Тема 16. Питання енергозбереження в автоматизованих електромеханічних системах

8.2. Споживання енергії насосними установками

Витрати електричної енергії при роботі насосної установки зумовлюютьсн необхідністю:

‒ переміщення рідини;

‒ переборення гідравлічного опору в трубопроводі.

Крім того, частина енергії, що споживається насосною установ­кою втрачається на подолання сил тертя в самому насосі (під­шипниках, сальниках); у складових електропривода, особливо t електродвигунах (на покриття втрат у міді та сталі), та ін.

Втрати енергії в насосному агрегаті визначають його коефіцієнт корисної дії, який, залежно від потужності та типу насосного агре­гата, може становити від 0,3 до 0,9.

Напір Н0 (тиск) насоса на початку трубопроводу залежить віл статичного напору Нст, який визначається геодезичними показника­ми рівнів рідини та її подачі, а також динамічним напором рідини Ндин, що залежить від подачі Q та характеристики (гідравлічного опору) трубопроводу S:

 (6.14a)

Гідравлічний опір залежить від наявності засувок, вигинів ipv6. їх обробки, наявності зварних швів тощо. Крім того, піт час робо­ти установок на нього впливає корозія.

Оптимальним режимом роботи насосної установки вважають режим за якого насос працює при номінальному розрахунковому Q=Qном і Н=Нном  та максимальному значенні ККД.

Реальні режими роботи насосної установки зазвичай відрізняються від оптимальних.

Еиергоспоживання насосних установок з насосними агрегатами потужністю 800 ‒ 1000 кВт  характеризується тим, шо ці агрегати споживають 90...95 % всієї споживаної станцією електричної енергії. За насосних агрегатів потужністю до 160 КВт ця величина зменшується до 50...75 %.

Найбільші втрати електричної енергії виникають через те п< досить часто насосні установки працюють із підвищеною величиною М шо зумовлюється зростанням гідравлічного опору трубопро­водів, коливанням рівня рідини в приймальних та напірних ємнос­тях (резервуарах), а також зміною величини Q.

У разі зростання рівня рідини збільшується тільки статична складова характеристики трубопроводу. При цьому крутість характеристики Q—Н залишається попередньою і вона перемішується вгору в системі координат.

Зміна гідравлічного опору залежно від величини О спричинює зміну динамічної складової напору Н насоса і крутості характерис­тики, а також зменшення його пропускної здатності та необхідність збільшення напору при тій самій величині Q.

Аналогічний ефект дає низька якість монтажу труб та іншого обладнання.

У разі зменшення подачі Q відносно розрахункової (див. рис. 6.8) виникає невідповідність між дійсним напором Н2 працюючого на­соса і напором, що потрібен для транспортування зменшеної кіль­кості рідини О2. При цьому виникає перевищення дійсного напору на деяку величину DН і зростають непродуктивні витрати електричної енергії.

Графіки спільної роботи насоса і трубопроводу показують, шо при характеристиці насоса і трубопроводу 2 величина DН= H2‒ Н4 (див. рис. 6.8).

Крім того, величина DН збільшується зі зростанням крутості ха­рактеристики насоса і зменшенням фактичної подачі.

У деяких насосних установках під час роботи можлива зміна статичної складової напору Нс, за рахунок зміни рівня рідини в приймальному середовищі (системи водовідведення - осушення, каналізації та ін.). У цьому разі установка вмикається при верхньо­му Рівні, вимикається при нижньому і працює в циклічному режимі.

На рис. 6.9 наведено технологічну схему (a) та характеристики (б) насосної установки. На рисунку позначено. 1 - характеристика трубопроводу, що відповідає нижньому рівню (НР) рідини в прий­мальному резервуарі 4: 2 характеристика трубопроводу, шо відповідає верхньому рівню (ВР) рідини; З- характеристика насоса; б - верхній нагромаджувач рідини; 7‒ трубопровід.  У разі вмикання насосної установки при верхньому рівні і ста­тичному початковому напорі Н1 Н1<Н2 робочий режим відповідає точці А перетину характеристики трубопроводу та насоса (напір H4), 

продуктивність QA). За поступового зниження рівня рідини у во­дозбірнику і відсутності регулювання цього процесу статична скла­дова H збільшуватиметься до H2, що відповідатиме переходу насоса в робочу точку B характеристики 2 і спричинить збільшення напо­ру на > нв та непродуктивних витрат електричної енергії.

Найвигіднішою, з економічного погляду, є стабільна робота ус­тановки з меншим напором, який відповідає стабільному верхньо­му рівню у водозбірнику. Такий режим можливий при встановленні рівноваги між надходженням рідини до водозбірника 4 і характе­ристикою подавального насоса. Для цього останній повинен мати керований електропривод, який відповідно змінював би швидкість обертання (продуктивність насоса) залежно від зміни надходження рідини у водозбірник.

а

б

Рис. 6.10

Щоправда, слід мати на увазі, шо при сталому рівні рідини у во­дозбірнику забезпечується Нст = const, але залежно віл зміни швид­кості обертання (продуктивності насоса) відповідно змінюватиметь­ся загальна величина Н за рахунок його динамічної складової. У разі забезпечення стабільної роботи насоса зникає потреба в частих пусках насосного агрегата.       

Надмірний тиск v трубопроводі також є причиною збільшення різ­них непродуктивних втрат рідини в розподільчій мережі, які можуть досягати 2...5 % від загальної продуктивності насосної установки.

Одна з важливих причин неекономічної роботи насосних установок - невідповідність робочих режимів насосних установок їхнім номінальним режимам (рис. 6.10а).  

Розрахунковий (номінальний) режим роботи установки відповідає точці N перетину розрахункової характеристики трубопроводу 2 з характеристикою насоса 4 за номінальної продуктивності Qн. При цьому номінальне значення ККД насосної установки (крива 5) відповідає nн (рис. 6.10, б).

При фактичних характеристиках трубопроводу 1 або 3 насосна працюватиме з підвищеним або зниженим гідравлічним опором і меншими значеннями ККД ‒ n3 або n1.

Кількість енергії, шо витрачається в результаті відхилення фак­тичного значення ККД від номінального  можна визначити за формулою

Якщо насос вибраний із деяким «запасом за продуктивністю», його характеристика //лежатиме вище розрахункової характеристи­ки /, і фактична робоча точка Л/ф відповідатиме більшому значенню продуктивності 0о, напору М. Фактичні витрати електроенергії в цьому разі будуть істотно вищі (пропорційні прямокутнику

Оф-^-Ч- 0).

Щоб одержати необхідну продуктивність при некерованому на­сосі, слід змінити характеристику тр>бопровол\ за рахунок збіль­шення опору (дроселюванням). У результаті матимемо характерис­тику /// з робочою точкою N„1. При цьому внаслідок збільшення на­пору на величину &Н необхідні додаткові витрати електроенергії.

Економічнішими можуть бути такі технічні рішення:

використання обточування робочого колеса насоса у разі га­рантованого, тривалого, стабільного існування розрахункового режиму; якшо така гарантія відсутня і привод некерований. то використовують дроселювання трубопроводу;

перехід на керований електропривод насоса при зменшенні частоти його обертання (особливо при частій зміні необхідної величини витрат рідини О).

В обох випадках можна дістати характеристику насоса, яка від- "овідатиме розрахунковій характеристиці /. що забезпечить мінімаль­ні витрати електричної енергії при заданій продуктивності насоса Ок.

Розглянемо також інші варіанти технічних рішень керування "родуктивнісг ю насосних агрегатів. Одним із них є керування про- д^імвнісію насоса зміною кута повороту робочих лопаток або ло- "ат°к напрямного агрегата, шо встановлюється на вході в насос:

 

Деякі типи насосів, шо випускаються серійно, мають поворотні лопатки з електричним або гідравлічним приводом. Завдяки ньому є можливим керування насосною установкою під час и роботи при некерованому основному електроприводі, а також розв'язання більш складних задач з оптимального керування ЕМС в цілому.

Звичайний діапазон зміни кута робочих лопаток відносно їх по­чаткового положення становить від ‒(4... 10) до +(2...6).

Керуванням кута повороту робочих лопаток можна змінювати крутість характеристики Q—Н насоса, що дає змогу забезпечити незначні відхилення ККД віл номінального значення при відхиленні режиму роботи насоса від номінального.

Для потужних вертикальних насосів використовують також поворотно-логпастні напрямні апарати (НА), шо встановлюються на вході в насос. Такий апарат має конічний або циліндричний кор­пус, на якому розмішується обтічник і до 12 поворотних лопаток, що мають можливість синхронного повороту на деякий кут за до­помогою допоміжного електропривода.

Зміна куга повороту лопаток НА приводить до відповідної зміни крутості напірних характеристик насоса (рис. 6 12). При цьому ви­никає можливість керування подачею насоса без перевищення напору і зниження ККД установки. На рисунку: 1 - характеристика Q-Н насоса при початковому положенні лопаток напрямного апа­рата; 1′,1”- характеристики насоса при повороті лопаток напрям­ного апарата на деякий кут відповідно +а та -a відносно їх почат­кового положення.           

За початкового (номінального) положення лопаток НА насос забезпечує необхідну продуктивність Qн, при напорі HN (робоча точка N).

Якщо необхідно зменшити продуктивність ДО Q2, то при роботі насоса на початковій характеристиці 1 він працюватиме з перевищенням напору на величину DН2 відносно напору HN.

У разі збільшення продуктивності насосу до Q3, напір зменшува­тиметься на величину DH3.

У разі керування продуктивністю насоса за рахунок повороту лопаток НА, переходячи на характеристику 1', необхідну продуктивність Q2 або Q3 можна дістати при незмінному значенні напору

Спосіб керування за рахунок зміни кутів повороту робочих ло­паток насосів і НА дає змогу одержати необхідні значення продук­тивності та напору при деякому зменшенні витрат електричної енергії і незначному відхиленні роботи установки від номінальною режиму.

Найефективнішим вважається керування насосної установки за рахунок зміни частоти обертання робочого колеса відцентрового насоса, що дає змогу забезпечити керування робочими параметра­ми насосного агрегату в необхідному діапазоні.

Для визначення характеристик насоса при відхиленні дійсного значення швидкості обертання насоса п від номінатьного п„ послу­говуються такими залежностями (формулами зведення):

У насосних установках із статичним напором при змінній частоті обертання насоса слід враховувати характеристику трубопроводу на який працює насос. У цьому разі напірна характеристика відцентрового насоса

згідно з формулою (6.18), при nн = 0,7 характеризується даними, що наведені в табл. 6.1, і відповідною характеристикою (рис. 6.13).

Таблиця б. І

Дійсні робочі параметри насоса мають визначатися на основі реального режиму роботи насосної установки та мережі трубопроводів із врахуванням крутості їх характеристики.

Механічна характеристика насоса має таку залежність:

 (6.19)

Рис. 6.13

де Мс - момент опору насоса, Н • м; N потужність, кВт; п час­тота обертання, об/хв.

Реальні значення Мс істотно відрізняються від величини момен­ту, обчисленого за формулою зведення, яка має вигляд квадратич­ної гіперболи.

Залежність моменту двигуна насоса М від частоти обертання є такою:

Зауважимо, що менші значення к беруть для одиничних насосів, що працюють без статичного напору, а більш. для насос,в, шо працюють із значними статичними напорами. Так, для систем водопостачання k= 3...5.

Коли фіктивний напір насоса Нф дорівнює стичному Нс його подача Q та ККД дорівнюють нулю. Частота обертання, що відповідає такому граничному режимові,

Нп - практично існуючий напір при роботі насоса.

Однією з основних задач автоматичного регулювання режимів роботи насосних агрегатів є визначення необхідно. частоти обертання насосного агрегату для одержання потрібного режиму роботи без перевищення напору.

Формула необхідної частоти обертання насоса залежно від його характеристик і потрібної продуктивності, за якої будуть забезпечtні мінімальні напори на виході насосної установки при необхід­ному діапазоні зміни подачі, мас такий вигляд:

де Нп - статична складова напору; Нф - фіктивна висота підйому рідини (при нульовій подачі); Qm - найбільш можлива для даних умов подача.

Статична складова подачі визначається як різниця геодезичних позначок насосної установки і споживача та вільного напору у спо­живача.

Піл час розрахунків дійсних витрат електроенергії в керованих насосних установках слід враховувати витрати електричної енергії, що мають місце у процесі керування в керованому електроприводі.

З позицій особливостей енергозбереження можна виділити три головні принципово відмінні види керованих електроприводів.

Електроприводи з втратами енергії ковзання: системи ЕП з реостатом у колі ротора, ЕП з гідравлічними або електромагнітними муфтами ковзання.

ЕП з рекуперацією енергії ковзання: різні каскадні системи, наприклад асинхронно-вентильні каскади.

ЕП, що працюють без втрат енергії ковзання: частотні, вен­тильні та з багатошвидкісними електродвигунами

При *=2...5 максимальне значення втрат потужності ковзання становить 8... 15 % ЯИ0М насосного агрегату. Цим втратам відповідає частота обертання 65...80 % птн. При цьому втрати потужності ков­зання відносно невеликі і становлять близько 4...8 % Риом насоса, шо визначає (при простоті таких систем ЕП) досить широке їх викорис­тання в практиці.

Крім втрат енергії ковзання Wковз, у системах ЕП є втрати на вен­тиляцію, тертя в підшипниках тощо, які становлять 1...3 % Рн.

Отже, загальні втрати електричної енергії УК гут можна вважа­ти рівними

Втрати електричної енергії в ЕП, що працюють із рекуперацією енергії. У сучасних каскадних системах одна частина електричної енергії ковзання повергається в мережу живлення, а інша — губиться в ЕП.

Втрати енергії ковзання в ЕП можна визначити за формулою :

 (6.25)

де Wковз— загальні втрати енергії ковзання; пк — ККД каскаду (для сучасних систем цей коефіцієнт досить високий і становить 0,9...0,95).

У каскадних системах є сталі втрати енергії, що не залежать від енергії ковзання. Вони становлять до 3 % споживаної потужності. Враховуючи це, підсумкові втрати енергії в ЕП з рекуперацією

приблизно такі:

 (6.26)

Втрати в ЕП, що працюють без втрат електричного ковзання

Прикладом такого електропривода можна вважати частотно-керовані електродвигуни.

Вказані втрати зумовлені втратами енергії в частотних перетво­рювачах, а також зниженням ККД частотно керованих електродвигунів за рахунок появи вищих гармонік струму та відхилення форми струму від синусоїдної форми. Так, ККД частотного перетворювача ηчп становить 0,9...0,95.

Втрати за рахунок несииусоїдності перетвореного струму становлять 3…5 %.

Загальні втрати енергії можна обчислити за формулою:

де Nб ‒ базова (номінальна) потужність насосного агрегату. кВт; Т- розрахунковий час роботи ЕП; ξ ‒  коефіцієнт, шо враховує втрати, які не залежать від ковзання.

При ступеневому керуванні швидкості електродвигуна ця швидкість змінюється за рахунок перемикання обмоток статора, що змінює кількість пар полюсів р.

n=60f/p

де n - синхронна швидкість асинхронного двигуна; f - частота струму мережі..

Завдяки зміні характеристики двигуна можна одержати робочі точки насоса при зменшенні Q, значно менших напорах і витратах електричної енергії. При цьому слід мати на увазі, шо ККД бага- тошвидкісного електродвигуна на 2...З % менший за ККД одно- швидкісного двигуна.

Основні схеми керованих електродвигунів змінного струму (насос­них установок). Для керування насосними установками використо­вують переважно двигуни змінного струму. При потужності до 600...800 кВт іноді застосовуються двигуни постійного струму.

Є два види частотного ЕП; з проміжною ланкою постійного струму і без неї.

Перетворювач із проміжною ланкою постійного струму будують на основі автономних інверторів як струму (АІС), так і напруги (АІН).

За рахунок несинусоїдності струму при роботі з частотами обертання, близьких до номінальних ККД зменшується на 1…4 % , cosf - на 5…6 %.

У разі звичайного діапазону керування (1: 2 або 1: 3) погіршення умов охолодження при низьких обертах суттєво не впливає на умови роботи електродвигуна, оскільки зменшується напір, подача насоса та потужність двигуна.

Потужність ЕП зумовлюється потужністю частотних перетворювачів, шо випускаються (є частотні перетворювачі до 3500 кВт із проміжною ланкою постійного струму).

Перетворювач без проміжної ланки постійного струму має си­нусоїдну форму кривої напруги на виході, де частота струму не пе­ревищує 25...33 Гц.

Електроприводи із цим типом перетворювачів більш прості та дешеві і використовуються при потужності насосних агрегатів при­близно 250...2 600 кВт.

Керування введенням опору в коло ротора. Цей спосіб використо­вується в електроприводах із двигунами з фазним ротором. При цьому виникають втрати ковзання. Тому цей метод не досить еко­номічний.

Керування за допомогою асинхронно-венттьних каскадів (рис. 6.14). При цьому методі керування змінюється ЕРС в роторі двигуна. Енергія ковзання двигуна Д рекуперується в електричну мережу за допомогою спеціального інвертора І (можливе використання транс­форматора ТР). У коло ротора ввімкнено згладжувальний дросель

ЗД, а також випрямляч ВП.

Під час роботи у двигуновому режимі з. швидкістю, нижчою за синхронну, струм ротора двигуна Д випрямляється за допомогою вентильних випрямлячів ВП. а потім тиристорів, шо працюють як інвертори, та перетворюється на змінний струм із частотою мережі. При ньому випрямлений струм у первинній обмотці трансформатора.

Що зумовлюється напругою ротора, перебуває у протифазі з напругою мережі. В результаті активна  енергія надходить у мережу.

Змінюючи випрямлену напругу ротора, можна регулювати частоту обертання двигуна Д та насоса Н.

Головні особливості асинхронно-вентильних каскадів на насосних установках:

-            потрібний діапазон аміни швидкості ддя багатьох насосних установок незначний (20...30 %),

-            В АВК перетворюється лише потужність ковзання, яка рекуперується в мережу і становить до 15 % потужності двигуна;

-            незначний діапазон регулювання швидкості дає змогу вико­ристовувати відносно прості перетворювачі. Регулювання зміною кількості пар полюсів в обмотці статора.

Низьковольтні двигуни з перемиканням обмоток статора мають потужність до 100 кВт, а високовольтні 500...1 400 кВт.

Приводи з варіаторами частоти обертання. У цих приводах ви­користовуються некеровані асинхронні або синхронні електродвигу­ни. Швидкість обертання насоса змінюють за допомогою механіч­них варіаторів, гідравлічних або електромагнітних муфт ковзання.