Энергосберегающие способы выбора параметров и оптимизации управления группой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах

На правах рукописи

Николаев Валентин Георгиевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ И ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ЛОПАСТНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

03.00.23 – биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Щелково - 2008

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности РАСХН

и Московском институте коммунального хозяйства и строительства

Научный консультант:
Заслуженный деятель науки, доктор биологических наук, профессор	Денисов Аркадий Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук	Дадасян Артур Яшарович
доктор технических наук	Лезнов Борис Семенович
доктор технических наук, профессор	Примин Олег Григорьевич

Ведущая организация:

ОАО «Российский научно-исследовательский и проектный институт агропромышленного комплекса» (Роснипиагропром)

Защита состоится 26 декабря 2008г в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006.069.01 во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности по адресу: 141142, Московская область, Щелковский район, п/о Кашинцево, ВНИТИБП;

e-mail: vnitibp @mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности

Автореферат разослан … ………..2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук Фролов Ю.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Применение энергосберегающих технологий в промышленности позволяет достичь на предприятиях в целом экономии электроэнергии 15-30% от ее общего расхода. При этом стоимость оснащения 1 кВт мощности энергоустановки преобразователями электроэнергии составляет всего в среднем от 100 до 200 долларов США за 1 кВт в зависимости от мощности установки, величины напряжения и конструктивных особенностей преобразователя.

Существенный вклад в развитие энергосберегающих методов управления работой лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах внесли: С.В. Яковлев, Б.С. Лезнов, И.А. Сыромятников, Д.Н. Смирнов, Л.Ф. Мошнин, А.Д. Поздеев, В.С. Пономаренко, М.П. Сергеев, О.В. Демидов, А.А. Сушенцов, В.С. Алексеев, В.Н. Швецов, Н.Ф. Ильинский, А.К. Аракелян, Ю.А. Ермолин, Г.М. Иванов Г.Б. Онищенко и другие.

Современные энергосберегающие технологии позволяют с минимальными капитальными затратами обеспечить существенную экономию электроэнергии и энергообеспеченность предприятий промышленности и сельского хозяйства. Для крупномасштабного решения проблемы необходим поиск оптимальных конструктивно-технологических и технико-экономических решений и разработка научно-обоснованных методов управления энергетическим оборудованием и сбережения электроэнергии в промышленных условиях.

Применение регулируемых электроприводов позволит сэкономить до 5-7% топлива на предприятиях теплоэнергетики и снизить в 1,5-2,0 раза износ машин и механизмов, уменьшить в 1,5-2,9 раза аварийность гидросистем отопления и водоснабжения за счет исключения гидроударов, что особенно важно для изношенных гидросетей предприятий АПК.

Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и кафедре Коммунального и промышленного водопользования МИКХиС.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлось энергосбережение путем регулирования насосными и воздуходувными установками в системах водоснабжения и водоотведения (в сооружениях аэробной биологической очистки)

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

1. Обобщить существующую информацию по системам управления электроприводов энергоустановок в очистных сооружениях населенных пунктов и предприятий АПК.

2. Выполнить анализ технологических режимов работы насосных и воздуходувных установок и способов регулирования группой лопастных нагнетателей в условиях эксплуатации современных систем аэробной биологической очистки.

3. Разработать математическую модель функционирования лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

4. Оценить влияние выбора способа управления лопастным насосным агрегатом и характера распределения нагрузки во времени на определение его оптимальных параметров.

5. Провести комплекс расчетно-экспериментальных исследований по разработке методов выбора оптимальных технических решений при создании систем энергоснабжения и регулирования технологическим оборудованием сооружений аэробной биологической очистки сточных вод.

6. Разработать и обосновать способы снижения потребления электроэнергии при реализации биотехнологических процессов переработки отходов (очистки сточных вод).

7. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой насосной установки с одним насосным агрегатом с регулируемым приводом.

8. Провести сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления при работе группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке.

9. Разработать практические рекомендации по снижению потребления электроэнергии насосными и воздуходувными установками в процессе эксплуатации сооружений аэробной биологической очистки сточных

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель функционирования насосного агрегата с регулируемым электроприводом при переменной нагрузке в нестационарных технологических процессах.

2. Разработаны методы определения оптимальных параметров насосного агрегата при переменной нагрузке по минимуму затрат энергии с использованием численных методов и математической модели виртуального насоса.

3. Научно обоснованы способы снижения потребления электроэнергии технологическим оборудованием при реализации биотехнологических процессов очистки сточных вод.

4. Разработаны рекомендации по оптимизации параметров работы группы лопастных насосов в зависимости от их числа и характера распределения нагрузки с использованием современных теоретических методов расчета.

5. Разработаны методики выбора оптимальных параметров и способов управления лопастными нагнетателями в эксплуатации на основе прогнозирования с использованием математических моделей.

6. Научно обоснованы оптимальные пути снижения затрат электроэнергии в условиях биотехнологической переработки отходов предприятий сельскохозяйственного сектора.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований энергосистем 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 систем энергоснабжения сооружений аэробной биологической очистки 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 энергетических систем комплексов аэробной биологической очистки сточных вод.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по основам метода снижения энергопотребления технологического оборудования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод агропромышленного комплекса.

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва, Внедрено ОАО «Органический синтез» г. Казань по Системам оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой заврда по производству Бифенола-А; ООО «Рузские тепловые сети» г. Руза Московская обл. при пуско-наладочных работах (ЦТП) № 2 г. Руза; ЗАО «Кузнецовский» Московская обл.; Каголымское МУП «Водоканал» г. Каголым по реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции КОС г. Калолым;

Материалы диссертационной работы доложены 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. Кагалым, 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.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 66 таблиц и 5 приложений. Библиография включает 204 наименования, из которых 78 на иностранных языках.

Содержание работы

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния вопроса по теме работы, приведен в главе 1. Необходимость непрерывного регулирования насосными установками состоит в приведении в соответствие режимов работы насосов с режимами работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление и соответственно сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени по слу­чайно-вероятностным законам, которые необходимо отслеживать с помощью системы регулирования. Диапазон изменения водопотребления и притока сточных вод довольно широк и, чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной ус­тановки.

Изменился качественно процесс регулиро­вания технологических и энергетических режимов систем водо­снабжения и водоотведения. Вместо дискретного регулирования, сопряженного с прямым включением насосных агрегатов и, как следствие с большими пусковыми токами двигателей, гидравли­ческими ударами, перенапряжениями в стенках трубопроводов, повышенным износом затворов и задвижек, появилось плавное регулирование насосных агрегатов и систем в целом.

В настоящее время решаются проблемы автоматизации системы водоснабже­ния, состоящей из нескольких насосных станций, подающих во­ду в общую сеть. Разрабатываются и внедряются системы, обеспечива­ющие суммарный минимум энергопотребления нескольких станций, подающих воду в общую водопроводную сеть, и под­держивающая в ней стабильное давление. Наличие крупных и средних воздуходувных установок в со­ставе сооружений биологической очистки сточных вод и значи­тельного количества вентиляторных градирен в системах обо­ротного водоснабжения потребовало рассмотрения проблемы использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках различного вида.

В главе 2 дано описание объектов исследования и приведены методы исследований и обработки их результатов, использованные при проведении работы. Объектами исследований являлись насосные и воздуходувные установки систем водопотребления и водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий. В состав установок входили комплекты оборудования, состоящие из одного или нескольких насосных или воздуходувных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, аппаратуры управления и защиты. Насосные и воздуходувные агрегаты содержали несколько параллельно или последовательно соединенных насосов и воздуходувок в совокупности с электроприводом. Для привода насосов использовались преимущественно асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели переменного типа. Электродвигатели имели мощность до 320 кВт и напряжение питания 380-660 кВ. Воздуходувки обеспечивали подачу воздуха с давлением 0,1-3,0 атм (104-3.105 Па). 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.

В главе 3 приведены результаты исследования рабочих режимов лопастного нагнетателя в нестационарном технологическом процессе.

Решение современных задач по анализу эффективности подбора насосного оборудования и способов управления им немыслимы без использования современных информационных технологий и специальных компьютерных программ. Для этого характеристики технологического процесса и обеспечивающего этот процесс оборудования должны быть представлены в виде аналитических зависимостей. При этом аппроксимирующие функции должны с достаточной степенью точности описывать изучаемый технологический процесс и характеристики используемого оборудования, и при этом не быть чрезмерно сложными и громоздкими, что затрудняло бы построение математической модели и решение оптимизационных задач.

Для пересчета напорной характеристики насоса было получено следующее выражение:

(1)

где – коэффициенты аппроксимации, вычисляемые методом наименьших квадратов; - коэффициент изменения частоты вращения.

Эта формула позволяет, располагая характеристикой нагнетателя при номинальной частоте, осуществлять перерасчет напорных характеристик нагнетателей в зависимости от задаваемой текущей частоты вращения рабочего колеса, что необходимо для эффективного управления нагнетателями.

Для обеспечения возможности варьирования параметрами оборудования в широком диапазоне вне привязки к существующим конструкциям, необходимо иметь математическую модель насоса, параметры которого на оптимальном режиме (, и ) могут быть заранее определены в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и заданного характера распределения нагрузки.

Для этого представляет интерес изучение форм напорных характеристик лопастных насосов. Определенному значению быстроходности лопастного насоса присуще своя специфическая форма напорной характеристики (рис. 1). Всякое искусственное изменение формы кривой , как правило, вызывает снижение КПД насоса. В общем случае эта кривая представляет собой параболу, максимум которой располагается в точке , представляющая вершину параболы, которая может быть расположении либо в I-м либо во II-м квадранте (рис. 1, а, b). Для насосов с вершиной в I-м квадранте (>0) имеется западающий участок характеристики, расположенный в области: 0<(0,250,3) . Данный тип характеристики присущ лопастным насосам с быстроходностью <120. У насосов с западающей левой ветвью напорной характеристики возможны пересечение с характеристикой трубопроводной системы в двух точках. Возможность возникновение 2-х рабочих точек может привести при снижении нагрузки к возникновению явления помпажа, поэтому для насосов с > 0 снижение подач ниже недопустимо и должно быть учтено при определении области возможных ограничений.

В качестве критерия, характеризующего крутизну напорной характеристики, используется коэффициент крутизны . Коэффициент крутизны напорной характеристики определяется в зависимости от значения коэффициента быстроходности . Зависимость коэффициента от быстроходности насоса приведена в таблице.

Коэффициент быстроходности насоса	Вид напорной характеристики	Коэффициент напорной характеристики
40 < < 80	Пологая
80 < < 150	Средняя
150 < < 250	Крутопадающая

Рис. 1. К построению математической модели виртуального насоса:

а) вершина напорной характеристики (точка В) расположена в Iм квадранте (QB>0)

в) то же во IIм (QB<0)

Математические модели напорных характеристик в зависимости от расположения их вершины будут различны.

1). Случай, когда вершина параболы расположена в первом квадранте (рис. 1, а). Представленная на рисунке кривая характерна для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей от 40 до 120.

Для построения математической модели насоса необходимо получить его следующие аналитические характеристики: напорную , КПД и кавитационную: . Исходными параметрами при этом являются подача и напор насоса на оптимальном режиме. Как указывалось ранее, напорная характеристика лопастного насоса может быть аппроксимирована полиномом 2-й степени.

Анализ форм характеристик для насосов с западающей левой ветвью показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче насоса, равной от 0,2 до 0,3 от (рис. 1 а). В этой связи для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующая последовательность расчетов:

1. Располагая значением и определяется быстроходность насоса по формуле:

(2)

где – частота вращения рабочего колеса, мин-1; – подача насоса на оптимальном режиме, м3/с; – напор насоса на оптимальном режиме.

2. Определяем напор насоса при нулевой подаче по формуле:

(3)

3. Принимаем ординату вершины параболы , а значение напора, на основе анализа характеристик насосов типов: , и , может быть принято равным 1,05 .

4. Таким образом получаем координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные значения напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уровней:

(4)

6. Решая приведенную систему получаем значения коэффициентов аппроксимации , и для случая, когда вершина параболы расположена в I-м квадранте ( > 0).

2). Случай, когда насос имеет устойчивую ниспадающую характеристику (> 120) приведен на рис. 1, b. Из приведенного рисунка видно, что вершина параболы располагается во II-м квадранте. Методика определения параметров насоса в характерных точках для получения коэффициентов аппроксимации может быть принята следующей:

1. Анализ форм характеристик лопастных насосов типов , и показывает, что вершина параболы (точка ) располагается при подаче равной: 0,2 0,3 . Принимаем значение (рис. 1, b).

2. Напор насоса в этой точке вычисляем с учетом быстроходности по формуле:

(5)

3. Для построения напорной характеристики необходимо определить напор насоса в точке (рис. 1, b), абсцисса которой равна нулю. Для этого рассмотрим подобные треугольники и . Из условий их подобия можно записать следующее:

(6)

После преобразований находим напор в точке

(7)

Необходимый для построения параболы напор в точке находим по формуле:

(8)

При этом соблюдается условие: < < , обеспечивающее ниспадающий характер напорной характеристики насоса.

4. Таким образом, получим координаты 3-х точек, необходимых для построения параболы :

5. Подставляем приведенные выше значение напоров и подач в уравнение аппроксимации и получаем систему 3-х уравнений:

(9)

6. Решая приведенную систему уравнений, получаем значения коэффициентов аппроксимации для случая, когда вершина параболы характеристики расположена во II-м квадранте ( < 0).

Для сравнения энергоэффективности выбираемых вариантов оборудования и способов управления им важнейшей характеристикой насоса является характеристика его КПД, т.е. . Характеристики КПД лопастных насосов с достаточной степенью точности могут быть аппроксимированы параболой вида . Поэтому при разработке математической модели важное значение имеет определение коэффициентов аппроксимации , и по заданным значениям оптимальной модели и оптимального (максимального) значения КПД .

Поскольку парабола вида: выходит из начала координат, то при будем принимать = 0. Если значение подачи будет равным , то КПД в этой точке имеет свое максимальное значение, т.е. при . Поскольку парабола симметрична относительно своей вершины (при ), то при значение КПД равно нулю. Таким образом, можно составить следующую таблицу:

Поскольку = 0, получаем систему из двух уравнений:

(10)

Располагая значениями и , решаем приведенную систему уравнений и находим коэффициенты аппроксимации:

; (11)

Наиболее распространенным явлением, ограничивающим область применения насосов, а, следовательно, их энергоэффективность, является кавитация. Поэтому математическая модель насоса не может быть полноценной без моделирования кавитационной характеристики насоса . Кавитационная характеристика насоса с достаточно высокой степенью точности может быть аппроксимирована полиномом вида: , где , и – коэффициенты аппроксимации.

Анализ форм кавитационных характеристик насосов типов , и и др. показывает, что при подаче равной 0,7 0,8 от , значение критического кавитационного запаса составляет 0,7 0,8 от , а при подаче, равной его значение находится в пределах 1,2 1,4 от . На основании анализа форм кавитационных характеристик может быть составлена следующая таблица:

Вводя приведенные в таблице значения в уравнение аппроксимации:

(12)

Вычислив предварительно по формуле С.С. Руднева и решая приведенную выше систему уравнений получим значения коэффициентов аппроксимации: , и .

Основной целью моделирования является исследование энергоэффективности различных методов подбора насосного оборудования и способов управления им. В этой связи представляет интерес сопоставление параметров реальных и виртуальных насосов, включая потребление ими энергии. Такое сопоставление было проведено для ряда отечественных и зарубежных насосов. Для заданных условий эксплуатации, как наиболее эффективным, был подобран виртуальный насос. Наиболее близким к нему по своим параметрам оказался насосный агрегат Д-4000-95-0.

Результаты сопоставления параметров показывают, что они имеют некоторое, несущественное отличие. Потребляемая насосным агрегатом Д-4000-95-0 за год энергия составила 3577 тыс.кВт·ч, а виртуальным насосом соответственно 3520 тыс.кВт·ч. Разность результатов расчета потребляемой энергии для одинаковых условий эксплуатации и способа управления агрегатами составила менее 1,6%. Аналогичные результаты получены для ряда других насосных агрегатов. Это свидетельствует о том, что разработанная математическая модель лопастного насоса достаточно полно отражает основные качества и характеристики реальных машин и поэтому может служить надежным инструментом для проведения исследований.

Следует подчеркнуть, что рассмотренные выше варианты построения напорных характеристик насосов будут справедливы для тихоходных насосов () насосов с нормальной быстроходностью () и быстроходных машин (). Для диагональных машин () и осевых ( > 500) машин, имеющих напорную характеристику с перегибами, применение рассмотренной выше модели может привести к существенным погрешностям в полученных результатах. Поэтому разработанная модель может успешно применяться для лопастных насосов в диапазоне быстроходностей: 40250. При составлении математической модели необходимо при определении быстроходности насоса варьировать частотой вращения его рабочего колеса, задаваясь различной частотой вращения электродвигателя привода, что позволит удержать модель в рамках заданного диапазона быстроходностей.

В главе 4 изложена методика определения оптимальных параметров нагнетателя, позволяющая увязать предполагаемые параметры оборудования с характеристикой трубопроводной системы и статическим распределением нагрузки.

При использовании регулируемого электропривода для лопастных насосов их КПД будет являться функцией трех переменных = (, и ). На потребляемую насосом энергию будет влиять не только само значение отклонения фактических значений КПД от его максимального значения, но и время работы с этим отклонением.

Поэтому, в качестве критерия максимизации КПД при переменной нагрузке, принимаем минимальное значение математического ожидания фактических значений КПД от максимального:

(13)

Для выполнения условия (13) необходимо таким образом расположить вершину параболы, аппроксимирующей характеристику КПД насоса (рис. 2, кривая 5, точка С), чтобы выполняя условие =, площадь S (на рисунке заштрихована), представляющая собой разность площадей прямоугольника МВДЕ и параболы (кривая 5) с учетом вероятностей подач была минимальной, то есть:

(14)

(15)

После преобразований получим:

. (16)

Характеристика КПД насоса может быть аппроксимирована полиномом второй степени:

(17)

где D, E и F – коэффициенты аппроксимации.

Подставим в формулу (17) граничные условия, приведенные в таблице.

	0		2
	0		0

C учетом того, что парабола (17) выходит из начала координат, т.е. при , получим систему уравнений:

(18)

Решая систему уравнений (18) находим значения коэффициентов аппроксимации D и E:

; (19)

Подставляем полученные значения коэффициентов и в уравнение (16) и после преобразования получим формулу для определения оптимальной подачи, соответствующей положению максимального значения КПД:

(20)

Определяя из формулы (20) и подставляя его в выражение (19) находим численные значения коэффициентов и в уравнении аппроксимации характеристики КПД насоса. Таким образом, получаем уравнение характеристики КПД насоса, привязанное к статистическому распределению нагрузки.

Для выбора насоса недостаточно знать только его подачу , а необходимо также определить напор на оптимальном режиме.

При использовании такого, наиболее эффективного способа управления, как минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе, в точке соответствующей координатам и должно соблюдаться три условия:

1. принадлежность к напорам характеристики подбираемого насоса;
2. принадлежность к кривой подобных режимов для максимального значения КПД;
3. равенство нулю избыточного напора (так как = ), т.е. принадлежность к характеристике системы.

Этим условиям соответствует единственная точка А2 (рис. 2, пересечение кривых 6 и 7).

При традиционной методике выбора насоса напорная характеристика при номинальной частоте вращения () пересекается с характеристикой трубопроводной системы (рис. 2, кривая 7) в точке А1, соответствующей максимальному значению подачи. Кривая подобных режимов максимального значения КПД проходит в этом случае также через эту точку (кривая 3). При применении регулируемого привода напорная характеристика (кривая 1) становится плавающей и при уменьшении нагрузки перемещается за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) эквидистантно самой себе и при достижении минимального значения нагрузки проходит через точку А3, занимая положение, представленное на рис. 2 (кривая 8).

В отличие от традиционного способа выбора оборудования, оптимальной подаче насоса, вычисленной с помощью формулы (20), соответствует положение напорной характеристики , представленное на рис. 2 (кривая 4). Напорная характеристика пересекается с характеристикой трубопроводной системы в точке А2, соответствующей оптимальной подаче и оптимальному напору насоса, а, следовательно, максимальному значению КПД. Кривая подобных режимов максимального значения КПД также проходит через точку А2 (кривую 6). При увеличении нагрузки выше оптимальной, за счет повышения частоты вращения рабочего колеса (>1), напорная характеристика перемещается и при достижении максимального значения нагрузки занимает положение, приведенное на рис. 2. (кривая 1). При уменьшении нагрузки ниже оптимальной, за счет снижения частоты вращения рабочего колеса (<1) напорная характеристика насоса перемещается и при достижении минимального значения нагрузки проходит через А3, занимая положение, приведенное на рис. 2 (кривая 8).

В главе 5 приведен сравнительный анализ энергоэффективности работы насосных установок с одним насосным агрегатом, работающим при переменной нагрузке. Для этого рассматривалась работа насосных агрегатов, подобранных по традиционной методике по максимальной (пиковой) нагрузке. В качестве примера: для сравнения энергоэффективности использовались различные по производительности насосные агрегаты отечественного и зарубежного производства, таких как: Д-3200-75, КМ-100-65-250, СР-3531/865 (Швеция), Д-1250-654, 600В-1,6/100-0. Проанализированы основные причины низкой эффективности работы насосного оборудования при переменной нагрузке. Проведено сопоставление энергоэффективности таких способов управления как: дросселирование, стабилизация давления на выходе насосной установки, минимизация избыточных напоров в трубопроводных системах и оптимизация (минимизация избыточных напоров с предварительной оптимизацией параметров подбираемого оборудования). Приведена зависимость энергопотребления насосного агрегата от выбора давления стабилизации. Показано, что наименее эффективным способом управления с применением регулируемого привода является широко применяемая в нашей стране стабилизация давления на выходе насосной установки, т.к. позволяет использовать только незначительную часть потенциала энергосбережения.

В главе 6 приведен сравнительный анализ энергоэффективности различных способов управления работой группы параллельно подключенных насосных агрегатов с регулируемым приводом при переменной нагрузке.

Особенностью большинства насосных систем являются значительные колебания нагрузки во времени, особенно в системах, поддающих воду непосредственно в городскую сеть, диапазон изменения подач насосных установок может находиться в широких пределах от 0,25 до . Для покрытия достаточно широких диапазонов нагрузки, а также с целью регулирования подачи на практике достаточно часто используют включение в параллельную работу двух, трех и более насосных агрегатов.

Подключение к одиночно работающему агрегату второго однотипного насоса увеличивает подачу системы менее, чем в 2 раза, а добавка подачи от включения каждого последующего насоса будет еще ниже, чем предыдущего. Поэтому в практике водоснабжения максимальное число насосных агрегатов, включаемых в параллельную работу, составляет не более 6-8 единиц, при этом применение разнотипных насосов не меняет приведенную картину.

Регулирование подачи системы, состоящей из нескольких нерегулируемых насосных агрегатов, осуществляется путем введения в работу (или выключения из нее) дополнительного одного или нескольких агрегатов, что приводит к скачкообразному изменению параметров всех находящихся в работе агрегатов.

Теоретический анализ работы системы, состоящей из группы параллельно подключенных насосных агрегатов полностью или частично оснащенных регулируемым приводом, показал, что надежность и устойчивость работы такой системы может быть обеспечена только при рассмотрении ее как единой целостной динамической системы, работающей в рамках четко обозначенных пределов ограничений. Для удержания работы системы, состоящей из группы агрегатов, в рамках ограничений необходимо четко очертить область возможных (допустимых) режимов ее работы. Поскольку границы работы всей системы формируются из границ отдельных, входящих в нее агрегатов, необходимо четко очертить область возможных режимов каждого агрегата с учетом ограничений. Следует особо подчеркнуть, что определение границ системы важно, как с точки зрения обеспечения надежной и устойчивой работы системы, так и выбора наиболее эффективного способа управления, поскольку положение возможных границ оказывает существенное влияние на энергетические показатели работы системы в целом.

Рассмотрим разработанную нами методику определения ограничений. При работе насосного аграгата с переменной нагрузкой происходят отклонения фактических режимов его работы от оптимального как в область более высоких значений подач (перегрузочные режимы), так и в зону пониженных подач (недогрузочные режимы). При смещении режимов работы в область больших значений подач основными причинами ограничений являются: кавитация, установленная мощность электродвигателей привода, предельно-допустимая (из условий прочности конструкции) частота вращения рабочего колеса. При снижении подачи основными ограничениями являются: помпаж и низкий КПД насоса, а также минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимое значение подачи регулируемого насосного агрегата по условию недопущения кавитации может быть получено из следующего выражения:

, (21)

где – кавитационный функционал, м; и – атмосферное давление и давление насыщенного пара, Па; – критическое значение кавитационного запаса, определяемое по кавитационной характеристике насоса в зависимости от его подачи и частоты вращения рабочего колеса, м; – гидравлические потери на всасывающей линии насоса, зависящие от его подачи и определяемые по формуле: , где – коэффициент гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода; ; – удельный вес жидкости, н/м3; – высота всасывания насоса, принимаемая равной разности отметок уровня воды в приемном резервуаре и оси рабочего колеса, м. В случае исследования параметров виртуального насоса, значение кавитационного запаса может быть вычислено по формуле С.С. Руднева.

Максимально-возможную подачу для фиксированного значения напора находим из формулы (21), решая уравнение относительно подачи методом последовательных приближений, принимая .

Предельно-допустимую подачу по условию недопущения перегрузки электродвигателя привода насоса можно получить из выражения:

, (22)

где – текущее значение мощности, потребляемой электродвигателем привода, кВт, вычисляемое по формуле

, (23)

где – напор, для которого определяется максимально-возможная подача, м; – КПД, вычисляемый в зависимости от подачи и частоты вращения рабочего колеса.

Предельно-допустимая подача может быть получена из формулы (22), решая уравнение методом последовательных приближений для фиксированного значения напора.

В течение нескольких десятилетий и по настоящее время насосное оборудование подбиралось и продолжает подбираться по пиковой нагрузке. При подобном подходе подача и напор насосного агрегата при номинальной частоте вращения рабочего колеса значительно превышают требуемые текущие значения, возникающие при переменной нагрузке. Поэтому вопрос о максимально-допустимой частоте, которая могла бы быть больше, чем номинальная, вообще не рассматривается. Однако это положение справедливо только лишь для используемой в настоящее время методике подбора оборудования, которое поддерживается сложившимся стереотипом мышления. Предложенная нами методика подбора энергоэффективных параметров насосного оборудования для установок с одним насосным агрегатом показывают, что минимальное потребление энергии обеспечивается только в том случае, если большую часть времени насосное оборудование будет работать в области наиболее вероятных подач с номинальной или близкой к ней частотой вращения рабочего колеса. При этом пиковая нагрузка будет покрываться кратковременным повышением частоты вращения рабочего колеса сверх номинальной, а при провалах нагрузки частота вращения будет снижаться ниже номинальной.

Не меньший интерес представляет выбор предельно-допустимой частоты вращения при работе группы насосных агрегатов.

Несмотря на отставание теоретической базы по минимизации потребления энергии при работе группы параллельно подключенных агрегатов и отсутствие энергоэффективных алгоритмов управления, для этих целей используются не основные параметры, характеризующие эффективность работы насоса: напор, подача, КПД и потребляемая энергия, а такие легко доступные измерению параметры, как нагрузка электродвигателей по току и частоте тока частотного преобразователя привода. Включение (отключение) насосов в существующих системах автоматического управления производится по допустимому току нагрузки электродвигателя привода или предельной частоте электрического тока ( Гц), подводимого от частотного преобразователя, что соответствует номинальной частоте вращения рабочего насоса. Использование указанных приемов означает, что переключение насосов происходит на границе области возможных (часто недостаточно обоснованных) ограничений по мощности двигателя, а не по минимуму потребляемой энергии. Решение задачи минимизации энергозатрат на основе одновременной оптимизации состава и режимов работы насосных агрегатов показывает, что минимум энергии, потребляемой группой агрегатов, как правило, находится не на границе области возможных ограничений, а внутри ее.

Решение задачи минимизации затрат энергии связано с необходимостью повышения частоты вращения рабочих колес у современного насосного оборудования при покрытии пиковой нагрузки на 20-30% превышающих номинальную. В свою очередь увеличением частоты вращения сверх номинальной может привести к возрастанию осевых и радиальных усилий на подшипники, а, следовательно, на корпус насоса. Проведенные нами расчеты показывают, что повышение осевых и радиальных нагрузок не вызывает не разрешимых конструктивных проблем и может быть решен при их модернизации насосов путем замены подшипников и усиления, в случае необходимости, корпуса насоса. В качестве привода модернизированных насосов наиболее эффективным будет использование выпускаемых промышленностью электродвигателей с номинальной частотой тока Гц. Поскольку находящийся в эксплуатации парк насосов оснащен асинхронными электродвигателями номинальной частотой тока Гц, представляет интерес исследование возможностей их использования для работы с частотой тока Гц. Для подтверждения возможности работы существующих насосных агрегатов с повышенной частотой вращения интересен опыт работы насосного агрегата КМ-125-100-160 с частотой f = 60 Гц на ЦТП № 2г. Руза Московской обл.

Основными причинами ограничений в области недогрузочных режимов являются: помпаж, низкие значение КПД и минимально-допустимая частота вращения рабочего колеса.

Анализ геометрических форм напорных характеристик насосов показал, что явление помпажа может возникнуть у насосов с западающей ветвью напорной характеристики, для которых коэффициент аппроксимирующего полинома больше нуля ( > 0). Это качество присуще лопастным нагнетателям с быстроходностью . Поэтому ограничение подачи по причине возникновения явления помпажа устанавливается только для насосов с коэффициентом > 0.

Вся область, лежащая левее этой кривой будет областью помпажа или недопустимо низких значений КПД (рис. 3, кривая OFLA).

При работе лопастных насосов с незначительной составляющей статистического напора /, а также при достаточно широких диапазонах изменения подач возникает необходимость значительного снижения напора и подачи. Это связано с существенным снижением частоты вращения ротора электродвигателя и частоты подводимого к нему электрического тока (в случае применения частотно-регулируемого привода – ЧРП). Снижение частоты электрического тока приводит: к снижению КПД самого насоса из-за отклонения фактических режимов работы от номинальной; снижению КПД электродвигателя привода; снижению КПД частотного привода; снижению качества электрического тока, подводимого от частотного преобразователя, что связано с появлением гармоник высшего порядка и перегревом электродвигателя.

На основе отечественного и зарубежного опыта применения ЧРП с целью недопущения перегрева электродвигателей привода из-за ухудшения качества тока принято допускать снижение вращения рабочего колеса нагнетателя частоты не более, чем в 2 раза по отношению к номинальной, т.е. принимается 0,5.

С целью определения области возможных режимов работы насосных агрегатов нами была разработана специальная компьютерная программа «SKAN-NAS», позволяющая определить границы области возможных режимов и получить ее графическое изображение. В качестве примера, на рис. 3 показана область возможных режимов работы насоса Д-1250-65 с регулируемым приводом. При этом необходимо разделить возможные ограничения на жесткие и мягкие. Под жестким характером ограничений понимаются такие, превышение которых может привести к выходу оборудования из строя, нарушению его механической прочности и созданию аварийной ситуации. Под мягкими ограничениями будем подразумевать ограничения, нарушение которых приводит к существенному ухудшению технико-экономических показателей работы системы.

Из приведенного рисунка видно, что область возможных режимов работы насосного агрегата Д-1250-65, оснащенного регулируемым приводом, представляет криволинейный многоугольник FLABCDE, каждая из сторон которого представляет ограничение по определенному параметру: помпажу, кавитации и т.д. Область возможных режимов ограничена слева (кривая FA) по условию помпажа, сверху – кривая AB представляет ограничение по предельно-допустимой частоте вращения рабочего колеса. Кривая BC представляет ограничение по мощности электродвигателя привода. Ограничение справа (кривая CD) обусловлено кавитацией, допустимым значением КПД (кривая DE) и минимально-допустимой частотой вращения EF. Кривые AB, LZP и FE представляют собой напорные характеристики насоса для максимально-допустимой частоты вращения рабочего колеса (АВ), номинальной (LZ) и минимально-допустимой (FE). Кривые ОА, OZ и OED являются кривыми подобных режимов, где ОА и OED построены для заданных ограничений по помпажу и минимально-допустимому значению КПД, а кривая OZ – представляет кривую подобных режимов для максимального значения КПД.

Кривая ВСPD ограничений получена для установленной мощности электродвигателя = 350 кВт и высоты всасывания,  = 0. Повышение уровня в приемном резервуаре или снижение отметки оси насоса на 3 м и установка электродвигателя мощностью = 450 кВт (вместо = 350 кВт) позволяет существенно расширить область возможных режимов работы насоса (рис. 3, кривая ВС'Р'Д').

При параллельной работе группы параллельно подключенных агрегатов с регулируемым приводом или при совместной работе регулируемых и нерегулируемых агрегатов возникает необходимость оптимального распределения нагрузки между насосными агрегатами. Выбор оптимизационного метода существенно зависит от характера зависимости мощности от подачи при фиксированном в данный момент времени значения напора. Разработанная нами математическая модель и программа «SKAN-NAS» позволяет не только очертить область возможных режимов работы регулируемого насоса, но и сканировать ее по вертикали (для выбранного фиксированного значения подачи) и горизонтали (для выбранного фиксированного значения напора).

Кроме того, программа «SKAN-NAS» позволяет получить дифференциальные характеристики насосных агрегатов: , что необходимо для рещения задач оптимального распределения нагрузки между агрегатами (рис. 4).

На основе проведенных теоретических исследований разработан принципиально новый способ расчета оптимальных параметров для группы параллельно подключенных агрегатов, работающих при переменной нагрузке, при заданном их количестве. Как показывают результаты исследований, наибольшая энергоэффективность при работе группы насосных агрегатов, достигается в том случае, если используемые агрегаты будут разнотипными с различными значениями подач и напоров на оптимальных режимах их функционирования. Применение разнотипных агрегатов, а также одновременное функционирование регулируемых и нерегулируемых агрегатов требуют, в свою очередь, для решения задачи минимизации затрат энергии, оптимального распределения нагрузки между агрегатами. Для этого были использованы оптимальные методы неопределенных моножителей Лагранжа и метод проекций градиента.

Для решения задачи оптимизации (минимизации) затрат энергии, потребляемой группой насосных агрегатов с использованием оптимизационного метода неопределенных множителей Лагранжа был принят следующий уточненный алгоритм расчетов:

1. Из заданного статистического ряда вводится значение подачи .

2. Соответственно принятому способу управления (минимизации избыточных напоров, стабилизации и т.д.) определяется требуемый напор с использованием гидравлической характеристики трубопроводной системы.

3. Составляется матрица возможных состояний насосных агрегатов. Число возможных состояний принималось (где: состояние 0 – насосный агрегат не работает; состояние 1 – агрегат работает).

4. На предварительном этапе для каждого из возможных состояний агрегатов проверяется условие их совместимости по подаче, т.е. выполнение условий . Состояния, не удовлетворяющие данному условию, отсеиваются.

5. Для насосных агрегатов, удовлетворяющих приведенному выше критерию, производится сканирование характеристик с целью определения для рассматриваемого значения левой и правой границ области возможных режимов.

6. В полученном для каждого насосного агрегата интервала подач () вычисляются значения и строится дифференциальная характеристика (рис. 4).

7. Производится исследование дифференциальных характеристик с целью выявления возможного минимума на исследуемом интервале подач. В случае выявления минимума левая граница интервала подач переносится в точку минимума. Реализуется процедура аппроксимации дифференциальной характеристики с достаточной степенью точности, что позволяет получить однозначное решение оптимального распределения нагрузки между агрегатами, т.е. определяются подачи каждого агрегата.

8. Определяется мощность каждого насосного агрегата, работающего в данном состоянии, а затем суммарная мощность, потребляемая группой агрегатов.

9. Поскольку возможно несколько состояний, удовлетворяющих условию подачи (пункт 4), определяется подача и мощность каждого агрегата и суммарная потребляемая мощность для других состояний. Полученные значения суммарной мощности сопоставляются между собой и выбирается ее минимальное значение.

10. Осуществляется переход к следующей подаче из статистического ряда, а затем цикл повторяется.

11. Определяются суммарные затраты энергии, потребляемой группой насосных агрегатов за год при работе оборудования на всем возможном статистическом интервале подач.

Необходимость переноса левой границы допустимых подач на дифференциальных характеристиках современных насосных агрегатов сужает область поиска возможных оптимальных решений.

Учитывая выше изложенное, нами был использован метод проекций градиента, для которого был принят следующий алгоритм выполнения расчетов:

1. Из статистического ряда подач вводится подача и вычисляется соответствующий ей напор .

2. Составляется матрица возможных состояний. Принимается 4 возможных состояния насосных агрегатов. Число возможных состояний составляет , где – число агрегатов (состояния 0 и 1 те же, что и в методе Лагранжа, состояние 3 – работы на левой границе ограничений, 4 - работы на правой границе ограничений).

3. На предварительном этапе отсеиваются не рабочие состояния, которые не удовлетворяют условию: .

4. Для каждого рабочего состояния определяются левая и правая границы области режимов работы агрегатов с учетом ограничений: и (для заданного значения ).

5. Определяется подача в начальной точке , лежащая в плоскости ограничений.

6. В начальной точке определяется вектор-градиент, вычисляя производную , выражение для которой было получено ранее (см. метод Лагранжа).

7. Вычисляется проекция вектор-градиента на плоскость ограничений движение поиска минимума начинается в противоположную сторону (поскольку ищется минимум функционала) с шагом . Шаг выбирается таким образом, чтобы получаемая точка
оставалась в плоскости ограничений.

8. Описанная выше процедура повторяется (итерационный цикл) до тех пор, пока отклонение единичного вектор-градиента от нормали к плоскости ограничений не будет меньше заданной точности вычислений.

9. Полученная точка является стационарной (точкой минимума), в которой подачи насосных агрегатов определяются из уравнения баланса расходов.

10. Для полученных значений расходов агрегатов определяются значения КПД и мощности, потребляемые каждым насосным агрегатом, а также суммарная потребляемая мощность и энергия, потребляемая за год.

11. Вводится новой значение , соответствующее подаче в другом статистическом интервале, а затем описанная выше процедура повторяется.

12. Определяются суммарные затраты энергии за год при обслуживании всего диапазона подач.

Таким образом, результаты проведенного сопоставления затрат мощности и энергии, полученных различными оптимизационными методами показывают, что они достаточно близки между собой, что свидетельствует о достоверности и высокой степени их надежности. Наряду с этим, можно сделать вывод о том, что оба метода (как метод неопределенных множителей Лагранжа, так и метод проекции градиента) являются надежным инструментом как для решения задачи минимизации энергозатрат на стадии проектирования и подбора насосного оборудования, так и для создания алгоритмов для эффективного управления им при его работе с переменной нагрузкой в режиме реального времени.

Вместе с тем, сопоставление двух приведенных выше оптимизационных методов показывает, что применение метода проекций градиента для исследования и управления режимами работы лопастных нагнетателей является более предпочтительным метода множителей Лагранжа. Основными причинами этого являются:

– отсутствие необходимости аппроксимации зависимости для получения аналитического выражения дифференциальной характеристики лопастного нагнетателя;

– отсутствие необходимости исследования характера поведения дифференциальной характеристики и связанного с этим сужения диапазона поиска оптимального решения, обусловленного смещением левой границы диапазона допустимых подач;

– получение однозначного и более точного решения, позволяющего получить хотя и незначительную по сравнению с методом множителей Лагранжа, экономию энергии.

С целью установления зависимости энергии, потребляемой группой насосных агрегатов с регулируемым приводом от их числа, параметров и способа управления при покрытии одного и того же диапазона нагрузки, а также выявления оптимального соотношения между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов была разработана математическая модель, имитирующая работу насосной станции. В качестве исходных данных были приняты следующие:

– число установленных насосных агрегатов;

– диапазон изменения подач и закон его распределения во времени (либо статистическое распределение за достаточно длительный период времени, не менее одного года);

– характеристика трубопроводной системы в виде выражения: ;

– характеристики устанавливаемого оборудования, а именно: напорная , КПД и кавитационная . Характеристики насосных агрегатов могут быть представлены либо в табличной форме, либо в виде коэффициентов номинальной аппроксимации ,, (напорная характеристика), , , (характеристика КПД); , , (кавитационная характеристика).

В случае применения виртуальных насосов для получения коэффициентов аппроксимации использовалась специально разработанная компьютерная программа «VIRT-06»

– установленная мощность электродвигателей привода насосов ;

– давление насыщенных паров (Па);

– гидравлические потери на всасывающей линии насосов на оптимальном режиме их работы (м);

– коэффициент кавитационной быстроходности (для виртуальных насосов);

– значение КПД на оптимальном режиме работы (для виртуальных насосов);

– высота всасывания насосных агрегатов , принимаемая равной разнице отметок оси рабочего колеса и уровня воды в приемном резервуаре;

– минимально допустимое значение КПД;

– минимально допустимые и максимально возможные значения коэффициента изменения частоты вращения и . Значения коэффициента принимались как в качестве параметра ограничения, так и критерия подключения (отключения) дополнительного агрегата в зависимости от принятого способа управления;

– способ управления насосными агрегатами;

– число и номер нерегулируемого агрегата (в случае частичного оснащения агрегатов регулируемым приводом).

Для вычисления энергии, потребляемой группой насосных агрегатов, был принят алгоритм вычислений, описанных выше в методе проекций градиента.

На основе описанного выше алгоритма была разработана специальная компьютерная программа оптимизации (минимизации) энергозатрат при работе группы насосных агрегатов при переменной нагрузке «OPT-21».

С помощью указанной выше компьютерной программы было проведено вычисление затрат энергии, потребляемой группой насосных агрегатов при переменной нагрузке для различных способов управления. Для покрытия одного и того же диапазона подач и ее статистического распределения число насосных агрегатов, работающих одновременно, принималось равным от одного до шести. Известно, что на значение потребляемой энергии, кроме числа насосных агрегатов, существенное влияние оказывают технологические условия и, в первую очередь, соотношении статической составляющей полного напора и полного напора . При выполнении расчетов соотношение изменялось в широком диапазоне от 0,16 до 0,82. Если учесть, что стабилизация является предельным случаем минимизации, а соотношение при стабилизации принято равному единице, можно считать, что был охвачен практически весь диапазон соотношений .

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты построения графика зависимости потребляемой энергии га год группой насосных агрегатов, состав которой изменялся от одного до шести. Затраты энергии были подсчитаны для различных способов управления, типа насосных агрегатов и характеристик привода. Значение статической составляющей напора для графика приведенного на рис. 5, принималось равным Hst = 40 м (Hst/Hn = 0,65).

Из графика рис. 5 видно, что потребление энергии при покрытии одного и того же диапазона нагрузки различным числом насосных агрегатов существенно зависит от их числа, а также от принятого способа управления. Это утверждение справедливо для всех рассмотренных способов управления, кроме минимизации избыточных напоров с применением синхронного управления насосными агрегатами. Как видно из рис. 5 наиболее эффективным способом управления по сравнению с повсеместно применяемым дросселированием является минимизация избыточных напоров. Значительное снижение потребления энергии происходит при увеличении числа агрегатов от одного до трех или четырех, а затем дальнейшее увеличение их числа не дает сколько-нибудь заметного снижения, потребляемой энергии.

Наиболее эффективным способом управления насосными агрегатами является минимизация избыточных напоров в трубопроводной системе. Минимизация избыточных напоров может быть достигнута различными способами и для ее поддержания могут быть использованы как однотипные, так и разнотипные насосные агрегаты, а также, как индивидуальный, так и групповой привод. В этой связи представляет интерес сопоставление энергоэффективности различных видов минимизации. Результаты сопоставления потребляемой энергии от числа насосных агрегатов для различных способов минимизации приведены на рис. 5. С целью экономии капитальных вложений в ряде случаев вместо индивидуального привода используется групповой привод, когда несколько насосных агрегатов подключаются к одному частотному преобразователю. Управление ими осуществляется путем одновременного снижения частоты вращения рабочих колес у всех находящихся в работе агрегатов. Зависимость потребляемой энергии от числа насосных агрегатов при синхронном управлении приведена на рис. 5 (кривая 4). Из рисунка видно, что по мере увеличения числа насосных агрегатов при синхронном управлении потребляемая энергия изменяется незначительно, что свидетельствует о нецелесообразности увеличения числа агрегатов при использовании этого способа управления.

На рис. 5 также показаны кривые зависимости потребляемой энергии при минимизации избыточных напоров от числа агрегатов при выборе различных критериев подключения (отключения) дополнительного агрегата. Кривая 5 получена для случая, когда переключение агрегатов производилось при достижении рабочим колесом насоса номинальной частоты вращения, а подача насоса становится при этом равной оптимальной. Кривая 6 получена при минимизации для случая, когда в качестве критерия подключения (отключения) дополнительного агрегата принимался минимум потребляемой ими энергии. Достижение минимума потребляемой энергии достигалось путем решения задачи одновременной оптимизации (минимизации) состава и режимов работы однотипных насосных агрегатов.

Расчеты показывают, что применение оптимизации при работе группы однотипных агрегатов (рис. 5, кривая 6) позволяет при переход от одного агрегата к двум получить экономию энергии 111 тыс. кВт·ч, а при переходе к трем агрегатам экономия снижается до 40 тыс. кВт·ч и затем по мере дальнейшего увеличения числа агрегатов до шести экономия энергии продолжает плавно снижатся до 10 тыс. кВт·ч.

Значительный интерес представляет минимизация избыточных напоров при использовании разнотипных насосных агрегатов. Параметры насосов определялись теоретически, путем увязки их параметров с характеристикой трубопроводной системы и статистическим распределением нагрузки. Зависимость потребляемой энергии от числа разнотипных агрегатов, параметры которых были предварительны оптимизированы, приведена на рис. 5 (кривая 4).

На рисунке также приведена зависимость значения целевой функции оптимизации, от числа насосов, которые равны минимально-возможным затратам энергии для заданных условий эксплуатации. По полученным расчетам, видно, что в случае предварительной оптимизации параметров насосного агрегата значение потребляемой энергии может быть уменьшено на 285 тыс. кВт·ч, при переходе к двум агрегатам – на 112 тыс. кВт·ч, а затем по мере увеличения числа агрегатов до шести экономия постепенно снижается до 74 тыс. кВт·ч.

Результаты сравнения энергоэффективности различных способов минимизации избыточных напоров показывают, что наиболее энергоэффективным из них является минимизация с одновременной оптимизацией состава и режимов работы разнотипных насосов с предварительно оптимизированными параметрами агрегатов.

Применение регулируемого привода требует значительных капитальных вложений на его покупку, монтаж и наладку. Поэтому с целью минимизации капитальных вложений на практике довольно часто прибегают к оснащению регулируемым приводом не всех установленных на насосной станции насосных агрегатов, а только их части. В современной технической литературе отсутствуют достаточно обоснованные рекомендации по оптимизации соотношения между числом регулируемых и нерегулируемых агрегатов.

На основе накопленного опыта рекомендуется принимать число регулируемых однотипных агрегатов не менее 1/3 от всех установленных, а в случае применения разнотипных агрегатов суммарная подача регулируемых агрегатов должна составлять не менее 1/3 подачи насосной станции.

Рекомендуемое число агрегатов, оснащаемых регулируемым приводом, обусловлено необходимостью избежать появления так называемых «мертвых зон», в которых не удается поддержать заданные значения регулируемых параметров на всем диапазоне изменения нагрузки.

Однако вопрос не в том, чтобы определить минимальное число регулируемых агрегатов, необходимое для поддержания требуемых параметров системы для заданного способа управления, а в определении зависимости потребляемой энергии от соотношения числа регулируемых агрегатов к их общему числу . Уменьшение соотношения / приводит к уменьшению капитальных затрат, однако ведет к существенному повышению потребляемой энергии. Поэтому вопрос состоит в том, каким образом можно достичь оптимального соотношения / при котором затраты на дальнейшее увеличение числа регулируемых агрегатов не будут окупаться получаемой при этом экономией энергии. Если определение затрат на покупку, монтаж и наладку регулируемого привода не вызывает никаких трудностей, то вопрос определения затрат энергии при работе группы насосных агрегатов при переменной нагрузке с различным соотношением числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов является недостаточно изученным.

С целью получения зависимости потребляемой энергии от соотношения / была использована ранее разработаная математическая модель насосной станции с изменяющимся соотношением числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов. Общее число установленных агрегатов принималось равным пяти. Число регулируемых агрегатов принималось равным: одному, двум и т.д. При этом соотношение / изменялось в пределах от 1/5 до 1.

По результатам вычислений затрат энергии для различных способов управления насосными агрегатами, таких как стабилизация давления в напорном коллекторе насосной установки и минимизация избыточных напоров построены графики зависимости затрат потребляемой энергии от соотношения / для различных способов управления (рис. 6).

При минимизации избыточных напоров, как это видно из рис. 6, потребление энергии существенно зависит не только от соотношения /, но и от соотношения статической составляющей и полного напора . Так, например, при / = 0,82 при установке трех агрегатов с регулируемым приводом вместо двух (/ = 3/5) снижение потребления энергии составляет 119 тыс. кВт·ч, тогда как такое же оснащение (переход от двух регулируемых агрегатов к трем) при соотношении / = 0,33 приводит к снижению потребления энергии на 804 тыс. кВт·ч. При дальнейшем увеличении числа регулируемых агрегатов темпы снижения потребляемой энергии замедляется (рис. 6). Таким образом, полученные результаты исследований показывают, что снижение потребляемой энергии зависит не только от соотношения /, т.е. от числа регулируемых агрегатов, но в большей степени определяется соотношением статической составляющей и полного напора . Поэтому вопрос о соотношении числа регулируемых и нерегулируемых агрегатов должен определяться расчетом в каждом конкретном случае в зависимости от технологических условий работы оборудования.

Выводы

1. Разработана математическая модель функционирования лопастных насосных нагнетателей работающих с переменной нагрузкой с использованием реальных и виртуальных лопастных нагнетателей. Модель позволяет исследовать энергопотребление, как при работе одного, так и группы параллельно подключенных нагнетателей с получением зависимости затрат потребляемой энергии от числа действующих агрегатов и задаваемого способа управления ими при покрытии одного и того диапазона изменения нагрузки.

2. Разработана принципиально новая методика определения энергоэффективных параметров лопастных нагнетателей, работающих с переменной нагрузкой. Параметры наиболее энергоэффективного оборудования рекомендуется определять не традиционным путем перебора характеристик выпускаемых промышленностью агрегатов, а посредством увязки параметров математической модели выртуального нагнетателя с характеристиками трубопроводной системы и статическим распределением нагрузки.

3. Группу параллельно подключенных и совместно функционирующих нагнетателей необходимо рассматривать как единую целостную динамическую систему, управляемую из одного центра по заданному алгоритму. В состав группы могут входить только нагнетатели имеющие общую область возможных режимов, работа которой может быть обеспечена совместимостью их индивидуальных характеристик.

4. Разработана принципиально новая методика определения области возможных режимов работы реальных или виртуальных регулируемых лопастных насосов с учетом практически всех возможных граничных условий их эксплуатации. На основе разработанного алгоритма была составлена специальная компьютерная программа, позволяющая определить не только область возможных режимов насосного агрегата и получить ее графическое изображение, но также сканировать характеристики нагнетателя, а также могут быть получены дифференциальные характеристики насосных агрегатов.

5. Разработан принципиально новый способ теоретического определения оптимальных параметров насосных агрегатов, входящих в состав группы для заданного их числа при работе с переменной нагрузкой. Показано, что наибольшая эффективность может быть достигнута при работе группы агрегатов с переменной нагрузкой в том случае, если в состав группы будут входить разнотипные агрегаты с различными значениями подач и напоров на оптимальном режиме их работы.

6. Впервые для лопастных нагнетателей, работающих с переменной нагрузкой, решена задача минимизации затрат энергии путем одновременной оптимизации состава и режимов работы с использованием матрицы возможных состояний агрегатов и оптимального распределения нагрузки между ними. Для решения задачи минимизации использовались оптимальные методы неопределенных множителей Лагранжа и метод проекций градиента (антиградиента, т.к. определялся минимум энергозатрат). Установлено, что более предпочтительным оптимизационным методом при решении задач минимизации затрат энергии, потребляемой лопастным нагнетателем, является метод проекций градиента, т.к. позволяет получить однозначное и более точное решение.

7. Наиболее объективным критерием оценки внедрения различных энергосберегающих мероприятий и технологий является использование понятия потенциала энергосбережения, т.к. оно может быть легко связано с целевой функцией минимизации энергетического функционала. Применительно к работе лопастных нагнетателей теоретически минимально возможные затраты энергии (значение целевой функции оптимизации) могут быть достигнуты в том случае, если напор (давление) на всем диапазоне изменения нагрузки будет минимально допустимым, а значение КПД соответствовать своему максимальному значению для принятого типа оборудования. Степень использования потенциала энергосбережения позволяет дать объективную оценку не только энергоэффективности различных способов управления, но и качеству подбора оборудования для заданных условий эксплуатации.

8. Разработана методика проведения предварительной оптимизации параметров предполагаемого к установке оборудования. Промышленная апробация подтвердила, что применение минимизации с предварительной оптимизацией позволяет получить экономию энергии от 29 до 63% (по отношению к дросселированию) и на 4-8% больше по отношению к минимизации. Указанный способ управления позволяет наиболее полно (от 93 до 98%) использовать имеющийся потенциал энергосбережения, чего не допускает ни один из известных методов.

Предложения для практики.

На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по основам метода снижения энергопотребления технологического оборудования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод агропромышленного комплекса (Утв. Отделением ветеринарной медицины, РАСХН, 04.12.2007 г.)

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва, Внедрено ОАО «Органический синтез» г. Казань по Системам оборотного водоснабжения для обеспечения охлаждающей водой завода по производству Бифенола-А с годовым экономическим эффектом 1,65 млн. рублей; ООО «Рузские тепловые сети» г. Руза Московская обл. при пуско-наладочных работах (ЦТП) № 2 г. Руза, годовой экономический 1 млн. 900 тыс. руб; ЗАО «Кузнецовский» Московская обл.; Каголымское МУП «Водоканал» г. Каголым по реконструкции и пусконаладочных работах канализационной очистной станции КОС г. Калолым с годовым экономическим эффектом 6 млн. рублей ;

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Николаев В.Г. Применение погружных грунтовых насосов для повышения производительности землесосных снарядов. Экспресс-информация серии «Строительство гидроэлектростанций», вып. 9, Информэнерго, М., 1975, с. 57-57.
2. Николаев В.Г. Исследование потерь напора на входе на всасывающую трубу землесосного снаряда. Труды ВЗИСИ, Сб. «Расчетные методы в строительстве», М., 1975, с. 123-124.
3. Николаев В.Г. Рекомендации по определению области рационального применения эжекторно-землесосных снарядов. Экспресс-информации серии «Строительная индустрия», Вып. 12, Информэнерго, М, 1975, с. 35-36.
4. Николаев В.Г. Повышение производительности земснарядов путем применения погружных насосов. Строительные материалы №11, 1975, с. 32-34.
5. Николаев В.Г., Мельников Ю.Ф. Натурные испытания эжекторно -землесосных снарядов на строительстве КАМАЗа. Экспресс-информация. Серия «Организация производства работ на объектах промышленного и жилищного строительства» Минэнерго СССР. М. Информэнерго, вып. 9, 1975, с. 7-11.
6. Николаев В.Г., Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Расчет грунтовых насосов на основе систематики. РЖ 61. «Насосостроение и компресоростроение. Холодильное машиностроение», №2, 1976, с 18-28.
7. Николаев В.Г. Натурные испытания земснаряда с эжекторным наконечником. Материалы X Научно-технической конференции во Всесоюзном заочном инженерно-строительном институте, М., 1976, с. 65.
8. Николаев В.Г. Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. Патент 2230938 РФ, МПК 7 F 04 Д 15/00, 2003.

9. Николаев В.Г., Тихоненко Ю.Ф. Способ оценки эффективности применения частотно-регулируемого привода при работе групп лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах, Энергонадзор и энергоэффективность, № 3, 2003, с. 65-68.

10. Николаев В.Г. Методика оценки целесообразности применения частотно-регулируемого привода для повышения эффективности работы водопроводных насосных станций. Новые технологии и оборудование в водоснабжении и водоотведении НИИКВОВ, сборник материалов, выпуск 4, Москва, 2003, с. 6.

11. Николаев В.Г. Снижение энергопотребление - одно из важнейших направлений реформы ЖКХ, «Жилье и реформы», №3 2004, с..

12. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосами в нестационарных технологических процессах коммунального хозяйства. Сборник докладов международного семинара «Экология селитебных территорий» МГСУ, М., 2006.

13. Николаев В.Г. Анализ энергоэффективности различных способов управления насосными установками с регулируемым приводом. Водоснабжение и санитарная техника, № 11, ч. 2, 2006, с. 6-16.

14. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления насосными агрегатами в нестационарных технологических процессах. Материалы 7-го Международного конгресса ЭКВАТЭК-2006, М., 2006, с. 135.

15. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления лопастными насосными агрегатами в системах водоснабжения при нестационарной нагрузке. Сантехника, № 4, 2006, стр. 22-26.

16. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы выбора оптимальных параметров лопастных нагнетателей и способа управления ими в нестационарных технологических процессах. Вестник Московского государственного университета им. В.П. Горячкина, № 3, 2007, с. 12-20.

17. Николаев В.Г. Сравнение методик определения энергоэффективности насосного оборудования станций биологической очистки. Экология и безопасность жизнедеятельности. Сборник статей VII Международной научно-практической конференции, Пенза 2007.

18. Николаев В.Г., Барсук И.В. Энергосберегающие способы управления насосным оборудованием канализационных насосных станций. Сборник трудов научно-технической конференции. МИКХиС, 2007.

19.Николаев В.Г. Новые подходы к выбору оптимальных параметров и способов управления насосным оборудованием с регулированным электроприводом. Вода - магазин, № 12, 2007.

20.Николаев В.Г., Денисов А.А. Методика оптимизации выбора состава и режимов работы для группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. Материалы международной научно-практической концференции ВНИТИБП, г. Щелково, 2007.

21. Николаев В.Г. Расчет энергопотребления насосных агрегатов. Материалы Международной научно-практической конференции ВНИТИБП, г. Щелково, 2007.

22. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы управления группой лопастных насосов при переменной нагрузке. Экология и промышленность Россия, март, №3, 2008, с. 40-44.

23. Николаев В.Г. Способы повышения энергоэффективности управления насосными установками сооружений биологической очистки сточных вод, Экология и промышленность России, январь, №1, 2008, с. 21-23.

24. Николаев В.Г.. энергосберегающие мнтоды выбора оптимального числа, параметров и способов управления группами лопастных насосов в системах водоснабжения АПК. Вестник Московского государственного университета им. В.П. Горячкина, № 1, 2008, с. 25-36.

25. Николаев В.Г. Влияние выбора способа управления лопастным насосом на определение его оптимальных параметров при переменной нагрузки, Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 5, 2008, с. 23-30.

26. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления режимами работы группы лопастных насосов, работающих параллельно. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 6, 2008, с. 17-25.

27. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления группой лопастных насосов с регулируемым электроприводом. Техника в сельском хозяйстве, № 3, 2008, с. 18-21.

28. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления режимами

работы группы лопастных насосов работающих параллельно, Мелиорация и водное хозяйство, № 5, 2008, с. 21-27.

29. Николаев В.Г. Энергосберегающие способы управления группой

лопастных насосов при переменной нагрузке. Материалы 8-го Международного конгресса ЭКВАТЭК-2008, М., 2008.

30. Николаев В.Г. выбор оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 1, 2008, с. 43-46.

31. Николаев В.Г. Управление режимами работы группы лопастных насосов. Водоснабжение и санитарная техника, № 5, 2008, с. 9-16.