуванні води і стоків. Проте, щоб реалізувати таку можливість, необхідно на всіх стадіях розробки, мати у своєму розпорядженні максимально повну кількісну інформацію про стан об'єкту автоматизації.