по курсу «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» «Автоматизация технологических процессов (стр. 5 из 10)
, (2.11)где Р – мощность, кВт; Q – подача, м3/с; Н – напор, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; ρ – плотность жидкой среды, кг/м3; η – КПД насоса.
На рис. 2.5 показаны характеристики производительности центробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании. Кривая 1 характеризует работу нерегулируемого электропривода на номинальной частоте вращения, кривая 3 характеризует работу магистрали при полностью открытой заслонке. Значения расхода и напора воды приведены на рис. 2.5 в относительных единицах при использовании в качестве базовых величин номинального расхода Qном и номинального напора Нном. При номинальном расходе и напоре насос работает в точке А, а мощность, потребляемая насосом, пропорциональна площади прямоугольника 0KAL. С уменьшением расхода при нерегулируемом электроприводе (на рис. 2.5 для примера показан расход воды, составляющий 0,6Нном) за счёт дроссельного регулирования происходит изменение сопротивления магистрали (кривая 4), насос работает в точке В кривой 1, что приводит к возрастанию напора, который становится больше номинального, а мощность насоса, пропорциональная площади прямоугольника 0DBF, несущественно отличается от мощности, потребляемой при номинальном расходе, следовательно, и энергопотребление при уменьшенном расходе изменяется незначительно или практически не изменяется.
Рис. 2.5. Характеристики производительности центробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании.
На то обстоятельство, что при дроссельном регулировании расхода (подачи) воды возрастает напор (давление) в системе и практически не удаётся снизить энергопотребления, следует обратить особое внимание. Экспериментальные данные по структуре себестоимости перекачки 1 м3 воды по годам показаны на рис. 2.6 [3]. Диаграмма наглядно подтверждает увеличение доли электроэнергии в общих затратах на поднятие и перекачку воды. Учитывая, что возрастание стоимости электроэнергии носит опережающий характер по сравнению со стоимостью других затрат, проблема энергосбережения при работе насосов холодного и горячего водоснабжения приобретает первостепенный характер. Дополнительным аргументом в пользу необходимости внедрения на насосных станциях энергосберегающих технологий являются существенные потери (утечки) воды в системе водоснабжения, чему способствует повышение давления (напора) в системе при дроссельном регулировании насосов. В пользу этого говорят и конкретные цифры, приведенные в табл. 2.2, в которой показан расход воды в России на одного жителя [3].
Рис. 2.6. Доля электроэнергии (□) в себестоимости перекачки 1 м3 воды.
Таблица 2.2
Расход воды на одного человека в России и сопутствующие ему потери
| Год | Расход воды на одного человека, л/сут | Потери, % | |
| Всего | В том числе горячей | ||
| 1994 | 235 | 100 | 65 |
| 1999 | 400 | 160 | 40 |
Таким образом, приведенные соображения объективно подтверждают необходимость перехода от систем дроссельного регулирования насосных агрегатов к системам автоматического управления ими путем автоматического поддержания необходимого технологического параметра, в частности, напора (давления) при изменяющемся расходе воды за счет применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов [5, 7, 8, 9].
Возможности энергосберегающего управления при регулировании скорости электропривода по сравнению с дроссельным регулированием проиллюстрированы на рис. 2.5. За счет уменьшения скорости насос работает при снижении расхода в точке С на кривой 2 при неизменной характеристике магистрали (кривая 3). Мощность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорциональна площади прямоугольника 0ECF, что наглядно иллюстрирует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов. Наряду с этим уменьшается при снижении расхода воды и напор в системе, что приводит к уменьшению потерь (утечек) воды.
Приведем методики для приближенной сравнительной оценки энергопотребления при изменении подачи центробежных насосов за счет дроссельного регулирования (ДР) и частотного регулирования (ЧР) скорости АД насоса [6].
Как указывалось выше, установившийся режим работы насосной установки при постоянной скорости приводного электродвигателя определяется точкой пересечения характеристики насоса, соответствующей этой частоте, и характеристики магистрали, подключенной к насосу. Характеристикой насоса является зависимость напора Н от расхода Q, которую с достаточной степенью точности можно представить в виде:
, (2.12)где Н0н – напор насоса при Q = 0 и ω = ωном; ωном – номинальная скорость электродвигателя; С – конструктивный коэффициент насоса, С = (Н0н-Нном)/Qном2; Qном и Нном – номинальные расход и напор.
Характеристика магистрали определяется следующим выражением:
, (2.13)где Нс – статический напор (противодавление), соответствующий Q = 0 (закрытой задвижке); R – коэффициент сопротивления магистрали, R=(Нном-Нс)/Qном2.
Характеристики способов регулирования центробежного насоса и магистрали приведены на рис. 2.7.
Мощность, потребляемая насосной установкой из сети:
,где Рмех – мощность на валу двигателя насоса, Рмех = Мсω; Мс – статический момент нагрузки на валу двигателя; η1 – КПД двигателя.
Регулирование подачи дроссельной заслонкой основано на изменении сопротивления магистрали. В этом случае при ω = ωном = const рабочая точка механизма перемещается по Q–Н-характеристике, соответствующей номинальной скорости двигателя, в сторону снижения подачи до точки пересечения с новой характеристикой магистрали (точки 1, 2, 3 на рис. 2.7).
При электрическом способе регулирования подачи рабочая точка перемещается по неизменной характеристике магистрали (точки 4, 5, 6, 7 на рис. 2.7). При этом с уменьшением подачи уменьшается и требуемый напор, что приводит к снижению статической мощности, необходимой для работы насоса с заданным расходом воды, по сравнению с дроссельным регулированием.
Рис. 2.7. Характеристики способов регулирования центробежного насоса:
1, 2, 3 – рабочие точки при дроссельном регулировании подачи; 4, 5, 6, 7 – рабочие точки при регулировании подачи за счет изменения частоты вращения двигателя
Рассмотрим КПД двигателя при различных способах регулирования подачи без учета потерь в стали и потерь от тока холостого хода.
При частотном управлении, осуществляемом при постоянстве абсолютного скольжения,
,где Sном – номинальное скольжение двигателя; а – отношение активных сопротивлений фазы статора R1 и ротора R’2, a = R1/R’2.
При регулировании дроссельной заслонкой, когда ω = ωном = const, КПД двигателя постоянный и вычисляется по формуле η1 = (1-Sном)/(аSном+1).
Чтобы получить расчётные выражения в функции от расхода, скольжение двигателя можно выразить через расход. Для этого в формуле (2.12) заменим (ω/ωном)2 на [(1-S)/(1-Sном)]2 и, решив его совместно с выражением (2.13) относительно S, получим
, (2.14)где hc = Hc/H0н; Q* = Qном;
.Зависимость выраженного в относительных единицах момента на валу турбомеханизма при работе его на сеть с постоянными параметрами имеет вид
, (2.15)где μ – относительный момент на валу турбомеханизма, μ = М/Мсmax (Мсmax – максимальный статический момент на валу механизма, который имеет место при ω= =ωном); μ0с – статический момент на валу (М0с) при Q* = 0 (закрытой задвижке), выраженный в относительных единицах, μ0с = М0с/Мсmax.
Выражения (2.14) и (2.15) позволяют выразить момент, КПД, скорость и мощность, потребляемую из сети, в функции от расхода воды при заданном противодавлении. Для универсального использования расчётных формул целесообразно определять мощность Р1 в относительных единицах (Р1* = Р1/Рб), приняв в качестве базового значения мощности Рб максимальную статическую мощность на валу двигателя Рсmax при ω = ωном, т.е. Рб = Рсmax= Мсmaxωном.