Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения

Николаев Валентин Георгиевич

Москва 2010

Работа выполнена на кафедрах «Гидравлика» и «Коммунальное и промышленное водопользование» Московской Государственной Академии коммунального хозяйства и строительства

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Лезнов Борис Семенович

доктор технических наук, профессор Щербаков Владимир Иванович

доктор технических наук Крылов Юрий Алексеевич

Ведущая организация: ООО «Институт «Гипрокоммунводоканал», г. Москва

Защита состоится «09» июня 2010 г. в 11-00 на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д.303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: 119048, Москва, Г-48, Комсомольский проспект, 42, стр. 2..

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просьба направлять по адресу: 119048, Москва, Г-48, Комсомольский проспект, 42, стр. 2, диссертационный совет Д 303.004.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО».

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук Ю.В.Кедров

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Рост потребления электроэнергии в нашей стране за последнее десятилетие значительно превышал темпы ввода в эксплуатацию генерирующих мощностей, что привело к образованию дефицита резерва свободной мощности в большинстве регионов России. Проблема дефицита мощности может решаться двумя путями: либо наращиванием темпов строительства и ввода генерирующих мощностей, либо путем рачительного расхода производимой энергии и внедрением новейших энергосберегающих технологий. Необходимо учитывать, что затраты на создание 1 кВт генерирующей мощности составляют от 1500 до 2000$ США, тогда как затраты на внедрение современных энергосберегающих технологий соответственно равны от 100 до 250$. Кроме того, сроки строительства и ввода в действие тепловых, атомных и гидроэлектростанций составляют от 5 до 10 лет и требуют значительных инвестиций, тогда как результаты экономии энергии при внедрении энергосберегающих технологий могут быть получены в ближайшие один-два года.

Поэтому снижение потребления энергии в нашей стране в настоящее время представляет важнейшую народно-хозяйственную проблему, основные направления решения которой сформулированы в Федеральном законе «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» №261-ФЗ от 23.11.09 г. Одним из крупнейших потребителей электроэнергии в стране (более 20%) являются лопастные насосные агрегаты, большая часть которых используется в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве.

Одним из наиболее эффективных способов экономии энергии в насосных установках, работающих с переменной нагрузкой, является применение регулируемого электропривода (РЭП). Приведенный в работе анализ результатов применения РЭП показал, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других - она незначительна, в-третьих, установка привода не обеспечивает получение её экономии. Исследование методов и форм применения регулируемого привода свидетельствует о том, что на практике чаще всего используются технически наиболее простые, а экономически наименее эффективные способы управления насосными установками, такие, как стабилизация давления на выходе из насоса. Степень использования потенциала энергосбережения, при этом, составляет не более 15-30%, что приводит к тому, что большая часть потенциала, даже после установки регулируемого привода остается невостребованной. Одной из основных причин такого положения является недостаточная изученность влияния РЭП на работу систем водоснабжения и водоотведения.

В диссертационной работе проблема внедрения современных энергосберегающих технологий на основе использования регулируемого привода в системах ВиВ решается путем создания математической модели виртуального насоса и математического моделирования гидродинамических систем «приемный резервуар - насосная установка - трубопроводная система». Для минимизации затрат энергии при работе насосных установок решен целый ряд оптимизационных задач с разработкой принципиально новых методов определения оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. С целью оптимального распределения нагрузки между параллельно подключенными агрегатами с различными характеристиками использовались оптимизационные методы неопределенных множителей Лагранжа и проекций градиента.

Диссертационная работа выполнена на опытно-промышленных установках и промышленных объектах, а также на кафедрах «Гидравлика» и «Коммунальное и промышленное водопользование» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (МГАКХиС).

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось развитие научных основ энергосбережения при работе насосных установок систем водоснабжения и водоотведения на базе их математического моделирования с использованием современных информационных технологий и оптимизационных методов.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

1. Обосновать выбор объективного критерия для оценки энергоэффективности работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения (ВиВ) и составить рекомендации для определения имеющегося потенциала энергосбережения.

2. Выполнить анализ фактических режимов работы насосных установок систем ВиВ и обобщить имеющуюся информацию об эффективности различных способов управления.

3. Исследовать влияния нарушений условий гидродинамического подобия гидромашин на КПД лопастного насоса и пересчет его характеристик. Данные нарушения возникают в результате изменения частоты вращения рабочего колеса при поддержании минимально-допустимых напоров в диктующей точке водопроводной сети (при наличии статической составляющей поддерживаемого напора).

4. Разработать математическую модель функционирования виртуального и реального насосного агрегата при оснащении их регулируемым приводом и без его использования.

5. Оценить влияние выбора способа управления насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров.

6. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления насосной установкой с одним насосным агрегатом с учетом возможности применения регулируемого привода.

7. Исследовать особенности работы насосных агрегатов с регулируемым приводом в составе группы при их параллельном подключении.

8. Решить оптимизационную задачу минимизации затрат энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики с оптимальным распределением нагрузки между ними.

9. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельного подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом и без его использования при переменной нагрузке.

10. Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными установками в системах водоснабжения и водоотведения.

Научная новизна.

1. Впервые установлено, что базовым (эталонным) значением максимальной энергоэффективности, необходимым для определения потенциала энергосбережения насосных установок систем ВиВ, является теоретический минимум целевой функции минимизации затрат энергии, который может быть достигнут в том случае, если напор в диктующей точке водопроводной системы или на выходе из насосной установки (для систем водоотведения) на всем диапазоне изменения подачи будет минимально допустимым, а отклонения КПД от своего максимального значения равны нулю.

2. Впервые введено новое понятие «виртуальный насос» и созданы математические модели виртуальных и реальных насосных установок, работающих с постоянной и переменной частотой вращения рабочих колес. Разработка математической модели виртуального насосного агрегата открывает принципиально новые возможности для исследования энергоэффективности работы сложных гидродинамических систем «резервуар - насосная установка - трубопроводная система».

3. Разработана принципиально новая методика определения оптимальных параметров насосных установок, обеспечивающих их максимальную энергоэффективность для заданных технологических условий. Выбор параметров насоса осуществляется путем решения оптимизационной задачи минимизации затрат энергии на всех возможных режимах его работы, с вычислением параметров наиболее эффективного виртуального насоса. Затем по полученным параметрам виртуального насоса подбирается реальный насос, параметры которого наиболее близки к виртуальному.

4. Впервые разработана методика определения области возможных режимов работы насосного агрегата с регулируемым приводом и учетом имеющихся ограничений при его эксплуатации: помпажу, кавитации, КПД, мощности электродвигателя привода, максимальному и минимальному значениям частоты вращения рабочего колеса. Определение границ области допустимых режимов обеспечивает возможность исследования совместимости характеристик насосных агрегатов при оценке целесообразности и эффективности включения их в совместную работу.

5. Впервые путем сканирования области возможных режимов работы насосов получены дифференциальные характеристики

и

энергосбережение лопастной насос водоснабжение

для ряда насосных агрегатов отечественного и зарубежного производства. Исследование характера поведения полученных зависимостей обеспечивает возможность выбора оптимизационного метода для решения задач, связанных с оптимальным распределением нагрузки между насосными агрегатами при их совместной (параллельной или последовательной) работе.

6. Впервые для группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики и работающих с переменной нагрузкой, решена задача одновременной оптимизации состава и режимов их работы с использованием специальной матрицы возможных состояний агрегатов. Для оценки надежности и достоверности полученных результатов задача минимизации затрат энергии была решена двумя различными оптимизационными методами: неопределенных множителей Лагранжа и проекций антиградиента (т.к. определялся минимум энергетического функционала).

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований режимов работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения коммунального хозяйства, современных промышленных и сельскохозяйственных предприятий и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих насосных станций систем водоснабжения и водоотведения сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик систем водоснабжения и водоотведения.

Апробация работы.

На базе проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации и научно обоснованы методы снижения энергопотребления насосного оборудования систем водоснабжения и водоотведения.

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва, внедрены в ОАО «Органический синтез», г. Казань, в системе оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой завода по производству Бифенола-А; ООО «Рузские тепловые сети», г. Руза Московской обл., при пуско-наладочных работах системы горячего водоснабжения центрального теплового пункта (ЦТП) №2, канализационной станции и водозаборного узла, г. Руза, канализационной станции и ЦТП №5 п. Тучково Московской обл.; системы аэробной биологической очистки сточных вод животноводческого комплекса ЗАО «Кузнецовский» Московской обл.; при реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции (КОС), Когалымское МУП «Водоканал», г. Когалым;

Материалы диссертационной работы представлены на Всероссийской выставке-форуме «Энергосбережение в регионах России», М., 2003; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2005», М., 2005; Всероссийском научно-практическом семинаре «Проблемы водоснабжения и водоотведения», г. Когалым, 2006; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2006», М., 2006; Научно-технической конференции «Современные проблемы инженерных систем экологии городов и населенных пунктов», МГСУ, М., 2006; Международном семинаре «Экология селитебных территорий» МГСУ, М., 2006; VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2007; Выставке-семинаре «Москва-энергосберегающий город. Современные информационные технологии в городском хозяйстве», М., 2007; VII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза, 2007; Международной научно-практической конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» ВНИТИБП, Щелково, 2007; VIII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2008.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 35 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций, симпозиумов и международных конгрессов, в числе которых патент на изобретение и 16 работ, опубликованных в журналах, входящих в Перечень изданий ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 375 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 67 таблиц и 11 приложений. Библиография включает 210 наименований, из которых 78 на иностранных языках.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния вопроса по теме работы, приведен в главе 1.

С целью экономии энергии с помощью регулирования режимов работы насосных установок в нашей стране и за рубежом все большее распространение получает регулируемый электропривод (РЭП). Практика его применения в нашей стране показывает, что в одних случаях его установка привела к существенной экономии энергии, в других - она незначительна, а в третьих - установка привода не дала сколь-нибудь ощутимых результатов. По данным публикаций энергоэффективность от применения РЭП составляет от 15-30% до 50-60%. В большинстве случаев при применении РЭП, в качестве принятого способа управления, используется стабилизация давления на выходе насосной установки. Технически этот способ наиболее легко реализуем, однако экономически наименее эффективен. При его использовании удается лишь частично (от 15 до 30%) использовать имеющийся потенциал энергосбережения, тогда как большая его часть оказывается невостребованной. Теоретические исследования, проведенные Б.С. Лезновым и многолетняя практика по применению им регулируемого привода в системах ВиВ показывает, что в большинстве случаев экономия энергии составляет от 8 до 12%, а иногда может достигать 20-25%. Одной из главных причин получения высокой экономии энергии при использовании стабилизации давления на выходе из насосной установки является несоответствие характеристик установленного оборудования параметрам систем водопотребления и водоотведения.

Поскольку покупка, монтаж и наладка РЭП требует значительных инвестиций, целесообразность и эффективность его установки должна определятся на стадии составления технико-экономического обоснования реконструкции объекта.

Несмотря на достаточно длительный период применения РЭП, до настоящего времени не существует единой, достаточно обоснованной и апробированной на практике методики его применения. Единственным официально выпущенным документом является разработанная энергетическим институтом и утвержденная Минтопэнерго РФ в 1977г. «Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого привода». Однако в ней содержится ряд недостаточно обоснованных предпосылок и положений и поэтому полученные с ее помощью результаты определения энергоэффективности применения РЭП могут носить лишь приближенный, оценочный характер.

За весь период применения РЭП в нашей стране все усилия инженеров, технологов и ученых, занимающихся внедрением регулируемого привода в системах ВиВ, были направлены на снижение избыточных напоров в трубопроводных системах, полагая, что он является единственным и определяющим фактором в получаемой экономии энергии. Анализ работы насосного оборудования в системах ВиВ показывает, что характерной особенностью его эксплуатации является поддержание насосами в трубопроводных системах напоров, содержащих, как правило, значительную статическую составляющую развиваемого напора. При использовании различных способов управления, фактически поддерживаемые напоры при применении РЭП не будут равны напорам, которые соответствуют кривым равного значения КПД (кривым подобных режимов). Это обстоятельство необходимо учитывать при пересчете характеристик лопастных насосов, поскольку в основу используемых для этого формул заложена теория подобия гидравлических машин, в которой установлена взаимосвязь между подачами и напорами при изменении частоты вращения рабочего колеса. Непринятие во внимание этого фактора при определении энергоэффективности применения регулируемого привода приводит к завышению КПД насоса на фактических режимах его работы, что, в конечном счете, оказывает существенное влияние на результаты получаемой экономии энергии.

Кроме того, снижение избыточных напоров в трубопроводных системах ВиВ при использовании РЭП достигается путем понижения текущей частоты вращения рабочих колес nтек, по отношению к номинальной nном. Анализ универсальных характеристик насосных агрегатов показывает, что любое отклонение текущей частоты от номинальной также ведет к снижению КПД лопастного насоса. При незначительных значениях отклонения снижение КПД будет малозаметным, однако, при более глубоком диапазоне регулирования (по мере увеличения соотношения ), из-за нарушения условий гидродинамического подобия отклонения КПД от своего максимума будут более существенными.

Фактические режимы работы насосных установок в системах ВиВ при колебании нагрузки, в большинстве случаев, даже при отсутствии регулируемого привода, выходят за пределы области, рекомендуемой заводом - изготовителем, как наиболее эффективной. Оснащение насосов регулируемым приводом приводит к ее существенному расширению.

Отклонение частоты вращения рабочего колеса насосного агрегата от номинальной, с одной стороны, позволяет снизить избыточные напоры в трубопроводных системах и, тем самым, создает благоприятные возможности для получения экономии энергии, однако, с другой стороны, оно приводит к снижению КПД а , следовательно, к увеличению потребления энергии. Вопросы снижения КПД при отклонении текущей частоты вращения лопастного насоса от номинальной требуют более глубокого изучения и проведения дополнительных исследований. Поэтому проблема энергосбережения в насосных установках, работающих в системах ВиВ, может быть успешно решена только с учетом всех выше перечисленных факторов на базе математического моделирования их работы, с использованием современных информационных технологий и методов оптимизации (минимизации) затрат энергии.

В главе 2 дано описание объектов исследования и приведены методы исследований и обработки их результатов, использованные при проведении работы. Объектами исследований являлись насосные установки систем водопотребления и водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий. В состав насосных станций систем водоснабжения и водоотведения входили насосные установки, состоящие из одного или нескольких агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, аппаратуры управления и защиты. Насосные установки содержали несколько параллельно или последовательно соединенных насосов в совокупности с регулируемым и нерегулируемым электроприводом. Для привода насосов использовались преимущественно асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели переменного тока. Электродвигатели имели мощность до 320 кВт и напряжение питания 380-660В. Использование современных методов научных исследований позволило определить влияние на технологические процессы различного рода внутренних и внешних воздействий и оценить эффективность предлагаемых технологических и конструктивных решений.

В главе 3 приведены результаты исследования рабочих режимов лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

Решение современных задач по анализу эффективности подбора насосного оборудования и способов управления им немыслимы без использования современных информационных технологий и специальных компьютерных программ. Для этого характеристики технологического процесса и обеспечивающего этот процесс оборудования должны быть представлены в виде аналитических зависимостей. При этом аппроксимирующие функции должны с достаточной степенью точности описывать изучаемый технологический процесс и характеристики используемого оборудования, и при этом не быть чрезмерно сложными и громоздкими, что затрудняло бы построение математической модели и решение оптимизационных задач.

Для пересчета напорной характеристики насоса

было получено следующее выражение:

(1)

где: - коэффициенты аппроксимации, вычисляемые методом наименьших квадратов;

-

коэффициент изменения частоты вращения, где: nтек и nном - текущая и номинальная частота вращения.

Эта формула позволяет, располагая характеристикой лопастного насоса при номинальной частоте, осуществлять перерасчет напорных характеристик насосов в зависимости от задаваемой текущей частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для эффективного управления насосными установками.

Для обеспечения возможности варьирования параметрами оборудования в широком диапазоне вне привязки к существующим конструкциям, необходимо иметь математическую модель насоса, параметры которого на оптимальном режиме (, и ) могут быть заранее определены в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и заданного характера распределения нагрузки.

Для этого представляет интерес изучение форм напорных характеристик лопастных насосов. Определенному значению быстроходности лопастного насоса присуще своя специфическая форма напорной характеристики

(рис. 1). Всякое искусственное изменение формы кривой, как правило, вызывает снижение КПД насоса. В общем случае эта кривая представляет собой параболу, максимум которой располагается в точке , представляющей вершину параболы, которая может быть расположена либо в I-м, либо во II-м квадранте (рис. 1, а, b). Для насосов с вершиной в I-м квадранте (>0) имеется западающий участок характеристики, расположенный в области:

0<(0,250,3) .

Данный тип характеристики

присущ лопастным насосам с быстроходностью <120. У насосов с западающей левой ветвью напорной характеристики возможны пересечение с характеристикой трубопроводной системы в двух точках. Возможность возникновения 2-х рабочих точек может привести при снижении нагрузки к возникновению явления помпажа, поэтому для насосов с > 0 снижение подач ниже недопустимо и должно быть учтено при определении области возможных ограничений.

В качестве критерия, характеризующего крутизну напорной характеристики, используется коэффициент крутизны

Кн = Нmax/Hopt.

Коэффициент крутизны напорной характеристики определяется в зависимости от значения коэффициента быстроходности . Зависимость коэффициента от быстроходности насоса приведена в таблице.

Коэффициент быстроходности насоса	Вид напорной характеристики	Коэффициент напорной характеристики
40 < < 80	Пологая
80 < < 150	Средняя
150 < < 250	Крутопадающая

Математические модели напорных характеристик в зависимости от расположения их вершины будут различны:

I. Случай, когда вершина параболы расположена в первом квадранте (рис. 1, а). Представленная на рисунке кривая характерна для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей от 40 до 120.

Для построения математической модели насоса необходимо получить его следующие аналитические характеристики: напорную , КПД и кавитационную:

.

Исходными параметрами при этом являются подача и напор насоса на оптимальном режиме. Как указывалось ранее, напорная характеристика лопастного насоса может быть аппроксимирована полиномом 2-й степени.

Рис. 1 К построению математической модели виртуального насоса: а) вершина напорной характеристики (точка В) расположена в Iм квадранте (QB>0) в) то же во IIм (QB<0)

Анализ форм характеристик для насосов с западающей левой ветвью показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче насоса, равной от 0,2 до 0,3 от (рис. 1 а). В этой связи для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующая последовательность расчетов:

1. Располагая значением и определяется быстроходность насоса по формуле:

(2)

где - частота вращения рабочего колеса, мин-1; - подача насоса на оптимальном режиме, м3/с; - напор насоса на оптимальном режиме, м.

2. Определяем напор насоса при нулевой подаче по формуле:

(3)

3. Принимаем ординату вершины параболы

,

а значение напора, на основе анализа характеристик насосов типов: , и , может быть принято равным 1,05 . 4. Таким образом получаем координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы : 5. Подставляем приведенные значения напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уравнений:

 (4)

6. Решая приведенную систему получаем значения коэффициентов аппроксимации , и для случая, когда вершина параболы расположена в I-м квадранте ( > 0).

II. Случай, когда насос имеет устойчивую ниспадающую характеристику (> 120) приведен на рис. 1, b. Из приведенного рисунка видно, что вершина параболы располагается во II-м квадранте. Методика определения параметров насоса в характерных точках для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующей:

1. Анализ форм характеристик лопастных насосов типов , и показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче равной: - (0,2 0,3) . Принимаем значение

(рис. 1, b).

2. Напор насоса в этой точке вычисляем с учетом быстроходности по формуле:

(5)

3. Для построения напорной характеристики необходимо определить напор насоса в точке (рис. 1, b), абсцисса которой равна нулю. Для этого рассмотрим подобные треугольники и . Из условий их подобия можно записать следующее:

(6)

После преобразований находим напор в точке

(7)

Необходимый для построения параболы напор в точке находим по формуле:

(8)

При этом соблюдается условие: < < , обеспечивающее ниспадающий характер напорной характеристики насоса.

4. Таким образом, получим координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные выше значение напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уравнений:

(9)

6. Решая приведенную систему уравнений, получаем значения коэффициентов аппроксимации для случая, когда вершина параболы характеристики расположена во II-м квадранте ( < 0).

Для сравнения энергоэффективности выбираемых вариантов оборудования и способов управления им важнейшей характеристикой насоса является характеристика его КПД, т.е.

.

Характеристики КПД лопастных насосов с достаточной степенью точности могут быть аппроксимированы параболой вида

.

Поэтому при разработке математической модели важное значение имеет определение коэффициентов аппроксимации , и по заданным значениям оптимальной подачи и оптимального (максимального) значения КПД .

Поскольку парабола вида:

 выходит из начала координат, то при будем принимать = 0. Если значение подачи будет равным

, .

то КПД в этой точке имеет свое максимальное значение, т.е. при

Поскольку парабола симметрична относительно своей вершины

при , то при

значение КПД равно нулю. Таким образом, можно составить следующую таблицу:

Поскольку = 0, получаем систему из двух уравнений:

(10)

Располагая значениями и , решаем приведенную систему уравнений и находим коэффициенты аппроксимации:

; (11)

Наиболее распространенным явлением, ограничивающим область применения насосов, а, следовательно, их энергоэффективность, является кавитация. Поэтому математическая модель насоса не может быть полноценной без моделирования кавитационной характеристики насоса

.

Кавитационная характеристика насоса с достаточно высокой степенью точности может быть аппроксимирована полиномом вида:

,

где: , и - коэффициенты аппроксимации.

Анализ форм кавитационных характеристик насосов типов , и и др. показывает, что при подаче равной 0,7 0,8 от , значение критического кавитационного запаса составляет 0,7 0,8 от , а при подаче, равной

его значение находится в пределах 1,2 1,4 от . На основании статистического анализа форм кавитационных характеристик может быть составлена следующая таблица:

Вводим приведенные в таблице значения в уравнение аппроксимации:

(12)

Вычислив предварительно по формуле С.С. Руднева и решая приведенную выше систему уравнений, получим значения коэффициентов аппроксимации: , и .

Основной целью моделирования является исследование энергоэффективности различных методов подбора насосного оборудования и способов управления им. В этой связи представляет интерес сопоставление параметров реальных и виртуальных насосов, включая потребление ими энергии. Такое сопоставление было проведено для ряда отечественных и зарубежных насосов. Разность результатов расчета потребляемой энергии для одинаковых условий эксплуатации и способа управления агрегатами составила менее 1,6%. Это свидетельствует о том, что разработанная математическая модель лопастного насоса достаточно полно отражает основные качества и характеристики реальных машин и поэтому может служить надежным инструментом для проведения исследований.

Известно, что основными параметрами, определяющими энергию, потребляемую насосом, являются его подача, напор и КПД, значения которых определяется его характеристиками, полученными для номинальной частоты вращения рабочего колеса. При применении регулирования частоты вращения подача, напор и КПД насоса изменяются, а пересчет его характеристик на другую частоту вращения, согласно классической теории подобия гидромашин, может быть осуществлен по формулам пересчета при одновременном соблюдении двух следующих условий:

 и .

При этом, условно принимается постоянство КПД вдоль кривых подобных режимов (КПР), т.е.

.

В системах водоснабжения подача насосов задается потребителем и является неуправляемым параметром. С помощью регулируемого привода в целях экономии энергии добиваются снижения давления в трубопроводных системах. Степень снижения давлений (напоров) будет зависеть от допустимых напоров в системе, которые в значительной мере определяются значением статической составляющей напора и принятым способом управления. Однако, независимо от способа управления, стремление снизить избыточные напоры при сохранении задаваемой системой подачи, приводит к нарушению одного из двух, приведенных выше условий подобия, что ведет к снижению КПД насоса.

В работе, в качестве примера, на основании математического моделирования лопастного насоса КМ-100-65-250 приведены результаты изменения его КПД при изменении диапазона регулирования подач от 0,3Qmax до Qmax и широком диапазоне изменения статической составляющей создаваемого напора

Результаты проведенного анализа убедительно показывают, что текущее значение КПД при работе насоса с регулируемым приводом (при Нst ? 0) является функцией двух переменных



то есть его значение определяется не только подачей насоса, но и соотношением .

При пересчете характеристик лопастных насосов принято считать, что его КПД вдоль кривых подобных режимов остается постоянным. Однако, еще К. Пфлейдерер в 30-е годы 20-го века в своей монографии указывал, что испытания действительных насосов не подтверждают полностью закона постоянства КПД вдоль кривых подобных режимов, т.е. выполнения условия:

.

О непостоянстве КПД насоса вдоль кривых подобных режимов свидетельствуют эллипсовидные концентрические формы КПД постоянного уровня, приводимые на универсальных характеристиках насосов.

Поскольку до применения регулируемого привода этот вопрос имел чисто теоретическое значение, то с его появлением и широким внедрением в системы ВиВ вопрос отклонения КПД насоса от своего максимального значения при изменении частоты вращения рабочего колеса перешел в практическую плоскость. С целью оценки влияния на КПД насоса отклонения текущей частоты вращения колеса от номинальной, в работе был проведен анализ универсальных характеристик лопастных насосов отечественных и зарубежных фирм. В результате проведенного анализа было установлено, что зависимость снижения КПД насоса от своего максимального значения при отклонении текущей частоты от номинальной является существенно нелинейной и в значительной мере определяется глубинный диапазона регулирования подач, т.е. соотношением . При небольшой глубине регулирования снижение КПД незначительны и составляют от 2 до 4%. По мере расширения диапазона регулирования до снижение КПД на границе диапазона регулирования составляет до 6-8% для насосов небольшой производительности и может достигать 12-17% для крупных канализационных насосов. Это обстоятельство требует при определении энергоэффективности регулируемого привода учета фактора снижения значений КПД за счет отклонения текущей частоты от номинальной.

Применение энергосберегающих технологий при работе насосных установок требует для объективной оценки их энергоэффективности применения надежного критерия. Предпринимаемые попытки введения норм потребления энергии для оценки эффективности работы насосного оборудования не дали положительных результатов. Из-за большого разнообразия и несопоставимости технологических условий работы насосов, наибольшей трудностью, возникающей при оценке эффективности работы насосных установок с переменной нагрузкой, является выбор эталонного (базового) значения максимальной эффективности. Проведенные исследования по минимизации затрат энергии насосных установок показывают, что показатель базового значения максимальной энергоэффективности может быть легко увязан с теоретически минимальным значением энергетического функционала (значением целевой функции оптимизации).

Теоретический минимум энергопотребления может быть достигнут тогда, когда избыточные напоры в трубопроводной системе будут минимально допустимыми на всем диапазоне изменения нагрузки, а отклонения КПД от своего максимального значения будут равны нулю, независимо от подачи насоса. Имеющийся потенциал энергосбережения, в этом случае, может быть установлен как разность фактических затрат энергии и теоретически минимальным значением целевой функции оптимизации. Степень использования потенциала энергосбережения может служить в этом случае объективным и надежным критерием для оценки энергоэффективности применения тех или других энергосберегающих мероприятий и технологий.

В главе 4 изложена методика определения оптимальных параметров лопастного насоса, позволяющая увязать предполагаемые параметры оборудования с характеристикой трубопроводной системы и статистическим распределением нагрузки.

При использовании регулируемого электропривода для лопастных насосов их КПД будет являться функцией трех переменных = (, и ). На потребляемую насосом энергию будет влиять не только само значение отклонения фактических значений КПД от его максимального значения, но и время работы с этим отклонением.

Поэтому, в качестве критерия максимизации КПД при переменной нагрузке, принимаем минимальное значение математического ожидания отклонений фактических значений КПД от максимального:

(13)

Для выполнения условия (13) необходимо таким образом расположить вершину параболы, аппроксимирующей характеристику КПД насоса (рис. 2, кривая 5, точка С), чтобы выполняя условие =, площадь S (на рисунке заштрихована), представляющая собой разность площадей прямоугольника МВДЕ и параболы (кривая 5) с учетом вероятностей подач в диапазоне от Qmin до Qmax была минимальной, то есть:

(14)

(15)

После преобразований получим:

. (16)

Рис. 2 Определение оптимальных параметров насоса с регулируемым электроприводом при переменной нагрузке для традиционного и рекомендуемого способов выбора(1,2,3 - положение напорной характеристики (1), характеристики КПД (2) и кривой подобных режимов максимального значения КПД (3) для традиционного способа ; 4,5,6 -положение напорной характеристики (4), характеристики КПД (5) и кривой подобных режимов для рекомендуемого способа; 7-характеристика трубопроводной системы; 8-положение напорной характеристики при обеспечении минимальной подачи.

Характеристика КПД насоса может быть аппроксимирована полиномом второй степени:

(17)

где D, E и F - коэффициенты аппроксимации.

Подставим в формулу (17) граничные условия, приведенные в таблице.

	0		2
	0		0

C учетом того, что парабола (17) выходит из начала координат, т.е. при , получим систему уравнений:

(18)

Решая систему уравнений (18) находим значения коэффициентов аппроксимации D и E:

; (19)

Подставляем полученные значения коэффициентов и в уравнение (16) и после преобразования получим формулу для определения оптимальной подачи, соответствующей положению максимального значения КПД:

(20)

Определяя из формулы (20) и подставляя его в выражение (19) находим численные значения коэффициентов и в уравнении аппроксимации характеристики КПД насоса. Таким образом, получаем уравнение характеристики КПД насоса, привязанное к статистическому распределению нагрузки.

Для выбора насоса недостаточно знать только его подачу , а необходимо также определить напор на оптимальном режиме.

При использовании такого, наиболее эффективного способа управления, как минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе, в точке соответствующей координатам и , должно соблюдаться три условия:

1) принадлежность к напорной характеристике подбираемого насоса;

2) принадлежность к кривой подобных режимов для максимального значения КПД;

3) равенство нулю избыточного напора (так как

=

т.е. принадлежность к характеристике трубопроводной системы. Этим условиям соответствует единственная точка А2 (рис. 2, пересечение кривых 6 и 7). При традиционной методике выбора насоса напорная характеристика

при номинальной частоте вращения () пересекается с характеристикой трубопроводной системы (рис. 2, кривая 7) в точке А1, соответствующей максимальному значению подачи. Кривая подобных режимов максимального значения КПД проходит в этом случае также через эту точку (кривая 3).

При применении регулируемого привода напорная характеристика (кривая 1) становится плавающей и при уменьшении нагрузки перемещается за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) эквидистантно самой себе и при достижении минимального значения нагрузки проходит через точку А3, занимая положение, представленное на рис. 2 (кривая 8).

В отличие от традиционного способа выбора оборудования, оптимальной подаче насоса, вычисленной с помощью формулы (20), соответствует положение напорной характеристики , представленное на рис. 2 (кривая 4). Напорная характеристика пересекается с характеристикой трубопроводной системы в точке А2, соответствующей оптимальной подаче и оптимальному напору насоса, а, следовательно, максимальному значению КПД. Кривая подобных режимов максимального значения КПД также проходит через точку А2 (кривую 6). При увеличении нагрузки выше оптимальной, за счет повышения частоты вращения рабочего колеса (>1), напорная характеристика перемещается и при достижении максимального значения нагрузки занимает положение, приведенное на рис. 2. (кривая 1). При уменьшении нагрузки ниже оптимальной, за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) напорная характеристика насоса перемещается и при достижении минимального значения нагрузки проходит через А3, занимая положение, приведенное на рис. 2 (кривая 8).

В главе 5 приведен сравнительный анализ энергоэффективности работы насосных установок с одним насосным агрегатом, работающим при переменной нагрузке. Для этого рассматривалась работа насосных агрегатов, подобранных по традиционной методике по максимальной (пиковой) нагрузке. В качестве примера, для сравнения энергоэффективности использовались различные по производительности насосные агрегаты отечественного и зарубежного производства, такие как: Д-3200-75, КМ-100-65-250, СР-3531/865 (Швеция), Д-1250-654, 600В-1,6/100-0. Проанализированы основные причины низкой эффективности работы насосного оборудования при переменной нагрузке. Проведено сопоставление энергоэффективности таких способов управления, как: дросселирование, стабилизация давления на выходе насосной установки, минимизация избыточных напоров в трубопроводных системах и оптимизация (минимизация избыточных напоров с предварительной оптимизацией параметров подбираемого оборудования). Приведена зависимость энергопотребления насосного агрегата от выбора давления стабилизации. Показано, что наименее эффективным способом управления с применением регулируемого привода является широко применяемая в нашей стране стабилизация давления на выходе насосной установки, т.к. позволяет использовать только незначительную часть потенциала энергосбережения.

В главе 6 приведен сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом и без его использования при переменной нагрузке.

Особенностью большинства насосных систем являются значительные колебания нагрузки во времени, особенно в системах, поддающих воду непосредственно в городскую сеть, диапазон изменения подач насосных установок может находиться в широких пределах от 0,25 до . Для покрытия достаточно широких диапазонов нагрузки, а также с целью регулирования подачи на практике достаточно часто используют включение в параллельную работу двух, трех и более насосных агрегатов.

Подключение к одиночно работающему агрегату второго однотипного насоса увеличивает подачу системы менее, чем в 2 раза, а добавка подачи от включения каждого последующего насоса будет еще ниже, чем предыдущего. Поэтому в практике водоснабжения максимальное число насосных агрегатов, включаемых в параллельную работу, составляет не более 6-8 единиц, при этом применение разнотипных насосов не меняет приведенную картину.

Регулирование подачи системы, состоящей из нескольких нерегулируемых насосных агрегатов, осуществляется путем введения в работу (или выключения из нее) дополнительного одного или нескольких агрегатов, что приводит, при отсутствии устройств плавного пуска, к скачкообразному изменению параметров всех находящихся в работе агрегатов.

Теоретический анализ работы системы, состоящей из группы параллельно подключенных насосных агрегатов, полностью или частично оснащенных регулируемым приводом, показал, что надежность и устойчивость работы такой системы может быть обеспечена только при рассмотрении ее как единой целостной динамической системы, работающей в рамках четко обозначенных пределов ограничений. Для удержания работы системы, состоящей из группы агрегатов, в рамках ограничений необходимо четко очертить область возможных (допустимых) режимов ее работы. Поскольку границы работы всей системы формируются из границ отдельных, входящих в нее агрегатов, необходимо четко установить область возможных режимов каждого агрегата с учетом ограничений. Следует особо подчеркнуть, что определение границ системы важно, как с точки зрения обеспечения надежной и устойчивой работы системы, так и выбора наиболее эффективного способа управления, поскольку положение возможных границ оказывает существенное влияние на энергетические показатели работы системы в целом.

Рассмотрим разработанную нами методику определения ограничений. При работе насосного агрегата с переменной нагрузкой происходят отклонения фактических режимов его работы от оптимального как в область более высоких значений подач (перегрузочные режимы), так и в зону пониженных подач (недогрузочные режимы). При смещении режимов работы в область больших значений подач основными причинами ограничений являются: кавитация, установленная мощность электродвигателей привода, предельно-допустимая (из условий прочности конструкции) частота вращения рабочего колеса. При снижении подачи основными ограничениями являются: помпаж и низкий КПД насоса, а также минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимое значение подачи регулируемого насосного агрегата по условию недопущения кавитации может быть получено из следующего выражения:

, (21)

где - кавитационный функционал, м; и - атмосферное давление и давление насыщенного пара, Па; - критическое значение кавитационного запаса, определяемое по кавитационной характеристике насоса в зависимости от его подачи и частоты вращения рабочего колеса, м; - гидравлические потери на всасывающей линии насоса, зависящие от его подачи и определяемые по формуле:

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода;

- удельный вес жидкости, н/м3;

- высота всасывания насоса, принимаемая равной разности отметок оси рабочего колеса и уровня воды в приемном резервуаре, м.

В случае исследования параметров виртуального насоса, значение кавитационного запаса может быть вычислено по формуле С.С. Руднева.

Максимально-возможную подачу для фиксированного значения напора находим из формулы (21), решая уравнение относительно подачи методом последовательных приближений, принимая .

Предельно-допустимую подачу по условию недопущения перегрузки электродвигателя привода насоса можно получить из выражения:

, (22)

где - текущее значение мощности, потребляемой электродвигателем привода, кВт, вычисляемое по формуле

, (23)

где - напор, для которого определяется максимально-возможная подача, м; - КПД, вычисляемый в зависимости от подачи и частоты вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимая подача может быть получена из формулы (22), решая уравнение методом последовательных приближений для фиксированного значения напора.

Несмотря на отставание теоретической базы по минимизации потребления энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов и отсутствие энергоэффективных алгоритмов управления, для этих целей используются не основные параметры, характеризующие эффективность работы насоса: напор, подача, КПД и потребляемая энергия, а такие легко доступные измерению параметры, как нагрузка электродвигателей по току и частоте тока частотного преобразователя привода. Включение (отключение) насосов в существующих системах автоматического управления производится по допустимому току нагрузки электродвигателя привода или предельной частоте электрического тока (Гц), подводимого от частотного преобразователя, что соответствует номинальной частоте вращения рабочего насоса. Использование указанных приемов означает, что переключение насосов происходит на границе области возможных (часто недостаточно обоснованных) ограничений по мощности двигателя, а не по минимуму потребляемой энергии. Решение задачи минимизации энергозатрат на основе одновременной оптимизации состава и режимов работы насосных агрегатов показывает, что минимум энергии, потребляемой группой агрегатов, как правило, находится не на границе области возможных ограничений, а внутри ее.

Решение задачи минимизации затрат энергии связано с необходимостью кратковременного повышения частоты вращения рабочих колес у современного насосного оборудования при покрытии пиковой нагрузки на 20-30% превышающих номинальную. В свою очередь, увеличение частоты вращения сверх номинальной может привести к возрастанию осевых и радиальных усилий на подшипники, а, следовательно, на корпус насоса. Проведенные нами расчеты показывают, что повышение осевых и радиальных нагрузок не вызывает неразрешимых конструктивных проблем и может быть решен при их модернизации насосов путем замены подшипников и усиления, в случае необходимости, корпуса насоса. В качестве привода модернизированных насосов наиболее эффективным будет использование выпускаемых промышленностью электродвигателей с номинальной частотой тока Гц. Поскольку находящийся в эксплуатации парк насосов оснащен асинхронными электродвигателями номинальной частотой тока Гц, представляет интерес исследование возможностей их использования для работы с частотой тока Гц. Для подтверждения возможности работы существующих насосных агрегатов с повышенной частотой вращения интересен опыт двухлетней работы насосного агрегата КМ-125-100-160 с частотой f = 60 Гц на ЦТП № 2Ю, г. Руза Моск. обл.

Основными причинами ограничений в области недогрузочных режимов являются: помпаж, низкие значение КПД и минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Анализ геометрических форм напорных характеристик насосов показал, что явление помпажа может возникнуть у насосов с западающей левой ветвью напорной характеристики, для которых коэффициент аппроксимирующего полинома больше нуля ( > 0). Это качество присуще лопастным нагнетателям с быстроходностью . Поэтому ограничение подачи по причине возникновения явления помпажа устанавливается только для насосов с коэффициентом > 0.

Вся область, лежащая левее этой кривой будет областью помпажа или недопустимо низких значений КПД (рис. 3, кривая OFLA).

При работе лопастных насосов с незначительной составляющей статистического напора /, а также при достаточно широких диапазонах изменения подач возникает необходимость значительного снижения напора и подачи. Это связано с существенным снижением частоты вращения ротора электродвигателя и частоты подводимого к нему электрического тока (в случае применения частотно-регулируемого привода - ЧРП). Снижение частоты электрического тока приводит: к снижению КПД самого насоса из-за отклонения фактических режимов работы от номинального; снижению КПД электродвигателя привода; снижению КПД частотного привода; снижению качества электрического тока, подводимого от частотного преобразователя, что связано с появлением гармоник высшего порядка и перегревом электродвигателя.



Рис. 3

На основе отечественного и зарубежного опыта применения ЧРП с целью недопущения перегрева электродвигателей привода из-за ухудшения качества тока принято допускать снижение вращения рабочего колеса нагнетателя частоты не более, чем в 2 раза по отношению к номинальной, т.е. принимается

...