bbk 000000

УДК 621.65:62-531.3:628.1/.2

Лезнов Б. С.

Методика оценки эффективности регулируемого электропривода в насосных установках водоснабжения и водоотведения¹

Окончание. Начало см. в № 4, 2011, с. 2; № 5, 2011, с. 48; № 6, 2011, с. 13.

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

5. Прогноз снижения капитальных затрат при укрупнении единичной мощности насосных агрегатов и применении регулируемого электропривода

 

5.1. Основные положения

Применение регулируемого электропривода увеличивает капитальные вложения только в том случае, если он устанавливается в действующей насосной установке.

При строительстве новой или реконструкции существующей установки применение регулируемого электропривода может снизить суммарные капитальные затраты благодаря укрупнению единичной мощности насосных агрегатов и уменьшению их количества [2; 14]. При отсутствии регулируемого электропривода на станциях устанавливают большое количество насосных агрегатов (до 10–12) относительно небольшой мощности. В ряде случаев берут разнотипные насосы или насосы одного типа, но с различными диаметрами рабочих колес. При этом требуются достаточно большие производственные площади для размещения оборудования, усложняются гидравлические схемы насосных станций, требуется большое количество гидромеханической аппаратуры (задвижек, затворов, обратных клапанов).

Регулируемый электропривод дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач и, следовательно, уменьшить их общее количество. Более мощные агрегаты имеют более высокие технико-экономические показатели, в том числе КПД (табл. 5.1).

В работе [14] показано, что линейные размеры насосных агрегатов растут значительно медленнее, чем их мощность и подача. Как известно, габариты машин (электродвигателей, насосов и т. п.) пропорциональны номинальным значениям их вращающего момента:

V = kM,                                 (5.1)

где М –вращающий момент;k – коэффициент пропорциональности.

Выразив значение момента через рабочие параметры насоса и извлекая кубический корень из обеих частей равенства (5.1), получаем зависимость линейных размеров агрегата от его основных технологических параметров:

где Q – подача; H –напор; n – частота вращения рабочего колеса;  η– КПД насосного агрегата.

Полагаем, что для рассматриваемой конкретной установки значения напоров сравниваемых агрегатов примерно одинаковы. Принимаем параметры наименьшего из сравниваемых агрегатов за базовые значения. При этих условиях после некоторых преобразований получаем выражение для определения относительных линейных размеров сравниваемых агрегатов:

где Q_к, n_к, η_к, Q_б, n_б, η_б – номинальныепараметры соответственно укрупненного и базового агрегатов.

Из выражения (5.3) следует, что линейные размеры укрупненного агрегата (по сравнению с базовым агрегатом) увеличиваются в меньшей мере, чем растет его подача. Эта закономерность проверена на отечественных насосных агрегатах серии Д.

По фактическим габаритам агрегатов серии Д, взятым из каталога [9], вычислены их относительные линейные размеры:

где l_к, b_к, h_к, l_б, b_б, h_б – габариты (длина, ширина, высота) соответственно укрупненного и базового агрегатов.

В качестве базового агрегата принятагрегат, укомплектованный насосом Д320-70. Результаты расчета приведены в табл. 5.2.

Линейные размеры насосных агрегатов увеличиваются медленнее, чем растет их подача, поэтому повышение единичной мощности агрегатов позволяет сократить их общее количество и уменьшить габариты зданий, упростить гидравлическую схему станции, сократить количество трубопроводной арматуры, число ячеек в электрическом распределительном устройстве и т. д.

Благодаря оснащению насосных агрегатов регулируемым электроприводом уменьшение количества агрегатов на насосных станциях не снижает оперативных возможностей по изменению их режимов работы, вызванных изменением водопотребления.

Таким образом, применение регулируемого электропривода при определенных условиях не только не увеличивает капитальные вложения, но и несколько их уменьшает (на некоторую величину dK) [14].

Расчеты показали, что применение регулируемого электропривода в сочетании с укрупнением единичной мощности насосного агрегата, в зависимости от назначения станции и других конкретных условий, позволяет снизить приведенные затраты на 20–50% [14].

5.2. Методика расчета приведенных затрат и сроков окупаемости по насосным станциям, оснащенным регулируемым электроприводом укрупненной мощности

Расчет приведенных затрат выполняется в следующей последовательности.

1. Составляются гидравлические и электрические принципиальные схемы сравниваемых насосных установок.

2. Определяется состав основного оборудования сравниваемых установок: количество насосных агрегатов, задвижек, затворов, обратных клапанов, ячеек распределительных устройств, регулирующих устройств (частотных преобразователей и проч.).

3. Определяется компоновка основного оборудования сравниваемых насосных установок.

4. Проводится расчет капитальных затрат для базового и нового вариантов по электрооборудованию K_эл, насосному K_нас и гидромеханическому K_з оборудованию, строительной части K_стр. Стоимость электротехнического и гидромеханического оборудования определяется по прайс-листам фирм и предприятий – изготовителей оборудования. Для предварительной оценки стоимости регулируемого электропривода и дополнительных капитальных затрат, связанных с его применением, могут быть использованы графики, представленные на рис. 5.1 и 5.2. Стоимость строительной части можно определить по укрупненным удельным показателям стоимости строительства насосных станций (например, по данным [15]) с учетом действующих инфляционных коэффициентов пересчета стоимости строительства.

5. Рассчитываются амортизационные отчисления А от стоимости:

электрооборудованияА_эл = А_отн.едK_эл;

насосного оборудования А_нас = А_отн.едK_нас;

гидромеханического оборудования (задвижек, затворов) А_з = А_отн.едK_з;

строительной части насосной станции А_стр = А_отн.едK_стр.

Ориентировочные значения норм амортизационных отчислений для различных видов оборудования (по данным [2]) приведены в табл. 5.3.

6. Определяется потребление энергии W_рег при использовании регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки, кВт·ч:

 

7. Рассчитывается экономия энергии, получаемая при использовании регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки (за счет уменьшения избыточного давления или замены ступенчатого регулирования изменением частоты вращения рабочего колеса насоса). Расчет выполняется с использованием формулы (3.12) из раздела 3.3 настоящей методики.

8. Определяется экономия энергии ∆W_рез, получаемая за счет использования насосных агрегатов укрупненной мощности с более высоким КПД η_круп по сравнению с агрегатами по базовому варианту η_баз, кВт·ч:

∆W = W_рег(1 – η_баз/η_круп),

где η_круп > η_баз.

9. Рассчитывается потребление энергии W_н.рег насосной установки при работе агрегатов по базовому варианту без регулируемого электропривода, кВт·ч:

W_н.рег = W_рег + ∆W_рез + ∆W_η.

10. Вычисляется объем воды, теряемой за счет непроизводительных расходов, при работе в базовом режиме. Этот объем соответствует объему воды, сэкономленной при использовании регулируемого электропривода в системе автоматического управления насосной установки V_эк.год. Расчет выполняется в соответствии с указаниями, содержащимися в главе 4 настоящей методики.

11. Определяется уменьшение объема непроизводительных расходов воды, сбрасываемых в канализацию, при работе в базовом режиме. Расчет выполняется в соответствии с указаниями раздела 4.5 настоящей методики:

V_{ум.сбр.год} = (0,80 -:- 0,85)V_эк.год.

12. Рассчитываются затраты на электроэнергию для базового варианта, руб.:

С_эн.б = W_н.регЦ_эл.эн,

где Ц_эл.эн – тариф на электроэнергию, руб/кВт·ч.

13. Определяются затраты на электроэнергию для нового варианта (с использованием агрегатов укрупненной мощности и регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки), руб.:

С_эн.н = W_регЦ_эл.эн.

14. Рассчитываются затраты на покрытие непроизводительных расходов чистой воды при работе насосной установки без электропривода, руб.:

∆C_Q = Ц_QV_эк.год,

где V_эк.год – экономия чистой воды за год; Ц_Q – стоимость 1 м³ чистой воды, руб/м³.

15. Определяются затраты на обработку и транспорт непроизводительных расходов воды в системе водоотведения (канализации), руб.:

∆C_q = Ц_qV_{ум.сбр.год},

где V_{ум.сбр.год} – уменьшение объема сброшенных стоков в канализацию за год, м³; Ц_q – стоимость перекачки и обработки 1 м³ стоков, руб/м³.

где Е – коэффициент эффективности капитальных вложений, зависит от принятого срока окупаемости дополнительных капитальных вложений: E = 1/T_ок (табл. 5.5).

22. Вычисляется снижение приведенных затрат по новому варианту по сравнению с базовым вариантом:

Срок окупаемости системы автоматизированного управления, оснащенной регулируемым электроприводом, с учетом экономии чистой воды, уменьшения сброса стоков в канализацию, укрупнения единичной мощности насосных агрегатов определяется:

где ∆K =K_РЭП + K_САУ – дополнительные капитальные затраты, связанные с созданием энергосберегающей системы автоматизированного управления на основе использования регулируемого электропривода; dK = K_Σб – K_Σн – снижение капитальных затрат, обусловленное укрупнением единичной мощности насосных агрегатов и уменьшением их количества; ∆С_эн = С_эн.б – С_эн.н – снижение эксплуатационных затрат, обусловленное применением регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки и повышением КПД насосных агрегатов за счет укрупнения их единичной мощности; ∆С_ч.в = ∆C_Q – снижение эксплуатационных затрат, обусловленное снижением избыточных напоров в сети и сокращением непроизводительных расходов воды за счет применения электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки; ∆С_ст.в = ∆C_q – снижение эксплуатационных затрат, обусловленное снижением избыточных напоров в сети и сокращением сброса стоков в канализацию за счет применения электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки; А_э = 0,083 – норма амортизационных отчислений для электрооборудования; А_с = 0,026 – то же, для строительной части.

5.3. Пример укрупнения единичной мощности насосных агрегатов

В [2; 14] на примере одной из проектируемых насосных станций показано, какой экономический эффект дает применение регулируемого электропривода в сочетании с укрупнением единичной мощности агрегатов.

На рис. 5.3 представлены гидравлическая схема и схема размещения оборудования водопроводной насосной станции (в двух вариантах). Номинальная подача станции 260–270 тыс. м³/сут, номинальный напор 70–75 м. Расчетный диапазон регулирования по подаче 1,5–5 м³/с, по напору – 44–73 м.

В первом (базовом) варианте предусматривается установка восьми насосов Д3200-75 мощностью 800 кВт с нерегулируемым электроприводом от синхронных электродвигателей.

Во втором (новом) варианте предусматривается установка пяти насосов Д6300-80 укрупненной мощности (1600 кВт), причем два из них оборудованы регулируемым электроприводом. При сравнении двух вариантов компоновки насосных станций установлено, что строительные размеры здания станции по второму варианту меньше на 15%.

По первому варианту станция имела габариты 72Ч18 м, по второму – 54Ч18 м. При этом существенно упростилась гидравлическая схема: по первому варианту предусматривается 58 единиц трубопроводной арматуры, по второму – 42 единицы. По сложности электрических схем оба варианта незначительно отличаются друг от друга (соответственно 16 и 15 присоединений к шинам распределительного устройства). Сравнение приведенных затрат (в ценах 1988 г.) по обоим вариантам представлено в табл. 5.4.

Результаты расчета [2; 14] показывают, что капиталовложения по электрической части из-за применения регулируемого электропривода возросли в 1,7–1,8 раза. По гидромеханической части капиталовложения практически не изменились. По строительной части они уменьшились на 20%. Приведенные затраты по второму варианту с учетом экономии электроэнергии, воды и капиталовложений уменьшились на 41,9%. Применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вторичные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания.

Аналогичные расчеты, выполненные для других объектов, показали, что приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20–50%.

Особое внимание следует обратить на целесообразность укрупнения единичной мощности насосных агрегатов в реконструируемых установках при увеличении их производительности. Расчеты, выполненные для ряда объектов, свидетельствуют о том, что таким образом может быть увеличена производительность насосных станций без расширения их производственных площадей.

6. Пример использования методики оценки эффективности регулируемого электропривода в системе автоматизированного управления насосной установки

6.1. Исходные данные и постановка задачи

Исходные данные. Насосная установка включает:

пять насосных агрегатов Д2000-100б (Q = 1800 м³/ч,H = 80 м,η_н = 0,77) с электродвигателями А13-45-6 (Р_ном = 630 кВт,n_ном = 985 мин^–1,η_эд = 0,95);

один насосный агрегат Д630-90 (Q = 630 м³/ч,H = 90 м,η_н = 0,75) с электродвигателем А113-4 (Р_ном = 250 кВт,n_ном = 1450 мин^–1,η_эд = 0,95).

Насосная установка работает 8760 часов в году, обеспечивая подачу в диапазоне от Q_м = 2000 м³/ч (0,56 м³/с) до Q_б = 5150 м³/ч (1,43 м³/с). Статическое противодавление в системе H_п = 54 м. НапорH_б, соответствующий наибольшей подаче Q_б, равен 73 м. Объем подаваемой воды за год V_год = 31 317 тыс. м³/год. Годовое энергопотребление насосной установки W_год = 8 935 256 кВт·ч.

Из графика совместной работы насосов и водовода (рис. 6.1) видно, что насосная установка работает в трех характерных режимах. Поэтому объем сэкономленной воды следует определять для каждого режима отдельно, а затем суммировать их для определения экономии воды за год.

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

Постановка задачи: определить эффективность применения системы автоматического управления режимом работы по напору в диктующей точке на основе применения регулируемого электропривода вместо существующего способа регулирования работы насосной установки.

6.2. Определение экономии энергии при замене существующего способа регулирования стабилизацией давления в диктующей точке сети с помощью системы автоматизированного управления, оснащенной регулируемым электроприводом

Относительная минимальная подача:

гдеТ_год = 8760 ч – число часов работы в год; w_д^* – относительная экономия энергии при замене дросселирования изменением частоты вращения рабочего колеса насоса;  ζ = 0,020,03 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери в приводе; η_эд =0,95– номинальное значение КПД электродвигателя; η_пр =0,98– номинальное значение КПД частотного преобразователя.

Прогнозируемая экономия энергии:

6.3. Определение экономии воды

Из графика совместной работы насосов и водовода, представленного на рис. 6.1, видно, что насосная установка работает в трех характерных режимах. Параметры каждого режима приведены в табл. 6.1.

Решение. Объем сэкономленной воды определяем для каждого режима отдельно.

С использованием полученных зависимостей и приемов расчета может быть выполнена оценка экономии воды при использовании регулируемого электропривода для различных вариантов работы насосных установок водоснабжения.

6.4. Окупаемость регулируемого электропривода в насосной установке

Стоимость сэкономленной электроэнергии:

∆C_W = Ц_W∆W = 1,35·890 700 = 1 202 445 руб.,

где ∆W – экономия электроэнергии за расчетный период (год), кВт·ч; Ц_W – тариф на электроэнергию на рассматриваемом объекте (1,35 руб/кВт·ч).

Стоимость сэкономленной чистой воды:

∆C_Q = Ц_QV_эк.год = 3,2·1 771 835,1 = 5 669 872,5 руб.,

где V_эк.год – объем сэкономленной за год воды, м³; Ц_Q – стоимость воды (3,2 руб/м³).

Стоимость перекачки и обработки уменьшенного объема стока, сбрасываемого в канализацию:

∆C_q = Ц_qV_{ум.сбргод} = 2,2·1 417 468 = 3 118 429,9 руб.,

где V_{ум.сбр.год} – уменьшение объема сброшенных стоков в канализацию за год, м³; Ц_q – стоимость перекачки и обработки стоков (2,2 руб/м³).

Снижение эксплуатационных расходов за расчетный период:

∆C = ∆C_W + ∆C_Q + ∆C_q = 1 202 445 + 5 669 872,5 + 3 118 429,9= 9 990 747,4 руб.

Дополнительные капитальные затраты ∆K определяем ввиду отсутствия проектно-сметной документации по укрупненным показателям с помощью графика на рис. 5.2 в соответствии с принципиальными техническими решениями.

Полагаем, что на станции регулируемым приводом оснащается один агрегат (№ 1) с возможностью переключения его во время ремонта на агрегат № 2 и наоборот.

Согласно графикам (рис. 5.2), дополнительные капитальные затраты при использовании регулируемого электропривода номинальной мощностью 630 кВт составляют:

∆K = 100 000 евро ≈ 4 200 000 руб.

Дополнительные амортизационные отчисления, обусловленные использованием электропривода в насосной установке:

∆A = А∆K = 0,083·4 200 000 = 348 600 руб.,

где ∆A = A%/100 – амортизационные отчисления от капитальных вложений, относительные единицы; A =8,3% – норма амортизационных отчислений для электротехнического оборудования.

Расчетный ожидаемый срок окупаемости системы автоматического управления, оснащенной регулируемым электроприводом, равен с учетом экономии воды:

Выводы. Расчеты показывают, что в рассматриваемой насосной установке создание энергосберегающей системы автоматического управления на основе применения регулируемого электропривода окупается в достаточно разумные сроки (Т_ок ≈ 4–5 лет), даже без учета экономии воды. Таким образом, применение регулируемого электропривода в данной установке следует считать эффективным.

 

7. Оценка фактической эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках

В реальной действующей насосной установке невозможно воспроизвести режим работы, соответствующий условиям расчета годовой экономии энергии и воды, поскольку эти показатели определяются интегрально для всех возможных режимов работы насосной установки в расчетный период. Поэтому фактическая эффективность системы автоматизированного управления, оснащенной регулируемым электроприводом, определяется по результатам периодических эксплуатационных наблюдений за работой насосной установки в течение года после внедрения электропривода.

7.1. Определение фактической экономии энергии

Определение фактической экономии энергии осуществляется следующим образом. Сравниваются недельные режимы работы установки, следующие друг за другом. В первую и третью недели установка работает без использования системы автоматизированного управления, а во вторую и четвертую – с ее использованием. При этом еженедельно фиксируется количество энергии, израсходованной на подачу воды, W₁, W₂, W₃, W₄, и количество воды, поданной за те же промежутки времени, Q₁, Q₂, Q₃, Q₄. После этого вычисляются удельные расходы за периоды работы без системы автоматизированного управления W_б.р и с ней W_р:

где W_факт – фактический годовой расход энергии при работе с системой автоматизированного управления; ∆W_с.г^* – среднегодовая экономия энергии в относительных единицах.

Если насосная станция в расчетный период работала с системой автоматизированного управления не весь год, то экономия энергии соответственно пересчитывается:

где T_р, T_б.р – время работы установки соответственно с системой автоматизированного управления и без нее.

7.2. Определение фактической экономии воды

Оценка экономии воды, обусловленной использованием системы автоматизированного управления, осуществляется следующим образом. В установившемся режиме работы насосной установки частота вращения рабочего колеса насоса изменяется таким образом, чтобы изменение давления ∆H соответствовало примерно значению избыточного напора, снимаемого с помощью системы автоматизированного управления.

При этом фиксируются: изменение давления ∆H, изменение расхода ∆Q и значение расхода Q.
Этот эксперимент повторяется 5–6 раз, затем вычисляется среднее значение отношения:

где Q_факт –фактический годовой расход насосной установки, м³; ∆H_факт – фактическое снижение давления по данным эксплуатационных наблюдений за расчетный период.

Полагая, что фактический годовой расход равен объему воды, поданному за год (Q_факт ≈ V_год),
определяем фактическую экономию воды, м³/год:

V_{факт.эк.год} ≈ ∆Q_факт.                        (7.10)

Заключение

Изложенная выше методика оценки эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках разрабатывалась с начала 1960-х годов, когда возникла необходимость оценить техническую возможность и целесообразность применения регулируемого электропривода в системах водоснабжения и водоотведения.

В дальнейшем методика корректировалась, совершенствовалась, дополнялась, проверялась на действующих объектах. Опыт ее применения более чем на 50 различных насосных установках во многих регионах страны показал, что она позволяет надежно и объективно прогнозировать технико-экономические показатели эффективности применения регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок с достаточно высокой точностью. Обычно фактическая экономия энергии и воды превышает расчетные значения на 5–10%.

После соответствующего обсуждения среди специалистов водопроводно-канализационного хозяйства и внесения соответствующих корректив предлагаемая методика может быть принята в качестве общероссийской методики, рекомендуемой для использования проектными организациями и Водоканалами страны. Она также может быть использована при проведении энергетического и технологического аудитов предприятий водного хозяйства.

 

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. Ильинский Н. Ф., Шакарян Ю. Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. – М., АО ВНИИЭ, МЭИ, 1997.
4. ВРД-39-1-052-2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВт. –М., ОАО «Газпром ВНИИГАЗ», 2001.
5. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006.
6. Лезнов Б. С. Опыт регулирования центробежного насоса электромагнитной муфтой // Водоснабжение и сан. техника. 1965. № 5.
7. Лезнов Б. С. Регулирование насосных агрегатов с помощью электромагнитной муфты // Водоснабжение и сан. техника. 1962. № 1.
8. Лезнов Б. С. Экономия электроэнергии в приводе центробежного насоса, регулируемого электромагнитной муфтой скольжения: Сб. техн. информ. – М., ЦВП МО СССР, 1964. № 11 (23).
9. Лезнов Б. С., Воробьева Н. П. Снижение материалоемкости и стоимости насосных станций // Водоснабжение и сан. техника. 1988. № 1.
10. Лезнов Б. С. Воробьев С. В. Оценка экономии воды при использовании РЭП в насосных установках систем водоснабжения // Водоснабжение и сан. техника. 2010. № 9.
11. Методика определения неучтенных расходов и потерь воды, разработанная ГУП «Водоканал Санкт-Петербург» и кафедрой водоснабжения Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета, утвержденная приказом Минпромэнерго РФ 20 декабря 2004 г.
12. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975.
13. Пособие по водоснабжению и канализации городских и сельских поселений (к СНиП 2.07.01-89). – М., ЦНИИЭП инженерного оборудования, ЦИТП, 1992.
14. Белозоров Н. П., Луговской М. В. Расчет систем водоснабжения с применением вычислительной техники. – М.: Колос, 1973.
15. Ильин В. Г. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. – Киев: Госстройиздат УССР, 1963.
16. Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. – М.: Энергия, 1972.
17. Волобринский С. Д., Каялов Г. М., Клейн П. Н. и др. Электрические нагрузки промышленных предприятий. – Л.: Энергия, 1971.
18. Центробежные насосы двустороннего входа: Каталог. – М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1982.