CC BY
108
потребитель передает в систему электроснабжения искажения.
Таким образом, для определения влияния качества напряжения на потребляемую мощность достаточно проанализировать первые два элемента формулы. Это несколько упрощает задачу, однако полученное уравнение все равно остается достаточно сложным для анализа.
Возникающие трудности отчасти определены существующим различием в подходах при определении показателей качества: каждый параметр из перечня ПКЭ (см. табл.) отражает требования разных потребителей, и определяется наиболее удобным в каждом конкретном случае образом. Примерами являются дозы фликера, получаемые в результате свертки сигнала питающего напряжения с кривой восприимчивости человеческого зрительного аппарата и измеряемые посредством фликерметра, либо коэффициенты несинусоидальности или коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям. Эти особенности обусловливают громоздкость аналитического исследования влияния ПКЭ на потребляемую мощность.
Многомерность анализа также представляет собой определенную проблему, не позволяющую в достаточной степени визуализировать зависимость электропотребления от качества напряжения.
Авторами статьи разработан подход, позволяющий проводить анализ зависимости потребляемой электроэнергии при непрерывных изменениях ПКЭ во всем диапазоне, задаваемом для каждого показателя, нормированного стандартом. Такое совокупное исследование влияния всех параметров позволяет выявить элементы, к изменению которых наиболее чувствительной оказывается получаемая потребителями электроэнергия.
Результаты проведенного аналитического исследования предполагается использовать при целевом расчете электропотребления в зависимости от качества напряжения в системе электроснабжения сельских потребителей. В качестве примеров выбраны теплицы, фермы крупного рогатого скота, строения бытового сектора и, возможно, другие типичные объекты АПК.
Список литературы
1. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. — Иваново: Ивановский государственный энергетический университет, 1999.
2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. Королевич Н.Г. Повышение экономической эффективности использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве Беларуси: Дисс. ... канд. экон. наук. — Минск, 2002.
5. Кравцов А.В. Виртуальный анализатор качества электрической энергии в среде Electronics Workbench II VII международная научно-методическая конференция «Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании» НИТЭ-2006. — Астрахань, 2006.
6. Кравцов А.В. Моделирование количества и качества активной электрической энергии однофазного потребителя II Материалы конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности». — Астрахань: Астинтех, 2007.
7. Кудрин Б.И. Материалы Международного форума «Проекты будущего: междисциплинарный подход». — Звенигород, 2006.
8. Кучумов Л.А., Спиридонова Л.В. Потери мощности в электрических сетях и их связь с качеством электроэнергии. — Л.: ЛПИ, 1985.
УДК 631.3.004; 658.265:628.1
В.Г. Николаев, канд. техн. наук, доцент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский институт коммунального хозяйства и строительства»
энергосберегающие методы выбора оптимального числа, параметров и способов управления группой лопастных насосов в системах водоснабжения АПК
Водопроводные насосные системы агропромышленного комплекса характеризуются значительными колебаниями нагрузки во времени. В наиболее сложных условиях находятся насосные установки, подающие воду непосредственно в водопроводную сеть (станции подкачки, полива и т. п.), причем нагрузка на эти установки может изменяться в широ-
ких пределах. Для покрытия достаточно широких диапазонов нагрузки, а также с целью регулирования подачи на практике часто организуют параллельную работу двух, трех и более насосных агрегатов.
Известно, что подключение к одиночно работающему агрегату второго однотипного насоса уве-
25
личивает подачу системы менее, чем в 2 раза, а добавка подачи от включения каждого последующего насоса будет ниже, чем предыдущего. Подключение, например, восьмого насоса позволяет увеличить подачу лишь на 5...6 %. Поэтому в практике водоснабжения максимальное число насосных агрегатов, включаемых в параллельную работу, не превышает восьми. Применение разнотипных насосов не меняет приведенную картину.
В системе, состоящей из нескольких насосных агрегатов, регулируют подачу за счет введения в работу (или выключения из нее) дополнительного одного или нескольких агрегатов. Включение (отключение) дополнительного агрегата приводит к скачкообразному изменению параметров всех работающих агрегатов.
Н, м
В качестве примера для исследования параметров группы параллельно подключенных агрегатов рассмотрим характер перемещения рабочих точек при работе системы, состоящей из трех однотипных насосных агрегатов (рис. 1). Диапазон подач, обслуживаемый насосами, находился в пределах 1900...6500 м3/ч. Статическое распределение нагрузки было принято для микрорайона Митино (г. Москва) и приведено в табл. 1.
Подача трех одновременно работающих насосов в рабочей точке A1+2+3 составила 2раб = = 6508 м3/ч, а напор Ираб = 61,18 м. Параметры насосов в рабочих точках при работе одного, двух и трех насосов, вычисленные для различных соотношений статического И и полного Ип напоров, приведены в табл. 2.
Согласно традиционной методике насосы подобраны таким образом, что при одновременной работе всех трех насосов каждый из них находился в оптимальном режиме с параметрами:
opt = 2166 м3/ч; Hpt = 61,18 м; nopt = 0,75 и Nopt = 481 кВт. При отключении насоса № 3 в работе остаются насосы № 1 и № 2, а рабочая точка перемещается из положения A1+2+3 в одно из возможных положений: A'+2; A"+2 или A'+2 в зависимости от характеристики водовода. Потребляемая каждым из оставшихся в работе агрегатов мощность NT возрастает с 481 кВт до 564 кВт (рабочая точка A'1'_+2). При отключении двух насосов для оставшегося в работе насоса потребляемая мощность возрастает с NT = 564 кВт до NT = 780 кВт (см. рис. 1, рабочая точка A1''').
Как видно из табл. 2, одновременно с увеличением подачи с 2166 м3/ч до 3857 м3/ч происходит падение напора и КПД насоса. В этой связи возникает два вопроса: возможна ли технически и при каких условиях работа насоса в диапазоне подач, значительно превышающих оптимальную, для установленного типа оборудования и оправдана ли она экономически? Анализ характеристик насосного оборудования, например типов Д или В, широко используемых в системах водоснабжения, показывает, что рекомендуемые заводом-изготовителем подачи как экономически наиболее предпоч-
0 1500 3000 4500 6000 7500
(2, м3/ч
Рис. 1. Перемещение рабочих точек в зависимости от числа одновременно работающих насосов для различных значений статической составляющей требуемого напора
Таблица 1
Номер интер- вала Q, м3/ч P Номер интер- вала Q, м3/ч P
1 1900 0,0296 13 4300 0,0394
2 2100 0,0306 14 4500 0,0371
3 2300 0,0256 15 4700 0,0491
4 2500 0,0382 16 4900 0,0513
5 2700 0,0448 17 5100 0,051
6 2900 0,0491 18 5300 0,0491
7 3100 0,040 19 5500 0,0521
8 3300 0,0429 20 5700 0,0401
9 3500 0,0431 21 5900 0,0401
10 3700 0,048 22 6100 0,0422
11 3900 0,0429 23 6300 0,0408
12 4100 0,0415 24 6500 0,0314
Таблица 2
Статическая направляющая напора и ее отношение к полному напору Наименование рабочих точек и соответствующие им параметры при работе насосов
№ 1 (А1; А1; А"; А п (Л1+2; № 1 + № 2 Л' •Л" • 1+2’ 1+2’ А'' ' ) А1+2) № 1 + № 2 + № 3 Л 1+2+3
Н8„ м Н»/Нп Q, м3/ч Н, м п Q, м3/ч Н, м п Q, м3/ч Н, м п
61,18 1,0 2166 61,18 0,75 4332 61,18 0,75 6508 61,18 0,75
40,0 0,65 3038 44,61 0,63 5232 53,68 0,72 6508 61,18 0,75
20,0 0,33 3516 32,03 0,46 5574 50,24 0,69 6508 61,18 0,75
0 0 3857 21,51 0,29 5769 48,1 0,67 6508 61,18 0,75
тительные не превышают оптимальную более, чем на 15.20 % [1]. Сопоставление технических характеристик насосов и электродвигателей к ним показывает, что мощность электродвигателей при заводской комплектации всего на 20.25 % превышает мощность насоса на оптимальном режиме. Однако реальные условия работы насосного агрегата, особенно в составе группы, могут существенно отличаться от предполагаемых (см. рис. 1, табл. 2).
Для ответа на вопрос о возможности работы лопастных насосных агрегатов в области подач, значительно (в 1,5_1,8 раза) превышающих оптималь-
ную, значительный интерес представляют результаты проведенных с этой целью натурных испытаний крупных лопастных насосов. Во время испытаний работа насосов осуществлялась на короткий раз-дросселированный трубопровод, что позволило, при условии снятия ограничений по кавитации и мощности двигателей, сместиться по напорной характеристике значительно вправо, так как гидравлическое сопротивление трубопровода было минимальным и единственным фактором, ограничивающим подачу, т. е. имела место ситуация, достаточно близкая к представленной на рис. 2 (см. рабочую точку Л"'). Всего было испытано три насосных агрегата, а именно: 20Р-11М, 500-60 и 3ГМ-2М. Для предотвращения кавитации в насосах был снижен вакуум на входе в насосные агрегаты при помощи специальных эжекторных устройств, установленных на всасывающих линиях насосов и приводимых в действие от вспомогательных центробежных насосов. За счет эжектирования на всасывающей линии удалось повысить давление (снизить вакуум) на входе в насосы на величину подпора ДЯ, создаваемого эжектором.
В проведенных опытах значение подпора ДЯ достигало 5_6 м вод. ст. Повышение давления на входе в насос 3ГМ-2М создавалось за счет погружения его под уровень воды на глубину до 4 м. Результаты испытаний показали, что
снятие ограничений по мощности электродвигателей привода и по кавитации позволило довести подачу насоса 20Р-11М до 5280 м3/ч (0 = 3500 м3/ч),
насоса 500-60 до 9900 м3/ч (0 ( = 50(^0 м3/ч), насоса 3ГМ-2М до 3340 м3/ч (0 (= 2000 м3/ч).
Результаты натурных испытаний насосов убедительно показали возможность устойчивой и надежной работы лопастных насосов в области подач, значительно превышающих оптимальную, при условии снятия или послабления ограничений по мощности и кавитации. Если вопрос снятия ограничений по мощности не вызывает трудностей и может быть решен путем замены установленного электродвигателя на двигатель большей мощности, то задача снятия ограничений или послабления их по кавитации значительно сложнее и может быть решена различными способами. Наиболее распространенным из них может быть понижение отметки оси рабочего колеса по отношению к отметке уровня воды в приемном резервуаре как для насосов сухой установки, так и для погружных насосов. Кроме того, обеспечению возможности работы насосов в области высоких значений подач может способствовать применение насосов с повышенной кавитационной устойчивостью. В отдельных случаях, при необхо-
Q, м3/ч
Рис. 2. Область возможных режимов насоса Д-1250-56 с регулируемым приводом и с учетом ограничений (КПР — кривая подобных режимов)
димости покрытия пиковой нагрузки, для предотвращения кавитации экономически целесообразно применять эжектирующие устройства (эжекторы) на всасывающей линии лопастных насосов.
За последнее десятилетие с целью экономии энергии в системах водоснабжения все шире применяют регулируемый электропривод. Установка регулируемого привода на одном или нескольких агрегатах, входящих в состав группы, существенно усложняет управление такой системой. Включение (отключение) одного или нескольких агрегатов или регулирование его характеристики за счет изменения частоты вращения рабочих колес приводит к потере устойчивости в работе такой системы. Это выражается в перераспределении нагрузки между агрегатами: возрастание нагрузки на одни агрегаты с риском попадания их в зону кавитации или перегрузки двигателей и снижением нагрузки на другие агрегаты с возможностью попадания их в зону недогрузки и помпажа.
В этой связи значительный интерес представляет первый опыт применения группового регулируемого привода на Восточной водопроводной станции г. Москвы [2]. На насосной станции три насосных агрегата были оснащены групповым регулируемым электроприводом, а еще три агрегата были оборудованы локальным регулируемым приводом. Каждый регулируемый привод был укомплектован собственной локальной автоматизированной системой управления. Опыт применения регулируемого электропривода при оснащении им группы насосных агрегатов наряду с высокой эффективностью его использования показал неустойчивость работы всей системы в целом, возникающую при изменении нагрузки и характеризующуюся возникновением гидравлических ударов и аварийным отключением отдельных агрегатов и выявил необходимость создания объединенной системы управления. Наличие объединенной системы позволило, удерживая систему в рамках ограничений, обеспечить эффективное взаимодействие регулируемых агрегатов между собой и с нерегулируемыми агрегатами.
Теоретический анализ работы системы, состоящей из группы параллельно подключенных насосных агрегатов, полностью или частично оснащенных регулируемым приводом, показал, что надежность и устойчивость работы такой системы может быть обеспечена только при рассмотрении ее как единой целостной динамической системы, работающей в рамках четко обозначенных пределов ограничений. Для удержания работы системы, состоящей из группы агрегатов, в рамках ограничений необходимо четко очертить область возможных (допустимых) режимов ее работы. Поскольку границы работы всей системы формируются из границ отдельных, входящих в нее агрегатов, необходимо четко обозначить область возможных режимов каждого
28
агрегата с учетом ограничений. Следует особо подчеркнуть, что определение границ системы важно как для обеспечения надежной и устойчивой ее работы, так и для выбора наиболее эффективного способа управления, поскольку положение возможных границ существенно влияет на энергетические показатели работы системы в целом.
Рассмотрим разработанную методику определения ограничений. Предельно допустимое значение подачи регулируемого насосного агрегата из условия предотвращения кавитации можно определить из следующего выражения:
р = р ^-д^ - Сл - V, (1)
У У
где Рк — кавитационный функционал, м; Ра и Рнп — атмосферное давление и давление насыщенного пара, Па; у — удельный вес воды, Н/м3; Д йкр — критическое значение кавитационного запаса, определяемое по кавитационной характеристике насоса в зависимости от его подачи и частоты вращения рабочего колеса, м; — гидравлические потери напора на всасывающей линии насоса, зависящие от его подачи; квс — высота всасывания насоса, равная разности отметок уровня воды в резервуаре и оси рабочего колеса, м.
Максимально возможную подачу определяем из формулы (1) для принятого (фиксированного) значения требуемого напора, решая уравнение относительно подачи 2 методом последовательных приближений, принимая Рк = 0.
Предельно допустимую подачу с точки зрения недопущения перегрузки электродвигателя привода насоса можно получить из выражения:
N - ^дв = 0 (2)
где N — текущая мощность, потребляемая электродви-
уОИ тт
гателем привода, кВт: МТ = —---; И — напор, для ко-
1 1000п
торого определяется максимально возможная подача, м; П — КПД, вычисляемый в зависимости от подачи и частоты вращения рабочего колеса.
Значение предельно допустимого значения подачи может быть получено из формулы (2) методом последовательных приближений.
Методика получения ограничений по помпажу, предельной частоте вращения и КПД не рассмотрена ввиду ограниченного объема данной публикации.
С целью определения области возможных режимов работы насосного агрегата была разработана специальная компьютерная программа 8КЛК-КЛ8, позволившая найти границы области ограничений и графически ее изобразить. В качестве примера на рис. 2 показана область возможных режимов работы насоса Д-1250-65 с регулируемым приводом с учетом ограничений. Обозначение соответствую-
щих ограничений, их причина, характер и параметры насоса в характерных точках области возможных режимов приведены в табл. 3.
При этом под жестким характером ограничений понимаются такие, превышение которых может привести к выходу оборудования из строя, нарушению его механической прочности и созданию аварийной ситуации. Под мягкими ограничениями будем подразумевать ограничения, нарушение которых приводит к существенному ухудшению технико-экономических показателей работы системы.
Из рис. 2 видно, что область возможных режимов работы насоса представляет собой криволинейный многоугольник, каждая сторона которого соответствует ограничению по определенному параметру: кавитации, помпажу и пр. Правая граница зоны возможных режимов ВСРД получена для установленной мощности электродвигателя привода N = 350 кВт (см. табл. 3) и высоты всасывания
дв
квс = 0. Повышение уровня воды (или снижение отметки оси насоса относительно уровня воды) на 3 м вод. ст. и мощности электродвигателя до 450 кВт позволит существенно расширить область возможных режимов работы насоса (кривая ВС'Р'Д').
При работе группы параллельно подключенных агрегатов с регулируемым приводом или при совместной работе группы регулируемых и нерегулируемых агрегатов возникает необходимость оптимального распределения нагрузки между насосными агрегатами. На выбор оптимизационного метода существенно влияет характер зависимости мощности от подачи при фиксированном в данный момент времени значении напора. Разработанная математическая модель и программа 8КЛК-КЛ8 позволяет не только, как это показано ранее, очертить область возможных режимов работы регулируемого насоса, но и сканировать ее по вертикали (для выбранного фиксированного значения подачи) и горизонтали
(для выбранного фиксированного значения напора). При параллельной работе агрегатов наибольший интерес представляет исследование взаимосвязи параметров целевой функции оптимизации при сканировании области возможных режимов работы по горизонтали (при Hj = const). Результаты сканирования области возможных режимов работы насоса Д-1250-65 для напора H = 64,3 м, в качестве примера, приведены в табл. 4.
Зависимости Nn = f1(Q), n = f2(Q) и K = f3(Q) изображены на рис. 3. Наибольший интерес представляет зависимость потребляемой мощности от подачи Nn = f1(Q). Приведенная функция на всем возможном диапазоне изменения нагрузки является непрерывной, выпускной, монотонно возрастающей, что обеспечивает возможность ее дифференцирования, а следовательно, и использования оптимизационного метода множителей Лагранжа. В этом случае функция Лагранжа имеет вид
Fl = J£ N i-A,(ßH.c-£ Qi)\,
(3)
_i=1
i=1
где N — мощность, потребляемая г-м агрегатом при напоре Я=Я; т — число одновременно работающих насосов: 1 < т < п; п — число установленных насосов; X — неопределенный множитель Лагранжа; 2нс — подача группы насосных агрегатов при параллельной их работе; 0 — подача г-го насосного агрегата.
Дифференцируя функцию (3) по независимым переменным 21, 22, _, 2ш и приравнивая к нулю частные производные, находим экстремум функции Лагранжа:
dN
dQi
m
I Qi = Qh
(4)
i=1
Таблица 3
Обозначение ограни- Причина ограничения (его характер) Характерная точка Параметры насоса в характерных точках области возможных режимов
чения Q, м3/ч И, м N, кВт п к = п / пн
FLA Помпаж (жесткое) F 250 34 51 0,463 0,7
L 390 76 180 0,463 1,0
A 445 97,5 256 0,463 1,15
AB Прочность, предельная частота вращения (жесткое) B 1020 92,5 317 0,827 1,15
BC Мощность (жесткое) N =350 кВт дв C 1367 82,5 350 0,87 1,11
СРД Кавитация (жесткое) Р 1560 58,5 298 0,85 1,0
к = 0 вс Д 1780 18,5 218 0,40 0,76
ДЕ КПД (мягкое) Е 1690 14,5 162 0,40 0,70
С'Р'Д' Кавитация (жесткое) к = -3 м, N = 450 кВт вс дв C P 1773 1939 79.5 49.5 441 355 0,87 0,74 1,14 1,00
Д 2032 32 330 0,54 0,90
Таблица 4
Q, м3/ч П K Nn, кВт Q, м3/ч П K Nn, кВт
408 0,506 0,934 141 1209 0,879 0,982 241
510 0,590 0,935 152 1294 0,885 0,991 256
613 0,663 0,938 162 1362 0,886 1,00 269
715 0,724 0,942 174 1515 0,879 1,02 302
800 0,760 0,946 184 1601 0,871 1,03 322
902 0,809 0,954 195 1720 0,853 1,05 353
1004 0,841 0,962 209 1856 0,826 1,07 393
1124 0,867 0,973 227 1941 0,807 1,087 421
Решая систему уравнений (4), находим оптимальное распределение нагрузки, т. е. подачу каждого насосного агрегата. Затем в рассматриваемом статистическом интервале определяем мощность, потребляемую насосными агрегатами, и затраты энергии. Энергия 5;, потребляемая группой насосных агрегатов при работе в течение года на всем возможном статистическом диапазоне изменения нагрузки,
24 ш уП-Я
5; = УУ 2 1 РТ, (5)
где у — число членов статистического ряда подач; Я; — напор насоса в у-м интервале; 0 — подача г-го насоса ву-м интервале; Пу — КПД г-го насоса ву-м интервале;
— КПД привода г-го насоса в у-м интервале; Р; — вероятность появления подачи 2; Т — число часов работы в году.
Оснащение насосных агрегатов с целью экономии энергии регулируемым электроприводом (РЭП) связано со значительными капитальными затратами на его приобретение, монтаж, пуск и наладку. Поэтому установке РЭП должно предшествовать технико-экономическое обоснование целесообразности его применения. При составлении такого обоснования необходимо определить экономию энергии, получаемую в результате установки регулируемого привода. Если в существующей нормативной и технической литературе вопросу, посвященному определению экономии энергии при установке РЭП для одиночного насосного агрегата посвящено достаточно много рекомендаций [3-6], то вопрос определения экономии энергии при работе группы насосных агрегатов является достаточно сложным и, как следствие, недостаточно изученным.
Б.С. Лезнов [5] рекомендует рассчитывать экономию энергии при оснащении РЭП группы
насосных агрегатов так, как и при работе одиночного агрегата, а затем корректировать полученное значение при помощи понижающего коэффициента, зависящего от числа установленных насосов, по формуле
5* = Ф 5;,, (6)
где 5; — экономия энергии при работе одиночного агрегата; ф — понижающий коэффициент, принимаемый из следующих значений:
Число насосов п 1 2 3 4 5 6
Коэффициент ф 1 0,75 0,66 0,57 0,5 0,47
Определение экономии энергии при оснащении группы параллельно подключенных агрегатов регулируемым электроприводом только в зависимости от числа насосных агрегатов раскрывает только качественную картину и без учета ряда технологических факторов не может быть достаточно объективным. С целью получения объективной оценки необходимо учесть влияние ограничений по кавитации, мощности и помпажу, а также такие технологические параметры, как статистическая составляющая напора, уровень воды в приемном резервуаре и т. д. В этой связи представляет интерес рассмотрение полученных в результате математического моделирования зависимостей потребления энергии насосной станцией, состоящей из трех насосных агрегатов, при дросселировании от ограничений по кавитации и установленной мощности электродвигателей привода насосов.
Результаты вычислений приведены в табл. 5. По этим результатам построены зависимости затрат энергии за год, потребляемой группой из трех насосных агрегатов при дросселировании (для И8); = 40 м) от ограничений по предельной мощно-
N, кВт
K
1,0-
0,75 -I
Рис. 3. Зависимость потребляемой мощности, КПД и коэффициента частоты вращения рабочего колеса от подачи насоса при поддержании фиксированного значения напора (H = const)
Таблица 5
Причина ограничений Параметры насоса на правой границе области ограничений Подача (номер статистического интервала) при подключении насоса Энергия, потребляемая насосами за год, , тыс. кВт-ч
Установленная мощность электродвигателя привода N , кВт Допустимая высота всасывания йвс, м Q, м3/ч И, м П № 1 № 2 № 3
500 3,85 2329 58,7 0,746 1900 2500 4700 9181
(1-й) (4-й) (15-й)
550 2,07 2753 50,9 0,695 1900 2900 5500 8565
(1-й) (6-й) (19-й)
600 0,28 3124 42,5 0,603 1900 3300 5500 8377
(1-й) (8-й) (19-й)
650 -1,33 3425 34,6 0,497 1900 3500 5500 8292
(1-й) (9-й) (19-й)
750 -2,62 3649 28,1 0,400 1900 3500 5500 8292
(1-й) (9-й) (19-й)
сти и кавитации (рис. 4). Из рис. 4 и табл. 5 видно, что по мере ослабления требований по мощности двигателей привода и допустимой высоте всасывания потребляемая мощность существенно снижается с 9181 тыс. кВтч до 8292 тыс. кВтч. Снижение потребления энергии по мере ослабления ограничений по мощности электродвигателя объясняется возможностью работы в области пониженных напоров (см. рис. 1, кривая с точками Л1, Л[). Дальнейшее увеличение мощности двигателя N > 650 кВт) практически не приводит к уменьшению потребляемой мощности (см. рис. 4), поскольку снижения избыточных напоров в системе не происходит вследствие невозможности работы с напорами, которые меньше напоров в точках Л[ и Л1+2
(см. рис. 1, при = 40 м). д , тыс. кВт^
Проведенные исследования * показывают значительное влияние ограничений на расчет затрат потребляемой энергии. Поскольку на потребление энергии, наряду с ограничениями, существенно влияет также число установленных насосных агрегатов, представляет интерес моделирование работы насосной станции с несколькими насосными агрегатами и получение зависимости потребляемой энергии от числа установленных агрегатов с учетом ограничений.
Результаты вычислений потребляемой энергии (для И8); = 30 м) для различного числа насосных агрегатов приведены в табл. 6, а построенные по этим результатам зависимости изображены на рис. 5 как при наличии ограничений по мощности электродвигате-
лей привода насосов (кривая 1), так и при отсутствии их (кривая 2).
Из табл. 6 и рис. 5 видно, что снятие ограничений по мощности электродвигателей привода (при отсутствии кавитации) позволяет при переходе от одиночного агрегата к двум, трем и четырем агрегатам существенно снизить потребление энергии. Однако при дальнейшем увеличении числа агрегатов (пять, шесть) снятие ограничений по мощности практически незначительно снижает потребление энергии.
Несмотря на недостаточность теоретической базы по минимизации потребления энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов
N , кВт
ДВ’
Рис. 4. Зависимость потребления энергии за год группой из трех насосных агрегатов при дросселировании трубопровода от ограничений по кавитации и мощности электродвигателя привода
Таблица 6
Число установ- Подача и мощность насоса Мощность электродвигателей привода насосов и потребляемая насосной станцией энергия за год (И^ = 30 м)
ленных при наличии ограничений при отсутствии ограничений
насосов п боре, м3/ч ДорР кВт кВт Sw, тыс. кВт-ч Nлв, кВт Sw, тыс. кВт-ч
1 6500 1444 1500 10 453 1500 10 453
2 3250 722 750 9654 850 8969
3 2167 482 500 9180 700 8292
4 1625 361 400 8581 550 8197
5 1300 288 350 8296 450 8166
6 1083 240 300 8012 350 7953
и отсутствие энергоэффективных алгоритмов управления для автоматизации используют не основные параметры, характеризующие эффективность работы насоса (напор, подачу, КПД и потребляемую энергию), а такие легко измеряемые параметры, как нагрузка электродвигателей по току и предельно допустимая для электродвигателя частота тока, подводимого от частотного преобразователя. Включение (отключение) насосов в существующих системах автоматического управления производится по допустимому току нагрузки электродвигателя привода или предельной частоте электрического тока (/' = 50 Гц), что соответствует номинальной частоте вращения рабочего насоса. Использование указанных параметров означает, что переключение насосов происходит на границе области возможных (часто недостаточно обоснованных) ограничений, а не по минимуму потребляемой энергии. Решение задачи минимизации энергозатрат на основе одновременной оптимизации состава и режимов работы насосных агрегатов [6, 7] показывает, что минимум энергии, потребляемой группой
агрегатов, как правило, находит- „ ^
_ Л , тыс. кВт-ч
ся не на границе области возмож- *
ных ограничений, а внутри ее.
В этой связи важно сопоставить энергозатраты при различных подходах к выбору критерия управления насосными агрегатами. В табл. 7 представлены данные расчета потребления энергии насосными агрегатами для традиционного способа управления с помощью вспомогательных параметров (Кшах = 1) и с помощью рекомендуемого алгоритма оптимизации (Кшах = 1,1). По данным табл. 7 построена зависимость потребления насосной станцией энергии от числа установленных насосных агрегатов (рис. 6).
Из приведенных данных видно, что использование алгоритма одновременной оптимизации чис-
ла и состава насосных агрегатов гораздо эффективнее традиционно применяемых способов управления [7]. Наиболее значительный эффект экономии энергии может быть получен при параллельной работе двух или трех агрегатов. По мере увеличения их числа эффективность оптимизации заметно снижается.
Применение регулируемого электропривода требует значительных капитальных затрат на его закупку, монтаж и наладку. Поэтому с целью минимизации капиталовложений довольно часто регулируемым электроприводом оснащают не все установленные на насосной станции агрегаты, а только их часть. В современной технической литературе отсутствуют достаточно обоснованные рекомендации по оптимизации соотношения между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов.
Б.С. Лезнов [4, 5] рекомендует принимать число регулируемых однотипных агрегатов равным не менее 1/3 от всех установленных, а в случае применения разнотипных агрегатов суммарная подача
1 2 3 4 5 6
Рис. 5. Зависимость затрат энергии, потребляемой насосной станцией за год, при дросселировании трубопроводов от числа установленных насосных агрегатов при наличии ограничений по мощности электродвигателей привода (1) и при их отсутствии (2)
Наименование показателя Затраты энергии, потребляемой насосной станцией за год, [тыс. кВт-ч] для числа насосных агрегатов
1 2 3 4 5 6
Максимальное значение коэффициента частоты вращения рабочего колеса Кшах: 1,0 1,1 9427 9427 8813 8541 8605 8441 8540 8398 8469 8370 8409 8352
Экономия электроэнергии А5 , тыс. кВт-ч ; 0 272 164 142 99 57
регулируемых агрегатов должна составлять не менее 1/3 подачи насосной станции. Однако, такой подход недостаточно полно учитывает влияние технологических условий работы насосов на эффективность применения регулируемого привода. На рис. 7 приведены результаты моделирования работы насосной станции с пятью установленными насосными агрегатами при различных значениях отношения числа регулируемых агрегатов к их общему числу. Из графика видно, что оснащение только одного агрегата регулируемым приводом не позволяет реализовать все требуемые режимы работы насосной станции и только установка двух регулируемых агрегатов способна обеспечить управление насосной станцией на всем возможном диапазоне изменения нагрузки. Если при стабилизации давления или минимизации напоров в системах с небольшим значением отношения статической составляющей к полному напору увеличение отношения числа регулируемых агрегатов к нерегулируемым свыше 1/3 не существенно влияет на энергопотребление, то с ростом статической составляющей напо-
Таблица 7 наряду с наименованием способов управления и соответствующих им энергозатрат, приведены типы используемых насосов и характеристика привода, а также степень приближения затрат к теоретически минимально возможным в рассматриваемых условиях эксплуатации. Диапазон изменения подачи и ее статистическое распределение приведены ранее (см. табл. 1).
По данным табл. 8 построены графики зависимости потребляемой насосными агрегатами энергии в зависимости от их числа при различных способах управления (рис. 8). Номерам кривых на рис. 8 соответствуют номера способов управления, приведенные в табл. 8. Полученные на основе математического моделирования результаты потребления энергии показывают, что наиболее энергоэффективным способом управления группой агрегатов при переменной нагрузке является минимизация избыточных напоров. При анализе полученных данных становится очевидно, что увеличение числа агрегатов от одного до четырех приводит к существенному снижению потребления энергии. Но при дальнейшем увеличении их числа теряется экономическая целесообразность, так как затраты на их покупку, монтаж и эксплуатацию не покрываются получаемой прибылью от экономии энергии. Точное число агрегатов рассчитывают в каждом конкретном случае, составляя подробное технико-экономическое обоснование.
Г1 stab т-ч
о , тыс. кВт-ч
w 7
и
ра (—— > 0,6) потребление энер-
Я п
гии существенно зависит от числа регулируемых агрегатов (см. рис. 7). Поэтому при определении числа регулируемых агрегатов по отношению к их общему числу необходимо тщательно учитывать влияние технологических параметров (таких как статическая составляющая напора), ограничений по кавитации и помпажу.
Для сопоставления эффективности различных способов управления группой насосных агрегатов при разном числе насосов для покрытия одинаковой нагрузки представляют интерес данные энергопотребления, приведенные в табл. 8. В таблице,
Рис. 6. Зависимость потребления энергии за год насосной станцией от числа насосных агрегатов при стабилизации давления в напорном коллекторе для различных значений коэффициента ограничений по предельной частоте вращения рабочего колеса Ктах =
1 — К,
1,1
S , тыс. кВт-ч
w7
8750 8500 8250 8000 7750 7500 7250 7000 6750 6500 6250 6000 5750
1/5 2/5 3/5 4/5 1 n /n
рег
Рис. 7. Зависимость потребляемой энергии группой из пяти насосных агрегатов от соотношения числа насосов, оснащенных РЭП, к общему числу установленных агрегатов для различных отношений статического (Hst) и полного (Hn) напоров и способов управления:
1 — минимизация избыточных напоров; 2 — стабилизация давления в напорном коллекторе
Из рассмотренных способов минимизации (см. табл. 8) наибольший энергетический эффект достигается в случае применения одновременной оптимизации режимов работы и состава разнотипных насосных агрегатов (см. рис. 8, кривая 7). Оптимальные параметры разнотипных агрегатов определяют предварительно на стадии выбора оборудования путем увязки характеристик подбираемых насосных агрегатов с параметрами водовода и статистическим распределением нагрузки. Рекомендуемый метод выбора оптимального числа агрегатов, их параметров и способов управления обеспечивает существенную экономию энергии (15_20 %). Это позволяет на 92.. .99 % использовать имеющийся потенциал энергосбережения, что невозможно достичь ни одним из иных известных методов.
Таблица 8
№ п/п Способ управления насосными агрегатами, их тип и характеристика привода Затраты энергии, потребляемой насосной станцией за год, [тыс. кВт-ч] (числитель) и степень их приближения к минимально возможным [% от числа установленных насосов] (знаменатель)
1 2 3 4 5 6
1 Дросселирование трубопроводов с поинтервальным подключением однотипных нерегулируемых агрегатов 10 450 9131 8564 82,67 8182 8086
(67,4) (77,1) (88,2) (86,1) (85,2) (87,1)
2 Стабилизация давления в напорном коллекторе насосной станции с поин-тервальным подключением однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом 9431 8821 8621 8549 8474 8452
(74,7) (79,8) (81,7) (82,4) (83,1) (83,3)
3 То же, но с одновременной оптимизацией состава и режимов работы однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом 9431 8548 8482 8404 8375 8359
(74,7) (82,4) (83,0) (83,8) (84,1) (84,3)
4 Минимизация избыточных напоров в сети с применением группового привода с синхронным управлением однотипными насосными агрегатами 7667 7668 7680 7690 7698 7702
(91,8) (91,9) (91,7) (91,6) (91,6) (91,4)
5 То же, с поинтервальным подключением однотипных регулируемых насосов с индивидуальным приводом 7667 7353 7229 7184 7147 7129
(91,8) (95,8) (97,4) (98,0) (98,5) (98,8)
6 То же, с одновременной оптимизацией состава и режимов работы однотипных регулируемых агрегатов с индивидуальным приводом 7667 7242 7189 7155 7134 7119
(91,9) (97,2) (98,0) (98,4) (98,7) (98,9)
7 То же, но разнотипных регулируемых насосных агрегатов с индивидуальным приводом 7382 7141 7093 7078 7064 7055
(95,4) (98,6) (99,3) (99,5) (99,7) (99,8)
8 Теоретически минимально возможные затраты энергии (значение целевой функции оптимизации) 7044 7044 7044 7044 7044 7044
(100) (100) (100) (100) (100) (100)
1 2 3 4 5 6 п
Рис. 8. Зависимость потребляемой насосными агрегатами энергии от их числа при переменной нагрузке для различных способов управления:
1 — дросселирование; 2, 3 — стабилизация давления в напорном коллекторе насосной станции; 4, 5, 6, 7 — минимизация избыточных напоров в сети трубопроводов; 8 — теоретически минимально возможные затраты энергии для заданных условий эксплуатации (значение целевой функции оптимизации)
Выводы
1. Работа насосного агрегата в составе группы принципиально отличается от условий работы одиночного агрегата, максимальная подача которого ограничена только гидравлическим сопротивлением раздросселированного трубопровода. При правильном выборе агрегата с учетом недопущения явления кавитации смещение его режимов в область больших подач, а следовательно, в зону перегрузки электродвигателя, привода и кавитации практически невозможно.
2. При работе насосных агрегатов в составе группы любые изменения состояния какого-либо агрегата (включение, отключение, частотное регулирование) приводят к неустойчивой работе всей системы в целом и перераспределению нагрузки между параллельно работающими насосами. При этом возможна перегрузка одной группы агрегатов с риском попадания их в зону кавитации и дефицита мощности электродвигателя привода и недогрузка другой группы с возможностью попадания ее в область помпажа. Поэтому группу насосных агрегатов необходимо рассматривать как целостную единую динамическую систему, управляемую из одного центра.
3. Поскольку область возможных режимов совместной работы группы насосных агрегатов складывается из суммы областей допустимых режимов работы каждого агрегата, то для предотвращения нежелательных явлений и выхода системы за пределы ограничений необходимо четко очертить область возможных режимов работы каждого агрегата с учетом ограничений по кавитации, допустимой мощности электродвигателя привода, максимально и минимально допустимой частоте вращения рабочего колеса (для регулируемых агрегатов), помпажу и минимально допустимым значениям КПД. Работа группы агрегатов в рамках ограничений и заданного способа управления обеспечивается программируемым логическим контроллером по заданному алгоритму.
4. Наличие ограничений, кроме обеспечения надежности, существенно влияет на энергопотребление насосных агрегатов, поэтому при разработке технико-экономического обоснования реконструкции насосной станции или установки регулируемого электропривода необходим учет всех ограничений. Изменение технологических условий работы насосов, таких как уровень воды в приемном резер-
вуаре, замена электродвигателя привода и прочие, может значительно влиять на расчет энергопотребления, а следовательно, и на целесообразность реализации рассматриваемого проекта.
5. При выборе насосных агрегатов для покрытия достаточно широких диапазонов изменения нагрузки (2ш1п < 0,252шах) необходимо учитывать, что энергия, потребляемая группой насосов, снижается по мере увеличения их числа. Увеличение числа насосных агрегатов до трех (четырех) приводит к значительному сокращению потребления энергии, тогда как дальнейшее увеличение их числа (до пяти и более) не дает ощутимых результатов. При работе группы насосных агрегатов от одного частотного преобразователя с синхронным управлением изменение числа насосных агрегатов практически не влияет на энергопотребление.
6. В используемых в настоящее время системах автоматического управления группами насосных агрегатов в качестве критерия включения (отключения) дополнительного агрегата используют такие вспомогательные параметры, как допустимое значение электрического тока нагрузки электродвигателей привода или предельно допустимая частота электрического тока, подводимого от частотного преобразователя. Проведенные исследования показывают, что наибольшая энергоэффективность достигается в случае, когда в качестве критерия включения (отключения) агрегатов будет использован минимум потребляемой энергии, который располагается, как правило, внутри диапазона ограничений.
35
7. При оснащении регулируемым приводом только части установленных насосов на энергопотребление существенно влияет не только соотношение регулируемых и нерегулируемых насосов, но и отношение статической составляющей к полному напору. Недоучет этого фактора может значительно изменить результат расчета экономии энергии, а следовательно, и оценку целесообразности применения того или другого числа регулируемых приводов.
8. Применение регулируемого привода при стабилизации давления на выходе насосной установки с одним агрегатом является бесспорно энергоэффективным. Однако по мере увеличения числа агрегатов (два и более) преимущества применения стабилизации существенно снижаются. При правильном выборе числа агрегатов, их параметров и операционной схемы управления ими дросселирование может оказаться более энергоэффективным, чем стабилизация, что не потребует установки дорогостоящего регулируемого привода.
9. Решение задачи оптимизации с проведением на его основе анализа сопоставления различных способов управления показывает, что наиболее энергоэффективным является минимизация избыточных напоров с одновременной оптимизацией состава и режимов работы насосных агрегатов. При этом максимальный эффект (минимум) энергопотребления достигается при применении миними-
зации с разнотипными насосными агрегатами, параметры которых предварительно оптимизируют путем увязки их с характеристикой трубопровода и статистическим распределением нагрузки. Применение рекомендуемой методики выбора оптимальных параметров насосных агрегатов и способа управления ими позволяет получить наибольшую экономию энергии и на 95.99 % использовать потенциал энергосбережения.
Список литературы
1. Насосы и гидротурбины. Профессиональный каталог. Энергомаш. — Сысерть: ОАО Уралтяжмаш-Уралгидромаш, 2007.
2. Храменков С.В., Гаврилин Е.Н. и др. Энергосберегающая система управления режимом работы насосной станции // Водоснабжение и санитарная техника. — 1999. — № 6.
3. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого привода. — М.: Минтопэнерго РФ, 1997.
4. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. — М.: Энергоатомиздат, 2006.
5. Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Технологические основы энергосбережения в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. — 2004. — № 7.
6. Николаев В.Г. Анализ энергоэффективности различных способов управления насосными установками с регулируемым приводом // Водоснабжение и санитарная техника. — 2006. — № 11, Ч. 2.
7. Пат. 2230938 РФ, МПК 7F 04 D 15/00. Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке / Николаев В.Г.
УДК.621.3.636.083.39
Г.Н. Самарин, канд. техн. наук
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
энергосберегающая аэрогидродинамическая система кондиционирования воздуха ферм с обеззараживателем воздуха
На базе существующих систем кондиционирования воздуха разработана энергосберегающая аэрогидродинамическая система кондиционирования воздуха в помещениях животноводческих ферм. Эта система имеет низкую себестоимость и обеспечивает заданные состав, температуру и влажность рециркуляционного воздуха в помещениях и очистку его от пыли, аммиака, диоксида углерода и бактериальной загрязненности за счет барботации в воднохимическом растворе.
Энергосберегающая аэрогидродинамическая система кондиционирования внедрена в животноводческих фермах Московской и Псковской областей. В рассматриваемой системе происходит рецир-
36
куляция 75...80 % внутреннего воздуха и очистка его в оросительной камере аэрогидродинамиче-ского кондиционера от аммиака, диоксида углерода и пыли, вследствие чего экономится 47 % энергии при одновременном формировании нормативного микроклимата в станках с животными.
Принципиальная схема аэрогидродинамическо-го кондиционера представлена на рисунке.
Кондиционер работает следующим образом. Из животноводческого помещения загрязненный воздух поступает во всасывающий воздуховод и посредством приточного вентилятора 1 подается под давлением через шланги 9 в воду поддона камеры барботации 2. Проходя через воду, воздух очища-
