Повышение эффективности работы системы электропривода центробежного насоса

Поскольку доступ к водным ресурсам становится ограниченным во многих регионах мира, эффективное и устойчивое орошение становится все более важным. Все дело в том, чтобы подавать достаточно влаги для получения максимального урожая без использования лишнего количества воды и энергии, чем это абсолютно необходимо. Перекачивание воды для орошения может стать серьезной статьей расходов для орошаемых земель.

Повышение эффективности работы насосной станции является сегодня очень актуальной проблемой еще и потому, что это повышает рентабельность орошаемых земель. Стандартная процедура проектирования насосной станции заключается в выборе насоса для удовлетворения максимальной потребности в производительности как по потокуQ, так и по давлению H. По этой причине насосы часто имеют завышенную мощность и слишком большие размеры, и работают неэффективно. В статье рассматривается возможность снижения потребления энергии насосным агрегатом, за счет использования методов управления работой электрического привода. Материалом для статьи служат результаты расчетов по повышению эффективности работы насосной станции Хамза I входящую в систему Аму Бухарского Машинного Канала (АБМК).

Ключевые слова: скорость потока, напор, частотное регулирование, частотный инвертор, гидравлический удар, IGBT транзистор.

As access to water resources becomes limited in many regions of the world, efficient and sustainable irrigation becomes more important. It's all about supplying enough moisture for maximum yield without using excess water and energy than is absolutely necessary. Pumping water for irrigation can be a significant expense for irrigated land. Improving the efficiency of the pumping station is today a very urgent problem also because it increases the profitability of irrigated lands. The standard procedure for designing a pumping station is to select a pump to meet the maximum demand for both flow rate Q and pressure H. For this reason, pumps are often overpowered, oversized and inefficient. The article discusses the possibility of reducing the energy consumption of the pumping unit through the use of methods for controlling the operation of an electric drive. The material for the article is the results of calculations to improve the efficiency of the Hamza I pumping station, which is part of the Amu Bukhara Machine Channel (ABMK) system.

Keywords: Flow rate, pressure, frequency regulation, frequency inverter, water hammer, IGBT transistor.

По площади орошаемой земли, используемой в сельском хозяйстве, Узбекистан занимает одно из первых мест в мире. На сегодняшний день ирригационными системами охвачено более 2.1 млн. гектаров земли. Для орошения используются 1130 насосных станций, из них 76 крупных с производительностью Q=100м3\сек, 496 станций средней мощности с производительностью Q=10м3\сек и 561 мелких насосных станций с производительностью Q= 1м3\сек. По потреблению электрической энергии насосные станции используют более 20 % от общего объема производимой в Республике энергии за год. С учетом климатических изменений, начавшихся в мире, а также имея в виду дефицит электрической энергии в республике возникла острая необходимость в регулировании производительности работы насосных агрегатов. В мировой практике эксплуатации насосных станций, для регулирования производительности насоса используются: байпасные линии, дроссельные клапаны, резервные насосы, системы регулирования скорости вращения крыльчатки центробежного насоса. Анализ показывает, что эти методы неэффективны с точки зрения экономии электрической энергии, а метод включения и отключения резервного насосного агрегата создает опасность возникновения Гидравлического удара в системе питающего трубопровода.

Общеизвестно, что скорость вращения крыльчатки насоса напрямую зависит от скорости вращения приводного вала. Замедление вращения крыльчатки уменьшает количество энергии передаваемую воде, и, следовательно, потребляемую мощность насоса. Скорость ее вращения можно контролировать несколькими способами [1]:

– Механические методы: шкивы с регулируемой скоростью, насос напрямую связан с механическим двигателем, сменный редуктор

– Муфты: гидравлические и магнитные

– Электрический метод (асинхронные двигатели с частотно-регулируемым приводом).

Использование частотно-регулируемых приводов для повышения эффективности работы центробежных насосов

Известно, что центробежные насосы работают, следуя законам подобия, потому что эти законы регулируют работу крыльчатки во всем диапазоне скоростей [2]

Q2=Q1 x (n 2 /n 1 ), (1)

H2=H1 x (n 2 /n 1 )2, (2)

Р 2 =Р 1 x ( n 2 / n 1 )3, (3)

По законам подобия, поток Q крыльчатки данного диаметра будет изменяться прямо пропорционально скорости n крыльчатки согласно (1), в то время как создаваемое насосом давление H будет изменяться пропорционально квадрату скорости (2). Мощность P, необходимая для вращения крыльчатки, будет изменяться пропорционально кубу скорости.

Основным параметром, который позволяет плавно и в большом диапазоне регулировать скорость вращения Асинхронного Двигателя (АД) привода центробежного насоса является частота f. Анализ показывает, что сегодня Частотное Регулирование (ЧР) — это самый эффективный метод управления скоростью АД [3]. Этот метод дает серьезную экономию электроэнергии и высокую точность регулирования. Задача частотного преобразователя регулировать производительность. Если необходимо увеличить производительность насоса частотный преобразователь увеличивает скорость вращения насоса, если необходимо уменьшить производительность — уменьшает. Особенность метода ЧР в том,что изменяя частоту обязательно нужно изменять и напряжение статора АД –U. Выражения (4,5) являются математическим выражением закона ЧР.

= const, (4)

n 0 =

Формула (4) показывает закон изменения напряжения U, для управления работой центробежных насосов и вентиляторов.

Метод технически реализуется схемой ЧР на Рис1.

Рис. 1. Блок схема ЧР

Классическая схема ЧР, Рис. 1 состоит из диодного выпрямителя, L-C фильтра и Автономного Инвертора (АИН) управляемого Широтно-Импульсным Модулятором (ШИМ). Ценность схемы еще и в том, что система ШИМ позволяет управлять скоростью АД одновременно изменяя частоту f и напряжение U используя цифровую форму сигнала генерируемого Системой Автоматического Регулирования (САР) [4,5].

Используя формулы (1–5) мы рассчитали экономический эффект от регулирования скорости АД привода насоса с использованием системы ЧР. Для расчетов мы использовали параметры насосной станции Хамза I, которая входит в систему насосных станций объединения АБМК-Аму Бухарский Машинный Канал. Станция используется для подачи воды из р Аму-Дарья в магистральный оросительный канал. Производительность насоса Q=3600м3/мин и высота подъема (давление) Н=120м. Используя формулы (1–3), мы рассчитали изменение основных параметров Насосного Агрегата.

Таблица 1

Параметры АД привода центробежного насоса.

Таблица 2

В расчетах использовались формулы (1–5) Результаты расчетов сведены в Таблицу 3.

Таблица 3

Параметры насосного агрегата с регулируемой скоростью.

По результатам расчетов построены графики изменения основных параметров центробежного насоса в зависимости от изменения скорости вращения.

Рис. 4. График изменения основных параметров центробежного насоса при уменьшении скорости на 10 %(f=45Гц) и на 20 %(f=40Гц)

Из графика Рис 4 видно, что при изменении скорости n на 10 %, экономия энергии составила27 %(143кВТ), а при уменьшении n на 20 %, экономия составила 51 %(258кВТ).

При уменьшении скорости n на 30 % экономия электрической энергии составила 61 %(348кВТ), если n уменьшить на 50 %, то экономия составит 87 %(463кВТ). Таблица 4 иллюстрирует результаты расчетов при изменении скорости вращения насоса в диапазоне от n= 100 %(f=50Гц) до n= 30 %(f=15Гц). По закону подобия, выражения (1–3), диапазон экономии электрической энергии отϫ Р=0 до ϫР=97 %.

Таблица 4

Заключение

1. Ирригационные сооружения в р Узбекистан используют свыше 20 % всей производимой электрической энергии и поэтому нуждаются в оптимизации режима работы.
2. Наиболее заметным преимуществом насосов с регулируемой скоростью является экономия энергии, которая во многих случаях весьма значительна
3. Применение преобразователя частоты позволяет не только стабилизировать напор в сети, но и добиться необходимой плавности его изменения при включении и выключении насоса.
4. Использование ЧР для регулирования скорости центробежного насоса, дает практический эффект в диапазоне изменения частот от f=0 до f=50Гц.Специфика закона ЧР, не рекомендует использовать частоты f>50Гц из за необходимости увеличения напряжения U>Un.
5. Результаты расчета, приведенные в статье, показывают устойчивый экономический эффект, до 50 % экономии электрической энергии, используемой на насосной станции.
6. Снижение вибрации и увеличенный срок службы уплотнений в системе клапанов. Это важно для гидросистем бывших в эксплуатации.

Литература:

1. Dan Peters, Yaskawa America, Inc.Yaskawa 06/28/2017 yaskawa.com Issue.June 2017
2. Stiven Boren, ABB Drives and Controls 08/10/2018
3. С. А. Байбаков, Е. А. Субботина, К. В. Филатов, В. М. Нагдасев, А. Ю. Желнов, Частотно-регулируемый привод. Регулирование центробежных насосов и методы регулирования отпуска тепла в тепловых сетях. Журнал «Новости теплоснабжения» № 12 (160), 2013 г., www.ntsn.ru/12_2013.html
4. Шабанов В. А., Кабаргина О. В. Определение диапазонов регулирования скорости вращения магистральных насосных агрегатов // Электротехнические комплексы и системы: межвузовский науч. сб. — Уфа: УГАТУ, 2009. — С. 145–150.
5. Нечваль А. М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. — 81 с.