Типы насосных систем и их влияние на эффективность и надежность насосного оборудования. Часть 2: Характер потребления.
Вторая ключевая характеристика насосной системы, влияющая на её общую эффективность и надежность — это характер потребления жидкости.
По характеру потребления насосные системы можно разделить на:
1. Системы с постоянной потребностью (расходом), и
2. Системы с переменной потребностью (расходом).
К системам с постоянной потребностью относятся системы циркуляции в системах отопления и кондиционирования без регулирования параметров подачей теплоносителя (простая циркуляция), первый подъем в системе водоснабжения (перекачивание из источника в накопительную емкость), системы напорной канализации (перекачивание из приемного отделения КНС в приемный колодец (камеру гашения)), дренаж, промышленная циркуляция с постоянным расходом и т. п.
К системам с переменным расходом относятся системы циркуляции в отоплении и кондиционировании, регулирование параметров в которых происходит за счет изменения подачи теплоносителя, системы водоснабжения работающие на водораспределительную сеть и т. п.
ДЛЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ С ПОСТОЯННОЙ ПОТРЕБНОСТЬЮ ДОСТАТОЧНО ВЫБОРА КАЧЕСТВЕННОГО, ЭФФЕКТИВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ГРАМОТНОГО ПОДБОРА НАСОСА НА РАБОЧУЮ ТОЧКУ (БЛАГО ОНА ПОСТОЯННА)
Вспомним наш пример (расход: 280 м2/ч, напор — 35 м)
Для закрытой системы с постоянным расходом, данный пример демонстрирует вполне адекватный подбор насоса с точки зрения его надежности. Если не критично отклонение фактической рабочей точки от расчетной — данный насос вполне можно использовать в этой системе. Это также будет достаточно эффективный вариант, если нет насоса меньшего типоразмера, обеспечивающего нашу расчетную рабочую точку.
Однако, если можно подобрать на эту расчетную точку насос меньшего типоразмера, данный вариант нельзя рассматривать как эффективный.
В нашем примере представлен насос номинальной мощностью 55 кВт
Используя программу подбора, мы подобрали другой насос, номинальной мощностью 45 кВт:
Фактическая рабочая точка практически точно совпадает с расчетной.
И близко от номинальной (следующая диаграмма).
Если сравнивать фактическую мощность в рабочей точке, второй насос будет потреблять 35,27 кВт, против 52,85 кВт первого насоса. Разница в эффективности очевидна…
Резюмируя можно сказать, что основные факторы эффективности системы с постоянным расходом — это исходное качество оборудования и его ГРАМОТНЫЙ ПОДБОР
Относительно влияния конструктива насосов на их эффективность речь пойдет в другой статье.
Что касается качества подбора, можно сказать, что его влияние на эффективность и надежность тем выше, чем сложнее система. Если с закрытой системой с постоянным расходом все достаточно просто, то подбор насоса для открытой системы с переменным расходом это уже серьезная инженерная задача.
Кроме того, такая система может быть усложнена переменным уровнем жидкости в питающем резервуаре, разным направлением трубопроводов относительно горизонта, несколькими ветками трубопроводов, большим сопротивлением на всасывающем патрубке и т.п.
На следующей диаграмме представлен характерный профиль водопотребления в сети водоснабжения и, соответственно, объема перекачиваемой жидкости (расхода) повысительной насосной станции системы водоснабжения. Пики потребления приходятся на 8 (50%) и 19 (100%) часов.
Как видно, реально потребление крайне неравномерно. Красной линией показан средний расход… В большинстве случаев он составляет ок. 30 % от максимального расхода.
ГРАФИК НАГЛЯДНО ПОКАЗЫВАЕТ, ЧТО ОРИЕНТИРОВАТЬСЯ НА СРЕДНИЙ РАСХОД ПРИ ПОДБОРЕ НАСОСА НЕЛЬЗЯ
Если ориентироваться при подборе насоса на средний расход, то в пики потребления воды у людей в домах просто не будет…
Поэтому при проектировании, подбирая насос на такую систему, проектировщики ориентируются на максимальное потребление (максимальный часовой расход).
Но надо понимать, что максимальный расход будет иметь место совсем непродолжительное время. Основное же время работать насос в такой системе будет в нескольких крайне различных рабочих точках.
НАСОСУ В ТАКОЙ СИСТЕМЕ ПРИДЕТСЯ РАБОТАТЬ В ОЧЕНЬ РАЗНЫХ УСЛОВИЯХ, ПОЭТОМУ ВОЗРАСТАЮТ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ПОДБОРА НАСОСА, А ТАКЖЕ РИСКИ, СВЯЗАННЫЕ С НЕПРАВИЛЬНЫМ ПОДБОРОМ
Если мы, ориентируясь на максимальное потребление, введем в программу подбора расчетную точку (максимальный расход на графике - 380 м2/час, напор примем 35 м), то получим следующую картину:
фактическая рабочая точка расход 388 м2/час, напор примем 36,51 м, близко к расчетной и практически номинал (следующая диаграмма) (расход 389 м2/час, напор примем 36,42 м).
И всё бы хорошо…
Но… вспомним наш профиль потребления!!!
В этой рабочей точке насос будет работать считанные минуты в сутки…
Все остальное время рабочая точка будет значительно левее…
При 50% нагрузке будем иметь следующую картину:
При 30% нагрузки:
Как видно, большую часть времени насос будет работать далеко от точки максимального КПД и от рабочего диапазона. Такую работу насоса нельзя назвать эффективной. Кроме того, надежность его работы будет крайне низкой.
Поэтому ПОДБИРАТЬ НАСОС ДЛЯ СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ НЕОБХОДИМО ИСХОДЯ ИЗ УСЛОВИЯ ПОПАДАНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ ПРИ МАКСИМАЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ (МАКСИМАЛЬНОМ ЧАСОВОМ РАСХОДЕ) В ПРАВЫЙ КРАЙ РАБОЧЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Тогда будет иметь следующую картину:
Подбираем насос на 100% нагрузку в край рабочей характеристики:
Фактическая рабочая точка расход 392 м2/час, напор примем 37,25 м, КПД — 76,6%, мощность — 54,91 кВт
В номинальную точку попадаем при 83%-но нагрузке (расход 337 м2/час, напор примем 40,2 м, КПД — 78%, мощность — 50,02 кВт)
При 50%-ой нагрузке: расход 212 м2/час, напор примем 43,77 м, КПД — 71%, что не так плохо… (потребляемая мощность — 37,61 кВт)
Однако, при 30% нагрузке (расход 113 м2/час, напор примем 44,06 м, КПД падает уже до 53,1%. Что уже далеко от рабочего диапазона. (потребляемая мощность — 27,48 кВт)
ОЧЕВИДНО, ЧТО ТАКОЙ ПОДХОД ПРИ ПОДБОРЕ РЕШАЕТ ЗАДАЧУ ТОЛЬКО ЧАСТИЧНО. ЕГО ЯВНО НЕДОСТАТОЧНО, ХОТЯ И ПРЕНЕБРЕГАТЬ ИМ, ОПРЕДЕЛЕННО, НЕ СТОИТ.
В настоящее время, инженерная мысль предлагает два подхода к решению этой задачи:
1. Дробление нагрузки (использование нескольких, параллельно установленных насосов, подключаемых и отключаемых по мере необходимости)
2. Частотное регулирование.
Эти подходы друг друга не исключают, но мы, для наглядности, сначала рассмотрим их изолированно друг от друга.
Рассмотрим первый вариант на нашем примере (макс. Час. Расход — 380 м2/час, напор 35 м)
Распределим нагрузку между 4-мя насосами. Соответственно, максимальная расход каждого насоса составить 380/4=95)
Используя программу подбора подберем один насос на точку Q=95 м2/ч, H=35м:
Получили насос, фактическая рабочая точка которого на 100% нагрузке будет: Q=98,8 м2/ч, H=37,9 м, P1=13,22 кВт.
Теперь посмотрим, что мы будем иметь при работе группы из 4-х параллельно установленных насосов на разных режимах:
При 100% нагрузке:
Имеем на выходе; Q=395м2/ч, H=37,9 м, КПД — 82,2%, P1=53,7 кВт
При 50% нагрузке:
При 50% нагрузке работают два насоса, выдавая параметры: Q=197м2/ч, H=37,93 м, КПД — 82,2%, P1=26,84 кВт
При 30% нагрузке:
При 30% нашей системе хватает одного насоса, который выдает: Q=103м2/ч, H=36,87 м, КПД — 81,7%, P1=13,76 кВт
Ну и «шок-тест» - 10% нагрузки:
Q=41,8м2/ч, H=44,76 м, КПД — 64,6%, P1=8,42 кВт
а что же подобранный нами ранее насос? Один? На 10%?:
Q=40,9м2/ч, H=43,01 м, КПД — 25,7%, и какие-то немилосердные 21,78 кВт потребляемой мощности!!!
И помимо этого — работа в этой точке для насоса — прямой пусть в металлолом.
ОДИН В ПОЛЕ НЕ ВОИН...
А чего же мы сможем достичь идя вторым путем? Что нам даст, при прочих равных, использование частотного привода?
Вернемся к схеме одного рабочего насоса, но модифицируем её применив частотное регулирование.
Посмотрим, какие параметры будет выдавать насос на разных режимах.
На 100% нагрузки:
Q=41,8м2/ч, H=44,76 м, КПД — 76,6% (при макс. 78%),
Потребляемая мощность — 51,18 кВт (лучше, чем при схеме в 4-ре рабочих)
50% нагрузки:
КПД уже — 71%, (как и без частотника), и явно ниже, чем при схеме в 4 насоса. Потребляемая мощность — 28,23 кВт. Это значительно лучше, чем этот же насос без ПЧ (37,61 кВт), но несколько больше, чем потребляют 2 насоса в четырехнасосной схеме (26,84 кВт).
На 30% нагрузки КПД насоса 53,1 (как видно, применение ПЧ не влияет на КПД в рабочей точке), Потребляемая мощность — 22,09 кВт.
Этот же насос без ПЧ на 30% нагрузки потреблял у нас 27,48 кВт, четырех насосная схема — 13,76 кВт (КПД четырех насосной схемы несравнимо выше).
Ну и наш любимый «шок-тест»:
То же низкий, что и без ПЧ, КПД — 25,7%, Потребляемая мощность — 18,42, против 21,78 кВт без ПЧ. Один работающий насос в четырехнасосной схеме потребляет — 8,42 кВт
ОДИН В ПОЛЕ НЕ ВОИН… ДАЖЕ ХОРОШО ВООРУЖЕННЫЙ!
ПРИВЕДЕННЫЙ ПРИМЕР НАГЛЯДНО ДЕМОНСТРИРУЕТ, ЧТО ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ - ЭТО НЕ ПАНАЦЕЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ (КАК И ЕЁ НАДЕЖНОСТЬ) - ПОНЯТИЕ МНОГОФАКТОРНОЕ
Кроме гидравлической схемы (состава насосной группы), наличия регулирования, на эффективность насосной системы влияют конструкция насоса, конструкция и тип, класс энергоэффективности двигателя, алгоритмы управления, и т. д.
Попробуем объединить два подхода и проанализировать работу на разных режимах гидравлической схемы их 4-х параллельно соединенных насосов с применением частотного регулирования.
КПД в конкретных точках будет тем же, что и без применения частотного регулирования. Обратим внимание на показатель потребляемой мощности:
На 100% нагрузки P1=48,84 кВт
На 50% нагрузки P1=24,38кВт
На 30% нагрузки P1=13,06кВт
На 10% нагрузки P1=6,49кВт
Сравним данные по работе на разных режимах разных гидравлических схем
Поскольку, максимальный КПД у разных насосов разный, сравнивать будем по относительному показателю КПД — КПД в точки, в процентах от максимального
Как видно из таблицы — четырехнасосная схема в не конкуренции.
Сравнение потребляемой мощности на разных режимах, ожидаемо, дает примерно ту же картину
За исключением режима 100% нагрузки, когда схема с одним рабочим насосом управляемым частотным приводом, показывает меньшую потребляемую мощность по сравнению со схемой в четыре насоса без ПЧ.
Однако, если вспомнить, сколько насосная система работает на этот режиме (профиль нагрузки), то станет понятно, что влияние этого факта на конечную эффективность системы ничтожно. Кроме того, данный пример лишь частный случай. при сравнении других типов и типоразмеров насосов такая картина может и не повториться.
НО И ЭТО ЕЩЕ НЕ ВСЁ!!!
Дробление нагрузки в совокупности с применением частотного регулирования дает хороший результат. Однако, СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ ОБЛАДАЮТ ЕЩЕ ОДНИМ СУЩЕСТВЕННЫМ РЕСУРСОМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ, КОТОРЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ НАПОР СИСТЕМЫ.
Для того, чтобы понять каким образом данную характеристику гидравлической системы можно использовать для повышения эффективности, необходимо вспомнить корреляцию между напором и расходом в системе. Об этом речь пойдет в отдельной статье, посвященной системам управления.
РЕЗЮМИРУЯ РЕЗУЛЬТАТЫ НАШЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ, МОЖНО СКАЗАТЬ, ЧТО НАИБОЛЬШАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ НЕДОСТИЖИМА БЕЗ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ФАКТОРА ХАРАКТЕРА ПОТРЕБЛЕНИЯ (РАСХОДА) В НЕЙ.
НАПРОТИВ, ГРАММОТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАКТОРА ХАРАКТЕРА ПОТРЕБЛЕНИЯ МОЖЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНО ПОВЫСИТЬ КАК ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ТАК И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ.
Кроме того, необходимо сказать, что при подборе оборудования, необходимо рассматривать несколько вариантов, и проверять их работу на всех возможных режимах.
Желаем Вам Успехов в Работе, эффективной и надежной работы проектируемого и эксплуатируемого оборудования!
Все статьи
