ПіДБіР НАСОСА ПРИ ЙОГО РОБОТі НА МЕРЕЖУ Зі ЗМіННИМ ОПОРОМ У ЧАСі Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

-------------------□ □----------------------

Запропоновано застосування впорядкованих діаграм водоспоживання для аналізу режимів роботи насосного обладнання. Розроблена методика визначення оптимальних параметрів насоса, що працює на мережу зі змінним опором у часі, за критерієм мінімального енергоспоживання та визначений вплив зовнішніх чинників функціонування системи

Ключові слова: енергозбереження, водопостачання, насосне обладнання

□-----------------------------------□

Предложено применение упорядоченных диаграмм водопотребления для анализа режимов работы насосного оборудования. Разработана методика определения оптимальных параметров насоса, работающего в гидравлической сети с неизменным сопротивлением во времени, по критерию минимального энергопотребления и определено влияние внешних факторов функционирования системы

Ключевые слова:энергосбережение, водоснабжение, насосное оборудование

□-----------------------------------□

Proposed use of ordered diagrams of water consumption for the analysis of modes of pumping equipment. A method of determining the optimalparameters of the pump operating in the hydraulic network with baser resistance over time, according to the criterion of minimum energy consumption and determine the impact of external factors of the system

Key words: energy saving, water supply, pumping equipment -------------------□ □----------------------

УДК 621.65

ПІДБІР НАСОСА ПРИ ЙОГО РОБОТІ НА МЕРЕЖУ ЗІ ЗМІННИМ ОПОРОМ У ЧАСІ

С.О. Хованський

Аспірант

Кафедра прикладної гідроаеромеханіки* Контактный тел.: (099) 495-97-45 E-mail: Serg_83@ukr.net

В . Г . Н е н я

Кандидат технічних наук, доцент Кафедра інформатики* E-mail: nenja_vg@mail.ru *Сумський державний університет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, Україна, 40007

1. Вступ

Зважаючи на те, що Україна є країною, в якій спостерігається дефіцит власних паливно-енергетичних ресурсів, підвищення енергоефективності технологій, усунення непродуктивних втрат енергоносіїв, зменшення енергоємності продукції і послуг визначені найважливішим стратегічним напрямком енергетичної політики України. Особливо актуальною дана проблема є для систем водопостачання житлово-комунального господарства, обладнання якого є надзвичайно енергоємним і не завжди відповідає сучасним вимогам успішного розвитку економіки України. Зважаючи на те, що дана галузь є пріоритетною в національній економіці, останніми роками велика увага приділяється вирішенню питань, які пов’язані з удосконаленням виробництва в галузі з метою покращення техніко-економічних та екологічних показників її роботи.

2. Аналіз попередніх досліджень та актуальність роботи

Традиційно склалося, що в житлово-комунальному господарстві проектування систем водопостачання і вибір обладнання виконувалося на 20-річну перспективу розвитку, виходячи з рівномірного графіку подачі води, що виправдано тільки наявністю дуже великих регулюючих ємностей у мережі. Насосне обладнання (з розрахунком на ріст водоспоживання в майбутньому) вибиралося зі стандартного ряду з запасом по напору і розраховувалося на максимальний режим споживання води. Але у системах комунального водопостачання мають місце добові, тижневі та сезонні коливання водоспоживання, внаслідок чого реальні робочі режими насосних агрегатів знаходяться поза робочими зонами їх характеристик.

Незважаючи на те, що сам факт нерівномірності водопостачання констатується в дослідженнях різних

Е

авторів та при виборі насосного обладнання, розрахунки проводяться виключно на максимальний режим споживання. Такий підхід до вибору параметрів насосного обладнання створює високий рівень енер-говитрат, які обумовлені встановленням обладнання завищеної потужності.

Створення економічної системи водопостачання базується на розв’язку оптимізаційної задачі, основною цільовою функцією якої є зменшення витрат електроенергії на перекачування споживачу необхідних обсягів води.

Таким чином, практично у всіх містах України є резерви зниження енергоємності водопостачання за рахунок визначення оптимальних параметрів насосного обладнання на підставі аналізу коливань добового графіка споживання води.

3. Мета та задачі роботи

Метою даної роботи є енергозбереження при експлуатації насосного обладнання, працюючого в діючих технологічних мережах. При цьому вирішується задача по розробці методики визначення оптимальних параметрів насоса, що працює на мережу зі змінним опором в часі, за критерієм мінімального енергоспоживання та визначення впливу зовнішніх чинників функціонування системи.

4. Матеріали та результати дослідження

Режими роботи насосного обладнання суттєво залежать від режимів водоспоживання. Як правило, режими водоспоживання визначаються багатьма, незалежними одна від одної, причинами: кліматичними, погодними, культурно-соціальними умовами, режимами роботи підприємств тощо. Режими водоспоживання характеризуються, зазвичай, добовими, місячними, річними графіками водоспоживання. Але при дослідженні режимів роботи насосних установок за тривалий проміжок часу добовими графіками водоспоживання користуватися не зручно, оскільки вони суттєво відрізняються один від одного за днями тижня, порами року тощо. Їх практично неможливо описати математичними залежностями. З цих причин для аналізу режимів роботи насосних установок пропонується використовувати впорядковані діаграми водопостачання по аналогії з впорядкованими діаграмами електричних навантажень [1]. Під впорядкованою діаграмою водопостачання розуміють криву, що сполучає розташовані в порядку зростання ординати добових графіків водопостачання за тривалий проміжок часу, наприклад рік, місяць, добу.

На рис. 1 представлений реальний графік добового водопостачання одного 12 мікрорайону м. Суми, отриманий автором і оприлюднений в роботі [2], та його впорядкована діаграма. При цьому, впорядковану діаграму водоспоживання можна апроксимувати експоненціальною функцією типу Ц(Ґ) = аеЬі, де а і Ь -коефіцієнти апроксимації, що характеризують графік добового водоспоживання. Коефіцієнт Ь характеризує ступінь нерівномірності водоспоживання, якщо Ь = 0, то графік водоспоживання є сталим у часі.

а) б)

Рис. 1. Добова нерівномірність водоспоживання 12 мікрорайону м. Суми : а) фактична; б) впорядкована діаграма

Описаний таким чином графік добового водоспоживання дає змогу визначити енергетичні показники режимів роботи насосного обладнання та встановити вплив на них зовнішніх чинників.

В роботі [3] була отримана аналітична залежність напору насоса від витрати через координати базової точки (в якій параметри насоса Нт і Цт) і тангенс кута дотичної в цій точці О^у):

н<а>=н. - ® а.й..

2

2а.

(і)

Також в роботі [3] була отримана аналітична залежність коефіцієнта корисної дії (ККД) насоса від витрати через максимальне значення ККД пт і відповідному йому значенню витрати Ц0 (оптимальна подача):

) П т ОЛ П т ^ "~2

П = 2^ - О^2. а0

(2)

Для економічного обґрунтування прийняття різних управлінських рішень при виборі оптимальних параметрів насоса основним критерієм є величина спожитої електроенергії, котра визначається як:

‘ pgQ(t)ЩQ,t)

(3)

Підставляючи в (3) залежності (1), (2) та залежність витрати від часу Ц(Ґ) = аеЬі, отримаємо значення спожитої електроенергії впродовж розглядуваного проміжку часу ^:

н а

т + 2Ц,

а

2йо - ае

-dt.

(4)

Таким чином, спожите значення електроенергії впродовж розглядуваного проміжку часу t залежить від максимального значення водоспоживання Цт, значення напору при цьому водоспоживанні Нт, крутизни напірної характеристики насоса, що характеризується tgY, значенням максимального ККД насоса пт та подачі насоса Ц0 при цьому ККД.

Аналітичний розв’язок залежності (4) отримати складно, але для його аналізу скористаємося наступними міркуваннями. При виборі різних варіантів параметрів насоса, його напір при максимальному водопостачанні Цт повинен бути не меншим Нт, в іншому випадку якість водозабезпечення буде незадовільною. При забезпеченні всього діапазону зміни водоспоживання одним насосом, його витрата при максимальному ККД повинна підкорятися умові

0,5Цт <Ц0 < Цт, в іншому випадку один насос не

Э

зможе забезпечити весь діапазон зміни подач при необхідному значенні Нт.

Визначимо відносне енергоспоживання N як відношення енергоспоживання при довільних параметрах насоса N до енергоспоживання при виборі насоса на максимальне значення водоспоживання.

Енергоспоживання, за умови вибору насоса на максимальне значення водоспоживання, визначається аналогічно (4), за умови що Ц0 = От

„ 2

N

= Рі \ 'і п \о

Іш

Н П

нш---^Пп

2Пш

а

2П. -аеЬ

(5)

Прийнявши, що 00 = кЦт, та Цт = ае 4 та враховуючи залежності (4) і (5), відносне енергоспоживання матиме вигляд:

N =

2кен - еь

(6)

2

2

dt

На рис. 2,а приведена впорядкована діаграма водоспоживання в залежності від коефіцієнта нерівномірності Ь. На рис. 2,б представлена геометрична інтерпретація залежності зміни відносного енергоспоживання від ступені нерівномірності водоспоживання, при значенні кута нахилу напірної характеристики насоса у = 5. Аналіз даної залежності показує, що різним значення ступеня нерівномірності водоспоживання відповідають різні значення номінальної подачі П0 при забезпеченні мінімального енергоспоживання.

На рис. 3,а наведена безрозмірна напірна характеристика насоса при різних значеннях тангенсу кута нахилу дотичної в базовій точці. На рис. 3,б представлена геометрична інтерпретація залежності зміни відносного енергоспоживання від тангенсу кута нахилу напірної характеристики насоса, при ступені нерівномірності водоспоживання Ь = 0,12. Аналіз даної залежності показує, що зі збільшенням крутизни напірної характеристики насоса збільшується питоме енергоспоживання. Тому для забезпечення мінімального енергоспоживання при роботі одного насоса на мережу зі змінним опором у часі можна сформулювати вимогу до напірної характеристики насоса, яка полягає у зменшенні крутизни ^у) напірної характеристики.

а) б)

Рис. 2.

а) впорядкована діаграма водоспоживання в залежності від ступені нерівномірності водоспоживання Ь;

б) залежності зміни відносного енергоспоживання від ступені нерівномірності водоспоживання Ь

— Т-70

т

у=-30

Г-60, 1=45 -

- ' у—ЗО ^ 7 «... -

а) б)

Рис. 3.

а) безрозмірна напірна характеристика насоса при різних значеннях кута нахилу дотичної в базовій точці; б) залежності зміни відносного енергоспоживання від тангенсу кута нахилу напірної характеристики насоса у

4. Висновки

1. Обґрунтовано застосування впорядкованих діаграм водоспоживання для аналізу режимів роботи насосних установок.

2. Розроблено формалізовану методику для визначення параметрів насоса, що працює на мережу зі змінним опором у часі, що передбачає мінімальне споживання потужності на приведення у рух насоса.

3. Під час проведення досліджень встановлено, що при роботі насоса на мережу зі змінним опором в часі є гранично допустимий рівень енергоспоживання та визначено вплив різних чинників на нього.

4. Встановлено, що різним значенням ступеня нерівномірності водоспоживання відповідають різні значення номінальної подачі Ц0 при забезпеченні мінімального енергоспоживання.

5. Визначено, що найменший рівень енергоспоживання можна отримати за умови мінімально можливої крутизни напірної характеристики насоса.

Литература

Волобринский С.Д. Электрические нагрузки и балансы промышленных предприятий / С.Д Волобринский

- Л.:«Энергия», 1976. - 128 с.

Євтушенко А.О. Визначення оптимального складу насосної станції / Євтушенко А.О., Неня В.Г., Сотник М.І., Хованський С.О. // Вісник Кременчуцького державного університету - 2008. - Вип. 4/2008 (51) - С. 168 - 171. Бойко В.С. Аналіз частотного регулювання відцентрових насосів водопостачання з метою енергозбереження / Бойко В.С., Неня В.Г., Сотник М.І., Хованський С. О. // Вісник Кременчуцького державного університету

- 2009. - Вип. 4/2009 (57) - С. 158 - 162.

2е1 -еЬ

£