Насосне електричне обладнання масово використовується у житлово-комунальному господарстві, промисловій, сільськогосподарській та інших галузях країн світу. За різними оцінками частка насосів в загальному промисловому споживанні електроенергії коливається в межах 30-40%. Саме тому дослідження питань підвищення ефективності їх експлуатації є не лише на часі, але і, нажаль, таким, на що не зауважено в стратегії розвитку енергоефективності в Україні. Дуже дивними є дискусії щодо тарифів комунальних підприємств за повної відсутності аналізу фактичного стану справ із ефективністю використання електроенергії.

Питання контролю та керування ефективністю роботи насосних станцій залишається актуальним для будь яких виробництв. Насамперед це інструмент зменшення питомих енерговитрат, що безпосередньо впливає на економіку підприємств.

В цій статті пропонується ознайомлення з розробленим алгоритмом керування групою насосних агрегатів, що входять до складу насосної станції, для забезпечення мінімальних енерговитрат насосною станцією в цілому. Ефективність роботи насосних станцій розглянемо на прикладі роботи систем водопостачання.

На практиці режими водоспоживання постійно змінюються в часі протягом доби, днів тижня та в різні сезони (періоди) року, що ставить основне завдання оптимізації керування для досягнення найменших енерговитрат як процес безперервного забезпечення оптимальних режимів експлуатації насосних станцій (в подальшому скорочено «НС») контролю знаходження фактичної робочої точки на напірно-витратній характеристиці насосів в зоні, близькій до номінальної.

Досить розповсюдженим є автоматичне керування насосними агрегатами за допомогою перетворювачів частоти – електронних пристроїв для зміни частоти електричного струму (в подальшому скорочено «ПЧ»). Відомий факт, що використання перетворювачів частоти змінює оберти двигуна насосного агрегату (в подальшому скорочено «Н/А»), що призводить в більшості випадків до зменшення енерговитрат. Разом з тим при певних режимах експлуатації, одночасно відбувається зміщення фактичної робочої точки на характеристиці насосу відповідно до змінних характеристик водорозподільної системи.

На рис. 1 відображена умовна напірно-витратна характеристика Н/А та її рух при використанні ПЧ (зменшення обертів). Виходячи з наведеного, за певних вхідних даних можлива така зміна характеристик системи, яка призведе до значного зменшення коефіцієнту корисної дії і, відповідно – збільшить енерговитрати насосної станції (робоча точка 1→ робоча точка 2).

Рис. 1 Вплив роботи перетворювача частоти на ККД.

Саме тому основним завданням для опрацювання оптимальних алгоритмів керування визначалося досягнення найвищого ККД та відповідно зменшення питомих витрат енергії Н/А.

До яких наслідків можуть призводити неправильні підбори характеристик Н/А або неконтрольовані алгоритми керування, продемонструємо графічно із власних досліджень аналізу ефективності роботи насосних станцій водоканалів України.

Рис.2 Графічний вигляд зміни ККД діючою НС водоканалу

На рис.2 продемонстровано вигляд характеристики зміни фактичного ККД на діючій НС, яка перевитрачає за попередніми розрахунками близько 3,9 млн кВт*год/рік, або 55,3% від загального споживання електроенергії.

На рис.3 продемонстровано вигляд характеристики зміни фактичного ККД на підвищувальній насосній станції, яка перевитрачає за попередніми розрахунками близько 45,3 тис. кВт*год/рік, або 83,3% від загального споживання електроенергії.

Рис.3 Графічний вигляд зміни ККД на підвищувальній насосній станції водоканалу

Обидва приклади підтверджують неефективне використання енергоресурсів, яке набуло масовий характер для українських великих та малих комунальних підприємств з надання послуг водопостачання та водовідведення. Ефективним можна було б вважати фактичне ККД насосних станцій в межах від 50 до 84 % (в залежності від обсягів подачі води).

При роботі Н/А в режимі керування ПЧ питомі енерговитрати зворотно пропорційні ККД, тому вигляд графіка ККД фактично відтворює вигляд залежності питомих енерговитрат. Особливістю використання ПЧ є, зокрема зменшення діапазону оптимальних ККД при зменшенні обертів (див. рис.4).

Рис.4 Приклад впливу обертів двигуна Н/А на діапазони ККД ≥70% при роботі з ПЧ

Враховуючи вищезазначене, автором розглянуто можливість програмування концептуального алгоритму керування групою насосного обладнання в складі насосної станції, в якій використовуються ПЧ.

Рис.5 Структура організації енергоефективного керування насосною станцією

На першому етапі досліджень застосовано наступний алгоритм для математичного обґрунтування алгоритмів забезпечення оптимальних режимів насосних станцій, обрахунку оптимальності керування процесом подачі води НС:

Етапи аналізу та розрахунку в контролері (пристрої) ефективного керування НС

1. Онлайн збір даних, які характеризують режим роботи водорозподільної системи.
2. Розрахунок пов’язаних параметрів оптимальних характеристик при зміні обертів двигунів Н/А для кожного Н/А насосної групи відповідно до номінальних характеристик Н/А.
3. Розрахунок оптимальних обсягів подачі води в зонах максимального ККД для кожного Н/А відповідно до отриманих онлайн характеристик водорозподільної системи.
4. Розрахунок змін ККД через можливі відхилення від ідеальних витратних характеристик та зміщення робочих точок.
5. Порівняння фактичних ККД Н/А та НС в цілому при моделюванні різних конфігурацій підключень Н/А та визначення конфігурації з мінімальною енергетичною питомою собівартістю.
6. Обмеження режимів роботи через експлуатаційні вимоги.
7. Формування команд керування.

Цей алгоритм було змодельовано з використанням законів гідравліки, які мають відношення до відцентрових насосів, а дані розрахунку перевірені двома методами – використання електронних моделей підбору насосів (на прикладі Lowara) та використання програмного комплексу Epanet.

Отримано наступні результати та зроблено висновки:

• Дослідження показали, що закони подібності характеристик відцентрових насосів при роботі із перетворювачами частоти можуть бути використані в розрахунках.

Рис.6 Дослідження законів подібності напору та обертів насосу при використанні ПЧ

На рис.6 продемонстровано дослідження розрахунків за законом подібності,

їх порівняння із результатами, отриманими з електронних таблиць підбору характеристик та змодельованих в гідравлічних комп’ютерних програмах.

• Математичний розрахунок коефіцієнтів корисної дії насосів (в порівнянні із фактичними показниками, отриманими із сертифікованих характеристик насосних агрегатів) можливий і є таким, що може бути використаний в програмуванні алгоритмів енергоефективного керування насосами насосної групи

Рис.8 Порівняння математичної моделі розрахунку гідравлічного ККД насосу із фактичними показниками

Рис.9 Порівняння методів розрахунку математичної моделі ККД насосу

• Обрана методика розрахунку ККД насосів в межах основної робочої зони експлуатації насосного обладнання дає похибку результату в межах 0,5% (моделі перевірок описані вище)

Рис.10 Фрагмент перевірки результатів розрахунку характеристик із електронною моделлю підбору характеристик насосів

•   В результаті досліджень розроблений алгоритм може бути використано на практиці для будь яких автоматизованих систем енергоефективного керування насосним обладнанням в різних галузях

Рис.11 Результативна таблиця автоматичного розрахунку ефективності запровадження алгоритму енергоефективного керування 2-ма насосами водонапірної насосної станції.

• Алгоритм може бути використано для оцінки ефективності підбору характеристик насосного обладнання, яке має війти в склад насосної станції.
• Автоматичний (без використання людського фактору) контроль ефективності роботи насосних станцій забезпечить роботу групи насосних агрегатів в зонах високого ККД при використанні режимів керування з ПЧ.
• Мінімальне значення питомого енергоспоживання системою має стати основним критерієм, який би визначав досягнення найвищої ефективності.

Сергій КАРЕЛІН

Експерт «Expert Platform for Energy Efficiency»
Технічний консультант з водопостачання програми DOBRE USAID
Засновник групи підприємств «ГІДРОАВТОМАТИЗАЦІЯ»