Частотное регулирование насосов

Существуют различные способы управления производительностью насосов: дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов и увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения.

Регулирование скорости вращения наиболее просто и эффективно достигается применением частотно-регулируемого электропривода (ЧРП). В состав ЧРП входят стандартный или специальный асинхронный или синхронный электродвигатель, транзисторный или тиристорный преобразователь частоты, согласующий трансформатор либо реактор, пуско-регулирующая и коммутационная аппаратура. Иногда для решения проблемы электромагнитной совместимости с сетью в состав комплексной установки ЧРП могут входить фильтро-компенсирующие устройства.

Применение частотно-регулируемого привода насосов систем холодного и горячего водоснабжения позволяет экономить до 60% электроэнергии и до 25% потребления воды. Также экономится тепловая энергия, содержащаяся в горячей воде.

Энергосберегающий эффект от применения регулируемого электропривода в системах водоснабжения можно пояснить на примере работы насосной установки, требующий регулирования ее производительности. Принцип формирования экономии электроэнергии показан на рис. 8.1., на котором представлены характеристики совместной работы насоса и гидравлической сети.

 

Рисунок 8.1. Характеристики совместной работы насоса и гидравлической сети.

 

При номинальной расчетной производительности Q_ном насос работает при номинальной частоте вращения в точке "а" пересечения характеристики насоса (кривая 1) с гидравлической характеристикой сети (кривая 2). При этом в сети устанавливается номинальный напор Н_ном, определяемый точкой пересечения характеристик насоса и сети "а".

При снижении водопотребления до величины Q₁ рабочая точка нерегулируемого насоса переходит в точку "b". При этом насос создает напор Н₁'. Однако в соответствии с характеристикой сети необходимый напор при данном значении водопотребления составляет H₁. Насос работает с напором, избыточным на величину DH = H₁' - H₁. На создание избыточного напора DH требуются дополнительные затраты электроэнергии, которые прямо пропорциональны величине DH.

Ликвидация избыточного напора DH при работе насоса с регулируемым электроприводом достигается соответствующим снижением частоты вращения. При этом характеристика насоса смещается до положения (кривая 3), при котором восстанавливается необходимый напор насоса H₁, соответствующий изменившемуся режиму водопотребления (точка "с").

Экономия воды в системах холодного и горячего водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления (напора). Для существующих систем водоснабжения в коммунальной сфере каждая лишняя атмосфера (10 м вод. ст.) вызывает за счет увеличения утечек дополнительные 7-9% потерь воды.

Эффект применения ЧРП насосов определяется на основе следующих измерений и расчетов:

1. Регистрируются номинальные параметры:

- насоса: Q_ном, м³/с; H_ном, м; h_{нас.ном};

- двигателя: Р_ном, кВт; ток I_ном, А; n об/мин.; h_дв._ном и cosφ_ном.

2. Определяется суточный график изменения напора на входе H_вх и выходе H_вых насоса, а также напора после задвижки Н_задв (в случае применения дроссельного регулирования). Измерения проводятся по штатным манометрам (производится несколько измерений в течении суток с определенным интервалом).

3. Измеряется средний расход воды за сутки Q_ср, м³/ч (по разности показаний расходомера в начале Q₁ и в конце Q₂, контрольных суток):

 

Q_ср = (Q₂ - Q₁)/24

 

Возможно определение Q_ср по суточному графику водопотребления.

4. Рассчитывается минимально необходимый общий напор по формуле:

 

H_необх = С×N+D, м в. ст.

 

где N - число этажей (включая подвал - для индивидуальных тепловых пунктов); для группы домов - число этажей самого высокого дома; С = 3 - для стандартных домов и 3,5 - для домов повышенной комфортности; D= 10 - для одиночных домов и 15 - для группы домов, обслуживаемых ЦТП.

При ориентировочных расчетах Н_необх можно принять равным минимальному значению напора по суточному графику изменения напора в системе (после дросселя) Н_задв, определенному в п.2.

5. Определяется годовая экономия электроэнергии, кВт×ч/год:

 

ΔЭ_год = ((Н_вых.ср – H_необх)×Q_ср / (367×h_нас×h_дв.ном)) × Т_год

 

где T_год - число часов работы оборудования в году; Н_вых.ср - средний за сутки напор на выходе насоса (перед дросселем), м в. ст. Определяется по суточному графику, полученному в п.2 либо по характеристике Q-H насоса для расхода Q_ср (с корректировкой по напору на входе насоса Н_вх).

Величину КПД насосного агрегата×h_нас определяется по характеристике Q-h насоса, либо по выражению:

 

h_нас = К × h_{нас.ном}

 

где К - определяется по кривой на рис. 8.2 для расхода Q_ср, измеренного в п.4 и отнесенного к Q_ном из п.1.

Рисунок 8.2 Изменение КПД насоса в зависимости от производительности

 

6. Определяется годовая экономия воды, м³/год:

ΔВ_год = 0,007×(Н_вых.ср – H_необх) × Q_ср × Т_год,

 

Годовая экономия тепла за счет сокращения потребления горячей воды определяется по выражению (Гкал/год):

ΔΘ = С × Δt × ΔВ_{год.гор.}

 

где С = 0,001 - коэффициент теплоемкости воды, Гкал/т×°С; Δt - расчетный перепад температуры перегрева горячей воды, °С; ΔВ_{год.гор.} – горячаявода сэкономленная за год, т.

 

Пример 1: На повысительной насосной станции установлен насос 6К-8. Насос обеспечивает поддержание требуемого напора в системе холодного водоснабжения. Производительность насоса регулируется дросселированием в ручном режиме. Время работы за год 8760 ч.

Номинальные параметры насоса: Q_ном =162 м³/ч, Н_ном =32,5 м, h_ном =78 %. Мощность приводного электродвигателя P_ном =20 кВт, h_дв.ном =90%. Суточные графики водопотребления насосной станции и напора в системе (после дросселя) приведены на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Суточные графики водопотребления и напора (после дросселя)

Известно также, что напор на входе насоса H_вх составляет в среднем 0,5 м вод. ст.

Решение:

1. Средний расход воды за сутки 65 м³/ч (по графику водопотребления рис. 8.3)

2. Минимально необходимый общий напор 30 м вод. ст. (принимаем равным минимальному значению суточного графика изменения напора в системе - рис. 8.3.).

3. Годовая экономия электроэнергии:

ΔЭ_год=((Н_вых.ср–H_необх)×Q_ср/(367×h_нас×h_дв.ном))×t_год =
=((38,5-30)×65/(367×0,5×0,9))×8760=29306 кВт×ч.

Средний напор на выходе насоса (перед дросселем) в данном случае определен следующим образом: по характеристике Q-H насоса 6К-8 (рис. 8.3.) для среднего расхода Q_ср 65 м³/ч определяем создаваемый насосом напор, который составляет 38 м³/ч. С учетом напора на входе насоса 0,5 м вод. ст. напор на выходе составит Н_вых.ср = 38 + 0,5 = 38,5 м. вод. ст.

Рисунок 8.3. Характеристики Q-H и Q-h насоса 6К-8

 

КПД насосного агрегата при средней подаче Q_ср = 65 м³/ч составляет h_нас = 0,5 (в соответствии с характеристикой Q-h насоса, приведенной на рис. 8.3.)

4. Годовая экономия воды:

ΔВ_год = 0,007×(Н_вых.ср – H_необх) × Q_ср × Т_год = 0,007 × (38,5 - 30) × 65 × 8760 = 33879 м³

 

Пример 2: В ЦТП установлен циркуляционный насос ГВС марки К 90/55, осуществляющий подачу горячей воды потребителям. Регулирование подачи насоса осуществляется дросселированием в ручном режиме. Время работы за год 8040 ч.

Номинальные параметры насоса: Q_ном =90 м³/ч, Н_ном =55 м, h_ном =70 %. Мощность приводного электродвигателя P_ном =22 кВт, h_дв.ном =90%.

Средний подпор на входе насоса H_вх =0,5 м вод. ст.

Решение:

1. Средний расход воды за сутки в соответствии с графиком потребления горячей воды на ЦТП составляет Q_ср = 48 м³/ч.

2. Необходимый общий напор H_необх принимаем равным минимальному значению суточного графика изменения напора в системе ГВС - 50 м вод. ст.

3. Годовая экономия электроэнергии:

ΔЭ_год=((Н_вых.ср–H_необх)×Q_ср/(367×h_нас×h_дв.ном))×t_год =

((60,5-50)×48/(367×0,49×0,9))×8040=25037 кВт×ч.

Средний напор на выходе насоса (перед дросселем) определяем по характеристике Q-H: при расходе Q_ср =48 м³/ч насос К 90/55 создает напор 60 м вод. ст. С учетом напора на входе насоса 0,5 м вод. ст. напор на выходе составит Н_вых.ср = 60 + 0,5 = 60,5 м. вод. ст.

КПД насосного агрегата h_нас = К × h_{нас.ном} = 0,7 × 0,7 = 0,49 (К=0,7 по рис. 7.2 для Q_cp/Q_ном=48/90=0,5).

4. Годовая экономия воды:

ΔВ_год = 0,007×(Н_вых.ср – H_необх) × Q_ср × Т_год = 0,007 × (60,5 - 50) × 48 × 8040 =
= 28365 м³

Годовая экономия тепла за счет сокращения потребления горячей воды:

ΔΘ = С × Δt × ΔВ_{год.гор.} = 0,001 × 45 × 28365 = 1276 Гкал

Перепад температуры перегрева горячей воды Δt определен следующим образом: принимаем температуру горячей воды для систем ГВС 55 °С, температуру холодной воды 10 °С (в среднем за год). Отсюда Δt = 55-10 = 45 °С.

2. Пример 2

С целью экономии электроэнергии в осветительных установках технического университета (ТУ) были рекомендованы следующие мероприятия:

1) Замена люминесцентных ламп на лампы меньшей мощности

Замена люминесцентных ламп на лампы меньшей мощности производится по мере их перегорания и не требует дополнительных денежных затрат.

Величина экономии при этом составит 7,5% от годового потребления. При годовом потреблении люминесцентными лампами 1784920 кВт*ч в учебных корпусах и 110151 кВт*ч в общежитиях, экономия электроэнергии составит 178492 кВт*ч/год (133869 кВт*ч – в учебных корпусах, 44623 – в общежитиях), что в финансовом выражении составляет B = 105310 руб.

Срок окупаемости модернизации системы освещения:

PB = I₀ / B = 0 / 105310 = 0.

Чистый дисконтированный доход:

 

где r = = , n = 10 лет.

Так как мероприятие является беззатратным и дает значительную годовую экономию, то оно является прибыльным и рекомендуется к осуществлению.

2) Замена ламп накаливания люминесцентными лампами

В настоящее время в корпусах и общежитиях ТУ число ламп накаливания составляет 607 штук (мощность каждой лампы 60 Вт).

Светоотдача ламп накаливания 12 лм/Вт, люминесцентных ламп 80 лм/Вт. Следовательно, мощность люминесцентных ламп, необходимых для замены ламп накаливания равна 36427 Вт, т.е. 68 светильников с люминесцентными лампами 2х40 Вт.

Стоимость одного светильника с электро-магнитным ПРА - 250 руб., с электронным ПРА - 600 руб.

а) Установка 68 светильников с электромагнитным ПРА обойдется в:

I₀ = 68 * 250 = 17000 руб.

Данное мероприятие позволяет экономить 140031 кВт*ч электроэнергии (28761 кВт*ч – в учебных корпусах, 111270 – в общежитиях), что в финансовом выражении составляет B = 82618 руб.

На сегодняшний момент по рублям расчетная номинальная процентная ставка банков n_г = 33%, а уровень инфляции b = 8%.

Срок окупаемости модернизации системы освещения:

PB = I₀ / B = 17000 / 82618 = 0,21 года.

Чистый дисконтированный доход:

 

где r = = , n = 10 лет.

 

Индекс доходности:

NPVQ = NPV / I₀.= 296888 / 17000 = 17,46.

б) Установка 68 светильников с электронным ПРА обойдется в:

I₀ = 68 * 600 = 40800 руб.

Электронный пуско-регулирующий аппарат позволяет экономить 20% от потребляемой электроэнергии, т.е. можно получить экономию еще больше чем в случае б. Данное мероприятие позволяет экономить 168037 кВт*ч электроэнергии (34513 кВт*ч – в учебных корпусах, 133524 – в общежитиях), что в финансовом выражении составляет B = 99142 руб.

На период расчета по рублям расчетная номинальная процентная ставка банков n_г = 33%, а уровень инфляции b = 8%.

Срок окупаемости модернизации системы освещения:

PB = I₀ / B = 40800 / 99142 = 0,41 года.

Чистый дисконтированный доход:

 

где r = = , n = 10 лет.

 

Индекс доходности:

 

NPVQ = NPV / I₀.= 335868 / 40800 = 8,23.

Из произведенных расчетов можно сделать вывод, что мероприятие прибыльное как при внедрении люминесцентных ламп с обычным электро-магнитным ПРА, так и с электронным ПРА.

3) Автоматизация управления освещением

Внедрение автоматизации управления освещением даст годовую экономию электроэнергии на освещение 5% по общежитиям и 10% по учебным корпусам или 89245 кВт*ч (66933 кВт*ч в учебных корпусах, 22311 кВт*ч в общежитиях), в денежном выражении это составит В = 52655руб.

Затраты на данное мероприятие составят I₀ = 170000 руб.

Срок окупаемости модернизации системы освещения:

PB = I₀ / B = 170000 / 52655 = 3,23 года.

Чистый дисконтированный доход:

 

где r = = , n = 10 лет.

 

Индекс доходности:

 

NPVQ = NPV / I₀.= 30051 / 170000 = 0,18.

 

Из произведенных расчетов можно сделать вывод, что мероприятие является прибыльным, несмотря на большие капитальные вложения.

Результаты расчетов мероприятий по экономии электроэнергии в осветительных установках сведены в таблицу 8.1.

 

Таблица 8.1

Сводная таблица энергосберегающих мероприятий в осветительных установках

 

Мероприятия по сохранению энергии	Инвестиции, руб.	Чистые сбережения	Срок окупаемости, лет	NPV, руб.	NPVQ
кВт*ч/ год	руб.
1. Замена люминесцентных ламп на лампы меньшей мощности						-
2 Замена ламп накаливания люминесцентными лампами: а) с электромагнитным ПРА б) с электронным ПРА				0,21 0,41		17,46 8,23
3. Автоматизация управления освещением				3,23		0,18
Всего по сохранению энергии

9. Контрольные вопросы