bbk 000000

УДК 628.15:62-531.3.004.18

Лезнов Б. С., Воробьев С. В.

Оценка экономии воды при использовании регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения

Аннотация

Описана методика оценки экономии воды, разработанная специалистами ООО «Ягорба» и лаборатории автоматизации ОАО «НИИ ВОДГЕО». С помощью настоящей методики может быть выполнена оценка экономии воды при использовании регулируемого электропривода для различных вариантов работы насосных установок в системах водоснабжения. Результаты расчета достаточно близко совпадают с результатами эксплуатационных наблюдений на реальных объектах. Методика может быть использована для оценки уменьшения сброса сточных вод в канализацию за счет снижения непроизводительных расходов в системе подачи воды. Приведен пример расчета прогнозируемой экономии воды для насосной установки с одним и несколькими агрегатами.

Ключевые слова

регулируемый электропривод , давление , подача воды , насосная установка , система водоснабжения , экономия воды , энергия , непроизводительные расходы воды

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Создание энергосберегающей системы автоматизированного управления насосной установкой на основе использования регулируемого электропривода наряду с экономией энергии снижает утечки и непроизводительные расходы воды. Методика оценки экономии электроэнергии в насосных установках достаточно подробно изложена в [1–3]. Ниже приводится описание методики, разработанной специалистами ООО «Ягорба» и лаборатории автоматизации ОАО «НИИ ВОДГЕО».

Утечки воды происходят через отверстия в трубах, образовавшиеся в результате их повреждения, или через зазоры в трубопроводной арматуре и санитарно-технических приборах, а также в стыках между ними. Непроизводительные расходы – это повышенные расходы воды из водоразборной арматуры, обусловленные повышенным давлением в водопроводной сети.

По данным [4], утечки и непроизводительные расходы воды в среднем по России составляют 20–30% общей подачи воды. Объем их зависит главным образом от состояния трубопроводов, арматуры, санитарно-технических приборов (водоразборных кранов, смывных бачков унитазов и т. п.). Поэтому применение регулируемого электропривода не может радикально изменить положение, однако может в некоторой степени снизить потери воды за счет снижения избыточных напоров. При этом следует иметь в виду, что полное снятие избыточных напоров в сети также не может быть обеспечено, поскольку стабилизация давления осуществляется только в отдельных, контрольных (диктующих) точках водопроводной сети.

Контрольные (диктующие) точки расположены, как правило, в наиболее удаленных районах водоснабжения или на наиболее высоких геодезических отметках водопроводных сетей. Естественно, что прочие районы водоснабжения, расположенные на более низких отметках или ближе к насосной установке, находятся под воздействием избыточного напора. Следовательно, полностью ликвидировать утечки и непроизводительные расходы воды невозможно, но снизить их можно.

По разработанной методике можно вычислить величину экономии воды, которая обеспечивается благодаря применению регулируемого электропривода в насосных установках.

Расход воды, вытекающей из отверстия, определяется по формуле [5]:

где µ – коэффициент расхода, зависящий от конфигурации отверстия;  – сечение отверстия, м²; g = 9,81 м/с² – ускорение силы тяжести; H – напор (давление), м.

Необходимое давление на напорном коллекторе насосной установки обусловлено характеристикой трубопровода (рис. 1, кривая 2), которая определяется уравнением:

где H_п – статическое противодавление, м; s –гидравлическое сопротивление трубопровода, с²/м⁵; Q – расход воды по водоводу (подача насосной станции), м³/с.

Если регулируемый электропривод не используется, фактическое давление на напорном коллекторе насосной станции определяется характеристикой насоса, которая описывается уравнением:

где H_ф – фиктивная высота водоподъема при нулевой подаче; s_ф – фиктивное гидравлическое сопротивление насоса.

Если насос не дросселируется, давление на напорном коллекторе соответствует давлению насоса. Под тем же давлением находится водопроводная сеть. Избыточное давление определяется разницей ординат между характеристиками насоса (рис. 1, кривая 1) и трубопровода (рис. 1, кривая 2). Вычитая выражение (2) из выражения (3), получаем:

Если насосная установка оснащена регулируемым электроприводом, а система автоматизированного управления стабилизирует давление в диктующей точке сети, то рабочая точка насоса перемещается по характеристике трубопровода (рис. 1, кривая 2). В этом случае создаваемое насосной установкой давление соответствует требуемому, а избыточное давление отсутствует, т. е. ∆H = 0. Здесь необходимо отметить, что избыточное давление на выходе из насосной станции можно устранить, дросселируя поток воды на напорных коммуникациях станции. Однако системы автоматической стабилизации напора в диктующих точках водопроводных сетей с использованием дросселирующих устройств распространения не получили и вряд ли получат в будущем из-за низких регулировочных свойств этих устройств (задвижек, затворов, клапанов).

В ряде насосных установок осуществляется ручное дросселирование напорных коммуникаций. При этом точность поддержания требуемого напора существенно зависит от человеческого фактора. По этим причинам в системах водоснабжения широкое распространение получило саморегулирование. Под саморегулированием понимается свойство центробежного насоса уменьшать подачу воды на столько, насколько уменьшается разбор воды у потребителя. Однако при этом увеличивается напор, развиваемый насосом.

Настоящая методика предусматривает сравнение утечек и непроизводительных расходов воды при саморегулировании и при автоматизированном управлении режимами работы насосных установок с использованием регулируемого электропривода.

При саморегулировании суммарная подача воды, в том числе вода, необходимая потребителю Q₀, вместе с утечками и непроизводительными расходами q₁, равна:

Дальнейший анализ ведется с использованием системы относительных единиц, что позволит решить задачу определения экономии воды в общем виде, не привязываясь к конкретной насосной установке. В качестве базисных параметров в системе относительных единиц приняты: наибольшая подача Q^*_б = 1и соответствующий этой подаче напор H^*_б = 1. Преобразуем выражение (8), предварительно разделив числитель и

Поскольку для большинства отечественных центробежных водопроводных насосов среднее значение фиктивного напора H^*_ф ≈ 1,25, относительное снижение непроизводительных расходов вычисляем для этого значения. На рис. 2 приводится поясняющий график совместной работы насоса и водоводов при разных значениях H^*_п,Там же представлены упорядоченные диаграммы подачи Q^* = f(t^*) при разных значениях .

Фиктивное гидравлическое сопротивление насоса s^*_ф определяется из уравнения (11) при Q^* = Q^*_б = 1 и H^*_п = H^*_б = 1:

Разделив уравнение (16) на формулу (17а), получаем выражение, определяющее долю сэкономленного объема воды от общего объема, поданного за расчетный период:

Принимая для отечественных водопроводных насосов среднее значение H^*_ф = 1,25, выполняем численное интегрирование выражения (18) для соответствующих значений H^*_п и .

Относительная экономия воды ∆v^*_iза расчетный период в зависимости от минимального расхода  и противодавления H^*_п для насосов с фиктивной высотой водоподачи H^*_ф = 1,25 приведена в таблице.

По результатам расчета на рис. 2 построены графические зависимости ∆v^*_i = f() для различных значений H^*_п. Полученные зависимости позволяют прогнозировать уменьшение объема непроизводительных расходов и утечек при использовании регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установкой.

Исходные данные:

диапазон изменения подачи воды в течение года, т. е. значения наименьшей подачи за расчетный период Q_ми наибольшей подачи Q_б за тот же период (год, сезон);

напорH_б, соответствующий наибольшей подаче Q_б;

противодавление H_п в системе подачи воды (статическая составляющая подъема воды);

объем подаваемой воды за расчетный период, например, за год V_год.

Решение:

1. Определяем относительную минимальную подачу воды:

= Q_м/Q_б.

2. Определяем относительное противодавление в системе подачи воды:

H^*_п = H^*_п/H_б.

3. По таблице или по расчетным кривым (рис. 2) определяем значение относительного снижения объема утечек и непроизводительных расходов воды ∆v^*_i при найденных значениях 
и H^*_п.

4. Прогнозируемая экономия воды за год
равна:

V_эк.год = ∆v^* _iV_год.

Порядок расчета приведен для насосной установки с одним работающим агрегатом.

В большинстве насосных установок для подачи воды потребителю используется не один, а несколько насосных агрегатов. В этом случае насосная установка работает в нескольких характерных режимах, каждому из которых соответствуют свои параметры Q_м, Q_б, Н_п, Н_б, значения  и H^*_п, Т, объемы сэкономленной воды V_эк. При расчете для каждого режима объем сэкономленной воды определяется отдельно, а затем значения суммируются.

Ниже приведен порядок расчета экономии воды на примере насосной установки, работающей в трех характерных режимах.

Пример расчета прогнозируемой
экономии воды для насосной установки
с несколькими насосами

Исходные данные:

пять насосных агрегатов Д2000-100 (Q_ном = 2000 м³/ч;H_ном =100 м;_н= 0,77) в комплекте с электродвигателями А13-45-6 (Р_ном = 630 кВт,n_ном = 985 об/мин,_эд = 0,95);

один насосный агрегат Д630-90 (Q = 630 м³/ч, H = 90 м,_н= 0,75) в комплекте с электродвигателем А113-4 (Р_ном = 250 кВт,n_ном = 985 об/мин, _эд = 0,95);

насосная установка работает 8760 часов в году, обеспечивая подачу в диапазоне от Q_м= 2088 м³/ч (0,58 м³/с) до Q_б= 5580 м³/ч (1,55 м³/с);

статическое противодавление в системе
H_п= 55 м;

напор, соответствующий наибольшей подаче Q_б, H_б= 77 м;

объем подаваемой воды за год V_год =
= 33 585 839 м³.

График совместной работы насосов и водовода представлен на рис. 3, из которого видно, что насосная установка работает в трех характерных режимах:

1 – подача от Q_м = Q_м1 = 2088 м³/ч до Q_б1 =
= 3312 м³/ч обеспечивается работой одного насоса Д2000-100. Подаче Q_б1 = 3312 м³/ч соответствует напор H_б1 = 63 м;

2 – подача от Q_м2 = Q_б1 = 3312 м³/ч до
Q_б2 = 4228 м³/ч обеспечивается работой одного
насоса Д2000-100 и одного насоса Д630-90.
Подаче Q_б2 = 4228 м³/ч соответствует напор
H_б2 = 67 м;

3 – подача от Q_м3 = Q_б2 = 4228 м³/ч до Q_б3 =
= Q_б = 5580 м³/ч обеспечивается работой одного насоса Д2000-100 и одного насоса Д630-90.
Подаче Q_б3 = 5580 м³/ч соответствует напор
H_б2 = 77 м.

Регулирование режима работы насосной установки осуществляется изменением количества работающих агрегатов и дросселированием водоразборной арматуры у потребителя (саморегулирование центробежных насосов).

Выводы

Приведенная методика расчета позволяет выполнить оценку экономии воды при использовании регулируемого электропривода для различных вариантов работы насосных установок систем водоснабжения. Результаты расчета достаточно близко совпадают с результатами эксплуатационных наблюдений на реальных объектах (3–5%) [3]. Методика может быть использована для оценки уменьшения сброса сточных вод в канализацию за счет снижения непроизводительных расходов в системе подачи воды.

Список цитируемой литературы

1. Лезнов Б. С. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения. – М., ВИЭСХ, 1980.
2. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. – М., ВНИИ ВОДГЕО, 1987.
3. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных уста­новках. – М.: Энергоатомиздат, 2006.
4. Методика определения неучтенных расходов и потерь воды, разработанная ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и кафедрой водоснабжения Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета (Утв. Приказом Минпромэнерго РФ от 20 декабря 2004 г.): www.Watermagazine.ru/spravrky/pravo/398-2010-17-10-13-48.
5. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975.