ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Электроприводы центробежных насосов

Турбомеханизмы, к которым относятся и центробежные насо­сы для перекачки воды и других жидкостей, потребляют до 25 % всей вырабатываемой электроэнергии. Работа этих систем отлича­ется неравномерным потреблением воды, тепловой энергии, воз­духа в течение суток в зависимости от погодных условий, време­ни года.

Мощность промышленных насосов лежит в пределах от еди­ниц киловатт до нескольких десятков мегаватт. По назначению различают следующие группы насосов: коммунального и промыш­ленного водоснабжения; погружные для подачи воды или нефти из скважин; циркуляционные; питательные; водоотлива; для транс­порта нефти, пульпы и др.

Насосы, как правило, работают на сеть с противодавлением, причем статический напор в сети составляет обычно не менее 20 % полного напора. Исключением являются циркуляционные насосы, которые могут работать на сеть трубопроводов, практи­чески не имеющую статического напора.

Обычно насосы оснащаются нерегулируемым электроприводом. Регулирование подачи осуществляется при этом практически един­ственным способом — дросселированием на стороне нагнетания.

Регулирование подачи насосов применяют в следующих слу­чаях.

1. При необходимости регулирования количества жидкости, подаваемой насосом, по требованиям технологического процесса или в связи со случайным изменением потребности в жидкости. Например, подачу жидкости циркуляционным насосом системы охлаждения нужно регулировать в зависимости от количества теп­лоты, подлежащей отводу; подача воды насосом должна изме­няться соответственно режиму водопотребления.

2. Если не требуется во время работы регулирование подачи жидкости насосом, но обеспечение требуемой подачи связано с первоначальной подрегулировкой насоса. Например, для подачи жидкости на определенную высоту Я при постоянных расходе Q и сопротивлении гидросети по каталогу выбирается насос с бли­жайшими, но больше требуемых номинальными напором и рас­ходом воды. Поэтому для работы с заданными параметрами напор и (или) расход воды насоса должны быть снижены до требуемых значений. Если насос работает при неизменной скорости, то про­стейшим способом регулирования его подачи является дроссели­рование, т. е. неполное открытие задвижки на напорном трубо­проводе насоса.

Характерным примером являются станции горячего и холод­ного водоснабжения и системы отопления зданий. Механизмы этих станций, выбранные исходя из максимальной производительно­сти, значительную часть времени работают с меньшей производи­тельностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет 50... 55 % максималь­ной. Существующие системы водоснабжения с нерегулируемым электроприводом не обеспечивают заметного снижения потреб­ляемой мощности при уменьшении расхода воды, а также обуслов­ливают при этом существенный рост давления (напора) в систе­ме, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабже­ния.

Проиллюстрируем хорошо известную энергетическую и техно­логическую неэффективность дроссельного регулирования пода­чи воды насосом. Мощность, потребляемая насосом, определяет­ся по формуле

где Р — мощность, Вт; Q — подача, м3/с; Н — напор, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; р — плотность жидкой сре­ды, кг/м3; г — КПД насоса.

На рис. 4.5 показаны характеристики производительности цен­тробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании. Кривая 1 характеризует работу нерегулируемого электропривода на номинальной частоте вращения, кривая 3 характеризует рабо­ту магистрали при полностью открытой заслонке. Значения расхо­да и напора воды приведены на рис. 4.5 в относительных единицах при использовании в качестве базовых величин номинального расхода QHOM и номинального напора Нном. При номинальном рас­ходе и напоре насос работает в точке А, а мощность, потребля­емая насосом, пропорциональна площади прямоугольника 0KAL. С уменьшением расхода при нерегулируемом электроприводе (на рис. 4.5 для примера показан расход воды, составляющий 0,6#ном)
за счет дроссельного регулиро­вания происходит изменение сопротивления магистрали (кривая 4), насос работает в точке В кривой 1, что приводит к возрастанию напора, который становится больше номинально­го, а мощность насоса, пропор­циональная площади прямоу­гольника О DBF, несущественно отличается от мощности, по­требляемой при номинальном расходе, следовательно, и энер­гопотребление при уменьшен­ном расходе изменяется незна­чительно или практически не изменяется.

На то обстоятельство, что

при дроссельном регулировании расхода (подачи) воды возраста­ет напор (давление) в системе и практически не удается снизить энергопотребление, следует обратить особое внимание. Экспе­риментальные данные по структуре себестоимости перекачки 1 м3 воды по годам показаны на рис. 4.6 [2]. Диаграмма наглядно под­тверждает увеличение доли электроэнергии в общих затратах на поднятие и перекачку воды. Учитывая, что возрастание стоимо­сти электроэнергии носит опережающий характер по сравнению

со стоимостью других затрат, проблема энергосбережения при ра­боте насосов холодного и горячего водоснабжения приобретает первостепенный характер. Дополнительным аргументом в пользу необходимости внедрения на насосных станциях энергосбере­гающих технологий являются существенные потери (утечки) воды в системе водоснабжения, чему способствует повышение давле­ния (напора) в системе при дроссельном регулировании насосов. В пользу этого говорят и конкретные цифры, приведенные в табл. 4.2, в которой показан расход воды в России на одного жи­теля [2].

Таким образом, приведенные соображения объективно подтвер­ждают необходимость перехода от систем дроссельного регулиро­вания насосных агрегатов к системам автоматического управления ими путем автоматического поддержания необходимого техноло­гического параметра, в частности, напора (давления) при изме­няющемся расходе воды за счет применения частотно-регулиру­емых асинхронных электроприводов [7, 35, 60, 63, 72, 73, 78].

Возможности энергосберегающего управления при регулирова­нии скорости электропривода по сравнению с дроссельным регу­лированием проиллюстрированы на рис. 4.5. За счет уменьшения скорости насос работает при снижении расхода в точке С на кри­вой 2 при неизменной характеристике магистрали (кривая 3). Мощ­ность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорци­ональна площади прямоугольника QECF, что наглядно иллюстри­рует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов. Наряду с этим уменьшается при снижении расхода воды и напор в системе, что приводит к уменьшению потерь (утечек) воды.

Структуры систем автоматического регулирования частотно - управляемых асинхронных электроприводов при разных схемах водоснабжения, а также количественные оценки по энергосбере­жению и экономии воды при использовании систем частотно - регулируемых асинхронных электроприводов насосов будут при­ведены в гл. 5.

Приведем методики для приближенной сравнительной оценки энергопотребления при изменении подачи центробежных насо-

сов за счет дроссельного регулирования (ДР) и частотного регу­лирования (ЧР) скорости АД насоса [12].

Как указывалось выше, установившийся режим работы насос­ной установки при постоянной скорости приводного электродви­гателя определяется точкой пересечения характеристики насоса, соответствующей этой частоте, и характеристики магистрали, под­ключенной к насосу. Характеристикой насоса является зависимость напора Н от расхода Q, которую с достаточной степенью точно­сти можно представить в виде [42]:

где Н0н — напор насоса при Q = 0 и со = соном; соном — номинальная скорость электродвигателя; С — конструктивный коэффициент на­соса, С = (#0н - HhouWQIou, Qhom и Яном — номинальные расход и напор.

Характеристика магистрали определяется следующим выраже­нием [42]:

H=HC + RQ2, (4.13)

где Нс — статический напор (противодавление), соответствую­щий Q=0 (закрытой задвижке); R — коэффициент сопротивле­ния магистрали, R = (Яном - Яс)/02ом.

Характеристики способов регулирования центробежного насо­са и магистрали приведены на рис. 4.7.

Мощность, потребляемая насосной установкой из сети:

R = -^мех/Ль

где Рмех — мощность на валу двигателя насоса, Рмех = Мссо; Мс — статический момент нагрузки на валу двигателя; — КПД двига­теля.

Регулирование подачи дроссельной заслонкой основано на измене­нии сопротивления магистрали. В этом случае при со = coHOM = const рабочая точка механизма перемещается по Q—Я-характеристи - ке, соответствующей номинальной скорости двигателя, в сторо­ну снижения подачи до точки пересечения с новой характе­ристикой магистрали (точки 1, 2, 3 на рис. 4.7).

При электрическом способе регулирования подачи рабочая точка перемещается по неизменной характеристике магистрали (точки 4, 5, 6, 7 на рис. 4.7). При этом с уменьшением подачи уменьшается и требуемый напор, что приводит к снижению ста­тической мощности, необходимой для работы насоса с задан­ным расходом воды, по сравнению с дроссельным регулирова­нием.

Рис. 4.7. Характеристики способов регулирования центробежного насоса:

1, 2, 3 — рабочие точки при дроссельном регулировании подачи; 4, 5, 6, 7 — рабочие точки при регулировании подачи за счет изменения частоты вращения

двигателя

Рассмотрим КПД двигателя при различных способах регулиро­вания подачи без учета потерь в стали и потерь от тока холостого хода.

При частотном управлении, осуществляемом при постоянстве абсолютного скольжения,

где ,УН0М — номинальное скольжение двигателя; а — отношение активных сопротивлений фазы статора Rx и ротора R'2, а = R/Ri - При регулировании дроссельной заслонкой, когда со = соном = = const, КПД двигателя постоянный и вычисляется по формуле Лі — О — SH0M)/(aSH0M + 1).

Чтобы получить расчетные выражения в функции от расхода, скольжение двигателя можно выразить через расход. Для этого в формуле (4.12) заменим (со/соном)2 на [(1 - S)/( - *УН0М)]2 и, ре­шив его совместно с выражением (4.13) относительно S, получим

5 = 1 - (1 - SH0M) + а2 (1 - К) = 1 - (1 - Shom ) Л, (4.14)

ГДЄ — Нс! Uqh, Qtf — Qhom? - yjhс Q* (1 — )•

Зависимость выраженного в относительных единицах момента на валу турбомеханизма при работе его на сеть с постоянными параметрами имеет вид

{ О) ^ /1 (О |(^V®hom ) hc

^ = Цос --------- + (1 - Мюс )---- ----- ;—7------ ,------- (4.15)

^НОМ, ^НОМ V 1 К

где і — относительный момент на валу турбомеханизма, |х=М/Мстак (М:шах — максимальный статический момент на валу механизма, который имеет место при со = соном); ц0с — статический момент на валу (М0с) при Q* = О (закрытой задвижке), выраженный в отно­сительных единицах, ji0c = М0с/Мстах.

Выражения (4.14) и (4.15) позволяют выразить момент, КПД, скорость и мощность, потребляемую из сети, в функции от рас­хода воды при заданном противодавлении. Для универсального использования расчетных формул целесообразно определять мощ­ность Pi в относительных единицах (Рх, = P/Pq), приняв в каче­стве базового значения мощности Рб максимальную статическую мощность на валу двигателя Рстах при со = соном, т. е. Рб = Рс

стах

— -^стах^ном-

Если считать, что Мстах = Мном (Мном — номинальный момент двигателя, Мном = Р»омМюм), то базовая мощность Р6 = Рном.

Выражения для расчета Рх* при различных способах регулиро­вания подачи насоса принимают следующий вид: при дроссельном регулировании

р [^Ос (1 — M-Ос )Q* J (і ^^ном ) .. -

/і* — - — , (4.І0)

1 ^илм

Выражения (4.16) и (4.17) позволяют рассчитать потребляемую насосом мощность при дроссельном и частотном регулировании в зависимости от расхода жидкости Q* и произвести сравнитель­ную оценку для рассматриваемых способов регулирования. Как следует из (4.16), (4.17), при дроссельном регулировании для задан­ного значения Q* потребляемая мощность Рх* зависит от ц0с> ^ном, а при частотном регулировании — от hc, ц0с> SH0M. Задавая эти параметры для конкретных условий работы насосного агрега­та и выбранного двигателя или отрезка серии двигателей, можно рассчитать значения Px*=f{Q*). В табл. 4.3 приведены относитель-

ные значения потребляемой мощности Р)+ в функции относитель­ного расхода Q* для дроссельного и частотного регулирования при Нос = 0,4; а = 1; SH0M = 0,04.

Используя формулы (4.16) и (4.17), можно получить извест­ные зависимости, иллюстрирующие выигрыш в потреблении ак­тивной энергии при частотном регулировании по сравнению с дроссельным регулированием. На рис. 4.8 приведены зависимости Р* = /(£?*) ПРИ дроссельном и частотном регулировании, по­строенные по данным табл. 4.3 для hc = 0. Задавая расход (Qh) можно рассчитать потребляемую мощность при дроссельном (Рц*{)

и частотном регулировании (Р,^) и определить выигрыш в потреб­ляемой мощности АР]*, = Рі*- - Рі*2і что позволяет рассчитать снижение годовых затрат по сто­имости электроэнергии при ча­стотном регулировании асин­хронных электроприводов на­сосных агрегатов по сравнению с дроссельным регулированием.

Как следует из табл. 4.3, с уве­личением статического напора hc снижается экономия электро­энергии при внедрении частот - но-регулйруемого асинхронного электропривода, однако при лю­бых значениях hc система техно-

логической автоматизации обеспечивает поддержание постоянного давления Я в системе независимо от расхода, что позволяет избе­гать ненужных избытков давления, свойственных дроссельному регулированию. Это очень важно, так как в коммунальной сфере для существующих систем, не находящихся в аварийном состоя­нии, каждая лишняя атмосфера, а это давление 10 м водяного столба, вызывает дополнительно 2...7 % потерь воды за счет уте­чек [29].

Для оценки влияния начального статического момента (|х0с) на потребляемую мощность в табл. 4.4 приведены зависимости = = f(Q*) для дроссельного и частотного регулирования при Нос = 0 и hc = 0.

Сравнивая данные табл. 4.3 и 4.4, видим, что при снижении |i0c выигрыш потребляемой мощности при использовании частотно­регулируемых электроприводов уменьшается.

Приведенные выше выражения (4.16) и (4.17) получены в пред­положении, что КПД насоса равен единице и остается неизмен­ным при всех режимах работы. На самом деле КПД насоса меньше единицы и снижается практически при любых отклонениях от номинального режима работы.

Отметим, что при вентиляторном моменте статической нагрузки (при 110с = 0 и квадратичной зависимости цс от скорости) относи­тельные значения расхода, напора, момента и мощности на валу двигателя (при использовании в качестве базовых единиц их но­минальных значений) могут быть выражены в функции угловой скорости следующими выражениями, которые иногда называют законами подобия:

а = т^- = —; (4.18)

С? ном СО]

Я* =

(О

(4.19)

где G)HOM> AfH0M> Дом — номинальные соответственно скорость вра­щения, момент и мощность двигателя.

КПД насоса при этом считается постоянным.