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