Энергоэффективная эксплуатация насосного оборудования.

Авторы:
    Твердохлеб И.Б., к.т.н., директор по НИОКР УК «ГМС»,
    Костюк А.В., к.ф-м.н. директор программы УК «ГМС»,

Вопросы эффективной работы насосно-силового оборудования в последние годы становятся все более актуальными в связи с ростом тарифов на электрическую энергию, расходы на которую в общей структуре затрат могут быть очень значительными.

Водоснабжение и водоотведение относится к отраслям промышленности с интенсивным использованием насосного оборудования, доля электроэнергии потребляемой насосами составляет более 50% от общего энергопотребления. Поэтому вопрос снижения затрат на электроэнергию для водоснабжающих организаций заключается, прежде всего, в эффективном использовании насосного оборудования.

Большая работа в данном направлении проводится компанией ОАО «Группа ГМС» - холдингом, объединяющим ведущих производителей насосного оборудования в России и СНГ. На настоящий момент в структуру компании входят 16 предприятий с общей численностью персонала более 12 000 человек. Среди них широко известные ОАО «Ливнынасос», ОАО «Ливгидромаш», ОАО «Насосэнергомаш», ОАО «Бавленский завод «Электродвигатель», ОАО «Завод «Промбурвод» и другие предприятия.

В среднем к.п.д. насосных станций составляет 10-40 %. Несмотря на то, что к.п.д. наиболее часто применяемых на их насосов, составляет от 60% для насосов типа К и КМ и более 75% для насосов типа Д.

Главные причины неэффективного использования насосного оборудования следующие:

1. переразмеривание насосов, т.е. установка насосов с параметрами подачи и напора большими, чем требуется для обеспечения работы насосной системы;
2. регулирование режима работы насоса при помощи задвижек.

Основные причины, которые приводят к переазмериванию насосов следующие:

1. на стадии проектирования закладывается насосное оборудование с запасом, на случай непредвиденных пиковых нагрузок или с учетом перспективного развития микрорайона, производства и т.д. Нередки случаи, когда подобный коэффициент запаса может достигать 50%;
2. изменение параметров сети – отступления от проектной документации при строительстве, коррозия труб во время эксплуатации, замена участков трубопроводов при ремонте и т.п.;
3. изменение объемов водопотребления в связи с ростом или сокращением численности населения, изменением количества промышленных предприятий и т. д.

Все эти факторы приводят к тому, что параметры насосов, установленных на насосных станциях, не соответствуют требованиям системы. Для обеспечения требуемых параметров насосной станции по подаче, напору в системе эксплуатирующие организации прибегают к регулированию потока при помощи задвижек, что приводит к значительному увеличению потребляемой мощности как из-за работы насоса в зоне низкого к.п.д., так и за счет потерь при дросселировании.

Достаточно часто потребитель низкую энергетическую эффективность системы «насос-сеть» ошибочно относит на счет низкого к.п.д. насоса, а поскольку на объектах водоснабжения эксплуатируются, в основном насосы российского производства, то формируется мнение о ненадежности и низкой эффективности отечественного насосного оборудования.

Помимо низкого к.п.д., работа насосов за пределами рабочего диапазона значительно сокращает срок их службы и надежность.

При замене насосного оборудования одной из главных целей является снижение энергопотребления.

Обосновывая применение зарубежного оборудования, представители иностранных компаний в качестве исходных данных для проведения сравнительного анализа берут значения энергопотребления насосов при реальных условиях эксплуатации и сравнивают их с данными каталогов зарубежных производителей. Результатом такого анализа становится вывод о, якобы, быстрой окупаемости зарубежного оборудования, которое по стоимости превышает стоимость отечественного в несколько раз, в течение одного-двух лет.

Основной причиной значительного сокращения энергопотребления при замене одних насосов на другие является не техническое превосходство вновь установленных насосов, а соответствие их параметров требованиям системы.

Это достигается правильным подбором насоса в соответствии с реальными характеристиками системы. Поэтому сведения, которые появляются в открытых источниках, рекламных материалах о том, что замена насосов российского производства на насосы зарубежного производства приводит к снижению энергопотребления на 20-30%, являются некорректными.

В тех системах водоснабжения, где параметры сети меняются во времени в зависимости от изменения суточного или сезонного водопотребления подобрать насос, для которого диапазон изменения параметров сети находился бы в пределах рабочего диапазона насоса, бывает невозможно. В этом случае значительную экономию может принести применение систем управления насосной станцией в зависимости от меняющихся параметров сети.

В подобных системах регулирование параметров насосов осуществляется при помощи частотного и каскадного регулирования.

По данным Гидравлического института США и Европейской ассоциации производителей насосов основные мероприятия, которые приводят к снижению энергопотребления и его размеры приведены в таблице.

Методы снижения энергопотребления в насосных системах

Размер снижения энергопотребления

Замена регулирования подачи задвижкой на регулирование частотным преобразователем

10 – 60%

Снижение частоты вращения

5 – 40%

Каскадное регулирование при помощи параллельной установки насосов

10 – 30%

Подрезка рабочего колеса, замена рабочего колеса

10 – 20%

Замена электродвигателей на более эффективные

1 – 3%

Замена насосов на более эффективные

1 – 2%

Необходимо обратить внимание на то, что снижение энергопотребления за счет замены насосов на аналогичные может принести максимум 2% экономии. Основной потенциал по энергосбережению заключается в замене регулирования подачи насоса задвижкой на частотное или каскадное регулирование, т.е. применении систем способных адаптировать параметры насоса под требования системы.

При принятии решения о применении того или иного способа регулирования необходимо учитывать, что каждый из этих способов регулирования также следует применять, отталкиваясь от параметров сети, на которую работает насос, в частности, доля статической и динамической составляющих.

Как видно из первого графика на рис.1 при работе насоса на сеть с преимущественной статической составляющей снижение частоты вращения насоса до 83% от номинала приводит к снижению к.п.д. с 60 до 35% и выходу рабочей точки за пределы рабочего диапазона. Поэтому при работе насоса на сеть с преимущественной статической составляющей применение частотного привода нерационально и требует более тщательного анализа.

Рис.1. Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественной статической составляющей.

Рис.2. Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественными потерями на трение.

С другой стороны, работа того же насоса при различных частотах вращения на сеть с преимущественными потерями на трение рис.2, приводит к тому, что рабочая точка смещается вдоль линии максимального к.п.д., и насос работает в оптимальном режиме на всех частотах. Поэтому применение частотного привода насосов в системах с преимущественными потерями на трение является наиболее рациональным и приводит к значительному сокращению энергопотребления.

Как видно из графиков на рис.3, при каскадном регулировании режима работы насосной станции при помощи включения и выключения необходимого количества насосов установленных параллельно при работе сеть с преимущественно статической составляющей суммарная подача увеличивается примерно на одно и тоже значение.

Рис.3. Каскадное регулирование режима работы насосной станции при работе на сеть с преимущественно статической составляющей.

Рис.4. Каскадное регулирование режима работы насосной станции при работе на сеть с преимущественно динамической составляющей.

При работе той же насосной станции на сеть с преимущественными потерями на трение, рис. 4., подключение каждого последующего насоса приводит к непропорциональному увеличению суммарной подачи. Причем, подключение каждого последующего насоса увеличивает подачу на меньшее значение.

В связи с этим, применение каскадного регулирования приносит эффект в системах с преимущественной статической составляющей, а применение частотного привода рекомендуется для систем с преимущественными потерями на трение.

Выводы

В настоящее время существует миф о том, что экономия электроэнергии при замене отечественных насосов на импортные может составить 20-30%. Материалы, изложенные в статье, показывают, что энергоэффективная эксплуатация насосов достигается, главным образом, за счет согласованной работы на сеть.

Параметры насосов производства ОАО «Группа «ГМС» по к.п.д., потребляемой мощности не уступают, а иногда и превосходят насосы импортного производства. При сравнении потребляемой мощности аналогичных насосов разных производителей необходимо обращать внимание на равенство параметров подачи и напора, на которые подбирается насос. Значительное сокращение энергопотребления насосных станций может быть достигнуто при использовании отечественного насосного оборудования, но при значительно меньших затратах.

Энергоэффективная эксплуатация скважинных насосов ЭЦВ.

 

Авторы:
Костюк А.В., к.ф‐м.н., директор программы ОАО «УК «ГМС», Твердохлеб И.Б., к.т.н., директор по НИОКР ОАО «УК «ГМС»

Водоснабжение и водоотведение относятся к отраслям промышленности с интенсивным использованием насосного оборудования. Доля электроэнергии, потребляемой насосами, составляет более 50% от общего энергопотребления. В связи с этим вопрос снижения затрат на электроэнергию для водоснабжающих организаций заключается в эффективной эксплуатации насосного оборудования, в т.ч. скважинных насосов. Работа в данном направлении является одной из приоритетных задач специалистов ОАО «Группа ГМС» - крупнейшего производителя насосов в России для различных отраслей промышленности.

Предприятия ОАО «Группа ГМС» (ОАО «Ливгидромаш», ОАО «Ливнынасос», ОАО «Завод Промбурвод») производят широкую номенклатуру насосов для водного хозяйства, а также имеют  возможность обеспечить оперативную разработку индивидуальных решений, способных адаптировать параметры оборудования под индивидуальные требования системы Заказчика, что значительно снижает энергопотребление и увеличивает срок службы насосного оборудования.

Высокопрофессиональная команда конструкторов Группы, обладающая  многолетним опытом в области насосостроения, позволяет оперативно предоставить Заказчику необходимые консультации по выявлению и устранению причин неэффективной работы насосов.

Кроме оптимального энергопотребления, насосное оборудование Группы отличает надежность, подтвержденная многолетним   опытом эксплуатации насосов на различных объектах, качественное сервисное обеспечение и доступная цена. Эти факторы влияют на принятие решения при выборе поставщика насосов и делают насосное оборудование ОАО «Группа ГМС» конкурентоспособным по сравнению с аналогичным оборудованием западных производителей.

Выполнение условий согласованной работы насоса в технологической системе.

Основным условием эффективной и надежной эксплуатации насосного оборудования является согласованная работа насоса в системе. Это условие выполняется в том случае, если рабочая точка, определяемая пересечением характеристики системы и насоса, находится в пределах рабочего диапазона насоса (рис. 1):

Рис.1 Схема установки насоса ЭЦВ и характеристики насоса и системы.

В общем случае характеристика системы включает две составляющие ‐ статическую и динамическую. Таким образом, Н_сист=Н_{стат.общ}+Н_дин  Динамическая составляющая характеристики системы описывается квадратичной зависимостью от расхода ‐ Н_дин=k*Q², поэтому выражение приобретает следующий вид: Н_сист=(Н_{дин.уровень}+Н_{стат.сист.})+k*Q² (уравнение1, рис.1), где s ‐ зависит от потерь по длине трубопровода и потерь на местных сопротивлениях, Н_{дин.уровень}  – динамический уровень скважины, Н_{стат.сист.}  – статический напор системы относительно устья скважины. Ошибочная оценка требуемых параметров системы является основной причиной неверного подбора насосного оборудования, что объясняется сложностью определения зависимости Н_дин=f(Q_скв), потерь в трубах и арматуре, особенно бывших в эксплуатации.

Устранение причин неэффективной эксплуатации насоса.

Среди основных причин неэффективной эксплуатации насосного оборудования можно выделить две основные:

1. Переразмеривание насосов, т.е. установка насосов с параметрами подачи и напора большими, чем требуется для обеспечения работы насосной системы.

2. Регулирование режима работы насоса при помощи задвижек.

Применительно к скважинным насосам ЭЦВ потребители довольно часто выбирают насос с запасом по напору, полагая, что это гарантирует работу насоса при любых условиях. В этом случае рабочая точка смещается в правую зону и выходит за пределы рабочего диапазона, что приводит к увеличению потребляемой мощности, падению КПД  перегрузке электродвигателя, а также ряду проблем механического характера, что значительно повышает риск поломки агрегата (рис. 2):

Рис. 2. Характеристики насосов с требуемым и избыточным напором.

Для изменения режима работы насоса потребители нередко прибегают к регулировке режима при помощи задвижки, установленной на напорном трубопроводе. Это, с одной стороны, позволяет получить требуемое значение подачи и напора или обеспечить режим работы насоса в пределах рабочего диапазона, но, с другой стороны, такой способ регулирования приводит к потерям мощности за счет дросселирования.

Потери мощности на задвижке можно оценить из следующего выражения: N=ρ*g*Q₂*(H₂‐H₁)/1000  [кВт], где Н₂, Н₁  – разность напоров  (давлений) до и после задвижки. Часто потребители ошибочно относят низкую энергетическую эффективность системы «насос‐сеть» на счет низкого КПД насоса. Следствием этого является формирование у потребителя мнения о некачественных и неэффективных насосах.

При модернизации объектов водоснабжения или замене насосного оборудования одной из главных целей является снижение энергопотребления.

На действующих объектах можно достаточно просто определить характеристику системы в соответствии с выражением из уравнения 1. Зная значение давления в системе или Н_сист, соответствующее этому значению величину подачи  Q, величину статического напора, можно получить значение коэффициента  k и построить характеристику. Если параметры водопотребления меняются во времени, то характеристику необходимо построить для минимального, максимального и наиболее продолжительного режима.

Методы снижения энергопотребления насосных агрегатов.

Оптимальное энергопотребление оказывает существенное влияние на жизненный цикл насоса. Расчет технико‐экономического обоснования конкурентоспособности выполняется по методике стоимости жизненного цикла, разработанного профильными западными институтами.

В таблице №1 рассматриваются основные методы, которые, по данным Гидравлического института США и Европейской ассоциации производителей насосов, приводят к снижению энергопотребления насосов, а также дана величина потенциальной экономии.

Таблица №1. Меры по снижению энергопотребления и их потенциальный размер.

Модель насоса	Стоимость насосного оборудования, тыс. руб.
Замена регулирования подачи задвижкой на регулирование частотным преобразователем	10 – 60%
Снижение частоты вращения	5 – 40%
Каскадное регулирование при помощи параллельной установки насосов	10 – 30%
Подрезка рабочего колеса, замена рабочего колеса	10 – 20%
Замена электродвигателей на более эффективные	1 – 3%
Замена насосов на более эффективные	1 – 3%

Основной потенциал по энергосбережению заключается в замене регулирования  подачи насоса задвижкой на частотное или каскадное регулирование, т.е. применении систем способных адаптировать параметры насоса под требования системы. При принятии решения о  применении того или иного способа регулирования необходимо учитывать, что каждый из этих  способов также следует применять, отталкиваясь от параметров системы, на которую работает  насос.

Скважинные насосы, как правило, работают на сеть с большой статической составляющей.

Рис.3. Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественной 
статической составляющей.

Как видно из графика (рис.3), при работе насоса на сеть с преимущественной статической составляющей снижение частоты вращения насоса приводит к снижению КПД насосного агрегата и смещению рабочей точки в левую зону рабочей характеристики.

Если при номинальной частоте вращения КПД насосного агрегата составляет 60%, то снижение до 83% от номинала приводит снижению КПД до 35%.

Таким образом, при работе центробежного насоса на сеть с преимущественной статической составляющей применение частотного привода нерационально и требует более тщательного анализа и учета других факторов.

Применение частотного привода для скважинных насосов сопряжено с рядом дополнительных факторов, которые необходимо учитывать при принятии решения.

1. При снижении частоты вращения и уменьшении подачи снижается скорость обтекания электродвигателя, что может привести к его перегреву. Поэтому необходимо точно знать, как снизится подача при снижении частоты вращения, если насос будет работать на заданную систему. При необходимости применять кожухи охлаждения и электродвигатели большей мощности.

2. В электродвигателях скважинных насосов применяются подшипники скольжения, работа которых требует гарантированного присутствия между парами трения слоя жидкости. При снижении частоты вращения возникает риск возникновения полусухого и сухого трения, что вызывает износ элементов осевого и радиальных подшипников. Надежная работа подшипников скольжения требует ограничения минимальной частоты вращения.

Рис.4. Каскадное регулирование режима работы трех насосов, установленных параллельно при работе на сеть с преимущественно статической составляющей.

В системах с большой статической составляющей применение каскадного регулирования, т.е. с подключением и отключением необходимого количества насосов, напротив, позволяет осуществлять регулирование режима работы насосов с высокой эффективностью (рис.4)

Частотное регулирование является оптимальным решением при  работе на систему с динамической составляющей. Как видно из рис.5 значение КПД практически остается постоянным во всем диапазоне регулирования.

Рис.5 . Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественными потерями на трение.

Выводы

Приведенные в статье  исследования по скважинным насосам ЭЦВ показали, что наиболее рациональным способом регулирования режима работы насоса в системах с большим статическим напором является каскадное регулирование, тогда как применение частотного привода для скважинных насосов ЭЦВ требует тщательного анализа и учета многих факторов.