bbk 000000

УДК 628.1.2:658.26.004.18

Усачев А. П., Карпов Н. В.

Повышение энергоэффективности насосных установок в системах водоснабжения и водоотведения

Аннотация

Рассматривается один из способов повышения энергоэффективности насосных установок в системах водоснабжения и водоотведения, который успешно внедряется в МУП г. Новосибирска «Горводоканал». Речь идет о внедрении высоковольтных станций частотного управления насосными агрегатами напряжением питания 6–10 кВ. Приведены варианты частотного регулирования и опыт их внедрения на насосных станциях. Опыт эксплуатации станций частотного управления показывает их высокую эффективность не только в экономии электроэнергии, но и по остальным эксплуатационным показателям, в частности, по обеспечению стабильного и гарантированного водоснабжения всех потребителей.

Ключевые слова

система водоснабжения , энергоэффективность , система водоотведения , высоковольтные станции частотного регулирования насосными агрегатами

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Водопроводно-канализационное хозяйство является энергоемким производством. В себестоимости продукции Водоканалов затраты на электроэнергию достигают 25% и более. Основная доля потребления электроэнергии приходится на подъем и перекачивание воды водопроводными и канализационными насосными станциями. Традиционно регулирование параметров работы насосных установок (расхода, напора) на многих объектах до настоящего времени осуществляется путем дросселирования. В результате потери энергии достигают 20–25%, а при неправильном выборе насосов – до 30–40%.

Одним из основных направлений повышения энергоэффективности насосных агрегатов в условиях технической модернизации систем водоснабжения и водоотведения является применение частотно-регулируемых электроприводов. В МУП г. Новосибирска «Горводоканал» они успешно внедряются с середины 1990-х годов как на водопроводных, так и на канализационных насосных станциях. Рассмотрим принцип повышения энергоэффективности на примере работы одной из насосных станций.

На рис. 1 приведена упрощенная схема работы водопроводной насосной станции с одним насосным агрегатом Д3200-75 и напорной задвижкой. В данном примере насосная станция подает воду в сеть потребителя с расходом Q = 3000 м³/ч и с напором H = 55 м вод. ст. При регулировании дросселированием рабочая точка насоса находится на его паспортной характеристике. При подаче 3000 м³/ч напор, создаваемый насосом, равен H_НА = 77 м вод. ст. После насоса напор будет составлять 79,5 м вод. ст. (с учетом напора во всасывающем трубопроводе 2,5 м вод. ст.). Для получения требуемого напора 55 м вод. ст. задвижка на напорном трубопроводе должна быть прикрыта так, чтобы погасить избыточный напор, равный H_НЗ = 24,5 м вод. ст. При этом потребляемаянасосоммощностьN_НА = 715 кВт (КПД насоса 0,88). Потери мощности на напорной задвижке составят N_НЗ = 200,3 кВт.

При частотном регулировании напорная задвижка полностью открыта (H_НЗ = 0). Соответственно насос должен создавать напор 52,5 м вод. ст. С учетом изменения КПД насосного агрегата в новой рабочей точке потребляемаянасосоммощностьбудетравна 482 кВт. Разница потребления мощности в этих режимах 233 кВт, т. е.потеримощностивданномпримересоставляют 32%.

В настоящее время частотно-регулируемые электроприводы успешно применяются как на водопроводных, так и на канализационных (со ступенчатым режимом работы) насосных станциях. Опыт внедрения и эксплуатации таких электроприводов в течение более чем 12 лет реально подтверждает эффективность частотного регулирования во всех случаях его применения: всистемеводоснабжения снижается потребление электроэнергии; оптимизируются режимы работы водопроводной сети; сокращаются потери воды; повышается ресурс работы основного оборудования; сокращаются порывы трубопроводов; всистемеводоотведения – повышается ресурс работы всех составных частей технологического оборудования, системы электроснабжения и управления (за счет резкого снижения нагрузок на все элементы насосной станции вследствие исключения ступенчатого режима работы); сокращаются эксплуатационные расходы; в отдельных случаях снижается потребление электроэнергии.

Максимальная единичная мощность частотно-регулируемых электроприводов, установленных до 2008 г., составляла 250 кВт (0,4 кВ). Однако основную долю потребления электроэнергии составляют магистральные насосные станции водоснабжения: первого, второго, третьего подъема, а также канализационные насосные станции. В большинстве случаев они оснащены насосными агрегатами с электродвигателями напряжением 6–10 кВ и мощностью 315–2500 кВт. В 2008 г. было внедрено частотное регулирование на водопроводной насосной станции четвертого подъема насосно-фильтровальной станции № 3 (НФС-3) мощностью 500 кВт (6 кВ): комплект оборудования на базе станции частотного управления серии ВСЧ500-ДТС производства ООО «Сибирь-мехатроника» (рис. 2).

Это первый случай внедрения системы частотного регулирования высоковольтными электродвигателями (6 кВ). Основная цель – апробирование частотного регулирования в комплексе с локальной автоматикой на магистральных насосных станциях, а также оценка эффективности, надежности и эксплуатационных показателей. Эффективность результатов внедрения превысила ожидаемую. В 2009 г. были исследованы режимы работы основных крупных насосных станций водоснабжения и сделана оценка непроизводительных затрат электроэнергии (таблица). На основании полученных данных была разработана программа внедрения систем частотного регулирования и подготовлена проектно-сметная документация. В настоящее время введена в эксплуатацию система частотного регулирования на насосной станции второго подъема НФС-3 и ведутся монтажные работы на втором подъеме НФС-1.

При принятии основных проектных решений были рассмотрены практически все возможные варианты частотного регулирования, начиная от установки преобразователей частоты в цепь каждого электродвигателя до установки только на один электродвигатель. Первый вариант обеспечивает наиболее выгодный (по энергетическим затратам) режим работы, второй является наиболее дешевым. В конечном итоге в каждом конкретном случае был принят свой компромиссный вариант. Определяющим фактором явилось наличие свободного места для установки оборудования в помещениях.

На рис. 3 приведена функциональная схема, принятая для насосной станции второго подъема НФС-3 (комплект оборудования на базе станции частотного управления серии ВСЧ500-ВПЧА производства ООО «Сибирь-мехатроника»).

Преобразователи частоты установлены в разрывы цепей питания двух электродвигателей. Электроприводы напорных задвижек всех насосных агрегатов оснащены блоками управления серии СР210 (на схеме – ШУ3), что обеспечивает возможность параллельной работы насосных агрегатов с частотным регулированием и без него (рис. 4). Блоки СР210 работают в автоматическом режиме, исключающем перегрузку насосного агрегата (по току электродвигателя насосного агрегата).

При изменении расхода рабочая точка насоса НА1 перемещается попрямой пропорционально изменению расхода, а рабочая точка насоса НА2 зафиксирована на характеристике, заданной положением напорной задвижки, в точке, соответствующей H = H_треб. Положение напорной задвижки автоматически регулируется блоком СР210 таким образом, чтобы ток приводного электродвигателя насоса НА2 был равен заданному значению (обычно близкому к номинальному).

Автоматическое управление насосным оборудованием и контроль за его работой, включая задвижки, осуществляется с помощью технологического контроллера СТК500 (рис. 5) и соответствующего комплекта датчиков.

Выводы

На сегодняшний день высоковольтные станции частотного управления внедрены на двух водопроводных насосных станциях г. Новосибирска. Экономия электроэнергии составляет в среднем 30%. Срок окупаемости не превышает двух лет. Опыт эксплуатации станций частотного управления показывает их высокую эффективность не только в экономии электроэнергии, но и по остальным эксплуатационным показателям: аварийность, потери воды, повышение ресурса работы оборудования.