Энергоэффективность при различных способах управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов.

Проф. Николаев В.Г.¹., аспирант Скребнев Ю.В.¹

1.Кафедра Гидравлики ФБГОУ ВПО Московская государственная академия коммунального хозяйства и строительства.

Россия обладает огромным потенциалом природных ресурсов, в том числе и энергетических, но так же, как во всем мире испытывает потребность в разработке энергосберегающих технологий и приемов. Концепция реформы ЖКХ устанавливает федеральный стандарт уровня платежей граждан по отношению к уровню затрат на предоставление жилищно-коммунальных услуг. 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).

Особенностью большинства насосных систем являются значительные колебания нагрузки во времени. Для покрытия достаточно широких диапазонов нагрузки, а также с целью регулирования подачи на практике достаточно часто используют последовательное включение в работу параллельно установленных насосных агрегатов.

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:    

   (1)

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 (1), решая уравнение относительно подачи Q методом последовательных приближений, принимая .

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

             (2)

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

                (3)

где H – 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 (2), 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 ( f=50 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 увеличением 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 не разрешимых 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 f=60 Гц. Поскольку находящийся в эксплуатации парк насосов оснащен асинхронными электродвигателями номинальной частотой тока f=50-60  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 № 2г. Руза Московской 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 ветвью напорной характеристики, для которых коэффициент B аппроксимирующего полинома больше нуля ( B > 0). Это качество присуще лопастным нагнетателям с быстроходностью . Поэтому ограничение подачи по причине возникновения явления помпажа устанавливается только для насосов с коэффициентом B > 0.

Вся область, лежащая левее этой кривой, будет областью помпажа или недопустимо низких значений КПД.

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 номинальной; 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.

Для решения задачи оптимизации (минимизации) затрат энергии, потребляемой группой насосных агрегатов с использованием оптимизационного метода неопределенных множителей Лагранжа был принят следующий уточненный алгоритм расчетов:

1. Из заданного статистического ряда вводится значение подачи .

2. Соответственно принятому способу управления (минимизации избыточных напоров, стабилизации и т.д.) определяется  требуемый напор  с использованием гидравлической характеристики трубопроводной системы.

3. Составляется матрица возможных состояний насосных агрегатов. Число возможных состояний принималось  (где: состояние 0 – насосный агрегат не работает; состояние 1 – агрегат работает) .

4. На предварительном этапе для каждого из возможных состояний агрегатов проверяется условие их совместимости по подаче, т.е. выполнение условий . Состояния, не удовлетворяющие данному условию, отсеиваются.

5. Для насосных агрегатов, удовлетворяющих приведенному выше критерию, производится сканирование характеристик с целью определения для рассматриваемого значения  левой  и правой  границ области возможных режимов.

6. В полученном для каждого насосного агрегата интервала подач ( ) вычисляются значения  и строится дифференциальная характеристика    .

7. Производится исследование дифференциальных характеристик с целью выявления возможного минимума на исследуемом интервале подач. В случае выявления минимума левая граница интервала подач переносится в точку минимума. Реализуется процедура аппроксимации дифференциальной характеристики  с достаточной степенью точности, что позволяет получить однозначное решение оптимального распределения нагрузки между агрегатами, т.е. определяются подачи каждого агрегата.

8. Определяется мощность каждого насосного агрегата, работающего в данном состоянии, а затем суммарная мощность, потребляемая группой агрегатов.

9. Поскольку возможно несколько состояний, удовлетворяющих условию подачи (пункт 4), определяется подача и мощность каждого агрегата и суммарная потребляемая мощность для других состояний. Полученные значения суммарной мощности сопоставляются между собой и выбирается ее минимальное значение.

10. Осуществляется переход к следующей подаче   из статистического ряда, а затем цикл повторяется.

11. Определяются суммарные затраты энергии, потребляемой группой насосных агрегатов за год при работе оборудования на всем возможном статистическом интервале подач.

Расчеты показывают, что применение оптимизации при работе группы однотипных агрегатов 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.

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.