Энергоэффективность различных способов регулирования электропривода группы насосных агрегатов

УДК 523.2

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ГРУППЫ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

© 2011 г. П.Г. Колпахчьян, Л.И. Лавронова

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Описывается исследование различных способов управления насосными агрегатами. По результатам анализа рассмотренных способов регулирования выбран наиболее эффективный с точки зрения снижения затрат электроэнергии. В качестве примера выполнен расчет суточного энергопотребления насосной станцией с тремя насосными агрегатами при использовании различных способов регулирования. По результатам расчетов построены графики зависимости потребляемой насосными агрегатами мощности, определен наиболее эффективный способ управления.

Ключевые слова: насосная станция; асинхронный двигатель; насосный агрегат; преобразователь частоты.

Research of various ways of management by pump units is described. By results of the analysis of the considered ways of regulation the most effective is chosen from the point of view of decrease in expenses of the electric power. As an example calculation of daily power consumption by pump station with three pump units is executed at use of various ways of regulation. By results of calculations schedules of dependence of capacity consumed by pump units by results of which analysis which the most effective way of management is defined are constructed.

Keywords: pumping station; induction motor; pumping unit; the frequency converter.

Системы водоснабжения и водоотведения являются одной из наиболее важных составляющих инфраструктуры коммунального хозяйства РФ. Одним из важных элементов систем водоснабжения и водоотведения являются насосные станции. Применение нерегулируемого привода насосных агрегатов обусловливает повышенный расход электроэнергии, затрачиваемой на перекачку воды. Одним из приоритетных направлений развития систем водоснабжения и водо-отведения является внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий. Поэтому актуальной является задача развития энергоэффективных способов регулирования насосных агрегатов, устанавливаемых на насосных станциях.

Наиболее эффективным с точки зрения снижения затрат электроэнергии методом регулирования подачи жидкости насосом является изменение частоты его вращения. Целесообразность применения этого способа определяется соотношением статической и динамической составляющей сопротивления магистрали [1]. Статическая составляющая обусловлена геодезической высотой подъема жидкости и не зависит от длины трубопровода и расхода. Под геодезической высотой подъема подразумевается разница в геодезическом уровне между впускным патрубком насоса и свободной поверхностью жидкости в наиболее высоко расположенном резервуаре или в конце трубопроводной магистрали. Динамическая составляющая описывается квадратичной зависимостью от расхода [2, 3].

В соответствии с [1] гидравлическое сопротивление магистрали определяется по формуле

Нм(д)=яст + SQ2,

где Нст - статический напор, м; д - расход воды по водоводам, м3/с; S - сопротивление системы водоводов, с2/м5.

Статический напор: Нст = Нг + Нсв, где Нг - геодезическая высота подъема воды; Нсв - свободный напор в точке питания.

На эффективность применения различных способов регулирования производительности насосных агрегатов значительное влияние оказывает величина статической составляющей гидравлического сопротивления магистрали. В работе [1] отмечено, что наиболее эффективно применение регулирования производительности насосных агрегатов в тех случаях, когда статическое сопротивление составляет меньшую часть от общего гидравлического сопротивления трубопровода, когда насосная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции 2-го, 3-го подъема, станции подкачки).

Помимо характера изменения гидравлического сопротивления магистрали на энергопотребление влияет также неравномерность подачи воды насосной станцией водопровода в течение суток. В качестве примера на рис. 1 приведен суточный график подачи воды насосной станцией второго подъема городской системы водоснабжения.

Q, м3 200-И 150 100 50-И

о-И*

Ш

0-6

9-12

12-14 14-17 17-22 22-24

Рис. 1. Суточный график расхода воды станции второго подъема: П - время суток

С целью анализа эффективности различных способов регулирования расхода жидкости на насосной станции с точки зрения снижения затрат электроэнергии исследованы основные способы изменения производительности насосного агрегата: дросселирование и управление частотой вращения. В первом случае снижения потребляемой из сети мощности практически не происходит, так как мощность привода насосного агрегата расходуется на преодоление повышенного сопротивления магистрали. В результате имеет место неоправданно высокий расход электроэнергии на перекачку жидкости. Применение частотно-регулируемого привода на насосных станциях позволяет адаптировать характеристики насосного агрегата к характеристикам гидравлической сети за счет выбора скорости вращения насоса, отвечающей режиму работы станции, и тем самым снизить энергопотребление [4].

Для расчета энергопотребления насосными агрегатами при различных способах регулирования используются следующие соотношения. Мощность, расходуемая насосом на перекачку жидкости, опреде-

pgH1¡ Q

ляется по формуле

Nн _J

Пи

N = -

Лд Лп

N (Q) = fNи

f

1

Ли

ÖE f

где f - число работающих параллельно насосов; -суммарный расход жидкости, перекачиваемый насосными агрегатами, м3/ч.

В случае, когда один из насосов подключен к преобразователю и его производительность регулируется изменением частоты вращения, расчет расхода электроэнергии на перекачку жидкости этим насосом производится по следующей методике. Исходными данными для расчета являются расход жидкости и напор, который требуется создавать в магистрали для его обеспечения.

Для пересчета характеристик имеющихся в наличии насосов на другую частоту вращения можно использовать полученные с помощью теории подобия условия пропорциональности [3]:

ii 1 Hl _ / \ nL 1 2 Nh1 _ / \

Q2 n2 ' H 2 V n2 у ? Nh2 V n2 у

Индексы 1 и 2 соответствуют подобным режимам работы одного и того же насоса. С учетом приведенных соотношений (1) и (2) зависимости напора и потребляемой мощности насоса, вращающегося с частотой пчр имеют вид, причем = /(О):

H нЧр (Q, n) = H и

Q—

n

N,

нчр

(Q,n) _ Nh Q-6 n

f \3 n

где р - плотность

перекачиваемой жидкости, кг/м3; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; Нн - создаваемый насосом напор, м; О - расход жидкости, м3/с.

Мощность, потребляемую от питающей сети электроприводом насосного агрегата, состоящего из преобразователя электроэнергии и двигателя, находим из соотношения

Nн

где пб - частота вращения насоса, для которой приведена характеристика напора от производительности.

Для расчета расхода электроэнергии в системе, имеющей нерегулируемые и частотно-регулируемые насосы, сначала необходимо определить распределение расхода перекачиваемой жидкости между насосами. Для этого определяем расход жидкости, обеспечиваемый нерегулируемыми насосами Он, который получаем в результате решения уравнения

H н|^|_ H м ( Qh ) .

где пд и пп - КПД приводного двигателя и преобразователя.

Если двигатель питается напрямую от сети, то потери электроэнергии в преобразователе не учитываются (пп принимается равным 1).

При определении расхода электроэнергии насосными агрегатами в режиме дросселирования (регулирования задвижной) считается, что насосы работают с равным расходом жидкости. Тогда расход электроэнергии на перекачку насосными агрегатами в зависимости от расхода жидкости определяется по формуле

где т- число нерегулируемых насосов (от 1 до 3).

Расход жидкости, приходящийся на частотно-регулируемый насос, получается как разница между требуемым расходом и расходом, обеспечиваемым нерегулируемыми насосами Ончр = О - Он .

Затем по требуемому напору и расходу жидкости с учетом (3) определяется частота вращения насоса как результат решения уравнения

H н

Q

нчр

нчр у

\2

'нчр

V "б у

= H м

Электроэнергия, потребляемая нерегулируемыми насосами, находится по зависимостям для номинальной частоты вращения, регулируемым насосом - в соответствии с (4).

3

2

n

V пб у

V пб у

n

б

При регулировании всех насосов с помощью задвижки мощность, потребляемая в процессе регулирования в течение суток, практически не изменяется. Определим потребляемую мощность по следую-жн м

щей формуле: N =

Лд л,

В качестве объекта для дальнейшего анализа влияния способов регулирования производительности насосных агрегатов на расход электроэнергии рассмотрена насосная станция второго подъема городской системы водоснабжения. Считается, что на ней установлена группа центробежных насосных агрегатов с насосами типа К 100-65-200а/2-5. На рис. 2 приведены характеристики насоса при частоте вращения 48 Гц (2800 об/мин) - зависимость создаваемого напора от расхода перекачиваемой жидкости Нн(д), КПД Лн(<) и потребляемой мощности соответственно.

Н, м. 1111111 11 11 111111 111111111 11 11 111111 11 I

30 20 10 0

л, % 70 60 50 40 30 20 10 0

25 50 75 100 125 150 175 Q, м3/ч а

I I I I 1 I 1 I I I 1 L 1 I J I 1 I 1 I I I I I J L i I J I I I I I I I t I I

25 50 75 100 125 150 175 Q, м3/ч б

N, кВт

15

10

0 1-1. I. Х. ¡..1.-1—I.. I I I I I I I I I I I I I I I I I I II I I I I II_

25 50 75 100 125 150 175 2, м3/ч в

Рис. 2. Зависимость напора

Как было указано выше, эффективность регулирования производительности насосных агрегатов путем изменения частоты вращения во многом определяется соотношением статической и динамической составляющей гидравлического сопротивления магистрали. Для оценки влияния этого эффекта на энергопотребление были выполнены расчеты мощности, потребляемой насосным агрегатом при регулировании его производительности изменением частоты вращения насоса. При выполнении расчетов гидравлическое сопротивление магистрали представлено в виде

Н (2 ) = кНст Н „ +(1 - кНст) Нн 22,

дн

где <н, Нн - расход воды насосом и создаваемый им напор в номинальном режиме; кНст - коэффициент, определяющий статическую составляющую гидравлического сопротивления магистрали.

На рис. 3 приведены результаты расчета мощности, потребляемой насосным агрегатом на перекачку жидкости, в зависимости от подачи при различных соотношениях статической составляющей гидравлического сопротивления магистрали и сопротивления в номинальном режиме.

Q, м3/ч

Рис. 3. Зависимость потребляемой насосом мощности от подачи жидкости при регулировании частоты вращения одного насоса. Кривые потребления мощности: 1 - при кНст = 0,8; 2 - при кНст = 0,6; 3 - при кНст = 0,4; 4 - при кНст = 0,2;

5 - в случае дросселирования

Анализ полученных результатов показывает, что регулирование расхода жидкости путем снижения частоты вращения насоса целесообразно до величины порядка 50 % от номинальной. При более глубоком снижении расхода падение КПД насоса и возрастающие удельные потери в двигателе и преобразователе сводят на нет эффект от снижения частоты вращения. При увеличении статической составляющей эффект от регулирования частоты вращения насоса снижается. Как видно из данных, приведенных на рис. 3, наибольшая эффективность регулирования наблюдается при соотношении гидравлического сопротивления трубопровода магистрали в диапазоне 0,2 - 0,8.

Еще одним способом управления (в случае работы сразу нескольких насосов) является подключение к каждому из параллельно работающих насосных агрегатов индивидуального преобразователя. В этом слу-

5

чае каждый насосный агрегат большую часть времени работает вне зоны максимального КПД, а также имеет дополнительные потери в двигателях привода насосных агрегатов из-за питания их несинусоидальным напряжением и потери в преобразователях. Эти факторы снижают эффект экономии электроэнергии от снижения частоты вращения насосов [5].

Для анализа эффективности различных способов регулирования производительности насосных агрегатов были рассмотрены следующие варианты регулирования группы насосных агрегатов:

- подключение - отключение насосов по мере изменения подачи и дросселирование всех насосов для точного регулирования расхода воды;

- подключение - отключение насосов по мере изменения подачи и регулирование частоты вращения всех насосов;

- подключение - отключение насосов по мере изменения подачи и регулирование частоты вращения одного насоса.

На рис. 4 а показана зависимость потребляемой группой насосов мощности в случае регулирования их производительности дросселированием. По мере роста расхода жидкости затрачиваемая на ее перекачку мощность возрастает практически линейно. Степень открытия задвижки снижается и в момент, когда насос выходит на номинальную производительность, открывается полностью. В случае необходимости дальнейшего увеличения расхода жидкости происходит подключение еще одного параллельно работающего насоса. При этом происходит ступенчатое возрастание потребляемой мощности из-за необходимости закрытия задвижки с целью регулирования расхода жидкости в соответствии с требуемой величиной.

На рис. 4 б и в представлены зависимости мощности, потребляемой в процессе регулирования группой насосных агрегатов. На рис. 4 б показана зависимость для случая регулирования частоты вращения всех насосных агрегатов. По мере возрастания расхода жидкости увеличивается частота вращения насоса. После того, как частота вращения первого насоса достигла номинальной, подключается дополнительный насосный агрегат. Поскольку при его подключении подача каждого насоса снижается, насосные агрегаты работают вне зоны наилучших энергетических показателей, в результате чего происходит скачок потребляемой мощности. При регулировании производительности изменением частоты вращения одного насоса, дополнительный насос подключается непосредственно к сети и берет на себя основную часть подачи жидкости. В этом случае регулируемый насос должен обеспечить разницу между ней и требуемой подачей. Когда эта разница невелика, этот насос работает с низкими энергетическими показателями. Поэтому непосредственно после подключения дополнительного насосного агрегата происходит ступенчатое изменение потребляемой мощности, несколько превышающее аналогичное изменение для случая регулирования частоты вращения всех насосов (см. рис. 4 в). По мере увеличения расхода энергетические показа-

тели регулируемого двигателя улучшаются и потребляемая группой насосных агрегатов мощность становится ниже, чем при изменении частоты вращения всех насосов. Поэтому эти способы регулирования сопоставимы с точки зрения снижения затрат электроэнергии на перекачку жидкости [6, 7].

М, кВт

60

40

20

100 200 Q, м3/ч

а

N, кВт

60

40

20

100 200 Q, м3/ч

б

N кВт

100

200 Q, м3/ч

Рис. 4. Мощность, затрачиваемая группой насосов на перекачку жидкости при статической составляющей гидравлического сопротивления магистрали 0,8: а - при дросселировании всех насосов; б - при регулировании частоты вращения одного насоса; в - при регулировании частоты вращения всех насосов

Для оценки энергетической эффективности регулирования производительности группы насосных агрегатов был выполнен расчет расхода электроэнергии с учетом суточного графика водопотребления (см. рис. 1), при различных значениях соотношениях статической и номинальной гидравлического сопротивления магистрали. Результаты расчетов приведены в таблице.

0

0

в

Значения потребления электроэнергии при различных способах регулирования, кВтч

Нст/Нн Дросселирование Регулирование группы насосов Регулирование одного привода

0,2 501,36667 349,574876 354,040552

0,3 507,392129 377,016393 379,519784

0,4 515,38714 407,34144 408,461758

0,5 522,935178 437,511683 436,626704

0,6 531,136058 468,536078 465,289557

0,7 547,659069 503,119702 497,688204

0,8 568,984147 545,716729 537,443203

Анализ полученных данных показал, что по мере увеличения статической составляющей гидравлического сопротивлении магистрали снижается эффективность регулирования производительности насосов путем изменения частоты вращения. Сравнение расхода электроэнергии при регулировании частоты вращения всех насосных агрегатов и одного насосного агрегата, при подключении остальных напрямую к сети, показало, что оба этих способа имеют примерно равную энергетическую эффективность. Поэтому для создания устройств управления группой насосных агрегатов возможно применение одного преобразователя вместо нескольких, что существенно снижает стоимость системы.

Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательских работ по государственному контракту № 14.740.11.1294 от 17 июня 2011 г. по теме: «Проведение исследований по созданию промышленных устройств управления приводами в области систем водоснабжения и водоотведения» и по государственному контракту № 16.516.11.6066 от 28 апреля 2011 г. по теме:

Поступила в редакцию

«Разработка научно-технических основ создания интеллектуальных систем управления городскими насосными станциями».

Литература

1. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеха-низмов. М., 1972. 240 с.

2. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М., 2004. 576 с.

3. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. М., 1980.

4. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем : учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. М., 2004. 272 с.

5. МоскаленкоВ.В. Электрический привод. М., 2007. 368 с.

6. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М., 2006. 272 с.

7. Борис К., Евгений Е. Современные преобразователи частоты: методы управления и аппаратная реализация // Силовая электроника. 2004. № 1. С. 50.

26 сентября 2011 г.

Колпахчьян Павел Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 2-55-1-13. E-mail: Kolpahchyan@mail.ru

Лавронова Людмила Ивановна - аспирант, кафедра «Электрический транспорт», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255113. E-mail: Lavronoval@mail.ru

Kolpahchjan Pavel Grigorevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electric and Electronic Devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 2-55-1-13. E-mail: Kolpahchyan@mail.ru

Lavronova Ludmila Ivanovna - post-graduate student, department «Electric Transport», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255 113. E-mail: Lavronoval@mail.ru