Насосные станции являются неотъемлемой частью технологического оборудования в промышленности и ЖКХ. На них приходится более 20% всей потребляемой электроэнергии. Вопросы экономии электроэнергии при управлении насосами рассматриваются достаточно давно. Подавляющее количество рекомендаций сводится к одному: применение частотно – регулируемых приводов (ЧРП). При этом декларируется экономия электроэнергии до 60%, воды – до 25%. Однако подобные заявления не имеют ничего общего с реальной экономией этих ресурсов.
Декларируемые показатели направлены на мотивирование приобретения и установки дорогостоящего оборудования, после чего они, как правило, уже не оспариваются. Проблема заключается в том, что на сегодняшний момент отсутствует какая-либо достоверная, согласованная и понятная методика определения энергоэффективности насосных станций и установок повышения давления. С другой стороны, неправильно оценивать их эффективность применения только с точки зрения экономии электроэнергии и воды.
Дадим понятие эффективности. Эффективность любой системы – это соотношение полученного результата к совокупным затратам на его достижение.
Для определения затрат на водоснабжение сформулируем задачи, решаемые насосными станциями. Это, прежде всего, бесперебойное и устойчивое обеспечение потребителей требуемой гидравлической мощностью с минимально возможными затратами. Исходя из задач водоснабжения, экономия электроэнергии не является самоцелью или целевой уставкой, она является неким сопутствующим фактором при выполнении основной задачи – бесперебойного и устойчивого снабжения гидравлической энергией требуемого качества.
При решении задач водоснабжения можно выделить следующие виды затрат:
- стоимость оборудования;
- стоимость монтажных и пуско-наладочных работ;
- потребляемая электроэнергия, определяемая затратами активной электрической мощности на перекачивание одной объемной единицы воды I=P,кВт⁄ Q, м3/час;
- потери воды при создании избыточных напоров;
- обслуживание и ремонт установки;
- простои производственных мощностей при ремонте установки;
- ремонт напорных трубопроводов из-за наличия гидроударов;
- подготовка обслуживающего персонала до требуемого уровня;
- требуемая численность обслуживающего персонала и персонала ремонтных бригад;
- получение информации от системы о состоянии оборудования и параметрах технологических процессов.
На фоне указанных затрат рассмотрим реальные показатели экономии электроэнергии при управлении насосами, а также пути повышения энергоэффективности насосных станций. Для обозримости рассматриваемой задачи оценки энергоэффективности остановимся, прежде всего, на повысительных насосных установках с ЧРП, позволяющих получить максимальное энергосбережение. Для создания энергоэффективной станции нужно решить следующие основные задачи:
- Правильно выбрать насосы. Их характеристики должны согласовываться с характеристиками напорного трубопровода;
- Определить количество насосов, исходя из режима водопотребления, а также необходимости наличия резерва;
- Определить структуру системы регулирования, исходя, из требований п.1,2.
Решение задач №1 и №2 определено проектной и технической документацией на объекты водопотребления и насосное оборудование. Здесь стоит отметить, что без решения этих задач решить задачу энергоэффективности насосного оборудования невозможно. Завышение мощности выбираемых насосов, несоответствие их характеристик характеристикам напорного трубопровода приводит к завышению стоимости насосов и систем управления, хотя при этом «кажущиеся» показатели экономии могут быть достаточно высокими.
При решении задачи выбора системы управления с ЧРП необходимо выделить два основных вида структур этих систем:
- С одним ПЧ на группу насосов;
- С несколькими ПЧ на группу насосов.
Для систем с одним ПЧ на группу насосов оценим экономию электроэнергии для различных схем работы насосов.
1. При работе только одного регулируемого насоса.
Опыт показывает, что при правильном выборе насоса средняя частота вращения электромагнитного поля питающего напряжения регулируемого насоса (далее – частота вращения) fсредн составляет 40…42 Гц. За счет работы по графикам уставок средняя частота вращения регулируемого насоса в установившемся режиме может снизиться до 38 Гц. Снижение частоты ниже указанного уровня вызывает заметное снижение кпд системы η, тем самым - увеличение потерь, приводящее к снижению производительности установки повышения давления (рис. 1).
При частоте вращения 38 Гц (0,76 максимальной производительности) ожидаемая экономия для закона регулирования U / f = const может быть оценена по следующей формуле
(1)где fмакс, fсредн – соответственно максимальное и среднее значение частоты вращения электромагнитного поля насоса, f∑макс - сумма максимальных частот вращения насосов (для 1 насоса – 50 Гц, для 2-х – 100 и т.д.). Подставляя значение максимальной и средней частоты вращения в формулу (1), получаем оценочное значение экономии электроэнергии – 24% энергопотребления одного насоса. Для получения заявленного поставщиками оборудования значения 60% потребляемой электроэнергии необходимо, чтобы насос постоянно вращался с частотой питающего напряжения 20 Гц, при этом его η снижается на 20% (рис. 1) и смещается в зону неустойчивой работы насоса.
Снижение частоты вращения до значения 38 Гц вызовет снижение η системы повышения давления на 0,05…0,08 единиц (рис. 1). С учетом снижения η ожидаемая экономия электроэнергии при работе только одного насоса составит не более 23% его энергопотребления.
2. При работе двух насосов: один – регулируемый, другой – работающий в режиме постоянной производительности.
На рис. 2 представлены графики потерь системы из двух и трех параллельно работающих насосов, один из которых – регулируемый. Графики построены по результатам измерений, проведенных на реально действующей насосной установке повышения давления с ЧРП. Для каждого насоса вычислялся показатель удельной мощности на одну объемную единицу перекачиваемой воды I=P,кВт⁄ Q, м3/час для каждого значения расхода. По полученным результатам вычислялся коэффициент потерь
(2)где Ij, Iмин - значение показателя удельной мощности для i-го значения расхода и его минимальное значение соответственно. Для снижения методических и инструментальных погрешностей вычислено среднее квадратическое значение потерь для двух значений напора – 70 и 80 метров. При параллельной работе двух насосов и снижении частоты вращения регулируемого насоса до 38 Гц значения снижение η системы за счет гидравлических потерь может достичь 0,24 относительных единиц. Расчетные значения коэффициента потерь системы из двух насосов, один из которых – регулируемый, только за счет потерь нерегулируемого насоса составили 8…10 %, при этом не учитывалось снижение η и дополнительные потери регулируемого насоса [2]. С учетом полученного коэффициента потерь, эквивалентного снижению η системы, ожидаемая экономия электроэнергии для системы из двух параллельно работающих насосов, один из которых – регулируемый, вычисленная по формуле (1), составит чуть более 9% потребляемой двумя насосами электроэнергии в режиме полной мощности.
Рис. 2. Потери в системе из параллельно работающих насосов для двух значений напора
Для системы из трех насосов, один из которых – регулируемый, снижение η системы на частоте вращения регулируемого насоса 38 Гц составили 0,146, т.е. в два раза ниже по сравнению с системой из двух насосов. В этом случае ожидаемая экономия электроэнергии для системы трех насосов по выражению (1) с учетом потерь составит менее 7% экономии от общего энергопотребления.
Полученные результаты хорошо согласуется с расчетными показателями экономии для станций и установок повышения давления (5…20%, в отдельных случаях – 25…30% от общего энергопотребления) [1], которые приведены доктором технических наук Б.С.Лезновым.
Заметим, что режим работы «один регулируемый / один нерегулируемый» насос является наиболее неблагоприятным с точки зрения снижения η системы из-за гидравлических потерь. Исходя из этого, при параллельной работе двух насосов в установках повышения давления каждый насос целесообразно регулировать от ПЧ. При наличии третьего (пикового) насоса его можно подключать в режиме прямого пуска или от ПЧ после переключения одного из регулируемых насосов к сети питающего напряжения). При этом расчетное снижение η системы не превышает 0,09 (вместо 0,146) при снижении частоты регулируемых насосов до «среднего» уровня – 38 Гц и параллельно работающего нерегулируемого насоса (рис. 2). Исследования показывают, что системах с параллельно работающими ЧРП возникают дополнительные потери, обусловленные небалансом физических частот вращения насосов. При одном и том же значении заданной частоты, записываемом в ячейки управления каждого ПЧ, физическая частота вращения насосов с асинхронными электродвигателями может быть различной. Такой небаланс физических частот вращения вызван различием параметров насосов, а также параметров и настроек ПЧ. Дополнительные потери при этом могут достигать 5% общего энергопотребления[2]. При выравнивании нагрузок параллельно работающих насосов системой управления потери снижаются, позволяя получить дополнительную экономию электроэнергии.
Приведенные расчеты, безусловно, не могут быть положены в основу Методики расчета энергоэффективности насосных установок с регулируемым приводом. За основу такой методики целесообразно взять методику Б.С.Лезнова, изложенную в [1], однако, по мнению автора, в нее необходимо внести поправки, учитывающие гидравлические потери при параллельной работе регулируемых и нерегулируемых насосов.
(3)где Wэк - экономия электроэнергии за время работы Т, кВт час;
Nб - наибольшая потребляемая мощность регулируемого насоса;
ηэд - кпд электродвигателя;
Wэк* - относительная экономия электроэнергии, определяемая по графикам;
φ – коэффициент, учитывающий количество работающих насосов;
v - коэффициент, учитывающий гидравлические потери при параллельной работе насосов.
Определяется структурой и режимами работы системы регулирования. Таким образом, энергоэффективность установки повышения давления во многом определяется структурами систем управления насосами. При введении классификации структур систем управления электроприводом насосов появляется возможность заранее оценить экономию электроэнергии при управлении необходимым количеством насосов, тем самым скорректировать требования к проектируемой системе управления и насосной станции в целом. Кроме этого, появляется возможность ориентироваться во всем многообразии предложений систем управления на рынке автоматики насосного оборудования.
Рассмотренные затраты водоснабжения позволяют определить свойства оборудования, определяющие их эффективность:
- надежность работы аппаратной части систем регулирования и насосов;
- технологичность, обеспечивающая необходимые показатели гидравлической энергии при снижении гидроударов в напорной магистрали;
- функциональная устойчивость систем управления, позволяющая резервировать отказы их отдельных элементов. Дает дополнительное время до устранения неисправности, сокращает количество персонала, привлекаемого для ремонта;
- эргономичность систем управления, сокращающая время подготовки обслуживающего персонала и снижающая требования к его квалификации;
- информационность системы управления, позволяющая сократить трудозатраты, а также аппаратное обеспечение на своевременное получение необходимой информации. Сокращает время получения информации при повышении ее достоверности для своевременного принятия решения;
- техническая поддержка со стороны предприятия – изготовителя системы управления, своевременное информирование заказчика о вносимых изменения и новых разработках, устранение выявленных недостатков на действующих системах, консультирование и обучение обслуживающего персонала.
Перечисленные свойства оборудования, определяющие их конструктивное и эксплуатационное совершенство, могут быть реализованы только при решении задач комплексного применения исполнительных элементов и управляющих контроллеров, непрерывного совершенствования алгоритмического и программного обеспечения систем повышения давления. Таким образом, реальная экономия электроэнергии при работе насосных станций с ЧРП не является определяющим экономическим фактором при оценке эффективности насосной станции на этапе проектирования. Для полной оценки эффективности насосной станции кроме затрат электроэнергии и потерь воды при утечках и порывах трубопроводной сети необходимо учитывать стоимость оборудования применительно к решаемым задачам, эксплуатационные и ремонтные затраты, затраты на интегрирование в систему диспетчеризации, затраты на обучение обслуживающего персонала и другие возможные затраты в процессе жизненного цикла установки.