Первоисточник материала: http://www.plantservices.com/articles/2005/491.html//

Экономия электроэнергии насосами с ЧРП

Майкл Оффик, П.И., Френк Стаубл и Роджер Тёрли

Перевод выполнила: Павина Н. В.

     Исследования показывают экономические показатели применения частотно-регулируемых приводов в центробежных насосных системах.

     Примечание автора: четыре графика, сопровождающих эту статью, могут быть загружены с помощью кнопки «Загрузить сейчас» внизу страницы.

     Центробежные насосы – наиболее подходящий тип насоса для обеспечения эффективного его функционирования, основанного на экономии электроэнергии при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП). Чтобы помочь проиллюстрировать это, мы провели испытания в контрольных точках для подтверждения различного действия напора и подачи и их соответствующего воздействия на экономию электроэнергии. Мы исследовали взаимосвязь гидростатического давления с потерями напора на трение в уравнении энергетического КПД и влияние КПД двигателя, насоса и ЧРП. Результатом является ориентировочная точка для инженеров по оборудованию и специалистов по техническому обслуживанию и ремонту по выбору лучших перспектив в отношении максимального КПД и снижения потребления электроэнергии.

     В то время как большинство центробежных насосов работает при постоянной подаче, установленной в связи с необходимостью потребностей жестко-канальных «свободных систем», многие системы требуют регулируемую подачу для преодоления изменяющихся в ходе процесса нагрузок. Два наиболее общепринятых способа управления переменными выходными данными насосной системы – управление задвижкой (дросселирование) и приводом с регулируемой скоростью.

     Управление подачей с помощью дросселирования задвижкой подобно модуляции скорости машины с использованием только педали тормоза. Вы нажимаете педаль управления подачей топлива в фиксированной точке и используете тормоз для изменения скорости. Двигатель работает почти с той же скоростью, однако применение тормоза ограничивает окончательную работу изменяющейся сопротивляемостью от цепи привода. При малой скорости двигатель вызывает остаточную деформацию, тормоза перегреваются и надёжность снижается до тех пор, пока потребляется топливо при почти постоянной скорости. Конечно, это простой способ управления вашим автомобилем, но большинство регулируемых насосных систем управляются аналогичным способом. Скорость работы насоса постоянна, регулирующая задвижка увеличивает сопротивление сети, изменяя характеристику сети, и таким образом, ограничивая пропускную способность насосной сети при потреблении приблизительно такого же количества энергии.

     Использование регулирования скорости, с другой стороны, может быть сравнено с управлением автомобилем людьми, изменяя скорость транспортного средства путем изменения выходных параметров двигателя. Регулируемая скорость вращения насоса использует такой же принцип. Чтобы смодулировать поток, вместо изменения сопротивления сети изменяют скорость насоса. Это смещает кривую зависимости подачи от напора насоса (H-Q), чтобы изменить точку, в которой она пересекает характеристику сети. Регулирование скорости изменяет потребляемую энергию более эффективно, чем использование задвижки. В результате – часто резкое снижение потребления электроэнергии.

     В то время как регулируемый насос расходует немного меньше мощности, чем он мог бы осуществлять в свободном состоянии, он продолжает вращаться с той же скоростью, таким образом, поддерживая высокую скорость в торцевом уплотнении и подшипниках, а скорость непосредственно определяет срок службы подшипника и торцевого уплотнения. Смещение режимов работы центробежного насоса, оснащенного спиральной камерой постоянного давления (наиболее общепринятого типа центробежного насоса), от BEP изменяет гидравлический баланс между спиральной камерой и рабочим колесом. Насос развивает постоянно увеличивающуюся радиальную осевую нагрузку, которая увеличивает радиальную силу, что создает высокую нагрузку на подшипник и смещение вала. Это воздействует на регулировку торцевого уплотнения и, следовательно, снижает срок службы подшипника и торцевого уплотнения.

Центробежные насосы и законы подобия

     Используемая энергия снижается с дросселированием, как показано на рисунке 1 характеристикой дросселирующей задвижки. Однако снижение скорости приводит к более существенному снижению энергии. Чем больше снижение подачи от рабочей точки, тем больше экономия электроэнергии. Преимущество состоит в том, что рабочие параметры центробежных насосов руководствуются законами подобия. Скорость потока прямо пропорциональна скорости работы насоса. Перепад давления прямо пропорционален скорости работы насоса. Используемая энергия прямо пропорциональна кубу скорости насоса.

     Например, сокращение скорости на 50% требует только 12.5% мощности, необходимой для полной скорости. Определить новую рабочую точку можно, используя законы подобия, сформировав новую характеристику насоса и определив, где она пересекает характеристику сети. Регулируя подачу, напор и мощность в нескольких точках по первоначальной характеристике насоса, можно найти новую характеристику.

Отслеживание энергии

     Характеристика сети сочетает влияние как гидростатического давления, так и потерь давления на трение. Гидростатическое давление – высотная отметка, до которой жидкость нагнетается плюс поверхностное давление на выходе, меньшая высоты расходного бака и его поверхностного давления. Потери давления на трение – потеря давления на трение в канале, штуцерах и клапанах.

     В системах, показывающих только потерю давления на трение, скорость потока может быть снижена замедлением насоса. Экономия энергии повышается, так как насос замедляет ход. В системах с высоким гидростатическим давлением рабочая точка подачи непрерывно движется к минимальной подаче насоса, так как снижается скорость. Минимальная рабочая скорость необходима для преодоления приращения гидростатического давления. Поэтому экономия электроэнергии ограничена.

     Поскольку системы только с потерями напора на трение обеспечивают наиболее вероятный вариант экономии электроэнергии, а те, которые с большим гидростатическим давлением, обеспечивают наименее вероятный вариант, принятие решения относительно ЧРП или дросселирования представляется простым. Однако, эти два способа применяются в равной степени, делая экономические показатели менее очевидными.

Выполнение исследований

     Чтобы разработать несколько направлений по снижению потребления электроэнергии, мы создали систему насос/двигатель/привод мощностью в 40 л. с. и измерили расход энергии для различных вариантов гидростатического напора и потери напора на трение. Тогда мы сравнили различные варианты друг с другом и с вариантом, основанным на дросселировании потока. Рисунок 2 показывает испытательную конфигурацию.

     При этих исследованиях использовали двухполюсный с 3.560 оборотами в минуту и мощностью в 40 л. с., полностью закрытый электродвигатель охлажденного вентилятора с номинальным паспортным КПД 94.1% (в соответствии с Национальной ассоциацией производителей электротоваров), согласованный с насосом, имеющим 3 – всасывающий трубопровод, 2 – нагнетающий трубопровод и 8 – рабочее колесо. ЧРП был рассчитан на мощность в 40 л. с. И привод и двигатель – рассчитаны на трехфазное переменное напряжение 460 В. Рисунок 3 показывает характеристики сети для режима с пятью испытаниями, которые фиксируют входную мощность и коэффициент мощности как функцию от подачи.

     При первом испытании использовался не частотно-регулируемый привод. Насос был регулирован дросселированием для смещения вдоль кривой насоса. ЧРП использовался в остальных испытаниях для изменения расхода и перемещения вдоль одной из четырех характеристик сети. Кривые сети представляют собой 0, 60, 140 и 210 футов от гидростатического давления. Каждая кривая пересекает кривую насоса приблизительно в 340 галлонах в минуту.

Экспериментальные результаты

     Наибольшая экономия электроэнергии осуществляется при низких гидростатических условиях, когда используется ЧРП вместо дросселирующей задвижки. Однако использование ЧРП для работы при пониженной скорости потока в противовес высокого гидростатического давления все еще осуществляет экономию электроэнергии, в отличие от дросселирования, хотя результат не является столь существенным.

     Таблица 1 показывает подачу и потребляемую энергию при различных параметрах потока. Эта экономия отслеживаются на кривых, показанных на рисунке 4, которые сравнивают сбережения каждого варианта испытания в отношении способа на основе дросселирующей задвижки. Обратите внимание на то, что при использовании ЧРП в точках около полной подачи и скорости использование энергии фактически увеличивается из-за потерь ЧРП (обычно 3%). Поэтому если подача никогда не будет уменьшена и система измерена правильно для области применения, то наиболее эффективным способом функционирования системы будет подключение непосредственно к сети.

Таблица 1 – Потребляемая мощность

Экономические показатели

     Насос, работающий при 30% ниже расхода свободной системы, потребляет на 61% меньше энергии (13.53 кВт), чем при дросселировании такой же подачи. Если насос работает на этом уровне только 25% 24-часовой смены в течение 250 дней в году, когда издержки электроэнергии составляют 6 центов за кВт/час, экономия составила бы около $1.217 в год. Если насос также должен был преодолеть 60 футов гидростатического давления (47% суммарной высоты напора), экономия составила бы $ 941 в год.

     Использование ЧРП для работы насоса в противовес переменного гидростатического давления не только сохраняет энергию, это также снижает износ подшипника и сальника, что уменьшает непроизводительные затраты времени и затраты на техническое обслуживание.

     ЧРП также обеспечивают почти одинаковый коэффициент мощности. Для этих исследований коэффициент реактивной мощности с использованием ЧРП составил приблизительно 0.97-0.98, в отличие от диапазона 0.72-0.87, при работе двигателя, подключенного непосредственно к сети. Это имеет огромное значение, если местное использование имеет взыскания для низкого коэффициента мощности.

     Использование ЧРП требует, чтобы система изоляции двигателя была разработана и изготовлена для управления высокими частотами переключения, используемыми в сегодняшних IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) приводах. Протяженность электрических проводников также должна быть сведена к минимуму, чтобы предотвращать отраженные волны от поврежденного двигателя.

     Наконец, если большая часть энергии для центробежного насоса не требуется для преодоления гидростатического давления, то использование ЧРП вместо дросселирования задвижкой для регулирования подачи осуществит экономию электроэнергии.

Первоисточник материала: http://www.plantservices.com/articles/2005/491.html//