CC BY
39
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №5, Том 10 / 2018, No 5, Vol 10 https://esj.today/issue-5-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/90SAVN518.pdf Статья поступила в редакцию 22.10.2018; опубликована 11.12.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Барбул М.Л., Староверов С.В. Способ управления многонасосными станциями с учетом текущего водопотребления // Вестник Евразийской науки, 2018 №5, https://esj.today/PDF/90SAVN518.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Barbul M.L., Staroverov S.V. (2018). Method for controlling multi-pump stations considering current water consumption. The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(10). Available at: https://esj.today/PDF/90SAVN518.pdf (in Russian)
УДК 628.1 ГРНТИ 70.85.37
Барбул Михаил Леонидович
ООО «Инженерно-проектная компания «Индустрия», Мытищи, Россия
Инженер E-mail: barbul@bk.ru
Староверов Сергей Владимирович
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», Белгород, Россия
Преподаватель Кандидат технических наук, доцент E-mail: polimark@rambler.ru
Способ управления многонасосными станциями с учетом текущего водопотребления
Аннотация. В данной статье рассматривается новый способ управления многонасосными станциями, основанный на применении дополнительного внешнего фактора - текущего водопотребления. Автором показан механизм определения КПД насосного агрегата для конкретной рабочей точки спрогнозированного водопотребления. Рассматриваются различные комбинации работы насосной установки с целью определения максимального значения КПД, а значит и наиболее экономичного режима работы насосной установки. Графически представлена зависимость КПД от водопотребления в конкретное время при разных режимах работы насосов. В таблицу сведены численные значения недельного энерго- и водопотребления для существующего и предлагаемого способа управления, которые доказывают энергоэффективность последнего. Разработанный способ управления насосными агрегатами позволяет без изменения существующей гидравлической схемы и схемы управления многонасосной установки повысить КПД всей насосной установки в целом. Статья является частью диссертационного исследования.
Ключевые слова: многонасосная станция; насосный агрегат; электродвигатель; водопотребление; энергопотребление; энергоэффективность; алгоритм управления
Большинство современных станций управления насосными агрегатами имеют следующий алгоритм работы: с помощью частотного электропривода регулируется частота
вращения вала электродвигателя насоса, поддерживая необходимое давление на выходе насосной установки.
Современные алгоритмы управления многонасосными станциями имеют ряд недостатков, подробно о которых написано в работе [3]. Режимы работы современных многонасосных станций управления в большей степени зависят от квалификации обслуживающего персонала, а также не являются адаптивными и не могут автоматически перестраиваться под воздействием внешних факторов.
В связи с этим предлагается усовершенствованный способ управления многонасосными станциями, который заранее перестраивает работу многонасосной станции с учетом спрогнозированного водопотребления.
Главное назначение насосной станции - подача необходимого количества воды с заданным напором потребителю [7].
Пример многонасосной станции показан на рис. 1.
1 - насосные агрегаты (НА1, НА2 и НА3); 2 - обратный клапан; 3 - запорные устройства (задвижки) на входе насосного агрегата; 4 - запорные устройства (задвижки) на выходе насосного агрегата; 5 - датчик давления на входе насосной станции; 6 - датчик давления на выходе насосной станции; 7 - расходомер; 8 - станция управления; 9 - электросчетчик
Рисунок 1. Схема многонасосной станции (разработано автором)
Данная многонасосная станция представляет собой систему из трех параллельных участков с расположенными на них насосными агрегатами (поз. 1). Насосный агрегат включает в себя: насос, электродвигатель и преобразователь частоты (при наличии). Насосные агрегаты подают воду из подающего коллектора (в нашем случае ввод водопровода) в напорный (в нашем случае к потребителю). После каждого насосного агрегата установлены обратные клапаны (поз. 2), препятствующие перетеканию жидкости из напорного коллектора в подающий. Для защиты насосных агрегатов от отсутствия воды в системе на подающем коллекторе установлен датчик давления (поз. 5). Контроль давления на выходе насосной станции производится с помощью датчика давления, установленного на напорном коллекторе (поз. 6). Питание станции управления (поз. 8) осуществляется от щита питания, в котором установлен электросчетчик (поз. 9).
В работе [2] описывается способ прогнозирования водопотребления, основанный на применении авторегрессионного метода прогнозирования. Данный метод основан на предположении, что значение прогнозируемого процесса линейно зависит от некоторого количества предыдущих значений того же процесса.
Далее, зная текущее водопотребление, рассчитывается необходимая частота вращения вала насосного агрегата.
Частота вращения насосного агрегата в зависимости от текущего водопотребления при наличии противодавления определяется по следующей формуле [7]:
НП
n = n „ —— +
ном ^ I Т-Г
Н
\ НПЛ
н
ф V н ф
/ \2 V Qs J
(1)
где Hп - статическая составляющая напора или противодавление, обусловленное работой других насосных агрегатов, м;
Нф - напор, создаваемый при нулевой подаче (фиктивный напор), м;
n - частота вращения насосного агрегата, об/мин;
Пном - номинальная частота вращения насосного агрегата, об/мин;
Qs - наибольшая для данной системы подача насоса, м3;
Q - необходимая подача насоса, определяемая на основе спрогнозированного водопотребления и количества насосных агрегатов, находящихся в работе, м3 [2].
Более подробно алгоритм определения рабочей точки насосного агрегата при наличии противодавления см. в работе [1].
Для каждой рабочей точки спрогнозированного водопотребления через равные промежутки времени (например, каждый час) определяется КПД насосного агрегата [6]:
лил = л нас ' л дв ' лпч , (2)
где лило - КПД насоса;
лдв - КПД электродвигателя;
л—ч - КПД преобразователя частоты.
КПД насоса Лилс определяется по формуле Муди, преобразованной для насоса [9]: Страница 3 из 8
Вестник Евразийской науки 2018, №5, Том 10 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2018, No 5, Vol 10 https://esi.today
n = 1 — 1 УНОМ
4h 1 s чо,зб
n
\ n ,
\ ном у
(3)
где Л ном - КПД насоса при номинальной частоте вращения;
n - текущая частота вращения насоса, об/мин;
n ном - номинальная частота вращения насоса, об/мин.
Вначале для интересующей рабочей характеристики определяется КПД насоса в точке, в которой произведение расхода и напора максимально. КПД насоса для данной точки определяется по формуле (3), при этом номинальное значение КПД берется равным максимальному КПД насосного агрегата при номинальной частоте вращения. Для остальных точек искомой рабочей характеристики КПД насоса определяется аналогично (значение КПД при номинальной частоте вращения берется пропорционально произведению расхода и напора искомой рабочей характеристики относительно рабочей характеристике при номинальной частоте вращения).
КПД электродвигателя Лдв определяется на основе методических указаний [8] п.4. При этом подводимое напряжение к статору двигателя определяется по закону управления
U
— = const
двигателем 1 [5]. Например, для скалярного управление двигателем, когда f ,
получаем:
и,, , „ ил
-2
и ■ fi и =-2 • у;2
J н или J н и т. д.,
где и1 - подводимое напряжение к статору двигателя, В;
ин - номинальное фазное напряжение двигателя, В;
/н - номинальная частота напряжения двигателя, Гц;
/1 - текущая частота напряжения двигателя, Гц.
КПД современного частотного преобразователя Лпч не зависит от частоты вращения, определяется в основном только частотой ШИМ и нагрузкой на валу электродвигателя, и почти не меняется, поэтому в дальнейших расчетах не учитывается.
Определив перечисленные выше параметры, по формуле (2) определяется КПД насосного агрегата (насосной станции). При этом КПД насосного агрегата определяется для различных комбинаций работы насосной установки:
• работает только один насосный агрегат, поддерживая необходимое давление в заданной точке;
1 ГОСТ Р МЭК 60034-2-1-2009. Машины электрические вращающиеся. Часть 2-1. Стандартные методы определения потерь и коэффициента полезного действия по испытаниям (за исключением машин для подвижного состава). Введ. 2011-01-01. - М.: Стандартинформ, 2011. - 58 с.
Страница 4 из 8
90БЛУК518
• работают два насосных агрегата на одной частоте вращения, поддерживая необходимое давление в заданной точке;
• работают два насосных агрегата, при этом один насосный агрегат работает на фиксированной частоте вращения, второй насосный агрегат - на изменяемой частоте вращения, поддерживая необходимое давление в заданной точке.
Далее выбирается режим работы станции управления с максимальным КПД. На рис. 2 и 3 показаны графики работы насосной станции с учетом разработанного способа управления.
Q - график водопотребления одного из жилых домов; - КПД одного насосного агрегата; Лг - КПД двух параллельно работающих насосов при одинаковой частоте вращения
Рисунок 2. График водопотребления и КПД насосной установки (разработано автором)
На рисунке 2 показан график водопотребления (график Q) одного из жилых домов. В отличие от существующих методов управления, когда для данной гидравлической системы в промежуток времени с 21 до 24 часов будет работать только один насосный агрегат, то по новому алгоритму управления в данный промежуток времени в работе будут находиться два насосных агрегата, работающие на одинаковой частоте вращения, поскольку КПД двух параллельно работающих насосов (график П2) в промежуток времени с 21 до 24 больше, чем КПД одного насосного агрегата (график П1).
На рисунке 3 показан аналогичный график водопотребления (график Q) одного микрорайона. Насосная станция данной гидравлической сети имеет такие параметры, которые в промежуток времени с 20 ч до 24 ч требуют подключения дополнительного насосного агрегата. Как видно КПД двух насосных агрегатов, работающих в параллель на одинаковой частоте вращения (график П2), меньше КПД одного насосного агрегата (график П1), поэтому совместное время работы двух насосных агрегатов необходимо свести к минимуму. В отличие от существующего метода, отключение дополнительного насосного агрегата по разработанному алгоритму работы произойдет в районе 23 ч 45 мин, поскольку система управления «знает», что далее планируется снижение водопотребления и дальнейшая совместная работа двух насосных агрегатов не требуется. По существующему алгоритму работы, совместная работа насосных агрегатов продолжится, пока частота вращения насосных агрегатов (график П2) не снизится меньше частоты отключения дополнительного насосного агрегата. Для данного примера частота отключения дополнительного насосного агрегата должна быть не менее 35 Гц, иначе дополнительный насосный агрегат никогда не отключится.
90SAVN518
Q - график водопотребления одного из микрорайонов; Л1 - КПД одного насосного агрегата; Лг - КПД двух
параллельно работающих насосов при одинаковой частоте вращения; п 2 - частота вращения двух насосных агрегатов, работающих в параллель на одинаковой частоте вращения
Рисунок 3. График водопотребления и КПД насосной установки (разработано автором)
В таблице 1 показано недельное энергопотребление насосной установки при двух вариантах работы.
Таблица 1
Недельное энергопотребление насосной установки при двух вариантах работы
Способ управления Энергопотребление, кВт^ч Водопотребление, м3 Относительное потребление, кВт ч/м3
Существующий 173,214 1886.9 0,09179
Разработанный 162.026 1957.3 0.08278
Разработано автором
Новый способ управления многонасосной станции без каких-либо дополнительных затрат позволил снизить относительное энергопотребление на 7 %.
На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Существующие методы управления насосными станциями основываются только на частоте вращения насосного агрегата и в своем алгоритме работы не учитывают один из важных факторов работы насосной установки - будущее водопотребление.
2. Для конкретной рабочей точки спрогнозированного водопотребления показан механизм определения КПД насосного агрегата при различных вариантах работы насосной установки.
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Предлагается адаптивный способ управления многонасосными станциями, который в режиме реального времени может заранее перестраивать работу многонасосной установки (с учетом спрогнозированного водопотребления) на режим работы с более высоким КПД.
Барбул М.Л., Котов Ю.Т. «Определение рабочей точки насосного агрегата при наличии противодавления» // Научный журнал "Естественные и технические науки", 2016, №10. с. 152-159.
Барбул М.Л., Староверов С.В. «Прогнозирование водопотребления населением на основе авторегрессионной модели» // Журнал «Энергобезопасность и энергосбережение», 2018, №6. с. 40-43.
Барбул М.Л., Староверов С.В., Феоктистов А.Ю. «Современные алгоритмы управления многонасосными станциями» // Научно-технический журнал «Энергосбережение и водоподготовка», 2018, №5. с. 9-15.
Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. - СПб.: БХВ -Петербург, 2012. - 592 с.
Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.
Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. - М.: Машиностроение, 2013. - 176 с., ил.
Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с. ил.
Соловьев В.А. «Расчет характеристик трехфазного асинхронного двигателя: методические указания к самостоятельной работе студентов по дисциплинам «Электротехника и электроника», «Основы электропривода» / В.А. Соловьев. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 44 с.: ил.
Товстолес Фл.П. Гидравлика и насосы. Часть III. Насосы // М.: ГОНТИЛ, 1938.
ЛИТЕРАТУРА
Barbul Mikhail Leonidovich
Engineering and design company «Industriya», Mytishchi, Russia
E-mail: barbul@bk.ru
Staroverov Sergey Vladimirovich
Belgorod state technological university named after V.G. Shukhov, Belgorod, Russia
E-mail: polimark@rambler.ru
Method for controlling multi-pump stations considering current water consumption
Abstract. This article proposes a new method for controlling multi-pump stations, based on the use of an additional external factor - current water consumption. The author shows the mechanism for determining the efficiency of a pumping unit for a specific working point of the predicted water consumption. Various combinations of the operation of the pumping installation are considered with the aim of determining the maximum value of the efficiency, and therefore the most economical mode of operation of the pumping unit. Graphically depicts the dependence of efficiency on water consumption at a particular time for different operating modes of pumps. The table summarizes the numerical values of the weekly energy and water consumption for the existing and proposed control method, which prove the energy efficiency of the latter. The developed way of controlling the pump units allows, without changing the existing hydraulic circuit and the control circuit of the multi-pump system, to increase the efficiency of the entire pumping plant as a whole.
Keywords: multi-pump stations; pumping unit; electric motor; water consumption; power usage; energy efficiency; control algorithm
