CC BY
75УДК 628.12; 628.14; 628.17
АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ПАРАМЕТРАМ СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ И ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Николенко И.В.
Академия строительства и архитектуры ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: nikoshi@mail.ru
Аннотация. Выполнен анализ проблем повышения энергетической эффективности силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения. Проведен анализ энергетической эффективности частотного регулирования по относительным параметрам агрегатов и водопроводных сетей. Представлена расчетная схема и аналитические зависимости для интегрального способа частотного регулирования. Выполнен анализ полученных результатов. Новый способ позволяет существенно упростить процесс оценки энергетической эффективности на стадии проектирования насосных станций систем водоснабжения.
Ключевые слова: система водоснабжения, водопроводная сеть, насосный агрегат, частотное регулирование, энергетическая эффективность.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема повышения энергетической эффективности и надежности технологического процесса подачи и распределения воды, является одной из основных для систем водоснабжения (СВ). Современные СВ представляют собой сложный комплекс технологических процессов, инженерных сооружений, машин и аппаратов, которые содержат механическое, гидравлическое, энергетическое оборудование, трубопроводы, арматуру, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации. Этот комплекс предназначен для получения воды из природных источников, улучшения ее качества, хранения, транспортирования, подачи и распределения ее между потребителями под требуемым напором в соответствии с их нуждами. Силовые агрегаты насосных станций (НС) являются одними из основных структурных элементов СВ, так как во многом задают их эксплуатационные возможности и технический уровень в целом, а также существенно влияют на энергетические и технико-экономические показатели работы. На всех этапах жизненного цикла СВ, наряду с обеспечением требуемых напоров и подачи воды для нормальных и аварийных условий, необходимо при наименьших затратах на их сооружение и эксплуатацию обеспечивать: требуемую степень надёжности, долговечности, экономичности и выполнение ряда других требований. В СВ энергопотребление насосного оборудования является одним из основных составляющих эксплуатационных затрат предприятий
коммунального хозяйства. Поэтому повышение энергетической эффективности насосного
оборудования является главным резервом снижения затрат на энергопотребление СВ.
Решение технических задач, связанных с разработкой новых конструкций и технологических процессов для повышения энергетической эффективности гидравлического оборудования СВ имеет как экономические, так и социальные последствия, а именно улучшение условий жизни людей, повышения экономического потенциала государства, уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду.
ОБЗОР ПУБЛИКАЦИЙ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Функционирование СВ в процессе подачи и распределения воды потребителям характеризуется изменениями параметров ее состояния во времени. Эти изменения зависят от многочисленных внутренних и внешних факторов, контроль над большинством из которых затруднителен. Временные изменения параметров
функционирования СВ рассматриваются как случайные процессы Корректность использования тех или иных методов анализа случайного процесса в значительной степени зависят от его свойств. На основе параметров работы силовых агрегатов на действующих НС выполняется анализ стационарности, наличия периодических составляющих и нормальности процесса. Для систем подачи и распределения воды центробежные насосы (ЦН) совместно с приводными электродвигателями являются основными силовыми агрегатами, которые имеют значительный потенциал энергосбережения.
Низкая энергетическая эффективность СВ при транспортировке и распределении питьевой воды приводит к следующим негативным последствиям:
- завышению расходов и напоров насосного оборудования, установленного на НС, что вызывает нерациональное потребление электроэнергии, увеличение потерь воды в сетях, повышение риска гидроударов и ухудшение качества воды;
- неэффективному реагированию агрегатов НС и систем регулирования на изменение условий эксплуатации;
- возникновению аварийных ситуаций за счет порывов трубопроводов, поломок трубопроводной арматуры и насосных агрегатов;
- повышению удельных расходов электроэнергии на перекачивание 1 м3 воды.
Разработке новых конструкций, режимов регулирования и технологических процессов для повышения энергетической эффективности силовых агрегатов насосных станций СВ в технической литературе посвящено значительное количество исследований последних десятилетий [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Возрастающие требования к современным технологическим системам и энергетическому оборудованию в СВ привели к существенным изменениям в их оснащении. Основными направлениями совершенствования таких систем является все большее применение современных видов высокоэффективного насосного
оборудования, а также систем энергосберегающих приводов оснащенных электроникой, которая позволяет сочетать преимущества механических, электрических и гидравлических приводов, обеспечивает легкость в управлении, простоту в эксплуатации, обслуживании и ремонте, комфортабельность при работе [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13].
Применение регулируемых электроприводов насосных агрегатов с ЦН на базе преобразователей частоты электрического тока дает возможность реализации различных способов изменения режимов работы путем плавного изменения частоты вращения рабочего колеса [3, 9, 10, 14, 15, 16]. Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети СВ посредством выбора рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей требуемому режиму работы насосных агрегатов. При этом технико-экономическая эффективность внедрения регулируемого электропривода центробежных насосов зависит от многих факторов [2, 3, 5, 6, 17, 18, 19]. Например, в работе [17] была разработана и формализирована методика анализа регулирования работы ЦН, путем изменения частоты вращения его рабочего колеса, при условии обеспечения постоянного давления в сети, а также исследованы
влияние разных факторов на повышение энергетической эффективности СВ.
Анализ результатов применения в СВ регулируемого электропривода ЦН показывает, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других - она незначительна, в-третьих, установка такого привода не обеспечивает получение экономии энергии [3]. Исследование методов и форм применения регулируемого привода
свидетельствует о том, что на практике чаще всего используются технически наиболее простые, а экономически наименее эффективные способы управления насосными установками, такие, как стабилизация давления на максимальном допустимом уровне на выходе из ЦН. Степень использования потенциала энергосбережения, при этом, остается невысокой. Одной из основных причин такого положения является недостаточная изученность влияния условий эксплуатации на работу СВ с регулируемым электроприводом насосных агрегатов. Максимальная
энергоэффективность насосных агрегатов СВ в том случае, если напор в диктующей точке гидравлической сети на всем диапазоне изменения подачи будет минимально допустимым, а отклонения КПД от своего максимального значения равны нулю либо не превышают заданного уровня падения. Для реализации этих условий в большинстве работ предлагаются различные математические модели, в которых в качестве исходных данных принимаются параметры работы насосных агрегатов действующих НС [17, 18,19].
Таким образом, к основным направлениям повышения энергетической эффективности СВ относятся: создание и внедрение новых энергетически эффективных технологий; разработка насосного оборудования, обладающего минимально возможным энергопотреблением; корректный подбор силового оборудования НС с учетом реальных условий эксплуатации; качественный монтаж, наладка и
квалифицированная эксплуатация; оптимизация работы систем насос - водопроводная сеть с применением современных устройств
регулирования и управления. Для принятия тех или иных решений по повышению энергетической эффективности СВ необходимо проанализировать реальное энергопотребление насосных агрегатов при различных способах регулирования.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
При проектировании насосной установки для СВ необходимо подобрать насосные агрегаты и способы регулирования их параметров, которые обеспечат необходимые величины напора для требуемой подачи в заданной сети при максимально возможном КПД при различных условиях эксплуатации. Наибольшую сложность при проектировании СВ представляет выбор
насосных агрегатов для подкачивающих (повысительных) НС, так как необходимо обеспечить требуемые напоры у потребителей при переменной величине подачи, которая должна быть не меньше водопотребления. На режимы водопотребления влияют различные факторы, точно учесть, которые практически невозможно, а контроль над большинством из которых затруднителен. Выделяют неравномерности подачи суточные, недельные сезонные, на которые могут накладываться общие тенденции по снижению подач либо повышению подач НС, вызванные изменениями состояния и надежности ВС, ценовой политикой, внедрением новых систем регулирования, учета и др.
При установившемся режиме работы системы НС водопроводная сеть обеспечивается их материальный и энергетический баланс. Условие материального баланса создается равенством подачи насосного агрегата с расходом в сети, а условие энергетического баланса определяется равенством напоров, создаваемых насосом и потребных для сети. Поэтому для выбора параметров насосных агрегатов необходимо совместное рассмотрение их напорных характеристики и характеристики трубопровода.
Характеристика водопроводной сети как зависимость между расходом в трубопроводе и напором, который необходим для его представляется известной зависимостью:
Нс = Нст + ^ • Ос , (1)
где Нст - статический напор, обусловленный разницей геодезических отметок диктующей точки у потребителя и оси ЦН; Бс -гидравлического сопротивления сети, величина которого, в существенной степени зависит от времени, определяется стратегией поведения большого количества потребителей и для математического описания необходимо использовать методы стохастического анализа;
Аналитические зависимостей напорной характеристики ЦН составлены на основе анализа уравнений неразрывности потока, лопастных гидромашин Л. Эйлера и баланса энергии К. Пфлейдерера. В результате получена аналитическая зависимость между напором создаваемым ЦН и его подачей при постоянных оборотах вала [3, 4, 5, 21]:
Нн = Ан + Бн ■ Он + Сн ■ он2, (2)
где Ан, Вн, Сн - коэффициенты аппроксимации напорной характеристики, которые зависят от
конструктивного исполнения ЦН и вычисляются различными методами.
Для реального насоса коэффициенты параболы приближенно определяются по паспортной характеристике путем аппроксимации либо экспериментально в результате статистической обработки параметров работы насосного агрегата.
Зависимость КПД ЦН от его подачи описывается также параболической функцией:
Т) = Ен^н + , (3)
где Ен , Он - коэффициенты аппроксимации характеристики КПД насоса.
При совместной работе системы ЦН-сеть равенство между потребным расходом в сети и подачей насоса обеспечивается условием Qc = Qн а равенство между напором, создаваемым насосом и потребным для сети условием Нс = Нн, что соответствует параметрам рабочей точки этой системы. При выборе типа насоса целесообразно, чтобы рабочая точка находилась в области максимальных значений КПД. Для достижения максимального КПД насоса необходимо чтобы также выполнялось условие Qн = • Рабочий
диапазон параметров ЦН по их напорной характеристике определяется диапазоном подач
Ошт
* О * О тах из условия предельно допустимого снижения КПД до значения
Птп = (0,85 • • • 0,9) ■ Птах . Для каждого типоразмера ЦН рабочему диапазону по подаче Отп * О * Отах соответствуют диапазоны по
напору Нтах > Н > НтЬ •• Количество серийно
выпускаемых типоразмеров ЦН ограниченно, а каждый типоразмер имеет определенный рабочий диапазон напорных характеристик [21]. Поэтому число диапазонов в которых обеспечивается предельно допустимого снижения КПД тоже является ограниченным.
Рабочие параметры водопроводной сети (1) зависят от многих факторов, величина которых формируются по времени суток случайным образом, и образуют совокупность характеристик, которые ограничены двумя предельными кривыми. Нижняя предельная кривая соответствует характеристике состояния сети с наименьшим гидравлическим сопротивлением - при этом устанавливается режим максимального
водопотребления, а верхняя - с наибольшим гидравлическим сопротивлением, при этом устанавливается режим минимального
водопотребления. Случайные изменения подачи вызывают соответствующие изменения напора. Учитывая ограниченность рабочих диапазонов характеристик ЦН, то для обеспечения
необходимого количества воды под требуемым напором в соответствии с нуждами потребителей требуется изменения режима работы системы ЦН -водопроводная сеть. Для этого необходимо изменять напорную характеристику насоса, насосной установки или напорную характеристику сети. В существующих НСП применяется три основных способа регулирования подачи количественное, качественное и комбинированное [3, 5, 6, 19, 21].
В настоящее время является одним из наиболее распространенных методов
качественного регулирования является изменение частоты вращения рабочего колеса ЦН. В данной работе рассматриваются возможности оценки эффективности качественного регулирования системы ЦН водопроводная сеть при таком способе качественного регулирования.
Цель работы - определить влияние на энергетическую эффективность и параметры частотного регулирования ЦН относительных параметров водопроводной сети и напорной характеристики насоса.
При изменении частоты вращения рабочего колеса от начальной пн до измененной частоты пи сохраняется гидродинамическое подобие ЦН, поэтому при пересчете характеристик используются формулы пропорциональности
изменения подачи в рабочем диапазоне
бтт * во * в тах, который ограничивается допустимым падением значения КПД насоса П > Птш .
Для напорной характеристики ЦН при изменении частоты вращения его рабочего колеса в работах Николаева В.Г. [6, 9, 10, 11] получено следующее выражение для напорной характеристики:
Нн = 12 • ЛН/ +1 • БН!• в + сн • в
(6)
Формула позволяет, располагая графической или табличной напорной характеристикой ЦН при номинальной частоте получить ее аналитическую зависимость, а также выполнять перерасчет напорных характеристик ЦН в зависимости от измененной частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для математического моделирования и управления насосными установками.
Величина КПД насоса в меньшей степени зависит от относительного изменения частоты вращения, которая представляется в виде [17, 21].
Пи = 1 -
1 -Пн
а =
а в
п..
= I
Н =
н
Н
п
н
•2
N =
• 3
Н
н
N
= I
(4)
где I = — - коэффициент относительного
Пн
изменения частоты вращения, Пи, Пн -измененная и номинальная частота вращения.
При изменении частоты вращения рабочего колеса ЦН его напорная характеристика смещаются параллельно вниз и влево вдоль парабол подобных режимов. Уравнение параболы подобных режимов представляется в виде [3, 17, 21].
Н п = «• в,
(5)
где а - коэффициент параболы подобных режимов, который определяется по значениям расхода и напора, которые необходимо обеспечить.
При этом способе регулирования с помощью плавного изменения частоты оборотов электродвигателя можно достичь плавного
(7)
где Пн, Пи - КПД насоса при номинальной и измененной частоте вращения; а = 0,2...0,25 -параметр изменения КПД.
Математическое моделирование процессов регулирования режимов работы ЦН в водопроводной сети выполняется с целью оценки энергетической эффективности СВ в целом. В этой связи необходимо сравнение рабочих параметров ЦН, которые описываются математическими моделями при работе в одинаковых условиях водопроводных сетей. Параметры характеристики водопроводной сети для подкачивающих НС может изменяться случайным образом в широких пределах, что существенно усложняет разработку математической модели. Для разработки оптимизационной модели процессов
регулирования режимов работы насосных агрегатов, действующих НС необходимо выполнить следующие этапы:
- провести натурный эксперимента по изучению закономерностей процесса суточного водопотребления по подаче и напорам;
- определить, по данным натурного эксперимента, осредненной кривой случайного процесса водопотребления и сопротивления сети статистическими методами анализа нестационарных случайных процессов;
2
а
и
п
- разработка нелинейной многокритериальной оптимизационной модели минимизации потерь потребляемой электроэнергии для обеспечения процесса водоснабжения при максимально возможном КПД.
Такие этапы можно выполнить только на действующей НС, а также требуют больших затрат времени, так как для получения статистически значимых результатов необходимо собрать значения напоров и расходов, подаваемых НС в течение трех месяцев с дискретностью времени Д£ = 1 час.
На стадии проектных расчетов либо для сокращения времени разработки рекомендаций по снижению затрат на электроэнергию необходима разработка оперативных методов оценки. Для уменьшения числа параметров напорной характеристики насосных агрегатов и характеристики водопроводной сети необходимо рассматривать зависимости (1), (2) и (4) в относительных параметрах относительно параметров рабочей точки, то есть относительно напора Нс = Нн и подачи Qc = Qн, как показано на рис. 1. С учетом этого, характеристике сети в относительных параметрах представим в виде
Н^=к + а2 • (1 - к),
(8)
о— н
где Нс = — - относительный напор в сети Нн
(0 < Н < 1), к = - относительная величина Нн
статического напора сети, а = - относительный расход в сети (0 < а < 1).
Характеристика параболы подобных режимов (4) в относительных параметрах
Я7 = а •а2. (9)
Напорная характеристика ЦН представим в относительных параметрах в линеанизированном виде
Нна =Г + а^ (1 - у), (10)
по
где у =--относительный напор при нулевой
Нн
подаче, то есть при Q = 0.
Параметр у косвенно характеризует крутизну напорной характеристики ЦН.
Принятая модель описания напорной характеристики ЦН занижает полученные результаты, но с достаточной для инженерных расчетов точностью отражает основные характеристики реальных гидромашин, и может служить основой для моделирования процессов регулирования. По представленным моделям характеристик определим влияние на энергетическую эффективность и параметры частотного регулирования ЦН относительных параметров водопроводной сети и напорной характеристики насоса.
Известны различные варианты частотного регулирования расчетные, которые зависят от источника и способа подачи управляющего сигнала [2, 3, 22]. Наибольшее применение на практике, благодаря своей относительной простоте, получил способ регулирования с ограничением максимально допустимого напора в сети. Для этого способа источником подачи управляющего сигнала является датчик давления, на котором установлен предельный уровень давления. В данном способе при автоматизированном поддержании
постоянного максимально допустимого напора в водопроводной сети, не учитываются потери, заложенные в динамическом напоре, который изменяется в зависимости от расхода в сети. При гидравлическом расчете водопроводной сети требуемый напор в сети рассчитывается при максимальном водопотреблении, с учетом перспектив последующего развития расчетной зоны обслуживания НС. Поэтому такой способ частотного регулирования ЦН содержит в себе большой потенциал повышения энергетической эффективности на подачах, которые существенно меньше максимальных. Более энергетически эффективным способом является интегральное частотное регулирование подачи насосов, схема которого показана на рис. 1 [2, 22]. При этом способе частотного регулирования каждому значению подачи соответствует определенное значение напора. Недостатком этого способа регулирования, является то, что за основу применяется некоторая расчетная характеристика водопроводной сети, которая может существенно отличаться от эксплуатационных параметров, в виду причин, описанных выше.
Рис. 1. Расчетные схемы частотного регулирования по относительным параметрам для интегрального способа Fig. 1. Frequency control design schemes for relative parameters for the integral method
По полученной характеристике сети (7) и уравнению подобных режимов (8) определим коэффициент параболы подобных режимов а , который определяется по значениям относительного расхода ас и напора в сети, которые необходимо обеспечить в точке пересечения характеристики сети и параболы подобных режимов.
к 1 / а = —г +1 - к
а
(11)
По известному уравнению параболы подобных режимов (8) и напорной характеристике ЦН (9) составим уравнение для определения их точки пересечения с координатой ан по относительным расходам, которая соответствует относительной подаче при начальной частоте вращения рабочего колеса
ан
_ 1-J+^(Y-1)2+4^ ay
2 • а
(13)
а
а2н + ан -(у- 1) -у = 0.
(12)
Положительное решение уравнения (11) получим в виде
Для обеспечения относительной подачи ас начальную частоту необходимо уменьшить на коэффициент относительного изменения частоты вращения, который в соответствии с формулой пропорциональности (4) определяется в виде
ас ан
(14)
Для принятой расчетной схемы интегрального частотного регулирования выполнены расчеты значений коэффициентов относительного изменения частоты вращения ¿, а также а также коэффициентов относительного снижения мощности Ы, для значений относительного расхода сети в диапазоне ас =0,1...0,9; при значениях относительного напора ЦН при нулевой подаче у = 1,1... 1,5 и при значениях относительной величины статического напора сети к = 0,1... 0,9. Результаты расчета коэффициентов изменения частоты вращения I представлены на рис. 2, где по оси абсцисс показаны значения относительного расхода сети ас,. по оси ординат значения ¿.
Рис. 2. Зависимость коэффициентов относительного изменения частоты вращения i от относительной подачи aC при значениях относительного напора ЦН при нулевой подаче: а - у = 1,1; б - - у = 1,5; для различных значений относительной величины статического напора в сети k: ряд 1 - k = 0,1; ряд 2 - k = 0,2; ряд 3 - k = 0,3; ряд 4 - k = 0,4; ряд 5 - k = 0,5; ряд 6 k = 0,6; ряд 7 - k = 0,7; ряд 8 - k = 0,8; ряд 9 - k = 0,9.
Fig. 2. Dependence of the coefficients of the relative change in the rotational speed i on the relative feed a_C with the values of the relative head of the pump head at zero flow: a - у = 1.1; b - - у = 1.5; for different values of the relative value of the static head in the network k: Row 1 - k = 0.1; row 2 - k = 0.2; row 3 - k = 0.3; row 4 - k = 0.4; row 5 - k = 0.5; row 6 k = 0.6; row 7 - k
= 0.7; row 8 - k = 0.8; row 9 - k = 0.9.
Из анализа представленных зависимостей следует, что с уменьшением относительной величины статического напора в сети к и относительной подачи сети ас увеличиваются коэффициенты относительного изменения частоты вращения I. Увеличение крутизны напорной характеристики у уменьшает коэффициенты относительного изменения частоты вращения I. При увеличении относительной подачи сети ас степень влияния относительной величины статического напора в сети к и крутизны напорной
характеристики у на коэффициентов относительного изменения частоты вращения I снижается.
На рис.3 представлены результаты расчета относительного снижения потребляемой мощности АЫ = 1 — N , где по горизонтальным осям показаны значения относительного расхода сети ас,. и значения относительной величины статического напора в сети к.Расчеты выполнены с учетом снижения КПД насоса, согласно зависимости (7).
□ 0-0,1 и U,1 0,2 и 0,2 0,3 [-10,3 0,4 и 0,4 0,5 00,5-0,6 UO,b О,/ 00,7-0,8
а
□ 0-0,1 ПОД-0,2 00,2-0,3 0 0,3-0,4 0 0,4-0,5 0 0,5-0,6 0 0,6-0,7 0 0,7-0,8
б
Рис. 3. Зависимость коэффициентов относительного снижения потребляемой мощности AN от относительной подачи aC и относительной величины статического напора в сети k при значениях относительного напора ЦН при нулевой подаче: а - у = 1,1; б - у = 1,5; для значений: ряд 1 - k = 0,1; ряд 2 - k = 0,2; ряд 3 - k = 0,3; ряд 4 - k = 0,4; ряд 5 - k = 0,5; ряд 6 k = 0,6; ряд 7 - k = 0,7; ряд 8 - k = 0,8; ряд 9 - k = 0,9.
Fig. 3. Dependence of the coefficients of the relative reduction of power consumption (AN) относ on the relative supply a_C and the relative value of the static pressure in the network k at the values of the relative pressure of the central pump at zero flow: a -Y = 1.1; b - y = 15; for values: series 1 - k = 0.1; row 2 - k = 0.2; row 3 - k = 0.3; row 4 - k = 0.4; row 5 - k = 0.5; row 6 k = 0.6;
row 7 - k = 0.7; row 8 - k = 0.8; row 9 - k = 0.9.
Из анализа представленных зависимостей относительной подачи сети ас снижаются следует, что с увеличением относительной коэффициентов относительного снижения величины статического напора в сети к и потребляемой мощности AN. Увеличение крутизны
напорной характеристики у уменьшает диапазон изменения коэффициентов относительного снижения потребляемой мощности АЫ. Для рассмотренных диапазонов относительной подачи сети ас и относительной величины статического напора в сети к установлены диапазоны относительного снижения потребляемой мощности при различных значениях относительного напора ЦН при нулевой подаче: при у = 1,1 -АМ = 0,04 ... 0,71;при у =1,2 - -Ш = 0,17 ... 0,71; при у = 1,3 - -Ш =0,27.0,71; при у =1,4 -(АЫ) =0,35...0,71; при у =1,5 - -М_= 0,41... 0,71. Где минимальные значения -АЫ соответствуют максимальным значениям относительной подачи ас = 0,9 и относительной величины статического напора в сети к = 0,9. Увеличении относительной подачи сети ас оказывает большее влияние на степень снижения потребляемой мощности АЫ, чем влияние относительной величины статического напора в сети к и крутизны напорной характеристики у.
Для принятой модели описания характеристик ЦН величина КПД принимается равной КПД для параметров: напора Нс = Нн и подачи Qc = Qн,. Зависимость КПД от подачи описывается параболической функцией (3). Поэтому для определения фактической величины
относительного снижения потребляемой мощности АЫ необходимо определить относительную
величину снижения КПД ■ =
^ Чн
(15)
где ца и цн - КПД насоса при относительной подаче а и подаче Qн
С учетом этого фактическая степень снижения потребляемой мощности
Щ=1т • АШ.
(16)
Разработанная методика оценки
энергетической эффективности частотного регулирования по относительным параметрам с достаточной для инженерных расчетов точностью отражает основные характеристики реальных ЦН и может служить основой для моделирования процессов регулирования, а также основой для расчета стоимости жизненного цикла для сравнительном анализе СВ с различными системами регулирования.
ВЫВОДЫ
На основе выполненного анализа результатов применения в СВ регулируемого электропривода ЦН установлено, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других - она незначительна, в-третьих, установка такого
привода не обеспечивает получение экономии энергии. Это показало необходимость разработки методики оценки энергетической эффективности применения частотного регулирования ЦН на ранних стадиях проектирования СВ.
Предложена методика оценки энергетической эффективности применения частотного
регулирования ЦН по относительным параметрам напорной характеристики ЦН и водопроводной сети. В качестве объекта исследований принята система интегрального частотного регулирования системы ЦН - водопроводная сеть.
Определены коэффициентов изменения частоты вращения i ЦН для рассмотренных диапазонов относительной подачи и относительной величины статического напора в сети. Также для этих диапазонов установлены величины относительного снижения потребляемой мощности при различных значениях относительного напора ЦН при нулевой подаче.
Применение данной методика оценки энергетической эффективности частотного регулирования по относительным параметрам позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью выполнить оценку степени снижения потребляемой мощности при использовании интегрального частотного регулирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кирсанов А.А. Исследование работы внутриквартальных подкачивающих насосных станций/ А.А. Кирсанов, В.Н. Колчев, В.В. Шмиголь, М.Д. Черносвитов// Водоснабжение и санитарная техника. - 2011. - № 9, ч.2. - С. 30 - 33.
2. Черносвитов М.Д. Энергетическая эффективность интегрального регулирования работы повысительных насосов// Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. - 2013. - № 4 (13). - С. 96 - 99.
3. Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. - М.: Машиностроение, 2013. - 176 с.
4. Николенко И., Пастушенко А., Котовская Е. Анализ влияния условий эксплуатации насосной станции на параметры насосных агрегатов// MOTROL: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2010. - Vol. 12D. - р. 33 - 44 .
5. Хованський С.О. Шдвищення ефективносп експлуатацп вщцентрових насоав у системi водопостачання житлово-комунального господарства: дис. ...канд. техн. наук. - Суми, 2010. - 162 с.
6. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах: дис. ...докт. техн. наук. - М., 2010. - 372 с.
7. Лободовский К.К. Управление эффективностью работы двигателя// MotorManager, 1996. - 66 с.
8. Николаев В.Г. Анализ энергоэффективности различных способов управления насосными установками с регулируемым приводом// Водоснабжение и санитарная техника. - 2006, № 11, ч. 2, С. 6 - 17.
9. Николаев В.Г. Управление режимами работы группы лопастных насосов// Водоснабжение и санитарная техника. - 2008, № 5. - С. 9 - 16.
10. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосными агрегатами в системах водоснабжения при нестационарной нагрузке// Сантехника. - 2006, № 4. - С.22 - 28.
11. Николаев В. Г., Тихоненко Ю.Ф. Способ оценки эффективности применения частотно-регулируемого привода при работе групп лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах// Энергонадзор и энергоэффективность . - 2003, №3. - С. 65 - 68.
12. Гришко Н. К., Усачев А. П. Применение преобразователей частоты в системе автоматизации водопроводных насосных станций// Водоснабжение и санитарная техника. -2007, №6. -С. 49 - 52.
13. Леонов Г. В., Рахлин В. П. Усачев Л. П. Опыт внедрения и совершенствования частотно-регулируемого электропривода для насосных станций // Водоснабжение и санитарная техника. -2005, №2. ч. 2. - С. 21 - 24.
14. Николаев В. Г. Управление группой насосов с регулируемым приводом при переменной нагрузке// Мелиорация и водное хозяйство. - 2008, № 2. - С. 10 - 14.
15. Шкердин Д. Г.Преобразователи частоты в энергосберегающем приводе насосов// Водоснабжение и санитарная техника. - 2004, №7. -С. 29 - 32.
16. Николенко И.В., Салиев Э.И., Валкина Е.М. Методика оценки технико-экономической эффективности гидромашин насосных станций систем водоснабжения и водоотведения// Ученые записки Крымского инженерно-педагогического ун-та. - Вып.№ 16. Техн. науки. - Симферополь.: НИЦ КИПУ, 2008. - С. 22 - 25.
17. Бойко В.С. Аналiз частотного регулювання вщцентрових насоав водопостачанш з метою енергозбереження/ В. С. Бойко, В. Г. Неня, М. I. Сотник, С. О. Хованський// Вюник КДПУ iм. М. Остроградського.- Кременчук: КДПУ. - Вип. 4, 2009 (57), ч. 1. - С. 147 - 151.
18. Усачев А.П. Методика оценки эффективности частотного регулирования производительности насосных агрегатов (в порядке обсуждения)// Водоснабжение и санитарная техника. - 2018. - № 7. - С. 57 - 63.
19. Николенко И.В., Рыжаков А.Н., Умаров Р.С. Повышение энергетической эффективности регулирования силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения// Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов
АСиА. - Симферополь, 2016. - вып. 55. - С. 75 -82.
20. Фисенко В.Н. Энергетическая эффективность насосов в системах водоснабжения и водоотведения// Водоснабжение и санитарная техника. -2018, №6. - С. 52 - 56.
21. Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов.— М.: Стройиздат, 1986.— 320 с.
22. Шмиголь В.В., Черносвитов М.Д., Атанов Н.А. Интегральное регулирование работы повысительных насосов// Водоснабжение и санитарная техника. - 2013, № 8. - С. 23 - 27.
REFERENCES
1. Kirsanov A. A. Study of the work of intra-pumping pump stations / A. A. Kirsanov, V.N. Kolchev, V.V. Shmigol, M.D. Chernosvitov // Water supply and sanitary engineering. - 2011. - № 9, part 2. - P. 30 - 33.
2. Chernosvitov MD Energy efficiency of the integrated regulation of the booster pumps operation. // Vestnik SGASU. Urban planning and architecture. -2013. - № 4 (13). - pp. 96 - 99.
3. B. Leznov Variable frequency electric pumping units. - M .: Mashinostroenie, 2013. - 176 p.
4. Nikolenko I., Pastushenko A., Kotovskaya E. Analysis of the influence of the operating conditions of a pumping station on the parameters of pumping units // MOTROL: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2010. - Vol. 12D. - R. 33 - 44.
5. Khovansky S.O. Piddischennya efektivnosti ekspluatatsii ididtsentrovih pumpiv at the system watering of housing and communal state gifts: dis. ... Cand. tech. sciences. - Sumi, 2010. - 162 p.
6. Nikolaev V.G. Energy-saving methods for selecting parameters and optimizing the management of a group of blade-type superchargers in non-stationary technological processes: dis. ... Dr. tech. sciences. - M., 2010. - 372 p.
7. Lobodovsky KK Engine Performance Management // MotorManager, 1996. - 66 p.
8. Nikolaev V.G. Analysis of the energy efficiency of various ways to control pumping units with adjustable drive // Water supply and sanitary equipment. - 2006, No. 11, Part 2, pp. 6 - 17.
9. Nikolaev V.G. Management of operation modes of a paddle pump group // Water supply and sanitary engineering. - 2008, № 5. - p. 9 - 16.
10. Nikolaev V.G. Energy-saving ways to control vane pumping units in water supply systems with non-stationary load // Sanitary Engineering. - 2006, No. 4. -P.22 - 28.
11. Nikolaev V.G., Tikhonenko Yu.F. A method for evaluating the effectiveness of the use of a frequency-controlled drive during the operation of groups of blade-type superchargers in non-stationary technological processes. Energonadzor and energy efficiency. - 2003, №3. - p. 65 - 68.
12. Grishko N. K., Usachev A. P. The use of frequency converters in the automation system of water
pumping stations // Water supply and sanitary engineering. -2007, №6. - p. 49 - 52.
13. Leonov G.V., Rakhlin V.P. Usachev L.P. Experience of implementation and improvement of the variable frequency drive for pumping stations // Water supply and sanitary engineering. - 2005, №2. Part 2. -P. 21 - 24.
14. Nikolaev VG. Management of a group of pumps with adjustable drive at variable load // Melioration and Water Economy. - 2008, № 2. - p. 10 -14.
15. Shkerdin D. G. Frequency converters in an energy-saving pump drive // Water supply and sanitary engineering. - 2004, №7. - pp. 29 - 32.
16. Nikolenko I.V., Saliev E.I., Valkina E.M. Methods of assessing the technical and economic efficiency of hydraulic machines of pumping stations of water supply and drainage systems // Scientific Notes of the Crimean Engineering and Pedagogical University. - Issue number 16. Techn. science. -Simferopol: SIC KIPU, 2008. - p. 22 - 25.
17. Boyko V.S. An analysis of the frequency regulation of the centrifugal pumps in the water supply with the method of energy saving / V.S. Boyko, V.G.
Nenya, M.I. Sotnik, S. O. Khovanskiy // Bulletin of the KDPU, im. M. Ostrogradsky. - Kremenchuk: KDPU. -Vip. 4, 2009 (57), part 1. - p. 147 - 151.
18. Usachev A.P. Methodology for assessing the effectiveness of frequency control performance of pumping units (in order of discussion) // Water supply and sanitary engineering. - 2018. - № 7. - p. 57 - 63.
19. Nikolenko I.V., Ryzhakov A.N., Umarov R.S. Improving the energy efficiency of regulation of power units of pumping stations of water supply systems // Construction and technological safety. Sat scientific papers ASA. - Simferopol, 2016. - vol. 55. - p. 75 - 82.
20. Fisenko V.N. Energy efficiency of pumps in water supply and drainage systems // Water supply and sanitary engineering. -2018, №6. - p. 52 - 56.
21. Karelin V. Ya., Minaev A. V. Pumps and pumping stations: Proc. for universities. - M .: Stroyizdat, 1986.— 320 p.
22. Shmigol V.V., Chernosvitov MD, Atanov N.A. Integrated regulation of the booster pumps // Water supply and sanitary engineering. - 2013, № 8. -p. 23 - 27.
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF FREQUENCY REGULATION ON THE RELATIVE PARAMETERS OF POWER UNITS AND PUMPING STATIONS AND WATER SUPPLY NETWORKS WATER SUPPLY SYSTEMS
Nikolenko I.V.
Summary. The analysis of the problems of increasing the energy efficiency of power units of pumping stations of water supply systems. The analysis of energy efficiency of frequency regulation on relative parameters of units and water supply networks is carried out. The calculation scheme and analytical dependences for the integral method of frequency control are presented. The analysis of the obtained results was performed. The new method makes it possible to significantly simplify the process of energy efficiency assessment at the design stage of pumping stations of water supply systems.
Key words: water supply system, water supply network, pumping unit, frequency control, energy efficiency.
