CC BY
151
Разработанная концепция пространственной модели архитектурно-ландшафтного каркаса закрепляется в пакете проектной документации на новое строительство или реконструкцию кампуса, следовательно, в архитектурной среде крупных университетов упорядочивает и оптимизирует пешеходные связи, сокращает сроки перемещений во внешней и внутренней структуре застройки, усиливает результативность встреч, что способствует устойчивому развитию университета.
Итак, модель архитектурно-ландшафтного каркаса является одним из факторов формирования устойчивой и конкурентоспособной среды крупных университетов. Для локальных университетских комплексов интегрированного типа актуальны проблемы усложнения функционально-пространственных связей и пешеходных потоков.
Визуальная коммуникация в структуре университетского комплекса, как архитектурно-ландшафтный каркас в его архитектурной среде, представляется в
виде трех стадий формообразования университетской среды, а именно: функционально-пространственная, композиционная, информационная.
Методические этапы проектного формирования «архитектурно-ландшафтного каркаса» при новом строительстве и модернизации архитектурной среды современных университетских комплексов основаны на «средовом подходе» в проектировании и учитывают три стадии визуального контакта «новичков» и объектов застройки университетского комплекса, включающих: «вхождение» в среду, «осознание» среды, «растворение» в среде.
Дальнейшее направление исследования может быть связано с разработкой концептуальных моделей и методик формирования архитектурно-ландшафтного каркаса в функциональных связях и организационной структуре университетских комплексов, а также в особенностях устройства общественной жизни в структуре университетской пространства.
Статья поступила 21.09.2015 г.
Библиографический список
1. Большаков А.Г. Ландшафтный ресурс устойчивого развития территории в градостроительстве // Архитектура. Строительство. Дизайн. 2002. № 4. С. 41-44.
2. Большаков А.Г. Экологические предпосылки градостроительного проектирования: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. 148 с.
3. Глазычев В.Л. «Средовой подход» в развитии города: лекция 4. [Электронный ресурс]. 1^1.: www.glazychev.ru/courses/mp/mp_04.htm/ (25.07.2015).
4. Пучков М.В. Университетский кампус. Принципы создания пространства современных университетских комплексов // Вестник Томского государственного архитектурно-
строительного университета. 2011. № 3. С. 79-88.
5. Шимко В.Т. Архитектурно-дизайнерское проектирование городской среды: учебник. М.: Архитектура-С, 2006. 296 с.
6. Hoger K. Unternehmen, Universitaen und die Stadt: Der Campus als Motor fur Kretivitat, Innovation und Urbanitat, Transformation (Vom Werk im Wedding zum globalen Pharmaquarter Berlin). Berlin: Kulturkreis der deutschen Wirtschaft im BDI mit Bayer Schering Pharama AG, 2009.
7. Isakova S.A., Morgun N.A., Evtushenko-Mulukaeva N.M. Space-Planning Modernization Methods for Educational Buildings of the Southern Federal University // Scopus: Middle-East Journal of Scientific Research. 2013. V. 17 (10). P. 1412-1418.
УДК 628.12
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
© И.В. Николенко1, М.Ю. Толстой2
Крымский федеральный университет,
295493, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская, 181. Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследований по анализу энергетической эффективности современного способа качественного регулирования насосов в системах водоснабжения. Определены условия эффективного применения регулирования за счет изменения частоты вращения лопастного насоса. Представлены принципиально новые способы качественного регулирования параметров в системах водоснабжения за счет применения бироторных насосов с изменяемой частотой вращения. Предложен способ регулирования, который обеспечивает максимальную энергетическую эффективность насосного агрегата в заданном диапазоне подач и напоров. Ключевые слова: водоснабжение; бироторный насос; энергетическая эффективность; подача; напор; КПД; частотное регулирование; оптимальное рабочее поле.
1 Николенко Илья Викторович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, водоотведения и санитарной техники, тел.: 89787250028, e-mail: [email protected]
Nikolenko Ilya, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Water Supply, Water Disposal and Sanitary Equipment, tel.: 89787250028, e-mail: [email protected]
2Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 89149271445, e-mail: [email protected]
Tolstoy Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: 89149271445, e-mail: [email protected]
WAYS TO IMPROVE PUMP CONTROL METHODS ENERGY EFFICIENCY IN WATER SUPPLY SYSTEMS I.V. Nikolenko, M.Y. Tolstoy
Crimean Federal University,
181 Kievskaya St., Simferopol, Republic of Crimea, 295493, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper deals with the results of the studies on the analysis of the energy efficiency of the modern method of pump quality control in water supply systems. The conditions of effective application of regulation by changing the rotation frequency of an impeller pump are determined. The paper introduces the fundamentally new quality regulation methods of parameters in water supply systems through the application of birotory pumps with a variable rotation speed. A control method that provides the maximum energy efficiency of the pumping unit within a predetermined range of flows and pressures is proposed.
Keywords: water supply; birotory pump; energy efficiency; flow; pressure; efficiency; frequency regulation; optimal operating field.
Введение
В системах водоснабжения (СВ) объектов ЖКХ насосные станции (НС) являются наиболее ответственными элементами, которые обеспечивают подачу нужного количества воды под необходимым напором в соответствии с запросами потребителей и требованиями нормативных документов. НС представляют собой сложный комплекс механического, гидравлического и энергетического оборудования, трубопроводов, арматуры, контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации. Состав сооружений, агрегатов, их конструктивные особенности, тип и число основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов рационального и комплексного использования источников воды, потребляемой энергии, а также минимизации стоимости строительства насосной станции, ее эксплуатации с учетом назначения и предъявляемых к ней технологических требований. Наряду с обеспечением требуемого напора и подачи воды для нормальных и аварийных условий, на всех этапах жизненного цикла насосных станций, необходимо при наименьших затратах на их сооружение и эксплуатацию обеспечивать достаточную степень надежности, долговечности, экономичности и выполнение ряда других требований.
Для подачи и транспортировки воды в СВ в настоящее время используют в основном центробежные насосы (ЦН), которые были теоретически разработаны Л. Эйлером еще в семнадцатом веке, но нашли промышленное применение лишь после появления в двадцатом веке качественных быстроходных электродвигателей для привода, а также развития технологии машиностроения. Широкое использование ЦН в системах подачи воды предопределяется простотой их конструкции, обеспечением больших подач, возможностью перекачки загрязненных жидкостей, с различными свойствами и характеристиками, а также высокой технологичностью конструкций.
Главными недостатками ЦН, обусловленными их гидронимическим принципом работы, являются невысокий уровень создаваемого давления и относительно низкий КПД, составляющий в рабочем диапазоне для большинства конструкций не более 75%. Другим существенным недостатком центробежных насосов является нежесткость напорной характеристики, приво-
дящая при изменении подачи к существенному изменению напора и КПД. Кроме того, высоконапорные ЦН, особенно секционные, имеют большие габариты, массу, а следовательно высокую стоимость, трудоемкость монтажа, эксплуатации и ремонта.
Водопотребление в централизованных СВ является нестационарным случайным процессом, что определяет сложности в обеспечении требуемых режимов работы насосных агрегатов. Регулирование режимов работы систем «водопроводная сеть - НС» ставит задачу обеспечения требуемой подачи с заданным напором, а также экономию материальных и энергетических ресурсов. Известны различные способы регулирования режимов работы систем «водопроводная сеть - НС», которые предназначены для обеспечения требуемого напора и подачи воды для нормальных и аварийных условий, на всех этапах жизненного цикла НС. Для выбора рациональных способов регулирования необходимо сравнивать их энергетическую эффективность, затраты на сооружение и эксплуатацию с обеспечением требуемой степени надежности, экономичности и выполнение ряда других специфических требований.
Уменьшение габаритов и массы насосов, повышение и стабилизация значений КПД насосных агрегатов даст значительное снижение стоимости изготовления и экономию энергии при эксплуатации. Для реализации этих задач требуется создание и внедрение в производство современных гидравлических агрегатов новых конструкций. Применение энергосберегающих технологий и конструкций является одним из приоритетных направлений развития оборудования СВ.
Создание и применение принципиально новых конструкций насосов для перекачки воды, а также использование энергетически эффективных способов регулирования - основные способы решения проблемы повышения эффективности функционирования СВ. Одной из таких конструкций являются объемные би-роторные насосы, которые обеспечивают снижение габаритов и массы, стабилизацию КПД в широком диапазоне параметров [11]. Перспективность этого направления подтверждают исследования и разработки последних лет в области насосостроения [18].
Таким образом, выбор энергетически эффективного способа регулирования параметров насосных
агрегатов в составе НС, с учетом стохастических процессов водопотребления, требует разработки подходов к оценке параметров ЦН различных вариантов регулирования. Рациональный выбор насосного оборудования НС, режимов их работы требует обоснования новых методов расчета и проектирования.
Основными направлениями совершенствования СВ является все большее применение современных видов насосного оборудования, а также эффективных систем регулирования. Современные автоматизированные системы управления позволяют существенно расширить возможности по регулированию рабочих параметров и характеристик насосных агрегатов. Применение преобразователей частоты тока (ПЧТ) для приводных электродвигателей насосных агрегатов позволяет в широких пределах изменять их частоту вращения, чем обеспечивается регулирование режимов работы систем «водопроводная сеть (ВС) - НС». В связи с этим появляются новые технические возможности и технологические решения по снижению неравномерности режимов работы насосных агрегатов в СВ с повышением их энергетической эффективности.
Насосные агрегаты в СВ являются наиболее ответственными элементами, основными потребителями энергетических ресурсов, которые обеспечивают подачу необходимого количества воды под требуемым напором в соответствии с действующими нормами и правилами. Состав сооружений НС, агрегатов, их конструктивные особенности, тип и число основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов рационального использования воды, а также минимизации стоимости строительства системы водоснабжения и ее эксплуатации с учетом назначения и предъявляемых к ней технологических требований [3]. Наряду с обеспечением требуемого напора и подачи воды для нормальных и аварийных условий, на всех этапах жизненного цикла НС необходимо при наименьших затратах на их сооружение и эксплуатацию обеспечивать требуемую степень надежности, экономичности и выполнение ряда других специфических требований.
Снижение ресурсо- и энергоемкости является одной из основных проблем для СВ. Разработке новых конструкций бироторных насосов для решения этой проблемы в технической литературе посвящены исследования [7, 8, 11]. В трудах Лезнова Б.С. [4], Николаева В.Г. [5], Черносвитова М.Д. [10, 12], Бойко В.С., Сотника М.И., Хованского С.А. [1, 2, 13], зарубежных исследователей [16, 17, 19] описаны подходы к повышению энергетической эффективности насосного оборудования систем водоснабжения путем регулирования режимов работы насосных агрегатов и согласования характеристик насоса и сетей водоснабжения с учетом условий их эксплуатации. Во всех вышеприведенных источниках работа НС рассматривается в рамках системы «ВС - насосный агрегат». В [10, 12] установлено, что применение ПЧТ не всегда дает значительное снижение энергопотребления, что связано, прежде всего, с необходимостью увязки характеристик
ВС с напорными характеристиками насосных агрегатов. В большинстве вышеприведенных источников при выборе параметров регулирования системы «НС -ВС» практически не учитываются энергетические характеристики насосных агрегатов по КПД. Поэтому выбранные параметры системы при регулировании могут выйти из диапазона допустимых значений снижения КПД, а использование ПЧТ, которое требует дополнительных затрат, приведет к суммарным отрицательным результатам. В связи с этим применение регулируемых насосных агрегатов на основе ПЧТ создает только частичную возможность реализации экономически обоснованных способов изменения режимов работы.
Наибольшее применение в современных СВ нашли ЦН. Для обеспечения возможности варьирования параметрами систем «НС - ВС» в широком диапазоне, вне привязки к существующим конструкциям, необходимо иметь математическую модель ЦН, параметры которого в оптимальном режиме (б0, Н0 и Лтах) могут быть заранее определены в зависимости от проектных или реальных условий эксплуатации и заданного характера распределения нагрузки. Для построения таких математических моделей для ЦН необходимо получить его характеристики в аналитическом виде: напорную Н = ^е), относительную энергетическую (КПД) п = ¡2(б) и кавитационную -да = . Исходными параметрами при этом являются: характеристика сети, требуемая подача б0 и напор Н0 насоса. При выборе насоса и его системы управления необходимо, чтобы при данных параметрах ЦН работал в оптимальном режиме, который соответствует максимальному КПД г]тах. Следует учитывать, что параметры совместной работы ЦН и сети определяются их напорными характеристиками, а две других характеристики определяют ограничения по предельным значениям параметров.
Для получения аналитических зависимостей напорной характеристики ЦН воспользуемся следующими рассуждениями. На основе анализа уравнения неразрывности потока, основного уравнения лопастных гидромашин Л. Эйлера и баланса энергии К. Пфлейдерера [8, 16, 17, 19], установлена аналитическая зависимость между подачей б и напором Н.
Срез этой характеризующей поверхности при постоянных оборотах п вала имеет вид квадратичной зависимости
Нн = Ан + ВН2-СН-б2 , (1)
где АН,ВН,СН - коэффициенты напорной характеристики, которые зависят от конструктивного исполнения ЦН.
Для реального ЦН коэффициенты параболы приближенно определяются по паспортной характеристике путем аппроксимации методом наименьших квадратов либо экспериментально в результате статистической обработки параметров работы насосного агре-
гата. При этом для предварительного анализа аналитическая зависимость составляется для всей характеристики, а для непосредственного использования -только для рабочего диапазона параметров, в зоне рабочей точки. Характеристика насоса является параболой, ветви которой направлены вниз, а точка максимума смещена вправо от начала координат по оси абсцисс.
Для напорной характеристики ЦН при изменении его частоты вращения в [6, 14] получено следующее выражение:
Hн = I2 ■ Aн + (■ Bн ■ Q + ^ ■ Q2, (2)
где Л,,3,,С, - коэффициенты аппроксимации напорной характеристики, которые вычисляются различны-
п
ми методами; /' = — - коэффициент относительного
пн
изменения частоты вращения; пи , пн - измененная и номинальная частота вращения.
Формула позволяет, располагая графической или табличной характеристикой ЦН, при номинальной частоте получить аналитическую зависимость напорной характеристики, а также выполнять перерасчет напорных характеристик насосов в зависимости от измененной частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для математического моделирования и управления насосными установками.
Для обеспечения энергетической эффективности работы ЦН в сети, а также способов регулирования важнейшей характеристикой является относительная энергетическая характеристика в виде п = . Относительные энергетические характеристики ЦН с достаточной для инженерных расчетов степенью точности могут быть аналитически описаны параболой вида [14, 16]:
Лн = Dh ■ Q + EhQ + F
h ,
(3)
где он,ен,ен - коэффициенты относительной энергетической характеристики, которые зависят от конструктивного исполнения ЦН.
Для разработки математической модели ЦН определение коэффициентов он,ен,рн выполняется по значениям параметров в рабочей точке: оптимальной подаче Q0, максимальному значению КПД ц = 1]тах в этой точке.
Рабочий диапазон параметров ЦН в режиме самовсасывания ограничивается его кавитационной характеристикой, поэтому для таких режимов работы ЦН математическая модель должна включать аналитическую зависимость и для кавитационнй характеристики вида ы = . Кавитационная характеристика насоса с достаточной для инженерных расчетов точностью может представляться зависимостью вида:
где КН,ЬН,МН - коэффициенты кавитационной характеристики ЦН.
Величина подачи ЦН в системах водоснабжения изменяется, так как определяется потреблением воды в сети, и является стохастическим параметром. Гидравлическая характеристика сети как зависимость между подачей жидкости в трубопроводе и напором Нс, который необходим для обеспечения этой подачи, определяется [15]:
Hc (t) = Cc(t)+Ac(t) ■ Q2 (t),
(5)
M = Kh ■ Q2 + LH ■ Q+MH ,
(4)
где Сc(t) - статический напор, обусловленный разницей геодезических отметок потребителя и оси ЦН; Ас(1) - коэффициент гидравлического сопротивления сети.
При работе гидравлической системы ЦН - ВС ее параметры определяются из условия равенства подач и напоров в сети и насосе, то есть при условии равенства зависимостей (1) и (5) - при количественном способе регулирования и при равенстве (2) и (5) - при качественном регулировании, за счет изменения частоты вращения. Для выбора насосных агрегатов необходимо определить условия, при которых при случайных изменениях характеристик ВС можно обеспечить максимальную энергетическую эффективность НС.
Объемные гидромашины в основном используются в объемном гидравлическом приводе, который широко применяется во многих отраслях народного хозяйства. Основными агрегатами такого привода являются объемные насосы и гидродвигатели. Отличительным признаком работы объемных насосов (ОН) являются: их жесткая напорная характеристика, то есть практически постоянная подача, которая не зависит от напора; высокое рабочее давление, достигающее 32 МПа и более; высокие значения КПД, до 90% в широком диапазоне параметров. Поэтому ОН основное применение получили в объемном гидроприводе, используемом в машинах и оборудовании различных отраслей [7, 8, 16]. Следует отметить, что среди различных типов серийно изготавливаемых объемных насосов в настоящее время отсутствуют насосы, которые по простоте конструкции, низким требованиям к фильтрации рабочей жидкости могут составить конкуренцию ЦН.
Бироторные насосы (БН) относятся к шестеренным гидромашинам внутреннего зацепления с зубьями специального циклоидально-цилиндрического профиля [7, 8, 11]. Внутреннее зацепление БН состоит из внутреннего зубчатого колеса (шестерни) с внешними зубьями и внешнего колеса (ротора) с внутренними зубьями, размещенными эксцентрично. В таком зацеплении оба зубчатых колеса находятся во вращательном движении относительно двух параллельных осей. Поэтому данные насосы и получили название бироторных. Число зубьев ротора и шестерни в них отличается на единицу, и потому колеса вращаются с
разной угловой скоростью. БН не нашли широкого применения в современном объемном гидроприводе в связи с относительно низким максимальным рабочим давлением, которое обычно не превышает 16 МПа, что существенно ниже уровня рабочих давлений, принятых в настоящее время в объемном гидроприводе. Однако данное давление вполне достаточно для замены ЦН в СВ. Являются несомненными такие преимущества объемных насосов, как постоянство подачи и высокий КПД в широком диапозоне напоров, что позволяет эффективно использовать БН в автоматически управляемых НС. Поэтому представляет интерес выполнение анализа путей повышения энергетической эффективности способов регулирования параметров СВ с применение БН.
Возможность и эфективность применения БН для перекачки воды в СВ, кроме жесткой напорной характеристики и высокого КПД, основываются на следующих преимуществах.
В сравнении с ЦН одинаковой подачи и напора, БН имеют габариты в 2-4 раза и массу в 2-5 раз меньше, а повышение КПД на 10-15% обеспечивает снижение установочной мощности электродвигателей, что соответственно уменьшает начальные и эксплуатационные затраты по всей НС.
При применении в БН внутреннего зацепления скорость относительного перемещения рабочих поверхностей зубчатых колес снижается в число раз, равное числу зубьев шестерни. Например, при числе оборотов электродвигателя 1500 об./мин и числе зубьев шестерни 10-11 относительная скорость гидроабразивной среды будет примерно в 10 раз ниже, чем скорость среды в ЦН, а следовательно, уменьшатся гидравлические потери и гидроабразивный износ рабочих поверхностей колес, что особенно важно при откачивании воды с большим количеством механических примесей.
Учитывая особенности конструкции объемных гидромашин, число типоразмеров БН в сравнении с ЦН значительно уменьшается, что существенно сокращает сроки проектирования, подготовки производства, обеспечивает дополнительное снижение затрат при эксплуатации и ремонте. Величина подачи БН пропорциональна частоте вращения приводного двигателя, что позволяет получить бесконечное число характеристик насосов и расширить возможности выбора оптимальных параметров при проектировании СВ.
Современный уровень технологии машиностроения позволяет с достаточной точностью изготавливать зубчатые колеса БН. Конструкция зубчатых колес обусловливает высокую ремонтопригодность БН и позволяет производить их ремонт непосредственно на насосной установке путем замены сегментов венца шестерен. Простота конструкции, применение современных технологий производства и машиностроительных материалов может обеспечить снижение стоимости изготовления БН не менее чем на 30-40% по сравнению с ЦН.
На рис. 1 показана напорная характеристика БН
при постоянной частоте вращения. Напорная характеристика БН как объемного насоса имеет два участка: а - самого насоса; Ь - системы ОН-предохранительный клапан в линии высокого давления, где Н - напор
ОН при открытии клапана, н* - напор при полностью открытом предохранительном клапане. Полные потери напора на участке напорной характеристики Ь составляют дн = н* -нк. Напорная характеристика на этом участке определяется конструкцией клапана и его статической характеристикой. Поэтому при постоянной частоте вращения ОН имеет подачу, близкую к постоянной, равной 20 = дп, где д - рабочий объем БН, то есть объем жидкости, подаваемый за один оборот вала; п - частота вращения вала БН. Напор, который создается БН, ограничивается давлением настройки предохранительного клапана рк = р-%-Нк, а также мощностью приводного двигателя.
Подача БН на участке а уменьшается на величину утечек и перетечек, которые определяются в зависимости от объемного КПД г/о насоса
Дб = д-п-(\-Ло). (6)
Ht
HrJ
н,
И,!
<3з <30 <2
Рис. 1. Напорная характеристика ОН при постоянной частоте вращения
Объемный КПД для роторных гидромашин, к которым относится БН, составляет 0,9-0,95. Этот КПД в основном зависит от начальных зазоров между деталями, образующими рабочие камеры БН и рабочего давления. Поэтому для БН их объемный КПД практически зависит от частоты вращения вала в диапазоне номинальных параметров. При малых числах оборотов вала величина утечек может быть сравнима с объемом подаваемой жидкости, а в период одного оборота - с составляющими изменения объема одной рабочей камеры. В связи с этим в технических характеристиках БН указывается допустимая минимальная частота вращения вала, которая оказывает существенное влияние на объемный КПД. При повышении числа оборотов вала БН пропорционально увеличивается количество жидкости, проходящей через линию всасывания, соответственно увеличивается и скорость жидкости, что приводит к повышению потерь в линии всасывания. Это может привести к снижению
давления в линии всасывания ниже допустимой высоты всасывания насоса. Поэтому в технических характеристиках БН указывается допустимая максимальная частота вращения, обеспечивающая необходимый кавитационный запас.
Участки напорных характеристик ОН описываются двумя линейными зависимостями в виде:
H = Aho-Q + Bho, H <Hk;
H = AHK'Q + BHK, Hk
k;
Hh < H < H*.
(7)
где коэффициенты напорной характеристики БН:
на участке а
A^n = -
(!-vo )
Внп = -
Hk
1 -Ло
на участке b
AhK =- H*-Hk-; Bho = H*. q^n Ло
При работе БН с постоянной частотой вращения (рис. 1) на гидравлическую сеть с характеристикой вида (5) рабочая точка А{ определяется на пересечении характеристик насоса и сети. Если рабочие точки (А, А1 и А2) размещены на жестком участке а (при
Н < Нк) напорной характеристики ОН, то случайные трансформации параметров сети практически не вызывают изменений подачи и КПД насоса. При этом обеспечивается устойчивая работа насосного агрегата на постоянной подаче. Трансформации параметров сети, как статического напора, так и ее гидравлического сопротивления, вызывают только изменение напоров в рабочих точках. При размещении рабочей точки (А3) на нежестком участке характеристики ОН происходит снижение его подачи и КПД за счет перетечек части жидкости из системы через предохранительный клапан. Регулирование подачи в системе «насос -водопроводная сеть» обеспечивается за счет работы предохранительного клапана.
Регулирование подачи БН происходит при изменении его частоты вращения, так как действительная подача определяется в виде
qoh = q^nh-vo ■ i.
(8)
где пн - номинальная частота вращения; , = пи -
пн
параметр регулирования; пи , пн - измененная и номинальная частота вращения ОН.
На рис. 2 показаны напорные характеристики БН при разных частотах вращения п1 <п2 <п3 . В диапазоне измененных частот вращения БН
< n„ < n
можно считать, что подача насоса
пропорциональна параметру регулирования.
Напор, который создается регулируемым БН, с
учетом характеристики сети (5), будет изменяться по зависимости
Нс ~ Ас ■ Оон ■'2 + Сс, где <2он - подача ОН при номинальных параметрах.
Рис. 2. Напорные характеристики ОН при разных частотах вращения щ < П2 < щ
Следовательно, при регулировании частоты вращения ОН на параметры совместной работы системы «насос - сеть» влияют изменения только параметров сети. При регулировании частоты вращения ЦН на параметры работы системы «Н - С» также влияют изменения напорной и энергетических характеристик ЦН.
Особенностью режимов работы большинства НС в СВ являются случайные изменения характеристики сети (5) по времени. В основном это касается систем, подающих воду непосредственно потребителям, где диапазон изменения подачи насосных установок может находиться в широких пределах, что порождает случайные изменения подачи, которые вызывают соответствующие изменения напора, КПД и кавитаци-онной характеристики. Изменения в структуре и параметрах водопроводной сети, связанные с условиями эксплуатации, вызывают изменения статического напора и коэффициента гидравлического сопротивления. Снижение подачи в сети обусловливает снижение напоров в ВС. Степень снижения напоров зависит от допустимых напоров в системе, которые определяются предельным значением статической составляющей напора. При уменьшении подачи ЦН, согласно его напорной характеристике, происходит увеличение напора на выходе с насоса. Таким образом, снижение потребления воды в сети создает избыточные напоры, которые существенно снижают энергетическую эффективность системы водоснабжения в целом. При увеличении потребления в ВС требуется повышение напора. Падающая напорная характеристика ЦН показывает, что при увеличении подачи напор, создаваемый насосом, падает. Поэтому увеличение потребления может приводить к дефициту напоров в сети. Независимо от способа регулирования, изменение напоров при обеспечении необходимой подачи приводит к изменению параметров двух других характеристик: относительной энергетической и кавитационной. Для покрытия достаточно широких диапазонов водо-потребления рабочего поля одного ЦН или БН для
n
регулирования параметров недостаточно. Поэтому, с целью регулирования подачи, в СВ на практике используют параллельное включение насосных агрегатов.
При параллельном соединении насосов любого типа их напор сохраняется, а подача возрастает. При параллельном соединении ЦН изменяется напорная характеристика насосной установки, что приводит к изменению координат рабочей точки напорной характеристики, чем обеспечивается регулирование подачи. Ввиду нежесткой напорной характеристики ЦН подключение к одиночно работающему насосному агрегату второго однотипного агрегата увеличивается подача системы менее чем в 2 раза, а добавка подачи от включения каждого последующего ЦН будет еще ниже, чем от предыдущего. Уменьшение подачи каждого ЦН смещает рабочую точку из рабочего диапазона, что приводит к снижению КПД и энергетической эффективности системы. Поэтому в практике СВ максимальное число ЦН, включаемых в параллельную работу, ограничено и составляет не более 4-6 единиц. При этом применение разнотипных ЦН не меняет приведенную картину, а скорее, ее ухудшает. Кроме этого, ввиду ограниченного числа типоразмеров ЦН при их параллельном соединении, возможно только дискретное изменение напорной характеристики гидравлической системы, которая определяется характеристиками соединяемых ЦН, что ограничивает функциональные возможности такого способа регулирования. При регулировании подачи в СВ за счет параллельного подключения или отключения ЦН происходит скачкообразное изменение напорной характеристики, что приводит к дискретному изменению параметров гидравлической системы. Это, при отсутствии дополнительного устройства плавного пуска ЦН, приводит к гидравлическим ударам, скачкообразному изменению параметров всех находящихся в работе агрегатов и снижению их надежности и долговечности.
В [14] предложен способ (рис. 3) регулирования подачи ЦН за счет параллельного подключения к нему одного, по меньшей мере, объемного насоса (ОН). Привод подключенного ОН используют с регулированием по частоте вращения и с возможностью реверсирования направления вращения. Подключение реверсивного ОН постоянного рабочего объема с приводом, регулируемым по частоте вращения, позволяет повысить КПД насосного агрегата, надежность, точность регулирования в увеличенном диапазоне подачи, а также снизить энергетические затраты на обеспечение плавного регулирования подачи ЦН. Этот способ регулирования подачи ЦН проиллюстрирован схемой соединения гидравлических агрегатов на рис. 3, а. По данному способу регулирования параллельно с ЦН соединяется ОН постоянной подачи с реверсивным направлением потока. Привод ОН выполняется двигателем М с возможностью регулирования частоты и реверсирования направления вращения.
При параллельном соединении насосов их подачи складываются при постоянном напоре. Так как напорная характеристика ОН жесткая, то есть подача не
зависит от напора, то в каждое значение подачи ЦН будет увеличиваться на постоянную величину, равную подаче ОН. На рис. 3, б показаны напорные характеристики параллельно соединенных ЦН и ОН при их работе на общую гидравлическую сеть. На рис. 3, б обозначено: 1 - исходная напорная характеристика ЦН; 2 - характеристика сети; 3 - суммарная напорная характеристика соединенных параллельно ЦН и ОН при его подключении на увеличение подачи; 4 - суммарная напорная характеристика соединенных параллельно ЦН и ОН при его подключении на уменьшение подачи.
При работе с гидравлической сетью ЦН с исходной напорной характеристикой рабочей точкой будет А! с подачей и напором Нх. При подключении ОН в прямом направлении в сеть дополнительно подается его подача воН, и напорная характеристика ЦН смещается параллельно оси подачи на эту величину. В результате при работе с гидравлической сетью рабочей точкой становится А2 с параметрами в2 и Н2. Увеличение напора в рабочей точке будет определяться только характеристикой сети. При увеличении частоты вращения ЦН для увеличения подачи новая точка определяется не только изменением напора в сети при увеличении подачи, но и изменением параметров напорной характеристики. Так как при таком подключении происходит параллельное смещение напорной характеристики ЦН, то будет сохраняться КПД с его исходной напорной характеристикой. Подача ОН, согласно формуле (8), пропорциональна его частоте вращения. Поэтому максимальное смещение напорной характеристики ЦН равно максимально допустимой подаче ОН, при максимальной частоте вращения птах ,
вОНтах = д-птах 'Ло . (9)
При изменении частоты вращения приводного двигателя ОН обеспечивается плавное регулирование
подачи ЦН в диапазоне вцН < б < вцН + войтах с обеспечением КПД в исходной рабочей точке энергетической характеристики ЦН.
Для смещения напорной характеристики ЦН в сторону уменьшения его подачи, приводной двигатель изменяет направление вращения на противоположное, и ОН отбирает часть жидкости из сети с подачей воН . В результате, при работе ОН с гидравлической сетью, рабочей точкой становится А3 с меньшими параметрами вз и Н3. Новый способ качественного регулирования подачи ЦН позволяет изменить рабочий диапазон параметров для определенного типоразмера, с образованием рабочего поля, как это представлено на рис. 4.
Рабочий диапазон параметров ЦН при постоянной частоте вращения на напорной характеристике определяется точками Атп и Атах из условия предельного снижения КПД до значения Лтт = (°85-°9)-лтах. Рабочему диапазону каждого
типоразмера ЦН соответствуют параметры: по подаче Qminn * Q * Qmax и по напору hmm < q < hmax . При реГулировании подачи ЦН путем параллельного соединения ОН с максимальной подачей QoHmax рабочее поле образуется за счет параллельного перемещения напорной характеристики параллельно оси подач на
величину QOHmax .
В результате рабочее поле ЦН будет ограничено
рабочими точками Amin,Aminn,Aou,Amaxu,Amax,Ao .
Параметры точек образованного нового рабочего поля:
для точки Aminu - Qmnи = Qmn + QOHmax ;
Hmax ' Лтт ;
для точки АОи - Qqu = Qü + Qoh max '
H0 ; Лтах ;
для точки Amaxu - Qmaxи = Qmax + QOH max ;
H • ■ Л ■
min ' imin ■
На рис. 4, а выполнен анализ влияния изменения гидравлического сопротивления сети с характеристикой (5) при постоянном статическом напоре НГ для нового рабочего поля ЦН. На этом рисунке представлены характеристики сетей со статическим напором гидравлическим сопротивлением
Ac4 < AC3 < AC1 < AC2 .
Для характеристики сети 1, которая проходит через оптимальную рабочую точку Ао на исходной напорной характеристике ЦН, параллельное соединение ОН обеспечивает увеличение подачи в диапазоне Qo < Q < Qminи с увеличением напора в диапазоне но < н <нтахи. При этом КПД насоса будет уменьшаться в диапазоне г!тМ <^<г)о .
Для характеристики сети 2 с максимальным гидравлическим сопротивлением, которая проходит через точку АтШ рабочего диапазона исходной напорной характеристики ЦН, параллельное соединение ОН не обеспечивает допустимые параметры по уровню КПД. Поэтому такой способ регулирования при гидравлических сопротивлениях сети Ас > Ас4 не обеспечивает увеличения энергетической эффективности.
Для характеристики сети 3 с минимальным гидравлическим сопротивлением, которая проходит через точку Атах рабочего диапазона исходной напорной характеристики ЦН, параллельное соединение ОН обеспечивает увеличение подачи в диапазоне Qmax < Q < Q0и с увеличением напора в диапазоне
Нтщ < Н < Нои . При этом КПД насоса будет увеличиваться в диапазоне г)Шп <^<г/О.
а б
Рис. 3. Способ регулирования подачи ЦН: а - схема соединения гидроагрегатов; б - напорные характеристики параллельно соединенных ЦН и ОН при работе на гидравлическую сеть [14]
а б
Рис. 4. Параметры рабочего поля при параллельном соединении ЦН и ОН с регулируемой частотой: а - при изменении гидравлического сопротивления сети; б - при изменении статического напора сети
Для характеристики сети 4 с минимальным гидравлическим сопротивлением, которая не проходит через точку Атах рабочего диапазона исходной напорной характеристики ЦН, параллельное соединение ОН может обеспечить вхождение параметров сети в рабочее поле ЦН с обеспечением заданного уровня КПД. При этом, крайняя точка сети с минимальным гидравлическим сопротивлением может находиться в точке Атахи рабочего поля измененной напорной характеристики ЦН при параллельном соединении ОН с
параметрами в4тах = втахи = втах + втахОН ,
Нтт и Лтт .
На рис. 4, б выполнен анализ влияния изменения статического напора НГ сети с характеристикой (5) при постоянном гидравлическом сопротивлении А для нового рабочего поля ЦН. На этом рисунке представлены характеристики сетей с гидравлическим сопротивлением Н^3 < Нл < Н^2.
При увеличении статического напора сети Нг > НГ1 относительно характеристики сети 1, которая проходит через оптимальную рабочую точку Ао на исходной напорной характеристике ЦН, при параллельном соединении ОН происходит увеличение подачи из диапазона втп < в <вО до диапазона вит <в <втти. При этом увеличивается напор в сети из диапазона НО <Н <Нтах до величины Н = Нтах, а КПД снижается из диапазона лтт <Л<Лтах до минимального значения л = Лтт. Для обеспечения регулирования подачи по предлагаемому способу крайней точкой сети 2 с увеличенным статическим напором является точка Атт на исходной напорной характеристике ЦН.
При уменьшении статического напора сети Нг <НГ1, как показано на характеристике 3
(рис. 4, б), рабочая точка может выйти из рабочей зоны исходной напорной характеристики ЦН. Параллельное подключение ОН обеспечивает увеличение подачи в сети с диапазона втах <в <втахи до диапазонов вт1пи < в < вои либ° вои < в < втахи . При этом
напор в сети увеличивается с Н = Нтт до напора в диапазоне Нтт <Н <Нтах, а КПД повышается от
Л = Лтт до Лтт < Л < Лтах .
Как показывает анализ увеличения рабочего поля ЦН по данному способу регулирования, изменения рабочего поля позволяют расширить диапазон подачи насосного агрегата при сохранении напоров ЦН, но не обеспечивают стабилизацию значений КПД при изменениях параметров водопроводной сети, что создает резерв повышения энергоэффективности этого способа регулирования.
В настоящее время одним из основных способов регулирования рабочих параметров и характеристик насосных агрегатов в автоматизированных системах управления НС является применение преобразовате-
лей частоты тока (ПЧТ) для приводных электродвигателей. Такие системы позволяют в широких пределах изменять частоту вращения ЦН, чем обеспечивается регулирование режимов работы систем «водопроводная сеть - НС». В [10, 12, 13] установлено, что применение ПЧТ не всегда дает значительное снижение энергопотребления, что связано, прежде всего, с необходимостью увязки характеристик сетей и их изменений с напорными характеристиками насосных агрегатов. В большинстве источников при выборе параметров регулирования системы «водопроводная сеть - НС» практически не учитываются энергетические характеристики насосных агрегатов по КПД. Поэтому выбранные параметры системы при регулировании могут выйти из диапазона допустимых значений снижения КПД, а применение ПЧТ, которое требует дополнительных затрат, приведет к суммарным отрицательным результатам. В связи с этим использование регулируемых насосных агрегатов на основе ПЧТ создает только частичную возможность реализации экономически обоснованных способов изменения режимов работы. Эти обстоятельства ограничивают энергетическую эффективность регулируемого привода по диапазону изменения частоты вращения рабочего колеса ЦН. Следовательно, ограничивается и диапазон параметров рабочего поля ЦН для такого способа регулирования.
Основными параметрами, определяющими энергию, потребляемую ЦН в течение установленного срока эксплуатации, являются его подача вн , напор Нн и КПД лн, значения которых определяются характеристиками водопроводной сети, полученными для номинальной частоты вращения пн рабочего колеса. При применении регулирования за счет изменения частоты вращения подача ви, напор Ни и КПД ли насоса изменяются. Пересчет характеристик ЦН на другую частоту вращения пи, согласно классической
теории подобия лопастных гидромашин, осуществляется по формулам приведения [3, 16]:
Qu H. ^ = i и — H
Q
и = i2 .
(10)
Во многих рекомендациях по применению ПЧТ для привода ЦН рассматривается постоянная относительная энергетическая характеристика, которая принимается для номинальной частоты. Изменение частоты вращения изменяет гидродинамическое подобие потоков в ЦН, что изменяет КПД. Широкое применение регулируемого привода ЦН в современных СВ требует учета не только изменения параметров напорной характеристики, но и изменения КПД, и ка-витационного запаса, в зависимости от изменения частоты вращения рабочего колеса.
С учетом зависимости (10) мощность приводного двигателя находится в кубической зависимости от относительного изменения частоты вращения, а кави-тационный запас пропорционально изменяется от от-
н
носительного изменения частоты. Величина КПД насоса в меньшей степени зависит от относительного изменения частоты вращения, которая представляется в виде [3, 16]:
Ли =1 -
1 -Лн
(11)
где г)н, г)и - КПД насоса при номинальной и измененной частоте вращения; а = 0,2 - 0,25 - параметр изменения КПД.
Анализ зависимостей (10) и (11) позволяет сделать вывод, что максимальная частота вращения ЦН ограничивается предельным значением увеличения напора и мощности приводного двигателя, допустимым уровнем его перегрузки, а также величиной кави-тационного запаса. Минимальная частота вращения ограничивается допустимым падением значений
напора и КПД насоса т ~ т™п , а также допускаемой величиной недогрузки двигателя.
Важным элементом затрат при оценке технико-экономической эффективности систем регулируемого привода ЦН является стоимость частотных преобразователей [9]. Частотные преобразователи для асинхронных электродвигателей отечественного производства имеют удельные стоимости в диапазоне 90100 USD/кВт.
При величине параметра регулирования частоты вращения ЦН 0,9 < г < 1,1 условно принимается постоянство КПД вдоль парабол подобных режимов, т.е. Тн ъг)и. При относительно небольшой глубине регулирования г = 0,85-0,9 снижение КПД составляет всего 2-4%, но при параметре регулирования г = 0,6-0,75 снижение КПД на границе диапазона регулирования составляет до 6-8% для ЦН малой производительности и может достигать 12-15% для насосов большой производительности. Повышение частоты вращения увеличивает мощность приводного двигателя в кубической зависимости от относительного изменения частоты вращения, а кавитационный запас возрастает пропорционально от параметра относительного изменения частоты.
Случайные изменения подачи вызывают соответствующие изменения напора, КПД и кавитационной
характеристики [6]. Изменения в структуре и параметрах водопроводной сети, связанные с условиями эксплуатации, вызывают изменения статического напора и коэффициента гидравлического сопротивления. Независимо от способа регулирования, изменение напоров при обеспечении необходимой подачи приводит к изменению параметров двух других характеристик: относительной энергетической и кавитационной. Резервы повышения энергетической эффективности при регулировании заключаются в стабилизации значений КПД и кавитационного запаса. В связи с этим появляются новые технические возможности и технологические решения по снижению неравномерности режимов работы насосных агрегатов в системах водоснабжения с повышением их энергетической эффективности.
В [15] предложен (рис. 5) способ регулирования подачи ЦН, в основу которого поставлена техническая задача обеспечения максимально возможного КПД, регулируемого по частоте вращения ЦН. Поставленная техническая задача решена таким образом, что гидравлический контур для обеспечения регулирования подачи содержит параллельно соединенные: один, по меньшей мере, ОН постоянного рабочего объема с приводом, с регулированием по частоте вращения, и один ЦН с приводом, с регулированием по частоте вращения. При этом режимы регулирования частоты вращения привода ЦН применяют в соответствии с параметрами параболы подобных режимов ЦН, которая проходит через координату оптимальной рабочей точки напорной характеристики при номинальной частоте вращения и при максимальном КПД.
На рис. 5, а приведена схема подключения ЦН и ОН в гидравлический контур для обеспечения регулирования подачи, а на рис. 5, б приведено рабочее поле параметров гидравлического контура, которое обеспечивается предложенным способом регулирования. В гидравлическом контуре обозначено: гидробак - 1; ЦН - 2 с электроприводом - 9; всасывающий трубопровод - 3; напорный трубопровод в гидравлическом контуре - 4; ОН постоянного рабочего объема -5 с электроприводом - 6, с регулированием по частоте вращения и с возможностью реверсирования; всасывающий трубопровод - 7 ОН; соединительный подающий трубопровод - 8.
а б
Рис. 5. Способ регулирования подачи ЦН: а - схема соединения гидроагрегатов; б - напорные характеристики параллельно соединенных ЦН и ОН при работе на гидравлическую сеть [15]
a
Оптимальная рабочая точка А ЦН - 2 определяется параметрами напорной характеристики - 10 при номинальной частоте вращения: подача О и напор Н при максимальном КПД, в соответствии с характеристикой - 13. На рис. 5, б также приведены кривые: 14 -парабола подобных режимов центробежного насоса, которая проходит через координату оптимальной рабочей точки напорной характеристики при номинальной частоте вращения; 15 - граница рабочего поля при максимальной частоте вращения ЦН при изменении частоты вращения объемного насоса от минимальной, при уменьшении подачи, до максимальной; 16 - граница рабочего поля при минимальной частоте вращения центробежного насоса при изменении частоты вращения объемного насоса от минимальной, при уменьшении подачи, до максимальной; 17 - граница рабочего поля при минимальной частоте вращения объемного насоса, при уменьшении подачи и при изменении частоты вращения ЦН от минимальной до максимальной; 18 - граница рабочего поля при максимальной частоте вращения ОН и при изменении частоты вращения ЦН от минимальной до максимальной.
При уменьшении частоты вращения ЦН до минимального значения напорная характеристика - 10 (рис. 5, б) смещается вдоль оси подачи вниз и вдоль оси напоров влево в соответствии с параметрами параболы подобных режимов ЦН, которая проходит через координату оптимальной рабочей точки напорной характеристики при номинальной частоте вращения и при максимальном КПД лтах и занимает положение напорной характеристики - 11. При увеличении частоты вращения ЦН до максимального значения напорная характеристика - 10 смещается вдоль оси подачи вверх и вдоль оси напоров вправо в соответствии с параметрами параболы подобных режимов и занимает положение напорной характеристики - 12.
Применение нового способа регулирования подачи ЦН путем параллельного соединения регулируемого по частоте ОН позволяет существенно расширить рабочее поле ЦН при его частотном регулировании. Этим обеспечивается повышение энергетической эффективности процессов регулирования подачи в СВВ. На рис. 6 показано изменение рабочего поля ЦН при его частотном регулировании и параллельном соединении ОН с регулируемой частотой вращения. Напорная характеристика ЦН при изменении его частоты вращения при параллельном соединении ОН с регулируемой частотой вращения согласно зависимостям (2) и (9) запишется в виде
HН = iЦН • СН + 1ЦН • ВН 'Q +
о
+AHQ + QOH■OH,
(12)
пИНи
где inH =—— - коэффициент
относительного из-
пЦНн
воН = доН-поНн-ЛоОН - подача ОН при номиналь-
п0Ни
ной частоте вращения; 1оН =-
пОНн
- коэффициент
менения частоты вращения ЦН; пщи, пЦдн - измененная и номинальная частота вращения ЦН;
относительного изменения частоты вращения ОН; поНи , поНн - измененная и номинальная частота вращения ОН.
Из анализа представленных зависмостей следует, что рабочее поле ЦН с регулируемой частотой вращения, которое ограничивалось точками А25'Аб'А21'Аз1'Азб'Аз5, увеличивается за счет повышения напоров и подачи при параллельном подключении ОН. При его максимальной подаче вОН тах увеличение рабочего поля по напору ЦН ограничивается точками а25,А25и,А26и,А27и, а увеличение рабочего поля ЦН по подаче ограничивается точками
А27и ,А37и .
При таком комплексном способе регулирования образуется действительное оптимальное рабочее поле ЦН, которое ограничено точками А26,А26и,А36,А36и. В диапазоне параметров оптимального рабочего поля при частотном регулировании ЦН и ОН обеспечивается максимальный КПД насосного агрегата. При частотном регулировании ЦН оптимальные параметры ограничиваются только параметрами, расположенными на параболе подобных режимов по линии А26 ,А16 ,А36.
Следует отметить, что измененное рабочее поле ЦН, которое показано на рис. 6, построено с учетом предположения, что КПД ОН и ЦН не изменяются при изменении их частот вращения. Поэтому при выполнении инженерных расчетов границы рабочего поля необходимо строить с учетом влияния на КПД изменения частоты вращения. Регулирование ЦН по частоте вращения привода обеспечивает изменение напоров в гидравлическом контуре в диапазоне Нтп <Н <Нтах; при изменении частоты в соответствии с параметрами параболы подобных режимов, проходящей через координаты оптимальной рабочей точки при номинальной частоте вращения, и обеспечивает максимально возможный КПД параллельно соединенных ЦН и ОН. С учетом этого любая рабочая точка пересечения характеристики водопроводной сети и напорной характеристики ЦН, которая находится в контуре А36,А26,А26и,А36и, ограниченном границами регулирования по частоте вращения объемного насоса - 17, 18 - и пределами регулирования по частоте вращения центробежного насоса - 15,16 - обеспечивает максимальный КПД. При этом значения подачи гидравлического контура и напоров могут изменяться в широких пределах. Анализ напорных характеристик ОН и ЦН показывает, что энергетическую эффективность насосных агрегатов с предложенным способом регулирования можно обеспечить при регулировании напоров за счет изменения частоты вращения ЦН, а регулирование подачи - за счет регулирования частоты вращения ОН.
Рис. 6. Изменение рабочего поля ЦН при его частотном регулировании и параллельном подключении ОН с регулируемой частотой вращения: 1 - напорная характеристика ЦН при номинальной частоте вращения пщпот; 2 - напорная характеристика ЦН при максимальной частоте вращения пщтах; 3 - напорная
характеристика ЦН при минимальной частоте вращения пщт1п ; 4 - характеристика КПД ЦН; 5 - парабола
подобных режимов ЦН при минимальной подаче Qmin ; 6 - парабола подобных режимов ЦН при оптимальной подаче подаче Qo; 7 - парабола подобных режимов ЦН при максимальной подаче Qmax; 5* - парабола подобных режимов ЦН при минимальной подаче Qmin и максимальной подаче ОН; 6 - парабола подобных режимов ЦН при оптимальнрой подаче подаче Qo и максимальной подаче ОН; 7 - парабола подобных режимов ЦН при максимальной подаче Qmax и максимальной подаче
ОН.
- увеличение рабочего поля ЦН за счет
увеличения напоров при регулировании; увеличение рабочего поля ЦН за счет увеличения по-
дачи при регулировании;
- оптимальное ра-
бочее поле ЦН
Таким образом, в настоящей статье проанализированы возможности частотного регулирования ЦН, а также рассмотрены варианты параллельного соединения ОН с регулируемой частотой к ЦН. Аналитиче-
ски определена напорная характеристика ЦН при изменении его частоты вращения при параллельном соединении ОН с регулируемой частотой вращения. Определены границы измененного рабочего поля ЦН при его частотном регулировании и параллельном подключении ОН с регулируемой частотой вращения. Установлены условия образования оптимального рабочего поля, в котором обеспечивается максимальный КПД насосного агрегата.
Выводы
1. Основными потребителями энергетических ресурсов в СВ являются насосные агрегаты, так как обеспечивают подачу и транспортировку необходимого количества воды под требуемым напором в соответствии с действующими нормами и правилами. Во-допотребление в системах централизованного водоснабжения является нестационарным случайным процессом, что требует применения различных способов регулирования для обеспечения требуемых режимов работы насосных агрегатов.
2. Для наиболее современного способа качественного регулирования параметров ЦН: частотного с применением ПЧТ - установлено, что такой способ не всегда приводит к значительному снижению энергопотребления, что обусловлено сложностью увязки характеристик сетей и их изменений с напорными и энергетическими характеристиками насосных агрегатов.
3. Предложены способы повышения энергетической эффективности насосных агрегатов СВ за счет параллельного присоединения к ним бироторных насосов с изменяемой частотой вращения. Установлены зависимости напорной характеристика ЦН при изменении его частоты вращения при параллельном соединении объемного насоса с регулируемой частотой вращения
4. Определены условия обеспечения максимальной энергетической эффективности комбинированного насосного агрегата в заданном диапазоне подач и напоров за счет обеспечения максимального КПД. В комбинированном насосном агрегате показана целесообразность регулирования напоров изменением частоты вращения ЦН, а регулирование подач - за счет изменения частоты вращения объемного насоса.
Статья поступила 17.09.2015 г.
Библиографический список
1. Бойко В.С., Сотник Н.И., Сотник И.Н. Энергоэффективная насосная станция третьего подьема // Техническая термодинамика. 2005. № 3. С. 62-65.
2. Евтушенко А.А., Зинченко В.В., Сотник Н.И., Бойко В.С. Методика энергетического обследования и адаптация насосного оборудования действуюших гидравлических сетей // Вюник СумДу. 2006 г. № 5. С. 46-58.
3. Карелин В.Я. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1996. 146 с.
4. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиз-дат, 2006. 359 с.
5. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосными агрегатами в системах водоснабже-
ния при нестационарной нагрузке // Сантехника. 2006. № 4. С. 22-28.
6. Николенко И.В., Пастушенко А.В., Котовская Е.Е. Анализ влияния условий эксплуатации насосной станции на параметры насосных агрегатов // MOTROL. Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. Lublin. 2010. Vol. 12D. P. 33-44.
7. Николенко И.В., Шевцов Е.Н. Бироторные насосы для повышения энергоэффективности систем водоснабжения и водоотведения // Вюник СумДУ. 2009. № 21. С. 49-58.
8. Николенко И.В., Шевцов Е.Н. К вопросу применения биро-торных насосов в системах водоснабжения и водоотведения // Водопостачання та водовщведення. 2008. № 5. С. 23-27.
9. Хроменков С.В. Задачи развития водной отрасли для
обеспечения населения России чистой водой // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 5. С. 15-22.
10. Черносвитов М.Д. Энергетическая эффективность интегрального регулирования работы повысительных насосов // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 4. С. 96-99.
11. Шевцов Е.Н., Николенко И.В. Применение бироторных насосов в системах перекачки воды в шахтах: сб. по техн. и естеств. наукам. Одесса: Изд-во ОГПУ, 2002. С. 67-68.
12. Шмиголь В.В., Черносвитов М.Д., Атанов Н.А. Интегральное регулирование работы повысительных насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 8. С. 23-27.
13. Бойко В.С., Сотник М.1., Хованський С.О. Пщвищення енергетичноТ ефективност водопостачання локального об'е-кту // Промислова гщравлка i пневматика. 2008. № 1(19). С. 100-103.
14. Декларацшний Патент УкраТни № 45701. Споаб регулю-вання подачi вщцентрового насоса в гiдравлiчному контург
Нколенко 1.В., Карпачова К.Г., Кухтш Ю.О. Опубл. 25.11.09. Бюл. № 22.
15. Декларацшний Патент УкраТни № 91462. Cnoci6 регулю-вання подачi вщцентрового насоса в гiдравлiчному контурк Нколенко 1.В., Пастушенко А.В., Рахманова Г.1., Копачевсь-кий А.М. Опубл. 10.07.14. Бюл. № 13.
16. Hydraulics. Hydraulic machines / E. Krasowski, I. Nikolenko, A. Dashchenko, J Glinski, S. Sosnowski. Lublin: PAN OL, 2011. 355 p.
17. Noll P. Determining the real cost of powering a pump // World Pumps. 2008. Iss. 496. Р. 32-34.
18. Stryczek J. Gerotor und Orbitmaschinen Projektirungsgrund-lagen // Olhydraulik und Pneumatik. 2003. № 10. С. 26-32.
19. Wharton S.T., Martin P., Watson T.J. Pumping stations: design for improved buildability and maintenance. London: Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report № l82, 1998. 99 p.
УДК 628.218
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАНИРОВКИ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ
© В.Р. Чупин1, И.В. Майзель2, Н.Б. Беликова3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается методика оптимизации вертикальной планировки системы ливневой канализации. В качестве критерия оптимизации приняты затраты жизненного цикла системы водоотведения. Методика оптимизации основана на многошаговом процессе наращивания условно-оптимальных решений по схеме динамического программирования. В качестве оптимизируемых параметров приняты уклоны самотечных коллекторов, напоры насосных станций и перепадных сооружений. Проведенные вычислительные эксперименты показали, что оптимизация систем водоотведения по критерию затрат жизненного цикла позволяет найти вариант с наименьшими эксплуатационными затратами, включая затраты электроэнергии.
Ключевые слова: вертикальная планировка системы ливневой канализации; метод многошаговой оптимизации; затраты жизненного цикла системы водоотведения.
STORM DRAINAGE LEVELING OPTIMIZATION V.R. Chupin, I.V. Meisel, N.B. Belikova
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper proposes an optimization procedure of storm water drainage system leveling. The life-cycle costs of a wastewater disposal system are taken as optimization criteria. The optimization procedure is based on a multi-step incrementation of conditionally optimal solutions by the dynamic programming scheme. The parameters to be optimized are the slopes of gravity sewers, heads of pumping stations and drop structures. Conducted computing experiments have shown that wastewater disposal system optimization by the life-cycle cost criterion allows to find the option with the lowest operating costs including the costs of electrical power.
Keywords: storm water drainage system leveling; multi-step optimization method; life-cycle costs of the wastewater disposal system.
1 Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой городского строительства и хозяйства, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 405145, e-mail: [email protected]
Chupin Viktor, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Urban Construction and Economy, Director of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: [email protected]
2Майзель Ирина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405267, e-mail: [email protected]
Maizel Irina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Urban Construction and Economy, tel.: (3952) 405267, e-mail: [email protected]
3Беликова Надежда Борисовна, магистрант Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 40 5145, e-mail: [email protected]
Belikova Nadezhda, Master's degree student of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, e-mail: [email protected]
