Вы находитесь: Главная - Публикации - ОПТИМИЗАЦИЯ НАСОСНЫХ СИСТЕМ ПОДАЧИ ВОДЫ

УДК 628 512.6:658.527.69 генеральный директор О.А. Штейнмиллер (ЗАО «Промэнерго»), руководитель направления А.С. Миронов (ЗАО «Промэнерго»)

ОПТИМИЗАЦИЯ НАСОСНЫХ СИСТЕМ ПОДАЧИ ВОДЫ

Представлены способы оптимизации существующих насосных систем водоснабжения при помощи контрольно-измерительного комплекса производства ЗАО "Промэнерго". Ком¬плекс позволяет получить параметры насосной системы (расходы, напоры, потребляемая электроэнергия), при анализе которых разрабатывается техническое решение по оптимиза¬ции системы с учетом энергопотребления и экономической эффективности.

Methods of optimization of pump water supply systems by Promenergo's checking/controlling and measuring complex are submitted. This complex returns the parameters of pump system and lets develop the engineering solution of optimization of system granting the power consumption and cost efficiency.

«Насосные системы потребляют почти 20% вырабатываемой на Земле электрической энергии, при этом они "забирают" от 25 до 50% от энергии, ис¬пользуемой в промышленности (в зависимости от отрасли)», - Дания (Deveop- ment center)

Важнейшими характеристиками системы водоснабжения являются технические параметры ее подачи, в просторечии ассоциированные с «напором». Повышение напора в водопроводной сети или в водоводе обеспечивается повысительными насосными станциями (станциями подкачки). В Санкт-Петербурге эксплуатируются станции III и IV подъема, включая местные подкачки.

При постоянном давлении на входе в сбалансированную гидравлическую систему водоснабжения объекта каждый из потребителей в пределах системы должен быть обеспечен водой в достаточном объеме, независимо от удаленно¬сти точек водоразбора от входа в систему. В случае многоэтажного жилого зда¬ния это означает, что при открытии крана на верхнем этаже во время пикового расхода (в вечерние часы) будет получен приемлемый для потребителя напор.

Рис. 1. Запись потребления (расхода) воды Рис. 2. Запись напоров на входе в здание на жилом здании за 2-е суток (перед насосом) и после насоса

Представленные диаграммы (рис. 1 и 2) демонстрируют изменчивость напорной и расходной характеристики на реальном жилом здании. Как повышать напор, с помощью отдельного постоянно работающего насоса, рассчитанного на обеспечение максимально необходимых расходно-напорных параметров системы, или с помощью автоматической многонасосной установки с расширенными возможностями регулирования работы? Если все-таки использовать автоматическую насосную установку, то сколько должно быть насосов и каких?

Из диаграммы на рис. 2 очевидно, что при использовании отдельного насоса достигается определенное повышение давления в последующей сети, однако вся неравномерность напорной характеристики на подпоре насоса (на входе в дом) переносится на дальнейшую систему, и в итоге конечный потребитель не обеспечивается качественным водоснабжением с постоянным напором.

Решение проблем недостаточного напора в жилых домах с использованием постоянно работающих насосных агрегатов является технически устаревшим, абсолютно неэкономичным и не способным обеспечить достижение главной потребительской цели - комфортного качественного водоснабжения потребителя с заданной характеристикой услуги - постоянным давлением воды на кране потребителя.

На наш взгляд, в городе, где плотность застройки неравномерна, суточное потребление колеблется, этажность даже в пределах одного квартала различна, необходимо и экономически целесообразно применять внутридомовые насосные станции повышения давления. При этом оптимальный результат при различных расходно-напорных параметрах водопотребления может быть получен за счет правильного выбора типа установок.

Применение частотного регулирования целесообразно в связи со значительными изменениями объема водопотребления на дом (расхода в единицу времени - Q) в течение дня. Насосы с частотным регулированием возможно автоматически подстраивать под изменение гидравлических характеристик системы. Это означает, что энергопотребление будет всегда минимальным для данных характеристик системы. При помощи частотного регулирования скорости вращения электродвигателя насос изменяет свою гидравлическую характеристику - происходит «сдвиг» насосной кривой зависимости напора от расхода. В системе водоснабжения, как правило, фиксируется параметр напора. Когда расход (потребление воды) уменьшается, частота вращения электродвигателя уменьшается тоже, обеспечивая снижение до потребного уровня напора. . Аналогично и в сторону увеличения расхода.

Принцип экономии при использовании преобразователя частоты стано¬вится понятен при рассмотрении графиков на рис. 3. Используя формулы по¬требляемой электроэнергии, можно определить ее экономию ∆N.

Известно, что при использовании частотного регулятора происходит незначительное изменение КПД насосного агрегата, однако, на наш взгляд, при современном техническом уровне частотных регуляторов величина изменения столь незначительна, что ее можно не принимать во внимание при проведении экономического расчета, как сопоставимую с величиной погрешности. В будущем предполагается более подробно рассмотреть этот вопрос.

Также, кроме экономии электроэнергии, использование частотного преобразователя позволяет стабилизировать напорную характеристику в системе.

(Рис. 4. График расхода и напора (Пулковская н. ст.)

В итоге потребитель получает водоснабжение с должным качеством, а эксплуатация системы удешевляется. На графике рис. 4, отображены расходная (снизу) и напорная (сверху) характеристики, которых удалось достичь, применяя частотный регулятор на насосной установке (производство ЗАО "Промэнерго", на базе насосов NK GRUNDFOS, объект - Пулковская насосная станция), а также, что немаловажно, за счет правильной его настройки.

Из графика на рис. 3 также ясно, что частотное регулирование в системе водоснабжения не позволяет работать с высоким к.п.д. во всем диапазоне требуемых расходов. Область высоких к.п.д. по объему перекачиваемой воды лежит в диапазоне от 70-75%% до 125-130%% от рабочей точки насоса с максимальным к.п.д. Современный подход заключается в использовании нескольких насосов, установленными в параллель на едином основании, при этом должно обеспечиваться в каждый момент времени частотное регулирование хотя бы одного из них (возможно - попеременно). За счет увеличения количества рабочих насосов (с соответствующим снижением номинала подачи одного насоса) достигается увеличение продолжительности работы насосных агрегатов в зонах КПД, приближенных оптимальному.

Правильный выбор количества насосов и, соответственно, их номинальной подачи требует понимания условий работы установки. Стандартная насосная станция состоит из двух (1 рабочий, 1 резервный), трех (2 рабочих, 1 резервный), четырех (3 рабочих, 1 резервный) и более насосов. Из того, что неочевидно на первый взгляд, но важно при подборе, необходимо отметить, что глубина регулирования производительности насоса за счет частоты вращения составляет, как правило, 30%-40% от номинала подачи насоса. При подборе номинала подачи одного насоса (Q) надо учитывать, что его производительность не должна более чем в 3 раза превосходить минимальные расходы в ночные часы.

При современном уровне насосных агрегатов стандартное представление об увеличении затрат на обслуживание при увеличении единиц техники (2 или 3 рабочих вместо 1-го) является, на наш взгляд, заблуждением. Это правило, которому до сих пор следуют службы эксплуатации, относится только к уста¬ревшему оборудованию, требующему регулярных осмотров, набивок сальников и т.п. Также следует учитывать, что при переходе на большее количество рабочих насосов с соответствующим уменьшением мощности каждого из них, в тех случаях, когда допустимо применение одного резервного насоса, будет достигнуто существенное уменьшение установочной мощности насосной станции.

При этом следует оговориться, что дополнительные потери расходов, возникающие при параллельном подключении насосов, должны быть учтены. Однако при выборе насосов с пологой характеристикой такие потери будут незначительны. Целесообразно, на наш взгляд, отдельно рассмотреть данный вопрос, использую как аналитическое описание, так и результаты натурных измерений.

Оценивать стоимость реконструкции существующей системы водоснабжения в части насосного оборудования или строительства новой насосной системы целесообразно с учетом последующих затрат (обслуживание, электроэнергия), то есть должен оцениваться весь жизненный цикл насосного оборудования.

(рис- 5. Диаграмма соотношения затрат полного жизненного цикла насосного оборудования)

На диаграмме рис. 5 показано

процентное соотношение затрат

полного жизненного цикла насосного оборудования. Всем очевидно, за счет че¬го наиболее просто достичь экономии.

По представленной ниже формуле можно оценить суммарную стоимость полного жизненного цикла насосного оборудования.

LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd, где

LCC - Life Cycle Cost (стоимость жизненного цикла);

Cic - первоначальные затраты;

Cin - стоимость монтажа и ввода в эксплуатацию;

Ce - стоимость электроэнергии;

Co - операционные затраты;

Cm - затраты на сервисное обслуживание и ремонт;

Cs - затраты на непроизводственные потери;

Cenv - экологические затраты;

Cd - затраты на утилизацию.

Для анализа и подбора насосного оборудования, как вновь устанавливаемого на действующей сети, так и при замене в ходе реконструкции, предлагается использовать спе¬циально разработанный мобильный контрольно-измерительный комплекс (сокращенное наименование - КИНО-ПРО, см. рис. 6), позволяющий оперативно получить об объекте необходимые данные для оценки, и далее с помощью программного обеспечения и методики оценки окупаемости инвестиций осуществить подбор оптимального насосного оборудования.

Стоит отметить, что кроме оптимального подбора насосного оборудования, в некоторых случаях, при помощи данного комплекса можно получить параметры существующей насосной системы для более точной ее настройки. Варианты, когда стандартные настройки автоматики не сочетаются с действительными параметрами системы, встречаются очень часто, и на рис. 7 приведен пример параметров объекта (Пулковская н. ст.), где при помощи более точной настройки ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференциальный «аналитический определитель реагирования частотного преобразователя») была достигнута существенная стабилизация выходных параметров системы.

Пояснения к рис. 7. Верхний график - до настройки ПИД-регулятора частотного преобразователя. Нижний график - после точной регулировки ПИД-регулятора. Заметно уменьшение амплитуды колебаний частоты и силы тока. Измерения Промэнерго (КИНО-ПРО) за 1 час. Запись производилась с секундным интервалом. Салатовый график (нижний) - расход Q, диапазон оси - от [0; 200] м3/ч. Зеленый график (верхн.) - давление Ро (напор Но) на выходе насоса до настройки, диапазон оси - от [4; 9] бар. Красный график - давление Р (напор Н) на выходе насосной станции после настройки, диапазон оси - от [4; 9] бар. Голубой график - частота тока, диапазон оси - от [ 20; 70] Гц. Синий график - выходной ток частотного преобразователя, диапазон оси - от [ 0; 100] А.