Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

17513
Общее потребление энергоресурсов в немалой степени зависит от насосного оборудования. КПД насосной станции часто оказывается ниже КПД установленных на ней отдельных насосов. Причина низкой энергоэффективности заключается в несоответствии рабочих характеристик оборудования и системы в целом, а также в неправильном управлении ею. Для повышения эффективности предприятия необходимо снизить стоимость эксплуатации насосного оборудования, повысить его надежность и долговечность. Таким образом, требуется модернизация оборудования с учетом всех особенностей технологических процессов, протекающих в системе.

Общее потребление энергоресурсов в немалой степени зависит от насосного оборудования. КПД насосной станции часто оказывается ниже КПД установленных на ней отдельных насосов. Причина низкой энергоэффективности заключается в несоответствии рабочих характеристик оборудования и системы в целом, а также в неправильном управлении ею. Для повышения эффективности предприятия необходимо снизить стоимость эксплуатации насосного оборудования, повысить его надежность и долговечность. Таким образом, требуется модернизация оборудования с учетом всех особенностей технологических процессов, протекающих в системе.

Оценка текущей ситуации

По разным оценкам до 20-25% мирового потребления всей вырабатываемой электроэнергии приходится на насосное оборудование. В некоторых отраслях этот показатель достигает 50% и более. К таким отраслям наряду с нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной промышленностью относится отрасль водоснабжения и водоотведения, где до 85% затрат на эксплуатацию насосного оборудования составляют расходы на электроэнергию.

Поскольку снижение энергопотребления для организаций ЖКХ является приоритетной задачей, экономическая эффективность водопроводно-канализационного хозяйства в целом напрямую связана с использованием насосного оборудования. В данной статье рассматриваются основные способы снижения энергопотребления в насосных системах. Сложившаяся к настоящему времени практика свидетельствует о крайне неэффективной эксплуатации насосного оборудования. Нередки случаи, когда КПД насосных систем не превышает 10-20%, в то время как КПД установленных в них насосов составляет 60-90%.

Основными причинами неэффективной эксплуатации насосного оборудования являются:

• установка таких насосов, у которых показатели напора и подачи превышают требования системы;

• регулирование режима работы насосов путем дросселирования (с помощью дроссельной задвижки);

• износ оборудования.

Подробнее разобраться в теме вы можете на наших курсах повышения квалификации:

Основные причины низкой эффективности насосов

Рассмотрим влияние основных элементов насосной системы на ее эффективность. Поскольку в пределах статьи описать многообразие насосных систем невозможно, представим, что в самом общем виде насосная система состоит из насоса, трубопроводов, запорной регулирующей арматуры, всасывающего и напорного резервуаров, как показано на рис. 1.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Каждый из элементов системы имеет свои гидравлические характеристики.

Характеристика системы включает две составляющие: статический напор и динамический напор (потери на трение). В общем виде характеристика системы опи­сывается следующей зависимостью:

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Типовая характеристика центробежного насоса, наиболее часто применяемого в системах водоснабжения, приведена на рис. 2.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Как правило, на напорно-расходной характеристике насоса указывают его рабочий диапазон, т. е. область режимов работы, гарантирующих его максимальную надежность и наиболее высокий КПД. Рабочая точка установленного в системе насоса определяется пересечением его характеристики с характеристикой системы. Эта точка должна находиться в рабочей области характеристики насоса (точка 1, рис. 2). При соблюдении этого условия КПД насоса достигает максимума. Работа насоса в допустимом диапазоне также обеспечивает его надежность, в то время как работа на нерасчетных режимах характе­ризуется низким КПД (точки 2 и 3, рис. 2).

Надежность насосов

Следствием работы насоса в нерасчетных режимах является также значительное снижение его надежности, а именно возникновение таких механических проблем, как:

• выход из строя подшипников;

• выход из строя торцовых уплотнений;

• поломка валов;

• повышенная вибрация.

Наиболее частые причины выхода оборудования из строя и соответствующая кривая надежности насосов в зависимости от расположения рабочей точки показаны на рис. 3.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Вследствие работы насоса в режиме, находящемся вне пределов рабочего диапазона, происходит:

• значительное повышение температуры (точка 1, рис. 3);

• снижение ресурса работы подшипников и уплотнений (точка 2, рис. 3) из-за вибрации по причине: возможной кавитации (точка 2.1), возникновения рециркуляции потока на входе (точка 2.2) и выходе (точка 2.3) рабочего колеса;

• снижение ресурса работы подшипников и уплотнений из-за вибрации, вызванной отрывом потока в проточной части (точка 3);

• кавитация, перегрузка электродвигателя (точка 4).

В связи с возникновением указанных проблем у потребителей часто складывается ложное мнение о ненадежности и неэффективности насосов, при этом упускается из виду, что причина неполадок заключается в неверной эксплуатации на нерасчетных режимах, а поскольку значительную долю насосного оборудования, которое эксплуатируется на объектах водоснабжения составляют насосы отечественного производства, то плохая слава распространяется именно о них. В связи с этим еще раз подчеркнем, что одним из главных условий эффективной и надежной работы насоса является нахождение рабочей точки в пределах его допустимого рабочего диапазона.

Выбор насоса с завышенными параметрами: чем руководствуется потребитель

Очень часто потребителем движет желание перекрыть с запасом существующие и будущие потребности за счет завышенных параметров приобретаемого насосного оборудования. Как правило, объемы водопотребления в системах водоснабжения существенно меняются в зависимости от времени суток, дня недели и сезона, что можно проследить на рис. 4.

При этом станция должна обеспечить водопотребление как в штатном режиме, так и во время пиковых нагрузок. Зачастую к этому добавляется необходимость подачи воды на нужды систем пожаротушения. В отсутствие регулирования насос не может эффективно работать во всем диапазоне изменений водопотребления. Другими распространенными причинами, приводящими к переразмериванию насосов, являются ошибки при проектировании, изменившиеся объемы водопотребления.

Потребители также часто склоняются к приобретению насоса с определенным запасом по напору и более мощным электродвигателем. Если предыдущее заблуждение еще можно как-то объяснять с точки зрения рациональности, то в данном случае все объясняется неверным представлением о работе насосного оборудования. Во время эксплуатации насоса с большим, чем требуется, напором и более мощным электродвигателем происходит перегрузка электродвигателя, в связи с этим у потребителя возникает желание заменить купленное оборудование другим - с еще более большим напором и более мощным электродвигателем, однако это ни к чему не приведет, и результат останется прежним. Такую ситуацию иллюстрирует рис. 4.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

При требуемой подаче Q2 и требуемом напоре Н1 заказчик выбирает насос с напором Н2. Как видно из рисунка, рабочая точка, определяемая пересечением характеристики насоса и характеристики системы, смещена вправо от оптимальной и находится за пределами рабочего диапазона. При этом работа насоса характеризуется большим расходом Q1 и потреблением большей мощности, что приводит к перегрузке электродвигателя (точка 2). Насос с требуемым напором работает в оптимальном режиме.

Регулирование режима работы насоса путем дросселирования

К сожалению, в настоящее время наиболее широко распространен самый энергозатратный способ регулирования режима работы насосов - с помощью дроссельной задвижки.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Преследуя цель снижения подачи или уменьшения напора насоса, потребитель при помощи задвижки, установленной на напорном патрубке насоса, создает дополнительное сопротивление. При этом суммарная характеристика системы переходит из положения 1 в положение 2. Одновременно потери мощности на задвижке составляют площадь, пропорциональную произведению величины подачи и разницы напоров до и после задвижки. Таким образом, регулирование можно осуществлять с помощью задвижки, но только в качестве вынужденной меры для увеличения напора и смещения рабочей точки в диапазон рабочих режимов насоса.

Повышение энергоэффективности насосной системы

Снизить энергопотребление можно разными способа­ми (табл. 1).

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Как видно из таблицы, значительного снижения энергопотребления можно добиться даже малозатратными методами, например подрезкой рабочего колеса. Эффективность того или иного способа регулирования определяется характеристикой системы и ее изменением во времени. В каждом конкретном случае необходимо принимать решение в зависимости от условий эксплуатации и характеристики системы. При выборе способа регулирования весьма важно не попасть под влияние сложившихся в последнее время стереотипов. Так, согласно одному из них снизить энергопотребление помогает применение частотного преобразователя. Однако регулирование частоты вовсе не всегда приводит к снижению энергопотребления, а иногда даже дает обратный эффект. Применение частотного регулирования целесообразно при работе насосов в той системе, где преобладают потери на трение (потери трения в трубопроводах и запорно-регулирующей арматуре). Это подтверждает график на рис. 6.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Как видно из графика, при уменьшении частоты вращения рабочая точка находится в зоне максимального КПД. В то же время при регулировании частоты вращения при работе насоса в системе с преобладанием статической составляющей в характеристике системы рабочая точка смещается влево от оптимальной при соответствующем значительном снижении КПД. Это можно проследить на рис. 7.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

При большой статической составляющей рекомендуется применять каскадное регулирование, при котором расход насосной станции регулируется путем включения необходимого количества насосов. Характеристика насосной станции с тремя насосами показана на графике на рис. 8.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Итак, при проведении мероприятий по снижению энергопотребления основной отправной точкой является характеристика сети с учетом ее изменения во времени.

Энергосберегающие мероприятия на действующих объектах

Основная проблема при разработке энергосберегающих мероприятий связана с тем, что реальные параметры сети часто неизвестны либо даны не в полном объеме и сильно отличаются от проектных параметров. Различия, как правило, связаны с коррозией трубопроводов, изменением схем водоснабжения, объемов водопотребления и пр. Для определения реальных режимов работы насосов и параметров сети возникает необходимость в осуществлении замеров непосредственно на объекте с использованием специального контрольно-измерительного оборудования, т. е. технического аудита гидравлической системы. Для успешного проведения мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности установленного оборудования, необходимо располагать как можно более полной информацией о работе насосов. В процессе аудита насосного оборудования можно выделить несколько последовательных этапов.

Этап 1. Сбор предварительной информации об установленном на объекте оборудовании, в частности, сведений о технологическом процессе, в котором оно задействовано. Например, режимы работы насосов станций первого и второго подъема, как правило, значительно отличаются друг от друга.

Этап 2. Уточнение собранной информации и получение дополнительных данных, проверка наличия имеющихся на объекте средств проведения измерений, анализ системы управления и т. д. Предварительное планирование проведения испытаний.

Этап 3. Проведение испытаний на объекте.

Этап 4. Обработка и оценка результатов.

Этап 5. Подготовка технико-экономического обоснования для различных вариантов модернизации. При планировании мероприятий можно определить наиболее проблемные в части энергопотребления насосы.

В табл. 2 приведены основные признаки, свидетельствующие о неэффективной эксплуатации насосного оборудования, а также типовые мероприятия, которые помогут исправить положение с указанием ожидаемого срока их окупаемости.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Располагая результатами проведенных испытаний и характеристикой системы, зная ее изменения с течением времени (часовой, суточный, недельный и прочие графики), определив действительные рабочие характеристики насосов и режимы их работы для каждого из характерных видов нагрузки (наиболее продолжительный режим, максимальная/минимальная подача), можно разработать один или несколько вариантов модернизации насосного оборудования. Оценка различных вариантов модернизации проводится на основании расчета стоимости жизненного цикла оборудования LCC (от англ. life cycle cost). Данный критерий позволяет оценить затраты на начальном этапе и в течение определенного периода эксплуатации нового оборудования и сравнить их с установленными в последнее время. Описание расчета LCC подробно описано в соответствующей литературе, например, в Руководстве по анализу стоимости жизненного цикла насосных систем и Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems.

Основную долю в общих затратах жизненного цикла любой насосной системы составляют затраты на электроэнергию, поэтому на этапе предварительной оценки различных вариантов необходимо воспользоваться критерием удельной мощности, т. е. мощности, потребляемой насосным оборудованием, отнесенной к единице расхода перекачиваемой жидкости.


Стоимость жизненного цикла (LCC): Руководство по анализу стоимости жизненного цикла насосных систем. - М., СофтКом, 2010.

Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems. Executive Summary US Department of Energy Efficiency and Renewable Energy. Hydraulic Institute and Europump. January 2001.

Снергоэффективность электропривода. Комплексный подход. Круглый стол в рамках ПТА-2011 // Конструктор. Машиностроитель, 2011, № 5. - http://www.konstruktor.net/Articles/Pdf/4_2011/1.pdf.

Энергоэффективные электродвигатели

Отдельное внимание необходимо уделить вопросу установки энергоэффективных электродвигателей (ЭЭД). КПД энергоэффективных электродвигателей выше на 1-10% по сравнению со стандартными электродвигателями такого же типоразмера. По материалам круглого стола, проведенного в рамках ПТА-20113, для двигателей большой мощности разница составляет 1-2%, а для электродвигателей малой мощности, до 7,5 кВт, она может достигать 7-10%. Стоимость самого двигателя составляет менее 2% от общих затрат на в стоимости жизненного цикла (при работе в течение 4 тыс. часов в год в течение десяти лет). На электроэнергию тратится примерно 97%. Примерно 1% уходит на монтаж и техническое обслуживание. Помимо повышения КПД применение ЭЭД позволяет увеличить надежность работы оборудования, уменьшить время простоя и затраты на техническое обслуживание, снизить уровень шума. Обратной стороной использования ЭЭД является их высокая (на 10-30% выше) стоимость и несколько увеличенная масса. Использование ЭЭД не является целесообразным при эксплуатации в течение непродолжительного времени (менее 1-2 тыс. часов в год), в режимах с частым запуском, при неполной нагрузке на протяжении длительного времени. Как правило, ЭЭД уступают обычным двигателям по динамическим показателям. Практика и расчеты показывают, что затраты окупаются благодаря сэкономленной электроэнергии при эксплуатации в режиме S1 за год-полтора (при годовой наработке 7 тыс. часов).

Реализация энергоэффективных технических решений

Пример 1. Погружной скважинный насос типа ЭЦв.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Построив характеристики системы в рабочем режиме (точка 1, рис. 9) и в режиме с полностью открытой задвижкой (пунктирная кривая, рис. 9), определяем, что установленный насос является переразмеренным и может быть заменен на насос с меньшим напором марки ЭЦВ 8-40-120 с незначительным прикрытием задвижки (точка 2, рис. 9). В табл. 3 представлены основные эксплуатационные показатели рассматриваемых насосов.

Как следует из этих простых расчетов, путем правильного подбора оборудования можно экономить более 20% электроэнергии в год, что сопоставимо со стоимостью самого насоса.

Из приведенных данных видно, что использование агрегата 3ЭЦВ дает большую экономию электроэнергии вследствие более высокого КПД, который сохраняет параметры энергоэффективности в течение всего срока эксплуатации. Несколько более высокая начальная стоимость агрегата компенсируется его повышенной надежностью, что, как показывает практика, в конечном итоге, уменьшает стоимость его жизненного цикла.

Пример 2. Насосы для транспортировки воды типа Д.

Применение каскадного регулирования. При значительном изменении по времени требуемой подачи, например на насосных станциях второго подъема водоснабжения населенных пунктов в течение суток, эффективным является применение каскадного регулирования, т. е. нескольких (в данном примере - трех) насосов, запускаемых по мере необходимости.

Пример 3. Модернизация насосного оборудования и системы управления.

Замена регулирования задвижкой на регулирование при помощи ЧРП (частотно регулируемый привод) позволяет оставаться в области высокого КПД в широком диапазоне изменения подачи насоса, как показано на рис. 11.

В сложных системах, состоящих из двух насосов и более, наибольший эффект может быть достигнут в результате комплексного подхода, комбинирующего различные методы регулирования. Современные станции управления, такие как HMS Control ST, конфигурируются с учетом всех индивидуальных особенностей управляемого объекта и могут обеспечивать согласованную работу насосов, имеющих различные рабочие характеристики, обеспечивая точное поддержание технологических параметров, повышение КПД, увеличение срока службы и надежности насо­сной системы в целом.

Выводы

Задачи снижения энергопотребления насосного оборудования решаются прежде всего путем обеспечения согласованной работы насоса и системы. Проблема избыточного энергопотребления эксплуатируемых насосных систем может быть успешно решена за счет модерниза­ции, направленной на обеспечение этого требования.

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

Энергоэффективность насосного оборудования для водоснабжения

В свою очередь, любые мероприятия по модернизации должны опираться на достоверные данные о работе насосного оборудования и характеристиках системы. В каждом случае необходимо рассматривать несколько вариантов, а в качестве инструмента по выбору оптимального варианта использовать метод оценки стоимости жизненного цикла насосного оборудования.

Ожидаемый экономический эффект от модернизации определяется как техническими преимуществами по­ставляемого оборудования, так и его правильным подбором с учетом всех особенностей технологического процесса.

Инструменты МЦФЭР-Городское хозяйство и ЖКХ:

Журнал «ЖКХ: журнал руководителя и главного бухгалтера» Экономика и управление предприятием ЖКХ: Актуальные тенденции отрасли, современные управленческие решения, практика модернизации жилищно-коммунального комплекса
Подпишитесь на журнал и будьте в курсе всех событий в сфере городского хозяйства и ЖКХ


Мероприятия

Школа

Проверь свои знания и приобрети новые

Посмотреть

Самое выгодное предложение

Самое выгодное предложение

Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

Живое общение с редакцией





Электронная система

Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

Получить доступ
ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

Рассылка




© МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
Москва: 8 (495) 775-48-44 
Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

Получите техническую поддержку: 
по телефону: +7 (495)-937-90-82 
e-mail: sd@mcfr.ru 


  • Мы в соцсетях