Энергосберегающие способы управления лопастными насосными агрегатами в системах водоснабжения при нестационарной нагрузке

В. Г. Николаев, доцент, канд. техн. наук, Московский институт коммунального хозяйства и строительства

Большинство энергоемких технологических процессов, используемых в коммунальном хозяйстве, являются нестационарными. К таковым, например, относятся холодное и горячее водоснабжение, водоотведение, теплоснабжение и пр. Поскольку перечисленные нестационарные процессы носят, как правило, случайный, вероятностный характер, то текущие параметры нагнетателей (напор, подача, давление), поддерживающих эти процессы, в течение времени подвержены существенным колебаниям. Это обстоятельство значительно затрудняет правильный выбор лопастных нагнетателей (насосов, вентиляторов, воздуходувных машин), а также существенно усложняет управление ими.

Для большинства лопастных нагнетателей (более 95 %) в качестве привода применяют асинхронные двигатели, работающие с постоянной частотой вращения. Это обстоятельство значительно усложняет регулирование режимов работы нагнетателей при переменной нагрузке. Появление в последние годы на рынке частотных преобразователей зарубежного и отечественного производства открывает перспективы перевода нерегулируемых асинхронных двигателей в разряд регулируемых и тем самым обеспечивает возможность применения новых энергосберегающих технологий и способов управления лопастными нагнетателями.

Анализ литературных источников [1–5] показывает, что наибольшее распространение в нашей стране получил такой способ управления лопастными нагнетателями, как стабилизация давления на выходе насосной установки. Значительно реже применяется минимизация избыточных давлений в диктующей точке водопроводной сети или в напорном коллекторе насосной станции. В некоторых случаях при стабилизации устанавливается несколько значений давления, одно – в дневное время, другое – в ночное, т. е. используется ступенчатая стабилизация.

При минимизации избыточных напоров давление в напорном коллекторе насосной станции устанавливается, как правило, не автоматически, в зависимости от изменяющейся во времени подачи, а вручную задатчиком давления. Это обстоятельство делает минимизацию в данном случае разновидностью ступенчатой стабилизации.

Насколько эффективно применение перечисленных способов управления насосным оборудованием? Какую роль и место они занимают по степени энергоэффективности в сравнении с другими, альтернативными способами применения частотно-регулируемого привода (ЧРП)? Публикуемые результаты экономии энергии в случае применения ЧРП каждый раз были получены для различных реальных условий эксплуатации, которые, как правило, не сопоставимы друг с другом. В этой связи проведение объективного сравнения эффективности применения различных способов управления насосным оборудованием без использования единой методики оценки энергоэффективности не представляется возможным.

Анализ публикуемых методов оценки эффективности применения ЧРП [1, 2, 6] показывает, что они содержат некоторые допущения, искажающие реальную картину работы насосных установок. Наиболее существенным из них является допущение о постоянстве КПД насоса, вне зависимости от частоты вращения рабочего колеса и развиваемого им напора. Указанное допущение значительно упрощает решение задачи определения эффективности применения ЧРП, однако существенно искажает получаемые результаты и делает их не вполне корректными. Следует отметить, что как стабилизация давления, так и минимизация избыточных напоров являются лишь способами приспособления подобранного по устаревшим энергозатратным методикам оборудования к новым условиям его эксплуатации. При этом ни стабилизация, ни минимизация напоров не решают главную задачу, а именно: оптимизацию затрат энергии при работе насосного оборудования с изменяющейся во времени нагрузкой. Кроме того, существующие методы оценки эффективности применения ЧРП рассматривают работу только одиночного насоса, тогда как на практике достаточно широко используется работа групп параллельно подключенных лопастных нагнетателей. Предпринимаемые некоторыми исследователями попытки распространения результатов использования ЧРП, полученных для одного нагнетателя, на группу насосов без математического моделирования процесса путем простого введения поправочных коэффициентов на их количество, представляется не достаточно корректными.

В связи с возрастающей актуальностью проблемы энергосбережения в стране на кафедре гидравлики Московского института коммунального хозяйства и строительства в течении ряда лет ведутся исследования для разработки новых энергосберегающих технологий с применением частотно регулируемого привода лопастных нагнетателей, работающих в нестационарных технологических процессах.

Анализ экспериментальных записей подачи насосных станций показывает, что расход насосов хотя и изменяется во времени, но происходит это достаточно медленно, за исключением пусков (остановок) отдельных насосных агрегатов (переходный процесс). Поэтому, рассматривая нестационарный технологический процесс как квазистационарный, суммарные годовые затраты энергии при работе группы параллельно подключенных насосных агрегатов составят:

(1)

 где m – число членов статистического ряда, (1≤ j ≤ m);

  n – число параллельно подключенных насосов, (1≤ i ≤ n);

 g – удельный вес жидкости,  Н/м³;

Q_ij – подача i-го насоса при работе в  j-ом интервале расхода, м³/с;

H_j – напор насоса в  j-м интервале,  м;

 h_ij– КПД i-го насоса в j-ом интервале;

 p_j – вероятность появления подачи Q_j;

 T – число часов работы насоса в году.

Решение задачи оптимизации связано с минимизацией функционала (1). Для этого необходимо раскрытые зависимости напора насоса и КПД от текущего значения частоты вращения рабочего колеса, характеризуемой коэффициентом изменения частоты K = n_т/n_н, где n_т, n_н – текущее и номинальное значение частоты вращения соответственно. Выполненный нами анализ зависимостей H_j = f₁(Q_j, K_ij) и h_ij = f₂(Q_j, K_ij) показывает, что они существенно нелинейны и достаточно громоздки, что требует применения численных методов для решения задачи оптимизации.

Поэтому для минимизации функционала (1) нами разработаны математические модели, имитирующие работу водопроводных и канализационных насосных станций. Поскольку силами инерции при движении жидкости в трубопроводе можно пренебречь, математические модели представляют собой систему нелинейных алгебраических уравнений с рядом жестких и полужестких ограничений, а также уравнением баланса расхода: ΣQ_i = Q_н.с., где ΣQ_i – сумма подач i-го числа насосов, Q_н.с. – подача насосной станции.

В случае работы одиночного насоса функционал (1) упрощается и приводится к виду:

(2)

где Q_j – подача насоса в j-ом интервале, задаваемая потребителем.

Минимизация зависимостей (1) и (2) позволяет определить минимальные затраты энергии как при работе группы насосов, так и в случае работы одного насоса. Основное отличие двух приведенных случаев состоит в том, что в формуле (2) расход задается потребителем и является неуправляемым параметром, тогда как в формуле (1) суммарная подача насосной станции задается потребителем, в то время как оптимальное распределение нагрузки между насосами может быть получено только применением одного из оптимизационных методов.

Проведенные нами теоретические исследования с использованием математического моделирования, численных методов и специальных компьютерных программ позволили впервые решить задачу одновременной оптимизации выбора состава и режимов работы для группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей, работающей при переменной нагрузке [7].

Результаты исследований показывают, что максимальную энергоэффективность при переменной нагрузке можно достичь, лишь изменив традиционный способ подбора оборудования. В основу разработанного нами метода двойной (долговременной и кратковременной) оптимизации положен следующий принцип: энергетически наивыгоднейшие характеристики предполагаемого для установки оборудования определяются не механическим перебором характеристик выпускаемых промышленностью насосов, а рассчитываются теоретически с увязкой их со статистическими данными технологического процесса. Затем характеристики реального оборудования принимаются равными или максимально близкими к полученным ранее теоретическим характеристикам. При таком подходе максимальная нагрузка насосов покрывается путем увеличения частоты вращения их рабочих колес выше номинальной, а минимальная – путем ее снижения.

 В этом случае большую (основную) часть времени оборудование работает в области высоких значений КПД и с минимально-допустимым давлением, т. е. с наибольшей энергоэффективностью.

Формулы (1) и (2) позволяют не только минимизировать энергозатраты при решении задачи оптимизации, но и определить затраты энергии как при стабилизации давления, так и при минимизации напоров. При этом вместо напора H_j в указанных выражениях принимаются либо давление стабилизации, либо минимально-допустимые напоры.

Таким образом, представляется возможным сопоставить энергоэффективность применения таких методов управления насосным оборудованием, как стабилизация давления, минимизация избыточных напоров и оптимизация. Для проведения сравнительного анализа, на наш взгляд, представляется целесообразным использование рекомендуемого рядом авторов [3] понятия «потенциал энергосбережения». Под ним рекомендуется понимать максимальные потери энергии (механической, тепловой, электрической), которые можно полностью или частично вернуть в энерготехнологический цикл с помощью соответствующих энергосберегающих мероприятий.

  Минимизация функционала (1) показывает, что оптимум энергозатрат достигается в том случае, когда напор насоса H_j   на всем диапазоне изменения нагрузки будет минимально допустимым, а КПД максимально близким к оптимальному значению. При этом теоретически минимальное значение целевой функции оптимизации достигается в том случае, когда напор на всем диапазоне подач будет минимально допустимым, а КПД – максимальным для установленного типа оборудования. Теоретически максимальное значение целевой функции оптимизации может быть легко связано с понятием потенциала энергосбережения. Известно, что основная проблема определения потенциала энергосбережения заключается  в выборе базового значения, некоего эталона максимальной энергоэффективности, с которым производится сравнение фактического показателя расхода энергоресурса. В наибольшей степени такому показателю соответствует теоретическое значение целевой функции оптимизации.

Если принять за точку отсчета такой наиболее широко распространенный способ управления насосным оборудованием, как дросселирование трубопроводов, то потенциал энергосбережения может быть вычислен в данном случае по формуле:

(3)

где S_w^др – годовые затраты энергии при дросселировании;

S_w^теор – минимально возможное значение целевой функции оптимизации.

Наибольший интерес с точки зрения сравнительного анализа энергоэффективности применения тех или других энергосберегающих мероприятий представляет не сам потенциал, а степень его использования, т. е.:

(4)

 где S_w – годовые затраты энергии для выбранного энергосберегающего мероприятия.

Результаты сопоставления энергоэффективности различных способов управления приведены в таблице, а также на рис. 1. В качестве примера для расчетов был принят насос Д-6300-80. Статистика водопотребления за год (рис. 2) была взята для микрорайона Митино (Москва). В таблице приведены также основные технические параметры (КПД, коэффициент изменения частоты вращения, потребляемая мощность), характеризующие работу насоса на всем диапазоне изменения нагрузки. Кроме того, в таблице приведены результаты определения энергоэффективности, вычисленные по инструкции Минтопэнерго РФ и методике проф. Б. С. Лезнова, а также результаты экономии энергии от приведения в соответствие характеристик насоса и водовода путем обрезки рабочего колеса.

Анализ результатов, приведенных  на рис. 1, показывает, что наиболее эффективным способом управления насосным оборудованием с помощью ЧРП, является оптимизация, позволяющая получить до 36 % экономии энергии, что соответствует наиболее полному (до 95 %) использованию потенциала энергосбережения.

 Рисунок 1.  Зависимость мощности насоса от подачи для различных способов управления

Приведенные нами теоретические исследования с решением задачи оптимизации и математическим моделированием динамической системы «резервуар–насос–трубопровод» показывают, что в отличие от широко распространенной в технической и нормативной литературе точки зрения, характеристики включаемых в параллельную работу нагнетателей при переменной нагрузке должны быть различными по напору и подаче.

 

Рисунок 2. Статистика потребления воды за год

Указанное обстоятельство требует для управления группой нагнетателей с различными характеристиками предварительной проверки их на совместимость для каждого значения подачи, приведенной в статистическом ряду наблюдений. В случае совместимости решается оптимизационная задача распределения нагрузки с использованием методов проекций градиента или неопределенных множителей Лагранжа. На основе проведенных исследований составлены специальные компьютерные программы, которые позволяют:

– определить затраты энергии для традиционно используемого метода управления – дросселирования (базовый вариант);

– рассчитать теоретическое значение целевой функции оптимизации для заданных условий эксплуатации и характеристик системы «нагнетатель-трубопровод»;

– выявить и раскрыть имеющийся потенциал энергосбережения;

– сопоставить энергоэффективность различных способов управления насосными агрегатами с помощью ЧРП, таких как стабилизация давления, минимизация избыточных напоров, одновременная оптимизация состава и режимов работы группы нагнетателей;

– оптимизировать соотношение между числом регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов;

– сравнить эффективность применения группового и индивидуального частотного привода;

– оценить эффективность применения других альтернативных способов энергосбережения (обрезка рабочих колес, замена насосного оборудования и др.). 

Литература

1. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М., 1998.

2. Лезнов Б. С. и др. Окупаемость регулируемого электропривода в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. № 12.

3. Куряпов В. Н., Мальцев А. П. и др. Потенциал энергосбережения и его практическая реализация // Энергонадзор и энергоэффективность. 2003. № 3.

4. Шкредин Д. Г. Преобразователи частоты в энергосберегающих приводах насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 7.

5. Шишков А. А., Андрианов В. А. Применение частотно-регулируемого привода в энергосберегающих системах управления насосными установками // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 7.

6. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. М., 1997.

7. Николаев В. Г. Способ регулировки системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. Патент РФ на изобретение № 2230938 от 20.06.2004.

8. Николаев В. Г., Тихоненко Ю. Ф. Способ оценки эффективности применения частотно-регулируемого привода при работе групп лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах // Энергонадзор и энергоэффективность. 2003. № 3.