Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах

- число установленных насосных агрегатов;

- диапазон изменения подач и закон его распределения во времени (либо статистическое распределение за достаточно длительный период времени, не менее одного года);

- характеристика трубопроводной системы в виде выражения: ;

- характеристики устанавливаемого оборудования, а именно: напорная , КПД и кавитационная . Характеристики насосных агрегатов могут быть представлены либо в табличной форме, либо в виде коэффициентов номинальной аппроксимации ,, (напорная характеристика), , , (характеристика КПД); , , (кавитационная характеристика).

В случае применения виртуальных насосов для получения коэффициентов аппроксимации использовалась специально разработанная компьютерная программа «VIRT-06»

- установленная мощность электродвигателей привода насосов ;

- давление насыщенных паров (Па);

- гидравлические потери на всасывающей линии насосов на оптимальном режиме их работы (м);

- коэффициент кавитационной быстроходности (для виртуальных насосов);

- значение КПД на оптимальном режиме работы (для виртуальных насосов);

- высота всасывания насосных агрегатов , принимаемая равной разнице отметок оси рабочего колеса и уровня воды в приемном резервуаре;

- минимально допустимое значение КПД;

- минимально допустимые и максимально возможные значения коэффициента изменения частоты вращения и . Значения коэффициента принимались как в качестве параметра ограничения, так и критерия подключения (отключения) дополнительного агрегата в зависимости от принятого способа управления;

- способ управления насосными агрегатами;

- число и номер нерегулируемого агрегата (в случае частичного оснащения агрегатов регулируемым приводом).

Для вычисления энергии, потребляемой группой насосных агрегатов, был принят алгоритм вычислений, описанных выше в методе проекций градиента.

На основе описанного выше алгоритма была разработана специальная компьютерная программа оптимизации (минимизации) энергозатрат при работе группы насосных агрегатов при переменной нагрузке «OPT-21».

С помощью указанной выше компьютерной программы было проведено вычисление затрат энергии, потребляемой группой насосных агрегатов при переменной нагрузке для различных способов управления. Для покрытия одного и того же диапазона подач и ее статистического распределения число насосных агрегатов, работающих одновременно, принималось равным от одного до шести. Известно, что на значение потребляемой энергии, кроме числа насосных агрегатов, существенное влияние оказывают технологические условия и, в первую очередь, соотношении статической составляющей полного напора и полного напора . При выполнении расчетов соотношение изменялось в широком диапазоне от 0,16 до 0,82. Если учесть, что стабилизация является предельным случаем минимизации, а соотношение при стабилизации принято равному единице, можно считать, что был охвачен практически весь диапазон соотношений .

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты построения графика зависимости потребляемой энергии га год группой насосных агрегатов, состав которой изменялся от одного до шести. Затраты энергии были подсчитаны для различных способов управления, типа насосных агрегатов и характеристик привода. Значение статической составляющей напора для графика приведенного на рис. 5, принималось равным Hst = 40 м (Hst/Hn = 0,65).

Из графика рис. 5 видно, что потребление энергии при покрытии одного и того же диапазона нагрузки различным числом насосных агрегатов существенно зависит от их числа, а также от принятого способа управления. Это утверждение справедливо для всех рассмотренных способов управления, кроме минимизации избыточных напоров с применением синхронного управления насосными агрегатами. Как видно из рис. 5 наиболее эффективным способом управления по сравнению с повсеместно применяемым дросселированием является минимизация избыточных напоров. Значительное снижение потребления энергии происходит при увеличении числа агрегатов от одного до трех или четырех, а затем дальнейшее увеличение их числа не дает сколько-нибудь заметного снижения, потребляемой энергии.

Наиболее эффективным способом управления насосными агрегатами является минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе. Минимизация избыточных напоров может быть достигнута различными способами и для ее поддержания могут быть использованы как однотипные, так и разнотипные насосные агрегаты, а также, как индивидуальный, так и групповой привод. В этой связи представляет интерес сопоставление энергоэффективности различных видов минимизации. Результаты сопоставления потребляемой энергии от числа насосных агрегатов для различных способов минимизации приведены на рис. 5

Рис. 5. Зависимость потребляемой насосными агрегатами энергии от их числа при переменной нагрузки для различных способов управления

1-дросселирование;

2-стабилизация давления на выходе из насосной установки;

3-то же с одновременно оптимизацией состава и режимов работы агрегатов;

4-минимизация избыточных напоров с синхронным управлением однотипными агрегатами;

5-то же с индивидуальном управлением однотипными агрегатами;

6-то же с одновременной оптимизацией состава и режимов работы;

7-то же с разнотипными насосными агрегатами; 8.-теоретически минимально-возможные затраты энергии (значение целевой функции оптимизации)

С целью экономии капитальных вложений в ряде случаев вместо индивидуального привода используется групповой привод, когда несколько насосных агрегатов подключаются к одному частотному преобразователю. Управление ими осуществляется путем одновременного снижения частоты вращения рабочих колес у всех находящихся в работе агрегатов. Зависимость потребляемой энергии от числа насосных агрегатов при синхронном управлении приведена на рис. 5 (кривая 4). Из рисунка видно, что по мере увеличения числа насосных агрегатов при синхронном управлении потребляемая энергия изменяется незначительно, что свидетельствует о нецелесообразности увеличения числа агрегатов при использовании этого способа управления.

На рис. 5 также показаны кривые зависимости потребляемой энергии при минимизации избыточных напоров от числа агрегатов при выборе различных критериев подключения (отключения) дополнительного агрегата. Кривая 5 получена для случая, когда переключение агрегатов производилось при достижении рабочим колесом насоса номинальной частоты вращения, а подача насоса становится при этом равной оптимальной. Кривая 6 получена при минимизации для случая, когда в качестве критерия подключения (отключения) дополнительного агрегата принимался минимум потребляемой ими энергии. Достижение минимума потребляемой энергии достигалось путем решения задачи одновременной оптимизации (минимизации) состава и режимов работы однотипных насосных агрегатов.

Расчеты показывают, что применение оптимизации при работе группы однотипных агрегатов (рис. 5, кривая 6) позволяет при переход от одного агрегата к двум получить экономию энергии 111 тыс. кВт·ч, а при переходе к трем агрегатам экономия снижается до 40 тыс. кВт·ч и затем по мере дальнейшего увеличения числа агрегатов до шести экономия энергии продолжает плавно снижатся до 10 тыс. кВт·ч.

Значительный интерес представляет минимизация избыточных напоров при использовании разнотипных насосных агрегатов. Параметры насосов определялись теоретически, путем увязки их параметров с характеристикой трубопроводной системы и статистическим распределением нагрузки. Зависимость потребляемой энергии от числа разнотипных агрегатов, параметры которых были предварительны оптимизированы, приведена на рис. 5 (кривая 4).

На рисунке также приведена зависимость значения целевой функции оптимизации, от числа насосов, которые равны минимально-возможным затратам энергии для заданных условий эксплуатации. По полученным расчетам, видно, что в случае предварительной оптимизации параметров насосного агрегата значение потребляемой энергии может быть уменьшено на 285 тыс. кВт·ч, при переходе к двум агрегатам - на 112 тыс. кВт·ч, а затем по мере увеличения числа агрегатов до шести экономия постепенно снижается до 74 тыс. кВт·ч.

Результаты сравнения энергоэффективности различных способов минимизации избыточных напоров показывают, что наиболее энергоэффективным из них является минимизация с одновременной оптимизацией состава и режимов работы разнотипных насосов с предварительно оптимизированными параметрами агрегатов.

Применение регулируемого привода требует значительных капитальных вложений на его покупку, монтаж и наладку. Поэтому с целью минимизации капитальных вложений на практике довольно часто прибегают к оснащению регулируемым приводом не всех установленных на насосной станции насосных агрегатов, а только их части. В современной технической литературе отсутствуют достаточно обоснованные рекомендации по оптимизации соотношения между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов.

На основе накопленного опыта рекомендуется принимать число регулируемых однотипных агрегатов не менее 1/3 от всех установленных, а в случае применения разнотипных агрегатов суммарная подача регулируемых агрегатов должна составлять не менее 1/3 подачи насосной станции.

Рекомендуемое число агрегатов, оснащаемых регулируемым приводом, обусловлено необходимостью избежать появления так называемых «мертвых зон», в которых не удается поддержать заданные значения регулируемых параметров на всем диапазоне изменения нагрузки.

Однако вопрос не в том, чтобы определить минимальное число регулируемых агрегатов, необходимое для поддержания требуемых параметров системы для заданного способа управления, а в определении зависимости потребляемой энергии от соотношения числа регулируемых агрегатов к их общему числу . Уменьшение соотношения / приводит к уменьшению капитальных затрат, однако ведет к существенному повышению потребляемой энергии. Поэтому вопрос состоит в том, каким образом можно достичь оптимального соотношения / при котором затраты на дальнейшее увеличение числа регулируемых агрегатов не будут окупаться получаемой при этом экономией энергии. Если определение затрат на покупку, монтаж и наладку регулируемого привода не вызывает никаких трудностей, то вопрос определения затрат энергии при работе группы насосных агрегатов при переменной нагрузке с различным соотношением числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов является недостаточно изученным.

С целью получения зависимости потребляемой энергии от соотношения / была использована ранее разработаная математическая модель насосной станции с изменяющимся соотношением числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов. Общее число установленных агрегатов принималось равным пяти. Число регулируемых агрегатов принималось равным: одному, двум и т.д. При этом соотношение / изменялось в пределах от 1/5 до 1.

По результатам вычислений затрат энергии для различных способов управления насосными агрегатами, таких как стабилизация давления в напорном коллекторе насосной установки и минимизация избыточных напоров построены графики зависимости затрат потребляемой энергии от соотношения / для различных способов управления (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость потребляемой энергии группой из 5-ти насосных агрегатов от соотношения числа регулируемых к общему числу работающих агрегатов для различных способов управления

1. Минимизация избыточных напоров для различных значений соотношения статической составляющей и полного напора Hs/Hn

2. Стабилизация давления в напорном коллекторе

3. Стабилизация давления в напорном коллекторе с одновременной оптимизацией режимов работы и состава агрегатов

При минимизации избыточных напоров, как это видно из рис. 6, потребление энергии существенно зависит не только от соотношения /, но и от соотношения статической составляющей и полного напора . Так, например, при / = 0,82 при установке трех агрегатов с регулируемым приводом вместо двух (/ = 3/5) снижение потребления энергии составляет 119 тыс. кВт·ч, тогда как такое же оснащение (переход от двух регулируемых агрегатов к трем) при соотношении / = 0,33 приводит к снижению потребления энергии на 804 тыс. кВт·ч. При дальнейшем увеличении числа регулируемых агрегатов темпы снижения потребляемой энергии замедляется (рис. 6). Таким образом, полученные результаты исследований показывают, что снижение потребляемой энергии зависит не только от соотношения /, т.е. от числа регулируемых агрегатов, но в большей степени определяется соотношением статической составляющей и полного напора . Поэтому вопрос о соотношении числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов должен определяться расчетом в каждом конкретном случае в зависимости от технологических условий работы оборудования.

Выводы

1. Разработана математическая модель функционирования лопастных насосных нагнетателей работающих с переменной нагрузкой с использованием реальных и виртуальных лопастных нагнетателей. Модель позволяет исследовать энергопотребление, как при работе одного, так и группы параллельно подключенных нагнетателей с получением зависимости затрат потребляемой энергии от числа действующих агрегатов и задаваемого способа управления ими при покрытии одного и того диапазона изменения нагрузки.

2. Разработана принципиально новая методика определения энергоэффективных параметров лопастных нагнетателей, работающих с переменной нагрузкой. Параметры наиболее энергоэффективного оборудования рекомендуется определять не традиционным путем перебора характеристик выпускаемых промышленностью агрегатов, а посредством увязки параметров математической модели выртуального нагнетателя с характеристиками трубопроводной системы и статическим распределением нагрузки.

3. Группу параллельно подключенных и совместно функционирующих нагнетателей необходимо рассматривать как единую целостную динамическую систему, управляемую из одного центра по заданному алгоритму. В состав группы могут входить только нагнетатели имеющие общую область возможных режимов, работа которой может быть обеспечена совместимостью их индивидуальных характеристик.

4. Разработана принципиально новая методика определения области возможных режимов работы реальных или виртуальных регулируемых лопастных насосов с учетом практически всех возможных граничных условий их эксплуатации. На основе разработанного алгоритма была составлена специальная компьютерная программа, позволяющая определить не только область возможных режимов насосного агрегата и получить ее графическое изображение, но также сканировать характеристики нагнетателя, а также могут быть получены дифференциальные характеристики насосных агрегатов.

5. Разработан принципиально новый способ теоретического определения оптимальных параметров насосных агрегатов, входящих в состав группы для заданного их числа при работе с переменной нагрузкой. Показано, что наибольшая эффективность может быть достигнута при работе группы агрегатов с переменной нагрузкой в том случае, если в состав группы будут входить разнотипные агрегаты с различными значениями подач и напоров на оптимальном режиме их работы.

6. Впервые для лопастных нагнетателей, работающих с переменной нагрузкой, решена задача минимизации затрат энергии путем одновременной оптимизации состава и режимов работы с использованием матрицы возможных состояний агрегатов и оптимального распределения нагрузки между ними. Для решения задачи минимизации использовались оптимальные методы неопределенных множителей Лагранжа и метод проекций градиента (антиградиента, т.к. определялся минимум энергозатрат). Установлено, что более предпочтительным оптимизационным методом при решении задач минимизации затрат энергии, потребляемой лопастным нагнетателем, является метод проекций градиента, т.к. позволяет получить однозначное и более точное решение.

7. Наиболее объективным критерием оценки внедрения различных энергосберегающих мероприятий и технологий является использование понятия потенциала энергосбережения, т.к. оно может быть легко связано с целевой функцией минимизации энергетического функционала. Применительно к работе лопастных нагнетателей теоретически минимально возможные затраты энергии (значение целевой функции оптимизации) могут быть достигнуты в том случае, если напор (давление) на всем диапазоне изменения нагрузки будет минимально допустимым, а значение КПД соответствовать своему максимальному значению для принятого типа оборудования. Степень использования потенциала энергосбережения позволяет дать объективную оценку не только энергоэффективности различных способов управления, но и качеству подбора оборудования для заданных условий эксплуатации.

8. Разработана методика проведения предварительной оптимизации параметров предполагаемого к установке оборудования. Промышленная апробация подтвердила, что применение минимизации с предварительной оптимизацией позволяет получить экономию энергии от 29 до 63% (по отношению к дросселированию) и на 4-8% больше по отношению к минимизации. Указанный способ управления позволяет наиболее полно (от 93 до 98%) использовать имеющийся потенциал энергосбережения, чего не допускает ни один из известных методов.

Предложения для практики.

На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по основам метода снижения энергопотребления технологического оборудования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод агропромышленного комплекса (Утв. Отделением ветеринарной медицины, РАСХН, 04.12.2007 г.)

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва, Внедрено ОАО «Органический синтез» г. Казань по Системам оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой завода по производству Бифенола-А с годовым экономическим эффектом 1,65 млн. рублей; ООО «Рузские тепловые сети» г. Руза Московская обл. при пуско-наладочных работах (ЦТП) № 2 г. Руза, годовой экономический 1 млн. 900 тыс. руб; ЗАО «Кузнецовский» Московская обл.; Каголымское МУП «Водоканал» г. Каголым по реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции КОС г. Калолым с годовым экономическим эффектом 6 млн. рублей;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Николаев В.Г. Применение погружных грунтовых насосов для повышения производительности землесосных снарядов. Экспресс-информация серии «Строительство гидроэлектростанций», вып. 9, Информэнерго, М., 1975, с. 57-57 .

Николаев В.Г. Исследование потерь напора на входе на всасывающую трубу землесосного снаряда. Труды ВЗИСИ, Сб. «Расчетные методы в строительстве», М., 1975, с. 123-124.

Николаев В.Г. Рекомендации по определению области рационального применения эжекторно-землесосных снарядов. Экспресс-информации серии «Строительная индустрия», Вып. 12, Информэнерго, М, 1975, с. 35-36.

Николаев В.Г. Повышение производительности земснарядов путем применения погружных насосов. Строительные материалы №11, 1975, с. 32-34.

Николаев В.Г., Мельников Ю.Ф. Натурные испытания эжекторно -землесосных снарядов на строительстве КАМАЗа. Экспресс-информация. Серия «Организация производства работ на объектах промышленного и жилищного строительства» Минэнерго СССР. М. Информэнерго, вып. 9, 1975, с. 7-11.

Николаев В.Г., Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Расчет грунтовых насосов на основе систематики. РЖ 61. «Насосостроение и компресоростроение. Холодильное машиностроение», №2, 1976, с 18-28.

Николаев В.Г. Натурные испытания земснаряда с эжекторным наконечником. Материалы X Научно-технической конференции во Всесоюзном заочном инженерно-строительном институте, М., 1976, с. 65.

Николаев В.Г. Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. Патент 2230938 РФ, МПК 7 F 04 Д 15/00, 2003.

9. Николаев В.Г., Тихоненко Ю.Ф. Способ оценки эффективности применения частотно-регулируемого привода при работе групп лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах, Энергонадзор и энергоэффективность, № 3, 2003, с. 65-68.

10. Николаев В.Г. Методика оценки целесообразности применения частотно-регулируемого привода для повышения эффективности работы водопроводных насосных станций. Новые технологии и оборудование в водоснабжении и водоотведении НИИКВОВ, сборник материалов, выпуск 4, Москва, 2003, с. 6.

11. Николаев В.Г. Снижение энергопотребление - одно из важнейших направлений реформы ЖКХ, «Жилье и реформы», №3 2004, с. .

12. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосами в нестационарных технологических процессах коммунального хозяйства. Сборник докладов международного семинара «Экология селитебных территорий» МГСУ, М., 2006.

13. Николаев В.Г. Анализ энергоэффективности различных способов управления насосными установками с регулируемым приводом. Водоснабжение и санитарная техника, № 11, ч. 2, 2006, с. 6-16.

14. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления насосными агрегатами в нестационарных технологических процессах. Материалы 7-го Международного конгресса ЭКВАТЭК-2006, М., 2006, с. 135.

15. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосными агрегатами в системах водоснабжения при нестационарной нагрузке. Сантехника, № 4, 2006, стр. 22-26.

16. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы выбора оптимальных параметров лопастных нагнетателей и способа управления ими в нестационарных технологических процессах. Вестник Московского государственного университета им. В.П. Горячкина, № 3, 2007, с. 12-20.

17. Николаев В.Г. Сравнение методик определения энергоэффективности насосного оборудования станций биологической очистки. Экология и безопасность жизнедеятельности. Сборник статей VII Международной научно-практической конференции, Пенза 2007.

18. Николаев В.Г., Барсук И.В. Энергосберегающие способы управления насосным оборудованием канализационных насосных станций. Сборник трудов научно-технической конференции. МИКХиС, 2007.

19.Николаев В.Г. Новые подходы к выбору оптимальных параметров и способов управления насосным оборудованием с регулированным электроприводом. Вода - магазин, № 12, 2007.

20.Николаев В.Г., Денисов А.А. Методика оптимизации выбора состава и режимов работы для группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. Материалы международной научно-практической концференции ВНИТИБП, г. Щелково, 2007.

21. Николаев В.Г. Расчет энергопотребления насосных агрегатов. Материалы Международной научно-практической конференции ВНИТИБП, г. Щелково, 2007.

22. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы управления группой лопастных насосов при переменной нагрузке. Экология и промышленность Россия, март, №3, 2008, с. 40-44.

23. Николаев В.Г. Способы повышения энергоэффективности управления насосными установками сооружений биологической очистки сточных вод, Экология и промышленность России, январь, №1, 2008, с. 21-23.

24. Николаев В.Г. . энергосберегающие мнтоды выбора оптимального числа, параметров и способов управления группами лопастных насосов в системах водоснабжения АПК. Вестник Московского государственного университета им. В.П. Горячкина, № 1, 2008, с. 25-36.

25. Николаев В.Г. Влияние выбора способа управления лопастным насосом на определение его оптимальных параметров при переменной нагрузки, Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 5, 2008, с. 23-30.

26. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления режимами работы группы лопастных насосов, работающих параллельно. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 6, 2008, с. 17-25.

27. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления группой лопастных насосов с регулируемым электроприводом. Техника в сельском хозяйстве, № 3, 2008, с. 18-21.

28. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления режимами

работы группы лопастных насосов работающих параллельно, Мелиорация и водное хозяйство, № 5, 2008, с. 21-27.

29. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления группой

лопастных насосов при переменной нагрузке. Материалы 8-го Международного конгресса ЭКВАТЭК-2008, М., 2008.

30. Николаев В.Г. выбор оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 1, 2008, с. 43-46.

31. Николаев В.Г. Управление режимами работы группы лопастных насосов. Водоснабжение и санитарная техника, № 5, 2008, с. 9-16.

Размещено на Allbest.ru