Размещено на http://www.allbest.ru/

Потери энергии в системах повышения давления

Каргин С.А., кандидат технических наук,

Генеральный директор ООО «АСУ-Технология», г. Москва

Большинство современных насосных установок повышения давления построены по параллельной схеме включения насосов, обеспечивающей суммирование генерируемых каждым насосом потоков. Регулирование такими системами осуществляется по уровню давления в точке регулирования, которая, как правило, максимально приближена к насосам.

Наиболее часто управление насосами установок повышения давления осуществляется по следующей схеме: один насос регулируется преобразователем частоты (ПЧ), остальные работают в режиме максимальной производительности.

Рис. 1 Структура установки повышения давления с параллельно работающими насосами

Графики совместной работы насосов регулируемых систем будут иметь вид, представленный на рис. 2 [2].

Рис. 2 Графики совместной работы сети и насосов

На рисунке 2:

I(n1), I(n2) - характеристики регулируемого насоса для частоты вращения n1<n2;

II, III - напорные характеристики второго и третьего нерегулируемых насосов;

I+II+III - напорная характеристика совместной работы первого насоса в режиме полной производительности, второго и третьего нерегулируемых насосов;

I(n1/2)+II/ +III - напорные характеристики совместной работы первого регулируемого насоса для частоты вращения n1/n2, второго / третьего нерегулируемых насосов;

IV - характеристика трубопровода.

Наличие регулируемого насоса в системах повышения давления обеспечивает поддержание заданного давления в напорной магистрали при переменном расходе со стороны потребителей. Основное преимущество схемы с одним регулируемым насосом относительно низкая стоимость аппаратной части. Однако для рассматриваемой схемы неизбежны энергетические потери, связанные с перераспределением мощности между работающими с различной производительностью насосами. Такие потери всегда следует учитывать при выборе и проектировании систем повышения давления.

Насосы, имеющие одинаковые технические характеристики, различаются по генерируемой ими гидравлической мощности. Гидравлическая мощность насоса определяется его активной мощностью:

, (1)

где - к.п.д. насоса. При этом полезную работу совершает только активная составляющая гидравлической мощности, а реактивная ее составляющая определяет потери в системе.

Различие в генерируемой мощности насосов, работающих на одну напорную магистраль, определяется следующими причинами: изменением частоты вращения, отклонением электрических и механических параметров от заявленных значений, различным положением насосов относительно всасывающего и напорного коллектора.

Такие различия в генерируемой насосами гидравлической мощности приводят к энергетическим потерям в системах повышения давления. В системах с одним регулируемым насосом на первом этапе целесообразно рассмотреть лишь потери, связанные с изменением частоты вращения регулируемого насоса, а остальными потерями пренебречь.

Для определения потерь, связанных с уменьшением мощности регулируемого насоса при снижении частоты его вращения, рассмотрим эпюры гидравлических мощностей двух насосов с асинхронными электродвигателями. Насосы работают на общий напорный коллектор по схеме рис.1, при этом один регулируется преобразователем частоты, другой работает в режиме максимальной производительности.

Гидравлическая мощность Р насоса с асинхронным электродвигателем определяется произведением момента на валу двигателя М и угловой скорости его вращения [3]:

РМ. (2)

Момент на валу электродвигателя насоса сохраняется относительно постоянным при изменении частоты вращения электродвигателя по закону регулирования , или плавно увеличивается при законе регулирования [4]. В соответствие с этим согласно выражению (2) гидравлическая мощность насоса пропорциональна частоте / квадрату частоты его вращения. Влияние скольжения асинхронного двигателя насоса на изменение момента на его валу незначительно, поэтому для рассматриваемой задачи им можно пренебречь [4].

Для параллельной схемы работы двух насосов предположим, что нерегулируемый насос имеет гидравлическую мощность Р1, регулируемый - Р2. Эпюры мощностей насосов представлены на рис.3.

Рис.3. Эпюры мощностей двух параллельно работающих насосов

На рис.3:

- векторы активных составляющих гидравлических мощностей первого и второго насоса;

- вектор реактивной составляющая гидравлической мощности первого насоса;

- векторы полных значений гидравлических мощностей первого и второго насоса.

Первый насос для эпюр на рис. 3 - нерегулируемый, имеет активное значение гидравлической мощности РМ, второй насос, регулируемый, имеет активное значение гидравлической мощности РМ. При этом, , соответственно

Поскольку существует небаланс мощностей, неизбежно возникнет реактивная составляющая вектора большей мощности , которая направлена в сторону вектора меньшей мощности и приложена к нему (рис. 3). Вектор гидравлической мощности первого насоса «поворачивается» вокруг своей начальной точки до пересечения со «средним» значением мощности системы из двух насосов Wсредн, сохраняя свой модуль и переходя в вектор полной мощности . Проекции вектора на оси у и х определяют соответственно активную и реактивную составляющую гидравлической мощности. Реактивная составляющая гидравлической мощности не совершает полезную работу, а лишь является величиной, необходимой для приведения системы в некоторое равновесное состояние относительно рассматриваемых координат W1W2.

Активная составляющая вектора , являющаяся проекцией этого вектора на ось y, уменьшается до значения . Реактивная составляющая вектора полной мощности первого насоса совместно с вектором активной мощности второго насоса образует вектор полной мощности этого насоса, модуль которого определится выражением

. (3)

Суммарная активная гидравлическая мощность системы из двух насосов определится выражением

. (4)

Для определения значения запишем систему скалярных уравнений:

(5)

Второе выражение в (5) определяет условие энергетического равновесия рассматриваемой системы генерирования гидравлической мощности.

Для системы уравнений (5): подставляя первое выражение в третье, второе - в четвертое, а затем, складывая третье и четвертое выражения, с учетом постоянства моментов, получим

повышение давление насос магистраль

.= . (6)

Из выражения (6) следует, что среднее значение мощности в системе из двух насосов определяется среднеквадратическим значением мощностей этих насосов [1].

Коэффициент потерь системы из двух насосов, работающих с разной мощностью, составит

, (7)

где значение определится выражением (6). В выражении (6) вместо значения , учитывая соотношение , в котором p - количество пар полюсов электродвигателя [4], удобно использовать значение угловой частоты вращения f, выражаемое в Гц.

Выражение (7) показывает, на какую величину уменьшится к.п.д. системы из двух насосов при небалансе их мощностей.

Используя выражения (6), (7), произведем расчет потерь в системах с параллельным включением от 2 до 6 насосов, из которых 1 насос - регулируемый, остальные работают в режиме постоянной производительности. Расчеты будем проводить только для потерь, связанные с изменением мощности регулируемого насоса.

На рис. 4 представлены зависимости коэффициента потерь (7) от частоты вращения регулируемого насоса для установок с различным количеством насосов. Коэффициент потерь определяет, на какую величину уменьшается коэффициент полезного действия системы с различным количеством насосов при изменении частоты вращения регулируемого насоса.

Рис.4 График зависимости коэффициента потерь от частоты вращения регулируемого насоса

Графики на рис.4 показывают, что наибольшие потери имеет установка из двух насосов, один из которых работает в режиме максимальной производительности, второй является регулируемым.

На рис.5 представлена зависимость коэффициента потерь от соотношения регулируемых/нерегулируемых насосов для различных частот вращения регулируемого насоса. В качестве опорных частот выбраны угловые частоты вращения 20, 30, 40 Гц.

Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь от количества насосов при различных частотах вращения регулируемого насоса

Графики на рис. 5 показывают, что наименее эффективными являются установки с двумя насосами в том случае, когда один насос работает в режиме максимальной производительности, другой является регулируемым, при этом наиболее эффективными установками являются установки с тремя и четырьмя насосами, из которых один насос - регулируемый.

Основным недостатком 5- и 6- насосных установок является снижение глубины регулирования, что, в свою очередь, вызывает увеличения количества коммутаций насосов. Кроме этого, с увеличением количества нерегулируемых насосов значительно увеличиваются энергетические потери системы из-за различия параметров насосов, работающих в режиме максимальной производительности. Таким образом, рациональное соотношение регулируемых / нерегулируемых насосов составляет 1/2…1/3.

Проведенные расчеты показывают, что увеличение соотношения регулируемых/нерегулируемых насосов вызывает резкое увеличение потерь. На рис. 6 представлены зависимости потерь в системе при увеличении количества регулируемых насосов.

Рис. 6. Изменение коэффициента потерь при увеличении количества регулируемых насосов

повышение давление насос магистраль

Для подтверждения правильности проведенных расчетов на базе МУП «Водоканал» г. Подольска специалистами ООО «АСУ-Технология» был проведен эксперимент. В действующей системе повышения давления для трех насосов мощностью 250 кВт каждый, управляемых тремя преобразователями частоты, было произведено уравнивание активных нагрузок насосов. Уравнивание нагрузок производилось введением корректирующих частот для каждого преобразователя частоты. При этом было отмечено, что после уравнивания активных нагрузок увеличивалось среднеквадратическое значение активной нагрузки системы, при этом среднее значение частоты снижалось.

Активная нагрузка насоса определяет генерируемую им гидравлическую мощность (1). При уравнивании активных нагрузок реактивные составляющие гидравлической мощности, обусловленные их небалансом, становятся равными нулю (рис. 3). В результате этого повышаются активные составляющие гидравлических мощностей насосов, что приводит к повышению активной гидравлической мощности системы.

Повышение активной гидравлической мощности приводит к увеличению давления в точке регулирования относительно стабилизируемого значения, что приводит к снижению среднего значение частоты. Таким образом, при изменении небаланса гидравлических мощностей насосов увеличивается к.п.д. системы как среднее значение к.п.д. насосов, что приводит к снижению ее энергопотребления при совершении той же работы.

На рис. 7 представлена зависимость коэффициента потерь (7) при отключенном режиме уравнивания нагрузок от изменения среднего квадратического отклонения частоты [1] для трех состояний системы из трех регулируемых преобразователями частоты насосов при включении режима. Состояния системы определялись тремя заданными значениями давлений для точки регулирования: 5,0; 5,5; 6,0 бар.

Рис.7. Зависимость коэффициента потерь от рассогласования частот вращения насосов

Зависимость, приведенная на рис.7, показывает, что даже незначительное изменение разности частот вращения параллельно работающих насосов (от 0,3 до 0,6 Гц) приводит к заметному (от 1,2 …1,8%) росту энергетических потерь в системе, исчисляемых согласно (7) от суммарной мощности работающих насосов. Эти потери, в конечном итоге, приводят к дополнительным потерям потребляемой электроэнергии.

Выводы

Учитывая проведенные расчеты и полученные практические результаты, можно сделать следующие выводы:

1. При рассмотрении графиков параллельной работы насосов (рис.2) весьма полезно учитывать энергетические потери в системе, вызванные снижением частоты регулируемого насоса. В этом случае графики совместной работы насосов (рис.2) с учетом зависимостей, приведенных на рис.3, принимают вид:

Рис.8. Зависимость коэффициента потерь от количества насосов и производительности регулируемого насоса в системе трех насосов

2. В системах с двумя насосами, один из которых является регулируемым, а другой работает в режиме максимальной производительности, энергетические потери могут достигать 18% общей мощности системы. Для насосов мощностью 250 кВт такие потери в пересчете на энергетический показатель составят до 65 кВт час.

3. В системах с одним регулируемым насосом для уменьшения энергетических потерь следует избегать режимов работы «один регулируемый / один нерегулируемый насос». Такой режим для систем из 3 …4 насосов, из которых один является регулируемым, может составлять не менее 70…80% времени их функционирования.

Исходя из этого, структура энергоэффективной системы повышения давления, которая характеризуется минимальной стоимостью оборудования при минимальных энергозатратах на поддержание заданного давления в точке регулирования, представлена на рис. 9.

Рис.9. Структура энергоэффективной системы повышения давления

Система (рис.9) имеет в своем составе две группы с двумя насосами. В каждой группе один насос - регулируемый, другой - нерегулируемый. При работе двух насосов управление всегда производится от двух преобразователей частоты. При необходимости подключения третьего (четвертого) насоса один из ПЧ выводится на режим максимальной производительности и работает в нерегулируемом режиме. Таким образом, в системе из трех или четырех насосов один насос является регулируемым, остальные работают в режиме полной производительности.

При отключении третьего и четвертого насосов выведенный в режим максимальной производительности преобразователь частоты вновь переводится в режим регулирования.

Таким образом, в системе исключается режим работы двух насосов, при котором один является регулируемым, другой - нерегулируемым.

Увеличение количества насосов в группе, нарушение равенства групп по количеству насосов в группе, а также увеличение количества групп снизит эффективность системы при увеличении ее стоимости.

Для установок с количеством насосов 5 или 6 время работы в режиме «1/1» значительно снижается, но при этом возрастают общие потери из-за небаланса мощностей насосов, работающих в режиме максимальной производительности. Для таких установок рациональной становится схема регулирования каждым насосом отдельным ПЧ.

Предлагаемая структура построения систем повышения давления, с одной стороны, позволит унифицировать процесс их проектирования, снизит стоимость производства и дальнейшей эксплуатации, с другой стороны, позволит максимально снизить энергозатраты при решении задач повышения давления в трубопроводах промышленного и коммунального назначения.

Необходимо также отметить, что введение второго ПЧ в схему управления повышает надежность функции частотного регулирования, которая может быть сохранена при отказе одного ПЧ или выведении его из схемы для выполнения профилактических работ.

Проведенные расчеты показывают, что увеличение стоимости оборудования при использовании второго ПЧ в энергоэффективной системе окупается за счет дополнительной экономии электроэнергии. Например, для насосов мощностью 30 кВт срок окупаемости составит от 1,2 до 1,8 года, для насосов мощностью 132 кВт - от 1 до 1,6 года в зависимости от типа устанавливаемого ПЧ. При этом необходимо отметить, что ресурс системы составляет не менее 20 лет. Снижение только дополнительных затрат на потребляемую электроэнергию для энергоэффективной системы управления в течение срока ее эксплуатации позволит окупить всю систему управления тремя (четырьмя) насосами мощностью 30 кВт каждый не менее двух раз, насосами мощностью 132 кВт каждый - не менее трех раз.

Литература

1. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М., «Наука», 1981.720 с.ил.

2. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с.ил.

3. Кацман М.М. Электрические машины. - 3-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2000. - 463 с.ил.

4. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Высшая школа, 2000. - 368 с.ил.

Размещено на Allbest.ru