Отраслевая конференция 
«Теплоснабжение-2019»
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 (окончание)

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».

(окончание, начало см. в НТ № 12, 2013 г.)

3.1. Регулирование при переменных расходах

Более сложные условия по регулированию параметров насосов будут иметь место для регулируемых сетей, т.е. циркуляционных систем с переменным гидравлическим сопротивлением элементов, например для тепловых сетей с регуляторами температуры на горячее водоснабжение и отпуска тепла на отопление. Для рассматриваемой системы насос-сеть это выражается в перекачке сетевым насосом определяемого потребителем различного расхода воды. В этом случае, задачей регулирования, как правило, является обеспечение требуемого располагаемого напора на присоединенной сети или давления после насоса, при наличии регулятора подпитки. В отличие от предыдущих условий, в этом случае вопросы организации регулирования становятся более значимыми, поскольку не могут быть решены только подбором характеристик применяемых насосов.

При рассматриваемых условиях также можно использовать указанные выше способы регулирования: дросселированием, рециркуляцией и изменением частоты вращения вала насоса.

Диаграмма параметров режимов системы насос-сеть для регулирования дросселированием насоса при переменном расходе воды приведена на рис. 5. На этом же рис. приведена принципиальная схема рассматриваемой системы.

В соответствии с рис. 5 наибольший расход воды Vс=Vрс будет иметь место при полностью открытом регуляторе в присоединенной сети (РС). В этом случае совместный режим работы насоса и сети характеризуется точкой а на характеристике насоса. Такой режим является расчетным для определения требуемых параметров и выбора насоса. Предполагается, что для этого режима дросселирование развиваемого напора не производится. При двух других расходах на рис. 5, определяемых работой регулятора сети РС, развиваемые насосом напоры в соответствии с его характеристикой являются избыточными. Это требует снижения напоров до заданной для тепловой сети величины ΔН=ΔНC, что обеспечивается работой регулятора, увеличивающего свое гидравлическое сопротивление и, соответственно, величину дросселирования.

Для таких условий оценка эффективности регулирования насоса должна проводиться по суммарной величине потребления электроэнергии при известной продолжительности Zi рассматриваемых режимов. Для приведенной на рис. 5 системы величина потребления электроэнергии Эд может быть определена по формуле:

В этой формуле первое слагаемое представляет собой полезные затраты электроэнергии на перекачку сетевой воды. Второе и третье слагаемые составляют затраты энергии на регулирование и связаны с дросселированием избыточного напора.

Диаграмма режимов насос-сеть при регулировании рециркуляцией вместе с схемой соответствующей сети приведена на рис. 6.

Для этой схемы расчетный расход воды является максимальным, который можно получить при полном открытии регулятора в сети РС. Другие, сниженные расходы формируются при закрытии указанного регулятора и снижении гидравлического сопротивления присоединенной сети.

Применительно к насосной установке условия расчетного режима соответствуют полному закрытию регулятора РР в линии рециркуляции и для этого режима должны подбираться характеристики насоса.

Закрытие регулятора сети при других режимах приводит к увеличению гидравлического сопротивления цирксистемы и снижению расхода воды в сети. При этом регулятор рециркуляции открывается, обеспечивая поддержание заданного располагаемого напора путем подержания постоянства расхода воды через насос. Сам насос при этом способе регулирования все время работает в одной точке характеристики.

При регулировании рециркуляцией затраты электроэнергии на привод насоса определяются формулой:

В этой формуле, также как и в предыдущем случае, первое слагаемое представляет собой полезные затраты энергии на перекачку воды при расходе Vрс, а второе и третье слагаемые являются затратами электроэнергии, связанными с регулированием и определяющимися перекачкой дополнительного расхода рециркуляции. При рассматриваемом способе регулирования производится работа насоса с наибольшими расходами воды. В соответствии с этим, можно сделать вывод о больших затратах электроэнергии на перекачку, требующихся при реализации способа регулирования рециркуляцией, чем при регулировании дросселированием напора.

При использовании ЧРП насоса обеспечение требуемого располагаемого напора при переменном расходе воды производится изменением характеристики этого насоса, производимого изменением частоты вращения ротора в соответствии с формулой (8). Диаграмма параметров режимов насос-сеть для рассматриваемого способа регулирования приведена на рис. 7.

В соответствии с рис. 7 потребление электроэнергии на привод насоса может быть представлено формулой:

В этой формуле каждое из слагаемых представляет собой затраты электроэнергии на перекачку воды по тепловой сети без дополнительных затрат на проведение регулирования. При этом КПД насосного агрегата может быть принят одинаковым для всех режимов, что справедливо при частотном регулировании. Те. частотное регулирование насоса при переменном расходе воды в сети также является наиболее энергетически предпочтительным по величине затрат электроэнергии на перекачку за счет отсутствия потерь на регулирование. При незначительных изменениях расхода эффективную конкуренцию частотному регулированию может составить использование гидромуфт, что по стоимости оборудования существенно дешевле частотных регуляторов.

Как следует из приведенного, при сопоставлении методов регулирования насоса в условиях его работы на сеть с переменным расходом имеют место те же соотношения затрат электроэнергии, что и соотношения требуемых мощностей при регулировании насосов для систем с постоянным расходом.

3.2. Условия регулирования параллельной группы насосов

При больших расходах воды в тепловой сети мощности одного насоса недостаточно и на источниках тепла, как правило, устанавливают несколько насосов, работающих параллельно. Установка нескольких насосов требуется также по условиям надежности теплоснабжения.

Регулирование режима работы насосной группы при этом также должно осуществляться по располагаемому напору или по давлению на напорном коллекторе насосной станции одним из рассматриваемых выше способов.

При регулировании группы насосов следует учитывать обеспечение условий надежности работы системы и, в частности, работы насосов в условиях регулирования. С этой точки зрения следует различать реализацию способов регулирования по месту установки регулирующего органа и характеру его воздействия на работу насосов в сети. Так возможны две схемы реализации рассматриваемых способов регулирования. При первом из них регулирующее воздействие производится по суммарному потоку воды в напорных трубопроводах насосной группы. При втором - регулирующее воздействие осуществляется на одном из насосов, другие насосы несут базовую нагрузку.

Использование дросселирования общего расхода воды после насосной группы требует повышенного качества регуляторов и регулирующих клапанов, устанавливаемых на основном напорном трубопроводе, поскольку выход из строя такого регулятора может привести к недопустимым гидравлическим режимам в присоединенной системе, обусловленным неправильной работой регулятора. В этом смысле более предпочтительным является использование регулирования рециркуляцией, при которой регулирующий клапан устанавливается на перепускной линии, и при выходе регулятора из строя может быть отключен с переводом насосной группы на ручное регулирование.

Организация частотного регулирования также может осуществляться целиком для насосной группы. При этом изменение частоты производится одновременно у электродвигателей всех насосов. Для такой схемы регулирования выход из строя частотного регулятора или сбои в программном обеспечении регулирующего контроллера приводят к нарушению гидравлического режима присоединенной цирксистемы.

Режимы работы и затраты электроэнергии на перекачку при указанных выше условиях мало отличаются от аналогичных показателей для одного насоса при каждом способе регулирования. Однако определение режимных показателей в системе насос-сеть будет производиться по суммарной характеристике насосов, построенной для параллельного их подключения. Затраты электроэнергии будут суммироваться по всем работающим насосам с равномерным распределением расходов воды по агрегатам. Основной сложностью при этом будет являться определение количества работающих насосов, которое может меняться при существенном изменении расходов воды в присоединенной сети.

При организации регулирования с использованием для этих целей по одному из насосов в группе, когда регулятор давления устанавливается только на регулируемый насос или только этот насос оснащается регулятором ЧРП, а остальные насосы обеспечивают базовую нагрузку, надежность работы системы повышается за счет возможности перехода на ручное регулирование. При этом в насосной группе может быть предусмотрено по два регулируемых насоса, которые обеспечивают их взаимное резервирование, что еще больше повышает надежность обеспечения гидравлических режимов системы.

В этом случае определение режимных показателей и расчет затрат мощности существенно осложняется и может быть произведен путем разработки режимных карт загрузки оборудования, в которых в табличном виде представлены состав и состояние насосного оборудования по потребляемому току в зависимости от расходов воды через насосную группу. Методика составления режимных карт, используемые для этого подходы и требуемые исходные данные при различных способах регулирования приведена в [1].

4. Сопоставление методов регулирования отпуска тепла в тепловых сетях

Наиболее мощными и протяженными циркуляционными системами являются тепловые сети систем централизованного теплоснабжения.

В настоящее время в тепловых сетях по ряду экономических и технических причин принят метод центрального качественного регулирования отпуска тепла. Это связано, в первую очередь, с тем, что основной нагрузкой является сезонная нагрузка отопления, зависящая от температуры наружного воздуха, а отпуск тепла производится от ТЭЦ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии. При этом способе изменение отпуска тепла в соответствии с нагрузкой производится централизованно на источнике (ТЭЦ или котельной) путем изменения температуры сетевой воды в подающей линии в зависимости от температуры наружного воздуха. Расход воды при этом в основном остается постоянным и равным расчетной величине Vор. Этот расход определяется при расчетной для отопления температуре наружного воздуха и равен:

где: Qор - расчетная нагрузка отопления, Гкал/ч; Т - расчетная температура в подающей линии, ОС; Т - расчетная температура в обратной линии, ОС.

Зависимость температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе от температуры наружного воздуха называется температурным графиком тепловой сети. Как уже отмечалось, при центральном качественном регулировании этот график определяется исходя из условия постоянства расхода воды на отопление и называется отопительным температурным графиком.

В современных системах теплоснабжения применяются различные температурные графики, отличающиеся значениями температур сетевой воды в подающей и обратной линиях при расчетной температуре наружного воздуха. Так используются температурные графики Т=150/70, 130/70, 120/70 и 95/70 ОС. По технико-экономическим соображениям в настоящее время наибольшее распространение получил температурный график 150/70 ОС. Пример такого графика приведен на рис. 8, на котором по горизонтальной оси отложены значения относительной удельной нагрузки отопления qc, связанные с температурой наружного воздуха соотношением:

где: tнр - температура наружного воздуха, расчетная для отопления, ОС; tвр - расчетная температура воздуха в помещениях, ОС; tн - текущая температура наружного воздуха, ОС.

Пересчет относительной удельной нагрузки на температуру наружного воздуха может быть произведен по формуле:

tн = tвр -.qо (tвр - tнр)

На рис. 8 приведен также график зависимости от qо (от температуры наружного воздуха) разности температур в подающем и обратном трубопроводах.

В последнее время широко обсуждается вопрос перехода на регулирование отпуска тепла при переменных расходах воды, связанных с отличием температурного графика на источнике тепла и в тепловой сети от отопительного графика. Этот подход принято называть методом качественно-количественного регулирования. При этом методе температуры в подающей линии превышают их значения в соответствии с отопительным графиком, а расход воды в тепловой сети меняется в зависимости от этого превышения. Следует отметить, что в современных системах теплоснабжения с автоматизированными потребителями изменение расхода воды в тепловых сетях не может быть реализовано напрямую, изменением напора насосов на источнике тепла, поскольку расходы воды определяются работой регуляторов у потребителя. Так, если системы отопления оснащены только регуляторами постоянства расхода, то изменение расхода воды в сети не может быть получено центральным регулированием на источнике. В соответствии с этим практическая реализация метода качественно-количественного регулирования может быть осуществлена только при оснащении систем отопления регуляторами нагрузки, меняющими расход воды на отопление в зависимости от температур наружного воздуха и сетевой воды в подающей линии, обеспечивая подачу на отопление требуемого количества тепла. Только при этом условии изменение (повышение) температуры в подающей приведет к изменению (снижению) расхода воды на отопление и в тепловой сети.

Основную проблему при этом составляют наиболее распространенные схемы отопления с зависимым элеваторным присоединением, которые для получения требуемого эффекта должны существенно усложняться и дополняться соответствующей регулирующей аппаратурой.

Следует отметить, что подогреватели горячего водоснабжения в основном оснащены регуляторами температуры водопроводной воды, что соответствует условиям регулирования нагрузки в зависимости от подающей температуры и позволяет реализовать переход на повышенную температуру в подающей линии. Аналогичное положение имеет место и при присоединении к тепловым сетям вентиляционных систем, в которых установлены регуляторы температуры подаваемого в помещения воздуха.

Переход на графики качественно-количественного регулирования легко осуществим также при присоединении отопительной нагрузки по независимой схеме, при которой перед теплообменником отопления установлены регуляторы температуры воды в контуре отопления, поддерживающие эту температуру в зависимости от температуры наружного воздуха.

Выше рассмотрен ряд технических условий, необходимых для осуществления перехода с чисто качественного на качественно-количественное регулирование. Однако этот переход требует соответствующего технико-экономического обоснования, поскольку меняет режимы работы и показатели практически всего оборудования систем теплоснабжения, что имеет как положительные, так и отрицательные особенности по сравнению с качественным регулированием.

В качестве основного положительного эффекта при изменении способа регулирования отпуска тепла следует рассматривать возможность снижения затрат электроэнергии на перекачку сетевой воды. Однако при увеличении подающей температуры возрастают тепловые потери через изоляцию трубопроводов тепловых сетей и, самое главное, при отпуске тепла от ТЭЦ снижается доля комбинированной выработки электроэнергии за счет необходимости увеличения давления в теплофикационных отборах. Последнее приводит к снижению эффективности выработки электрической энергии.

Таким образом снижение затрат на перекачку теплоносителя является одним из определяющих критериев оценки эффективности применения качественно-количественного регулирования, поскольку величина этого показателя может иметь решающее значение.

Величина снижения затрат электроэнергии, в свою очередь, определяется используемым на источнике тепла способом регулирования насосов.

В целях сопоставления затрат электроэнергии рассмотрим наиболее простую ситуацию, позволяющую тем не менее получить основные расчетные соотношения и на их основе провести качественную оценку затрат для различных методов регулирования отпуска тепла. Будем рассматривать показатели перехода для тепловой сети, к которой присоединены потребители только с отопительной тепловой нагрузкой. При этих условиях расход воды в системе будет оставаться постоянным и равным расчетному значению, определяемому по формуле (16). Будем также считать, что характеристика установленных насосов подобрана в соответствии с гидравлическим сопротивлением тепловой сети и присоединенными потребителями, а заданный располагаемый напор сети ΔHc при расчетном расходе воды Vор равен развиваемому напору насосов ΔHн.

Для такой систем годовые затраты на перекачку сетевой воды будут определяться продолжительностью отопительного периода zот- и могут быть рассчитаны по формуле:

При переходе на качественно-количественное регулирование через насосы будет проходить переменный в течение отопительного периода расход воды, который определяется повышением температуры в подающей линии по сравнению с отопительным температурным графиком.

Для определения расходов воды будем использовать линейное представление зависимости температур сетевой воды в зависимости от температуры наружного воздуха. Так для отопительного графика качественного регулирования могут быть предложены следующие линейные зависимости.

Температура в подающей линии:

Температура в обратной линии:

При расчетных условиях по температуре наружного воздуха, т.е. при tн = tнр температуры сетевой воды будут составлять:

При температуре наружного воздуха, равной расчетной температуре воздуха в помещениях tн = tвр температуры сетевой воды будут одинаковы и равны:

Разность температур Т, определяющая расход воды при заданной величине тепловой нагрузки с учетом (19) и (20), также будет линейной в зависимости от tн и определяться формулой:

Эта зависимость полностью соответствует приведенному на рис. 8 графику и позволяет достаточно точно определять соответствующие значения расходов воды в тепловой сети.

При переходе на повышенные температурные графики качественно-количественного регулирования будем считать, что нагрузка отопления присоединяется по зависимой элеваторной схеме с соответствующим оснащением регулирующей аппаратуры. В этих условиях температуры воды в обратной линии в зависимости от tн остаются неизменными и будут равны их величине при качественном регулировании.

Для оценки расходов воды при качественноколичественном регулировании представим график изменения температуры в подающей линии следующей линейной зависимостью от tн:

где: Т — подающая температура при tн = tвр

Величина Т будет принимать значения, большие tвр, что обеспечит превышение Т1кк над Т при всех температурах наружного воздуха, кроме tн = tнр . При этом, чем больше Т, тем более высоким будет температурный график по подающей линии.

При этих условиях разность температур в подающей и обратной линиях при качественно-количественном регулировании будет

Зависящий от температуры наружного воздуха множитель Х следует определять по формуле:

Величина этого коэффициента нелинейно зависит от температуры наружного воздуха.

При tн = tнр Х=1 и разность температур ΔТKK=ΔТр.

При tн = tвр Х →∞, однако с учетом (22) величина ΔТKK=ΔТр.

Предлагаемый график качественно-количественного регулирования зависит от величины ΔTн, равной превышению температуры в подающей линии над температурой качественного регулирования при температуре наружного воздуха tн = tвр При качественном регулировании ΔTн=0. Максимальное значение этой величины будет иметь место при чисто количественном регулировании и определяется равенством ΔТH-tвр.

Изменение тепловой нагрузки отопления в зависимости от температуры наружного воздуха определяется формулой:

При этом расход воды на отопление определяется зависимостью:

В соответствии с последней формулой величина перекачиваемого расхода определяется показателем Х и, следовательно, температурой наружного воздуха.

При tн = tнр Х=1 и Vо=Vор.

При tн = tвр расход воды стремится к 0 при любых ΔTн и ΔТр.

Кроме расхода воды, затраты электроэнергии на перекачку зависят от продолжительности какого-либо режима. Для определенности будем считать, что известно распределение температур наружного воздуха по продолжительности стояния в течение отопительного периода или среднемесячные температуры наружного воздуха при известной продолжительности каждого месяца в отопительном периоде. Другими словами, известны значения продолжительности интервалов времени zi, составляющие в сумме продолжительность отопительного периода zот,- и соответствующие этим интервалам температуры наружного воздуха tнi средние для указанных интервалов.

Величина снижения затрат электроэнергии, в свою очередь, определятся используемым на источнике тепла способом регулирования насосов, обеспечивающем поддержание заданного располагаемого напора в тепловой сети при переменных расходах воды.

Затраты электроэнергии на перекачку при переменном расходе воды качественно-количественного регулирования Экк в течение отопительного периода при принятых выше условиях в общем виде могут быть представлены в виде:

При частотном регулировании насосов затраты электроэнергии представимы в виде:

Если распределить затраты электроэнергии при качественном регулировании на те же интервалы времени zoi и считать, что КПД насосных агрегатов неизменны, то разность затрат электроэнергии при качественном и качественно-количественном регулировании и частотном регулировании насосов будет составлять:

С учетом (26) последняя формула может быть представлена в виде:

В последней формуле множитель (1-1/Xi) зависит от температуры наружного воздуха и всегда меньше единицы, за исключением расчетной температуры, при которой этот множитель равен 0 (Xi=1 при tн = tнр ). При всех других температурах наружного воздуха (1-1/Xi) больше нуля и следовательно ΔЭКЧ всегда положительная величина.

Экономия электроэнергии зависит от показателя X, определяющего повышение графика количественно-качественного регулирования и соответствующее снижение расхода воды в тепловой сети. Так при качественном регулировании Х=1 и ΔЭКЧ=0. Максимальная же величина экономии электроэнергии на перекачку будет соответствовать графику качественного регулирования, ха- растеризующегося наибольшими значениями Xi.

При регулировании дросселированием затраты электроэнергии представимы в виде:

С учетом указанных выше условий разность затрат электроэнергии при качественном и качественно-количественном регулировании при

регулировании насосов дросселированием будет составлять:

где: ΔHдрi - величина дросселирования развиваемого насосом напора при регулировании.

Поскольку в последней формуле первое слагаемое существенно больше второго слагаемого, экономия затрат электроэнергии на перекачку при рассматриваемом способе регулирования ΔЭКД всегда больше нуля.

Сопоставление (29) и (31) показывает, что экономия затрат электроэнергии при частотном регулировании превосходит экономию при регулировании дросселированием. Их разница определяется величиной затрат, связанных с дросселированием напора на регуляторе, которая всегда положительна и равна:

При регулировании рециркуляцией предусматривается работа насосов в одной точке их характеристики и затраты электроэнергии на перекачку сетевой воды будут равны:

Эта величина при принятых условиях полностью соответствует затратам электроэнергии при качественном регулировании, т.е. Экаккр и экономия затрат электроэнергии при регулировании рециркуляцией отсутствует.

Как следует из приведенного материала, экономия затрат на перекачку сетевой воды при переходе от метода качественного регулирования отпуска тепла на качественно-количественное регулирование определяется способом регулирования насосов и будет максимальной при использовании частотного регулирования с оснащением насосов аппаратурой ЧРП. При регулировании рециркуляцией экономия электроэнергии отсутствует, а при регулировании дросселированием величина экономии будет иметь промежуточное значение.

Расчетные зависимости приведены для определенных условий, связанных, в первую очередь, с схемами и оборудованием потребителей тепловой энергией, что позволило получить достаточно простые зависимости. При присоединении к тепловым сетям систем отопления потребителей с независимой схемой и, главное, с наличием нагрузки горячего водоснабжения, существенно усложняется зависимость расхода воды в тепловой сети от температуры наружного воздуха, а также изменение этой зависимости при различных методах регулирования отпуска тепла. Это не позволяет получить аналитические соотношения простого вида и требует проведения достаточно сложных расчетов по определению экономии затрат на перекачку по всем выделяемым интервалам времени в течение отопительного периода и года. Однако полученные при этом результаты в основном будут соответствовать полученным выше выводам.

Приведенные формулы соответствуют использованию на источнике тепла для перекачки сетевой воды одного насоса. Справедливы приведенные выше соотношения также при параллельном включении нескольких однотипных насосов, однако при этом КПД насосных установок следует принимать относительно расхода воды через каждый агрегат и должны определяться в зависимости от суммарного расхода воды через насосную группу и количества включенных насосов.

Выводы

1. Обеспечение требуемых гидравлических режимов в циркуляционных системах за счет регулирования насосов приводит к дополнительным потерям энергии на регулирование, за исключением способа частотного регулирования, которое позволяет кроме того обеспечить режимы работы насосов с наибольшими КПД. Таким образом, ЧРП является наиболее энергетически эффективным способом регулирования насосов при переменных расходах воды в присоединенных системах.

2. При постоянных расходах воды экономически целесообразным является более точное согласование гидравлических характеристик насосов и присоединенных сетей, производимых подбором насосов, обточкой их рабочих колес и/или проведением наладочных мероприятий в сетях.

3. Для получения наибольшего положительного энергетического и экономического эффекта по затратам на перекачку воды при переходе на метод качественно-количественного регулирования отпуска тепла в тепловых сетях потребители должны быть оснащены соответствующей регулирующей аппаратурой, позволяющей реализовать этот переход, а для регулирования насосов на источниках тепла следует использовать частотное регулирование насосов.

Литература

1. Байбаков С. А., Шакирова Е. А. Регулирование насосно- перекачивающих станций тепловых сетей и составление режимных карт// Энергетик. 2009. № 8.

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 (окончание)

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №01 (161), 2014 г. , www.ntsn.ru/o-zhurnale/archiv/2014/1_2014.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:

Программы Auditor

Отраслевая конференция «Теплоснабжение-2019»

Москва, 22-24 октября 2019 г.
Примите участие!

Подробнее