ЗАВОД ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Частотно-регулируемый привод. Регулирование центробежных насосов и методы регулирования отпуска тепла в тепловых сетях

С.А. Байбаков, заведующий лабораторией теплофикации;
к.т.н. Е.А. Субботина, научный сотрудник лаборатории теплофикации;
К.В. Филатов, научный сотрудник лаборатории теплофикации;
В.М. Нагдасев, заместитель заведующего лабораторией перспективного развития систем теплоснабжения; А.Ю. Желнов, главный инженер проекта лаборатории перспективного развития систем теплоснабжения, ОАО «ВТИ», г. Москва

1. Насосы в энергетике

В настоящее время применяется большое количество типов центробежных насосов различного назначения. Это насосы отечественного производства типов К (Км), Д, СЭ, Кс и т.д., а также насосы зарубежных фирм. По каждому из указанных типов разработана и выпускается широкая номенклатура различных номинальных производительностей и напоров, что позволяет в каждом конкретном случае подобрать требуемые характеристики.

Следует рассматривать в основном две возможные гидравлические схемы, в которых используются насосные установки. В первом случае это «проточные» схемы, в которых вода после насоса непосредственно разбирается из различных точек трубопроводной системы. Во втором - применяются циркуляционные системы, в которых водоразбор из трубопроводов не производится, или имеет незначительную величину. В дальнейшем будем рассматривать циркуляционные системы, широко распространенным примером которых являются водяные тепловые сети.

2. Регулирование насосов

Подбор и работа насосов производится в соответствии с гидравлическими характеристиками систем, для которых должен быть обеспечен требуемый расход теплоносителя или заданный уровень давлений. Это могут быть системы с постоянным или с переменным расходом перекачиваемой среды, связанным с изменением гидравлического сопротивления элементов. В реальной эксплуатации, как для тех, так и для других условий, как правило, необходимо регулирование параметров насосов, что обуславливается двумя факторами.

Во-первых, для циркуляционных систем с постоянным расходом воды, таких как, например, системы отопления при их независимом присоединении к тепловым сетям, необходимость регулирования обуславливается дискретностью номинальных характеристик насосов, которые почти всегда не полностью соответствуют гидравлическим характеристикам систем. При этом за счет регулирования достигается требуемое соответствие, обеспечиваемое поддержанием необходимого перепада давлений на входе в систему или прямого поддержания заданного расхода.

Во-вторых, для систем с переменным гидравлическим сопротивлением элементов, определяющимся работой различных регуляторов (например, регуляторы температуры воды на горячее водоснабжение в системах теплоснабжения и т.д.) необходимость регулирования насосов обуславливается изменением гидравлических характеристик присоединенной системы и соответствующим изменением расхода перекачиваемой воды. В этом случае задачей регулирования является только поддержание заданного перепада давлений (располагаемого напора) в присоединенной системе.

При регулировании насосов в циркуляционных системах производится поддержание давления на всасе циркуляционных насосов за счет работы насосов подпитки. Требуемый перепад давлений в системе обеспечивается поддержанием давления после насосов в подающем трубопроводе.

Принципиально возможно применение трех основных способов регулирования насосов: это регулирование дросселированием части развиваемого напора, регулирование перепуском части воды с нагнетания на всас насосов (регулирование рециркуляцией) и регулирование изменением частоты вращения вала насосного агрегата. В качестве последнего в дальнейшем будет рассматриваться в основном частотное регулирование электродвигателя насоса (ЧРП).

Для понимания процесса организации регулирования при указанных способах, ниже приведены соответствующие диаграммы (графики) совместных характеристик насосов с учетом работы регуляторов и присоединенной сети. При этом режим работы циркуляционной системы (расход воды и перепады давлений) определяется точкой пересечения гидравлических характеристик насоса и сети.

Рассмотрим предварительно регулирование насоса при присоединении сети с постоянными гидравлическими сопротивлениями ее элементов. При этом задачей регулирования является обеспечение требуемого расхода, которое не всегда может быть непосредственно обеспечено насосом с выбранной характеристикой. Необходимый расход при этих условиях может устанавливаться как за счет использования регулятора расхода, так и поддержанием соответствующего располагаемого напора в присоединенной сети.

На рис. 1 приведена условная схема циркуляционной системы с регулятором давления и постоянным гидравлическим сопротивлением сети, а также соответствующая диаграмма при регулировании дросселированием.

Как следует из рис. 1, при отсутствии регулятора давления точкой пересечения характеристики насоса и сети, обуславливающей режим работы циркуляционной системы без регулирования, является точка а. При этом расход воды в сети будет превышать требуемое его значение, равное Vс Наличие регулятора приводит к понижению располагаемого напора насоса на величину дросселирования в регуляторе и обуславливает работу системы в точке б, что обеспечивает установление требуемого расхода. Точка характеристики, в которой осуществляется работа самого насоса, соответствует при этом точке в диаграммы.

В этом случае (при постоянном сопротивлении сети) поддержание заданного перепада давлений ΔΗс обеспечивает величину требуемого расхода. Для рассматриваемых условий вместо регулятора давления может быть использован регулятор, непосредственно поддерживающий расход воды. Диаграмма параметров режимов при этом останется той же самой.

При дросселировании имеют место потери энергии, связанные с регулированием и определяющиеся величиной дросселирования на регулирующем клапане ΔΗрд.

Для анализа режимов и возможностей при регулировании рециркуляцией части воды с нагнетания на всас насоса, на рис. 2 приведена аналогичная представленной ранее диаграмма режимов для такого регулирования при постоянном гидравлическом сопротивлении сети.

Как следует из рис. 2, без регулятора режим работы циркуляционной системы будет соответствовать точке а диаграммы, и расход воды будет превышать требуемое значение Vс Открытие клапана регулятора на линии рециркуляции позволит увеличить расход воды через насос и снизить в соответствии с характеристикой его развиваемый напор, доводя тем самым расход воды в сети до требуемого. Открытие клапана приводит к работе насоса на сеть с другой, отличной от присоединенной сети характеристикой. При этом режим насоса соответствует точке в на диаграмме, а режимы работы собственно присоединенной сети отображаются точкой б.

При постоянном гидравлическом сопротивлении сети поддержание регулятором заданного перепада давлений ΔΗс также как и в предыдущем варианте регулирования, обеспечивает требуемую величину расхода. Для этих целей на линии рециркуляции вместо регулятора давления может быть установлен регулятор, непосредственно поддерживающий постоянным расход воды в сети Vс При рециркуляции, на насосе имеют место дополнительные затраты электроэнергии, связанные с регулированием и обусловленные перекачкой дополнительного расхода воды через линию рециркуляции Vp.

При регулировании параметров насоса изменением частоты вращения вала электродвигателя изменяется собственно характеристика насоса, которая получается практически параллельным переносом исходной характеристики, соответствующей номинальной частоте вращения вала.

Диаграмма параметров режима работы для такого способа регулирования приведена на рис. 3.

Как следует из рис. 3, без учета регулирования режим работы сети и насоса соответствует точке а и расход воды больше требуемого значения Vс. Использование частотного регулятора обеспечивает такое изменение характеристики насоса, при котором ее пересечение с характеристикой сети соответствует точке б, в которой расход воды в системе соответствует требуемому. При этом точка б принадлежит новой характеристике насоса (характеристике при сниженной частоте), и потери мощности на регулирование при этом практически отсутствуют.

Обеспечение требуемого расхода воды в присоединенной сети за счет регулирования приводит к дополнительным потерям энергии, за исключением способа частотного регулирования. Следует отметить, что частотные регуляторы в настоящее время являются достаточно дорогим оборудованием, поэтому в качестве менее затратного мероприятия по обеспечению расхода для сетей с постоянным гидравлическим сопротивлением следует рассматривать возможность обрезки рабочего колеса насоса для обеспечения приемлемого совпадения характеристики насоса и присоединенной цирксистемы или использование гидромуфт, которые также как и ЧРП позволяют изменять частоту вращения вала, хотя и с меньшим диапазоном регулирования. Стоимость установки гидромуфты существенно дешевле использования частотного регулятора. Возможно также изменение гидравлических характеристик системы под характеристику насоса. В тепловых сетях это обеспечивается разработкой и проведением наладочных мероприятий.

3. Оценка требуемой мощности при регулировании насосов

Применение того или иного способа регулирования насосов требует расчета возникающих при этом затрат, связанных с процессом регулирования и их соотнесении с затратами на регулирующее оборудование.

При сопоставлении методов регулирования основной статьей эксплуатационных расходов является затраты, связанные с потреблением электроэнергии. Поэтому ниже приводятся основные подходы к определению величины потребляемой электроэнергии, связанной с мощностью на привод насосов и сопоставлением мощностей для различных способов регулирования.

Величина потребляемой мощности насосов N, кВт определяется по приведенной ниже формуле:

Ν=(ΔΗΗ *VΗ *ρ* 10-3)/(367*ηΗэ), (1)

где: ΔΗΗ - развиваемый насосом напор, м; Vн - расход воды при развиваемом напоре, м3/ч; ρ - плотность перекачиваемой воды, кг/м3; ηн - КПД насоса; ηэ - КПД электродвигателя.

Формула (1) может быть представлена в следующем упрощенном виде:

N=K*[(ΔΗΗ *VΗ )/(ηнa), (2)

где: К - размерностный коэффициент; ηнa - общий КПД насосного агрегата.

Из (2) следует, что геометрической интерпретацией величины потребляемой насосом мощности является эквивалент выделяемой на графике гидравлической характеристики насоса площади прямоугольника со сторонами, равными соответственно ΔΗ и Vн которые определяются рабочей точкой характеристики насоса при данном режиме.

Гидравлическая характеристика насоса в аналитической форме достаточно точно может быть представлена квадратичным трехчленом в виде:

ΔΗΗ =Α*V2н+Β* Vн + С, м, (3)

где: А, В и С - коэффициенты уравнения характеристики, которые могут быть определены по трем произвольным точкам графика характеристики насоса.

Для учета изменения характеристики насоса с учетом частоты вращения может быть предложена следующая формула, основывающаяся на условиях подобия:

ΔHн=А*V2+B*Vн*(n/nн)+С*(n/nн)2, м, (4)

где: n - текущая частота вращения ротора, 1/с (об./мин); nн - номинальная частота вращения, 1/с (об./мин).

С учетом погрешности аппроксимации значение коэффициента С примерно соответствует напору насоса при нулевом расходе. При полого падающей характеристике коэффициенты А и В всегда отрицательны, и по абсолютной величине на 2 и более порядков меньше величины С. В соответствии с (3) формула для расчета мощности насоса может быть также представлена в виде:

Из последней формулы следует, что без учета влияния КПД при принятых выше условиях потребляемая насосом мощность увеличивается с возрастанием расхода за счет увеличения первого слагаемого, однако с учетом второго и третьего слагаемых темп возрастания снижается. Т.о. рост расхода приводит к увеличению потребляемой насосом мощности.

Следует отметить, что изменение мощности насоса хорошо может быть аппроксимировано линейной зависимостью от расхода перекачиваемой воды и представлено формулой:

N=Nx+α*Vн, (5)

где: Nx - мощность холостого хода, кВт; α - коэффициент пропорциональности, для центробежных насосов всегда больший 1.

В соответствии с (1) и условными обозначениями из рис. 1 величина мощности насоса при регулировании дросселированием Nд может быть представлена следующим образом:

где: ηнд - КПД насоса при режиме, соответствующем условиям его работы при дросселировании.

В (6) первое слагаемое представляет собой полезную мощность, непосредственно затраченную на перекачку воды по присоединенной сети. Второе слагаемое связано с потерями на преодоление дросселирования в регулирующем клапане и является затратами мощности на регулирование.

Аналогично, для регулирования рециркуляцией, в соответствии с условными обозначениями из рис. 2 величина мощности насоса N может быть определена по формуле:

где: ηнр - КПД насоса в рабочей точке при суммарном расходе воды через насос.

Первое слагаемое в формуле (7), также как и при регулировании дросселированием, представляет собой полезную мощность, а второе - потери мощности, связанные с регулированием.

Мощность насоса при ЧРП в соответствии с условными обозначениями из рис. 3 может быть представлена в виде:

Νч=[(ΔΗс*Vc*ρ* 10-3)/(367*ηнчэчр)], (8)

где: ηнч - КПД насоса в рабочей точке измененной характеристики; ηчр - КПД самого частотного регулятора.

Величина затрачиваемой мощности на насосный агрегат при частотном регулировании практически соответствует полезной мощности на перекачку воды по сети с расходом Vc Следует отметить, что величина КПД частотного регулятора определяется свойствами регулирующей аппаратуры и может приниматься постоянной на уровне 0,95-0,98.

КПД насоса для частотного регулирования ηнч при различных режимах может приниматься равной величине КПД в точке, соответствующей характеристике насоса с номинальной частотой при постоянном гидравлическом сопротивлении сети, которая отображается точкой а на рис. 3.

Затрачиваемая на привод насосов мощность различна при рассматриваемых способах регулирования и зависит от разных параметров. Для оценки эффективности регулирования важно определить соотношение затрачиваемой мощности при разных способах регулирования, и в особенности оценить дополнительные затраты мощности на регулирование. Геометрическая интерпретация (качественная оценка) соотношения мощностей при разных способах может быть получена на основе сопоставления графиков работы при рассматриваемых способах, основанных на графиках гидравлических характеристик насоса с различным регулированием и присоединенной циркуляционной системы. Такой общий график приведен на рис. 4.

На этом рисунке показана номинальная характеристика насоса и характеристика присоединенной системы, а также характеристика насоса с регуляторами при разных способах регулирования, обеспечивающими работу системы с расходом воды Vс

Полезная мощность, затрачиваемая на прокачку воды, как уже отмечалось, определяется площадью прямоугольника с сторонами ΔΗ и Vс что соответствует затратам мощности при частотном регулировании. Дополнительные затраты мощности насоса при регулировании дросселированием соответствуют площади прямоугольника со сторонами ΔΗдр, (отрезок между точками в и б) и Vc. Потери мощности при регулировании рециркуляцией отображаются прямоугольником со сторонами ΔΗс и ΔVp (отрезок между точками б и г).

Важное значение для оценки эффективности регулирования имеет возможность количественного определения дополнительных затрат электроэнергии, связанных с регулированием при различных методах. Ниже приводятся формулы для расчета этой дополнительной мощности.

Как следует из приведенного ранее, наиболее эффективным является частотное регулирование, поэтому сопоставление проводится по отношению к этому методу. Сопоставление будет проводиться для условий рис. 4, т.е. при одинаковых насосах (одинаковые гидравлические характеристики и, соответственно, одинаковые коэффициенты уравнения характеристики), а также одинаковых гидравлических сопротивлениях присоединяемой циркуляционной системы трубопроводов.

Для сопоставления регулирования рециркуляцией и ЧРП, исходя из (7) и (8), может быть получено следующее выражение для разницы мощностей при указанных способах регулирования:

ΔN=Np-Nч=[(ΔHс*Vс).(1-ηнpнч) / (367*ηнp)]+[ (ΔНс*ΔVр)/(367*ηнp)], (9)

где: ηнp - КПД насосного агрегата при режиме насоса с рециркуляцией; ηнч - КПД насосного агрегата и частотного регулятора при ЧРП.

В формуле (9) основное увеличение затрат мощности на регулирование определяет второе слагаемое, зависящее при заданном располагаемом напоре присоединенной сети от величины рециркулируемого расхода. Первое слагаемое имеет заведомо меньшую величину и определяется соотношением КПД в расчетной точке и в точке с увеличенным расходом воды через насос при рециркуляции.

С учетом последнего, а также исходя из того условия, что величина (1-ηнpнч) практически всегда больше 0, величина δΝрч всегда положительна (в частном случае равна нулю) и требуемая мощность при регулировании рециркуляции всегда больше, чем при ЧРП.

Для сопоставления регулирования дросселированием и ЧРП, исходя из (6) и (8), может быть получено следующее выражение для разницы мощностей при указанных способах регулирования:

ΔNдч=Nд-Nч=[(ΔHс*Vс)*(1-ηнднч) / (367* ηнд)]+[ (ΔНдр*Vс)/(367* ηнд)], (10)

где: ηнд - КПД насосного агрегата при режиме насоса с дросселированием.

В (10) основные затраты мощности на регулирование также определяет второе слагаемое, зависящее при заданном расходе в присоединенной сети от величины дросселирования развиваемого насосом напора. Первое слагаемое имеет заведомо меньшую величину и может быть близко к нулю при равенстве соответствующих КПД. Величина ΔΝдч всегда положительна (в частном случае равна нулю) и требуемая мощность при регулировании дросселированием всегда больше, чем при использовании ЧРП.

Из приведенного следует, что величина требуемой мощности при использовании ЧРП насоса практически всегда больше этой мощности при других способах регулирования. В соответствии с этим целесообразно рассмотреть соотношение мощностей при сопоставлении регулирования рециркуляцией и дросселированием. Поскольку использование для регулирования метода рециркуляции воды приводит к необходимости работы насоса с заведомо большим расходом (точка г на рис. 4), чем это требуется для присоединенной сети, то предварительно можно сказать, что требуемая мощность насоса при регулировании рециркуляцией будет превышать ее величину при регулировании дросселированием.

Численное значение разницы требуемых мощностей при регулировании дросселированием по сравнению с использованием рециркуляции может быть получено на основании соответствующих выражений для расчета мощности при этих способах. Из формул (6) и (7) с учетом упрощений из (2) получим требуемое соотношение мощностей:

ΔNрд=Nр-Nд=K*(ΔHс*Vр)/ηнр-K*(ΔHн*Vс)/ηнд. (11)

Величина ΔΝрд как следует из (11), зависит от многих показателей и не позволяет наглядно показать соотношение требуемых мощностей при рассматриваемых способах регулирования. Однозначное сравнение этих способов может быть получено при использовании зависимости требуемой мощности от перекачиваемого расхода в соответствии с (5).

Так при регулировании дросселированием требуемая мощность будет составлять: NД=Nx+α*Vс

При регулировании рециркуляцией требуемая мощность определяется формулой: Nр=Nx+α*(Vс+ΔVр).

Тогда разность мощностей ΔΝрд для этих способов будет определяться выражением:

ΔNрд=α*ΔVр, (12)

которое, при α >1, однозначно показывает, что для одних и тех же условий требуемая мощность при регулировании рециркуляцией всегда превышает мощность при регулировании дросселированием, которое является энергетически более эффективным.

(Продолжение следует)

С.А. Байбаков, Е.А. Субботина, К.В. Филатов, В.М. Нагдасев, А.Ю. Желнов, Частотно-регулируемый привод. Регулирование центробежных насосов и методы регулирования отпуска тепла в тепловых сетях

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №12 (160), 2013 г. , www.ntsn.ru/12_2013.html

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Тематические закладки пользователей:

Tеги: частотно-регулируемый привод

Похожие статьи: