Вестник игэу вып. 4 2014 г

Скачать 159.23 Kb.

Название	Вестник игэу вып. 4 2014 г
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

 «Вестник ИГЭУ» Вып. 4 2014 г.

УДК 621.65

Моделирование режимов эксплуатации насосных станций, оборудованных центробежными насосами с разными характеристиками
Н.Н. Елин¹, В.Е. Мизонов², А.В. Цыплов¹, М.В. Исаев³

¹ ФГБОУВПО «Ивановский государственный политехнический университет», г. Иваново, Российская Федерация

² ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,

г. Иваново, Российская Федерация

³ ООО «Эксперт Энерго», г. Москва, Российская Федерация

E-mail: mizonov46@mail.ru
Авторское резюме
Состояние вопроса: В настоящее время при расчете и оптимизации режимов работы насосных станций, оборудованных насосами разного типоразмера, используются среднеарифметические коэффициенты полиномов, аппроксимирующих рабочие характеристики насосов, что может вносить значительную погрешность и приводить к повышенному энергопотреблению. В связи с этим необходимо создание математической модели таких насосных станций, учитывающей характеристики каждого насоса, и использование их для минимизации энергопотребления.

Материалы и методы: Предлагаемая математическая модель процесса основана на решении системы уравнений, описывающих действительные напорно-расходные характеристики насосов и трубопроводной сети.

Результаты: Разработана математическая модель насосной станции, оборудованной центробежными насосами с разными характеристиками, и ее компьютерная реализация. Показано, что максимальное сокращение энергопотребления такой станции достигается при последовательном регулировании насосов с учетом величины статического напора сети.

Выводы: Предложенная математическая модель процесса и алгоритм ее численной реализации позволяют повысить точность расчетных прогнозов режимов работы насосных станций, оборудованных насосами разного типоразмера, и их энергетическую эффективность.
Ключевые слова: насос, насосная станция, напор, производительность насоса, напорно-расходная характеристика, частотное регулирование, глубина регулирования, энергопотребление.

Modeling of operating regimes of pump stations equipped with centrifugal pumps of different characteristics
N.N. Yelin¹, V.E. Mizonov², A.V. Tzyplov¹, M.V. Isaev³

¹ Ivanovo State Polytechnic University, Ivanovo, Russian Federation

² Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation

³ Joint-stock company «Expert Energo», Moscow, Russian Federation

E-mail: mizonov46@mail.ru
Abstract
Background: At present, in order to calculate and optimize operating regimes of pump stations equipped with pumps of different dimension type the arithmetic mean coefficients of polynomials that approximate operating characteristics of the pumps are used. It can lead to considerable errors and increased energy consumption. Actuality of the work is in building a mathematical model of pump station that takes into account characteristics of each pump, and in using it to minimize the energy consumption.

Materials and methods: The proposed mathematical model is based on solution of a set of equations that describes the head-capacity characteristics of the pumps and a pipeline system.

Results: A mathematical model of pump station equipped with centrifugal pumps of different characteristics and its computer realization are developed. It is shown that the maximum reduction of energy consumption to a pump station, equipped with pumps of different characteristics, can be reached by co-current control of the pumps taking into account the static pressure in a hydraulic network.

Conclusions: The proposed model of the process and algorithm for calculation allow improving the accuracy of computational prognosis of operating regimes of pump stations, equipped with pumps of different characteristics, and their energy efficiency.
Key words: pump, pump station, fluid head, pump delivery, head-pump capacity characteristics, frequency control, depth of control, energy consumption

Одна из проблем эксплуатации насосных станций, оборудованных насосами разных типоразмеров, заключается в отсутствии адекватных методов расчета напорно-расходных характеристик параллельно включенных центробежных насосов с разными характеристиками. Например, в известном ПК ГИС-Zulu [1] предлагается использовать среднеарифметические величины коэффициентов полиномов, аппроксимирующие напорно-расходные характеристики насосов. В других источниках [2–8] рекомендуется пользоваться графическими методами сложения характеристик.

Рассмотрим параллельную работу двух насосов с напорно-расходными характеристиками

H₁(Q) = H₀₁ – a₁Q², (1)

H₂(Q) = H₀₂ – a₂Q², (2)

на сеть с характеристикой

H_p(Q) = H₀_p + a_pQ². (3)

При их параллельном включении напорно-расходная характеристика имеет следующий вид:

HS(Q) = H₁(Q), если H₁(Q) > H₀₂, (4)

HS(Q) = H₀₂ – a_m(Q – Q_k)², если H₁(Q) ≤ H₀₂, (5)

где a_m = H₀₂/(Q_m₁ + Q_m₂ – Q_k)²; (6)

Q_m₁ и Q_m₂ – максимальные подачи первого и второго насосов (при их нулевых напорах);
Q_k – производительность большего насоса при включении в работу меньшего при условии H₁(Q) = H₀₂:

(7)

(8)

(9)

На рис. 1 представлены результаты расчетов по предлагаемой методике (1)–(9) и по методике, используемой в ПК ГИС-Zulu [1]. Очевидно, что результаты, полученные по предлагаемой методике, полностью соответствуют действительности, так как удовлетворяют известным правилам [2–8]:

– насос с меньшим напором холостого хода (H₀₂) включается в работу только тогда, когда требуемый напор группы насосов больше этой величины H₀₂;

– суммарная производительность параллельно работающих насосов равна сумме их подач.

Результаты, полученные на основе методики Zulu [1], не удовлетворяют этим правилам, и поэтому использование этой и ей подобных методик может привести к грубым ошибкам.

При параллельной работе насосов разного типоразмера одной из актуальных задач является поиск параметров регулирования их подачи, при котором энергетические затраты на подачу воды минимальны. В последние годы все большее распространение получает метод частотного регулирования как самый энергетически эффективный. Известно, что энергетическая эффективность группы совместно работающих насосов повышается при увеличении степени равномерности их загрузки [9]. Этому условию соответствует такое уменьшение частоты вращения вала насоса большего типоразмера, при котором напор его холостого хода становится равным напору холостого хода насоса меньшего типоразмера. При этом глубину регулирования частоты вращения этого «большего» насоса (отношение частоты вращения при ее регулировании к номинальной частоте) можно определить как [10–12]

(10)

Характеристика насоса с исходной характеристикой H(Q) = H₀ – aQ² при изменении частоты вращения рассчитывается по формуле

H(Q) = H₀·np² – aQ², (11)

где np – глубина регулирования.

Рис. 1. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети: H₁(Q) – напорно-расходная характеристика первого насоса; H₂(Q) – напорно-расходная характеристика второго насоса; HS(Q) – напорно-расходная характеристика группы насосов, рассчитанная по предлагаемой методике; HSZ(Q) – напорно-расходная характеристика группы насосов, рассчитанная по методике Zulu [1]; H_p(Q) – гидравлическая характеристика сети
На рис. 2 представлены результаты расчетов характеристик группы насосов и сети для данного случая, а на рис. 3 – для случая уменьшения частоты вращения обоих насосов на 10 % (по сравнению с теми, которые соответствуют характеристикам, представленным на рис. 2). Обозначения на рис. 2 и 3 такие же, как на рис. 1.
Р

ис. 2. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети при глубине регулирования частоты вращения насоса большего типоразмера, рассчитанной по (10)
Р

ис. 3. График совместной работы двух насосов разных типоразмеров и сети при глубине регулирования частоты вращения: насоса большего типоразмера – на 0,9·np₁₀; насоса меньшего типоразмера – на 0,9·np₂₀

Еще одной важной проблемой является учет влияния статического напора сети, в которую подает жидкость насосная станция [10]. Рассмотрим работу насосной станции с напорно-расходной характеристикой (11) на сеть с гидравлической характеристикой (3). Полагая, что при отсутствии частотного регулирования (np = 1) производительность равна Q₀, получим систему двух уравнений:

H₀ – aQ₀² = H₀_p + a_pQ₀ ², (12)

H₀·np² – aQ² = H₀_p + a_pQ², (13)

решая которую, найдем зависимость глубины регулирования частоты от глубины регулирования подачи q = Q/Q₀:

(14)

На рис. 4 представлены результаты расчетов по формуле (14), которые позволяют оценить влияние статического напора сети. Хорошо видно, что при его увеличении требуемая глубина регулирования подачи уменьшается (параметр np увеличивается), что приводит к увеличению энергозатрат. Кроме того, для каждого значения статического напора сети существует определенная частота вращения вала, при которой насос работает на холостом ходу. Эту частоту можно найти путем умножения исходной частоты вращения на величину отрезка, отсекаемого кривой np(Q), рассчитанной для данного статического напора сети, на оси ординат.

Рис. 4. Зависимость глубины регулирования частоты насоса от требуемой глубины регулирования подачи (напор холостого хода насоса 80 м в. ст.) при различных значениях статического напора сети: nv0 – 0; nv5 – 5; nv10 – 10; nv20 – 20 м в. ст.

Предлагаемая методика использовалась при оптимизации режимов эксплуатации насосного оборудования на одной из ТЭЦ Мосэнерго. В качестве примера в табл. 1 представлены результаты расчетов энергетических показателей группы конденсатных насосов КНБ-1 при различных способах регулирования подачи.

Анализ результатов, представленных в табл. 1, показывает:

1. В рассматриваемом случае работа двух насосов всегда энергетически неэффективна по сравнению с работой одного насоса. Это объясняется тем, что рабочая точка находится на «горизонтальном» участке напорно-расходной характеристики.

2. Самым энергетически эффективным, как и следовало ожидать, является способ частотного регулирования, а самым неэффективным – метод рециркуляции. Высокая эффективность частотного регулирования в рассматриваемом случае объясняется большой требуемой глубиной регулирования частоты.

3. Включение второго насоса при использовании частотного регулирования не приводит к снижению энергетической эффективности способа, однако при этом требуется некоторое увеличение глубины регулирования.

Таблица 1. Энергетические показатели группы конденсатных насосов КНБ-1 при различных способах регулирования подачи

Схема работы	Способ регулирования	Наименование показателя
Схема работы	Способ регулирования	Мощ-ность, кВт	УРЭ, кВтч/м³	КПД, %	Экономия энергии от применения ЧРП, %
А	рециркуляция	272	1,236	36,3	81,2
	дросселирование	188	0,853	47,3	72,8
	ЧРП (np = 0,602)	51	0,232	49,3	-
Б	рециркуляция	301	1,368	31,0	83,7
	дросселирование	174	0,792	57,7	79,1
	ЧРП (np = 0,590)	49	0,223	56,5	-
В	рециркуляция	300	1,368	26,7	83,5
	дросселирование	175	0,796	48,7	71,7
	ЧРП (np = 0,592)	50	0,225	47,8	-
А+Б	рециркуляция	464	2,107	53,9	89,0
	дросселирование	294	1,335	34,3	82,8
	ЧРП (np = 0,591)	50	0,229	51,6	-
А+В	рециркуляция	464	2,108	49,4	89,1
	дросселирование	294	1,338	31,3	82,7
	ЧРП (np = 0,522)	51	0,231	47,1	-
Б+В	рециркуляция	468	2,126	53,2	89,7
	дросселирование	276	1,253	34,7	82,5
	ЧРП (np = 0,520)	48	0,220	52,3	-

4. При работе одного насоса значения КПД при регулировании подачи дросселированием и при ее регулировании изменением частоты вращения вала приблизительно одинаковы и значительно превышают значения КПД при регулировании рециркуляцией. При работе двух насосов значения КПД при регулировании подачи рециркуляцией и при ее регулировании изменением частоты вращения вала приблизительно одинаковы и значительно превышают значения КПД при регулировании дросселированием. Это объясняется формой характеристики «КПД – расход».

Расчет потенциала энергосбережения по насосной группе КНБ-1 проводился на основании данных системы технического учета за период с 21.09.2012 по 24.07.2013 (табл. 2).
Таблица 2. Расчет потенциала энергосбережения

Схемы работы	Число часов работы	Средний расход теплоносителя, м³/ч	Расход электроэнергии, тыс. кВтч	Про-цент эконо- мии, %	Потенциал энергосбереже-ния, тыс. кВтч
А	621	221	87,964	80,0	70,37
Б	2084	253	299,575	73,0	218,69
В	148	243	27,151	75,0	20,36
А+Б	62	353	18,107	74,0	13,40
А+В	213	393	64,952	68,0	44,17
Б+В	35	369	10,860	73,0	7,93
ИТОГО			508,609	73,0	374,92

Суммарный потенциал энергосбережения при внедрении устройств частотного регулирования привода за базовый период составил 374,92 тыс. кВтч. При себестоимости электроэнергии на данной ТЭЦ
1,35 руб/кВтч экономический эффект составит 506,1 тыс. руб.

Список литературы

Гидравлические и теплогидравлические расчеты ZuluHydro, ZuluThermo ZuluGaz. www.politerm.com.ru
Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 416 с.
Чебаевский В.Ф., Вишневский К.П., Накладов Н.Н. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. – М.: Колос, 2000. – 216 с.
Насосы, вентиляторы, компрессоры / О.П. Иванов, В.И. Полушкин, С.М. Анисимов, В.Ф. Васильев. – СПб.: Изд-во «АВОК Северо-Запад», 2006. – 128 с.
Гримитлин А.М., Иванов О.П., Пхукал В.А. Насосы, вентиляторы, компрессоры в инженерном оборудовании зданий. – СПб.: Изд-во «АВОК Северо-Запад», 2006. – 210 с.
Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. – М.: Машиностроение, 1977. – 288 с.
Якубчик П.П. Насосы и насосные станции. – СПб.: ПГУПС, 1997. – 248 с.
Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. – М.: Стройиздат, 1986. – 248 с.
Шакарян Ю.Г., Нильский Н.Ф. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. – М.: МЭИ, 1997. – 12 с.
Елин Н.Н., Бубнов В.Б., Снегирев Д.Г. Насосные станции: учеб. пособие / ООНИ ИвИ ГПС МЧС России. – Иваново, 2012. – 129 с.
Елин Н.Н., Попов А.П. Программный комплекс OISPipe для моделирования систем заводнения нефтяных месторождений // Вода Magazine. – 2007. – № 4. – С. 34–37.
Елин Н.Н., Арсентьева М.Ю. Компьютерная программа для расчета насосных станций систем водоснабжения // Информационная среда вуза: материалы XV Междунар. науч.-техн. конф. – Иваново, 2008. –
С. 271–272.

References
1. Gidravlicheskie i teplogidravlicheskie raschety ZuluHydro, ZuluThermo ZuluGaz [Hydraulic and thermohydraulic calculation]. Available at: www.politerm.com.ru

2. Cherkasskiy, V.M. Nasosy, ventilyatory, kompressory [Pumps, fans, compressors]. Moscow, Energoatomizdat, 1984. 416 p.

3. Chebaevskiy, V.F., Vishnevskiy, K.P., Nakladov, N.N. Proektirovanie nasosnykh stantsiy i ispytanie nasosnykh ustanovok [Pump station design and pump station testing]. Moscow, Kolos, 2000.

4. Ivanov, O.P., Polushkin, V.I., Anisimov, S.M., Vasil’ev, V.F. Nasosy, ventilyatory, kompressory [Pumps, fans, compressors]. Saint-Petersburg, Izdatel’stvo «AVOK Severo-Zapad», 2006. 128 р.

5. Grimitlin, A.M., Ivanov, O.P., Pkhukal, V.A. Nasosy, ventilyatory, kompressory v inzhenernom oborudovanii zdaniy [Pumps, fans, compressors in plumbing systems]. Saint-Petersburg, Izdatel’stvo «AVOK Severo-Zapad», 2006. 210 р.

6. Mikhaylov, A.K., Malyushenko, V.V. Lopastnye nasosy. Teoriya, raschet i konstruirovanie [Impeller pumps. Theory, calculation and design]. Moscow, Mashinostroenie, 1977. 288 р.

7. Yakubchik, P.P. Nasosy i nasosnye stantsii [Pumps and pump stations]. Saint-Petersburg, PGUPS, 1997.

8. Karelin, V.Ya., Minaev, A.V. Nasosy i nasosnye stantsii [Pumps and pump stations]. Moscow, Stroyizdat, 1986. 248 р.

9. Shakaryan, Yu.G., Nil’skiy, N.F. Instruktsiya po raschetu ekonomicheskoy effektivnosti primeneniya chastotno-reguliruemogo elektroprivoda [Instruction for calculating economic efficiency of variable-frequency drive]. Moscow, MEI, 1997. 12 р.

10. Elin, N.N., Bubnov, V.B., Snegirev, D.G. Nasosnye stantsii [Pump stations]. Ivanovo, 2012. 129 p.

11. Elin, N.N., Popov, A.P. Programmnyy kompleks OISPipe dlya modelirovaniya sistem zavodneniya neftyanykh mestorozhdeniy [OISPipe software package for modeling oil field waterflooding patterns]. VodaMagazine, 2007, no. 4,
pp. 34–37.

12. Elin, N.N., Arsent’eva, M.Yu. Komp’yuternaya programma dlya rascheta nasosnykh stantsiy sistem vodosnabzheniya [A computer program for water supply pump station calculation]. Materialy XV Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Informatsionnaya sreda vuza» [Proceedings of the XVth international scientific and technical conference «University information environment»]. Ivanovo, 2008, рр. 271–272.

Елин Николай Николаевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный политехнический университет»,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой гидравлики, теплотехники и инженерных сетей,

е-mail: yelinnn@mail.ru
Мизонов Вадим Евгеньевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой прикладной математики,

е-mail: mizonov46@mail.ru
Цыплов Алексей Викторович,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный политехнический университет»,

аспирант,

е-mail: tziplov@mail.ru
Исаев Михаил Владимирович,

ООО «Эксперт энерго»,

кандидат технических наук, руководитель проектов,

е-mail: isaevm7@gmail.com

 ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

	Вестник ау «Центр мониторинга и развития образования» города Чебоксары май 2014 Чебоксарские школьники – победители и призеры заключительного этапа всероссийской олимпиады школьников 2014!		Вестник архивной службы курской области Вестник архивной службы Курской области. Информационно-методический бюллетень для архивных учреждений Курской области / под ред....
	Сборник статей научно-практической конференции «Актуальные проблемы... Г. Казань, 7 марта 2014 г. / Институт Татарской энциклопедии ан рт. — Казань: Фолиант, 2014. – Вып. 294 с		Ежедневный Вестник Новостей = №02 ежедневный вестник новостей №02 Шавкат Мирзиёев: Люди на местах должны ощутить происходящие в каждой сфере перемены 2
	Российской академии наук Серия «Социоестественная история. Генезис кризисов природы и общества в России». Отв ред. Кульпин-Губайдуллин Э. С.(соредактор Борисова...		Вестник психотерапии. – 2007. №22(27). – С. 96-100 Никитин И. А., Голуб Я. В. Применение биологической обратной связи по электромиограмме и аудиовизуальной стимуляции в лечении детей,...
	Центральный банк российской федерации указание Центрального банка Российской Федерации (Банка России)", зарегистрированную Министерством юстиции Российской Федерации 11 июля 2014...		Информационный вестник №8(378) апрель 2014г День ветеринарного врача — один из самых гуманных праздников 27 апреля (дата для 2014 года) Сегодня отмечают свой праздник представители...
	О мерах пожарной безопасности Настоящая инструкция разработана на основе Правил противопожарного режима в РФ (Утв. Постановлением Правительства РФ от 25. 04. 2012...		Волгоградская академия вестник волгоградской академии мвд россии Вестник Волгоградской академии мвд россии. Выпуск 4 (15) 2010 : научно-ме-тодический журнал. — Волгоград : ва мвд россии, 2010. —...
	Волгоградская академия вестник волгоградской академии мвд россии Вестник Волгоградской академии мвд россии. Выпуск 1 (20) 2012 : научно-ме-тодический журнал. — Волгоград : ва мвд россии, 2012. —...		Итоги и перспективы энциклопедических исследований сборник статей... России и Татарстана: Итоги и перспективы энциклопедических исследований: сборник статей итоговой научно-практической конференции...
	Вестник ау «Центр мониторинга и развития образования» города Чебоксары Март 2016 Вестник ау «Центр мониторинга и развития образования» г. Чебоксары: информационно-методический сборник. – Чебоксары: цмиРО, 2016....		Фгбоу впо «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»... В. И. Мяленко (гл ред.) и др.; Фгбоу впо «Кемеровский гсхи». – № – Кемерово: Информационно-издательский отдел Кемеровского гсхи,...
	Информационный вестник совета и администрации сельского поселения «О внесении изменений в решение Совета сельского поселения «Зимстан» от 19. 12. 2012г. № Iii-3/11 «О бюджете муниципального образования...		Выписка из акта планового контрольного мероприятия в Муниципальном... Муниципальном бюджетном учреждении «Редакция газеты «Озерский вестник» города Озерска

Вестник игэу вып. 4 2014 г

УДК 621.65

Список литературы

Похожие: