Влияние регулирования водоподачи насосов на водноэнергетические параметры насосных станций

Регулирование водоподачи насосов представляет собой процесс искусственного изменения характеристики трубопровода или насоса для обеспечения его работы в требуемой режимной точке, т. е. для сохранения необходимого энергетического и материального баланса водоподъемной системы. Под оптимальным или экономичным регулированием режима работы подразумевается обеспечение работы насосов в такой режимной точке, которая отвечает оптимальному значению КПД при минимуме водноэнергетических затрат и максимальном покрытии нужд водопотребления.

Использование неэкономичных способов регулирования водоподачи агрегатов заметно снижает энергоэффективность насосной станции. В настоящее время для этой цели часто используют способ дроселлирования трубопровода или способ подключения и отключения агрегатов (ступенчатое регулирование), т. е. изменения числа одновременно работающих насосов. Как известно, основная часть агрегатов, установленных в насосных станциях, приводятся в движение нерегулируемыми по скорости электроприводами. Установленная мощность электроприводов в силу обеспечения пусковых режимов в среднем 1,5–3 раза больше реально необходимой мощности, а средняя их загрузка имеет величину в пределах 30–60 %. В таких условиях расхождение между потребляемой и полезной мощностей электроприводов имеет очень большую величину, кроме этого, для регулирования подачи воды насосами применение вышеприведенных способов добавляет к этому еще и дополнительных потерь энергии.

Дросселирование трубопровода является весьма распространенным способом регулирования давления и подачи воды. При этом регулирующим элементом может быть запорное устройство в виде задвижки, дискового затвора, диафрагмы, шибера и т. п., которое располагается на напорном трубопроводе насоса и за счет выдвижения запорного органа изменяет живое поперечное сечение трубопровода.

Несмотря на простоту использования данного способа регулирования он имеет ряд недостатков. Одним из них является снижение КПД насоса за счет потери энергии, затраченной на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего устройства, что и определяет низкую энергоэффективность данного подхода. Помимо этого, рост давления на выходе насоса при закрытии запорного устройства приводит к сокращению его срока службы, а также к увеличению утечек воды через стыки и соединений. Другим недостатком этого способа является возможность одностороннего регулирования, т. е. оно может осуществляться только в сторону уменьшения подачи.

Ступенчатое регулирование подачи воды насосной станцией характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако данный способ не позволяет обеспечить плавного, точно отвечающего требованиям графика потребления регулирования и вызывает частые пуски и остановки двигателей, что уменьшает срок службы оборудования. Кроме того, электродвигатели работают не в оптимальном режиме, особенно при совместной работе насосов в общий напорный трубопровод, что снижает КПД всей насосной станции.

Несоответствие графиков водопотребления и водоподачи при использовании данного способа является неизбежным явлением, так как в этом случае график водоподачи, как правило, является равноступенчатым, а графики водопотребления зачастую зависят от климатических и других местных условий и имеют неравноступенчатый характер.

При неравноступенчатом графике в случае максимального водопотребления будут подключены все рабочие насосы, а при минимальном водопотреблении работает только один насос. В других периодах водоподачи могут быть подключены 2 или 3 насоса. При таком режиме работы нерегулируемых насосов величина водоподачи может не соответствовать значениям водопотребления в некоторых периодах водоподачи. Например, в периоде подачи воды с продолжительностью t₆эти параметры имеют величины q и Q, а соответствующие этим величинам мощности можно выразить таким образом

N_НС = 9,81Q·H/η_нс; N = 9,81q· H/ η_нс

В этом случае при имеющейся разнице мощности ∆N = N_HC — N, потери электроэнергии составляет ∆Э = ∆N· t₆

Как показывают результаты расчетов эти потери могут быть существенными, например, при работе насосной станции с напором 20 м, величиной КПД 75 % и производительностью Q = 5,0 м³/с, которая превышает на 5 % требуемого расхода воды (q = 4,75 м³/с), за счет этой разницы КПД насосной станции снижается до 71 %, при этом теряемая электроэнергия за 200 часов работы может составлять 1300 кВт.часов.

Упомянутые способы регулирования крупных осевых и вертикальных центробежных насосов хотя и снижают расход электроэнергии, но не обеспечивают эффективного регулирования. Более высокую эффективность обеспечивают способы регулирования, основанные на изменении частоты вращения рабочих колес насосов.

Одним из таких способов, основанных на изменении частоты вращения рабочих колес насосов предложен в запатентованной новой системе управления электродвигателем насоса [1]. Данная система позволяет при отклонении технологического параметра (например, расход воды в напорном трубопроводе) от оптимального значения дополнительно формировать сигналы на повышение или понижение частоты вращения двигателя с тем, чтобы поддержать необходимого значения технологического параметра, которое нужно для того, чтобы иметь более высокие значения КПД насосного агрегата.

Литература:

1.                                    Патент № 2625, Система управления электродвигателем насоса/ Мухаммадиев М. М., Уришев Б. У., и др., Бюл. изобр. № 2, 1996 г.