CC BY
39УДК 628.12; 628.14; 628.17
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Николенко И.В., Рыжаков А.Н., Умаров Р. С.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: nikoshi@mail.ru
Аннотация. Приведен анализ способов регулирования параметров силовых агрегатов насосных станций городских систем водоснабжения. Показано, что энергетическую эффективность насосных агрегатов можно повысит за счет учета реальных режимов водопотребления в водопроводной сети. Рассмотрен пример анализа эксплуатационных параметров силового агрегата насосной станции городской системы водоснабжения. Предложен ступенчатый способ регулирования параметров силового агрегата с применением частотного регулирования частоты вращения рабочего колеса. Новый способ позволяет существенно повысить энергетическую эффективность регулирования параметров силовых агрегатов, а также повысить надежность систем водоснабжения и снизить в них утечки.
Ключевые слова: водоснабжение, силовой агрегат, насосная станция, регулирование, энергетическая эффективность.
Введение
Система подачи и распределения воды является важным комплексом сооружения водоснабжения, который обеспечивает
транспортировку воды на территорию снабжаемых объектов, распределение по территории и доставку к местам отбора потребителями. Силовые агрегаты насосных станций (НС), как один из основных структурных элементов, во многом задают эксплуатационные возможности и технический уровень системы водоснабжения в целом, а также существенно определяют энергетические и экономические показатели ее работы.
Системы водоснабжения и водоотведения относятся к наиболее энергоемким объектам жилищно-коммунального хозяйства, где основными потребителями электроэнергии являются насосные станции (НС). В этих системах в России на перекачку насосными агрегатами чистых и загрязненных вод ежегодно расходуется 120...130 млрд. кВт-час электроэнергии [9]. В структуре себестоимости на оказание услуг по водоснабжению и водоотведению затраты на электроэнергию могут достигать 50%, в том числе непродуктивные затраты до 20%. Важной составляющей затрат в структуре себестоимости являются потери воды при ее распределении и транспортировке потребителям, которые могут достигать не менее 30% от общих объемов. Повышенные напоры в сети создают дополнительные потери, что снижает энергетическую эффективность системы в целом [10] . Поэтому вопрос повышения энергетической эффективности насосного оборудования в системах водоснабжения и водоотведения является первоочередным [11].
Низкая энергетическая эффективность систем водоснабжения при перекачке воды
объясняется рядом причин, связанных с силовыми агрегатами насосных станций [11]:
- несоответствие характеристик применяемых насосов переменным гидравлическим условиям сетей;
- применение агрегатов с низким КПД по причине их изношенности либо изначально конструктивно или технологически несовершенных в условиях их применения;
- применение энергетически малоэффективных способов регулирования режимов работы систем насосный агрегат- сеть.
Проблемы при обеспечении требуемых технологических параметров в водопроводных сетях (ВС), стоящие перед коммунальными предприятиями Российской Федерации, как правило, однородны. Повышение этажности, подключение новых потребителей, состояние магистральных сетей привели к необходимости установки систем регулирования для обеспечения необходимых параметров на уровне районных и квартальных сетей. Подбор насосов зачастую производился с учетом перспектив развития, поэтому их параметры по производительности и напорам завышались. Распространенным стал вывод насосов на потребные характеристики дросселированием с помощью задвижек, что приводит к нерациональным потерям электроэнергии. При этом замена насосов не производится, большинство из них работает с низким КПД. Износ оборудования НС обострил необходимость их модернизации или реконструкции для повышения КПД и надежности при обеспечении требуемых режимов работы. Одним из основных направлений технологического энергосбережения в различных технических системах является применение энергетически эффективных технологий.
Актуальность вопросов, рассматриваемых в данной работе определяется возросшим значением проблем энергетической эффективности, важность которых растет в современных условиях. Насущная необходимость решения этой проблемы закреплена в законодательных актах Российской Федерации.
Анализ публикаций
Проблема повышения энергетической эффективности технологического процесса подачи необходимого количества воды под требуемым напором в соответствии с нуждами потребителей является одной из основных для систем водоснабжения и водоотведения [5 - 11]. Разработке новых конструкций и технологических процессов для повышения энергетической эффективности силовых агрегатов насосных станций систем водлоснабжения в технической литературе посвящено значительное количество исследований. В работах Лезнова Б.С. [5], Николаева В.Г. [9], Хованского С. А. [11], Шмиголя В.В, Черносвитова М.Д., [6] Бойко В.С., Сотника М.И., многих зарубежных исследователей, описаны подходы к повышению энергетической эффективности насосного оборудования систем водоснабжения путем регулирования режимов работы насосных агрегатов и согласования характеристик насосов и сетей водоснабжения с учетом условий их эксплуатации.
Процесс регулирования параметров силовых агрегатов осложняется существенными различиями напорных характеристик центробежных насосов (ЦН) и ВС. Одним из современных способов регулирования параметров силовых
агрегатов является частотное регулирование, которое обеспечивает изменение частоты вращения рабочего колеса. За счет регулирования частоты вращения рабочего колеса насосного агрегата, в некоторых случаях можно значительно сократить расходы на электроэнергию. На сегодняшний день преобразователи частоты (ПЧ), которые предназначенны для изменения частоты вращения рабочего колеса, в основном настроены на постоянное давление в ВС, что позволяет обеспечить необходимым напором потребителя и сократить потери воды за счет снижения избыточных напоров. Наибольшее применение получил способ регулирования с ограничением максимально допустимого напора в сети, как показано на рис. 1.а. [5]. В данном способе при поддерживании постоянного максимально допустимого напора в ВС, не учитываются потери, заложенные в динамическом напоре, который изменяется в зависимости от расхода. При гидравлическом расчете водопроводной сети требуемый напор в ВС рассчитывается при максимальном водопотреблении, да еще и с перспективой последующего развития расчетной зоны обслуживания НС. При снижении подачи насосных агрегатов то вызывает превышение напоров на величину динамического напора. С учетом того, что максимальное водопотребление в системе водоснабжения может быть только незначительную часть времени, то данный способ регулирования содержит в себе значительный потенциал по повышению энергетической эффективности системы в целом
Рис. 1. Работа системы ЦН -ВС при различных способах частотного регулирования [6, 7]: а - при стабилизации давления на максимальном уровне; б - при интегральном регулировании; в - при линейно-интегральном регулировании. 1 - напорные характеристики ЦН при различных частотах; 2 - характеристики ВС.
Более энергетически эффективными способами являются регулирование подачи насосов ПЧ с интегральной либо линейно-интегральной характеристикой, которые показаны на рис. 1б и 1в [6, 7]. В основу положен алгоритм изменения подачи и напора в соответствии с некоторой расчетной характеристикой, что позволяет исключить или значительно снизить избыточные напоры в сети при уменьшении подачи. Недостатками этих способов регулирования,
является то, что за основу применяется расчетная характеристика ВС, которая может существенно отличаться от эксплуатационных параметров. В качестве примера на рис. 2 приведено сравнение расчетной характеристики напорного трубопровода с областью эксплуатационных параметров ЦН, который работает на этот трубопровод [8].
Рис. 2. Сравнение характеристики напорного трубопровода с рабочими параметрами насосного агрегата в течение 4 суток эксплуатации НС2 [11]:
1 - расчетная характерика трубопровода;
2 - область эксплуатационных параметров
насоса
Реальный процесс функционирования системы водоснабжения характеризуется изменениями параметров ее состояния во времени. Эти изменения зависят от многочисленных внутренних и внешних факторов, контроль над большинством из которых затруднителен. Множеством внешних факторов, которые влияют на параметры характеристики ВС являются конфигурация разветвленной сети системы водоснабжения, изменение водопотребления по объему и по времени в течение суток и времени года, рельеф местности, не характерные параметры сопротивления трубопроводов, неучтенные переменные потери и др. Соответственно силовые агрегаты в НС находятся в постоянно изменяющихся значениях рабочей точки системы. Все эти факторы делают расчетную напорную характеристику ВС, по которой выбираются параметры насосных агрегатов на стадии проектирования, как правило, несоответствующей оптимальным параметрам насосных агрегатов.
Временные изменения параметров функционирования системы водоснабжения можно интерпретировать как случайный процесс. Для построения математической модели случайного процесса, предполагается реализация следующих этапов:
- сбор и регистрация экспериментальных данных;
- предварительный анализ свойств случайного процесса и выбор типа модели;
- анализ случайного процесса и построение математической модели.
Таким образом, действительная характеристика ВС может быть получена в результате экспериментальных исследований этой сети. Под экспериментом понимается совокупность операций, совершаемых над объектом исследования с целью получения информации о его свойствах. Основными параметрами функционирования систем водоснабжения являются подача и напор в ВС на выходе с НС. Поэтому для реализации условий, предложенных в вышеприведенных способах регулирования необходимо предварительное
определение параметров работы насосов на действующей НС в условиях эксплуатации.
Цель и постановка задачи исследований
Целью настоящей работы является обоснование параметров и режимов энергосбережения системы водоснабжения при работе насосных агрегатов НС второго подъема, на базе ее математического моделирования с использованием современных информационных технологий, методов статистического анализа и математического моделирования.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
1. Выполнить анализ фактических режимов работы НС подкачки жилого массива и обобщить имеющуюся информацию об эффективности ее работы.
2. Обосновать выбор объективного критерия для оценки энергетической эффективности работы НС подкачки жилого массива с разработкой рекомендаций, для определения потенциала энергосбережения.
3. Разработать математическую модель функционирования комбинированного насосного агрегата при оснащении их регулируемым приводом.
4. Разработать энергетически эффективный способ управления насосным агрегатом для обеспечения оптимальных параметров с учетом характера распределения водопотребления жилого массива во времени.
Результаты работы
В качестве примера рассматривается НС подкачки, одного из районов г. Симферополя со среднесуточной подачей 2500 м3/сут, и постоянно поддерживаемым напором 60 м за счет установки ПЧ в приводе насосного агрегата. В качестве исходных были рассмотрены 9504 значений часовых расходов на данной НС подкачки жилого массива. То есть были рассмотрены параметры за время работы 9504 часа, что соответствовало 396 дням работы в течение 2015-го года и января 2016-го года. Параметры, которые определялись
экспериментально, соответствуют параметрам рабочих точек, которые определялись пересечением напорных характеристик силового агрегата НС с характеристикой ВС. Эти рабочие точки соответствуют обеспечению спроса потребителей подачей, при определенном напоре, который находится из гидравлической характеристики ВС.
При статистической обработке полученного массива данных определялись максимальные, минимальные и средние значения, а также оценивалась дисперсия по выборке. Для оценки влияния на подачу НС подкачки сезонности анализировались эксплуатационные параметры раздельно для зимы, весны, лета и осени. Для оценки влияния недельной неравномерности раздельно рассматривались подачи НС в рабочие и выходные дни. В данной работе после получения
заданного объема данных было необходимо также выявить неравномерность водопотребления обслуживаемой зоны НС второго подъема.
Для наглядного представления числовой информации и анализа полученных результатов статистического анализа данных по эксплуатации насосных агрегатов применим компьютерную визуализацию. Так как при анализе данных, в численных значениях тяжело разглядеть какую-либо закономерность, особенно если объем данных значительный. Диаграмма часовой подачи, которая получена при обработке всего объема данных, отображена на рис. 3. В приведенной диаграмме по оси X указывается дата, по оси У часовые расходы, по оси Ъ время в часах. При большом формате анализировать можно данные полученные в
результате измерений в течение нескольких лет. Из анализа приведенной диаграммы хорошо заметна сезонная неравномерность. Области, в которых замечены выделяющиеся пики часового водопотребления, могут быть уже
проанализированы по выбранной дате, месяца или времени года. То есть диаграммы будут значительно отличаться, при их построении в зависимости от сезонности подачи. Представленные результаты эксприментальных наблюдений за работой силовых агрегатов НС показывают сложность выбора параметра для разработки алгоритма интегрального или линейно-интегрального регулирования с применением ПЧ.
Диаграмма часового водопотребления в течении 396 дней
400,00 >^35.0.00 300,00 ^ 250,00 200,00 О 150,00 * 100,00 Я 50,00
■ 0,00-50,00 ■ 50,00-100,00 »100,00-150,00 »150,00-200,00 » 200,00 250,00 »250,00-300,00 » 300,00-350,00 »350,00-400,00
Рис. 3 Диаграммы годовой подачи НС подкачки
Статистический анализ показал, что в течение рассмотренного расчетного периода (13 месяцев) насос Д320-70б работал вне своего рабочего поля и при относительно низких КПД. В основном это связано с сокращением расходов на производственные нужды промышленных предприятий, привязанных к данной НС. Из анализа диаграмм, приведенных на рис. 3 следует, что даже при максимальном водопотреблении, подача насоса не доходит до 200 м3/ч, тогда как рабочее поле данного насоса находится в диапазоне 200.. .320 м3/ч. Преобразователь частоты позволяет работать насосному агрегату в условиях такого широкого диапазона подач, но КПД при этом становится еще ниже, а при малых подачах в ВС действуют избыточные напоры.
Для систематизации полученных данных по параметрам эксплуатации, были рассчитаны дифференциальная и интегральная характеристики распределения подач силовых агрегатов НС, которые представлены на рис. 4 и рис. 5. Представленные результаты статистической
обработки годовых эксплуатационных параметров силового агрегата НС показывают, что в диапазоне
подач ( > 200м3/час он работает 13.67% от
суммарного времени эксплуатации, в диапазоне
подач 90 < ( < 200 м3/час - 75.64%, а в
диапазоне - ( < 90м3/час - 10.39%.
В данной работе предлагается ступенчатый способ регулирования параметров системы силовой агрегат - ВС, на основе изменения частоты вращения рабочего колеса с различными диапазонами поддержания напоров. Эти диапазоны по напору определяются по напорной характеристике силового агрегата с учетом эксплуатационных параметров ВС в различные моменты водопотребления. Для рассмотренной НС предложен вариант регулирования силовых агрегатов при помощи ПЧ на трех уровнях стабилизации напора: максимальном - 60 м; среднем - 55 м и минимальном - 50 м.
Диапазоны расходов О гл1/ч
Рис. 4 Дифференциальный график распределения подач
Диапазоны подач Ц пл3/ч.
Рис. 5. Интегральный график распределения подач
Рис. 6. Характеристики насоса Д320-70б:
1 - напорные характеристики насоса, при разных частотах вращения рабочего колеса; 2 - мощностные характеристики насоса, при разных частотах вращения; А1,А2,А3 - рабочие точки насоса и трубопровода, при Н=60 м, Н=55 м, Н=50 м.
Напорные и энергетические характеристики на характеристиках показаны уровни стабилизации установленного насоса приведены на рис. 6. Также давления в ВС и соответствующие энергетические
характеристики. Предлагаемый способо
ступенчатого регулирования позволяет повысить энергетическую эффективность системы водоснабжения, за счет снижения напоров в режимах среднего и минимального водоразбора.
На представленных характеристиках насоса Д320-70б показано как будут изменяться напорные и мощностные характеристики с изменением частоты вращения рабочего колеса, при поддерживании ПЧ заданного напора. Анализ параметров показал, что КПД насоса при этом остается практически не изменным. Построение характеристик были выполнены по известным методам, представленным в [3, 5]. При этом снижение напора предусматривается в зависимости от подачи насоса в требуемый момент времени, т.е при снижении подачи появляется возможность снизить и напор, так как при снижении подачи сопротивление ВС уменьшается, в связи с этим
снижается и динамический напор. Регулирование таким способом возможно, как при ступенчатом ручном режиме, так и в автоматическим режиме, который предусматривает изменение параметров системы насос - ВС в заданных диапазонах по времени или в зависимости от напора в сети.
В представленном примере предлагаемый способ регулирования позволяет повысить энергетическую эффективность на 9,7% по отношению к регулированию на постоянном уровне по давлении; и на 20,8% по отношению к нерегулируемому насосному агрегату, и при этом снизить действующие напоры в сети, чем обеспечить повышение надежности системы водоснабжения и снижения потерь по воде за счет ее утечек. На рис. 7 представлен сравнительный график потребляемой мощности насосным агрегатом в течение суток при различных способах регулирования.
и
1 2 3 Л 5 й 7 а 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Время ч.
.......Ни--НЮ -Н 50-55-60
Рис. 7. Суточные графики мощности силового агрегата при различных способах регулирования
На этих графиках показаны часовые значения потребляемой мощности насосным агрегатом в течении суток при различных вариантах настройки ПЧ. Верхняя точечная кривая показывает часовые потребления мощности насосным агрегатом, при номинальной частоте вращения рабочего колеса, то есть без установки ПЧ. Средняя пунктирная кривая показывает потребления, при постоянно поддерживаемом давлении (60 м.). Нижняя кривая показывает почасовые уровни потребления мощности силовых агрегатов НС, при трехступенчатом регулировании по напору, при выбранных значениях по напору: 50-55-60 м. На графике видно, что в пиковые часы водопотребления, нижняя и средняя кривая приравниваются.
Таким образом, при трехступенчатом регулировании параметров силового агрегата НС по напору можно дополнительно экономить до 30 тысяч кВт-час в год, по сравнению с регулированием ПЧ при постоянно поддерживаемом напоре. Среднесуточное удельное
потребление электроэнергии, при постоянно поддерживаемом давлении составляет 0,24 кВт*ч/м3; при трехступенчатом регулировании - 0,217 кВт*ч/м3. Анализ сезонных графиков параметров позволяет также выделить и реализовать потенциал энергосбережения в данной системе.
Выводы
Системы водоснабжения и водоотведения относятся к наиболее энергоемким объектам жилищно-коммунального хозяйства, где основными потребителями электроэнергии являются силовые агрегаты НС. Поэтому важным направлением повышения энергетической эффективности систем водоснабжения является совершенствование систем регулирования параметров силовых агрегатов.
Выполнен анализ наиболее применяемых современных способов регулирования параметров силовых агрегатов с применением ПЧ, показаны их преимущества и недостатки. Обосновано, что дальнейшее совершенствование этих способов регулирования должно быть основано на
исследовании эксплуатационных параметров силовых агрегатов, с целью выявления законов распределения этих параметров по времени.
Предложен ступенчатый способ регулирования параметров силового агрегата НС с применением ПЧ, что позволяет существенно снизить напоры в ВС при режимвах работы, которые отличаются от режима максимального водопотребления. Полученные результаты показали энергетическую эффективность предлагаемого ступенчатого способа регулирования. Для рассмотренной в статье НС энергетическую эффективность силового агрегата можно повысить на 9,7%, в результате экономия электроэнергии может составить до 30 тысяч кВт-час в год.
Отличительной чертой данного способа регулирования, является то, что он не требует существенных дополнительных затрат, при уже установленном в системе ПЧ для регулирования постоянного давления. Для изменения режимов регулирования достаточно установки контролеров с дополнительными настройками ПЧ давления в ВС по времени, в зависимости от водопотребления.
Список литературы
1. Абрамов Н. Н. Расчет водопроводных сетей / Н. Н. Абрамов, М. М. Поспелова, М. А. Сомов, В. Н. Варапаев и др. — М. : Стройиздат, 1983. — 278 с.
2. Абрамов Н. Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды / Н. Н. Абрамов. — М. : Стройиздат, 1972. — 288 с.
3. Карелин В. Я. Насосы и насосные станции / В. Я. Карелин, А. В. Минаев. — М. : Стройиздат, 1986. — 320 с.
4. Айвазян С. А. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка
данных / С. А. Айвазян, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин. — М. : Финансы и статистика, 1983. — 471 с.
5. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006, - 359 с.
6. Шмиголь В.В., Черносвитов М.Д., Атанов Н.А. Интегральное регулирование работы повысительных насосов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2013. - № 8. - С. 23 - 27.
7. Черносвитов М.Д. Энергетическая эффективность интегрального регулирования работы повысительных насосов //Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. - 2013, № 4. - С. 96 - 99.
8. 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, P. 33 - 44 .
9. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах. : дис. ... докт. техн. наук. -Щелково, 2008. - 372 с.
10. Хроменков С.В. Задачи развития водной отрасли для обеспечения населения России чистой водой// Водоснабжение и санитарная техника. -2011. - № 5. - С. 15 - 22.
11. Хованський С.О. Шдвищення ефективносл експлуатаци ввдцентрових насоав у системi водопостачання житлово-комунального господарства: дис. .канд. техн. наук. Сумы. 2010, 162 с.
Nikolenko I. V., Ryzhakov A. N., Umarov R. S.
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF REGULATING POWER UNITS PUMPING STATIONS OF WATER SUPPLY SYSTEMS
Abstract. In article the analysis of methods of control of parameters of power units of the pumping stations and urban water systems. It is shown that the energy efficiency of pumping units can improve by taking into account the real modes of water consumption in the water supply. An example of the analysis of operational parameters of the power unit of the pumping station of the city water supply system. Proposed speed control method options the power unit with frequency regulation of frequency of rotation of the impeller. The new method can significantly increase the energy efficiency of regulation of parameters of power units, as well as to improve the reliability of water supply systems and reduce leakage.
Key words: water supply, power unit, pump station, regulation, and energy efficiency.
