Методика расчета экономии энергии при использовании РЭП в насосных установках

Б. С. Лезнов, д-р техн. наук, ОАО «НИИ ВОДГЕО – ООО «Ягорба»

До настоящего времени в России отсутствует общепринятая, надежная, научно-обоснованная методика выполнения технико-экономического обоснования (ТЭО) применения РЭП в насосных установках. Поэтому чаще всего решения принимаются на основании рекомендаций фирм, изготавливающих аппаратуру РЭП (частотные преобразователи, станции управления и т. п.) или торгующих этой аппаратурой. Поскольку эти фирмы материально заинтересованы в сбыте своей продукции и не несут ответственности за эффективность навязанных ими решений. Экономия энергии, которую они сулят (40–60 % от общего энергопотребления насосной установки), превышает пределы, ограниченные законами природы.

В то же время существуют методики технико-экономического обоснования применения РЭП в насосных установках, отражающие интересы потребителя [1, 2, 3]. Однако они не имеют общероссийского статуса, носят ведомственный характер, а небольшой тираж изданий (~500 экз.) сделал их недоступными широкому кругу специалистов. Некоторые из них [1, 2] в известной мере устарели и нуждаются в обновлении, с учетом изменений, произошедших в России за последние два десятилетия.

Тем не менее, эти методики учитывают физическую сущность энергетических преобразований, имеющих место в процессе регулирования насосных установок систем водоснабжения и водоотведения. С нашей точки зрения, они могут стать основой общероссийской методики технико-экономического обоснования применения РЭП в насосных установках водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения, а после некоторой доработки и для воздуходувных установок. Ниже излагаются принципиальные положения этих методик, имеющих единую методологическую основу.

Экономия энергии зависит, прежде всего, от параметров насосной установки и системы подачи воды (водоотведения), а не от достоинств того или иного частотного преобразователя. Сущность процесса регулирования поясняется рис. 1. На рисунке представлен график совместной работы насоса и трубопровода, а также упорядоченная диаграмма значений подач воды за расчетный период, например, за год.

На рисунке обозначены основные технологические параметры, характеризующие режим работы насосной установки и СПРВ (СВО).

При работе насоса с постоянной частотой вращения рабочая точка насоса, находящаяся на пересечении характеристик насоса и трубопровода перемещается по характеристике насоса (рис. 1, кривая 1).

Рисунок 1. График совместной работы насоса с трубопроводом и упорядоченная диаграмма подачи воды 1 – напорная характеристика насоса; 2 – характеристика трубопровода; 3 – упорядоченная диаграмма водоподачи

При работе насоса с переменной частотой вращения рабочая точка перемещается по характеристике трубопровода (рис. 1, кривая 2).

Кривая 1 лежит выше кривой 1, т. е. при постоянной частоте вращения насос работает с более высоким напором, чем при переменной. Как известно мощность, потребляемая насосом, определяется его подачей Q и напором H и зависит от КПД η:

N = Q H / η. (1)

Из (1) видно, что для работы с более высоким напором насосу требуется повышенная мощность по сравнению с той, которую он потребляет при работе с низким напором.

Чем дольше работает насос с повышенным напором и повышенной мощностью, тем больше он потребляет энергии W на подачу воды:

W = N t, (2)

где t – время работы насоса.

Регулируемый электропривод, если он оснащен соответствующей автоматикой, позволяет перемещать рабочую точку насоса по характеристике трубопровода 2, но не по характеристике насоса 1.

Следовательно, количественная экономия энергии при использовании РЭП определяется, преимущественно, параметрами насосной установки и всей системы подачи воды (водоотведения).

Сам по себе регулируемый электропривод энергию не экономит. Экономия энергии обеспечивается надлежащим режимом работы всей системы подачи воды (водоотведения) и насосной установки в частности, а РЭП является всего- навсего инструментом, с помощью которого обеспечивается надлежащий режим работы насосной установки и системы подачи воды (водоотведения).

Надлежащий режим работы насосной установки создается соответствующей системой управления, как правило, автоматизированной (САУ).

Количество сэкономленной энергии зависит от немногих технологических параметров, характеризующих режим работы насосной установки.

1. Диапазон изменения подач за расчетный период:

λ = Q_м / Q_б, (3)

где Q_б, Q_м – соответственно наибольшая и наименьшая подача за расчетный период, например, за год, м³/с.

Наибольшая подача Q_б обычно соответствует максимальной подаче в сутки максимального водопотребления: накануне Нового года (31 декабря), накануне начала учебного года (29–31 августа), Чистый четверг (в преддверии Пасхи). Наименьшая подача Q_м обычно соответствует минимальной подаче (ночные часы) в сутки минимального водопотребления: после Нового года (1 января) и т. д.

2. Крутизна характеристики трубопровода:

Н^*_п = Н_п / Н_б, (4)

где Н_п – статическое противодавление системы подачи (водоотведения), м. вод. ст.;

Н_п – характеризуется разностью геодезических отметок уровня воды в резервуаре, откуда забирает воду насосная станция и местоположением потребителя воды. Для КНС – разница геодезических отметок воды в приемном резервуаре и и местоположением камеры гашения;

Н_б – давление, соответствующее наибольшей подаче Q_б, м.вод.ст. При правильно выбранном насосе Н_б ≈ Н_ном, где Н_ном – номинальный напор насоса.

3. Крутизна характеристики насоса:

Н^*_ф = Н_ф / Н_б, (5)

где Н_ф – фиктивная высота водоподъема при нулевой подаче насоса.

Для многих водопроводных насосов Н_ф ≈ 1,25 Н_ном, а для фекальных Н_ф ≈ 1,44 Нном.

4. Наибольшая потребляемая мощность насоса, кВт:

N = 9,81Q_б H_б / η_н , (6)

где η – номинальный КПД насоса.

5. Время работы установки в расчетный период Т.

Для водопроводных и канализационных насосных установок Т = 8760 ч. Для насосных установок работающих сезонно (отопительных, оросительных и тому подобных систем) Т ≈ 4000–4500 ч.

6. Количество насосов m, участвовавших в процессе регулирования до внедрения РЭП:

m = 1 + (m_б – m_м), (7)

где m_б – количество насосов, обеспечивающих наибольшую подачу;

m_м – количество насосов, обеспечивающих наименьшую подачу.

В [1, 2, 3] приводится вывод формул и уравнений, с использованием которых прогнозируется экономия энергии в той или иной насосной установке при использовании в ней РЭП и соответствующей системы автоматизированного управления.

Однако формулы, по которым определяется экономия энергии в зависимости от названных параметров, достаточно громоздки и неудобны для практического использования. Поэтому в методике приводятся расчетные кривые w^*_эк = f (λ, Н^*_п), по которым достаточно просто, в зависимости от значений λ и Н^*_п, определяется относительная экономия энергии w^*_эк , для той или иной установки (рис. 2).

Рисунок 2. Расчетные кривые для насосных агрегатов с Н*ф = 1,25

Зная относительную экономию энергии w*эк достаточно просто вычислить прогнозируемую экономию энергии за расчетный период по формуле:

(8)

где η_эд – номинальный КПД электродвигателя, η_эд≈ 0,88…0,9;

η_пр – номинальный КПД частотного преобразователя,

η_пр ≈ 0,97…0,98;

ξ– коэффициент, учитывающий дополнительные потери в электродвигателе, ξ = 0,02…0,03;

φ – снижающий коэффициент, учитывающий количество насосов m, выбирается по таблице [2, 3].

Многочисленные расчеты по приведенной выше методике с последующей проверкой их результатов по фактическим показателям подтвердили ее надежность. Наиболее полно методика изложена в [3].

В методиках рассматриваются варианты расчетов экономии энергии для различных видов насосных установок (водопроводных, канализационных) и видов регулируемого электропривода (с потерями скольжения, без потерь скольжения, с рекуперацией скольжения). Соответственно приводятся расчетные кривые для этих вариантов расчета. Рассматриваются также частные случаи применения РЭП в насосных установках, например, при дросселировании насосов в режиме максимального потребления и пр.

В лаборатории автоматизации и систем управления НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба», наряду с расчетными кривыми используются специальные программы расчета эффективности применения РЭП на компьютере, которые позволяют более точно учитывать специфику различных объектов и особенности характеристик насосов и водоводов. Однако суть методики при этом не меняется.

Кроме того, методика содержит раздел, посвященный технико-экономическому об-основанию целесообразности применения РЭП в насосных установках путем сопоставления капитальных затрат, необходимых для создания энергосберегающих САУ на основе использования РЭП и эксплуатационных расходов. При этом учитываются экономия энергии, уменьшение расхода чистой воды за счет снижения утечек и непроизводительных расчетов, уменьшение сброса сточных вод в канализацию. Рассматриваются также дополнительные преимущества РЭП, позволяющие укрупнить единичную мощность насосных агрегатов и сократить их количества. За счет этого применение регулируемого электропривода при строительстве новых и реконструкции существующих объектов может уменьшить не только эксплуатационные расходы, но и капитальные затраты на строительство и реконструкцию объектов.

Многолетняя практика применения описанной методики на десятках действующих объектов и сопоставление прогнозируемой экономии энергии с фактическими показателями позволяет утверждать, что реальная экономия энергии в насосных установках систем водоснабжения при правильно подобранном составе насосного оборудования находится в диапазоне 5–20 %.

В отдельных случаях, например, при заниженных диаметрах водоводов, экономия может достигнуть 25–30 % от общего энергопотребления. В канализационных насосных установках экономия энергии обычно находится в пределах 5–15 %, достигая в отдельных случаях 20–25 %.

Более высокие значения экономии энергии (40–60 %), приводимые в рекламе и технической литературе, если они не обусловлены особыми условиями эксплуатации объекта, вызывают сомнения в технической грамотности авторов публикаций или говорят о стремлении торговых компаний повысить интерес к своей продукции.

Длительный опыт работы в этом направлении (с 1960 года), позволяет сказать, что экономия энергии в 40–60 % возможна только в тех случаях, когда рабочие характеристики насосных агрегатов и характеристики трубопроводной сети не соответствуют друг другу. Но в этом случае прежде, чем устанавливать РЭП, надо привести рабочие характеристики насосов в соответствие с параметрами системы подачи и распределения воды (СПРВ) или системы водоотведения (СВО) и только после этого решать вопрос о применении РЭП. Существуют различные способы совмещения характеристик насосов и трубопроводных систем. Можно подрезать рабочее колесо насоса. Можно заменить приводной электродвигатель насоса, другим с иной частотой вращения и иной мощностью. Можно комбинировать различные варианты изменения рабочих характеристик насосных агрегатов.

При таком подходе капитальные затраты будут меньше, а эффективность РЭП больше.

Выводы

1. Назрела необходимость создания общероссийской методики ТЭО целесообразности применения регулируемого электропривода в насосных и воздуходувных установках систем водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения и вентиляции.

2. В основу вновь разрабатываемой методики целесообразно положить «Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок [2].

3. Для придания названной методике общероссийского статуса целесообразно разработать ее под эгидой таких авторитетных организаций, как Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения и Российская ассоциация теплотехнических и инжиниринговых компаний.

4. После обсуждения широкой инженерной общественностью в периодической технической литературе вновь разработанная методика может быть рекомендована для использования проектными организациями и эксплуатационными предприятиями России.