Насосная станция холодного водоснабжения

Рисунок 1.3 Сантехническая схема работающей в постоянном режиме.

  Электродвигатель насоса  данной станции пускается прямым включением в сеть  с помощью магнитного пускателя и работает постоянно. Насос 5 (6)  забирает воду из городского водовода 1 и через  обратный клапан 7 и задвижку (8) подает непосредственно в напорный  водовод 11.

  Производительность насоса   выбирается  по предполагаемому расходу воды из водовода 11  и обычно с достаточным запасом. Соответственно с запасом выбирается  и электродвигатель. В течение  суток наблюдается  колебание давления  в водоводе 11  в зависимости  от разбора воды. При  резком снижении разбора воды в ночное время  давление поднимается значительно выше  установленного,  что приводит  не только к потерям электроэнергии, так как электродвигатель работает с постоянной частотой вращения, но и к потерям воды  в результате утечек в вентилях, задвижках, соединениях.

  В данной ситуации однозначно следует рекомендовать регулирование  производительности насоса в зависимости от расхода.

 

1.2 Способы регулирования и технико-экономическая эффективность

Регулирующие воздействия могут  носить конструкторско-технологический  характер или оперативно-эксплуатационный.

К конструкторско-технологическим  воздействиям на характеристики системы  насос-трубопровод следует отнести: 

1. выбор геометрических и технологических параметров самого трубопровода в соответствии с техническим заданием;
2. подбор параметров насоса;
3. обточка колеса насоса с целью изменения его характеристики;
4. замена колеса насоса с той же целью.

Все эти мероприятия выполняются  на стадии проекта, монтажа и наладки трубопровода, они не могут быть использованы оператором в процессе ежедневной эксплуатации трубопровода, поэтому мы рассматривать их далее не будем.

В настоящее время известны четыре метода оперативного регулирования  режимов работы водопроводов: 

1. регулирование методом последовательного (параллельного) включения насосов;
2. регулирование методом  дросселирования трубопровода;
3. регулирование методом перепуска части подачи насоса на его вход;
4. регулирование изменением частоты вращения приводного электродвигателя.

 Преимущества первого метода:

• метод достаточно прост, хотя и требует дополнительного парка насосов;
• позволяет изменять напор    в широком диапазоне его значений;
• высокий коэффициент полезного действия системы насос-трубопровод, если их характеристики согласованы.

 Однако этот метод имеет существенные недостатки: основным недостатком этого метода является дискретность регулирования подачи, напора; при этом дискретность очень грубая; этим недостатком обусловлен и второй - создание в системе насосная станция-трубопровод волн давления (напора), которые распространяются вдоль трубопровода со скоростью распространения звука в воде, что отрицательно сказывается на трубопроводе;  нельзя получить промежуточные значения напора и подачи, в том числе меньше тех, что имеет место при работе одного насоса.

В виду указанных недостатков  в чистом виде этот метод не применяется, он нашел широкое применение в  практике в сочетании с методом  дросселирования, реже - с методом  перепуска.

     Второй метод – дросселирование, осуществляется задвижками на напорной или всасывающей линии.

     Метод регулирования подачи задвижкой на напорном патрубке насоса основан на увеличении сопротивлении в напорной линии. Этот способ наиболее распространен, так как в этом случае не требуется установки дополнительного оборудования.

     При данном способе  регулирования изменяется характеристика  сети. При закрывании задвижки  на напорном трубопроводе увеличивается  сопротивление трубопровода. Характеристика трубопровода (рисунок 1.4) становится более крутой и пересекает характеристику насоса Q-H в точке R₁. КПД насосной установки уменьшается с увеличением разности между напором, развиваемый насосом, и напором, требуемым в сети.

     При этом способе  регулирование возможно только в сторону уменьшения подачи. Для оценки экономичности регулирования с помощью задвижки на напорном патрубке необходимо определить мощность и КПД насосной установки.

     Преднамеренное изменение  подачи и напора насосов в  соответствии с изменяющимся режимом работы системы называется регулированием. Центробежные насосы регулируются путем изменения степени открытия задвижки (затвора) на напорной линии или путем изменения частоты вращения рабочих колес.

     Прикрывая или открывая затвор, изменяют крутизну характеристики Q-H трубопровода (рисунок 1.4), которая зависит от его гидравлического сопротивления. Прикрывая затвор, увеличивают крутизну характеристики трубопровода, при этом рабочая точка насоса А₁ перемещается в положение А₂. В этом случае подача уменьшается до значения Q₂ напор, развиваемый насосом, возрастает до значения H₂, а напор на трубопроводе за затвором снижается до значения H^/₂. Снижение напора за затвором происходит за счет потерь напора ΔH в затворе.

    Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну характеристики трубопровода. Вследствие этого подача увеличивается, напор, развиваемый насосом, уменьшается, а напор в трубопроводе за затвором возрастает. Этот способ регулирования, именуемый дросселированием, считается малоэкономичным, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в затворе требуются дополнительные затраты энергии.

Рисунок 1.4- Характеристики насоса при  регулировании задвижкой на напорной линии.

 

Теряемая при регулировании  мощность

ΔN= Q_R h_д/102 _R,                                                              (1.6)

где  h_д- напор, теряемый за счет регулирования задвижкой;

       _R- КПД насоса, соответствующий подаче Q_R.

      КПД установки определяется по формуле:

  _р.уст=Н_R/ Н_R1* _{R дв},                                                             (1.7)

где Н_R- напор, необходимый для подачи расхода Q_R;

      Н_R1- напор, развиваемый насосом при подаче расхода

      Q_R(Н_R1= Н_R+ h_д);                                                             (1.8)

      _дв- КПД двигателя.

      Как показывают формулы  (1.6) и (1.7), регулирование задвижкой на напорном патрубке невыгодно, особенно в насосных установках при больших подачах и относительно малом напоре.

      Третий метод- регулирование подачи перепуском жидкости применяется для устранения неустойчивой работы насосов и осуществляется перепуском из напорной линии во всасывающую линию части подачи насоса.    При этом происходит увеличение общей подачи насоса и уменьшение подачи в сеть. За счет уменьшения расхода в сети ее характеристика изменяется и становится более пологой. При этом напор, развиваемый насосом, уменьшится. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улучшает кавитационные свойства насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы.

      С точки зрения экономичности указанный способ регулирования приемлем для насосов с коэффициентом быстроходности n_s > 300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшими коэффициентами быстроходности регулирование подачи перепуском приводит к увеличению мощности насоса и перегрузке электродвигателя.

      Для реализации этого способа регулирования требуется устройство циркуляционного трубопровода и установка дополнительной арматуры, что приводит к увеличению габаритов установки. Данный способ не получил широкого распространения в городских системах водоснабжения и водоотведения.

  Четвертый метод-регулирование режимов работы насосных станций трубопроводов изменением частоты вращения электрического привода является наиболее прогрессивным способом из всех известных. При этом методе регулирование  задвижка на трубе остается полностью открытой. Следовательно, нет добавочного гидравлического сопротивления, нет добавочных потерь на гидравлическом сопротивлении. При этом вся гидравлическая мощность насоса используется на перемещение жидкости по трубе. При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q-H насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику Q-H вниз, самой себе (рисунок 1.5). При этом рабочая точка А₁ перемещаясь по характеристике трубопровода, занимает положение А₂ следовательно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развиваемый насосом.

Рисунок 1.5 Регулирование режима работы центробежного насоса.

 

 

1- характеристика Q-H насоса при номинальной частоте вращения;

2- то же при уменьшенной частоте вращения;

A₁- характеристика трубопровода при полном открытии затвора;

H₁, H₂- напор, соответствующей подаче Q₁;

H_ст- статическая составляющая напора.

      

         Увеличение частоты вращения увеличивает подачу и напор насоса, а также напор в сети. Этот способ регулирования более экономичен, но требует применения специального регулируемого электропривода.

 Предварительный расчет показывает, что экономия затрат на электроэнергию  в этом случае может составить  до 4000 тг. на  1 кВт установленной мощности в год.

 

 

 

Производительность насосов водоснабжения  должна изменяться соответственно режиму водоснабжения. Потребляемая насосом мощность определяется, как:

 

где Q_* - подача, о.е.;

       Р_ХХ* - мощности холостого хода, о.е.;

         w - частота вращения рабочего колеса насоса, о.е.

Для обеспечения заданной подачи Q_*З, при применении  регулируемого электропривода, частота вращения насоса определяется по формуле

 

где Н_С* - статическая составляющая напора, определяемая для насосов геодезической разностью уровней потребителя и насоса

       Н_Х* - напор насоса при Q_*=0

       Q*-заданная подача

 

Мощность потребляемая насосом:

 

 

На рисунке 1.6 приведены (в о.е.) зависимости потребляемой насосом мощности Р при нерегулируемом приводе и Р_Н  при регулируемом приводе от подачи (разбора) воды. Кривая _DР, определяемая графической  разностью, характеризует – мощность, сэкономленную в случае установки регулируемого привода. В зависимости от статического напора Н_С* экономия электроэнергии может составлять до 30% от установленной мощности двигателя.

 

 

 

                                

                                                    

                                      

 

 

                                    Рисунок 1.6        

1. Мощность потребляемая нерегулируемыми насосами;
2. Мощность потребляемая регулируемыми насосами;
3. Мощность, сэкономленная при установке регулируемого привода.

        Для предварительной оценки экономии электроэнергии в результате внедрения частотно-регулируемого привода для насосов необходим анализ статистики по данному объекту. Предположим, речь сейчас идет о насосной станции, на которой применяется регулирование производительности насоса мощностью 18,5 кВт с помощъю задвижки. Так как станция обеспечивает жилые дома, то используем типовой усредненный график разбора воды.

В нем можно выделить четыре основных периода: ночь 01:00-06:00, утро 06:00-10:00, день 10:00-18:00, вечер 01:00. Расход воды составляет соответственно 30%, 90%, 70%,100% от номинального значения для имеющегося насосного агрегата.

Воспользовавшись графиками на рисунке 1.7, получаем значения снижения мощности при регулировании с помощью задвижки и с помощью преобразователя частоты соответственно в ночное и дневное время: 65% и 27%, 92% и 64%.

Таким образом, расход электроэнергии при регулировании задвижкой  за сутки составляет:

18,5 кВт*(65%*5ч+92%*8ч+100%*10ч)=400 кВт/ч.

При управлении с помощью преобразователя  частоты получаем:

18,5 кВт*(27%*5ч+64%*8ч+100%*10ч)=323 кВт/ч.

          В данном примере использование преобразователя частоты согласно нашей предварительной оценке, определяющей нижнюю границу экономии, позволяет уменьшить расход электроэнергии приблизительно на 77 кВт/ч в сутки, что в относительном выражении составляет примерно 20%.

В этом расчете допускается, что  расход воды в разные периоды времени  при двух вариантах расчета расхода  электроэнергии остается одинаковым.

Изменения расхода в течение означенных периодов времени при регулировании задвижкой означает колебания давления в трубопроводе, а при управлении преобразователем дополнительную экономию электроэнергии. Также предполагалось, что производительность насоса выбрана оптимально, что также не соответствует обычной практике, а, значит, применение преобразователя частоты еще более предпочтительно.

    К примеру, для насосной станции «Алмагуль» (Р=18,5кВт) экономия мощности при среднем расходе 80% от номинального может составлять 23%, экономия электроэнергии 13800кВт×ч (85560 тг) в год.

  При ориентировочной стоимости преобразователя до 20кВт - 204000тг., и учетом экономии воды установка окупается в течении 1,5 лет.

 

Рисунок 1.7- Суточный график водопотребления.

 

 1.3 Обоснование и выбор системы электропривода.

 В качестве регулируемого электропривода насосной установки можно применить следующие виды электропривода:

привод с многоскоростными электродвигателями – двух- и многоскоростных асинхронных  короткозамкнутых электродвигателей  переменного тока;

привод с индукторными муфтами скольжения – асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;