bbk 000000

УДК 621.65:62-531.3:628.1/.2

Лезнов Б. С.

Методика оценки эффективности регулируемого электропривода в насосных установках водоснабжения и водоотведения¹

¹ Продолжение. Начало см. в № 4, 2011, с. 2; № 5, 2011, с. 48.

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

3. Прогноз экономии электроэнергии при использовании регулируемого электропривода в насосных установках

3.1. Относительные значения потерь и экономии электроэнергии. Расчетные кривые для их определения

Приведенные в предыдущих разделах уравнения весьма громоздки и неудобны для выполнения практических расчетов в проектных и эксплуатационных организациях. Поэтому они приведены к более удобному виду, в связи с чем введены следующие понятия:

 

• относительные потери энергии при дросселировании насосов w_д^*;
• относительные потери энергии при циклическом (ступенчатом) регулировании насосов w_ц^*;
• относительные потери скольжения w_ск^* в регулируемых электроприводах, работающих со скольжением;
• относительная результирующая экономия энергии w_рез^* при использовании регулируемых приводов, работающих со скольжением.

 

Относительные потери энергии при дроселировании насосов w_д^* определены выражением, заключенным в фигурную скобку уравнения (1.11) раздела 1.2. С использованием этого уравнения вычислены потери энергии w_д^* для наиболее характерных значений относительных параметров λ, H_п^*, H_ф^*, а, в. Относительные потери энергии w_д^* численно равны экономии энергии w_эк^*, но отличаются знаком.

По результатам вычислений построены зависимости w_д^* = f(λ, H_п^*): при H_ф^* = 1,25 (характерно для большинства насосов, предназначенных для перекачки чистой воды), a =1,в =1, представленные на рис. 3.1, а; при H_ф^* = 1,44 (характерно для большинства насосов, предназначенных для перекачки загрязненных вод), представленные на рис. 3.1, б.

Относительные потери энергии при циклическом (ступенчатом) регулировании насосов w_ц^* вычислены с использованием уравнений (2.35) – (2.39) раздела 2.4 для наиболее характерных значений относительных параметров λ, H_п^*, H_ф^*, а, в. Эти уравнения громоздки и неудобны для использования в инженерных расчетах, поэтому приведены к виду:

При ступенчатом регулировании относительные потери энергии w_ц^* численно равны относительной экономии энергии w_эк^*, которая может быть получена при замене ступенчатого регулирования изменением частоты вращения рабочего колеса насосов. Однако эти параметры противоположны по знаку.

Значения w_ц^* вычислены для разных значений H_п^* и λ при а = 1, в = 1. По результатам вычислений построены зависимости w_ц^* = f(λ, H_п^*): при H_ф^* = 1,44 (характерно для большинства насосов, предназначенных для перекачки загрязненных вод), a =1,в =1. Графически зависимость w_ц^* = f(λ, H_п^*) представлена на рис. 3.2.

Относительные потери скольжения в регулируемом электроприводе w_ск^* вычислены для наиболее характерных значений относительных параметров λ, H_п^*, H_ф^*, а, в с использованием уравнения (1.23) раздела 1.2. По результатам вычислений построены зависимости w_ск^* = f(λ, H_п^*): при H_ф^* = 1,25 (характерно для большинства насосов, предназначенных для перекачки чистой воды), a =1,b =1, представленные на рис. 3.3, а; при H_ф^* = 1,44 (характерно для большинства насосов, предназначенных для перекачки загрязненных вод), представленные на рис. 3.3, б.

Относительная результирующая экономия энергии w_рез^* при использовании регулируемых приводов, работающих с потерями скольжения, вычислена для наиболее характерных значений относительных параметров λ, H_п^*, H_ф^*, а, в. Вычисления выполнены по формуле (1.35) раздела 1.2.

По результатам вычислений построены зависимости w_рез^* = f(λ, H_п^*): при H_ф^* = 1,25 (характерно для многих насосов, предназначенных для перекачки чистой воды), a =1,b =1,представленные на рис. 3.4, а; при H_ф^* = 1,44 (характерно для многих насосов, предназначенных для перекачки загрязненных вод), представленные на рис. 3.4, б.

Расчетные кривые (рис. 3.1–3.4) позволяют достаточно просто вычислить относительные потери энергии для всех режимов работы насосных установок, работающих без регулируемого электропривода, а также значения относительной экономии энергии при работе с электроприводом.

В настоящее время в насосных установках чаще всего используются регулируемые электроприводы, работающие без потерь скольжения, в том числе частотно-регулируемые, и приводы по системе вентильного двигателя.

Частотно-регулируемые приводы чаще всего применяются в низковольтных насосных агрегатах (380 и 660 В), оснащенных асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями мощностью до 250–400 кВт. Привод по системе вентильного двигателя используется преимущественно в высоковольтных насосных агрегатах (6 и 10 кВ), оснащенных синхронными электродвигателями мощностью 630–800 кВт и выше.

Для насосов, оснащенных частотно-регулируемым приводом и приводом по системе вентильного двигателя, используются расчетные кривые, представленные на рис. 3.1, если до оснащения насосной установки регулируемым электроприводом управление ее режимами работы осуществлялось дросселированием. Этими же кривыми можно пользоваться для агрегатов, оснащенных регулируемым электроприводом, рекуперирующим энергию скольжения в электрическую сеть (привод по схеме асинхронного вентильного каскада).

Если до оснащения насосной установки регулируемым электроприводом управление режимом ее работы осуществлялось ступенчато (циклически), а после оснащения электроприводом – плавным изменением частоты вращения рабочего колеса насосов, то следует использовать расчетные кривые, представленные на рис. 3.2.

Для агрегатов, оснащенных гидравлическими муфтами скольжения, гидравлическими вариаторами типа Twin-Disk, электромагнитными муфтами скольжения и другими регулируемыми электроприводами, работающими с потерями скольжения, используются расчетные кривые, представленные на рис. 3.3 и 3.4.

3.2. Использование расчетных кривых для прогноза экономии электроэнергии при оснащении насосных установок регулируемым электроприводом

Согласно выражению (1.37) раздела 1.2, результирующая экономия энергии для приводов, регулируемых с помощью преобразователей статорной цепи (частотных, по системе вентильного двигателя и т. п.), определяется:

W_рез = W_эк – N_бT[(1 + ζ) – η_пр],

где η_пр – КПД преобразователя;  ζ = 0,02–0,05 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери в приводе.

В свою очередь экономия электроэнергии при снятии излишнего динамического давления (без учета потерь в регулируемом электроприводе), согласно уравнению (1.12) раздела 1.2, определяется:

W_эк = N_бTw_эк^*.

Подставив значение W_эк из уравнения (1.12) в формулу (1.37), определяем результирующую экономию энергии (без учета снижения загрузки электродвигателя):

W_рез = N_бT[w_д^* – (1 + ζ  – η_пр)].             (3.2)

Снижение потребляемой мощности на валу насоса влечет за собой снижение загрузки электродвигателя. Следовательно, в электродвигателе снижаются потери, определяемые его КПД. Полагаем, что изменение загрузки электродвигателя несущественно меняет его КПД. Тогда КПД электродвигателя остается в процессе регулирования постоянным (η_эд ≈ const), равным номинальному значению.

Подставив в уравнение (3.2) номинальное значение КПД электродвигателя η_эд, определяем результирующую экономиию электроэнергии (с учетом снижения загрузки электродвигателя):

где w_д^* – относительные потери энергии при дросселировании, определяемые по расчетным кривым рис. 3.1.

Если регулируемый электропривод используется в насосной установке, в которой ранее осуществлялось ступенчатое (циклическое) регулирование по уровню воды в приемном резервуаре, то в уравнение (3.3) вместо параметра w_д^* вводятся относительные потери энергии при циклическом регулированииw_ц^*, определяемые по расчетным кривым рис. 3.2.

Если используется электропривод, работающий с потерями скольжения (с электромагнитными, гидравлическими муфтами скольжения и т. п.), то результирующая экономия энергии вычисляется с помощью уравнения (1.34) раздела 1.2. Для учета снижения загрузки электродвигателя в уравнение (1.34) дополнительно введен КПД электродвигателя:

где w_рез^* – относительная результирующая экономия электроэнергии, определяемая по графикам рис. 3.4.

Расчет прогнозируемой экономии электроэнергии при замене нерегулируемого привода регулируемым и создании на этой основе энергосберегающей системы автоматизированного управления режимом работы насосной установки осуществляется в порядке, изложенном в разделе 3.3.

3.3. Порядок расчета экономии электроэнергии при использовании регулируемогоэлектропривода в насосных установках

 

 

Расчет экономии электроэнергии осуществляется в следующем порядке:

1. По данным эксплуатационных наблюдений за расчетный период (например, календарный год, отопительный сезон и т. д.) строится упорядоченная диаграмма подачи воды потребителю. С использованием этой диаграммы определяются значения наибольшей Q_б и наименьшей Q_м подачи за расчетный период.

Если по условиям эксплуатации невозможно построить упорядоченную диаграмму подачи (например, нерегулярно фиксируются значения подачи), то вместо построения упорядоченной диаграммы выявляются дни максимальной и минимальной подачи воды. Для этих двух дней строятся суточные графики подачи воды. Наибольшая подача в день максимальной подачи, найденная по суточному графику, принимается за Q_б. Наименьшая подача в день минимальной подачи, найденная по суточному графику, принимается за Q_м.

По найденным значениям подачи определяется относительная минимальная подача воды:

λ = Q_м/Q_б.                                (3.5)

2. По данным эксплуатационных наблюдений за расчетный период на выходе из насосной станции выявляются значения:

давления H_б, соответствующего подаче Q_б;

давления H_м, соответствующего подаче Q_м.

По найденным значениям подачи и давления определяются параметры трубопроводной сети:

гидравлическое сопротивление трубопроводной сети, с²/м⁵:

Статическое противодавление H_п может быть также определено как разность геодезических отметок уровня воды Г_в в резервуаре и на поверхности земли Г_з, на которой находится потребитель, плюс свободный напор Н_св, м, необходимый для обеспечения водой потребителей на верхних этажах:

H_п=(Г_з –Г_в) + H_св;                         (3.8)

H_св = hn + 10,                              (3.9)

где n – число этажей здания, находящегося на самой высокой геодезической отметке Г_з в районе питания насосной станции; h – высота этажа этого здания (2,5–3,5 м).

Зная Н_пи H_б, определяют относительную высоту водоподъема насосной установки:

H_п^* = H_п/H_б.                              (3.10)

По известным значениям параметров λ и H_п^* с использованием расчетных кривых (рис. 3.1) определяются относительные потери электроэнергии при дросселировании насоса w_д^*. Если режим работы насосной установки регулировался ступенчато (циклическим включением–отключением насоса), то относительные потери электроэнергии w_ц^* определяются с использованием расчетных кривых, представленных на рис. 3.2.

3. Определяется наибольшая потребляемая насосом мощность, кВт:

где Q_б – наибольшая подача, м³/с; η_н – номинальное значение КПД насоса; H_б – давление, соответствующее подаче Q_б, м вод. ст.

4. Определяется прогнозируемое количество энергии, кВт·ч, которое может быть сэкономлено за расчетный период времени (например, за год) при замене дросселирования регулированием частоты вращения рабочего колеса насоса и поддержанием заданного давления в диктующей точке водопроводной сети:

гдеТ – продолжительность расчетного периода, ч (для насосных установок систем водоснабжения и водоотведения обычно Т = 8760 ч, в том числе и для станций, работающих в циклическом режиме; для насосных установок, работающих сезонно – отопительных, оросительных и т. п., Т ≈ 4000–5000 ч); w_д^* –относительная экономия электроэнергии при замене дросселирования изменением частоты вращения рабочего колеса насоса; ζ = 0,02–0,03 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери в приводе; η_эд – номинальное значение КПД электродвигателя (ориентировочно η_эд ≈ 0,88–0,92).

Еслиосуществляется замена циклического режима работы насоса изменением частоты вращения рабочего колеса, то сэкономленное количество электроэнергии определяется тем же уравнением (3.12), но вместо значения относительной экономии энергии w_д^*в него подставляется значение w_ц^*.

Если применяется регулируемый электропривод, работающий с потерями скольжения, то расчет производится с использованием уравнения (3.4):

3.4. Специальные случаи расчета экономии электроэнергии

3.4.1. Расчет экономии электроэнергии для группы насосных агрегатов

Выше приведен порядок расчета экономии электроэнергии для насосной установки, в которой работает один насос. В ряде случаев, в зависимости от водопотребления или притока сточных вод, в работе участвует от одного до 10–12 агрегатов. При этом регулирование осуществляется комбинированно: часть агрегатов (одна треть или половина) работает с переменной частотой вращения, а остальные – с постоянной. При работе нескольких насосов благодаря изменению числа работающих насосов превышение напора уменьшается, а в отдельные моменты отсутствует, что и учитывается введением снижающего коэффициента. В этом случае порядок расчета остается прежним, но результирующая экономия электроэнергии умножается на снижающий коэффициент φ, значение которого тем меньше, чем больше насосных агрегатов участвует в процессе регулирования режима работы.

Чем больше насосов участвует в процессе регулирования подачи насосной установки, тем меньше излишнее давление. Однако существует предел, выше которого увеличивать количество работающих параллельно насосов бесполезно. Прирост подачи воды из-за параболических характеристик насосов и водоводов не пропорционален количеству работающих параллельно насосов. Обычно количество работающих параллельно насосов ограничивается шестью–восемью агрегатами.

В табл. 3.1 приводятся значения снижающего коэффициента φ в зависимости от количества
работающих параллельно агрегатов m в диапазоне изменения подачи. Значения коэффициента φ вычислены для усредненного значения соотношения динамической и статической составляющих общего напора насосной установки (H_п^* ≈ 0,5–0,6).

Таким образом, уравнение, определяющее годовую экономию электроэнергии, кВт·ч, для группы насосов, приобретает вид:

3.4.2. Расчет потерь и экономии электроэнергии при дросселировании насосов в режиме наибольшей подачи

Приведенные способы расчета разработаны в предположении, что номинальная подача насоса соответствует наибольшей подаче в рассматриваемой насосной установке (допущение 8, раздел 1.1).

При определенных обстоятельствах, например, при неполном развитии водопроводной сети, насосы приходится дросселировать при наибольшей подаче (рис. 3.5). Тогда насосная установка работает с превышением напора ∆H_б даже при наибольшей подаче Q_б. В этом случае для расчета потерь энергии, а также ее экономии при использовании регулируемого электропривода можно воспользоваться ранее полученными уравнениями и расчетными кривыми. Но для этого приходится применять искусственный прием с введением понятия «фиктивный режим работы».

Под фиктивным понимается такой режим, при котором насос работает в номинальном режиме, т. е. с номинальной подачей и номинальным напором, а водопотребление в системе совпадает с его номинальной подачей. Следовательно, дросселирование отсутствует. Фиктивному режиму работы соответствуют подача Q_бф, напор H_бф, продолжительность расчетного периода T_ф. Из рис. 3.5 видно, что продолжительность расчетного периода больше, чем число часов в году: T_ф > T_б = 8760 ч. Поэтому такой режим именуется «фиктивным», т. е. реально не существующим. Однако, используя фиктивные параметры T_ф, Q_бф, H_бф, можно определить реальные потери энергии в насосной установке, теряемой в процессе дросселирования, в том числе в режиме наибольшей подачи Q_б.

Делается это следующим образом:

1. Строится график совместной работы насоса и водовода, а также упорядоченная диаграмма подачи воды Q = f(t)(рис. 3.5).

2. Полагая, что упорядоченная диаграмма подачи воды аппроксимируется прямой линией, продолжаем ее до пересечения с перпендикуляром, опущенным из точки Ф₁ (рабочая точка фиктивного режима).

3. Из точки Ф₂ (пересечение упорядоченной диаграммы с перпендикуляром, опущенным из точки Ф₁) проводим горизонтальную линию до оси t, где отсекается значение T_ф.

расчетным кривым (рис. 3.1) определяется фиктивное значение относительных потерь энергии за время T_ф – T_б:

w_ф^* = f(λ_ф2; H^*_пф2).

11. Вычисляется фиктивное значение потерь энергии, кВт·ч, за времяT_ф – T_б:

∆W_ф2 = N_бф(T_ф – T_б)w^*_ф2.

12. Вычисляются реальные потери энергии, кВт·ч, за время T_б:

∆W = ∆W_ф1 – ∆W_ф2.

Расчет экономии электроэнергии для конкретных случаев должен выполняться с учетом указаний раздела 3.3, т. е. должны учитываться потери в приводе, количество работающих агрегатов, КПД электродвигателя и т. д.

3.4.3. Потери электроэнергии в насосах при их работе в режимах, отличающихся от номинальных

Ограниченная номенклатура центробежных насосов, отсутствие точных исходных данных при проектировании насосных установок и сетей, постоянное изменение условий эксплуатации и другие причины приводят к тому, что реальный режим работы насосных установок может существенно отличаться от расчетного. При этом возможны следующие основные варианты:

вариант 1 – насос работает с подачей меньше расчетной и напором выше расчетного;

вариант 2 – насос работает с подачей больше расчетной и напором ниже расчетного.

В обоих случаях фактический КПД насоса ниже его номинального значения: η_{факт ном}.

Работа насоса с КПД ниже номинального значения влечет за собой увеличение потребляемой мощности и, как следствие, увеличение затрат электроэнергии на транспортировку жидкости.

Количество электроэнергии, кВт·ч, теряемой из-за работы насосных агрегатов с η_факт ≠ η_ном, определяют по формуле:

где t – время работы насоса в режиме, отличающемся от номинального.

Следует иметь в виду, что приводной электродвигатель обычно подбирается к насосу таким образом, чтобы номинальным параметрам насоса соответствовали номинальные параметры электродвигателя. Следовательно, при работе насоса в режиме, отличающемся от номинального, электродвигатель также используется не в номинальном режиме.

Работа электродвигателя в режиме, отличающемся от номинального, связана со снижением его КПД и коэффициента мощности cos φ. Такая работа приводит к дополнительным потерям электроэнергии в электродвигателе и элементах электроснабжения.

Полученные уравнения, графические зависимости, сформулированные положения и разработанный порядок расчета потерь и экономии электроэнергии позволяют прогнозировать энергетическую эффективность применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения.

4. Прогноз экономии воды при использовании регулируемого электропривода в насосных установках

4.1. Основные положения и определения

Создание энергосберегающей системы автоматизированного управления на основе использования регулируемого электропривода наряду с экономией электроэнергии уменьшает утечки и непроизводительные расходы воды.

Утечками именуется расход воды через отверстия в трубах, образовавшиеся в результате их повреждения, или через зазоры в трубопроводной арматуре и в санитарно-технических приборах, а также в стыках между ними.

Непроизводительные расходы – повышенные расходы воды из водоразборной арматуры, обусловленные повышенным давлением в водопроводной сети.

Утечки и непроизводительные расходы воды в среднем по России составляют 20–30% общей подачи воды. Их объем зависит главным образом от состояния трубопроводов, трубопроводной арматуры, санитарно-технических приборов потребителей (водоразборных кранов, смывных бачков унитазов и т. п.). Поэтому применение регулируемого электропривода не может радикально изменить положение дел с утечками и непроизводительными расходами воды, однако может в некоторой степени снизить их за счет снижения избыточных напоров. При этом следует иметь в виду, что полностью снять избыточные напоры в сети невозможно, поскольку стабилизация давления осуществляется только в отдельных контрольных (диктующих) точках водопроводной сети.

Контрольные (диктующие) точки расположены, как правило, в наиболее удаленных районах водоснабжения или на наиболее высоких геодезических отметках водопроводных сетей. Естественно, что прочие районы водоснабжения находятся под воздействием избыточного напора. Следовательно, полностью ликвидировать утечки и непроизводительные расходы воды c помощью регулируемого электропривода невозможно, но снизить их можно.

Настоящая методика может быть использована для определения экономии воды, получаемой благодаря применению регулируемого электропривода в насосной установке.

4.2. Вывод основных формул и зависимостей

Расход воды, вытекающей из отверстия, определяется [13]:

где μ – коэффициент расхода (зависит от конфигурации отверстия);  ω – сечение отверстия, м²; g – ускорение свободного падения, м/с²; H – напор (давление), м.

Необходимое давление на напорном коллекторе насосной установки определяется характеристикой трубопровода (кривая 2, рис. 1.1, раздел 1.1):

H_с = H_п + SQ²,(4.2)

где H_п – статическое противодавление, м; S –гидравлическое сопротивление трубопровода, с²/м⁵; Q –расход воды по водоводу (подача насосной станции), м³/с.

Если регулируемый электропривод не используется, фактическое давление на напорном коллекторе насосной станции определяется характеристикой насоса:

H_н = H_ф – S_фQ².                           (4.3)

Если насос не дросселируется, давление на напорном коллекторе соответствует давлению насоса. Под тем же давлением находится водопроводная сеть. Избыточное давление определяется разницей ординат между характеристиками насоса (кривая 1, рис. 1.1) и трубопровода (кривая 2, рис. 1.1). Вычитая выражение (4.2) из уравнения (4.3), получаем:

∆H = H_ф – S_фQ² – H_п –SQ² =  H_ф –H_п – (S_ф + S)Q².                  (4.4)

Величина избыточного давления зависит от трех факторов:

глубины регулирования по подаче воды, т. е. от параметра λ = Q/Q_б;

крутизны характеристики насоса, т. е. от параметра H_ф^* = H_ф/H_б;

крутизны характеристики водовода, т. е. от параметра H_п^* = H_п/H_б.

Если насосная установка оснащена регулируемым электроприводом, а система автоматизированного управления стабилизирует давление в диктующей точке сети, то рабочая точка насоса перемещается по характеристике трубопровода (кривая 2, рис. 1.1). В этом случае создаваемое насосной установкой давление соответствует требуемому значению, а избыточное давление отсутствует: ∆H = 0.

4.3. Утечки и непроизводительные расходы воды в насосных установках при разных способах регулирования

Дросселирование используется преимущественно в крупных насосных установках (но не всегда, поскольку обычные задвижки и затворы являются запорными, а не регулирующими устройствами). Обычные задвижки и затворы при использовании в качестве регулирующих устройств быстро выходят из строя и требуют ремонта. Кроме того, дросселирование насосной установки осуществляется обычно вручную, причем промежутки времени между операциями по прикрытию задвижек составляют несколько часов. При ручном дросселировании осуществить следящий режим работы насосной установки, обеспечивающий стабилизацию давления в диктующих точках водопроводной сети, практически невозможно.

Небольшие и средние установки вообще обычно не дросселируют. Таким образом, многие насосные установки систем водоснабжения работают в режиме саморегулирования. В этом режиме вся водопроводная сеть находится под повышенным напором, из-за чего существенно увеличиваются утечки и непроизводительные расходы воды. Ниже сравниваются утечки и непроизводительные расходы воды при саморегулировании и управлении режимами работы насосных установок с применением регулируемого электропривода.

При саморегулировании суммарная подача воды, в том числе воды, необходимой потребителю Q₀, вместе с утечками и непроизводительными расходами q₁ равна:

 

При использовании регулируемого электропривода избыточный напор отсутствует, поэтому подача воды, в том числе воды, необходимой потребителю Q₀, вместе с утечками и непроизводительными расходами q₂, равна:

Вычитая уравнение (4.6) из выражения (4.5), получаем снижение подачи воды за счет применения регулируемого электропривода:

 

Разделив формулу (4.7) на уравнение (4.5), получаем относительное снижение расхода воды по отношению к суммарному расходу воды, имевшему место до использования регулируемого электропривода (Q₀ + q₁):

 

Дальнейший анализ ведется с использованием системы относительных единиц, что позволит решить задачу оценки экономии воды в общем виде, не привязываясь к конкретной насосной установке.

В качестве базисных параметров в системе относительных единиц приняты наибольшая подача Q_б и соответствующий этой подаче напор H_б. Относительная наибольшая подачаQ_б^* = Q_б/Q_б = 1; соответствующий этой подаче напор H_б^* = H_б/H_б = 1.

 

где ∆q^* – относительное уменьшение утечек по отношению к исходному значению суммарного расхода воды, который имел место до использования регулируемого электропривода (Q₀ + q₁), т. е. соответствующего работе установки без электропривода.

Требуемое давление, как отмечено выше, определяется выражением (1.2). При использовании относительных единиц уравнение имеет вид:

H_тр^* = H_п^* + S^*(Q^*)²,                     (4.10)

где H_п^* = H_п/H_б – относительное статическое противодавление; S^* – гидравлическое сопротивление водоводов в относительных единицах.

Фактическое давление на коллекторе насосной станции определяется уравнением характеристики насоса (4.3). В системе относительных единиц это уравнение имеет вид:

H_н^* = H_тр^* + ∆H^* = H_ф^* – S_ф^*(Q^*)²,          (4.11)

где H_ф^* = H_ф/H_б – фиктивный напор насоса при нулевой подаче, относительные единицы; S_ф^* – фиктивное гидравлическое сопротивление насоса, относительные единицы.

4.4. Определение относительного снижения объема непроизводительных расходов воды и утечек для насосных установок, работающих с одним насосом

Как показано выше, сокращаемый объем непроизводительных расходов при использовании регулируемого электропривода зависит от параметров λ, H_п^*, H_ф^*. Для большинства отечественных центробежных водопроводных насосов среднее значение H_ф^* ≈ 1,25. Поэтому относительное снижение непроизводительных расходов вычисляем для насосов со значением H_ф^* = 1,25 и строим зависимости ∆v_i = f(λ) при разных значениях H_п^*.

Для вывода соответствующих уравнений необходим график совместной работы насосов и водоводов. На рис. 4.1 приведен поясняющий график совместной работы насоса и водоводов для различных значений H_п^*. На том же рисунке представлены упорядоченные диаграммы подачи воды Q^* = f(t^*) при различных значениях параметра λ.

Упорядоченная диаграмма подачи воды в системе относительных единиц описывается уравнением:

Разделив суммарное уменьшение объема утечек, вычисленное по (4.15) для различных значений H_п^* и λ, на суммарный объем воды, поданный за расчетный период времени Т^*= 1 и рассчитанный по уравнению (4.16), найдем значения относительного объема сэкономленной воды ∆v_∑i^*. В табл. 4.1 представлены значения относительного объема сэкономленной воды ∆v_∑i^* за расчетный период в зависимости от минимального расхода λ и противодавления H_п^* для насосов с фиктивной высотой водоподачи H_ф^* = 1,25.

По результатам расчета на рис. 4.2 приведены графические зависимости ∆v_∑i^* = f(λ) для различных значений H_п^*.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать уменьшение объема непроизводительных расходов и утечек воды при использовании регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установкой, состоящей из одного агрегата. Прогнозируемый объем сэкономленной за год воды, м³, равен:

V_эк.год =∆_∑v _i^*V_год,                              (4.17)

где V_год – объем воды, поданной за год (годовой расход воды), м³.

4.5. Оценка уменьшения сброса сточных вод в канализацию

Поскольку большая часть утечек и непроизводительных расходов, за исключением воды, расходуемой на полив зеленых насаждений, мытье дорожного полотна и тому подобные нужды, попадает в систему водоотведения, приведенная выше методика может быть использована для оценки уменьшения сброса сточных вод в канализацию. Полагая, что на полив зеленых насаждений и другие нужды расходуется 15–20% воды, подаваемой в систему подачи и распределения, уменьшение объема сброса сточных вод в канализацию, м³, равно:

V_ум.сбр = (0,80,85)V_эк.год.                     (4.18)

4.6. Пример использования расчетных кривых ∆v_Σi^* = f(λ) для определения экономии воды в насосной установке (с одним работающим насосом)

Исходные данные. В насосной установке непрерывно (8760 часов в году) работает один из двух установленных на станции насосов Д1250-63 (Q_ном = 1250 м³/ч, Н_ном = 63 м). Диапазон изменения подачи воды в течение года Q = 416––1250 м³/ч. Напор, соответствующий наибольшей подаче Q_б = 1250 м³/ч, равен H_б = 63 м. Статическая составляющая подъема воды H_п = 31 м. Объем подаваемой за год водыV_год = 7 300 000 м³.

Решение.

1. Определяем относительную минимальную подачу воды:

3. По табл. 4.1 или по расчетным кривым рис. 4.2 определяем значение относительного объема снижения утечек и непроизводительных расходов воды. Для значений H_п^* = 0,7 и  λ = 0,3 относительный объем сэкономленной
воды ∆v_Σi^* = 0,116.

4. Прогнозируемый объем сэкономленной за год воды равен:

V_{эк. год} = ∆v_Σi^*V_год = 0,116·7 300 000 = 846 000 м³.

Таким образом, за счет использования регулируемого электропривода в энергосберегающей системе автоматизированного управления рассматриваемой насосной установки, при условии стабилизации давления в диктующей точке сети, будет сэкономлено 11,6% воды.

Методика выполнения расчета экономии воды и пример использования расчетных кривых ∆v_Σi^* = f(λ)для определения экономии воды в насосной установке с несколькими работающими насосами приведены в разделе 6.

Окончание следует