Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задачи исследований 15
1.1. Режимы работы насосных установок и способы их регулирования 15
1.2 Энергопотребление насосных установок 19
1.3 Способы снижения потребления энергии насосными установками Выводы по главе 1 34
Глава 2. Материалы и методы 38
Выводы по главе 2 41
Глава 3. Работа лопастного насоса в нестационарном технологическом процессе и построение математической модели его работы 42
3.1. Условия работы лопастного нагнетателя при поддержании нестационарных процессов и составление целевой функции оптимизации (минимизации) потребления энергии 42
3.2. Аппроксимация характеристик лопастного нагнетателя и их пересчет в зависимости от частоты вращения рабочего колеса ... 45
3.2.1. Аппроксимация характеристик лопастного нагнетателя при постоянной частоте вращения рабочего колеса 45
3.2.2. Пересчет характеристик лопастного насоса в зависимости от частоты вращения рабочего колеса 47
3.3. Построение математической модели виртуального лопастного насоса 51
3.4. Исследование влияния статической составляющей требуемого напора и способа управления лопастным насосом на текущее значение КПД з
3.5. Оценка влияния отклонения текущей частоты вращения рабочего колеса от номинальной на снижение КПД насоса вдоль кривых подобных режимов и на КПД частотно-регулируемого привода (ЧРП) 67
3.6. Потенциал энергосбережения и его реализация для оценки эффективности работы лопастных нагнетателей с переменной нагрузкой 82
Выводы по главе 3 90
Глава 4. Влияние выбора способа управления лопастным насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров 102
4.1. Теоретическое определение энергоэффективных параметров насоса при переменной нагрузке путем определения положения оптимума характеристики его КПД 102
4.2. Теоретическое определение оптимальных параметров насоса при переменной нагрузке с использованием кривых подобных режимов 107
4.3. Определение оптимальных параметров лопастного насоса по минимуму затрат энергии численными методами с использованием математической модели виртуального насоса 111
4.4. Сопоставление теоретических и расчетных значений оптимальных параметров при подборе насосных агрегатов, а также сравнение энергоэффективности для традиционного и рекомендуемого способов их выбора в системах водоснабжения 122
4.5. Особенности технологических условий работы насосного оборудования канализационных насосных станций (КНС) и
разработка математической модели их функционирования 128
4.5.1. Построение математической модели системы «приемный резервуар КНС - нерегулируемый насос - напорный трубопровод» при работе с переменным уровнем воды в резервуаре 136
4.5.2. Построение математической модели системы «приемный резервуар КНС - регулируемый насос - напорный трубопровод» при стабилизации уровня воды в резервуаре 140
Выводы по главе 4 145
Глава 5. Сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления насосной установкой с одним насосным агрегатом и регулируемым приводом 154
5.1. Дросселирование трубопроводной системы 154
5.2. Стабилизация давления на выходе насосного агрегата 159
5.3. Минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе... 166
5.4. Минимизация избыточных напоров с предварительной оптимизацией параметров насосного оборудования (оптимизация) 172
5.5. Сопоставление энергоэффективности различных способов управления 179
5.6 Сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления насосными установками при откачке сточных масс из приемных резервуаров КНС 187
Выводы по главе 5 194
Глава 6. Сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке ... 207
6.1. Особенности условий работы насосных агрегатов в составе группы
при их параллельном подключении 207
6.2. Теоретическое определение оптимальных параметров лопастных насосов в зависимости от их числа и характера распределения нагрузки 212
6.3. Исследование области возможных режимов работы лопастных насосов и оценка влияния ограничений на энергию, потребляемую насосным агрегатом 227
6.4. Оптимальное распределение нагрузки между агрегатами методом неопределенных множителей Лагранжа 241
6.5. Определение минимума потребляемой энергии с использованием оптимизационного метода проекций градиента 261
6.6. Сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов 269
Выводы по главе 6 289
Основные результаты и выводы 312
Литература
- Энергопотребление насосных установок
- Аппроксимация характеристик лопастного нагнетателя и их пересчет в зависимости от частоты вращения рабочего колеса
- Теоретическое определение оптимальных параметров насоса при переменной нагрузке с использованием кривых подобных режимов
- Исследование области возможных режимов работы лопастных насосов и оценка влияния ограничений на энергию, потребляемую насосным агрегатом
Введение к работе
Актуальность проблемы
Рост потребления электроэнергии в нашей стране за последнее десятилетие значительно превышал темпы ввода в эксплуатацию генерирующих мощностей, что привело к образованию дефицита резерва свободной мощности в большинстве регионов России. Проблема дефицита мощности может решаться двумя путями: либо наращиванием темпов строительства и ввода генерирующих мощностей, либо путем рачительного расхода производимой энергии и внедрением новейших энергосберегающих технологий. Необходимо учитывать, что затраты на создание 1 кВт генерирующей мощности составляют от 1500 до 2000$ США, тогда как затраты на внедрение современных энергосберегающих технологий соответственно равны от 100 до 250$. Кроме того, сроки строительства и ввода в действие тепловых, атомных и гидроэлектростанций составляют от 5 до 10 лет и требуют значительных инвестиций, тогда как результаты экономии энергии при внедрении энергосберегающих технологий могут быть получены в ближайшие один-два года.
Поэтому снижение потребления энергии в нашей стране в настоящее время представляет важнейшую народно-хозяйственную проблему, основные направления решения которой сформулированы в Федеральном законе «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» №261-ФЗ от 23.11.09 г. Одним из крупнейших потребителей электроэнергии в стране (более 20%) являются лопастные насосные агрегаты, большая часть которых используется в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве.
Одним из наиболее эффективных способов экономии энергии в насосных установках, работающих с переменной нагрузкой, является применение регулируемого электропривода (РЭП). Приведенный в работе анализ результатов применения РЭП показал, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других – она незначительна, в-третьих, установка привода не обеспечивает получение её экономии. Исследование методов и форм применения регулируемого привода свидетельствует о том, что на практике чаще всего используются технически наиболее простые, а экономически наименее эффективные способы управления насосными установками, такие, как стабилизация давления на выходе из насоса. Степень использования потенциала энергосбережения, при этом, составляет не более 15-30%, что приводит к тому, что большая часть потенциала, даже после установки регулируемого привода остается невостребованной. Одной из основных причин такого положения является недостаточная изученность влияния РЭП на работу систем водоснабжения и водоотведения.
В диссертационной работе проблема внедрения современных энергосберегающих технологий на основе использования регулируемого привода в системах ВиВ решается путем создания математической модели виртуального насоса и математического моделирования гидродинамических систем «приемный резервуар – насосная установка – трубопроводная система». Для минимизации затрат энергии при работе насосных установок решен целый ряд оптимизационных задач с разработкой принципиально новых методов определения оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. С целью оптимального распределения нагрузки между параллельно подключенными агрегатами с различными характеристиками использовались оптимизационные методы неопределенных множителей Лагранжа и проекций градиента.
Диссертационная работа выполнена на опытно-промышленных установках и промышленных объектах, а также на кафедрах «Гидравлика» и «Коммунальное и промышленное водопользование» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (МГАКХиС).
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлось развитие научных основ энергосбережения при работе насосных установок систем водоснабжения и водоотведения на базе их математического моделирования с использованием современных информационных технологий и оптимизационных методов.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи.
-
Обосновать выбор объективного критерия для оценки энергоэффективности работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения (ВиВ) и составить рекомендации для определения имеющегося потенциала энергосбережения.
-
Выполнить анализ фактических режимов работы насосных установок систем ВиВ и обобщить имеющуюся информацию об эффективности различных способов управления.
-
Исследовать влияния нарушений условий гидродинамического подобия гидромашин на КПД лопастного насоса и пересчет его характеристик. Данные нарушения возникают в результате изменения частоты вращения рабочего колеса при поддержании минимально-допустимых напоров в диктующей точке водопроводной сети (при наличии статической составляющей поддерживаемого напора).
-
Разработать математическую модель функционирования виртуального и реального насосного агрегата при оснащении их регулируемым приводом и без его использования.
-
Оценить влияние выбора способа управления насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров.
-
Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления насосной установкой с одним насосным агрегатом с учетом возможности применения регулируемого привода.
-
Исследовать особенности работы насосных агрегатов с регулируемым приводом в составе группы при их параллельном подключении.
-
Решить оптимизационную задачу минимизации затрат энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики с оптимальным распределением нагрузки между ними.
-
Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельного подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом и без его использования при переменной нагрузке.
-
Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными установками в системах водоснабжения и водоотведения.
Научная новизна.
-
Впервые установлено, что базовым (эталонным) значением максимальной энергоэффективности, необходимым для определения потенциала энергосбережения насосных установок систем ВиВ, является теоретический минимум целевой функции минимизации затрат энергии, который может быть достигнут в том случае, если напор в диктующей точке водопроводной системы или на выходе из насосной установки (для систем водоотведения) на всем диапазоне изменения подачи будет минимально допустимым, а отклонения КПД от своего максимального значения равны нулю.
-
Впервые введено новое понятие «виртуальный насос» и созданы математические модели виртуальных и реальных насосных установок, работающих с постоянной и переменной частотой вращения рабочих колес. Разработка математической модели виртуального насосного агрегата открывает принципиально новые возможности для исследования энергоэффективности работы сложных гидродинамических систем «резервуар – насосная установка – трубопроводная система».
-
Разработана принципиально новая методика определения оптимальных параметров насосных установок, обеспечивающих их максимальную энергоэффективность для заданных технологических условий. Выбор параметров насоса осуществляется путем решения оптимизационной задачи минимизации затрат энергии на всех возможных режимах его работы, с вычислением параметров наиболее эффективного виртуального насоса. Затем по полученным параметрам виртуального насоса подбирается реальный насос, параметры которого наиболее близки к виртуальному.
-
Впервые разработана методика определения области возможных режимов работы насосного агрегата с регулируемым приводом и учетом имеющихся ограничений при его эксплуатации: помпажу, кавитации, КПД, мощности электродвигателя привода, максимальному и минимальному значениям частоты вращения рабочего колеса. Определение границ области допустимых режимов обеспечивает возможность исследования совместимости характеристик насосных агрегатов при оценке целесообразности и эффективности включения их в совместную работу.
-
Впервые путем сканирования области возможных режимов работы насосов получены дифференциальные характеристики и для ряда насосных агрегатов отечественного и зарубежного производства. Исследование характера поведения полученных зависимостей обеспечивает возможность выбора оптимизационного метода для решения задач, связанных с оптимальным распределением нагрузки между насосными агрегатами при их совместной (параллельной или последовательной) работе.
-
Впервые для группы параллельно подключенных агрегатов, имеющих различные характеристики и работающих с переменной нагрузкой, решена задача одновременной оптимизации состава и режимов их работы с использованием специальной матрицы возможных состояний агрегатов. Для оценки надежности и достоверности полученных результатов задача минимизации затрат энергии была решена двумя различными оптимизационными методами: неопределенных множителей Лагранжа и проекций антиградиента (т.к. определялся минимум энергетического функционала).
Практическая ценность.
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований режимов работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения коммунального хозяйства, современных промышленных и сельскохозяйственных предприятий и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих насосных станций систем водоснабжения и водоотведения сточных вод коммунального и промышленного происхождения.
Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик систем водоснабжения и водоотведения.
Апробация работы.
На базе проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации и научно обоснованы методы снижения энергопотребления насосного оборудования систем водоснабжения и водоотведения.
Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва, внедрены в ОАО «Органический синтез», г. Казань, в системе оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой завода по производству Бифенола-А; ООО «Рузские тепловые сети», г. Руза Московской обл., при пуско-наладочных работах системы горячего водоснабжения центрального теплового пункта (ЦТП) №2, канализационной станции и водозаборного узла, г. Руза, канализационной станции и ЦТП №5 п. Тучково Московской обл.; системы аэробной биологической очистки сточных вод животноводческого комплекса ЗАО «Кузнецовский» Московской обл.; при реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции (КОС), Когалымское МУП «Водоканал», г. Когалым;
Материалы диссертационной работы представлены на Всероссийской выставке-форуме «Энергосбережение в регионах России», М., 2003; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2005», М., 2005; Всероссийском научно-практическом семинаре «Проблемы водоснабжения и водоотведения», г. Когалым, 2006; Международной выставке «Доркоммунэкспо-2006», М., 2006; Научно-технической конференции «Современные проблемы инженерных систем экологии городов и населенных пунктов», МГСУ, М., 2006; Международном семинаре «Экология селитебных территорий» МГСУ, М., 2006; VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2007; Выставке-семинаре «Москва-энергосберегающий город. Современные информационные технологии в городском хозяйстве», М., 2007; VII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности», Пенза, 2007; Международной научно-практической конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» ВНИТИБП, Щелково, 2007; VIII Международном конгрессе «Вода: экология и технология», М., 2008.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 35 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций, симпозиумов и международных конгрессов, в числе которых патент на изобретение и 16 работ, опубликованных в журналах, входящих в Перечень изданий ВАК.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 375 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 67 таблиц и 11 приложений. Библиография включает 210 наименований, из которых 78 на иностранных языках.
Энергопотребление насосных установок
Энергопотребление насосных установок определяется фактическими режимами их работы, т.е. значениями подачи, напора и КПД. При поддержании стационарных процессов по перемещению жидкостей подача, напор и КПД насосных агрегатов в течение времени остаются постоянными. Поэтому определение потребляемой ими энергии, в этом случае, не представляет трудностей и может быть легко рассчитано за представляющий интерес период времени. Однако технологические процессы подачи воды в системах водоснабжения и водоотведения являются нестационарными и носят случайный, вероятностный характер поэтому параметры насосных установок, поддерживающих эти процессы, подвержены существенным колебанием во времени.
Изменение параметров насосных установок характеризуется отклонением фактических значений подачи, напора и КПД от оптимальных, что ведет к неэффективному использованию потребляемой энергии. При этом, существенное влияние на потребляемую энергию оказывают не только абсолютные значения отклонений основных параметров насоса от оптимальных, но и время работы с этими отклонениями, которое определяется фактическими режимами работы насосных установок.
Режимы работы насосных установок существенно зависят от изменения режимов водопотребления или притока сточных вод [19,29 37, 38, 40, 46, 47, 49-63, 78, 113, 117, 126, 127, 141, 143, 154, 159, 170, 178, 180, 182, 184]. Как правило, режимы водопотребления и притока сточных вод определяются многими, не зависящими друг от друга причинами: климатическими и погодными условиями, режимом работ предприятий городов и др. Режим водопотребления описывается обычно суточными, недельными и т.п. графиками водопотребления. Графики водопотребления характеризуются коэффициентами неравномерности, представляющими собой отношение максимального водопотребления к среднему за определенный промежуток времени. Для изучения режимов работы насосных установок за длительный промежуток времени суточными графиками пользоваться неудобно, поскольку они существенно отличаются друг от друга по дням недели, временам года и т.д. Графики текущего водопотребления (водоотведения) практически сложно описать математическими уравнениями, поэтому для анализа энергетической и экономической энергоэффективности различных способов регулирования режимов работы насосных установок представляется целесообразным рассматривать режимы работы за достаточно длительный промежуток времени. Таким периодом времени для большинства промышленных и коммунальных систем водоснабжения и водоотведения является технический год, продолжительность которого составляет 8760ч. Для оросительных и тому подобных насосных установок, работающих сезонно, в качестве расчетного периода принимается длительность сезона, которая для различных районов страны колеблется в пределах 4000-4500ч [122, 131, 156].
Поэтому для анализа режимов насосных установок некоторые исследователи [17, 57, 62] используют кривые распределения водоподачи по аналогии с упорядоченными диаграммами электрических нагрузок. Под упорядоченной диаграммой понимается кривая, соединяющая расположенные в порядке возрастания ординаты суточных графиков подачи воды за длительный промежуток времени, например за год. Для оценки неравномерности подачи воды используется понятие «относительно минимальная подача»:Х = (Зм/ 36 , где QM - наименьшая подача в сутки минимального водопотребления; Qs - наибольшая подача в сутки максимального водопотребления. Относительно минимальная водоподача может быть выражена через коэффициент неравномерности за соответствующий период времени Я. = Kmin/Kmax . Режим притока сточных вод характеризуется графиками притока, которые имеют вид, аналогичный графикам водопотребления.
Режимы работы установок промышленных предприятий определяются, главным образом, технологическим процессом предприятия. Наряду с аналогичными режимами для работы городских водопроводных сетей, насосные установки предприятий могут быть с явно выраженным ночным или дневным режимом водопотребления. Режимы работы теплофикационных установок систем оборотного водоснабжения существенно зависят от температуры наружного воздуха, а, следовательно, и от времени года, климата и т.п.
Режимы работы насосных установок, подающих воду потребителю через аккумулирующий резервуар характерны тем, что в отдельные периоды времени подача насосных установок отличается от водопотребления. Если подача больше водопотребления, уровень воды в резервуаре поднимается, если меньше уровень падает. При равенстве подачи и водопотребления уровень стабилизируется на определенной отметке. В этом случае приведение в соответствие водопотребления и подачи насосной установки, состоящей из одного агрегата, без использования регулируемого привода, осуществляется включением агрегата при снижении уровня воды до заданной нижней отметки и отключением при достижении верхней, а затем цикл повторяется. Если насосная установка состоит из нескольких агрегатов, режим ее работы отличается тем, что задается несколько уровней, при достижении которых изменяется число агрегатов.
Режим работы насосных установок при откачке жидкости из приемных резервуаров (канализационных, осушительных, мелиоративных и т.п.) аналогичен изложенным выше с тем отличием, что агрегаты включаются в работу при наполнении резервуаров до верхнего уровня, а отключаются при их опорожнении. Число включений насосных агрегатов в канализационных насосных станциях с резервуарами достигает 40-50. а в ряде случаев 100 и более за сутки. Поскольку такое число включений для агрегатов большой мощности, с точки зрения надежности работы электротехнического оборудования, недопустимо, то пуск агрегатов мощностью 100-200 кВт и более осуществляется с помощью устройств плавного пуска.
Подача насосных установок, работающих непосредственно в сеть без промежуточных резервуаров должна быть в каждый момент времени равна водопотреблению (при отсутствии утечек и непроизводительных расходов). В действительности в любой системе водоподачи имеются утечки, поэтому подача насосов будет несколько (на 10-15%) выше водопотребления. С ростом водопотребления подачу насосных агрегатов необходимо увеличивать, что приводит к возрастанию гидравлических потерь в трубопроводах. Чтобы компенсировать эти потери, следует увеличить давление, развиваемое насосной установкой. Приведение в соответствие водопотребления и подачи насосов осуществлялось до настоящего времени чаще всего изменением числа работающих агрегатов или степени открытия задвижек (запоров) на напорных линиях насосов, т.е. дросселированием трубопроводов. Однако дросселирование является неэкономичным способом регулирования, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления требуются дополнительные затраты энергии. Более экономичным способом регулирования является изменение частоты вращения рабочего колеса.
Аппроксимация характеристик лопастного нагнетателя и их пересчет в зависимости от частоты вращения рабочего колеса
Объектами исследований являлись насосные установки систем водопотребления и водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий. В состав установок входили комплекты оборудования, состоящие из одного или нескольких насосных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительных приборов, аппаратуры управления и защиты. Насосные агрегаты содержали один или несколько параллельно соединенных насосов, оснащенных регулируемым и нерегулируемым электроприводом. Для привода насосов использовались преимущественно асинхронные короткозамкнутые двигатели переменного тока. Электродвигатели имели мощность до 320 кВт и напряжение питания 380-660 В.
Для решения поставленных задач были использованы следующие средства и методы: теоретическое решение с целью получения аналитических выражений, устанавливающих взаимосвязь исследуемых параметров; использование методов математического моделирования насосных установок, оснащенных регулируемым или нерегулируемым приводом, состоящих как из одиночного, так и группы параллельно подключенных насосных агрегатов. Ввиду сложности исследуемых процессов задачи решались численными методами с использованием итерационных процедур. В некоторых случаях при внедрении результатов исследований в производство (КНС и центральный тепловой пункт (ЦТП) №5 - п. Тучково Моск. обл.) и ЦТП № 2, водозаборный узел, КНС (г. Руза, Моск. обл.) проводились натурные исследования параметров насосного оборудования и трубопроводных систем.
Для математического моделирования были разработаны математические модели виртуальных насосных установок. Для этого энергетические характеристики насосных агрегатов, а именно: напорная (Я = /,(0), характеристика КПД rj=f2(Q) и кавитационная Ah = f3(0) были
аппроксимированы полиномами второй степени. При аппроксимации полиномами более высокой степени точность аппроксимации может быть увеличена, а суммарное квадратичное отклонение уменьшено. Однако характеристики исследуемого оборудования оказываются невыпуклыми, что затрудняет использование оптимизационных методов Лангража [17,28]. Аппроксимация характеристик проводилось по методу наименьших квадратов. Качество аппроксимации оценивалось по средней квадратичной ошибке, определяемой по формуле: і п-\ где: х - среднее арифметическое значение параметра; х, - текущее значение; п - количество опытов (измерений). Число значений подачи, напора, КПД при аппроксимации энергетических характеристик принималось равным 12-14, а при аппроксимации дифференциальных характеристик, ввиду их dN чувствительности к изменению аргумента число значении параметра на исследуемом диапазоне подач принималось равным 1000. Аппроксимация проводилась с помощью специально составленной компьютерной программы «APROKS».
Решение задачи выбора оптимальных параметров насосных агрегатов осуществлялось численными методами с помощью специальной компьютерной программы «Насос - 2006». Для решения задачи использовалась итерационная процедура. Для обеспечения высокой степени точности число итераций принималось равным 20000. Время итерационного цикла на компьютере «Pentium - 5» при этом составило 8 - 10 минут (для насосной станции с шестью насосными агрегатами). При решении задачи оптимального распределения нагрузки между насосными агрегатами, связанной с минимизацией энергетического функционала, точность определения стационарной точки (минимума) определялась по задаваемой степени отклонения є градиент-вектора от нормали к плоскости ограничений. Учет ограничений в форме равенств осуществлялся с помощью специального алгоритма, исключающего крайне нежелательные колебания итерационного процесса вблизи поверхности ограничений.
Для принимаемого значения отклонения є = 0,0001, точность определения мощности насосных агрегатов составила менее 0,1%.
При проведении натурных исследований характеристик насосного оборудования водозаборного узла, центральных тепловых пунктов, а также насосов, обеспечивающих откачку сточных вод из приемных резервуаров КНС (г. Руза, п. Тучково, Моск. обл.), измерялись следующее параметры: подача насосного агрегата, Q м7с; давление в патрубке на выходе насоса Рвых, МПа; мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса N,BT; частота вращения вала рабочего колеса п, с" ; частота электрического тока Г, Гц; уровень жидкости в приемном резервуаре КНС.
Измерение давлений производилось с помощью образцовых манометров типа МО-250 (класс точности 0,25), а также образцового контактного вакуумметра KVC - 450 с цифровым дисплеем (класс точности 0,5). Расход измерялся ультразвуковым расходомером АКРОН-1. Прибор предназначен для измерения мгновенного значения и интегрального объема (количества) звукопроводящих жидкостей напорных промышленных и бытовых стоков, жидких загрязнений пищевой промышленности (класс точности 1). Прибор оснащен архивирующим устройством с задаваемым периодом архивирования от 1с до 3600с (объем архива - 20000 значений расхода). Частота вращения вала рабочего колеса измерялась оптическим тахометром НЮКИ - 3403 (с разрешением 0,01 об/мин.). Мощность, потребляемая электродвигателем насосного агрегата, измерялась 3-х фазным ваттметром Ц 42308 (класс точности 1,0). Уровень жидкости измерялся акустическим уровнемером ЗОНД — ЗМУ, предназначенным для бесконтактного непрерывного автоматического измерения уровня жидких сред.
Использование современных методов научных исследований позволило определить влияние на технологические процессы различного рода внутренних и внешних воздействий и оценить эффективность предлагаемых технологических и конструктивных решений.
Теоретическое определение оптимальных параметров насоса при переменной нагрузке с использованием кривых подобных режимов
В отличие от вентиляционных систем, где аэродинамическая характеристика воздуховода выходит из начала координат и совпадает с кривой подобных режимов (рис. 3.4, кривая 1), в гидравлических трубопроводных системах статическая составляющая, как правило, не равна нулю (кривую 2). На рисунке показано перемещение рабочей точки А при изменения положения напорной характеристики насоса в результате регулирования частоты вращения его рабочего колеса. Из приведенного рисунка видно, что напорная характеристика насоса по мере уменьшения частоты вращения рабочего колеса (снижения частоты тока привода) смещается в направление начала координат. При этом, в случае равенства нулю статической составляющей напора рабочая точка будет перемещаться по кривой подобных режимов в положение Л,. В гидравлических системах
(при Ни 0) рабочая точка перемещается при минимизации избыточных напоров по харакіеристике трубопроводной системы из положения А в положение /4,.
Известно, чю согласно традиционной методике выбора насос подбирается таким образом, чтобы в рабочей точке А КПД был максимальным [19, 37, 38, 41, 46, 66, 113, 117, 122, 126, 127, 134, 164, 184, 207]. В этом случае кривая характеристики трубопроводной системы совпадает с кривой подобных режимов, соответствующей максимальному значению КПД (рис. 3.4, кривая 1). При изменении подачи насоса его КПД будет оставаться постоянным и равным своему максимальному значению, поскольку в этом случае выполняются оба условия подобия (3.6) и (3.7). В наиболее распространенном случае в гидравлических трубопроводных системах статическая составляющая напора не равна нулю (Яч; 0), в результате чего характеристика трубопроводной системы (рис. 3.4, кривая 2) не совпадает с кривой подобных режимов, соответствующей максимальному значению КПД (рис. 3.4, кривая 1).
В нестационарном технологическом процессе при уменьшении нагрузки (подачи) рабочая точка А будет перемещаться в область более низких значений подач. При этом характер перемещения рабочей точки будет зависеть от принятого способа управления лопастным насосом. Для традиционной методики подбора насосного оборудования КПД насоса в рабочей точке А будет соответствовать своему максимальному значению. Поэтому при смещении рабочей точки в область более низких значений подач значение КПД будет снижаться, а степень его снижения будет зависеть от способа управления насосным агрегатом.
В случае применения нерегулируемого привода при снижении нагрузки за счет дросселирования трубопровода рабочая точка А будет перемещаться по напорной характеристике насоса, соответствующей номинальной частоте вращения рабочего колеса (рис. 3.4, кривая ААА). КПД насоса в этом случае будет зависеть только от его подачи и его значение может быть получено из уравнения характеристики КПД: r/ = Di02+ElO+Fi. (3.33)
В случае применения регулируемого привода характер перемещения рабочей точки меняется и полностью определяется выбранным способом управления насосным агрегатом. При использовании такого, наиболее распространенного способа управления, как стабилизация давления на выходе насосной установки, рабочая точка А будет перемещаться по прямой ААЪ ( рис. 3.4), которая существенно отклоняется от кривой трубопроводной системы (при Я%/ = 0). В этом случае КПД насоса не может быть вычислен по формуле (3.33), как при дросселировании трубопровода, поскольку необходима его коррекция, так как условие подобия (3.7) при этом не соблюдается. Значение статической составляющей напора при этом не оказывает влияния на его КПД, поскольку при стабилизации Hst достигает своего максимума (Hsl/Hn=l).
Применение минимизации избыточных напоров, как способа управления насосным агрегатом, приводит к перемещению рабочей точки по характеристике трубопроводной системы (рис. 3.4, кривая 2). В этом случае условие (3.7) гидродинамического подобия не соблюдается и отклонение текущего значения КПД от максимального будет в значительной степени зависеть от отклонения гидравлической характеристики трубопроводной системы от кривой подобных режимов, соответствующей максимальному значению КПД. Поэтому при применении минимизации избыточных напоров КПД насоса будет зависеть как от его подачи, так и от статической составляющей требуемого напора, т.е. г/ = f(Q, Нsl).
Для оценки влияния способа управления насосным агрегатом и статической составляющей требуемого напора рассмотрим, в качестве примера, результаты вычисления КПД для насоса КМ-100-65-250. При этом вычисления КПД насоса проводились для таких способов управления, как дросселирование трубопроводной системы, стабилизация давления на выходе насосного агрегата, минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе. Расчеты КПД проводились для различных значений статической составляющей напора Нч. В расчетах значения Нч изменялась в широком диапазоне и принималась равным: 0, 10, 20, 30, 40 и 50 м, что соответствует отношению Нч/Нп: 0; 0,13; 0,26; 0,39; 0,52; 0,65. Результаты вычислений значений КПД при переменной нагрузке для различных способов управления приведены в табл. 3.9.
Исследование области возможных режимов работы лопастных насосов и оценка влияния ограничений на энергию, потребляемую насосным агрегатом
В качестве критерия для определения оптимальных параметров насоса будем использовать его энергопотребление. За оптимальные значения подачи и напора будем принимать такие, при которых потребляемая насосным агрегатом энергия при переменной нагрузке будет минимальной. В настоящее время в существующей технической и нормативной литературе отсутствуют достаточно обоснованные методы расчета, позволяющие установить взаимосвязь между параметрами подбираемого насосного агрегата и его энергопотреблением при переменной нагрузке. Как показывают теоретические исследования, успех энергосбережения может быть заложен еще на стадии выбора параметров оборудования. Поэтому необходимо более детально остановиться как на традиционной, так и рекомендуемой методиках подбора параметров насосных агрегатов.
Известно, что при традиционном подходе к выбору оборудования его параметры на оптимальном режиме принимаются не с учетом энергопотребления, а по критерию надежности, т.е. определяются его способностью покрывать пиковую нагрузку. На основе гидравлических расчетов определяется максимальное значение подачи Qmx и соответствующего ей значения напора Нтзх. По полученным расчетным путем значениям напора и подачи насосный агрегат подбирается с учетом соблюдения условий: Отак Ораб и Нтах Нраб (где Ораб и Нраб - подача и напор насоса в рабочей точке). Поскольку подобрать насос с параметрами равными Отт и Нтж практически невозможно, при проектировании насосных станций насосное оборудование, как правило, принимается с некоторым запасом по подаче AQ и напору ЛЯ (где АО = Ора6 - Qmxi; АН = Нраб - Ятах). Подача насоса на оптимальном режиме его работы принимается примерно равной или близкой к максимальной, а максимальное значение КПД соответствует максимальной или близкой к ней подаче.
Рассмотрим, в качестве примера, подбор насосного оборудования для заданных условий эксплуатации по традиционной методике. В таблице (см. приложение 1.2)приведены варианты нагрузки в виде статистических рядов водопотребления. Число членов ряда принималось равным 24. Распределение нагрузки во времени принималось для двух следующих вариантов: статическое распределение (на примере микрорайона Митино, г. Москва) и нормальный закон распределения. Вероятности распределения подач в соответствующих интервалах приведены в табл. 4.4 (статистическое распределение) и табл. 4.5 (нормальный закон распределения).
Для подбора оборудования по традиционной методике рассматривались широко используемые в народном хозяйстве разнотипные отечественные насосные агрегаты типов: К, Д и В, а также насосы зарубежного производства для сточных вод фирмы FLYGT (Швеция). Результаты подбора оборудования приведены в табл. 4.7. Более полные технические характеристики выбранных насосных агрегатов приведены в приложении 1.
Как показали проведенные ранее исследования, существенное влияние на энергопотребление насосного агрегата оказывает отклонение его параметров в рабочей точке от параметров на оптимальном режиме работы. Поэтому с целью исключения влияния неточности подбора оборудования на энергопотребление представляет интерес сопоставление параметров насосов на оптимальном режиме и в рабочей точке для рассмотренных выше случаев подбора оборудования (табл. 4.7).
Из приведенных в табл. 4.7 данных видно, что насосные агрегаты подобраны с некоторым запасом по подаче АО и напору АН. Так, например, запас по подаче составляет от 3 м3/ч (насос КМ-100-65-250) до 404 м3/ч (насос 600В-1,6/100-0), что в процентном выражении от Oopt составляет от 1,02 до 9, 96%. Запас по напору находится в диапазоне от 0,3 м (насос СР3531/865) до 3,1 м (насос Д-1250-65), что в процентах составляет от 1,16 до 4,82. Отклонение КПД в рабочей точке находятся в пределах от 0,1 до 1%.
Наименование насосногоагрегата Параметры, характеризующие работу насосного агрегата на оптимальном режиме и в рабочей точке на оптимальном режиме в рабочей точке отклонение параметровв рабочей точке отоптимальных Qopt,м3/ч Нор, м Лорі ZpaO м3/ч Н г,раб М /раб AQ, м /ч Д#,мД#,% Г], % бООВ-1,6/100-0 4056 66,7 0,888 4460 63,9 0,880 404 9,96 -2,8 4,19 0 Д-3200-75 3111 74,9 0,897 3230 73,8 0,896 119 3,82 -и1,47 0,1 КМ-100-65-250 104 77,1 0,692 107 76,4 0,691 3,0 3,89 -0,7 0,91 од Д-1250-65 1363 64,3 0,886 1510 61,2 0,876 147 10,78 -3,1 4,82 1,0 СР3531/865 3143 25,8 0,820 3175 25,5 0,819 32 1,02 -0,3 1,16 0,1 Примечание: отклонение параметров насоса в рабочей точке от оптимального режима в числителе AQ (м3/ч) и АН (м), в знаменателе AQ и АН выражены в процентах.
Таким образом, результаты сопоставления параметров на оптимальном режиме и в рабочей точке показывают, что параметры подобранного насосного оборудования в рабочих точках достаточно близки к параметрам насосных агрегатов на их оптимальном режиме, что обеспечивает корректность сравнения получаемых результатов энергопотребления.
В качестве альтернативы традиционной методике рассмотрим подбор параметров насосных агрегатов для тех же условий эксплуатации (табл. 4.8) по рекомендуемой методике (см. приложение 2). При этом, в качестве критерия выбора оптимальных параметров, будем использовать разработанную ранее математическую модель виртуального насоса и соответствующую ей компьютерную программу «VIRT-06». Как указывалось ранее, используя математическую модель виртуального насоса можно с достаточной степенью точности получить его напорную характеристику Н = fx(Q) и характеристику КПД насоса т] = f2 (Q), располагая только оптимальным значением подачи, напора и КПД насоса, т.е. Q , Н , TJ0_,4 а также номинальной частотой lopt ращения рабочего колеса п. Располагая указанными характеристиками, можно посчитать энергию, потребляемую насосным агрегатом за представляющий интерес отрезок времени.
