Автоматизація роботи дожимної насосної станції. Базова робоча програма модуля (дисципліни) «експлуатація насосних та компресорних станцій Рекомендований список дисертацій

Основою енергоефективного використання насосного обладнанняє узгоджена робота у мережу, тобто. робоча точка повинна знаходитись у робочому діапазоні характеристики насоса. Виконання цієї вимоги дозволяє експлуатувати насоси з високою ефективністю та надійністю. Робоча точка визначається характеристиками насоса та системи, в якій встановлений насос. Насправді багато водопостачальних організацій стикаються з проблемою неефективної експлуатації насосного устаткування. Найчастіше к.п.д. насосної станціїзначно нижче за к.п.д. встановлених на ній насосів.

Дослідження свідчать, що у середньому к.п.д. насосних системстановить 40%, а 10% насосів працюють із к.п.д. нижче 10%. В основному це пов'язано з перерозмірюванням (вибором насосів з більшими значеннями подачі та напору, ніж потрібно для роботи системи), регулюванням режимів роботи насосів за допомогою дроселювання (тобто засувкою), зносом насосного обладнання. Вибір насоса з великими параметрами має дві сторони.

Як правило, в системах водопостачання графік водоспоживання сильно змінюється в залежності від часу доби, дня тижня, пори року. При цьому станція має забезпечити максимальне водоспоживання у штатному режимі під час пікових навантажень. Найчастіше до цього додається необхідність подачі води на потреби систем пожежогасіння. У разі відсутності регулювання насос не може ефективно працювати у всьому діапазоні зміни водоспоживання.

Експлуатація насосів в умовах зміни необхідних витрат у широкому діапазоні призводить до того, що обладнання більшу частину часу працює за межами робочої області з низькими значеннями к.п.д. та низьким ресурсом. Іноді к.п.д. насосних станцій становить 8-10% при тому, що к.п. встановлених на них насосів у робочому діапазоні становить понад 70%. Внаслідок такої експлуатації у споживачів складається хибна думка про ненадійність та неефективність насосного обладнання. А враховуючи той факт, що значну його частку становлять насоси вітчизняного виробництва, виникає міф про ненадійність та неефективність вітчизняних насосів. При цьому практика показує, що ціла низка вітчизняних насосів за показниками надійності та енергоефективності не поступається кращим світовим аналогам. Для оптимізації енергоспоживання існує безліч способів, основні з яких наведені у таблиці 1.

Таблиця 1. Методи зниження енергоспоживання насосних систем

Ефективність того чи іншого способу регулювання багато в чому визначається характеристикою системи та графіком її зміни у часі. У кожному випадку необхідно приймати рішення, залежно від конкретних особливостей умов експлуатації. Наприклад, регулювання насосів, що отримало останнім часом велике поширення, за допомогою зміни частоти не завжди може призвести до зниження енергоспоживання. Іноді це дає зворотний ефект. Застосування частотного приводу має максимальний ефект під час роботи насосів на мережу з переважанням динамічної складової показники, тобто. втрат у трубопроводах та запірно-регулюючій арматурі. Застосування каскадного регулювання шляхом увімкнення та вимкнення необхідної кількості насосів, встановлених паралельно, має найбільший ефект при роботі в системах з переважною статичною складовою.

Тому основною вихідною вимогою для проведення заходів щодо зниження енергоспоживання є характеристика системи та її зміна у часі. Основна проблема при розробці енергозберігаючих заходів пов'язана з тим, що на об'єктах, що діють, параметри мережі практично завжди невідомі, і сильно відрізняються від проектних. Відмінності пов'язані із зміною параметрів мережі внаслідок корозії трубопроводів, схем водопостачання, обсягів водоспоживання тощо.

p align="justify"> Для визначення реальних режимів роботи насосів і параметрів мережі виникає необхідність проведення вимірів безпосередньо на об'єкті з використанням спеціального контрольно-вимірювального обладнання, тобто. проведення технічного аудиту гідравлічної системи Для успішного проведення заходів, спрямованих на підвищення енергоефективності встановленого обладнання, необхідно мати у своєму розпорядженні якомога повнішу інформацію про роботу насосів та враховувати її надалі. Загалом можна виділити кілька певних послідовних етапів аудиту насосного обладнання.
1. Збір попередньої інформації про склад обладнання, встановленого на об'єкті, у т.ч. відомостей про технологічний процес, у якому використовуються насоси (станції першого, другого, третього підйомів тощо)
2. Уточнення на місці попередньо отриманої інформації про склад встановленого обладнання, можливостей отримання додаткових даних, наявності засобів проведення вимірювань, системи керування тощо. Попереднє планування проведення випробувань.
3. Проведення випробувань на об'єкті.
4. Обробка та оцінка результатів.
5. Підготовка техніко-економічного обґрунтування для різних варіантівмодернізації.

Таблиця 2. Причини підвищеного енергоспоживання та заходи щодо його зниження

Мал. 1. Робота насоса на мережу з переважною статичною складовою при частотному регулюванні

Мал. 2. Робота насоса на мережу з переважними втратами на тертя при частотному регулюванні

При первинному відвідуванні об'єкта можна визначити "проблемні" з погляду енергоспоживання насоси. У таблиці 2 наведено основні ознаки, які можуть свідчити про неефективну експлуатацію насосного обладнання та типові заходи, які можуть виправити положення із зазначенням орієнтовного терміну окупності заходів щодо енергозбереження.

В результаті проведення випробувань необхідно отримати таку інформацію:
1. Характеристики системи та її зміни з часом (годинний, добовий, тижневий графіки).
2. Визначення дійсних характеристик насосів. Визначення режимів роботи насосів для кожного з характерних режимів (найтриваліший режим, максимальна, мінімальна подача).

Оцінка застосування різних варіантів модернізації та способу регулювання приймається на підставі розрахунку вартості життєвого циклу (LCC) обладнання. Основну частку витрат життєвого циклу будь-якої насосної системи становлять витрати на електроенергію. Тому на етапі попередньої оцінки різних варіантів потрібно користуватися критерієм питомої потужності, тобто. потужності, що споживається насосним обладнанням, віднесеної до одиниці витрати рідини, що перекачується.

Висновки:
Завдання зниження енергоспоживання насосного обладнання вирішуються насамперед шляхом забезпечення узгодженої роботи насоса та системи. Проблема надмірного енергоспоживання насосних систем, що перебувають в експлуатації, може бути успішно вирішена за рахунок модернізації, спрямованої на забезпечення цієї вимоги.

У свою чергу, будь-які заходи щодо модернізації повинні спиратися на достовірні дані про роботу насосного обладнання та характеристики системи. У кожному випадку необхідно розглядати кілька варіантів, а як інструмент на вибір оптимального варіанту використовувати метод оцінки вартості життєвого циклу насосного обладнання.

Олександр Костюк, кандидат фізико-математичних наук, директор програми насосів для води;
Ольга Діброва, інженер;
Сергій Соколов, провідний інженер. ТОВ "УК "Група ГМС"

1. Аналітичний огляд основ насосної теорії, нагнітального обладнання та технології вирішення завдань створення та підвищення напору в системах подачі та розподілу води (СПРВ).

1.1. Насоси. Класифікація, основні параметри та поняття. Технічний рівень сучасного насосного обладнання.

1.1.1. Основні параметри та класифікація насосів.

1.1.2. Насосне обладнання для підвищення напору у водопостачанні.

1.1.3. Огляд новацій та удосконалень насосів з погляду практики їх застосування.

1.2. Технологія застосування нагнітачів у СПРВ.

1.2.1. Насосні станції систем водопостачання. Класифікація.

1.2.2. Загальні схеми та способи регулювання роботи насосів у разі підвищення напору.

1.2.3. Оптимізація роботи нагнітачів: регулювання швидкості та спільна робота.

1.3. Проблеми забезпечення напорів у зовнішніх та внутрішніх водопровідних мережах.

1.4. Висновки на чолі.

2. Забезпечення необхідного тиску у зовнішніх і внутрішніх водопровідних мережах. Підвищувальні компоненти СПРВ на рівні районних, квартальних та внутрішніх мереж.

2.1. Загальні напрями розвитку на практиці застосування насосного устаткування підвищення напору у водопровідних мережах.

2.2. Завдання забезпечення потрібних напорів у водопровідних мережах.

2.2.1. коротка характеристикаСПРВ (з прикладу СПб).

2.2.2. Досвід вирішення завдань підвищення натиску на рівні районних та квартальних мереж.

2.2.3. Особливості завдань підвищення тиску у внутрішніх мережах.

2.3. Постановка задачі оптимізації підвищувальних компонентів

СПРВ на рівні районних, квартальних та внутрішніх мереж.

2.4. Висновки на чолі.

3. Математична модель оптимізації насосного устаткування периферійному рівні СПРВ.

3.1. Статична оптимізація параметрів насосного обладнання на рівні районних, квартальних та внутрішніх мереж.

3.1.1. Загальний описструктури районної водопровідної мережі під час вирішення завдань оптимального синтезу

3.1.2. Мінімізація енергетичних витрат за один режим водоспоживання.

3.2. Оптимізація параметрів насосного обладнання на периферійному рівні СПРВ за зміни режиму водоспоживання.

3.2.1. Полірежимне моделювання у задачі мінімізації енергетичних витрат (загальні підходи).

3.2.2. Мінімізація енергетичних витрат за можливості регулювання швидкості (частоти обертання колеса) нагнітача.

3.2.3. Мінімізація енергетичних витрат у разі каскадно-частотного регулювання (управління).

3.3. Імітаційна модель оптимізації параметрів насосного устаткування на периферійному рівні СПРВ.

3.4. Висновки на чолі.

4". Численні методи вирішення задач оптимізації параметрів насосного обладнання.

4.1. Вихідні дані на вирішення завдань оптимального синтезу.

4.1.1. Вивчення режиму водоспоживання методами аналізу часових рядів.

4.1.2. Визначення регулярностей часового ряду водоспоживання.

4.1.3. Частотний розподіл витрат та коефіцієнти нерівномірності водоспоживання.

4.2. Аналітичне уявлення робочих характеристик насосного устаткування.

4.2.1. Моделювання робочих характеристик окремих нагнітачів

4.2.2. Ідентифікація робочих характеристик нагнітачів у складі насосних станцій.

4.3. Пошук оптимуму цільової функції.

4.3.1. Оптимальний пошук із використанням градієнтних методів.

4.3.2. Модифікований план Холланду.

4.3.3. Реалізація оптимізаційного алгоритму ЕОМ.

4.4. Висновки на чолі.

5. Порівняльна ефективність підвищувальних компонентів СПРВ на основі оцінки вартості життєвого циклу із застосуванням МІК для вимірювання параметрів).

5.1. Методологія оцінки порівняльної ефективності підвищувальних компонентів на периферійних ділянках СПРВ.

5.1.1. Вартість життєвого циклу насосного обладнання.

5.1.2. Критерій мінімізації сукупних дисконтованих витрат з оцінки ефективності підвищувальних компонентів СПРВ.

5.1.3. Цільова функція експрес-моделі для оптимізації параметрів насосного обладнання на периферійному рівні СПРВ.

5.2. Оптимізація підвищувальних компонентів на периферійних ділянках СПРВ під час реконструкції та модернізації.

5.2.1. Система контролю подачі води із використанням мобільного вимірювального комплексу МІК.

5.2.2. Експертна оцінка результатів вимірювання параметрів насосного обладнання ПНР з використанням МІК.

5.2.3. Імітаційна модель вартості життєвого циклу насосного обладнання ПНР на основі даних параметричного аудиту.

5.3. Організаційні питання реалізації оптимізаційних рішень (заключні положення).

5.4. Висновки на чолі.

Рекомендований список дисертацій

• Енергозберігаючі способи вибору параметрів та оптимізації управління групою лопатевих нагнітачів у нестаціонарних технологічних процесах 2008 рік, доктор технічних наук Миколаїв, Валентин Георгійович

• Енергозберігаючі методи управління режимами роботи насосних установок систем водопостачання та водовідведення 2010 рік, доктор технічних наук Миколаїв, Валентин Георгійович

• Удосконалення методів розрахунку систем подачі та розподілу води в умовах багаторежимності та неповної вихідної інформації 2005 рік, доктор технічних наук Карамбіров, Сергій Миколайович

• Автоматичне управління матеріальними потоками в інженерних системах життєзабезпечення 1999 рік, кандидат технічних наук Абдулханов, Наїль Назимович

• Розробка моделей функціональної та структурної діагностики при оптимізації систем подачі та розподілу води 2006 рік, кандидат технічних наук Селіванов, Андрій Сергійович

Введення дисертації (частина автореферату) на тему «Оптимізація насосних станцій систем водопостачання на рівні районних, квартальних та внутрішньобудинкових мереж»

Подібні дисертаційні роботи за спеціальністю "Водопостачання, каналізація, будівельні системи охорони водних ресурсів", 05.23.04 шифр ВАК

• Розробка методів діагностики та оперативного управління системами подачі та розподілу води (СПРВ) в аварійних станах 2002 рік, кандидат технічних наук Зайко, Василь Олексійович

• Експериментальне та чисельне моделювання перехідних процесів у кільцевих водопровідних мережах 2010 рік, кандидат технічних наук Ліханов, Дмитро Михайлович

• Аналіз, технічна діагностика та реновація систем подачі та розподілу води на основі принципів енергетичного еквівалентування 2002 рік, доктор технічних наук Щербаков, Володимир Іванович

• Удосконалення методів гідравлічного розрахунку систем подачі та розподілу води 1981 рік, кандидат технічних наук Карімов, Рауф Хафізович

• Енергозберігаюче регулювання режиму роботи головних водовідливних установок шахт та рудників засобами електроприводу 2010 рік, кандидат технічних наук Боченков, Дмитро Олександрович

Висновок дисертації на тему «Водопостачання, каналізація, будівельні системи охорони водних ресурсів», Штейнміллер, Олег Адольфович

Список літератури дисертаційного дослідження кандидат технічних наук Штейнміллер, Олег Адольфович, 2010 рік

Зверніть увагу, представлені вище наукові текстирозміщені для ознайомлення та отримані за допомогою розпізнавання оригінальних текстів дисертацій (OCR). У зв'язку з чим у них можуть бути помилки, пов'язані з недосконалістю алгоритмів розпізнавання. У PDF файлах дисертацій та авторефератів, які ми доставляємо, таких помилок немає.

Виконання зазначеної задачі ґрунтується на проведенні натурних випробувань насосних агрегатів, що проводяться на основі розробленої методики діагностики насосних станцій, представленої на рис. 14.
Для оптимізації роботи насосних агрегатів необхідно шляхом натурних випробувань насосних агрегатів визначити їх ККД та питому витрату електроенергії, що дозволить провести оцінку економічної ефективності роботи насосної станції.
Після визначення ККДнасосних агрегатів визначається ККД насосної станції, звідки легко перейти до підбору найбільш економічних режимівроботи насосних агрегатів з урахуванням дис-
кретності подачі станції, типорозмірів встановлених насосівта допустимого числа їх включень та вимкнень.
В ідеальному варіанті для визначення ККД насосної станції можна використовувати дані отримані
прямими вимірюваннями при натурних випробуваннях насосних агрегатів, для чого потрібно виконати натурні випробування по 10-20 точках подачі в робочому діапазоні насоса за різних величин відкриття засувки (від 0 до 100 %).
При проведенні натурних випробувань насосів слід заміряти частоту обертання робочого колеса, особливо за наявності частотних регуляторів, оскільки частота струму прямо пропорційна кількості обертів двигуна.
За результатами випробувань будуються фактичні показники для цих конкретних насосів.
Після визначення ККД окремих насосних агрегатів обчислюють ККД насосної станції в цілому, а також економічні поєднання насосних агрегатів або режими їх роботи.
Для оцінки характеристики мережі можна використовувати дані автоматизованого обліку витрат і напорів основних водоводів на виході станції.
Приклад заповнення форм проведення натурних випробувань насосного агрегату наведено в прил. 4, графіки фактичних робочих характеристик насоса – у дод. 5.
Геометричний сенс оптимізації роботи насосної станції полягає у виборі робочих насосів, що найбільш точно відповідають потребам розподільної мережі (витрата, натиск) в інтервали часу, що розглядаються (рис. 15).
Внаслідок виконання даної роботи забезпечується зниження споживання електроенергії на 5-15 % залежно від розмірів станції, кількості та типорозмірів встановлених насосів, а також характеру водоспоживання.

Джерело: Захаревич, М. Б.. Підвищення надійності роботи систем водопостачання на основі впровадження безпечних форм організації їх експлуатації та будівництва: навч. допомога. 2011(оригінал)

Ще на тему Підвищення ефективності роботи насосних станцій:

1. Захаревич, М. Б. / М. Б. Захаревич, А. Н. Кім, А. Ю. Мартьянова; СПбЕАСУ – СПб.,2011. - 6 Підвищення надійності роботи систем водопостачання на основі впровадження безпечних форм організації їх експлуатації та будівництва: навч. посібник, 2011

Оптимізація підвищення насосного обладнання в системах водопостачання

О. А. Штейнміллер, к.т.н., генеральний директорЗАТ "Променерго"

Проблеми у забезпеченні напорів у водопровідних мережах російських міст, зазвичай, однорідні. Стан магістральних мереж призвело до необхідності зниження тиску, внаслідок чого постало завдання компенсувати падіння натиску на рівні районних, квартальних та внутрішньобудинкових мереж. Розвиток міст та збільшення висотності будинків, особливо при ущільнювальній забудові, вимагають забезпечення потрібних напорів для нових споживачів, у тому числі за рахунок оснащення підвищувальними насосними установками (ПНУ) будинків підвищеної поверховості (ДПЕ). Підбір насосів у складі підвищильних насосних станцій (ПНР) проводився з урахуванням перспектив розвитку, параметри подачі та напору завищувалися. Поширено виведення насосів на потрібні характеристики дроселювання засувками, що призводить до перевитрати електроенергії. Заміна насосів вчасно не провадиться, більшість з них працює з низьким ККД. Знос обладнання загострив необхідність реконструкції ПНР для підвищення ККД та надійності роботи.

Сукупність зазначених факторів призводить до необхідності визначення оптимальних параметрів ПНР при наявних обмеженнях вхідних напорів, в умовах невизначеності та нерівномірності фактичних витрат. При вирішенні такої задачі постають питання поєднання послідовної роботи груп насосів та паралельної роботи насосів, об'єднаних у межах групи, а також суміщення роботи паралельно з'єднаних насосів з частотним регулюванням приводу (ЧРП) та, зрештою, підбору обладнання, що забезпечує потрібні параметри конкретної системи. Слід зважати на значні зміни останніх років у підходах до підбору насосного обладнання - як у плані виключення надмірності, так і в технічному рівні доступного обладнання.

Особлива актуальність зазначених питань визначається зростанням значення рішення проблем енергоефективності, що отримало підтвердження в Федеральному законі РФ від 23.11.2009 р. № 261-ФЗ «Про енергозбереження і про підвищення енергетичної ефективності і про внесення змін в окремі законодавчі акти Російської Федерації».

Набуття чинності зазначеного закону стало каталізатором повсюдного захоплення стандартними рішеннями зниження енергоспоживання, без оцінки їх ефективності та доцільності в конкретному місці впровадження. Одним з таких рішень для комунальних підприємств стало оснащення ЧРП наявного насосного обладнання в системах подачі та розподілу води, що найчастіше морально і фізично зношене, що має надмірні характеристики, що експлуатується без урахування фактичних режимів.

Аналіз техніко-економічних результатів будь-якої запланованої модернізації (реконструкції) потребує часу та кваліфікації персоналу. На жаль, керівники більшості муніципальних водоканалів відчувають дефіцит і того й іншого, коли в умовах постійного крайнього недофінансування доводиться оперативно освоювати кошти, що дивом дісталися, виділені для технічного «переозброєння».

Тому, усвідомлюючи, яких масштабів досягла вакханалія бездумного впровадження ЧРП на насосах підвищувальних систем водопостачання, автор вирішив подати це питання для ширшого обговорення фахівцями з питань водопостачання.

Основними параметрами насосів (нагнітачів), що визначають діапазон зміни режимів роботи насосних станцій (НС) та ПНУ, склад обладнання, конструктивні особливостіта економічні показники, є натиск, подача, потужність та коефіцієнт корисної дії (ККД). Для завдань підвищення напору у водопостачанні важливий зв'язок функціональних параметрів нагнітачів (подача, напір) з потужністю:

де р – щільність рідини, кг/м3; д - прискорення вільного падіння, м/с2;

- подача насоса, м3/с; Н – напір насоса, м; Р – тиск насоса, Па; N1, N - корисна потужність і потужність насоса (що надходить до насоса через передачу від двигуна), Вт; Nb N2 - вхідна (споживана) та вихідна (видається для передачі) потужності двигуна.

ККД насоса n h враховує всі види втрат (гідравлічних, об'ємних і механічних), пов'язаних з перетворенням насосом механічної енергії двигуна в енергію рідини, що рухається. Для оцінки насоса у збиранні з двигуном розглядається ККД агрегату na , що визначає доцільність експлуатації при зміні робочих параметрів (напору, подачі, потужності). Значення ККД та характер його зміни суттєво визначаються призначенням насоса та конструктивними особливостями.

Конструктивна різноманітність насосів велика. Спираючись на прийняту в Росії повну та логічну класифікацію, засновану на відмінностях у принципі дії, у групі динамічних насосів виділимо лопатеві насоси, що використовуються на спорудах водопостачання та каналізації. Лопатеві насоси забезпечують плавну і безперервну подачу при високих ККД, мають достатню надійність і довговічність. Робота лопатевих насосів заснована на силовій взаємодії лопатей робочого колеса з обтікаючим потоком рідини, що перекачується, відмінності механізму взаємодії в силу конструкції призводять до відмінності експлуатаційних показників лопатевих насосів, які розділяються по напрямку потоку на відцентрові (радіальні), діагональні і осьові.

З урахуванням характеру розглянутих завдань найбільший інтерес представляють відцентрові насоси, в яких при обертанні робочого колеса на кожну частину рідини масою т, що знаходиться в міжлопатевому каналі на відстані від осі валу, буде діяти відцентрова сила Fu:

де w - кутова швидкість валу, рад./с.

Методи регулювання робочих параметрів насоса

Таблиця 1

чим більша частота обертання п і діаметр робочого колеса D.

Основні параметри насосів - подача Q, напір Я, потужність N, ККД I] та частота обертання п - знаходяться у певній залежності, яка відображається характеристичними кривими. Характеристика (енергетична характеристика) насоса - графічно виражена залежність основних енергетичних показників від подачі (при постійній частоті обертання робочого колеса, в'язкості та густини середовища на вході в насос), див. рис. 1.

Основною характеристичною кривою насоса (робочою характеристикою, робочою кривою) є графік залежності насосу, що розвивається, напору від подачі H=f(Q) при постійній частоті обертання п = const. Максимальному значенню ККД qmBX відповідають подача Qp і напір Нр оптимальної режимної точці Р Показники Q-H(Рис. 1-1).

Якщо основна характеристика має висхідну гілку (рис. 1-2) – інтервал від Q = 0 до 2б, то вона називається висхідною, а інтервал – областю нестійкої роботи з раптовими змінами подачі, що супроводжуються сильним шумом та гідравлічними ударами. Характеристики, що не мають зростаючої гілки, називаються стабільними (рис. 1-1), режим роботи – стійкий у всіх точках кривої. "Стабільна крива необхідна, коли потрібно використовувати два або кілька насосів одночасно", що з економічних міркувань доцільно в насосних додатках. Форма основної характеристики залежить від коефіцієнта швидкохідності насоса ns - чим він більший, тим крутіше крива.

При стабільній пологій характеристиці напір насоса змінюється незначно. Насоси з пологими характеристиками необхідні в системах, де при постійному натиску потрібно регулювання подачі в широких межах, що відповідає задачі підвищення напору в кінцевих ділянках водопровідної мережі

На квартальних ПНР, а також у складі ПНУ місцевих підкачок. Для робочої частини характеристики Q-H поширена залежність:

де а, b - підбираються постійні коефіцієнти (a>>0, b>>0) для даного насоса в межах характеристики Q-H, що має квадратичний вигляд.

У роботі застосовуються послідовне та паралельне підключення насосів. При послідовній установці сумарний тиск (тиск) більше, ніж розвиває кожен з насосів. Паралельна установка забезпечує більше витрат, ніж кожен насос окремо. Загальна характеристика та основні співвідношення для кожного способу наведено на рис. 2.

p align="justify"> При роботі насоса з характеристикою Q-H на трубопровідну систему (прилеглі водоводи і подальша мережа) потрібен напір для подолання гідравлічного опору системи - суми опорів окремих елементів, які чинять опір потоку, що позначається в результаті на втратах напору. Загалом можна стверджувати:

де ∆Н - втрати напору одному елементі (ділянці) системи, м; Q - витрати рідини, що проходить через цей елемент (ділянка), м3/с; k - коефіцієнт втрат напору, який залежить від виду елемента (ділянки) системи, C2/М5

Характеристика системи – залежність гідравлічного опору від витрати. Спільна робота насоса та мережі характеризується точкою матеріальної та енергетичної рівноваги (точкою перетину характеристик сисистеми та насоса) – робочою (режимною) точкою з координатами (Q,i/i), що відповідають поточній подачі та натиску при роботі насоса на систему (рис. 3) .

Розрізняють два типи систем: закриті та відкриті. У закритих системах(опалення, кондиціювання тощо) обсяг рідини постійний, насос необхідний подолання гідравлічного опору складових (трубопроводів, пристроїв) при технологічно необхідному переміщенні носія у системі.

Характеристика системи – парабола з вершиною (Q, Н) = (0, 0).

У водопостачанні інтерес представляють відкриті системи, що транспортують рідину з однієї точки в іншу, в яких насос забезпечує потрібний напір у точках розбору, долаючи втрати на тертя в системі. З характеристики системи ясно - чим менша витрата, тим нижче втрати на тертя АНТ і, відповідно, споживана потужність.

Розрізняють два типи відкритих систем: з насосом нижче за точку розбору і вище за точку розбору. Розглянемо відкриту систему 1-го типу (рис. 3). Для подачі з резервуару № 1 на нульовій позначці (нижній басейн) у верхній резервуар № 2 (верхній басейн) насос повинен забезпечити геометричну висоту підйому Н і компенсувати втрати на тертя АНТ, що залежать від витрати.

Характеристика системи

Парабола з координатами (0; ∆Н,).

У відкритій системі 2-го типу (рис. 4)

вода під впливом перепаду висот (H1) доставляється споживачеві без насоса. Різниця висот поточного рівня рідини в резервуарі та точки розбору (H1) забезпечує деяку витрату Qr. Зумовлений перепадом висот напір недостатній для забезпечення необхідної витрати (Q). Тому насос повинен додати напір Н1 щоб повністю подолати втрати на тертя ∆Н1 Характеристика системи – парабола з початком (0; -H1). Витрата залежить від рівня в резервуарі - при його зниженні висота Н зменшується, характеристика системи зрушується нагору і витрата знижується. Система відображає завдання нестачі вхідного тиску в мережі (підпір, еквівалентний Яг) для забезпечення необхідної кількості води всім споживачам з необхідним напором.

Потреби системи змінюються в часі (змінюється характеристика системи), постає питання регулювання параметрів насоса з метою відповідності поточним вимогам. Огляд методів зміни параметрів насоса наведено у табл. 1.

При дросельному регулюванні та регулюванні байпасом може відбуватися як зниження, так і збільшення споживаної потужності (залежить від характеристики потужності відцентрового насосата положення робочих точок до регулюючого впливу та після нього). В обох випадках підсумковий ККД значно знижується, відносна споживана потужність на одиницю подачі в систему збільшується, відбувається непродуктивна втрата енергії. Метод корекції діаметра робочого колеса має низку переваг для систем зі стабільною характеристикою, при цьому зрізання (або заміна) колеса дозволяє вивести насос на оптимальний режим роботи без істотних початкових витрат, а ККД зменшується незначно. Однак метод не застосовується оперативно, коли умови споживання і, відповідно, подачі безперервно та суттєво змінюються протягом роботи. Наприклад, коли «насосна водопровідна установка подає воду безпосередньо в мережу (насосні станції 2-го, 3-го підйомів, станції підкачування тощо)» і коли доцільно частотне регулюванняелектропривода за допомогою перетворювача частоти струму (ПЧТ), що забезпечує зміну частоти обертання робочого колеса (швидкості насоса).

Ґрунтуючись на законі пропорційності (формули перерахунку), можна за однією характеристикою Q-H побудувати ряд характеристик насоса в діапазоні зміни частоти обертання (рис. 5-1). Перерахунок координат (QA1, HA) певної точки А характеристики Q-H, що має місце при номінальній частоті обертання nдля частот n1

n2.... ni, приведе до точок А1, А2.... Аi належним характеристикам Q-Н1 Q-H2...., Q-Hi

(Рис. 5-1). А1 , А2, Аi - утворюють так звану параболу подібних режимів з вершиною на початку координат, що описується рівнянням:

Парабола подібних режимів - геометричне місце точок, що визначають при різних частотах обертання (швидкості) режими роботи насоса, подібні до режиму в точці А. Перерахунок точки У характеристики Q-H при частоті обертання nна частоти n1 n2 ni, дасть крапки В1, В2, Вiвизначальні відповідну параболу подібних режимів (0B1 B) (рис. 5-1).

На основі вихідного положення (при виведенні про формул перерахунку) про рівність натурного і модельного ККД передбачається, що кожна з парабол подібних режимів є лінією постійного ККД. Це становище - основа використання в насосних системах ЧРП, що представляється багатьма чи не єдиним способом оптимізації режимів насосних станцій. Насправді при ЧРП насос не зберігає сталості ККД навіть на параболах подібних режимів, оскільки зі збільшенням частоти обертання п зростають швидкості потоку і пропорційно квадратам швидкостей гідравлічні втрати в проточній частині насоса. З іншого боку, механічні втрати позначаються сильніше за малих значень швидкості, коли потужність насоса мала. ККД досягає максимуму при розрахунковому значенні частоти обертання п0. За інших n, менших чи більших n0ККД насоса буде зменшуватися в міру збільшення відхилення nвід n0. З урахуванням характеру зміни ККД при зміні швидкості, відзначаючи на характеристиках Q-Н1, Q-H2, Q-Ні точки з рівними значеннями ККД та з'єднуючи їх кривими, отримаємо так звану універсальну характеристику (рис. 5-2), що визначає роботу насоса при змінної частоти обертання, ККД та потужності насоса для будь-якої режимної точки.

Крім зниження ККД насоса слід врахувати зниження ККД двигуна внаслідок роботи ПШТ, Що має дві складові: по-перше, внутрішні втрати ПЧТ і, по-друге, втрати на гармоніках в регульованому електродвигуні (зумовлені недосконалістю синусоїдальної хвилі струму при ЧРП). ККД сучасного ПШТ при номінальній частоті змінного струмустановить 95-98%, при функціональному зниженні частоти вихідного струму ККД ПЛТ знижується (рис. 5-3).

Втрати в двигунах на гармоніках, вироблених при ЧРП (варіюються від 5 до 10%), призводять до нагрівання двигуна та відповідного погіршення характеристик, в результаті ККД двигуна падає ще на 0,5-1%.

Узагальнена картина «конструктивних» втрат ККД насосного агрегату при ЧРП, що призводять до зростання питомого енергоспоживання (з прикладу насоса ТРЕ 40-300/2-S), представлена ​​на рис. 6 - зниження швидкості до 60% від номінальної зменшує на 11% відносно оптимального (при робочих точках на параболі подібних режимів з максимальним ККД). У цьому споживання електроенергії знизилося з 3,16 до 0.73 кВт, тобто. на 77% (позначення P1, [(«Грундфос») відповідає N1, в (1)]. Ефективність при зниженні швидкості забезпечується зменшенням корисної і, відповідно, споживаної потужності.

Висновок. Зниження ККД агрегату у зв'язку з «конструктивними» втратами призводить до зростання питомого енергоспоживання навіть під час роботи поблизу точок із максимальним ККД.

Ще більшою мірою відносні енерговитрати та ефективність регулювання швидкості залежать від умов експлуатації (типу системи та параметрів її характеристики, положення робочих точок на насосних кривих щодо максимуму ККД), а також від критерію та умов регулювання. У закритих системах характеристика системи може бути близька до параболі подібних режимів, що проходить через максимальні точки ККД для різних частот обертання, т.к. обидві криві однозначно мають вершину на початку координат. У відкритих системахВодопостачання характеристика системи має ряд особливостей, що призводять до суттєвої різниці її варіантів.

По-перше, вершина характеристики, як правило, не збігається з початком координат через різну статичну складову напору (рис. 7-1). Статичний натиск частіше позитивний (рис. 7-1, крива 1) і необхідний для підйому води на геометричну висоту в системі 1-го типу (рис. 3), але може бути і негативним (рис. 7-1, крива 3) - коли підпір на вході до системи 2-го типу перевищує потрібний геометричний напір (рис. 4). Хоча нульовий статичний натиск (рис. 7-1, крива 2) також можливий (наприклад, при рівності підпору потрібному геометричному натиску).

По-друге, характеристики більшості систем водопостачання постійно змінюються у часі. Це відноситься до переміщень вершини характеристики системи осі напору, що пояснюється змінами величини підпору або величини потрібного геометричного напору. Для низки систем водопостачання в силу постійної зміни кількості та розташування фактичних точок споживання у просторі мережі відбувається зміна положення диктуючої точки в полі, що означає новий стан системи, що описується новою характеристикоюз іншого кривизною параболи.

У результаті очевидно, що в роботі якого забезпечується одним насосом, як правило, важко регулювати швидкість насоса в однозначній відповідності з поточним водоспоживанням (тобто чітко за актуальною характеристикою системи), зберігаючи положення робочих точок насоса (при такій зміні швидкості) на фіксовану параболу подібних режимів, що проходить через точки з максимальним ККД.

Особливо суттєво зниження ККД при ЧРП відповідно до характеристики системи проявляється у разі значної статичної напірної складової (рис. 7-1, крива 1). Так як характеристика системи не збігається з параболою подібних режимів, то при зниженні швидкості (за рахунок зниження частоти струму з 50 до 35 Гц) точка перетину характеристик системи та насоса відчутно зміститься вліво. Відповідне усунення на кривих ККД приведе до зони менших значень (рис. 7-2, «малинові» крапки).

Таким чином, потенціали енергозбереження при ЧРП у системах водопостачання суттєво відрізняються. Показовою є оцінка ефективності ЧРП з питомої енергії на перекачування

1 м3 (рис. 7-3). У порівнянні з дискретним керуванням типу D регулювання швидкості має сенс у системі типу С - з відносно малим геометричним натиском і значною динамічною складовою (втратами на тертя). У системі типу В геометрична та динамічна складові значні, регулювання швидкості ефективне на певному інтервалі подач. У системі типу А з великою висотоюпідйому та малої динамічної складової (менше 30% від потрібного напору) застосування ЧРП сточки зору енергетичних витрат недоцільно. В основному завдання підвищення натиску на кінцевих ділянках водопровідної мережі вирішується в системах змішаного типу (типу В), що потребує предметного обґрунтування застосування ЧРП підвищення енергоефективності.

Регулювання швидкості дозволяє розширити діапазон робочих параметрів насоса вгору від номінальної характеристики Q-H. Тому деякі автори пропонують підбирати оснащений ПЧТ насос, щоб забезпечити максимальний час його роботи на номінальній характеристиці (з максимумом ККД). Відповідно, за допомогою ЧРП при зниженні подачі швидкість насоса знижується щодо номінальної, а при збільшенні - зростає (при частоті струму вище від номіналу). Однак крім необхідності враховувати потужність електродвигуна зауважимо, що виробники насосів обходять мовчанням питання практичного застосування тривалої роботи насосних двигунів із частотою струму, що суттєво перевищує номінальну.

Дуже приваблива ідея управління за характеристикою системи, що знижує надлишкові напори та відповідний перевитрата енергії. Але визначати потрібний натиск за поточним значенням мінливої ​​витрати важко через різноманіття можливих положень диктуючої точки в сіюсекундному стані системи (при зміні кількості та розташування місць споживання в мережі, а також витрати в них) та вершини характеристики системи на осі напору (рис. 8- 1). До масового застосування засобів КВП і передачі даних можлива лише «апроксимація» управління за характеристикою на основі приватних для мережі припущень, що задають набір точок, що диктують, або обмежують зверху характеристику системи в залежності від витрати . Приклад такого підходу - 2-позиційне регулювання (день/ніч) вихідного тиску у ПНР та ПНУ.

Зважаючи на значну мінливість щодо розташування вершини характеристики системи та за поточним положенням у полі диктуючої точки, а також її невизначеності на схемі мережі, доводиться зробити висновок, що на сьогоднішній день у більшості просторових систем водопостачання застосовується управління за критерієм постійного тиску(Рис. 8-2, 8-3). Важливо, що при зниженні витрати Q частково зберігаються надлишкові напори, які тим більше, ніж лівіше робоча точка, а зниження ККД при зменшенні частоти обертання робочого колеса, як правило, посилиться (у разі відповідності максимуму ККД точці перетину характеристики насоса при номінальній частоті та лінії встановленого постійного тиску).

Визнаючи можливості скорочення споживаної та корисної потужності при регулюванні швидкості з метою кращої відповідності потребам системи, необхідно визначати реальну ефективність ЧРП для конкретної системи, зіставляючи або поєднуючи цей спосіб з іншими дієвими методами зниження енерговитрат, і в першу чергу з відповідним зменшенням номіналів подачі та/ напору для одного насос зі збільшенням їх кількості.

Показовим є приклад схеми паралельно і послідовно з'єднаних насосів (рис. 9), що забезпечує значну кількість робочих точок у широкому діапазоні напорів і подач .

При підвищенні натиску на ділянках мереж водопостачання, наближених до споживачів, постають питання поєднання послідовної роботи груп насосів та паралельної роботи насосів, об'єднаних у межах однієї групи. Застосування ЧРП також поставило питання оптимального поєднання роботи ряду паралельно з'єднаних насосів з частотним регулюванням

При суміщенні забезпечується висока комфортність для споживачів за рахунок плавного пуску/зупинки та стабільного напору, а також зниження настановної потужності - часто кількість резервних насосів не змінюється, а номінальне значення споживаної потужності в розрахунку на один насос знижується. Також знижуються потужність ПШТ та її ціна.

По суті розгляду зрозуміло, що поєднання (рис. 10-1) дозволяє перекрити необхідну частину робочої зони поля. Якщо підбір оптимальний, то на більшій частині робочої зони, і в першу чергу на лінії постійного тиску (напору), що контролюється, забезпечується максимальний ККД більшості насосів і насосної установки в цілому. Предметом обговорення спільної роботи паралельно з'єднаних насосів у поєднанні з ЧРП часто стає питання доцільності оснащення кожного насоса своїм ПЧТ.

Однозначна відповідь на це питання буде недостатньо точною. Звичайно, мають рацію, що стверджують, що оснащення кожного насоса ПЧТ збільшує можливий простір розташування робочих точок для установки. Можуть бути праві і вважають, що при роботі насоса в широкому діапазоні подач робоча точка не знаходиться в оптимумі ККД, а при роботі 2 таких насосів зі зниженою швидкістю загальний ККД буде вище (рис. 10-2). Цієї точки зору дотримуються постачальники насосів, оснащених вбудованими ПШТ.

На думку, відповідь це питання залежить від конкретного виду характеристик системи, насосів і установки, і навіть від розташування робочих точок. При управлінні постійного тиску збільшення простору розташування робочих точок не потрібно, і тому установка, оснащена одним ПЧТ в щиті управління, працюватиме аналогічно установці, кожен насос якої оснащений ПЧТ. Для забезпечення вищої технологічної надійності можна встановити в шафу другий ПЧТ - резервний.

При правильному підборі(максимум ККД відповідає точці перетину основної характеристики насоса і лінії постійного тиску) ККД одного насоса, що працює на номінальній частоті (у зоні максимуму ККД), буде вищим від загального ККД двох таких же насосів, що забезпечують ту ж робочу точку при роботі кожного з них з пониженою швидкістю (рис. 10-3). Якщо робоча точка лежить за межами характеристики одного (двох і т.д.) насоса, тоді один (два і т.д.) насос працюватиме в «мережевому» режимі, маючи робочу точку на перетині характеристики насоса і лінії постійного тиску ( з максимальним ККД). А один насос працюватиме з ПЧТ (маючи при цьому нижчий ККД), і його швидкість визначатиметься поточною вимогою системи подачі, забезпечуючи відповідну локалізацію робочої точки всієї установки на лінії постійного тиску.

Доцільно так підбирати насос, щоб лінія постійного тиску, що визначає і робочу точку з максимальним ККД, перетиналася з напірною віссю якомога вище щодо ліній характеристик насоса, визначених для знижених швидкостей. Це кореспондується з зазначеним вище положенням про застосування при вирішенні задач підвищення напору в кінцевих ділянках мережі насосів зі стабільними та пологими характеристиками (по можливості з нижчим коефіцієнтом швидкохідності ns).

За умови «один насос робочий...» весь діапазон подачі забезпечується одним насосом (робочим в Наразі) з регульованою швидкістю, тому більшу частину часу насос працює з подачею меншою за номінальну і, відповідно, при нижчому ККД (рис. 6, 7). В даний час є суворий намір замовника обмежитися двома насосами у складі установки (один насос робочий, один - резервний) з метою зниження початкових витрат.

Експлуатаційні витрати впливають на вибір меншою мірою. При цьому нерідко замовник з метою «перестрахування» наполягає на застосуванні насоса, номінальне значення подачі якого перевищує розрахункову та/або виміряну витрату. У такому разі обраний варіант не відповідатиме реальним режимам водоспоживання на значному інтервалі часу доби, що призведе до перевитрати електроенергії (через нижчий ККД у найбільш «частому» і широкому діапазоні подачі), знизить надійність і довговічність роботи насосів (через частого виходу на мінімум 2„ін допустимого діапазону подачі, для більшості насосів - 10% від номінального значення), зменшить комфортність водопостачання (через періодичність функції зупинки та старту). В результаті визнаючи «зовнішню» обгрунтованість аргументів замовника, доводиться прийняти як факт надмірність більшості підвищувальних насосів, що знову встановлюються на внутрішніх, що призводить до дуже низького ККД насосних агрегатів. Використання ЧРП у своїй дає лише частину можливої ​​економії експлуатації.

Тенденція застосування двох насосних ПНУ (один – робітник, один – резервний) широко проявляється у новому житловому будівництві, т.к. ні проектні, ні будівельно-монтажні організації практично не зацікавлені в експлуатаційній ефективності інженерного обладнання житла, що зводиться, головним критерієм оптимізації є закупівельна ціна при забезпеченні рівня контрольного параметра (наприклад, подачі і напору в єдиній диктуючій точці). Більшість нових житлових будинків, з урахуванням зростання поверховості, оснащується ПНУ. Очолювана автором компанія («Променерго») здійснює постачання ПНУ як виробництва « », так і виробництва на базі насосів «Грундфос» (відомих під найменуванням МАНС). Статистика поставок «Променерго» у цьому сегменті за 4 роки (табл. 2) дозволяє відзначити абсолютну перевагу двох насосних ПНУ, особливо серед установок із ЧРП, які в основному будуть використані в системах господарсько-питного водопостачання, і насамперед житлових будівель.

На нашу думку, оптимізація складу ПНУ, як щодо витрат на електроенергію, так і щодо надійності роботи, ставить питання про збільшення кількості робочих насосів (при зниженні подачі кожного з них). Ефективність та надійність можуть бути забезпечені лише поєднанням ступінчастого та плавного (частотного) регулювання.

Аналіз практики підвищення насосних систем з урахуванням можливостей сучасних насосів та методів регулювання, зважаючи на обмеженість ресурсів, дозволив запропонувати як методичний підхід оптимізації ПНР (ПНУ) концепцію периферійного моделювання подачі води в контексті скорочення енергоємності та вартості життєвого циклу насосного обладнання. Для раціонального вибору параметрів насосних станцій з урахуванням структурного взаємозв'язку та полірежимного характеру функціонування периферійних елементів системи подачі води розроблено математичні моделі. Модельне рішення дозволяє обґрунтувати підхід до вибору числа нагнітачів у складі ПНР, в основі чого лежить дослідження функції вартості життєвого циклу в залежності від кількості нагнітачів у складі ПНР. При дослідженні моделі ряду діючих систем встановлено, що у більшості випадків оптимальне число робочих насосів у складі ПНС становить 3-5 одиниць (за умови застосування ЧРП).

Література

1. Березін С.Є. Насосні станції з занурювальними насосами: розрахунок та конструювання/С.Є. Березин. - М.: Будвидав, 2008.

160 с.

2. Карелін В.Я. Насоси та насосні станції / В.Я. Карелін, А.В. Мінаєв.

М.: Будіз-дат, 1986. - 320 с.

3. Карттунен Е. Водопостачання II: пров. з фінського/Е. Карттунен; Асоціація інженерів-будівельників Фінляндії RIL г.в. – СПб.: Новий журнал, 2005 – 688 с.

4. Кінебас А.К. Оптимізація подачі води у зоні впливу Урицької насосної станції Санкт-Петербурга/ А.К. Кінебас, М.М. Іпатко, Ю.В. Рук-син та ін//ВСТ. – 2009. – № 10, ч. 2. – с. 12-16.

5. Красильников А. Автоматизовані насосні установки з каскадно-частотним керуванням у системах водопостачання [Електронний ресурс]/А. Красильникова/Будівельна інженерія. - Електрон, дан. - [М.], 2006. - №2. - Режим доступу: http://www.archive-online.ru/read/stroing/347.

6. Лезнов Б.С. Енергозбереження та регульований привід у насосних та повітродувних установках/Б.С. Лезнів. - М: Енергоатом-видав, 2006. - 360 с.

7. Миколаїв В. Потенціал енергозбереження при змінному навантаженні лопатевих нагнітачів/В. Ніколаєв//Сантехніка. – 2007. – № 6. – с. 68-73; 2008. – № 1. – с. 72-79.

8. Промислове насосне встаткування. – М.: ТОВ «Грундфос», 2006. – 176 с.

9. Штейнміллер О.А. Оптимізація насосних станцій систем водопостачання на рівні районних, квартальних та внутрішньобудинкових мереж: автореф. дис. ... канд. техн. наук/О.А. Штейнміллер. – СПб.: ДАСУ, 2010. – 22 с.

ШВИДКИЙ ЗВ'ЯЗОК

ЗАТВЕРДЖУЮ

Директор інституту природних ресурсів

А.Ю. Дмитрієв

Базова робоча програма модуля (дисципліни) «експлуатація насосних та компресорних станцій»

Напрямок (спеціальність) ООП 21.03.01 «Нафтогазова справа»

Номер кластера ( для уніфікованих дисциплін)

Профіль(и) підготовки (спеціалізація, програма)

« Експлуатація та обслуговування об'єктів транспорту та зберігання нафти, газу та продуктів переробки»

Кваліфікація (ступінь) Бакалавр

Базовий навчальний план прийому 2014 м.

Курс 4 семестр 7

кількість кредитів 6

Код дисципліни Б1.ВМ5.1.4

Форма навчання заочна

Вид проміжної атестації іспит

Забезпечуючий підрозділ кафедра ТХНГ ІПР

2014 р.

1. Цілі освоєння модуля (дисципліни)

В результаті освоєння дисципліни Б1.ВМ5.1.4 «Експлуатація насосних та компресорних станцій» бакалавр набуває знання, уміння та навички, що забезпечують досягнення цілей Ц1, Ц3, Ц4, Ц5 ООП 21.03.01 «Нафтогазова справа»:

Загальною метою вивчення дисципліни є набуття студентами базових знань, пов'язаних з експлуатацією насосних та компресорних станцій.

Вивчення дисципліни дозволить студентам оволодіти необхідними знаннями та вміннями в області насосів та компресорів. Придбати знання, вміння та навички при проектуванні, спорудженні та експлуатації насосів та компресорів та його допоміжного обладнання.