Большинство современных насосных станций состоят из нескольких насосов, работающих параллельно. Регулирование режима работы таких установок осуществляется по давлению в диктующей точке водопроводной сети или по давлению на напорном коллекторе насосной станции. Управление режимом работы чаще всего осуществляется изменением частоты вращения одного насоса с помощью преобразователя частоты (ПЧ), в то время как остальные работают с максимальной подачей.
Рис. 1 Структура насосной станции с параллельно работающими насосами
График совместной работы насосов и сети имеет вид, представленный на рис. 2 [3].
Рис. 2 Графики совместной работы сети и насосов
I(n1), I(n2) – характеристики регулируемого насоса для частоты вращения n1<n2;
II, III – напорные характеристики второго и третьего нерегулируемых насосов;
I+II+III – напорная характеристика совместной работы первого насоса в режиме полной производительности, второго и третьего нерегулируемых насосов;
I(n1/2)+II/ +III – напорные характеристики совместной работы первого регулируемого насоса для частоты вращения n1/n2, второго / третьего нерегулируемых насосов;
IV – характеристика трубопровода.
Наличие регулируемого насоса обеспечивает поддержание заданного давления в напорной линии при переменном потреблении воды потребителем. Основное преимущество схемы с одним регулируемым насосом - относительно низкая стоимость аппаратной части. Однако для рассматриваемой схемы неизбежны дополнительные энергетические потери из-за перераспределения нагрузок между насосами, работающими с различной подачей. Эти потери следует учитывать при выборе системы управления насосной станцией в ходе её проектирования.
Насосные агрегаты, имеющие одинаковые технические характеристики, в процессе регулирования потребляют из сети питающего напряжения различную активную электрическую мощность (Pа). При этом полезная гидравлическая мощность насоса определяется выражением:
Рис.3. Векторная диаграмма мощностей двух параллельно работающих насосов
P1, P2 – векторы активных составляющих гидравлических мощностей первого и второго насоса;
X1 – вектор реактивной составляющая гидравлической мощности первого насоса;
W1, W2 – векторы полных значений гидравлических мощностей первого и второго насоса.
Первый насос – нерегулируемый, имеет активное значение гидравлической мощности P1=M*ω1. Второй насос – регулируемый, имеет активное значение гидравлической мощности P2=M*ω2. При этом, ω1>ω2, соответственно P1>P2.
Поскольку существует небаланс мощностей, неизбежно возникнет реактивная составляющая вектора большей мощности X, которая направлена в сторону вектора меньшей мощности и приложена к нему (рис. 3).
Понятия активной и реактивной гидравлической мощности введены по аналогии с активной и реактивной мощностью в электрических цепях [4,5].
Вектор P1 гидравлической мощности первого насоса «поворачивается» вокруг начала координат до пересечения со «средним» значением мощности системы из двух насосов Wсредн. Модуль вектора остаётся неизменным, равным модулю вектора полной гидравлической мощности W1. Проекции вектора W1 на оси Y и X определяют соответственно активную P1` и реактивную X1 составляющую гидравлической мощности первого (нерегулируемого) насоса.
Под реактивной составляющей гидравлической мощности понимается мощность, расходуемая на преодоление гидродинамического сопротивления стенок трубопроводов на участке между регулируемым и нерегулируемым насосами. Повышение гидродинамического сопротивления на участке трубопровода между насосами обусловлено изменением структуры потока воды при увеличении небаланса гидравлических мощностей этих насосов. [1].
Реактивная гидравлическая мощность не совершает полезной работы, а лишь определяет значение потерь энергии во внутристанционных трубопроводах. Она необходима только для поддержания в равновесии системы, состоящей, в данном случае, из двух насосов.
Активная составляющая вектора W1, определяемая его проекцией на ось Y, равна P1`. Реактивная составляющая вектора полной мощности первого насоса X1 совместно с вектором активной мощности второго насоса P2 образует вектор полной мощности второго (регулируемого) насоса.
Модуль вектора полной мощности регулируемого насоса определяется выражением
PΣ= P1` + P2, (4)
Значение P1` определяется решением системы скалярных уравнений:
Второе выражение в (5) определяет условие энергетического равновесия гидравлических мощностей в рассматриваемой системе.
Уравнение (5) решается относительно P1´ следующим образом. Первое выражение системы уравнений (5) подставляется в третье выражение, второе выражение подставляется в четвёртое. Затем складываются третье и четвёртое выражение. Учитывая постоянство моментов на валу электродвигателей (см. пояснения к выражению 2), получаем:
Из выражения (6) следует, что среднее значение активной гидравлической мощности двух насосов (регулируемого и нерегулируемого) определяется среднеквадратическим значением активных гидравлических мощностей этих насосов [2]. Коэффициент потерь мощности установки из двух насосов, работающих с разной частотой вращения (соответственно, мощностью), определяется выражением:
Выражение (7) позволяет определить уменьшение полезной гидравлической мощности установки из двух насосов (регулируемого и нерегулируемого), работающих с разными угловыми скоростями и разной нагрузкой.
Значение угловой скорости ωi для выражений (6), (7) удобно заменить значением частоты питающего напряжения f, поскольку угловая скорость вращения электродвигателя прямо пропорциональна ее значению [5]. Для первого (нерегулируемого агрегата) f1=const=50Гц , для второго (регулируемого агрегата) f2=var – переменная частота на выходе преобразователя (ПЧ), изменяемая в пределах от 20 до 50 Гц. Такая замена позволяет построить графики, иллюстрирующие изменение параметров потерь при изменении угловой скорости вращения регулируемого насосного агрегата строить в зависимости от частоты вращения электромагнитного поля выходного напряжения ПЧ.
С использованием выражений (6), (7), произведены расчеты потерь гидравлической мощности в установках с параллельным включением от 2 до 6 насосов, из которых 1 насос - регулируемый, остальные работают с постоянной угловой скоростью. Расчеты выполнены для потерь мощности, обусловленных только изменением угловой скорости (соответственно мощности) регулируемого насоса.
На рис. 4 представлены зависимости коэффициента потерь мощности K~ (7) от частоты питающего тока преобразователя регулируемого насоса и количества насосов
Рис.4 График зависимости коэффициента потерь (K~) от частоты питающего напряжения регулируемого насосного агрегата
Графики на рис.3 показывают, что наибольшие потери гидравлической мощности имеет установка из двух насосов, один из которых работает в режиме максимальной подачи, а второй является регулируемым.
На рис.5 представлена зависимость коэффициента потерь гидравлической мощности от соотношения регулируемых и нерегулируемых насосов для различных частот напряжения на выходе ПЧ регулируемого насоса. В качестве опорных частот выбраны значения частоты 20, 30, 40 Гц питающего напряжения регулируемых насосов.
Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь гидравлической мощности от соотношения регулируемых и нерегулируемых насосов
Основным недостатком установок водоснабжения с 5…6-ю агрегатами является снижение глубины регулирования, что, в свою очередь, вызывает увеличение количества коммутаций насосов. Кроме этого, с увеличением количества нерегулируемых насосов значительно увеличиваются энергетические потери системы из-за различия параметров насосов, работающих с максимальной подачей.
Таким образом, рациональное соотношение регулируемых и нерегулируемых насосов составляет 1/2…1/3. Этот вывод согласуются с опытом эксплуатации насосных станций, оборудованных регулируемыми электроприводами [3].
Выполненные расчеты показывают, что увеличение соотношения регулируемых и нерегулируемых насосов вызывает резкое увеличение потерь. На рис. 6 представлены зависимости коэффициента потерь K~ в насосной станции с увеличенным соотношением регулируемых и нерегулируемых насосов.
Рис. 6. Изменение коэффициента потерь гидравлической мощности при увеличении соотношения количества регулируемых и нерегулируемых насосов
Для подтверждения правильности проведенных расчетов на базе МУП «Водоканал» г.Подольска специалистами ООО «АСУ-Технология» был проведен эксперимент. В действующей системе повышения давления для трех насосов мощностью 250 кВт каждый, управляемых тремя преобразователями частоты, было произведено уравнивание активных нагрузок насосов. Уравнивание нагрузок производилось введением корректирующих частот для каждого преобразователя частоты. При этом было отмечено, что после уравнивания активных нагрузок увеличивалось среднеквадратическое значение активной нагрузки системы, при этом среднее значение частоты снижалось.
При уравнивании активных нагрузок реактивные составляющие гидравлической мощности, обусловленные их небалансом, становятся равными нулю (рис.3). В результате этого повышаются активные составляющие гидравлических мощностей насосов, что приводит к повышению активной гидравлической мощности системы. Повышение активной гидравлической мощности, в свою очередь приводит к увеличению давления в точке регулирования относительно заданного значения. Система автоматического управления реагирует на это увеличением и даёт сигнал на снижение среднего значение частоты. В результате потери мощности и соответственно энергии в насосной станции уменьшаются, что приводит к снижению ее энергопотребления при совершении той же работы.
На рис.7 представлена зависимость коэффициента потерь гидравлической мощности при отключении режима выравнивания нагрузок от изменения среднего квадратического отклонения частоты питающего напряжения [2] для трех состояний системы из трех регулируемых преобразователями частоты насосов. Состояния системы определялись тремя заданными значениями давлений для точки регулирования: 5,0; 5,5; 6,0 бар.
Рис.7. Зависимость коэффициента потерь К~ от рассогласования частот вращения насосов
Зависимость, приведенная на рис.7, показывает, что даже незначительное изменение разности частот вращения параллельно работающих насосов (от 0,3 до 0,6 Гц) приводит к заметному (от 1,2 …1,8%) росту энергетических потерь в системе, исчисляемых согласно (7) от суммарной мощности работающих насосов. Эти потери, в конечном итоге, приводят к дополнительным потерям потребляемой электроэнергии.
Выполненные расчеты и результаты эксперимента показывают, что анализ режимов работы параллельно работающих регулируемых и нерегулируемых насосов следует выполнять с учётом энергетических потерь, обусловленные снижением частоты регулируемых насосов. Это удобно делать, нанеся на график совместной работы насосов и сети зависимости коэффициента потерь мощности К~ от подачи (рис.8).
Рис.8. Зависимость коэффициента потерь мощности от количества насосов и подачи для группы из трёх насосов
Выполненный анализ показывает, что в системах с двумя насосами, один из которых является регулируемым, а другой работает в режиме максимальной подачи, энергетические потери могут достигать 18% общей мощности установки. Поэтому в системах с одним регулируемым насосом для уменьшения энергетических потерь следует избегать режимов работы «один регулируемый и один нерегулируемый насос». Такой режим для насосных станций из 3-4 агрегатов, из которых один является регулируемым, может продолжаться до 70…80% времени их функционирования и, следовательно, привести к значительным потерям энергии.
Проведенные расчеты позволили разработать структуру энергетически эффективной насосной установки, которая характеризуется приемлемой стоимостью оборудования и минимальными энергетическими затратами на поддержание заданного давления на коллекторе насосной станции (рис. 9).
Станция (рис.9) имеет в своем составе две группы насосов. Каждая группа состоит из двух агрегатов, одного регулируемого и одного – нерегулируемого. При работе двух насосов управление всегда производится от двух преобразователей частоты. При необходимости подключения третьего (четвертого) насоса один из регулируемых агрегатов выводится в нерегулируемый режим, то есть работает с максимально возможной подачей. Таким образом, в системе из трех или четырех насосов один насос является регулируемым, остальные работают с полной подачей. При отключении третьего и четвертого насосов, второй регулируемый агрегат, ранее выведенный в режим максимальной подачи, вновь переводится в режим регулирования от своего ПЧ.
Таким образом, в системе исключается энергетически затратный режим работы двух насосов, при котором один является регулируемым, другой – нерегулируемым.
Увеличение количества насосов в группе, нарушение равенства групп по количеству насосов, а также увеличение количества групп снизит энергетическую эффективность системы при увеличении стоимости оборудования.
Рис.9. Структура энергетически эффективной насосной станции
Для установок с количеством насосов 5 или 6 время работы в режиме «1 регулируемый и 1 нерегулируемый агрегат» значительно снижается, но при этом возрастают общие потери из-за небаланса мощностей насосов, работающих в режиме максимальной производительности. Для таких установок (по энергетическим показателям) рациональной становится схема регулирования каждым насосом отдельным ПЧ. Однако при этом, необходимо сопоставить стоимость сэкономленной энергии и капитальные затраты, необходимые для оснащения частотными преобразователями всех насосов и определить срок их окупаемости.
Предлагаемая структура построения насосных станций, позволит, с одной стороны, унифицировать проектные решения, снизит стоимость энергосберегающих систем регулирования, а также стоимость их эксплуатации. С другой стороны, позволит максимально снизить потребление энергии насосными станциями промышленного и коммунального водоснабжения.
Проведенные расчеты показывают, что увеличение стоимости оборудования при использовании второго ПЧ в энергетически эффективной системе окупается за счет дополнительной экономии электроэнергии. Например, для насосов мощностью 30 кВт срок окупаемости составляет 1,2÷ 1,8 года. Для насосов мощностью 132 кВт - 1÷1,6 года в зависимости от типа устанавливаемого ПЧ и местных условий. Таким образом, снижение затрат на потребляемую электроэнергию, при использовании энергетически эффективной системы предлагаемой структуры (рис.9) с насосными агрегатами мощностью до 132 включительно окупается в достаточно короткие сроки.
Необходимо также отметить, что введение второго ПЧ в схему управления повышает надежность функции частотного регулирования, которая может быть сохранена при отказе одного ПЧ или выведении его из схемы для выполнения профилактических работ.