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:
- переразмеривание насосов, т.е. установка насосов с параметрами подачи и напора большими, чем требуется для обеспечения работы насосной системы;
- регулирование режима работы насоса при помощи задвижек.
Основные причины, которые приводят к переразмериванию насосов следующие:
- 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%;
- изменение параметров сети – отступления от проектной документации при строительстве, коррозия труб во время эксплуатации, замена участков трубопроводов при ремонте и т.п.;
- 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.
