Споживання енергії насосними установками

Витрати електричної енергії при роботі насосної установки зу­мовлюються необхідністю:

• переміщення рідини;

• переборення гідравлічного опору в трубопроводі.

Крім того, частина енергії, що споживається насосною установ­кою, витрачається на подолання сил тертя в самому насосі (під­шипниках, сальниках); у складових електропривода, особливо в 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 від статичного напору Н_ст, який визначається геодезичними показника­ми рівнів рідини та її подачі, а також динамічним напором рідини Н_дин, що залежить від подачі Q та характеристики (гідравлічного опору) трубопроводу S:

(14a)

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

Оптимальним режимом роботи насосної установки вважають режим, за якого насос працює при номінальному розрахунковому значенні подачі Q=Q_ном, напору Н=Н_ном і максимальному значенні ККД.

Реальні режими роботи насосної установки зазвичай відрізня­ються від оптимальних.

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

Споживання електричної енергії насосними агрегатами визна­чається переважно витратами енергії на технологічний процес транспортування рідини.

Отже, для економічної та ефективної роботи насосної установ­ки найважливішим є підтримання:

• відповідності подачі насоса витратам рідини в мережі (О_нас = О_витр);

• напору насоса, рівного втратам напору в мережі і статичному напору (геодезичній висоті подачі рідини).

Невідповідність параметрів насоса і мережі (трубопроводу) при­зводить до того, що не забезпечується подача необхідної кількості рідини споживачам або подача її виконується із перевитратами електричної енергії. Усунення такої невідповідності зумовлює не­обхідність керування режимами роботи насосних установок.

Розглянемо деякий некерований насос із характеристикою І (рис. 3.6) та характеристику трубопроводу Т₁, на якій лежить роз­рахункова (номінальна) робоча точка N_н, що визначається номі­нальною продуктивністю Q_н і номінальними значеннями напору Н_н. Витрати електричної енергії на забезпечення такого номінального режиму насосної установки будуть пропорційними площі прямо­кутника 0-Q_н-N_н-H_н.

Рис. 3.6

Якщо насос вибраний із деяким «запасом за продуктивністю», йoгo характеристика ІІ лежатиме вище розрахункової характеристи­ки І, і фактична робоча точка N_ф відповідатиме більшому значенню продуктивності Q_ф, напору Н_ф. Фактичні витрати електроенергії в цьому разі будуть істотно вищі (пропорційні прямокутнику Q_ф-N_Ф-H_ф-0).

Щоб одержати необхідну продуктивність при некерованому на­сосі, слід змінити характеристику трубопроводу за рахунок збіль­шення опору (дроселюванням). У результаті матимемо характерис­тику III з робочою точкою N_III. При цьому внаслідок збільшення на­пору на величину ΔН необхідні додаткові витрати електроенергії.

Економічнішими можуть бути такі технічні рішення:

• використання обточування робочого колеса насоса у разі га­рантованого, тривалого, стабільного існування розрахункового режиму; якщо 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 Q).

В обох випадках можна дістати характеристику насоса, яка від­повідатиме розрахунковій характеристиці I, що забезпечить мінімаль­ні витрати електричної енергії при заданій продуктивності насоса Q_н.

Розглянемо також інші варіанти технічних рішень керування продуктивністю насосних агрегатів. Одним із них є керування про­дуктивністю насоса зміною кута повороту робочих лопаток або ло­паток напрямного агрегата, що встановлюється на вході в насос.

Деякі типи насосів, що випускаються серійно, мають поворотні лопатки з електричним або гідравлічним приводом. Завдяки цьому є можливим керування насосною установкою під час її 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 від номінального значення при відхиленні режиму роботи насоса від номінального.

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

Зміна кута повороту лопаток НА приводить до відповідної зміни крутості напірних характеристик насоса (рис. 3.7). При цьому ви­никає можливість керування подачею насоса без перевищення на­пору і зниження ККД установки. На рисунку: 1 - характеристика Q-H насоса при початковому положенні лопаток напрямного апа­рата; 1', 1" — характеристики насоса при повороті лопаток напрям­ного апарата на деякий кут відповідно +α та -α відносно їх почат­кового положення.

Рис. 3.7

За початкового (номінального) положення лопаток НА насос забезпечує необхідну продуктивність Q_н при напорі H_N (робоча точка N).

Якщо необхідно зменшити продуктивність до Q₂, то при роботі насоса на початковій характеристиці 1 він працюватиме з переви­щенням напору на величину ΔН₂ відносно напору H_N.

У разі збільшення продуктивності насосу до Q₃ напір зменшува­тиметься на величину ΔH₃.

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 H_N.

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 номінального 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 n від номінального n_н послу­говуються такими залежностями (формулами зведення):

(16)

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

де Н_ф, S_ф - фіктивні параметри насоса.

Слід зазначити, що важливе значеним має залежність ККД насо­са від частоти обертання:

(17)

Залежність ККД від Q при сталій номінальній частоті обертання для насосів середньої та великої потужності можна визначити за до­помогою емпіричних залежностей:

(18)

Залежність

згідно з формулою (18), при η_н = 0,7 характеризується даними, що наведені в табл. 1, і відповідною характеристикою (рис. 3.8).

Таблиця 6.1

n/nн	η	n/nн	η
0,3	0	0,7	0,57
0,4	0,25	0,8	0,63
0,5	0,40	0,9	0,67
0,6	0,50	1,0	0,7

Рис. 3.8

Дійсні робочі параметри насоса мають визначатися на основі реального режиму роботи насосної установки та мережі трубопро­водів із врахуванням крутості їхньої характеристики. Вони значною мірою можуть відрізнятися від значень, що можна отримати на ос­нові формул зведення (16).

Механічна характеристика насоса має таку залежність:

(19)

де М_с - момент опору насоса, Нм; N - потужність, кВт; n - час­тота обертання, об/хв.

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

Залежність моменту двигуна насоса М від частоти обертання є такою:

(20)

де k =2...5.

Зауважимо, що менші значення k беруть для одиничних насосів, що працюють без статичного напору, а більші - для насосів, що працюють із значними статичними напорами. Так, для систем во­допостачання k = 3...5.

Коли фіктивний напір насоса Н_ф дорівнює статичному H_ст, його подача Q та ККД η дорівнюють нулю. Частота обертання, що відпо­відає такому граничному режимові,

(21)

де Н_n - практично існуючий напір при роботі насоса.

Однією з основних задач автоматичного регулювання режимів роботи насосних агрегатів є визначення необхідної 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 забезпе­чені мінімальні напори на виході насосної установки при необхід­ному діапазоні зміни подачі, має такий вигляд:

(22)

де H_h - статична складова напору; Н_ф - фіктивна висота підйому рідини (при нульовій подачі); Q_m — найбільш можлива для даних умов подача.

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

Під 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.

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

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

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

Як показали дослідження, втрати потужності ковзання в ЕП суттєво залежать від механічної характеристики насоса і частоти обертання.

Втрати потужності ковзання у відносних одиницях в цьому разі становлять

(23)

де n` = n/n_н - відносна частота обертання; k - показник ступеня в механічній характеристиці насоса.

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

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

Отже, загальні втрати електричної енергії W тут можна вважа­ти рівними

(24)

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

Втрати енергії ковзання в ЕП можна визначити за формулою

(25)

Де W_ковз - загальні втрати енергії ковзання; η_k - 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:

(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 η_чп становить 0,9...0,95.

Втрати за рахунок несинусоїдності перетвореного струму ста­новлять 3...5%.

Загальні втрати енергії можна обчислити за формулою

(27)

де N₆ - базова (номінальна) потужність насосного агрегату, кВт; Т - розрахунковий час роботи електропривода, год; ξ - коефіцієнт, що 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:

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, що ККД багатошвидкісного електродвигуна на 2...3% менший за ККД одношвидкісного двигуна.