CC BY
51
УДК 628.3(0.75.8)
В. Л. Еловик
Белорусский государственный технологический университет
ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД, СИСТЕМ КАНАЛИЗАЦИИ И КОМБИНИРОВАННЫХ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Рассмотрены особенности режимов работы и энергопотребления насосных станций водозаборов подземных вод, канализационных насосных станций, насосных станций комбинированных систем водоснабжения с децентрализованными точками питания, оборудованных насосными агрегатами с регулируемым приводом. Даны рекомендации по выбору способа регулирования и определению количества регулируемых насосных агрегатов, входящих в систему. Необходимость в подобных рекомендациях вызвана тем, что применение регулируемого привода на вышеперечисленных насосных станциях не всегда приводит к экономии энергоресурсов. А зачастую из-за необоснованного внедрения регулируемого привода наблюдается перерасход электроэнергии, выход оборудования из допустимых режимов работы, возникновение проблем на смежных участках системы подачи и распределения воды или транспортирования стоков. Обусловлено это тем, что такие насосные станции работают в нехарактерных условиях и режимах, значительно отличающихся от классических насосных станций. По этой причине выбор регулируемого привода для перечисленных выше станций должен производиться с учетом специфики работы оборудования.
Ключевые слова: энергоэффективность, частотно-регулируемый привод, водопроводно-канализационное хозяйство, насосный агрегат, скважина, погружной насос, регулирующая емкость, комбинированная система водоснабжения.
V. L. Yalovik
Belarusian State Technological University
FEATURES OF OPERATING MODES OF PUMPING STATIONS OF GROUNDWATER INTAKE STRUCTURES, SEWAGE SYSTEMS AND COMBINED WATER SUPPLY SYSTEMS
The features of the operating modes and energy consumption of pumping stations of groundwater abstractions, sewage pumping stations, pumping stations of combined water supply systems with decentralized supply points are considered. Recommendations are given on choosing a control method and determining the number of adjustable pump units included in the system. The need for such recommendations is due to the fact that the use of a controlled drive at the above pumping stations does not always lead to energy savings. And often due to the unreasonable implementation of a variable drive, electricity is overspent, equipment comes out of acceptable operating modes, problems arise in adjacent sections of the water supply and distribution system or the wastewater transportation. It occurs due to the fact that such pumping stations operate in uncharacteristic conditions and modes that are significantly different from classical pumping stations. For this reason, the choice of an adjustable drive for this type of pumping stations should be made taking into account the specifics of the equipment.
Key words: energy efficiency, variable frequency drive, water and sewage utilities, pumping unit, well, submersible pump, regulating storage, combined water supply system.
Введение. В условиях дефицита и постоянно растущих цен на энергоносители вопрос экономного использования электроэнергии весьма актуален и во всех отраслях промышленности и в быту. Не является исключением и водопро-водно-канализационное хозяйство (ВКХ) промышленных предприятий или жилищно-коммунального сектора. Тем более если учесть, что в структуре себестоимости услуг водоснабжения и водоотведения 50-60% приходится на долю стоимости электроэнергии, затраченной на транспортирование чистых и сточных вод.
За последние 15-20 лет у специалистов сформировалось мнение, что основным и чуть
ли не единственным способом снизить энергозатраты на транспортирование воды и перекачку стоков является внедрение на насосных станциях регулируемого электропривода (РЭП) [1]. Во многих случаях данное мнение не безосновательно, но, к сожалению, не всегда подтверждается на практике. Связано это с рядом факторов, которые при принятии решения о внедрении РЭП зачастую не учитываются по тем или иным причинам. Ведь учесть все факторы, влияющие на эффективность внедрения нового оборудования, можно только выполнив технико-экономическое сравнение рассматриваемых технических решений и анализ условий
работы всей системы подачи и распределения воды (СПРВ) с новым оборудованием [2]. А это достаточно непростая и трудоемкая задача, которой незаслуженно пренебрегают. Помимо того, не всякая насосная станция изначально нуждается во внедрении РЭП для достижения экономического эффекта. В некоторых случаях внедрение РЭП может привести к увеличению затрат на электроэнергию или выходу из строя оборудования и коммуникаций. Такие условия могут возникнуть на следующих типах насосных станций:
- насосные станции водозаборов подземных вод, работающих непосредственно в водоразборную сеть;
- насосные станции, работающие на запасно-регулирующие емкости;
- канализационные насосные станции;
- насосные станции систем водоснабжения с несколькими децентрализованными источниками питания.
Ввиду особенностей режимов работы этих насосных станций вопрос о целесообразности применения в их составе оборудования РЭП носит особый характер и требует детального обоснования.
Основная часть. Рассмотрим более подробно режимы работы таких насосных станций и проанализируем возможность использования на них РЭП.
Как показывает практика, в инженерных расчетах режимов работы насосных станций водозаборов подземных вод в основном используются те же принципы и зависимости, что и при расчете обычных насосных станций. Например, эквивалентная характеристика напорного трубопровода Нтр, м, выражается в виде
Н тр = Нг + 5 • 0 2, (1)
где Нг - геометрическая высота подъема воды, определяемая для скважинных водозаборов как разность отметок требуемой высоты пьезометра у потребителя и динамического уровня воды в скважине, м; 5 - коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода; 0 - требуемый расход воды, м3/ч.
Но в отличие от насосных станций 2-го подъема для скважинных водозаборов значение геометрической высоты подъема не является постоянным и зависит от объема забора воды из скважины. Связано это с тем, что для водозаборных скважин характерно изменение уровня воды в зависимости от величины ее забора, выражаемое понижением 5, м. Величину понижения можно выразить через удельный дебит скважины Ад, м3/ч/м:
В соответствии с выражением (2) эквивалентная характеристика (1) принимает вид
Н
тр
Нст + Q + S-. Q2, Aq
(3)
, = Q,
Aq
(2)
где Н^ - геометрическая высота подъема воды, м, определяемая как разность отметок требуемой высоты пьезометра у потребителя и статического уровня воды в скважине. Понижение уровня воды в скважине при расчетном дебите может достигать нескольких десятков метров, поэтому пренебрегать этой величиной в расчетах не допустимо.
В качестве примера рассмотрим режимы работы скважинного насоса ЭЦВ как наиболее часто встречающейся марки скважинных насосов на территории нашей страны, работающего на водоразборную сеть населенного пункта численностью 4000 чел. (рис. 1). На основании п. 6 ТКП 45-4.01-320-2018 требуемый объем водопотребления составит 866 м3/сут. Макси-мальночасовое водопотребление составит 65 м3/ч, а средне- и минимальночасовое - 32,8 и 3,6 м3/ч соответственно. Требуемые величины потерь напора и уровней воды для данного примера составят: разность отметок устья скважины и пьезометра в диктующей точке сети Нг = 20 м, глубина статического уровня относительно устья скважины Нст = 30 м, глубина динамического уровня относительно устья скважины Ндин = 50 м, потери напора в водопроводной сети при максимальной подаче Ah¡ = 11,56 м. На рис. 1 показано, что рабочая зона насоса при работе в рассматриваемых3услови-ях ограничена режимной точкой 2 (38 м /ч) при поддержании постоянного давления на оголовке скважины и режимной точкой 3 (36 м3/ч) при работе на диктующую точку водоразборной сети. Минимально возможная подача насоса в режимных точках 2 и 3 в 10-10,5 раз превышает расчетное минимальное водопотребление и на 12-18% - среднерасчетное. Аналогичная ситуация наблюдается при анализе всего типового ряда насосов ЭЦВ, обладающих достаточно узкой рабочей зоной: min 75% и max 120% от номинальной производительности. Отсюда становится очевидно, что установка преобразователя частоты тока для регулирования производительности подобных насосов с глубиной регулирования более 40-50% от номинала не оправдана с технической точки зрения, так как не способна решить поставленной задачи. Справедливости ради, стоит отметить, что на рынке существуют модели скважинных насосов иностранных производителей, имеющие более широкую рабочую зону: min 10% и max 130% от номинальной производительности, которые
позволяют при помощи частотного регулирования обеспечивать водопотребление в довольно широком диапазоне. Но при этом в обязательном порядке следует учитывать следующие факторы:
- стоимость импортных насосов намного превосходит стоимость насосов ЭЦВ отечественных производителей;
- минимальная производительность сква-жинного насоса при большой глубине регулирования зависит не только от границы рабочей зоны, но и от минимальной скорости потока воды в скважине вдоль корпуса насоса, достаточной для охлаждения электродвигателя (как правило, 0,15-0,2 м/с). Такой предел может быть намного выше допустимых 10% по производительности;
- гарантированное обеспечение требуемых минимальных скоростей воды в скважине вдоль корпуса насоса возможно обеспечить установкой на насос охлаждающего кожуха, но данная опция еще более увеличивает стоимость насосного агрегата.
К насосным станциям, работающим на регулирующие емкости, относятся:
- насосные станции 1-го подъема водозаборов, подающих воду в резервуары чистой воды (РЧВ) или сооружения водоподготовки;
- насосные станции башенных систем водоснабжения;
- канализационные насосные станции.
Регулирующие емкости тем или иным образом предназначены для сглаживания неравномерности режимов работы насосного оборудования. Ввиду этого факта производительность таких насосных станций зависит главным образом от уровня воды в источнике водоснабжения и (или) резервуаре-приемнике.
Регулирование производительности насосной станции, подающей воду в резервуар или водонапорную башню в случае необходимости, осуществляется за счет количества работающих насосов (циклический режим работы) (рис. 2). Но на практике встречаются случаи, когда применение РЭП обосновывается следующими причинами:
- экономией электроэнергии за счет обеспечения режимов с максимальными к.п.д. насосов;
- поддержанием постоянного уровня воды в резервуарах;
- предотвращением частого включения/ выключения насосов;
- обеспечением плавного пуска насосных агрегатов.
Теоретически в некоторых режимах работы путем изменения частоты вращения рабочего колеса можно повысить к.п.д. насоса до максимального значения, тем самым обеспечив снижение энергопотребления. Но практически
внедрение РЭП не обеспечит достаточного положительного эффекта по экономии электроэнергии. В ряде случаев эффект может оказаться отрицательным. Причина этому кроется в следующем. Как показывает анализ характеристик центробежных насосов, отклонение к.п.д. насоса Лп от максимального значения при правильно подобранном оборудовании, в среднем составляет 3-5%. Таким образом, существующий потенциал по снижению энергопотребления составит максимум 3-5%. Но с внедрением РЭП к существующим потерям добавятся потери в преобразователе частоты тока (ПЧТ). Величина этих потерь составляет в среднем 4-6% (к.п.д. большинства современных ПЧТ ~ 9496%). Таким образом, энергопотребление фактически может понизиться на 1% или повыситься на 3%. Принимая во внимание высокую стоимость ПЧТ, очевидно, что даже при наличии экономии электроэнергии внедрение РЭП экономически нецелесообразно.
Поддержание постоянного уровня воды в резервуаре, как и предотвращение частого включения/выключения насосов, может быть необходимым только в случае заниженных регулирующих объемов, что противоречит требованиям нормативной документации. В таких случаях необходимо строительство дополнительного резервуара либо реконструкция существующих.
Обеспечение плавного пуска насоса возможно и менее дорогостоящими способами, например, установкой устройств плавного пуска.
Объем потребленной насосом энергии за расчетный период при циклическом режиме работы можно определить по формуле
т ■ а, • н п,
(4)
где а, и Н, - подача и напор насосной станции в ,-м режиме работы; п - суммарное к.п.д. насоса в , -м режиме работы; Т, - продолжительность работы насосной станции в -м режиме работы в течение расчетного периода.
Режимы работы насосных станций систем водоотведения сходны по своей сути с режимами насосных станций предыдущего типа. Разница заключается, во-первых, в том, что подача таких насосных станций зависит от наличия воды в резервуаре-источнике (приемный резервуар). Во-вторых, в том, что насосы работают, как правило, на подъем сточных вод на требуемую высоту, часто по относительно коротким трубопроводам. Хотя и встречаются в практике водоотведения напорные коллекторы канализационных насосных станций (КНС) длинной до нескольких десятков километров.
140
130
120
110
100
90
80
а в 70
К 60
50
40
30
20
10
0
____/
/ I
/
/ / 1
2 / / —
V
...... ..... ..... ^ — < * Ц/'
— *
/
/ /
/ / , ' '
/ /
- - - - - - - - - - -
- <2-Нп
~" * "" О-Нч ст
~ ~ ~ О-Яхр ДНЕ
---- к
..... к
лшах
™ ™ " • ■ 0_//факт
Нсоп*
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Подача, м3/ч
Рис. 1. Режимы работы насосной станции водозабора подземных вод: Q-Hн - напорная характеристика насоса ЭЦВ 8-65-80; Q-Hтр ст - характеристика сети при статическом уровне воды в скважине; Q-Hw дин - характеристика сети при динамическом уровне воды
в скважине; кш1п - левая граница рабочей зоны насоса; кшах - правая граница рабочей зоны насоса; Q-Hфакт - фактическая характеристика сети с учетом переменного понижения; Ясош1; - характеристика сети при условии поддержания постоянного давления 81,9 м на оголовке скважины; 1 - номинальный режим работы насоса при максимальной частоте вращения рабочих колес; 2 - рабочий режим работы насоса на левой границе рабочей зоны при поддержании постоянного давления 81,9 м на оголовке скважины; 3 - рабочий режим работы насоса на левой границе рабочей зоны при поддержании требуемого давления в диктующей точке
Для КНС также характерен циклический режим работы, при котором подача регулируется количеством работающих насосов в зависимости от притока сточных вод в приемный резервуар. Для анализа расчет потребленной насосом энергии удобнее вести относительно притока сточных вод в приемный резервуар. При этом потребляемую мощность N относительно притока Qi можно выразить для работы одного насоса как:
N = N • г,, (5)
где Ин - номинальная потребляемая мощность насосом при номинальной подаче Qн и напоре Нн; ^ - относительное время работы насоса при фиксированном притоке Qi в долях единицы, определяется как
Qн'
г,
(6)
Для параллельной работы п-го количества насосов общая потребляемая мощность выразится следующим образом:
и" = г"-1 • ип-1 + гп • ип
1 Ч 1Ун ^ Ч н'
(7)
где Ин" - суммарная потребляемая мощность п параллельно работающих насосов в номинальном режиме при номинальной подаче QH и напоре Нн"; г" - относительное время работы п-го количества насосов при фиксированном притоке Qi в долях единицы, определяется как
=
QH - а-QH - QHH
п—1 '
(8)
Инп~ - суммарная потребляемая мощность п - 1 параллельно работающих насосов в номинальном режиме при номинальной подаче Q"-1 и напоре Ннп-1; ¿1п"1 - относительное время работы п - 1 насосов при фиксированном притоке Qi в долях единицы, определяется как -п-1
г
= 1 - г?
(9)
Объем потребленной энергии за расчетный период определяется исходя из полученной зависимости потребляемой мощности Qi-Ni [2].
Н
Рис. 2. Режимы работы насосной станции 1-го подъема: I - напорная характеристика одного насоса; II - напорная характеристика параллельной работы двух насосов; III - напорная характеристика параллельной работы трех насосов; IV - характеристика к.п.д. насоса; 1, 2, 3 - режимы работы насосной станции; 4,5 - режимы работы одного насоса при параллельной работе двух и трех насосов соответственно; Ап - отклонение к.п.д. насоса от максимального значения; а-Ь - рабочая зона насоса
Альтернативой циклическому режиму работы насосного оборудования КНС может послужить использование РЭП, о чем и свидетельствуют многие источники. Как показывает практика, применение РЭП на КНС в ряде случаев может привести к положительному эффекту:
- за счет некоторого снижения потребляемой энергии;
- в результате предотвращения гидроударов при плавном пуске насосного оборудования;
- за счет усреднения притока сточных вод на очистные сооружения (в случае с ГКНС).
Но при этом следует учитывать возможность возникновения следующих негативных последствий при снижении частоты вращения рабочего колеса:
- заиливание напорных трубопроводов при малых подачах;
- засорение проточной части насоса;
- перегрев насосного оборудования в результате низкой циркуляции охлаждающей жидкости (насосы с активным охлаждением электродвигателя) и несинусоидальности входного электрического тока.
Кроме того, снижение потребляемой энергии не является обязательным следствием применения РЭП и на практике чаще всего достигается при изначально плохо подобранных насосах. При определенных условиях РЭП может вызвать и перерасход электроэнергии.
Исходя из этого можно полностью согласиться с С. Е. Березиным, что целесообразность применения РЭП на КНС должна быть тщательно просчитана.
Проблемы централизованного водоснабжения малых и средних городов Беларуси в большинстве случаев однотипны и связаны с созданием комбинированных систем с централизованной водопроводной сетью и децентрализованными источниками водоснабжения. Этому способствует тот факт, что в качестве источников водоснабжения используются подземные воды. Ограниченный дебит скважин и поэтапность застройки городов предопределяют их количество, расположение и места подключения к водопроводной сети. Кроме того, расположение одиночных водозаборных скважин обусловливается расположением промышленных предприятий и крупных учреждений, на нужды которых требуется большое количество воды.
Режимы работы насосных станций, входящих в состав комбинированных систем водоснабжения, взаимозависимы. Изменение режимов работы насосного оборудования одной насосной станции неизбежно влечет за собой изменение режимов работы насосов на остальных насосных станциях, входящих в состав системы. Вследствие этого расчет энергопотребления любой насосной станции без учета режимов работы остальных насосных станций невозможен.
В данном случае для получения достоверных данных о прогнозируемом энергопотреблении необходим комплексный расчет всей системы подачи и распределения воды. Это является сложной и трудоемкой задачей, требующей инновационных методов анализа и расчета непосредственно с привлечением мощностей современной вычислительной техники.
12 000
10 000
8000
£
6000
и
4000
2000
0
60 50 40 -а 39 _| юдача 30 20 10
—
г"
> 1 "
3 **
- |
1 1 • *
1 - •Г
-
•
к. - —
— 2
■ -
1 1 —• -
118,8 128,8
139,76
138,8 148,8 158,8
Подача НС-1
168,8 178,8
Рис. 3. Определение оптимального распределения подач между водопитателями: 1 - потребляемая энергия НС-1; 2 - потребляемая энергия НС-2; 3 - суммарная потребляемая энергия НС-1 и НС-2
0
На данном этапе развития методов расчета комбинированных систем подачи и распределения воды можно выделить следующие тезисы, характерные для рассматриваемых систем:
- распределение общей производительности между точками питания системы с учетом факторов экономичности и надежности и фактических возможностей источников.
- выбор способа регулирования режимов работы для каждой насосной станций;
- гидравлический расчет системы подачи и распределения воды при характерных режимах водопотребления с учетом распределения подачи между точками питания (внешняя увязка сети);
- определение режимных характеристик и характеристик потребляемых мощностей для каждого насоса, входящего в состав системы.
Распределение общей производительности между точками питания системы должно обеспечивать минимальные суммарные затраты электроэнергии по системе в целом на транспортирование воды при сохранении требуемой степени надежности.
При сопоставимых условиях экономичность системы водоснабжения можно выразить как затраты энергии затрачиваемой на подачу потребителю воды Qтр с требуемым напором Нтр:
^ = втр 'Нтр . (10)
%
В этом случае наиболее оптимальным вариантом распределения производительности будет тот вариант, в котором сумма потребляемых мощностей будет минимальна. Так как Qтр - величина в каждом расчетном случае постоянная, то очевидно, что основным параметром, влияющим на величину N2, будет требуемый напор Нтр, необходимый для подачи воды в сеть. Величиной осредненного к.п.д. на данном этапе можно пренебречь и принять его равным 1. В таком случае, для распределения производительности между точками питания системы диктующей можно принять величину условного энергопотребления N'2
N = I (а • н), (11)
где Qi и Н1 - требуемая подача и требуемый напор ^й насосной станции, подающей воду в водопроводную сеть. На рис. 3 представлен пример решения данной задачи для системы с двумя водопитателями.
При этом необходимо учитывать возможность обеспечения населения водой при выходе любой насосной станции из строя в соответствии со степенью надежности системы.
Выбор способа регулирования режимов работы каждой насосной станции, входящей в систему, также должен основываться на соображениях экономичной и эффективной работы. Логично предположить, что применение РЭП позволит добиться оптимальных энергетических показателей. Но на всех ли насосных станциях следует устанавливать РЭП, если нет, то на каких следует, а на каких нет? Данный вопрос весьма принципиален, так как от его решения зависят режимы работы системы и, следовательно, объем энергопотребления. Как показывает практика, для децентрализованных систем водоснабжения достаточно оборудовать регулируемым электроприводом одну насосную станцию для обеспечения плавного регулирования без избыточных напоров в сети во всем диапазоне водопотребления.
При выборе регулируемой насосной станции следует руководствоваться следующими замечаниями:
- режимы работы скважинных насосных станций имеют уникальные особенности, связанные с изменением геометрической высоты подъема в довольно широких пределах. РЭП в таком случае предпочтительнее применить на скважине с высоким удельным дебитом;
- оборудовать РЭП удобнее всего самую большую по производительности насосную станцию;
- предпочтительнее для внедрения РЭП насосные станции 2-го подъема (забирающие воду из РЧВ) или скважинные насосные станции с небольшим понижением расчетного динамического уровня.
Гидравлический расчет системы подачи и распределения воды с учетом распределения подачи между точками питания следует производить для ряда характерных режимов водопотреб-ления. Для приблизительного анализа системы водоснабжения необходимо рассчитать основные ее характеристики как минимум для минимально-, средне- и максимальночасового водопотребле-ния. При увеличении характерных режимов точность анализа соответственно увеличивается.
В настоящее время существует достаточное количество методов как внутренней, так и внешней увязки водопроводной сети [3]. На данном этапе можно использовать любой из них.
Заключение. Из вышесказанного следует, что без детального и скрупулезного анализа каждого конкретного случая и соответствующего обоснования применение РЭП на скважинных насосах, насосах, перекачивающих воду в регулирующие или технологические емкости и резервуары, а также на насосных станциях комбинированных децентрализованных систем водоснабжения не только не даст экономического эффекта, но и может привести к выходу насосного оборудования из строя.
Литература
1. Седлуха С. П. Нужен ли ПЧ центробежному насосу? Если да, то какой? // Энергия и менеджмент. 2004. № 2 (17). С. 17-23.
2. Седлухо Ю. П., Еловик В. Л. Методика прямого расчета потребляемой энергии частотно-регулируемым насосом за расчетный период // Вода: химия и экология. 2010. № 7. С. 46-50.
3. Седлухо Ю. П., Еловик В. Л. Оптимизация систем водоснабжения малых населенных пунктов при использовании децентрализованных подземных источников // Водоочистка. Водоподготов-ка. Водоснабжение. 2016. № 12. С. 60-61.
References
1. Sedlukha S. P. Do I need a centrifugal pump? If so, which one? Energiya i menedzhment [Energy and Management], 2004, no. 2 (17), pp. 17-23 (In Russian).
2. Sedlukho Yu. P., Yalovik V. L. The method of direct calculation of energy consumption by a variable frequency pump for the billing period. Voda: khimiya i ekologiya [Water: chemistry and ecology], 2010, no. 7, pp. 46-50 (In Russian).
3. Sedlukho Yu. P., Yalovik V. L. Optimization of water supply systems in small settlements using decentralized underground sources. Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzheniye [Water purification. Water treatment. Water supply], 2016, no. 12, pp. 60-61 (In Russian).
Информация об авторе
Еловик Валерий Леонидович - аспирант, кафедра промышленной экологии. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: valery.yalovik@outlook.com
Information about the author
Yalovik Valery Leanidavich - PhD student, the Department of Industrial Ecology. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republik of Belarus). E-mail: valery. yalovik@outlook.com
