Высокоэффективные системы. Работа с частотными преобразователями

Сегодня развёрнута обширная пропаганда применения частотных преобразователей во всех сферах деятельности, в том числе и водоснабжении на подъёме воды из водозаборных скважин. Пропагандисты предлагают ликвидировать водонапорную башню, а насос будет качать воду напрямую в сеть потребителю. Всё это было бы хорошо, если бы разбор воды был постоянный, не существовало пиковых нагрузок. Суточный график потребления воды от минимума до максимума колеблется в пределах 4-х раз. К примеру, в поселке с суточным потреблением 380 м3 воды, расход в ночное время составляет от 6 до 14 м3/ч, в час пик – от 16 до 25 м3/ч. Как правило существуют колебания разбора воды от дня недели, времени года. Зачастую к этому добавляется и необходимость подачи воды на пожарные нужды, о которых просто забывают.

В действительности очень часто насосное оборудование эксплуатируется за пределами рабочей области, точки 2 и 3 рисунка, из-за изменения суточного водопотребления. Сложившаяся практика свидетельствует о случаях крайне неэффективной эксплуатации водозаборного оборудования. Во многих публикациях сообщается, когда КПД электронасосных агрегатов не превышает 10 - 20 %, в то время как КПД установленных в них насосов составляет свыше 70 %. На графике наглядно видна неэффективная работа агрегатов в точках 2 и 3.

В тоже время применение частотных преобразователей на скважинных насосах нашло определенное применение. Основным фактором, вынуждающим применять частотные преобразователи на скважинных электронасосных агрегатах с приводом от асинхронных электродвигателей, это их эксплуатация с переразмеренным насосом с большим запасом по подаче и напору, или так называемое несоответствие агрегата системе водоснабжения.

Вторым фактором применения частотных преобразователей потребители пытаются оправдать выше упомянутое отсутствие накопительных резервуаров и водонапорных баков, или их дорогой стоимостью. Но в данном случае разбор воды очень неравномерен, кроме неэффективного применения насосного оборудования в соответствии с графиком, необходимо организовать принудительное охлаждение электродвигателя, что в условиях скважины сделать невозможно. В связи с этим при работе на сеть невозможно использовать частотный преобразователь без промежуточной накопительной емкости или гидроаккумулятора соответствующего объема.

Также необходимо помнить, что при наличии статической составляющей в напорной характеристике системы водоснабжения, применение частотного регулирования не повышает экономическую эффективность использования скважинных насосов, а лишь позволяет уменьшить объемы и соответственно габариты промежуточных емкостей, а также снизить риск появления гидравлических ударов, снизить пусковые токи, избежать избыточного давления в системе.
Кроме того, при работе с преобразователями частоты скважинных электронасосных агрегатов с асинхронным приводом необходимо соблюдать следующие требования [источник 1]:

• – для обеспечения достаточного охлаждения электродвигателя насосный агрегат должен работать в рабочем диапазоне, подача агрегата не должна снижаться более чем на 20% от номинального значения. Такая рекомендация связана с дополнительным тепловыделением в электродвигателе погружного насоса, управляемого частотным преобразователем;
• – снижение номинальной производительности скважинного насоса при сохранении статического напора неэффективно по причине существенного смещения «рабочей точки» насоса в левую неэффективную зону рабочей характеристики КПД насоса;
• – для защиты обмоток электродвигателей от перегрева, расплавления изоляции и его пробоя рекомендуется устанавливать термодатчик, отключающий двигатель при температуре выше 25 – 30 0С от исходной температуры воды в скважине, или оснастить электродвигатель дополнительным охлаждающим кожухом, применить двигатель с запасом мощности;
• – для нормального смазывания радиальных и упорных подшипников погружного электродвигателя и недопущения риска «полусухого» трения, минимально допустимая скорость вращения вала электродвигателя должна быть не менее 2200 об/мин, что составляет 40 Гц;
• – для защиты электродвигателя насосного агрегата от высокочастотных импульсов напряжения на вводе обмоток электродвигателя, которые могут привести к преждевременному старению и износу изоляции обмоток электродвигателя (снижение диэлектрических характеристик), сократить срок его службы и привести к пробою изоляции обмоток при большей длине соединительного кабеля между агрегатом и преобразователем. В данном случае необходимо устанавливать выходные фильтры: фильтр du/dt или синусоидальный фильтр.

Все эти ограничения снимаются при применении высокоэффективных систем подачи воды, в состав которой входит синхронный электродвигатель на постоянных магнитах, в качестве привода скважинного насоса и частотный преобразователь в качестве пуска и управления синхронным электродвигателем.
Основой эффективного использования насосного оборудования является согласованная работа на сеть, т.е. рабочая точка 1 рисунка должна находиться в рабочей области характеристики насоса. Рабочая точка 1 определяется пересечением характеристик насоса и системы, в которой установлен насос. Рабочая область ограничивается по минимальной подаче 0,7 Qраб и максимальной 1,2 Qраб. Выполнение этого требования позволяет эксплуатировать насосы с высокой эффективностью и надежностью. Система синхронного привода дает возможность осуществления данного требования, обеспечивая в течение работы наименьшее потребление электроэнергии, снижение эксплуатационных затрат в виде увеличения срока службы двигателей, трубопроводов и арматуры, другие преимущества.

На рисунке представлены характеристики эффективности работы насоса с асинхронным и синхронным электродвигателями, напорные характеристики насоса и характеристики системы с применением частотного преобразователя. Характеристика сети показывает зависимость её гидравлического сопротивления от расхода воды. Понятие сети включает в себя совокупность резервуаров, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, через которые вода до и после насоса. Каждый из этих элементов обладает своими гидравлическими характеристиками, которые в совокупности представляют собой общую характеристику сети.

Рисунок – Напорная характеристика погружного электронасосного агрегата и характеристика системы при изменении частоты питания с применением частотного преобразователя

Из графика можно выделить зону эффективности работы насосного оборудования водозаборных скважин с синхронным двигателем на постоянных магнитах. Эта зона эффективности позволяет одной высокоэффективной системе заменить десяток типоразмеров по подаче и напору электронасосных агрегатов с асинхронным двигателем.

При этом для запуска и управления синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах обязательно требуется применение частотного преобразователя, который кроме запуска осуществляет комплексную защиту двигателя и насоса, обеспечивая долговечность и надежность работы системы подачи воды. Это применимо в водоснабжении на водозаборе при подъеме воды постоянно работающих водозаборных скважин, а остальные резервные остаются работать на асинхронных электродвигателях.

Система управления с частотным преобразователем может выполнять целый ряд сервисных функций [источник 2]:

• – контроль работы группы параллельно работающих насосов;
• – автоматическая остановка насоса при отсутствии расхода (спящий режим);
• – автоматическое обнаружение порывов водопровода и сокращение потерь воды из-за утечек (2 – 7%);
• – автоматический переход в ночной режим (пониженное давление) или в режим выходных или праздничных дней и т.д.

Принимая во внимание все конструктивные особенности синхронного привода, требования к непрерывности выполнения им технологического процесса, насосные агрегаты с синхронным приводом следует рекомендовать к применению:

• – для всех систем водоснабжения с частотно-регулируемым управлением насосными агрегатами без применения водонапорной башни, где подача воды обеспечивается изменением скорости рабочего колеса насоса в зависимости от реального водопотребления, т.е. электроэнергия фактически затрачивается для обеспечения напора и подачи воды. Такое снижение частоты вращения насосов, при неизменных параметрах сети приводит к снижению на 5 – 40 % энергопотребления системы;
• – для комбинированных систем водоснабжения, используя постоянный запас воды в водонапорной башне при возникновении пиковых нагрузок в системе водоснабжения. Использование дополнительных резервуаров для работы во время пиковых нагрузок снижение на 10 – 20% энергопотребления системы;
• – для систем подъема воды из водозаборных скважин на водозаборе в составе группы параллельно работающих агрегатов. Регулирование путем изменения количества параллельно работающих насосов снижение на 10 – 30% энергопотребления системы.

В конечном итоге, применение в рассмотренных системах водоснабжения агрегата с синхронным приводом кроме экономии электроэнергии, до 20% однозначно позволяет получать:

• – снижение капитальных затрат на сооружение системы водоснабжения;
• – повышение долговечности водоподъемного и водопроводного оборудования за счет стабилизации давления и исключения гидравлических ударов.

Более подробную информацию о высокоэффективных системах подачи воды можно ознакомиться в научно-практическом пособии «Рекомендации по применению высокоэффективного насосного оборудования для водозаборных скважин» в материалах, которые содержат:

• – номенклатуру;
• – устройство погружных скважинных насосов;
• – конструктивные особенности синхронных двигателей на постоянных магнитах;
• – сравнительные испытания применяемых скважинных насосов с асинхронными и синхронными электродвигателями;
• – экономическую эффективность;
• – технико-экономическое обоснование замены применяемых электронасосных агрегатов с асинхронным приводом на высокоэффективные системы подачи воды;
• – результаты апробации высокоэффективных систем подачи воды в условиях водозаборов Республики Беларусь.

А.С. Козорез