Эффективное преобразование характеристик скважинных агрегатов с синхронным приводом
Сегодня становится наиболее актуальным вопрос о повышении энергоэффективности насосного оборудования и достигается оно за счет высокоэффективных систем, в которых основой является синхронный двигатель с частотным преобразователем.
Положительной стороной эксплуатации высокоэффективных систем, это высокий КПД синхронного двигателя, что позволяет осуществить больший подъём воды за меньшее потребление энергии. Эффект приносящий экономию от 11 до 46 % потребляемой мощности, увеличение срока эксплуатации, и возможность регулирования частотой вращения двигателя приводит к естественному замещению и переходу на высокотехнологичное оборудование для скважинных агрегатов.
Главное преимущество в управлении процессом водоподъема из скважины – современный подход к регулированию частоты вращения двигателя, который в зависимости от удельного потребления производит расчёт, ведёт сравнение и принимает решение преобразования в сторону увеличения или уменьшения производительности в данной рабочей точке системы водоснабжения.
С появлением такой возможности производитель насосного оборудования стремиться к выпуску унифицированного изделия отвечающего заявленным требованиям потребителя наименьшим номенклатурным рядом. Так на примере насосного агрегата 4” производства ОАО «Завод Промбурвод» были проведены испытания высокоэффективной системы с целью дальнейшего перехода на данный типоразмер после подтверждения экономического эффекта и выявления преимуществ по сравнению с агрегатами на основе асинхронных двигателей.
Для определения экономической эффективности эксплуатации электронасосных агрегатов с синхронным приводом через регулирование оборотов были проведены испытания скважинного агрегата СПА4-8-100нро с синхронным электродвигателем 4 HES (3,0-4,0) кВт и преобразователем частоты серии Drive-Tech mini фирмы Franklin Electric на базе испытательного стенда ОАО «Завод Промбурвод». В ходе испытаний определялись зависимости потребляемого тока, потребляемой мощности, энергетического коэффициента и развиваемого напора от расхода воды при питании электронасосного агрегата от промышленной сети 400 В, 50 Гц и при регулировании оборотов от преобразователя частоты. Для проведения производственных испытаний и подтверждения экономической эффективности, высокоэффективная система СПА4-8-100нро 4 HES (3,0-4,0), прошедшая испытания на испытательном стенде устанавливается на подконтрольную эксплуатацию на водозаборную скважину.
Данный эксперимент проходил в испытательной лаборатории ОАО «Завод Промбурвод» на испытательном стенде АИС 8737М1. Измерения проводились на испытательной линии Dу 25. Расход воды измерялся электромагнитным расходомером ВИРС – М ППР с электромагнитной задвижкой, напор - штатным манометром МТ и датчиком давления сапфир 22. Измерения фазного напряжения, тока и потребляемой мощности производились с помощью преобразователя измерительного цифрового многофункционального ЦП9010. В состав стенда входит рабочее место испытателя ПЭВМ с программно-вычислительным комплексом и шкафом управления.
Рисунок 1 – Напорная и энергетическая характеристики скважинного насоса СПА4-8-100нро с асинхронным двигателем 4 кВт
Скважинный электронасосный агрегата СПА4-8-100нро с асинхронным электродвигателем 4,0 кВт фирмы Franklin Electric имеет основные характеристики, представленные на рис. 1.
Напорная характеристика насоса (Q-H) имеет рабочую область с минимальной производительностью 6 м3/ч и максимальной 10 м3/ч. В этой области рекомендуется эксплуатировать электронасосный агрегат. При 8 м3/ч напор составляет 98,99 м. Зависимость потребляемой мощности от подачи (Q-Р характеристика) для насоса Р2 равна 3,7 кВт, а для агрегата Р1 = 4,7 кВт в рабочей точке. Зависимость КПД от подачи (Q-η характеристика) показывает коэффициент полезного действия ступени с учетом потерь в обратном клапане и на входе в насос. Максимальный КПД насоса в рабочей точке составляет 58,4 %, агрегата – 45,8 % с учетом потерь в двигателе. Характеристика NPSH – разница между давлением на входе и самым низким уровнем давления внутри насоса, или эффективный положительный напор на всасывании насоса. NPSH указывает на потерю давления, которая происходит внутри первой части корпуса насоса.
Регулирование рабочей области электронасосных агрегатов с асинхронным двигателем при помощи задвижки получило наибольшее распространение в практических условиях. Но дроссельное регулирование приводит к снижению коэффициента полезного действия агрегата и увеличению удельного потребления электроэнергии.
Существенные преимущества имеют системы водоснабжения с электронасосным агрегатом с синхронным двигателем на постоянных магнитах. Регулирование вращения рабочего колеса позволяет отказаться от повторно-кратковременного режима работы агрегата, тем самым, обеспечивая равномерную подачу воды в магистраль в зависимости от текущего расхода. Равномерная подача воды значительно снижает потери давления в магистрали и скважине и, следовательно, расход электроэнергии на единицу объёма поданной воды.
Испытания скважинного агрегата СПА4-8-100нро с синхронным электродвигателем 4 HES (3,0-4,0) кВт с преобразователем частоты проводили при определенной подаче и регулировании частоты в 1 Гц от 80 до 100, снимали напор, потребляемую мощность, потребляемый ток и через ПЭВМ определяли КПД и удельный показатель потребления электроэнергии на единицу объёма поданной воды.
Рисунок 2 – Графики зависимости Q-H характеристик скважинного насоса
СПА4-8-100нро с синхронным двигателем от частоты вращения.
Анализ полученных характеристик, представленных на рис. 2 показывает, что частотное регулирование напора при заданном расходе воды от 4 до 10 м3/ч обеспечивает эффективную работу и выдаёт обширное поле характеристики Q-H. Для обеспечения потребителя в этом поле потребуется порядка 25 скважинных насосов и 5 электродвигателей асинхронных с короткозамкнутым ротором.
При подаче 8 м3/ч и частоте вращения 100 Гц напор составляет 113,22 м, что на 12,5 % выше, чем у электронасосного агрегата с асинхронным двигателем. Только при частоте 93 Гц напор достигает 98,94 м. Минимальный напор при частоте вращения 80 Гц снижается от 83,64 при подаче 4 м3/ч до 32,64 м при 10 м3/ч. Максимальный напор снижается от 135,66 до 90,78 м.
Частотное регулирование обеспечивает широкий диапазон регулирования напора во всем диапазоне расходов воды.
Рисунок 3 – Графики зависимости Q-Р характеристик скважинного насоса
СПА4-8-100нро с синхронным двигателем от частоты вращения.
Q-Р характеристика потребляемой мощности высокоэффективной системы, представленной на рис. 3 также существенно зависит от частоты. Так, при достижении напора 113,22 м и при расходе 8 м3/ч потребляемая мощность при частотном регулировании 100 Гц составит 4,5 кВт. В то время как при питании от промышленной сети агрегата с асинхронным приводом потребуется мощность 4,7 кВт при том же расходе воды и давлении в сети. У синхронного привода потребуется мощность составит 3,9 кВт, что на 17 % эффективнее.
Одновременно со снижением напора значительно снижается потребляемая мощность высокоэффективной системы, что позволяет получать реальную экономию электроэнергии.
На основании характеристик потребляемой мощности Q-Р и характеристики Q-H, представленных на рис 2 и 3, построены КПД (η) высокоэффективной системы подачи воды при частотном регулировании, которые определяли по формуле:
η=ρ QH/(P_1 ),
где: ρ – плотность перекачиваемой жидкости, равна 0,981 кг/м3;
Q – подача, м3/ч;
H – напор, м;
Р1 – потребляемая мощность системы, кВт.
Рисунок 4 – Графики зависимости Q-η характеристик скважинного насоса
СПА4-8-100нро с синхронным двигателем от частоты вращения.
Анализируя графики зависимости Q-η характеристик, представленных на рис. 4, можно сделать вывод, что коэффициент полезного действия высокоэффективной системы подачи воды на 18,9 % выше в сравнении со скважинным насосом СПА4-8-100нро с асинхронным двигателем. КПД высокоэффективной системы подачи воды достигает 56,5 % и чем выше КПД, тем ниже удельное потребление электроэнергии, представленных на рис. 5. Синхронный привод позволяет вывести характеристики по производительности и напору скважинного насоса в требуемые параметры потребления объекта, и при этом запас по производительности и напору не влияет на потребляемые токи и мощности.
На основании характеристик потребляемой мощности Q-Р и характеристики Q-H, представленных на рис 2 и 3, построены зависимости удельного потребления электроэнергии на подъём 1 м3/ч воды и на 1 м при частотном регулировании и определялись по формуле:
Θ=(1000P_1)/(QH ),
где: Р1 – потребляемая мощность системы, Вт;
Q – подача, м3/ч;
H – напор, м;
Рисунок 5 – Графики зависимости Q-Θ характеристик скважинного насоса
СПА4-8-100нро с синхронным двигателем от частоты вращения.
Графики зависимости Q-Θ характеристик высокоэффективной системы подачи воды от частоты вращения представлены на рис. 5. Как видно из приведенных кривых, экономия электроэнергии тем больше, чем меньше напор.
В конечном итоге, управление и регулирование частоты электронасосных агрегатов с синхронным приводом и преобразователем частотным позволяет получать:
– высокий КПД и экономию энергии в зависимости от реального водопотребления;
– сокращение удельных затрат и снижение себестоимости подачи питьевой воды из водозаборных скважин;
– снижение типоразмерного ряда по напору и подаче эксплуатируемых электронасосных агрегатов;
– срок окупаемости инвестиций, вложенных в замену агрегатов электронасосных с асинхронными электродвигателями на высокоэффективные системы подачи воды, окупятся в течение полутора – двух лет;
– снижения около 10 % удельного расхода электроэнергии на выполнение технологического процесса подъема воды из водозаборных скважин;
– повышение в 1,5 раза и более срока службы водоподъемного и водопроводного оборудования за счет стабилизации давления и исключения гидравлических ударов.
Регулирование электронасосного агрегата преобразования числа оборотов рабочего колеса приводит к преобразованию характеристик агрегата, но не понижает коэффициент полезного действия.
Указанные преимущества частотного регулирования высокоэффективных систем подачи воды делают её весьма перспективной.
А.С. Козорез, заместитель директора по коммерческим вопросам,
С.А. Лихтар, инженер электрик отдела технического сервиса,
