Повышение энергоэффективности водоподъемного оборудования на объектах водоснабжения

8 сентября 2022 г. в городе Минске Государственное научное учреждение «Институт жилищно-коммунального хозяйства НАН Беларуси» совместно с ОАО «Завод Промбурвод» провели научно-практический семинар для руководителей и специалистов предприятий ВКХ и специализированных подразделений ВКХ коммунальных организаций по изучению опыта работы по импортозамещению и повышению энергоэффективности водоподъёмного оборудования в технологических процессах водоснабжения. Научная часть семинара прошла в зале института, а практическая – на производстве.

Водозаборные сооружения являются первым элементом системы водоснабжения населенного пункта, поэтому от правильного проектирования, строительства и эксплуатации этих сооружений будет зависеть надежность подачи воды определенного качества конечному потребителю. В структуре затрат на подъем и подачу воды издержки на электрическую энергию составляют 20% и более. Не случайно темпы развития отрасли ВКХ в главной степени определяет энергоэффективность. Использование подземных вод ставят большие задачи по созданию новых высокоэффективных погружных электронасосных агрегатов, обладающих высокими энергетическими и эксплуатационными качествами, повышенной надежностью, малой удельной металлоемкостью, высокой степенью унификации. И если раньше для реализации проектов активно использовался зарубежный опыт, то в сегодняшних условиях ставку следует делать на собственные возможности.

До настоящего времени для привода скважинных насосов применялись только асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. А теперь в насосном оборудовании, а это скважинные, циркуляционные, повысительные, фекальные и другие насосы, в качестве привода которых, всё больше стали применять синхронные электродвигатели на постоянных магнитах, главное отличие которых с асинхронными электродвигателями заключается в роторе. 

Принципиальное отличие синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в соотношении величины частот вращения ротора и магнитного поля. В электродвигателе синхронного типа оба показатели одинаковые, а у асинхронного типа – разные. Поэтому скорость вращения вала синхронного электродвигателя на постоянных магнитах не зависит и не изменяется от величины подаваемой нагрузки. Это достигается за счет того, что ротор синхронного электродвигателя является постоянным электромагнитом. Количество пар полюсов ротора одинаково с числом пар полюсов у движущегося магнитного поля. Взаимное воздействие этих полюсов дает возможность выравнивания скорости ротора. На валу в этот момент может быть любая по величине нагрузка. Она не влияет на скорость вращения ротора.

Постоянные магниты, расположенные на роторе синхронного электродвигателя, создают постоянное магнитное поле, которые взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим синхронный электродвигатель на постоянных магнитах не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока. Для работы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления с частотным преобразователем.

ОАО «Завод Промбурвод» для обеспечения энергосбережения (с точки зрения снижения потребления электроэнергии) разработало и предлагает высокоэффективную систему подачи воды. Принципиальная схема системы подачи воды представлена на рисунке, в которую входят: погружной скважинный насос, погружной синхронный электродвигатель на постоянных магнитах, станция управления и защиты с преобразователем частоты и телеметрии, а также приборов учета и датчиков контроля.

Предприятие ОАО «Завод Промбурвод», отметившее 95-ти летие со дня своего образования, является ведущим в Республике Беларусь и одним из крупнейших в СНГ производителей современных агрегатов электронасосных погружных скважинных для воды типа ЭЦВ и СПА и станций управления и защиты к ним. На предприятии на производство данной продукции разработана и внедрена система менеджмента качества (СМК) в соответствии с требованиями СТБ ISO 9001-2015.

На предприятии работает современная аккредитованная испытательная лаборатория с правом проведения всех видов испытаний, в том числе и сертификационных. В соответствии с требованиями СТБ ИСО/МЭК 17025 областью аккредитации являются промышленные скважинные, бустерные и циркуляционные насосы. Каждый агрегат проходит приемо-сдаточные испытания на соответствие техническим характеристикам, что позволяет не допустить последующую реализацию продукта потребителю ненадлежащего качества.

Оснащение насосного оборудования погружным синхронным электродвигателем и специализированным устройством управления дало возможность создания отечественной высокоэффективной системы ВС 6 мощностью до 37 кВт обеспечивающую подачу от 4 до 120 м3/ч и создавать необходимый напор от 35 до 275 м. Этот комплект оборудования назван высокоэффективной системой подачи воды из-за её преимуществ.

Ничего удивительного в таком названии нет. Преимущества систем подачи воды подтверждаются опытом применения, начиная с конца 2017 года, а это: 

– экономия электроэнергии от 10 до 46 %, которая может быть достигнута через регулирование оборотов электропривода в зависимости от реального водопотребления;

– насос автоматически работает в заданной рабочей точке, в отличие от «дроссельного» регулирования и потребляет энергию, которая фактически требуется для обеспечения требуемого напора и подачи;

– встроенные защитные функции и функции плавного пуска позволяют снизить расходы на аварийные ремонты всей инфраструктуры водоснабжения, вызванных избыточным давлением или гидравлическим ударом при включении;

– эффективность и ресурс оборудования повышается в 1,5 раза;

– коэффициент мощности системы приближенный к единице;

– КПД синхронного электродвигателя увеличен до 13 % и достигает 93 % с превосходными рабочими характеристиками при частотной нагрузке по сравнению с сегодняшними асинхронными электродвигателями;

– сокращение значения потребляемого тока позволяет уменьшить поперечное сечение токоподводящих проводов;

– возможности удаленного управления через шину связи с диспетчерского пункта;

– значительно меньший нагрев электродвигателя.

В настоящее время ведется широкая проверка надежности, долговечности и эффективности применения водоподъемного оборудования с приводом от синхронных электродвигателей на постоянных магнитах производства ОАО «Завод Промбурвод» в производственных условиях на водозаборных скважинах предприятий и водоканалов Минска, Молодечно, Жлобина, Баранович, Житковичей, Могилева, Борисова, Смолевич и других. Как показывает опыт эксплуатации на водозаборных скважинах водоканалов, эффективность применения синхронного привода в системах подачи воды из скважин подтверждается. Всего с подобным оснащением в Беларуси эксплуатируется уже 116 скважин.

На этих объектах постоянно провидится удаленный мониторинг энергоэффективности и работы оборудования, а также возможных отказов. В случае изменения характеристик скважинный насос с синхронным электродвигателем поднимается на поверхность, и проводятся профилактические мероприятия. Есть много скважин с повышенным содержанием двухвалентного железа в воде, которое входит в реакцию с присутствующим кислородом в воде, и преобразуется в твердое состояние в виде трехвалентного окисла железа. Это железо осаждается по проточным каналам рабочих ступеней, и их перекрывают. В таком случае насос разбирается и очищается от железа. При необходимости производится замена уплотнений.

Выводы и рекомендации

Насосы с синхронным электродвигателем – это лишь один из примеров того, как импортозамещение может повлиять на конкретное направление производства.

Исходя из объемов потребленной воды во всех сферах хозяйствования по Республике Беларусь, замена агрегатов электронасосных с асинхронными электродвигателями на высокоэффективные системы подачи воды позволит добиться снижения удельного расхода электроэнергии до 10 % на выполнение технологического процесса подъема воды из водозаборных скважин, что в целом, предполагает экономию порядка 53,329 млн. кВт*ч электроэнергии и 14,559 млн. руб. денежных средств. При этом инвестиции, вложенные в эти мероприятия, окупятся в течение 1,5–2 лет.

Эти внушительные цифры подтверждены на замене приводов насосов с асинхронными двигателями на синхронные на конкретных практических объектах. К примеру: на водозаборе «Геленово» КУП «Молодечноводоканал» три насоса с синхронными электроприводами устанавливались последовательно в 2019 и 2020 годах. Снижение удельного энергопотребления составило в первом случае 10%, во втором – 17%, в третьем – и вовсе 39,5%.

Д.В. Бондарев, директор ОАО «Завод Промбурвод»