Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.65

¹ ФГБОУВПО «Ивановский государственный политехнический университет», г. Иваново, Российская Федерация

² ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», г. Иваново, Российская Федерация

³ ООО «Эксперт Энерго», г. Москва, Российская Федерация

Моделирование режимов эксплуатации насосных станций, оборудованных центробежными насосами с разными характеристиками

Н.Н. Елин¹, В.Е. Мизонов², А.В. Цыплов¹, М.В. Исаев³

E-mail: mizonov46@mail.ru

Авторское резюме

насосный центробежный компьютерный энергопотребление

Состояние вопроса: В настоящее время при расчете и оптимизации режимов работы насосных станций, оборудованных насосами разного типоразмера, используются среднеарифметические коэффициенты полиномов, аппроксимирующих рабочие характеристики насосов, что может вносить значительную погрешность и приводить к повышенному энергопотреблению. В связи с этим необходимо создание математической модели таких насосных станций, учитывающей характеристики каждого насоса, и использование их для минимизации энергопотребления.

Материалы и методы: Предлагаемая математическая модель процесса основана на решении системы уравнений, описывающих действительные напорно-расходные характеристики насосов и трубопроводной сети.

Результаты: Разработана математическая модель насосной станции, оборудованной центробежными насосами с разными характеристиками, и ее компьютерная реализация. Показано, что максимальное сокращение энергопотребления такой станции достигается при последовательном регулировании насосов с учетом величины статического напора сети.

Выводы: Предложенная математическая модель процесса и алгоритм ее численной реализации позволяют повысить точность расчетных прогнозов режимов работы насосных станций, оборудованных насосами разного типоразмера, и их энергетическую эффективность.

Ключевые слова: насос, насосная станция, напор, производительность насоса, напорно-расходная характеристика, частотное регулирование, глубина регулирования, энергопотребление.

Abstract

Background: At present, in order to calculate and optimize operating regimes of pump stations equipped with pumps of different dimension type the arithmetic mean coefficients of polynomials that approximate operating characteristics of the pumps are used. It can lead to considerable errors and increased energy consumption. Actuality of the work is in building a mathematical model of pump station that takes into account characteristics of each pump, and in using it to minimize the energy consumption.

Materials and methods: The proposed mathematical model is based on solution of a set of equations that describes the head-capacity characteristics of the pumps and a pipeline system.

Results: A mathematical model of pump station equipped with centrifugal pumps of different characteristics and its computer realization are developed. It is shown that the maximum reduction of energy consumption to a pump station, equipped with pumps of different characteristics, can be reached by co-current control of the pumps taking into account the static pressure in a hydraulic network.

Conclusions: The proposed model of the process and algorithm for calculation allow improving the accuracy of computational prognosis of operating regimes of pump stations, equipped with pumps of different characteristics, and their energy efficiency.

Key words: pump, pump station, fluid head, pump delivery, head-pump capacity characteristics, frequency control, depth of control, energy consumption

Одна из проблем эксплуатации насосных станций, оборудованных насосами разных типоразмеров, заключается в отсутствии адекватных методов расчета напорно-расходных характеристик параллельно включенных центробежных насосов с разными характеристиками. Например, в известном ПК ГИС-Zulu [1] предлагается использовать среднеарифметические величины коэффициентов полиномов, аппроксимирующие напорно-расходные характеристики насосов. В других источниках [2-8] рекомендуется пользоваться графическими методами сложения характеристик.

Рассмотрим параллельную работу двух насосов с напорно-расходными характеристиками

H₁(Q) = H₀₁ - a₁Q², (1)

H₂(Q) = H₀₂ - a₂Q², (2)

на сеть с характеристикой

H_p(Q) = H_0p + a_pQ². (3)

При их параллельном включении напорно-расходная характеристика имеет следующий вид:

HS(Q) = H₁(Q), если H₁(Q) > H₀₂, (4)

HS(Q) = H₀₂ - a_m(Q - Q_k)², если H₁(Q) ? H₀₂, (5)

где a_m = H₀₂/(Q_m1 + Q_m2 - Q_k)²; (6)

Q_m1 и Q_m2 - максимальные подачи первого и второго насосов (при их нулевых напорах);

Q_k - производительность большего насоса при включении в работу меньшего при условии H₁(Q) = H₀₂:

(7)

(8)

(9)

На рис. 1 представлены результаты расчетов по предлагаемой методике (1)-(9) и по методике, используемой в ПК ГИС-Zulu [1]. Очевидно, что результаты, полученные по предлагаемой методике, полностью соответствуют действительности, так как удовлетворяют известным правилам [2-8]:

- насос с меньшим напором холостого хода (H₀₂) включается в работу только тогда, когда требуемый напор группы насосов больше этой величины H₀₂;

- суммарная производительность параллельно работающих насосов равна сумме их подач.

Результаты, полученные на основе методики Zulu [1], не удовлетворяют этим правилам, и поэтому использование этой и ей подобных методик может привести к грубым ошибкам.

При параллельной работе насосов разного типоразмера одной из актуальных задач является поиск параметров регулирования их подачи, при котором энергетические затраты на подачу воды минимальны. В последние годы все большее распространение получает метод частотного регулирования как самый энергетически эффективный. Известно, что энергетическая эффективность группы совместно работающих насосов повышается при увеличении степени равномерности их загрузки [9]. Этому условию соответствует такое уменьшение частоты вращения вала насоса большего типоразмера, при котором напор его холостого хода становится равным напору холостого хода насоса меньшего типоразмера. При этом глубину регулирования частоты вращения этого «большего» насоса (отношение частоты вращения при ее регулировании к номинальной частоте) можно определить как [10-12]

(10)

Характеристика насоса с исходной характеристикой H(Q) = H₀ - aQ² при изменении частоты вращения рассчитывается по формуле

H(Q) = H₀?np² - aQ², (11)

где np - глубина регулирования.

Рис. 1. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети: H₁(Q) - напорно-расходная характеристика первого насоса; H₂(Q) - напорно-расходная характеристика второго насоса; HS(Q) - напорно-расходная характеристика группы насосов, рассчитанная по предлагаемой методике; HSZ(Q) - напорно-расходная характеристика группы насосов, рассчитанная по методике Zulu [1]; H_p(Q) - гидравлическая характеристика сети

На рис. 2 представлены результаты расчетов характеристик группы насосов и сети для данного случая, а на рис. 3 - для случая уменьшения частоты вращения обоих насосов на 10 % (по сравнению с теми, которые соответствуют характеристикам, представленным на рис. 2). Обозначения на рис. 2 и 3 такие же, как на рис. 1.

Рис. 2. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети при глубине регулирования частоты вращения насоса большего типоразмера, рассчитанной по (10)

Рис. 3. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети при глубине регулирования частоты вращения: насоса большего типоразмера - на 0,9?np₁₀; насоса меньшего типоразмера - на 0,9?np₂₀

Еще одной важной проблемой является учет влияния статического напора сети, в которую подает жидкость насосная станция [10]. Рассмотрим работу насосной станции с напорно-расходной характеристикой (11) на сеть с гидравлической характеристикой (3). Полагая, что при отсутствии частотного регулирования (np = 1) производительность равна Q₀, получим систему двух уравнений:

H₀ - aQ₀² = H_0p + a_pQ₀ ², (12)

H₀?np² - aQ² = H_0p + a_pQ², (13)

решая которую, найдем зависимость глубины регулирования частоты от глубины регулирования подачи q = Q/Q₀:

(14)

На рис. 4 представлены результаты расчетов по формуле (14), которые позволяют оценить влияние статического напора сети. Хорошо видно, что при его увеличении требуемая глубина регулирования подачи уменьшается (параметр np увеличивается), что приводит к увеличению энергозатрат. Кроме того, для каждого значения статического напора сети существует определенная частота вращения вала, при которой насос работает на холостом ходу. Эту частоту можно найти путем умножения исходной частоты вращения на величину отрезка, отсекаемого кривой np(Q), рассчитанной для данного статического напора сети, на оси ординат.

Рис. 4. Зависимость глубины регулирования частоты насоса от требуемой глубины регулирования подачи (напор холостого хода насоса 80 м в. ст.) при различных значениях статического напора сети: nv0 - 0; nv5 - 5; nv10 - 10; nv20 - 20 м в. ст.

Предлагаемая методика использовалась при оптимизации режимов эксплуатации насосного оборудования на одной из ТЭЦ Мосэнерго. В качестве примера в табл. 1 представлены результаты расчетов энергетических показателей группы конденсатных насосов КНБ-1 при различных способах регулирования подачи.

Анализ результатов, представленных в табл. 1, показывает:

1. В рассматриваемом случае работа двух насосов всегда энергетически неэффективна по сравнению с работой одного насоса. Это объясняется тем, что рабочая точка находится на «горизонтальном» участке напорно-расходной характеристики.

2. Самым энергетически эффективным, как и следовало ожидать, является способ частотного регулирования, а самым неэффективным - метод рециркуляции. Высокая эффективность частотного регулирования в рассматриваемом случае объясняется большой требуемой глубиной регулирования частоты.

3. Включение второго насоса при использовании частотного регулирования не приводит к снижению энергетической эффективности способа, однако при этом требуется некоторое увеличение глубины регулирования.

Таблица 1. Энергетические показатели группы конденсатных насосов КНБ-1 при различных способах регулирования подачи

4. При работе одного насоса значения КПД при регулировании подачи дросселированием и при ее регулировании изменением частоты вращения вала приблизительно одинаковы и значительно превышают значения КПД при регулировании рециркуляцией. При работе двух насосов значения КПД при регулировании подачи рециркуляцией и при ее регулировании изменением частоты вращения вала приблизительно одинаковы и значительно превышают значения КПД при регулировании дросселированием. Это объясняется формой характеристики «КПД - расход».

Расчет потенциала энергосбережения по насосной группе КНБ-1 проводился на основании данных системы технического учета за период с 21.09.2012 по 24.07.2013 (табл. 2).

Таблица 2. Расчет потенциала энергосбережения

Суммарный потенциал энергосбережения при внедрении устройств частотного регулирования привода за базовый период составил 374,92 тыс. кВтч. При себестоимости электроэнергии на данной ТЭЦ 1,35 руб/кВтч экономический эффект составит 506,1 тыс. руб.

Список литературы