bbk 000000

UDC 628.17.001.4

Kosteuk Aleksandr, Tverdokhleb I. B.

Power Saving Operation of Borehole Pumps ЭЦВ

Summary

It is told about selection of the most efficient method of regulation of pump units equipped with borehole pumps ЭЦВ. The use of a frequency electric drive, as a rule, is inefficient, because of the large static component and small dynamic component of the total pressure created by pumps. Cascade regulation is recommended for this type of units.

Key words:

well pump , power consumption , pipelines , static pressure , supply , operating point , cascade regulation

Download PDF

Водоснабжение и водоотведение относятся к отрасли коммунального хозяйства с интенсивным использованием насосного оборудования. Доля электроэнергии, потребляемой насосами, составляет более 50% общего энергопотребления. В связи с этим снижение затрат на электроэнергию для водоснабжающих организаций связано с эффективной эксплуатацией насосного оборудования, в том числе скважинных насосов. Данное направление является одним из приоритетных для специалистов ОАО «Группа ГМС» – крупнейшего производителя насосов в России для различных отраслей промышленности.

Предприятия ОАО «Группа ГМС» (ОАО «Ливгидромаш», ОАО «Ливнынасос», ОАО «Завод Промбурвод») производят насосы для водного хозяйства широкой номенклатуры, а также осуществляют разработку технических решений, способных адаптировать параметры оборудования под индивидуальные требования заказчика, что значительно снижает энергопотребление и увеличивает срок службы насосного оборудования.

Высокопрофессиональные конструкторы Группы имеют многолетний опыт работы в области насосостроения, что дает возможность оперативного проведения необходимых консультаций заказчику по выявлению и устранению причин неэффективной работы насосов.

Кроме оптимального энергопотребления, насосное оборудование Группы отличает надежность, подтвержденная многолетним опытом эксплуатации на различных объектах, качественное сервисное обеспечение и доступная цена. Эти факторы имеют большое значение при выборе поставщика насосов, а также делают насосное оборудование ОАО «Группа ГМС» конкурентоспособным по сравнению с аналогичным оборудованием западных производителей.

Выполнение условий согласованной работы насоса в технологической системе. Основным условием эффективной и надежной эксплуатации насосного оборудования является согласованная работа насоса в системе. Это условие выполняется в том случае, если рабочая точка, определяемая пересечением характеристики системы и характеристики насоса, находится в пределах рабочего диапазона насосного агрегата (рис. 1).

В общем случае характеристика системы включает две составляющие – статическую и динамическую. Таким образом, Н_сист = Н_{стат.общ} + Н_дин. Динамическая составляющая характеристики системы описывается квадратичной зависимостью от расхода – Н_дин = kQ², поэтому выражение приобретает следующий вид:

Н_сист = (Н_{дин.уровень} + Н_{стат.сист}) + kQ², (1)

где k – коэффициент, зависящий от потерь по длине трубопровода и потерь на местных сопротивлениях; Н_{дин.уровень} – динамический уровень скважины; Н_{стат.сист} – статический напор системы относительно устья скважины.

Ошибочная оценка требуемых параметров системы служит основной причиной неверного подбора насосного оборудования, что объясняется сложностью определения зависимости Н_дин = f(Q_скв), потерь в трубах и арматуре, особенно бывших в эксплуатации.

Устранение причин неэффективной эксплуатации насоса. Среди основных причин неэффективной эксплуатации насосного оборудования можно выделить две главные:

установка насосов с параметрами подачи и напора, которые больше, чем требуется для обеспечения работы насосной системы;

регулирование режима работы насоса при помощи задвижек.

Довольно часто потребители выбирают скважинный насос ЭЦВ с запасом по напору, полагая, что это гарантирует его работу при любых условиях. В этом случае рабочая точка смещается в правую зону и выходит за пределы рабочего диапазона. Это приводит к увеличению потребляемой мощности, падению КПД, перегрузке электродвигателя, а также ряду проблем механического характера, что значительно повышает риск поломки насосного агрегата (рис. 2).

Потребители нередко прибегают к регулировке режима работы насоса при помощи задвижки, установленной на напорном трубопроводе. С одной стороны, это позволяет получить требуемое значение подачи и напора или обеспечить режим работы насоса в пределах рабочего диапазона, но, с другой стороны, такой способ регулирования приводит к потерям энергии за счет дросселирования.

Потери энергии, кВт, на задвижке можно определить из следующего выражения:

N = gQ₂(H₂ – H₁)/1000, (2)

где Н₂, Н₁ – разность напоров (давлений) до и после задвижки.

Часто потребители ошибочно относят низкую энергетическую эффективность системы «насос – сеть» на счет низкого КПД насоса. Следствием этого является формирование у потребителя мнения о некачественных и неэффективных насосах.

При модернизации объектов водоснабжения или замене насосного оборудования одной из главных целей является снижение энергопотребления.

На действующих объектах можно достаточно просто определить характеристику технологической системы в соответствии с уравнением (1). Зная значение давления в системе или Н_сист, соответствующее этому значению, величину подачи Q, величину статического напора, можно получить значение коэффициента k и построить характеристику. Если параметры водопотребления меняются во времени, то характеристику необходимо построить для минимального, максимального и наиболее продолжительного режимов.

Методы снижения энергопотребления насосных агрегатов. Оптимальное энергопотребление оказывает существенное влияние на жизненный цикл насоса. Расчет технико-экономического обоснования конкурентоспособности выполняется по методике стоимости жизненного цикла, разработанной профильными зарубежными институтами.

В таблице рассматриваются основные методы, которые, по данным Гидравлического института США и Европейской ассоциации производителей насосов, приводят к снижению энергопотребления насосов, а также дана величина потенциальной экономии.

Основной потенциал энергосбережения заключается в замене регулирования подачи насоса задвижкой частотным или каскадным регулированием, т. е. применении насосных агрегатов, способных адаптировать их параметры под требования системы. При принятии решения об использовании того или иного способа регулирования необходимо учитывать параметры технологической системы, на которую работает насос.

Скважинные насосы, как правило, работают на сеть с большой статической составляющей. Как видно из рис. 3, при работе насоса на сеть с преимущественной статической составляющей снижение частоты вращения рабочего колеса насоса приводит к снижению его КПД и смещению рабочей точки в левую зону рабочей характеристики. Если при номинальной частоте вращения КПД насосного агрегата составляет 60%, то снижение до 83% номинала приводит к снижению КПД до 35%.

Таким образом, при работе центробежного насоса на сеть с преимущественной статической составляющей применение частотного электропривода нерационально и требует более тщательного анализа и учета других факторов.

Применение частотного электропривода для скважинных насосов зависит от ряда дополнительных факторов, которые необходимо учитывать:

при снижении частоты вращения и уменьшении подачи снижается скорость обтекания электродвигателя, что может привести к его перегреву. Поэтому следует точно определить, как снизится подача при снижении частоты вращения, если насос будет работать на заданную систему. При необходимости можно применять кожухи охлаждения и электродвигатели большей мощности;

в электродвигателях применяются подшипники скольжения, работа которых требует наличия между парами трения слоя жидкости. При снижении частоты вращения возникает риск возникновения полусухого и сухого трения, что вызывает износ элементов осевого и радиальных подшипников. Надежная работа подшипников скольжения требует ограничения минимальной частоты вращения рабочего колеса.

В системах с большой статической составляющей применение каскадного регулирования, т. е. с подключением и отключением необходимого количества насосов, напротив, позволяет регулировать режим работы насосов с высокой эффективностью (рис. 4).

Частотное регулирование является оптимальным решением при работе насосных агрегатов на систему с динамической составляющей. Как видно из рис. 5, значение КПД насосов практически остается постоянным во всем диапазоне регулирования.

Выводы

Наиболее рациональным способом регулирования режима работы скважинного насоса ЭЦВ в технологических системах с большим статическим напором является каскадное регулирование, тогда как применение частотного электропривода требует тщательного анализа и учета многих факторов.