Частотно-регулируемый привод

К вопросу установки на электродвигателях насосов холодного водоснабжения ЦТП

В. Б. Воздвиженский, Н. И. Кошелев, предприятие № 11 «Теплоэнергоремонт» филиала № 2 Мостеплоэнерго ОАО «МОЭК»

Установка ЧРП начинается с анализа состояния насосного оборудования и проверки его характеристик на соответствие с расчетными. Расчетные значения параметров насосов определяются в соответствии со СНиП 2.04.01-85. При расчете производительности и напора насосов принимаются во внимание следующие факторы:

- число жителей;

- количество квартир;

- расчетная нагрузка ГВС нежилого фонда;

- этажность зданий;

- потери в бойлерной установке для циркуляционных схем ГВС;

- потери давления в сетях;

- гарантированный напор на вводе городского водопровода.

Установка ЧРП на устаревшем и выработавшем свой ресурс оборудовании не является целесообразной, т. к. приводит к завышению эксплуатационных затрат.

Выбор схемы включения и количества насосов производится на основании измеренной при обследовании по показаниям счетчиков холодной и горячей воды текущего и среднесуточного расхода; анализа характера потребления воды в течение суток; реального значения давления в водопроводной сети и с учетом установленной мощности электродвигателей на ЦТП. Ниже приводятся наиболее характерные схемы установки ЧРП на электродвигателях насосов ХВС.

Параллельная схема с двумя насосами (1 раб., 1 рез.) вполне применима для районов со сложившейся застройкой, где потребление воды носит стабильный характер без значительных пиковых расходов (рис. 1). От частотно-регулируемого привода может работать любой из насосов по выбору. Применение третьего резервного насоса оправдано для ЦТП с большим количеством жителей (более 2 500).

Рисунок 1 (подробнее) Параллельная схема с двумя насосами

Параллельная схема с тремя насосами (1 раб., 1 доп., 1 рез.) применима в районах (например, «спальных»), для которых характерно низкое значение дневного расхода воды и ярко выражено пиковое значение (рис. 2). От ЧРП может работать любой из насосов, один из которых является дополнительным и подключается в часы максимального разбора. Включение и выключение дополнительного насоса в прямом режиме производится в соответствии со специальными алгоритмами с учетом динамики изменения давления, выходной частоты, токовых нагрузок электродвигателей. Для реализации алгоритмов применяются как многофункциональные контроллеры, так и ЧРП с дополнительными электронными платами, которые расширяют возможности их использования применительно к схемам с тремя и более насосами. Дополнительные функции включают в себя:

- периодическую смену основного / резервного насоса;

- контроль за давлением на городском вводе (отсутствие сухого хода);

- контроль за работой насоса по датчику перепада давления;

- включение резервного насоса при остановке основного при работе от ЧРП.

Рисунок 2

Последовательная схема с тремя или четырьмя насосами (рис. 3, 4) применима к ЦТП с большим значением максимального расхода воды (более 120 м³/ч) и на тех ЦТП, где величина установленной мощности ограничена кабельными сетями Мосэнерго, т. к. позволяет снизить суммарную установленную мощность электродвигателей и, соответственно, ЧРП. Последовательная схема может быть использована на объектах, где реальное городское давление превышает 4,5 кгс/см² при гарантированном (минимальном) напоре 1,0 кгс/см², а абонентами являются многоэтажные дома 16 и более этажей. Применение параллельной схемы для таких ЦТП требует защиты кожухотрубчатых подогревателей ГВС и сетей от высокого давления (более 10 кгс/см²) при пуске электродвигателя в прямом режиме без ЧРП. В схеме с четырьмя насосами (рис. 4) предусматривается работа от ЧРП двух насосов (1 раб., 1 рез.), и два насоса (1 раб., 1 рез.) работают в прямом режиме. Данная схема позволяет уменьшить количество пусковой аппаратуры и упростить алгоритмы управления по сравнению со схемой, когда от ЧРП могут работать три (рис. 3) и более насосов.

Рисунок 3

Рисунок 4

Одним из способов защиты подогревателей и сетей от высокого давления (более 10 кгс/см²) является установка регулирующего клапана (рис. 5), который используется для регулирования давления при проведении пусконаладочных работ, пуске насосов в прямом режиме и остается в открытом положении при задействовании ЧРП.

Для выравнивания давления в системах ГВС и ХВС применяются регуляторы давления прямого действия (рис. 6, 7) или регулирующие клапаны.

В целом, параллельная схема включения является более простой для монтажа и управления и приводит к снижению количества постоянно работающего оборудования.

Перечисленные выше способы включения насосов применимы как для циркуляционных, так и для повысительных схем ГВС. Для повысительной схемы (рис. 7) задание давления производится по датчику, расположенному на трубопроводе подачи холодной воды на дома, для циркуляционной схемы (рис. 6) – по датчику, установленному на обратном (подающем) трубопроводе ГВС. Для циркуляционной схемы следует предусматривать возможность переключения задания давления на датчик, установленный в системе ХВС на период отключения горячей воды. Наиболее целесообразной является установка датчика давления у последнего прибора (точки водоразбора), например, на верхнем этаже наиболее удаленного многоэтажного дома, что позволяет поддерживать стабильным давление при неравномерности потребления воды в течение суток. Однако реализация такого решения технически сравнительно сложна при отсутствии необходимых кабельных проводок.

При установке ЧРП с заменой насосного оборудования и, соответственно, трубопроводов обвязки необходимо применять пружинные обратные клапаны с плавным открытием. На байпасе насосов обратные клапаны следует дополнять запорной арматурой для контроля их надежной работы. Использование шаровых кранов для обвязки насосов холодного водоснабжения не целесообразно по требованию фирм-производителей из-за высокого содержания кислорода в воде. Наиболее оправданным является применение поворотных затворов с воротниковыми фланцами или задвижками с прорезиненным клином.

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

При выборе насосов возникают следующие трудности с подбором насосов российского производства серии КМ (консольные моноблочные):

а) в номенклатуре насосов отсутствуют насосы с рабочими параметрами 25 м³/ч и 50 м вод. ст., 75 м³/ч и 50 м вод. ст. и др.;

б) насосы серии КМ имеют более пологую H-Q характеристику по сравнению с импортными. Увеличение крутизны данной характеристики способствовало бы заметному снижению оборотов насоса при работе с ЧРП в области небольшой производительности;

в) по мнению эксплуатационников, в настоящее время насосы серии КМ нередко отличаются относительно невысоким качеством торцевых уплотнений в условиях недостаточно развитого ремонтного сервиса. При заказе насосов целесообразно включать в поставку комплект торцевых уплотнений.

Указанных недостатков лишены более дорогие насосы серии КМЛ (консольные моноблочные линейные), производимые ЗАО «Помпа», и насосы типа АЦМЛ, выпускаемые фирмой «Линас».

Оценку экономического эффекта (срока окупаемости) от внедрения ЧРП следует производить по формуле:

Ток = К / (Пг + Иа),

где К – объем капитальных затрат;

Пг – годовая прибыль от внедрения ЧРП;

Иа – амортизационные отчисления на реновацию.

При расчете срока окупаемости необходимо учитывать две составляющие годовой прибыли – экономию электроэнергии при снижении количества оборотов электродвигателя (развиваемый насосом напор соответствует расчетному) и экономию воды из-за отсутствия избытков напора по сравнению со значением уставки, причем доля годовой прибыли от экономии воды превышает долю от экономии электроэнергии, как правило, в 3–5 раз.

Необходимо учитывать также потери электроэнергии в самом преобразователе частоты, которые достигают 4–7 % от передаваемой мощности. При расчете экономии воды можно пользоваться имеющимися экспериментальным данными, в соответствие с которыми снижение утечек воды на 5 % происходит от уменьшения напора на каждые 10 м вод. ст. Дополнительным эффектом от установки ЧРП является продление ресурса насосных агрегатов (ориентировочно на 10–20 % при снижении частоты вращения на каждые 500 об/мин).

Наряду со сроком окупаемости, для оценки эффекта установки ЧРП и инвестиций рассчитывается чистый дисконтированный доход (ЧДД) и значение внутренней нормы доходности (Евн), который сравнивается со ставкой дисконтирования. Более подробно методика расчета ЧДД и Евн содержится в Рекомендациях по расчету экономичес-

кой эффективности применения частотно-регулируемого привода на ЦТП, разработанных кафедрой АСУ ТП МЭИ.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- установка ЧРП на насосах ХВС требует комплексного подхода к замене насосов, арматуры, выбору схемы включения и способу размещения датчиков давления;

- существует необходимость в постановке требований перед заводами-производителями насосного оборудования серии КМ к повышению надежности и увеличению номенклатуры;

- при оценке срока окупаемости от внедрения ЧРП, наряду с экономией электроэнергии, необходимо учитывать снижение расхода воды при уменьшении напора. Такой подход еще раз показывает необходимость оплаты за пользование энергоресурсами потребителями одному юридическому лицу, в то время как в настоящее время учетом воды заняты службы Мосводоканала, учетом расхода электроэнергии на ЦТП – поставщики тепловой энергии.

 

Комментарии к статье

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы, вице-президент НП «АВОК»

 

Поддерживая актуальность поднятой в статье темы, считаю необходимым высказать следующие соображения.

Очень важно правильно выбрать место установки датчика давления, по сигналу которого осуществляется изменение числа оборотов двигателя насоса управляемого частотно-регулируемым приводом. При установке датчика сразу после насосов (рис. 1–4) выполняется функция поддержания постоянного заданного давления в течение всего времени работы насосов. Уровень его выбирается в условиях пикового водоразбора при максимальных потерях давления в разводящих сетях водопровода, чтобы обеспечить расчетное давление на изливе водоразборного крана, расположенного на верхнем этаже.

Но при меньшем уровне водоразбора потери давления в водоразборных сетях сократятся (а они уменьшаются в квадратичной зависимости от степени снижения водоразбора), и поддерживаемое ЧРП давление будет избыточно даже для самого последнего водоразборного крана, что приведет к увеличению потерь воды. Поэтому правильно говорится в статье, что оптимальным было бы поддержание постоянного давления воды перед наиболее удаленным водоразборным краном, но реализация такого решения сопряжена с дополнительными кабельными проводками.

В книге «Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения» (М., Стройиздат, 1988) показано, что аналогом изменения потерь давления от уровня водозабора могут служить водонагреватели 1-ой ступени горячего водоснабжения. Поддерживая постоянным давление воды после этого водонагревателя, мы обеспечиваем оптимальный уровень давлений перед водоразборными приборами независимо от изменения уровня водоразбора. Поэтому на рис. 6, 7 целесообразней датчик давления, управляющий ЧРП, перенести после 1-ой ступени водонагевателя.

В этом случае можно отказаться от регулятора давления прямого действия для выравнивания давлений в системах ХВС и ГВС, особенно если будет принята повысительная схема установки циркуляционных насосов, т. к. в ней напор этих насосов подбирается на преодоление сопротивления в обеих ступенях водонагревателей и соответственно уровень давлений в системах ХВС и ГВС будет одинаковым. Вызывает сомнение и установка регулятора давления в схеме рис. 5 на период пусконаладочных работ, а в остальное время при задействовании ЧРП он не нужен.

Не уделено внимание в статье вопросу отключения дополнительного насоса. Понятно, что включаться он будет при снижении давления в месте установки датчика ниже заданного, а выключаться? В той же книге, когда не было частотно-регулиремых приводов, а регулирование давления осуществлялось регулирующим клапаном, установленным за группой подкачивающих насосов, предлагалось при последовательной схеме их установки замерять перепад давлений после клапана и дополнительным насосом. При снижении этого перепада давлений ниже нуля, т. е. когда потери давления в клапане превышали напор, создаваемый насосом, насос выключается. А как происходит выключение дополнительного насоса с ЧРП?