Чем вызвана необходимость корректировки кпд насосов при расчетах энергетической эффективности

График совместной работы насоса с трубопроводом и упорядоченная диаграмма подачи воды

1 – напорная характеристика насоса;

2 – характеристика трубопровода;

3 – упорядоченная диаграмма водоподачи

При работе насоса с переменной частотой вращения рабочая точка перемещается по характеристике трубопровода (рис. 1, кривая 2).

Кривая 1 лежит выше кривой 1, т. е. при постоянной частоте вращения насос работает с более высоким напором, чем при переменной. Как известно мощность, потребляемая насосом, определяется его подачей Q и напором H и зависит от КПД η:

Из (1) видно, что для работы с более высоким напором насосу требуется повышенная мощность по сравнению с той, которую он потребляет при работе с низким напором.

Чем дольше работает насос с повышенным напором и повышенной мощностью, тем больше он потребляет энергии W на подачу воды:

где t – время работы насоса.

Регулируемый электропривод, если он оснащен соответствующей автоматикой, позволяет перемещать рабочую точку насоса по характеристике трубопровода 2, но не по характеристике насоса 1.

Следовательно, количественная экономия энергии при использовании РЭП определяется, преимущественно, параметрами насосной установки и всей системы подачи воды (водоотведения).

Сам по себе регулируемый электропривод энергию не экономит. Экономия энергии обеспечивается надлежащим режимом работы всей системы подачи воды (водоотведения) и насосной установки в частности, а РЭП является всего- навсего инструментом, с помощью которого обеспечивается надлежащий режим работы насосной установки и системы подачи воды (водоотведения).

Надлежащий режим работы насосной установки создается соответствующей системой управления, как правило, автоматизированной (САУ).

Количество сэкономленной энергии зависит от немногих технологических параметров, характеризующих режим работы насосной установки.

1. Диапазон изменения подач за расчетный период:

где Q_б, Q_м – соответственно наибольшая и наименьшая подача за расчетный период, например, за год, м 3 /с.

Наибольшая подача Q_б обычно соответствует максимальной подаче в сутки максимального водопотребления: накануне Нового года (31 декабря), накануне начала учебного года (29–31 августа), Чистый четверг (в преддверии Пасхи). Наименьшая подача Q_м обычно соответствует минимальной подаче (ночные часы) в сутки минимального водопотребления: после Нового года (1 января) и т. д.

2. Крутизна характеристики трубопровода:

где Н_п – статическое противодавление системы подачи (водоотведения), м. вод. ст.;

Н_п – характеризуется разностью геодезических отметок уровня воды в резервуаре, откуда забирает воду насосная станция и местоположением потребителя воды. Для КНС – разница геодезических отметок воды в приемном резервуаре и и местоположением камеры гашения;

Н_б – давление, соответствующее наибольшей подаче Q_б, м.вод.ст. При правильно выбранном насосе Н_б ≈ Н_ном, где Н_ном – номинальный напор насоса.

3. Крутизна характеристики насоса:

где Н_ф – фиктивная высота водоподъема при нулевой подаче насоса.

Для многих водопроводных насосов Н_ф ≈ 1,25 Н_ном, а для фекальных Н_ф ≈ 1,44 Нном.

4. Наибольшая потребляемая мощность насоса, кВт:

где η – номинальный КПД насоса.

5. Время работы установки в расчетный период Т.

Для водопроводных и канализационных насосных установок Т = 8760 ч. Для насосных установок работающих сезонно (отопительных, оросительных и тому подобных систем) Т ≈ 4000–4500 ч.

6. Количество насосов m, участвовавших в процессе регулирования до внедрения РЭП:

где m_б – количество насосов, обеспечивающих наибольшую подачу;

m_м – количество насосов, обеспечивающих наименьшую подачу.

В [1, 2, 3] приводится вывод формул и уравнений, с использованием которых прогнозируется экономия энергии в той или иной насосной установке при использовании в ней РЭП и соответствующей системы автоматизированного управления.

Однако формулы, по которым определяется экономия энергии в зависимости от названных параметров, достаточно громоздки и неудобны для практического использования. Поэтому в методике приводятся расчетные кривые w * _эк = f (λ, Н * _п), по которым достаточно просто, в зависимости от значений λ и Н * _п, определяется относительная экономия энергии w * _эк , для той или иной установки (рис. 2).

Расчетные кривые для насосных агрегатов с Н * _ф = 1,25

Зная относительную экономию энергии w*эк достаточно просто вычислить прогнозируемую экономию энергии за расчетный период по формуле:

(8)

где η_эд – номинальный КПД электродвигателя, η_эд≈ 0,88…0,9;

η_пр – номинальный КПД частотного преобразователя,

ξ– коэффициент, учитывающий дополнительные потери в электродвигателе, ξ = 0,02…0,03;

φ – снижающий коэффициент, учитывающий количество насосов m, выбирается по таблице [2, 3].

Многочисленные расчеты по приведенной выше методике с последующей проверкой их результатов по фактическим показателям подтвердили ее надежность. Наиболее полно методика изложена в [3].

В методиках рассматриваются варианты расчетов экономии энергии для различных видов насосных установок (водопроводных, канализационных) и видов регулируемого электропривода (с потерями скольжения, без потерь скольжения, с рекуперацией скольжения). Соответственно приводятся расчетные кривые для этих вариантов расчета. Рассматриваются также частные случаи применения РЭП в насосных установках, например, при дросселировании насосов в режиме максимального потребления и пр.

В лаборатории автоматизации и систем управления НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба», наряду с расчетными кривыми используются специальные программы расчета эффективности применения РЭП на компьютере, которые позволяют более точно учитывать специфику различных объектов и особенности характеристик насосов и водоводов. Однако суть методики при этом не меняется.

Кроме того, методика содержит раздел, посвященный технико-экономическому об-основанию целесообразности применения РЭП в насосных установках путем сопоставления капитальных затрат, необходимых для создания энергосберегающих САУ на основе использования РЭП и эксплуатационных расходов. При этом учитываются экономия энергии, уменьшение расхода чистой воды за счет снижения утечек и непроизводительных расчетов, уменьшение сброса сточных вод в канализацию. Рассматриваются также дополнительные преимущества РЭП, позволяющие укрупнить единичную мощность насосных агрегатов и сократить их количества. За счет этого применение регулируемого электропривода при строительстве новых и реконструкции существующих объектов может уменьшить не только эксплуатационные расходы, но и капитальные затраты на строительство и реконструкцию объектов.

Многолетняя практика применения описанной методики на десятках действующих объектов и сопоставление прогнозируемой экономии энергии с фактическими показателями позволяет утверждать, что реальная экономия энергии в насосных установках систем водоснабжения при правильно подобранном составе насосного оборудования находится в диапазоне 5–20 %.

В отдельных случаях, например, при заниженных диаметрах водоводов, экономия может достигнуть 25–30 % от общего энергопотребления. В канализационных насосных установках экономия энергии обычно находится в пределах 5–15 %, достигая в отдельных случаях 20–25 %.

Более высокие значения экономии энергии (40–60 %), приводимые в рекламе и технической литературе, если они не обусловлены особыми условиями эксплуатации объекта, вызывают сомнения в технической грамотности авторов публикаций или говорят о стремлении торговых компаний повысить интерес к своей продукции.

Длительный опыт работы в этом направлении (с 1960 года), позволяет сказать, что экономия энергии в 40–60 % возможна только в тех случаях, когда рабочие характеристики насосных агрегатов и характеристики трубопроводной сети не соответствуют друг другу. Но в этом случае прежде, чем устанавливать РЭП, надо привести рабочие характеристики насосов в соответствие с параметрами системы подачи и распределения воды (СПРВ) или системы водоотведения (СВО) и только после этого решать вопрос о применении РЭП. Существуют различные способы совмещения характеристик насосов и трубопроводных систем. Можно подрезать рабочее колесо насоса. Можно заменить приводной электродвигатель насоса, другим с иной частотой вращения и иной мощностью. Можно комбинировать различные варианты изменения рабочих характеристик насосных агрегатов.

При таком подходе капитальные затраты будут меньше, а эффективность РЭП больше.

Выводы

1. Назрела необходимость создания общероссийской методики ТЭО целесообразности применения регулируемого электропривода в насосных и воздуходувных установках систем водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения и вентиляции.

2. В основу вновь разрабатываемой методики целесообразно положить «Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок [2].

3. Для придания названной методике общероссийского статуса целесообразно разработать ее под эгидой таких авторитетных организаций, как Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения (РАВВ) и НП «АВОК».

4. После обсуждения широкой инженерной общественностью в периодической технической литературе вновь разработанная методика может быть рекомендована РАВВ и НП «АВОК» для использования проектными организациями и эксплуатационными предприятиями России.

Источник статьи: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4520

Анализ причин низкой энергоэффективности насосного оборудования на промышленных предприятиях

Рассматривая работу насосного оборудования на отечественных предприятиях, иногда приходится видеть ошибки при его эксплуатации. Но, говоря о них, мы, как правило, имеем в виду недостаточно эффективные действия специалистов (они отвечают за эксплуатацию), допущенные по незнанию и из-за недостатка информации. Однако часто, несмотря на знания и опыт, персонал вынужден использовать то оборудование и работать в тех условиях, которые имеются на предприятии в настоящее время и в силу различного рода причин остаются без изменений.

Поэтому с учетом вышеизложенного правильнее говорить не об ошибках, а об особенностях эксплуатации насосов. Практически на любом объекте, где используется насосное оборудование, введенное в эксплуатацию 20 лет назад и более, обследование насосных агрегатов способно выявить потенциал энергосбережения. Это cправедливо для самых разных отраслей экономики, будь то водоснабжение, мелиорация, промышленное производство, нефтедобыча или энергетика. Значительная часть насосных станций укомплектована старыми насосами, выработавшими свой ресурс, и необходимость модернизации под сомнение не ставится. Вопрос заключается в правильном выборе того или иного технического решения с учетом сроков окупаемости. Например, можно заменить старый насос на новый аналогичного типоразмера электродвигатель, модернизировать систему управления или подобрать насосы других типоразмеров и изменить технологическую схему водоснабжения.

В любом случае решение должно приниматься на основе достоверных данных о работе насосов и требуемых параметрах насосной станции, получить которые позволяет обследование насосного оборудования. Оно включает комплекс мероприятий: сбор и обработку информации о состоянии, рабочих характеристиках, объеме потребляемых энергоресурсов и условиях работы насосного оборудования, направленных на повышение надежности, снижение энергопотребления и затрат при его эксплуатации.

После принятия в 2009 г. ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности. » большинство предприятий, эксплуатирующих насосное оборудование, провели предписанные данным законом энергетические обследования. Однако не всегда они отражают реальный уровень энергопотребления насосного оборудования в общем объеме энергопотребления предприятий. Часто приходилось видеть отчеты по обследованию предприятий водного хозяйства, где насосам уделялось всего две страницы, а размер возможной экономии определялся как разность номинальных мощностей электродвигателей до и после модернизации. Особенности режимов работы и их изменение во времени не учитывались вовсе. В реальности подобные факторы играют важную, если не решающую роль для повышения эффективности оборудования и объекта в целом. При проведении обследования вне зависимости от специфики объекта необходимо последовательно выполнить следующие действия:

• определить параметры сети, типовые режимы работы насосных станций, профиль и диапазон изменения параметров;
• определить, насколько установленное оборудование соответствует характеристикам сети;
• на основе полученных данных определить конкретные элементы сети, модернизация или изменение режима работы которых позволят сократить энергопотребление;
• оценить размер экономии;
• выдать необходимые рекомендации.

Основными параметрами сети являются ее расход и напор, которые должна обеспечить насосная станция. Данные величины определяются по показаниям стационарных и портативных расходомеров и манометров как в текущем режиме на момент проведения обследования, так и с применением электронных баз данных автоматизированной системы управления (АСУ) объекта. Сопоставление поля рабочих режимов насосных станций и напорных характеристик установленных насосов позволяет сделать вывод о соответствии имеющегося оборудования параметрам сети и при необходимости запланировать его модернизацию или установку новых насосов. Примером модернизации может служить подрезка наружного диаметра рабочего колеса, изменение количества работающих насосов, применение частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Сравнение энергопотребления установленного насосного оборудования (так называемого базового энергопотребления) и энергопотребления после модернизации позволит оценить величину экономии и сделать вывод о целесообразности проведения работ. При этом величину базового энергопотребления также можно определить по текущим показаниям счетчика электроэнергии либо по данным (АСУ).

Энергопотребление после модернизации находится расчетным путем. Если режимы работы насосных станций имеют переменный характер, корректным будет сравнение энергопотребления в нескольких характерных режимах или применение в расчетах математической модели, описывающей изменение режимов эксплуатации с заданным интервалом времени.

В качестве примера на рис.1 приведено поле рабочих режимов насосной станции и напорные характеристики (кривые 1, 2, 3 и 4) при работе одного, двух, трех и четырех установленных насосов, соответственно.

Как следует из рис.1, напор установленных насосов значительно превышает требуемый напор сети. Указанная разница напоров теряется на задвижках при регулировании подачи насосов. Оптимальным для данной сети является применение насосов с меньшим напором (характеристики 1’—4’). Практический опыт проведения обследований насосного оборудования позволяет выделить следующие причины низкой эффективности при его эксплуатации:

1. На более чем 70% объектов выявлено значительное превышение напора установленных насосов — так называемый переразмер по напору. Основной причиной уменьшения требуемых напоров сети является снижение в течение последних 20-ти лет водопотребления промышленных предприятий и населения, связанное с этим сокращение объемов перекачки насосных станций и уменьшение потерь напора в трубопроводах. Чтобы обеспечить необходимые значения подачи и давления на выходе насосной станции, прибегают к регулированию насосов с помощью дросселирования. Как следствие — потери напора на задвижке составляют от 15 до 60%.

Справка. При регулировании насоса двухстороннего входа серии Д 3200-75 путем дросселирования 40% напора на задвижке, в условиях постоянной эксплуатации годовые потери электроэнергии составляют 2,72 млн кВт·ч, что при стоимости электроэнергии 3,00 рубля за 1 кВт·ч составляет около 8,2 млн рублей.

На 60% объектов (в том числе 70% предприятий водоснабжения) выявлена эксплуатация насосов в режиме перегруза, т. е. работа со значительным превышением по подаче правой границы рабочей области, как правило, составляющей 120% номинальной подачи насоса. Режим перегруза приводит к увеличению нагрузки на вал и подшипниковые узлы, возникновению кавитации и повышенному уровню вибрации, вызывает снижение ресурса подшипников и уплотнений, служит причиной поломки вала ротора и преждевременного выхода насоса из строя. Эксплуатация агрегатов в режиме перегруза может носить постоянный характер, так как при отсутствии ярко выраженных признаков (шум, вибрация, частые поломки) не всегда фиксируется обслуживающим персоналом. Отсутствие или неисправность приборов для измерения подачи насоса и тока обмоток статора также не позволяют отследить данный режим. В результате при регулировании режимов работы насосов часто руководствуются только показаниями манометров. Поскольку при комплектации агрегата электродвигатель, как правило, подбирается с запасом мощности 10% и более, режим перегруза насоса часто является штатным для электродвигателя. Это позволяет длительно эксплуатировать насос на повышенных подачах, а частые выходы оборудования из строя списывать на плохое качество отдельных узлов и насоса в целом.

2. Частым явлением, характерным для половины обследованных объектов, являются падение напорных характеристик и снижение КПД насосов. Ухудшение данных характеристик, как правило, происходит по причине увеличения зазора в щелевых уплотнениях рабочего колеса вследствие их износа. В результате возрастают перетечки перекачиваемой жидкости из напорной полости во всасывающую полость, а подача и напор насоса уменьшаются. Износ щелевых уплотнений характерен для насосов, находящихся в эксплуатации длительное время и не ремонтировавшихся, а также для случаев перекачивания жидкости с повышенным содержанием твердых частиц. Снижение КПД может составлять 10% и более. Справка. Для рассмотренного ранее насоса Д 3200-75 уменьшение КПД на 10% может привести к увеличению затрат на электроэнергию на 2,2 млн рублей, что сопоставимо со стоимостью нового насоса и работ по его замене. Кроме того, при длительном периоде эксплуатации, а также при перемотке электродвигателя его КПД зачастую снижается. На некоторых объектах отсутствует достоверная информация об установленном насосном оборудовании, документация (паспорт и руководство по эксплуатации) на насосы с указанием их характеристик. Не ведутся записи в журналах о выполняемых на предприятии ремонтах и модернизациях насосов. Отсутствуют, закрашены или не соответствуют форме завода-изготовителя маркировочные таблички насосов и электродвигателей. Встречается так называемый «недогруз», т.е. превышение номинальной мощности электродвигателя, максимальной на валу агрегата более чем в два раза. КПД электродвигателя в данном режиме значительно ниже номинального значения.

Для некоторых объектов характерен так называемый «недогруз насоса», т. е. его эксплуатация с подачей за пределами левой границы рабочей области, составляющей, как правило, величину 0,5–0,7 его номинальной подачи. Работа в данных режимах может привести к рециркуляции перекачиваемой жидкости на входе и выходе рабочего колеса, возникновению низкорасходной кавитации и вызвать снижение ресурса рабочего колеса, подшипников и уплотнений. На ряде насосных станций имеет место работа насосов в режиме кавитации, вызванной изменением параметров на входе. Причиной этому служат снижение уровня подающего резервуара, обусловленное технологическими особенностями, засорение водозаборных решеток, уменьшение отметки уровня водоема на водозаборе (табл.1).

Кроме того, встречаются явления, напрямую не связанные с насосным оборудованием, — обратные перетоки внутри станции, неисправность запорнорегулирующей арматуры, которые также влияют на эффективность эксплуатации насосов.

Из описанных причин низкой эффективности следуют и способы ее повышения (табл.2).

Это, прежде всего, применение энергоэффективного насосного оборудования, а также ЧРП, позволяющее обеспечить эксплуатацию насоса в режимах высокого КПД во всем диапазоне подач насосной станции. Здесь необходимо отметить, что применение ЧРП в отличие от эффективного насосного оборудования подходит не для всех объектов. Если большую часть напора сети составляет статический напор, например, при подъеме воды на большую высоту, то применение частотного регулирования при определенных условиях окажется менее эффективным по сравнению с другими способами.

На половине рассмотренных объектов снижения энергопотребления удалось достичь путем установки насосов с пониженным (относительно установленных ранее) напором и/или увеличенным значением номинальной подачи. Например, на рис. 2 показаны энергоэффективные насосы двустороннего входа Delium (АО «Группа ГМС») — внешний вид и поле напорных характеристик. Иногда в качестве основного способа либо в дополнение к указанным способам необходимо изменить регламент работы насосов на объекте.

В зависимости от специфики объекта и объема запланированной модернизации экономия электроэнергии составит от 10 до 60%, а срок окупаемости данных мероприятий, как правило, не превышает двух—пяти лет.

При планировании мероприятий по повышению энергоэффективности насосного оборудования необходимо учитывать не только его начальную стоимость, но и затраты на обслуживание, а так же планы по изменению объемов перекачки насосной станции на несколько лет вперед. Это позволит подобрать оборудование нужного типоразмера и избежать необоснованных затрат.

С. Соколов, заместитель директора программы по насосному оборудованию для водоснабжения, филиал АО «ГМС Ливгидромаш» в г.Москва

Журнал «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ», № 2, 2017

Источник статьи: http://gidromashina.ru/articles/analiz-prichin-nizkoj-energoeffektivnosti-nasosnogo-oborudovaniya-na-promyishlennyix-predpriyatiyax.html