CC BY
122
ФИЗИКА, ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРЕПОДАВАНИЕ
Ветлицын Ю.А., Ветлицын А.М.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ
Введение
Канализационные насосные станции относятся к объектам коммунального хозяйства, имеющим важное санитарно-эпидемиологическое и экологическое значение в жизнедеятельности любого города. В силу специфики технологического процесса на таких объектах происходит ускоренный износ оборудования и затрачивается большое количество энергоресурсов. В свете политики президента и правительства РФ, и в рамках фонда реформирования жилищно-коммунального хозяйства, в настоящее время проходит модернизация оборудования различных объёктов городского хозяйства.
Оценка состояния и эффективности существующего и нового оборудования позволяет определить направления дальнейшей модернизации, прогнозировать срок службы и износ оборудования, оценить экономическую эффективность вложения средств. Поэтому исследование состояния и эффективности оборудования является актуальной задачей.
Материалы для данной статьи получены в результате исследований, проводимых в водопроводно-канализационном хозяйстве городского округа-города Волжский в 2006-2009 гг. Кроме того, использованы материалы научных исследований социалистического времени и литературные источники.
Объекты и методы исследований
Канализационные станции №8 и №9 города Волжский относятся к насосным станциям, обеспечивающим перекачку собранных в городе стоков на очистные сооружения и имеют сопоставимые объёмы стоков и потребления электроэнергии (табл. 1).
Таблица 1. Технологические и энергетические параметры исследуемых станций за 2006 г.
Месяц КНС №8 КНС №9
Стоки, тыс. м3 Энергия, МВт-час Среднесуточные стоки, тыс. м3 Стоки, тыс. м3 Энергия, МВт-час Среднесуточные стоки, тыс. м3
Январь 1348,5 201,6 43,5 1582,4 262,3 51,0
Февраль 1363,8 233,3 48,7 1595,5 223,9 57,0
Март 1306,4 239,8 42,1 1964,5 242,4 51,5
Апрель 1146,3 172,3 38,2 1638,4 224,4 54,6
Май 1274,0 205,6 41,1 1682,9 228,7 54,3
Июнь 1178,3 187,8 39,3 1592,7 202,0 53,1
Июль 1230,4 188,4 39,7 1627,5 231,8 52,5
Август 1174,1 182,6 37,9 1776,4 233,5 57,3
Сентябрь 1016,8 173,7 33,9 1730,1 229,7 57,7
Октябрь 1183,4 211,4 38,2 1658,3 232,3 53,5
Ноябрь 1183,4 192,4 39,4 1658,3 228,1 55,3
Декабрь 1269,3 217,4 40,9 1656,2 247,0 53,4
Структурный состав основного технологического оборудования насосных станций №28 и №9 представлен в таблице 2. На исследуемых объектах имеются как идентичные агрегаты, так и насосы с различными паспортными данными.
Таблица 2. Состав насосного оборудования исследуемых станций до модернизации.
КНС №8 КНС №9
Тип насоса Пода- ча, м3/час Напор, м Мощность электро- двигателя, кВт Тип насоса Подача, м3/час Напор, м Мощность электро- двигателя, кВт
16Ф-9 2400 75 800 16ФВ- 18 2700 28 400
16Ф-9 2400 75 800 16ФВ- 18 2700 28 400
16Ф-76 2390 50 630 16ФВ- 18 2700 28 400
8НФ 720 25 160 8НФ 720 25 160
8НФ 720 25 160 8НФ 720 25 160
8НФ 720 25 160 10Ф-12 1060 25 200
8НФ 505 27 100
Среднечасовой объём перекачиваемых стоков КНС-8 варьируется от 800 м3/час (в ночное время) до 3000 м3/час (в пиковые часы). Рабочий объём приёмного резервуара около 600 м3, что позволяет делать перерывы в работе насосного оборудования только в ночное время.
Насосный агрегат 16Ф-9 последние годы практически не использовался, так как он обеспечивает расход от 3000 до 4400 м3/час с напором 70 - 35 м соответственно, что является избыточным даже в пиковые часы.
При пропорционально-ступенчатом регулировании в работе могут находиться:
- один малый агрегат с производительностью 1100^1200 м3/час;
- два малых насоса с суммарной производительностью 1500^1700 м3/час;
- три малых насоса с суммарной производительностью 1800^2000 м3/час;
- четыре малых насоса с суммарной производительностью 2100^2300 м3/час.
Для обеспечения суточного объёма перекачиваемых стоков около 4-104 м3 должны, например, работать два малых насоса в течение 24 часов, что соответствует среднемесячному потреблению электроэнергии 180^200 тыс. кВт-час. Неравномерность объёма перекачиваемых стоков в течение суток приводит к увеличению расхода электроэнергии, например, обеспечение суточного объёма стоков следующей периодичностью работы насосов: четыре часа 4 насоса + шесть часов 3 насоса + шесть часов 2 насоса + восемь часов 1 насос, даст месячное потребление электроэнергии 220^240 тыс. кВт-час.
Среднечасовой объём перекачиваемых стоков КНС-9 варьируется от 1200 м3/час (в ночное время) до 4000 м3/час (в пиковые часы). Рабочий объём приёмного резервуара около 1000 м3, при таком технологическом режиме оборудование насосной станции работает непрерывно.
При пропорционально-ступенчатом регулировании в течение суток в работе могут находиться:
- один малый агрегат с производительностью 900^1100 м3/час около 4 часов в ночное
время;
- два малых насоса с суммарной производительностью 1400^1700 м3/час до 14 часов и большой насос с производительностью 2400 м3/час около 16 часов;
- один большой насос с производительностью 2400^2700 м3/час около 11 часов и два больших насоса с производительностью 4000 м3/час около 6 часов.
Такие технологические режимы обеспечивают суточный объём перекачиваемых стоков около 55 тыс. м3, и соответствуют среднемесячному потреблению электроэнергии 220^240 тыс. кВт-час.
Из анализа описанных технологических режимов, установившихся за длительный период эксплуатации насосных станции, видно, что использование других сочетаний насосного оборудования для обеспечения фактического объёма стоков приведёт к увеличению потребления электрической энергии. В то же время, на КНС №9 объём перекачиваемых стоков на 40% больше, а потребление электроэнергии всего на 5 - 20% больше, чем на КНС №8. Это является следствием значительно лучшего соответствия между параметрами насосных агрегатов, гидравлическим сопротивлением системы коллекторов и объёмом перекачиваемых стоков.
Выбор насосного оборудования для модернизации станций
Канализационные насосные станции, обычно, относятся к стандартной, представленной на рисунке 1 системе, состоящей из двух резервуаров, трубопроводной сети и насоса. В принятых на рисунке обозначениях:
Р2 и р2 - давления на свободные поверхности жидкости в резервуарах №1 и №2;
^2 и С2 - скорости жидкости на свободных поверхностях;
1 и - отметки высот свободных поверхностей;
Кх и Д^2 - сопротивления всасывающего и нагнетательного трубопроводов.
Рис. 1. Схема системы канализационной насосной станции. Обозначим удельную энергию жидкости в контрольном сечении: у нагнетательного патрубка насоса
ЕН =—+г2+^ + К2
у всасывающего патрубка насоса
Е - — +1 + -1— + h
-С-В - + ¿1 + >
Р 2я
где р - плотность жидкости. Следовательно, напор, потребляемый сетью:
Нс = + &2 - 2,) + 4^- + (К, + )
Р 2я
Для рассматриваемых насосных станций характерны резервуары, находящиеся под атмосферным давлением, поэтому р2 - р1 = 0 . Объём и площадь поверхности резервуаров достаточно велики для заданных подач насоса, следовательно, с2 - с12 и 0 . Длина всасывающего трубопровода очень мала, что позволяет принять hw1 = 0.
Считая известным диапазон объёмов перекачиваемых стоков, и учитывая связь гидравлического сопротивления системы с квадратом скорости жидкости, считаем напор, потребляемый сетью: Нс = '/ + Ю1. где / = /-,-/, - высота подъёма жидкости, с - коэффициент гидравлического сопротивления системы, Q - заданные значения объёма перекачиваемой жидкости.
Характеристики нагнетательных трубопроводов для КНС № 8 и КНС № 9 показаны на рис. 2.
О 1000 2000 3000 4000
Объём перекачиваемых стоков, м3/час
Характеристика сети КНС №8
Характеристика сети КНС №9
Рис. 2. Характеристики нагнетательных трубопроводов.
При выборе насоса необходимо, чтобы подача и напор, развиваемые агрегатом, соответствовали характеристике сети. При этом выбранный насос или вся станция в целом должны обеспечивать перекачку стоков в заданном диапазоне.
На насосной станции КНС № 8 установили насосный агрегат FLYGT С3400/835 с асинхронным короткозамкнутым двигателем мощностью 250 кВт. С учётом характеристики системы максимальная рабочая точка насоса соответствует параметрам: подача Q = 2550 м3/час, напор Н = 33 м, потребляемая мощность Р = 200 кВт.
На насосной станции КНС № 9 установили насосный агрегат FLYGT С3400/865 с асинхронным короткозамкнутым двигателем мощностью 315 кВт. С учётом характеристики системы максимальная рабочая точка насоса соответствует параметрам: подача Q = 2700 м3/час, напор Н = 35 м, потребляемая мощность Р = 280 кВт.
Для обеспечения возможности плавного и экономичного регулирования режима перекачки стоков агрегаты оснащены преобразователями частоты переменного тока. Полученная на КНС № 8 система перекрывает 85% всех вариантов перекачки стоков, сложившихся в последние годы. Для КНС №9 такая система позволяет обеспечить 70% наблюдавшихся вариантов.
Результаты исследований работы насосных агрегатов при изменении частоты переменного тока
Установка регулируемого по частоте вращения насосного агрегата на КНС № 8 позволила плавно регулировать объём перекачиваемых стоков от 0 до 2550 м3/час, при работе на два коллектора. Полученная на агрегате зависимость необходимой электрической мощности от объёма перекачиваемых стоков при регулировании частоты вращения представлена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость мощности от расхода жидкости.
Применение насосного агрегата FLYGT С3400 могло обеспечить снижение расхода электроэнергии даже при периодическом регулировании, со стандартной частотой переменного тока 50 Гц. Так как подача 2550 м3/час при потреблении 200 кВт^час электроэнергии имеет меньшую удельную норму 0,0784 кВт/м3, чем 1700 м3/час при 270 кВт^час у двух малых насосов с удельной нормой 0,159 кВт/м3. Недостатком такого способа регулирования становится переизбыток производительности насоса в основное время работы, что вызовет необходимость периодического отключения агрегата, а малый объём приёмного резервуара обеспечит очень малое время паузы, что неблагоприятно скажется на количестве пусков электродвигателя.
На насосной станции КНС № 8 применили систему непрерывного регулирования расхода (частоты вращения) от уровня жидкости в приёмном резервуаре, что позволяет изменять объём перекачиваемых стоков практически без пусков - остановов электродвигателя. На рис. 4 представлена зависимость расхода жидкости от частоты переменного тока, выдаваемого преобразователем.
Применение непрерывной регулировки частоты переменного тока не является оптимальным с точки зрения минимума затрат электрической энергии, так как в течение относительно небольших интервалов времени происходит частое изменение частоты тока (рис. 5). Это создаёт дополнительные переходные процессы разгона- торможения, а, следовательно, дополнительные затраты энергии. Также наблюдаются интервалы работы при частоте тока, соответствующей практически нулевым расходам жидкости, что нецелесообразно в принципе.
Следует работать на заданной базовой частоте переменного тока, соответствующей среднечасовому расходу. Переход на номинальную частоту тока производить при уровне в резервуаре выше заданного значения hmax, и переход на частоту, соответствующую минимальному среднечасовому расходу, производить при уровне в резервуаре ниже значения hmin .
20 30 40 50
частота переменного тока, Гц
Рис. 4. Зависимость расхода жидкости от частоты переменного тока.
Для КНС № 8 базовой может быть выбрана частота переменного тока 40 Г ц, соответствующая производительности 1700 м3/час и необходимой электрической мощности 107 кВт. В этих условиях удельная норма потребления электроэнергии насосным агрегатом стремилась бы к 0,063 кВт/м3. Это означает, что дополнительная экономия электроэнергии составит около 15%.
•частота переменного тока
О 50 100
Время наблюдения, мин
Рис. 5. Пример графика изменения частоты тока в течение 120 минут.
С учётом изложенных рекомендаций на КНС № 9 применена трёхступенчатая система регулирования частоты переменного тока. В качестве базовой для 75% рабочего объёма резервуара выбрана частота переменного тока 45 Гц. Это позволяет иметь в основное время работы следующие характеристики: подачу Q = 2150^2230 м3/час, потребление электрической энергии W = 200 кВт^час, что соответствует удельному потреблению энергии 0,091 кВт/м3, при работе насосного агрегата 16ФВ-18 удельное потребление составляло 0,126 кВт/м3. В настоящее время исследования на КНС № 9 продолжаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Насосное оборудование тепловых электростанций. - М: Энергия, 1975. - 328 с.
2. Васильев П.Д., Ветлицын Ю.А. О результатах внедрения частотно-регулируемого привода водопроводной насосной станции III подъёма города Волжского Волгоградской области // Труды VIII международного симпозиума «Энергоэффективность и энергосбережение».- Казань, 2007.- Ч. 1.- С. 348-353.
3. Ветлицын Ю.А., Ветлицын А.М. О минимуме затрат энергии для работы центробежных насосов // Вестник Псковского государственного педагогического университета. Серия «Естественные и физико-математические науки». - Вып. 6. - Псков: ПГПУ, 2008. - С. 135-145.
4. Васильев П.Д., Ветлицын Ю.А. Опыт внедрения системы регулирования электропривода насосной станции города Волжский Волгоградской области // Сборник докладов VII Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение».- Казань, 2006.- С. 335-341.
5. Васильев П.Д. Ветлицын Ю.А. Проблемы внедрения преобразователей частоты для электропривода насосов в жилищно-коммунальном хозяйстве на примере МУП «Водоканал» // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов». - Волжский, 2006. - С.108-113.
6. Повышение эффективности использования электрической энергии в системе водоотведения города Волжского Волгоградской области: Отчёт ПО «Росводоканал».- Волгоград, 1989.
7. Повышение эффективности использования электрической энергии в системе водоснабжения и водоотведения ПУВКХ города Волжского Волгоградской области: Отчёт специализированного треста «Росводоканалналадка».- Волгоград, 1984.
8. Кудрявцев А.В., Ладыгин А.Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе / Сборник МЭИ. - М.: МЭИ, 1998. - 27 с.
9. Абрамов Б.И., Иванов Г.М. Опыт АООТ «Электропривод» по применению частотно-регулируемых электроприводов / Сборник МЭИ. - М.: МЭИ, 1998.- 8 с.
Vetlitsyn Yu., Vetlitsyn A. TECHNOLOGY AND ENERGY EFFICIENCY OF DRAINAGE SYSTEM PUMPING STATIONS MODERNIZATION
Research of conditions and efficiency of existing and new equipment for pumping over of flows to sewerage systems allows to define the ways of modernization to calculate the term of service and wear and tear of equipment and to evaluate economic efficiency of investments.
