ПУТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В НАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ВОДЫ

ПУТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В НАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ВОДЫ

Научная статья

Тергемес К. Т.^1, *, Дараев А. М.², Джулаева Ж. Т.³, Касымова А. Е.⁴, Садвокасова Ж. Д.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-1825-0023,

Алматинский университет энергетики и связи, Алматы, Казахстан;

² ORCID: 0000-0001-9904-2283,

Казахский национальный исследовательский технический университет, Алматы, Казахстан;

³ ORCID: 0000-0001-9246-3851;

⁴ ORCID: 0000-0002-0102-8799;

⁵ ORCID: 0000-0003-3332-9219,

^3,4,5Казахская академия транспорта и коммуникаций, Алматы, Казахстан

* Корреспондирующий автор (tergemes[at]mail.ru)

Аннотация

В данной статье рассматривается возможности энергосбережения в перекачки воды, на базе электропривода. В этой статье мы рассматриваем возможности энергосбережения в насосных агрегатах для перекачки воды, на основе регулируемого электропривода. Представлены стандартные характеристики центробежного насосного агрегата, и пути экономии электрической энергии в насосных агрегатах, иллюстрированы энергетической диаграммой системы  «преобразователь частоты – электрический двигатель – центробежный насос».

Ключевые слова: коэффициент полезного действия, энергоэффективность, регулируемый электропривод, расход воды, центробежный насос.

WAYS OF ENERGY SAVING IN PUMPING UNITS FOR WATER PUMPING

Research article

Tergemes K.T.^1, *, Daraev A.M.², Djulaeva Zh.T.³, Kasymova A.E.⁴, Sadvokasova Zh.D.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-1825-0023,

Almaty University of Energy and Communication, Almaty, Kazakhstan;

² ORCID: 0000-0001-9904-2283,

Kazakh National Research Technical University, Almaty, Kazakhstan;

³ ORCID: 0000-0001-9246-3851;

⁴ ORCID: 0000-0002-0102-8799;

⁵ ORCID: 0000-0003-3332-9219,

^3,4,5Kazakh Academy of Transport and Communications, Almaty, Kazakhstan

* Corresponding author (tergemes[at]mail.ru)

Abstract

In this Research article, the authors consider the possibilities of energy saving in water pumping, based on an electric drive. We consider the possibilities of energy saving in pumping units for pumping water, based on a regulated electric drive. The standard characteristics of a centrifugal pumping unit are presented, and ways to save electrical energy in pumping units are illustrated by the energy diagram of the system "frequency converter – electric motor – centrifugal pump."

Keywords: efficiency factor, energy efficiency, adjustable electric drive, water flow, centrifugal pump.

Общеизвестно, что центробежные насосы (ЦН) являются одной из самых больших групп потребителей электрической энергии. Они получили широкое распространение во всех отраслях промышленности. В частности, ЦН частые применения получили в перекачках воды горячего и холодного водоснабжения в городах, в перекачках нефти на нефтеперекачивающих станциях, где  мощности приводных двигателей достигают до 1,5-2,5 МВт. Центробежные насосы обладают широкими пределами производительности мощности и приводных двигателей.

В процессе подачи и распределения воды в сети городского водо- и теплоснабжения затрачиваются значительное количество электрической энергии в зависимости от режима функционирования насосных установок. Насосные установки, осуществляющие подачу воды в городскую сеть, работают в условиях широкого изменения диапазона нагрузок. Для этих условий выбор их эффективного, энергосберегающего способа управления, целесообразных параметров затруднен. Потребляемая центробежными насосами электроэнергия расходуется в большей степени на преодоление сил гидравлического трения в задвижках, сил трения в сальниках, подшипниках, на высоту подъема жидкости, в трубопроводах и т.п.

Обеспечение различных режимов функционирования центробежных насосов для перекачивания воды осуществляется задвижками (так называемыми клапанами регулирования), демпферами и заслонами (дросселированием) при неизменной скорости приводного механизма. При этом существенные потери мощности имеют место в регулирующих элементах и напрямую связаны с преодолением дополнительных сил, возникающих при гидравлическом трении, а также потери электрической энергии по длине трубопроводов, до следующей станции насосных агрегатов. Их объём обусловлен диапазоном регулирования таких параметров на выходе, как напор и подача жидкости, и может достигать величины порядка 50% от потребляемой электроэнергии приводным механизмом. Высокий уровень автоматизации управляемого электрического привод может позволить исключить эти потери.

Использование электрического привода с механизмами регулирования и его работа с применением управления мощностью будет не только способствовать уменьшению потребления энергии насосными установками, но также позволит сохранять оптимальную частоту ротации при заданных параметрах (напор и подача). Электрический привод с механизмами регулирования, а также работа при пониженной частоте вращения на протяжении значительного периода времени работы, будут способствовать значительному снижению износа как напорно-регулирующих механизмов, так и кинематических механизмов самого электропривода и насосной установки, снижению риска утечки переносимой жидкости. Плавное регулирование напора (давления) при переходном режиме с необходимой частотой воздействия (интенсивностью) позволяет снизить риски возникновения аварий, и, соответственно, опасных их последствий в трубопроводах сетей водо и теплоснабжения за счёт снижения гидравлических ударов [2].

Управляя такими параметрами режимов работы насосных установок, как изменение частоты вращения  механизмов, мы имеем возможность постоянно использовать их с повышенным значением КПД, т.е. с более высокой эффективностью.

Для осуществления таких задач находят применение промышленные преобразователи частоты, выпускаемые фирмами производителями, такие как АВВ, Сименс, Шнайдер-электрик и другие [4], [5], [6].

С помощью насоса с регулируемой частотой вращения можно сохранять на определённо заданном уровне давление в трубопроводах. При падении/возрастания давления до величины, отличной от заданной, частотному преобразователю поступает сигнал на повышение или снижение частоты вращения. Если частота вращения насосной установки достигает своего максимума или минимума, то либо останавливается, либо приходит в работу один из насосов постоянной частоты вращения соответственно.

 Из вышеизложенного следует что, применение насосных установок с регулируемой частотой вращения может способствовать [2], [3]:

- недопущению существенного варьирования давления в сети;

- устранению потерь, связанных с начальным регулированием потока;

- уменьшению уровня шума и вибрации, а также резонансных явлений в трубопроводах сетей водо и теплоснабжения;

- снизить риск водяного удара и кавитации благодаря плавному ускорению и запаздыванию работы устройства;

- заменить вышедшие из употребления приборы контроля скорости, обладающие низкой эффективностью;

- продлить период эксплуатации элементов конструкции насосной установки (рабочего колеса, опорных подшипников и уплотнений насоса);

- эффективно управлять скоростью насоса.

Все промышленные преобразователи частоты выше указанных и других фирм-производителей имеют идентичные схемы электрической силовой части, состоящий из:

- выпрямителя (управляемые, полу управляемые и неуправляемые),

- цепей постоянного тока,

- инвертора (напряжения или тока).

Большинство (до 90%) преобразователей частоты выпускается с неуправляемым выпрямителем, автономным инвертором напряжения на IJBT транзисторах (см. рис. 1).

Преобразователи классифицируются в зависимости от количества фаз на однофазные и трехфазные. Система управления и программное обеспечение у каждого производителя свои [4], [5].

Рис. 1 – Схема преобразователя частоты

 

Значительная часть (до 90%) преобразователей частоты имеют в своем составе неуправляемый выпрямитель, цепь постоянного тока, автономный инвертор напряжения. Практически ПЧ всех фирм-производителей имеют такую классическую силовую схему, где инверторы выполняются на JGBT-транзисторах и отличаются только программным обеспечением, а также изготовителями самих транзисторов. Современные преобразователи частоты имеют широкий диапазон регулирования величин частоты и напряжения на выходе. Также многие ПЧ выполнены с возможностью векториального управления, что вполне подходит для осуществления регулирования скорости вращения насосных установок, имеющих «вентиляторные характеристики» по нагрузке.

На рисунке 2 можно видеть зависимость характеристик изменения напора жидкости, мощности и коэффициента полезного действия от подачи жидкости для типовых центробежных насосов.

Мы знаем, что характеристики центробежного насоса имеют прямую связь с частотой вращения. Рассматривания собственно насос (без учета давления на выходе) при частоте вращения N, отличающейся от номинальной частоты вращения Nn, получим что:

- подача Q пропорциональна отношению (N/N),

- полный динамический напор пропорционален (N/N)²,

- мощность P пропорциональна (N/N)³

Рис. 2 – Стандартные характеристики центробежного насоса

 

Исследование энергопотребления центробежной насосной установки лучше проводить с помощью энергетической диаграммы (см. рисунок 3) [7]. Согласно кривой данной диаграммы в процессе перехода электрической энергии, потребляемой установкой, в потенциальную и кинетическую энергии перемещаемой насосом жидкости, обнаруживаются потери в четырёх основных элементах центробежной насосной установки: частотном преобразователе ∆Рпч, электрическом двигателе ∆Рдв, турбомеханизме ∆Ртм, магистрали ∆Рм. По величине коэффициента полезного действия (КПД), зависящей от многих параметров, можно судить об энергетической эффективности данной системы.

Например, эффективность ПЧ имеет зависимость от расчетных величин kn; частоты тока на выходе, нагрузки, генерируемой двигателем, а эффективность двигателя имеет связь с параметрами используемой электрической машины (обмотки статора и ротора, обладающие электрическим сопротивлением, схемы соединения обмоток статора, магнитные характеристики стали и др.) Rm, нагрузка, порождаемая насосной установкой I, частота тока, потребляемого обмоткой статора f (ed) = f (Rm, f, I). Если говорить о турбомеханизме, то на его эффективность будет влиять скорость вращения вала n, угол поворота лопастей, производительность Q и напор H (тm) = f (n; Q; H; ), от кривых магистрали - производительность Qm, статический напор Hст и скоростной напор H- будет зависеть ее КПД (М =f(Qм;Hст;H) [7]

Расчет и изучение взаимосвязи коэффициента полезного действия как отдельных элементов, так и всей системы, могут способствовать поиску целесообразных параметры системы, а также определению энергосберегающих режимов работы:

       (1)

Таким образом, через общий КПД установки, можем выразить функцию оптимизации [2], [3], [8]:

   (2)

Для получения максимальной эффективности работы установки, нужно провести исследование энергетических индексов отдельных компонентов рассматриваемой системы, показанные энергетической диаграммой.

КПД насосной установки в целом имеет тесную взаимосвязь как с эффективностью каждого элемента системы в совокупности, так и с величинами параметров системы «частотный преобразователь – асинхронный двигатель – насосная установка». КПД также учитывает все виды потерь, связанные с преобразованием электроэнергии в механическую энергию приводного двигателя, а эту механическую энергию в энергию движущейся воды. КПД насосного агрегата и характер его изменения также существенно зависит от типа насоса и его конструктивного изменения. Потому следует подробно исследовать, а также выполнить оценку влияния данных параметров на общую эффективность центробежной насосной установки с регулируемым электрическим приводом [9], [10].

Рис. 3 – Энергетическая диаграмма насосного агрегата

 

На рисунке 3 приведена энергетическая диаграмма насосного агрегата, где показаны основные потери электрической энергии в узлах системы «ПЧ-ЭД-ЦН», начиная от преобразователей частоты до магистрали пееркачки воды [8].

Выводы

1. При определении общих потерь электрической энергии необходимо учесть потери на каждом узле элементов системы «Преобразователь частоты – электрический двигатель – центробежный насос – магистраль (трубопровод)», согласно ее энергетической диаграмме.
2. Для получения более детального анализа энергетической эффективности установок перекачки воды, необходимо исследовать графики зависимости коэффициента полезного действия системы «частотный преобразователь– асинхронный двигатель – центробежный электронасос» от каждого составляющего этой системы.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Браславский И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В.Н.Поляков.  – М.: АСАDЕМА, 2004. – 256 с.
2. Лезнов Б. С. Энергосбережения и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б. С. Лезнов. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360 с.
3. Лезнов Б. С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок / Б. С. Лезнов. – М.: Машиностроение , 2013. – 176 с.
4. 4. Карэн M. ABB’s Energy Portfolio Management Solutions presented at Asian Power Utility Forum in Jakarta [Электронный ресурс] / М. Карэн // Материалы форума «Asian Power Utility». – 2017. – URL: new.ABB.com/ru (дата обращения: 28.04.2018).
5. Эльфляйн Н. Рецепт эффективности [Электронный ресурс] / Н. Эльфляйн // Журнал «Картины будущего». – 2015. – URL:w3.siemens.ru (дата обращения: 28.04.2018).
6. Oфициальный сайт компании «ShneiderElectric». – URL: http://www.schneider-electric.com. (дата обращения: 28.04.2018).
7. Дидич В. А. Пути энергосбережения в насосных установках системы мелиорации и орошения / В. А. Дидич // Научный журнал КубГАУ. – Кубань, 2011. – №69. – 23 с.
8. Николаев В. Г. Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения: Автореф. дис. на соиск. учен.степ. докт. техн. наук / В. Г. Николаев. – Москва, 2010. – 48 с.
9. Горгонов А. В. Взаимодействие насосных установок первого подъема и очистных сооружений водоподготовки / А. В. Горгонов // Водоснабжение и сантехника. – Москва, 2010. – №1. – 34 с.
10. Горгонов А.Н. Регулируемый электропривод насосных агрегатов первого поодъема станций водоподготовки / А. Н. Горгонов, Г. Б. Онищенко // Вестник ИГЭУ. – Авновск, 2012. – №6. – С.131-134.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Braslavskij I. Ja. Jenergosberegajushhij asinhronnyj jelektroprivod [Energy-saving asynchronous electric drive] / I. Ja. Braslavskij, Z. Sh. Ishmatov, V. N. Poljakov. – M.: ACADEMA, 2004. – 256 p. [in Russian]
2. Leznov B. S. Jenergosberezhenija i reguliruemyj privod v nasosnyh i vozduhoduvnyh ustanovkah [Energy saving and adjustable drive in pumping and blowing plants] / B. S. Leznov. – M.: Jenergoatomizdat, 2006. – 360 p. [in Russian]
3. Leznov B.S. Chastotno-reguliruemyj jelektroprivod nasosnyh ustanovok [Frequency-controlled electric drive of pumping units] / B. S. Leznov. – M.: Mashinostroenie , 2013. – 176 p. [in Russian]
4. Karen M. ABB’s Energy Portfolio Management Solutions presented at Asian Power Utility Forum in Jakarta [Electronic resource] / М. Karen // Materialy foruma «Asian Power Utility» [Materials of the forum "Asian Power Utility"]. – 2017. – URL: new.ABB.com/ru (accessed 28.04.2018).
5. Jel'fljajn N. Recept jeffektivnosti [Effectiveness Recipe] / N. Jel'fljajn // Zhurnal «Kartiny budushhego» [Magazine "Pictures of the Future"]. – 2015. – URL: w3.siemens.ru. [in Russian]
6. Oficial'nyj sajt kompanii «ShneiderElectric» [Official website of the company "ShneiderElectric"]. – URL: http://www.schneider-electric.com. (accessed 28.04.2018). [in Russian]
7. 7. Didich V.A. Puti jenergosberezhenija v nasosnyh ustanovkah sistemy melioracii i oroshenija [Ways of energy saving in pumping installations of the irrigation and irrigation system] / V. A. Didich // Nauchnyj zhurnal KubGAU [Scientific journal of KubSAU]. – Kuban, – №69. – 23 p. [in Russian]
8. 8. Nikolaev V. Jenergosberegajushhie metody upravlenija rezhimami raboty nasosnyh ustanovok sistem vodosnabzhenija i vodootvedenija [Energy-saving methods for controlling the operating modes of pumping installations for water supply and drainage systems]: dis. ... of Doctor of Technical Sciences / V. G. Nikolaev – Moscow, 2010. – 48 p. [in Russian]
9. Gorgonov A. V. Vzaimodejstvie nasosnyh ustanovok pervogo pod’ema i ochistnyh sooruzhenij vodopodgotovki [Interaction of pumping units of the first lifting and treatment facilities of water treatment] / A. V. Gorgonov // Vodosnabzhenie i santehniki [Water supply and sanitary engineering]. – Moscow, 2010. – №1. – 34 p. [in Russian]
10. Gorgonov A. N. Reguliruemyj jelektroprivod nasosnyh agregatov pervogo pod’ema stancij vodopodgotovki [Adjustable electric drive of pumping units of the first rise of water treatment stations] / A. N. Gorgonov, G. B. Onishhenko // Vestnik IGJeU [Bulletin of Ivanovo State Power University]. – Avnovsk, 2012. – №6. – P.131-134. [in Rusian]