Підвищення ефективності експлуатації відцентрових насосів у системі водопостачання житлово-комунального господарства - Автореферат

Наприклад, дослідженнями вітчизняних і зарубіжних авторів показано, що в системах подачі та розподілу води житлово-комунального господарства, насоси експлуатуються лише 9 - 25 % часу своєї роботи на режимах оптимального ККД. Таким чином, високий показник економічності насосів (паспортний ККД 75 - 85%) практично нівелюється низькою ефективністю їх роботи на гідравлічну мережу зі змінним опором. гідравлічний мережа вода насосний Вирішення цієї задачі дозволяє уточнити вимоги до форм напірних та енергетичних характеристик насосів і вдосконалити методи їх проектування з урахуванням умов експлуатації систем подачі та розподілу води та методику вибору насосів і систем їх регулювання. Для досягнення вказаної мети поставлені та вирішені такі завдання: - дослідити закономірності зміни параметрів гідравлічної мережі зі змінним у часі опором (на прикладі системи подачі та розподілу води житлово-комунального господарства), визначити параметри та способи регулювання і показники узагальненої оцінки економічності системи з відцентровими насосами у її складі; удосконалені математичні моделі робочого процесу відцентрових насосів, які на відміну від відомих комплексно враховують характеристики насоса, гідравлічної мережі зі змінним у часі опором, привода насоса та способів регулювання (зміною частоти обертання ротора насоса та кількістю одночасно працюючих насосів), що вперше дозволило досліджувати режими роботи відцентрових насосів при їх експлуатації, визначити номінальні параметри та раціональні напірні характеристики за критерієм мінімуму енергоспоживання;Неточності розрахунку, зміни в гідравлічній мережі при первинному монтажі й у процесі експлуатації призводять до зміни її опору і, відповідно, відмінності розрахункового і фактичного режимів роботи насоса. Проведений аналіз науково-технічних публікацій дозволив установити, що згідно зі світовим тенденціями (Europump) зниження обсягів енергоспоживання для насосного обладнання передбачено на рівні 40 %, у тому числі за рахунок збільшення максимального рівня ККД насоса (до 3 %), узгодження параметрів мережі і насоса (близько 4 %), адаптації (в межах 4 %) і регулювання (18 - 20%) насоса, відповідно до режимів його експлуатації протягом усього життєвого циклу, та оптимізації в цілому СПРВ (10 - 12 %). Вирішення задачі вибору номінальних параметрів насоса базується на мінімізації вартості життєвого циклу насоса, яка складається з початкової вартості насоса, вартості його монтажу, експлуатації, технічного обслуговування, утилізації, вартості спожитої електроенергії та видатків на охорону навколишнього середовища. За існуючими рекомендаціями насоси вибираються на максимальне значення водоспоживання з використанням коефіцієнтів добової нерівномірності водоспоживання, які, по суті, є коефіцієнтами запасу до усередненого водоспоживання і не відображають дійсної зміни режиму водопостачання впродовж доби. На основі системного аналізу встановлено наступне: зміна витрати у споживачів спричиняє зміну подачі насосної станції, що зумовлює зміну як тиску у мережі, так і напору насосної станції; керування гідравлічними параметрами напірної мережі є цілеспрямованою змінною Н(Q) характеристики насосної станції; визначення способів регулювання зводиться до розгляду та оцінки Н(Q) характеристик насосів; споживач має власну характеристику в координатах H (Q), функціонування СПРВ націлене на забезпечення вказаної характеристики; параметри потоку води на виході із системи є обєктом регулювання, а можливість забезпечення характеристики споживача є умовою придатності різних способів регулювання; за регульований параметр насосної станції обрано тиск.У дисертації вирішена науково-практична задача - визначення шляхів підвищення ефективності експлуатації відцентрових насосів у системах зі змінним у часі гідравлічним опором за рахунок оптимального вибору параметрів насосів та способів регулювання залежно від умов експлуатації, що дозволяє підвищити середньоексплуатаційний ККД насосів та енергоефективність систем подачі та розподілу води. На підставі обробки та аналізу експериментальних даних встановлено, що витрата в системах подачі та розподілу води ЖКГ має складний характер зміни в часі з періодом близько тсер = 20 с та середньою амплітудою 2 м3/год. При цьому середньоексплуатаційний ККД насоса становить близько 50 % від оптимального, як наслідок - висока економічність насосів практично нівелюється низькою ефективністю їх роботи в гідравлічних мережах зі змінним у часі опором. Системним аналізом встановлено, запропоновано та обґрунтовано: - універсальні впорядковані діаграми зміни подачі насоса, застосування яких дозволяє розробляти математичні моделі робочого процесу для проведення узагальненого аналізу режимів роботи насосів при їх експлуатації; Встановлено, що в системах подачі та розподілу води третього підйому придатними способами регулювання є частотне регулювання привода насоса та ступеневе регулювання кількістю одночасно працюючих насосів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації вирішена науково-практична задача - визначення шляхів підвищення ефективності експлуатації відцентрових насосів у системах зі змінним у часі гідравлічним опором за рахунок оптимального вибору параметрів насосів та способів регулювання залежно від умов експлуатації, що дозволяє підвищити середньоексплуатаційний ККД насосів та енергоефективність систем подачі та розподілу води. Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному: 1. На підставі обробки та аналізу експериментальних даних встановлено, що витрата в системах подачі та розподілу води ЖКГ має складний характер зміни в часі з періодом близько тсер = 20 с та середньою амплітудою 2 м3/год. При цьому середньоексплуатаційний ККД насоса становить близько 50 % від оптимального, як наслідок - висока економічність насосів практично нівелюється низькою ефективністю їх роботи в гідравлічних мережах зі змінним у часі опором. Системним аналізом встановлено, запропоновано та обґрунтовано: - універсальні впорядковані діаграми зміни подачі насоса, застосування яких дозволяє розробляти математичні моделі робочого процесу для проведення узагальненого аналізу режимів роботи насосів при їх експлуатації;

- наявність власної характеристики споживача H = f(Q), яка вимагає націлити функціонування систем подачі та розподілу води на її забезпечення. Таким чином, параметри потоку на виході є обєктом регулювання і критерієм вибору способів регулювання;

- узагальнену оцінку економічності системи водопостачання у вигляді інтегрального показника енергоефективності системи - відношення обєму отриманої води споживачем до затраченої електричної енергії на привод електродвигунів.

2. Розвязано задачу вибору номінальних параметрів насоса при його роботі на мережу зі змінним у часі опором, що забезпечує мінімальне споживання електроенергії. При роботі насоса на мережу встановлено мінімально можливий рівень енергоспоживання, визначено вплив різних чинників на нього; різним значенням ступеня нерівномірності подачі відповідають різні значення номінальної подачі насоса Q0. При цьому найменше енергоспоживання досягається за умови мінімальної крутизни напірної характеристики насоса. Це дозволяє обґрунтовано проводити вибір насоса з відповідною напірною характеристикою.

3. Встановлено, що в системах подачі та розподілу води третього підйому придатними способами регулювання є частотне регулювання привода насоса та ступеневе регулювання кількістю одночасно працюючих насосів. Визначено, що найменше енергоспоживання при частотному регулюванні одного насоса забезпечується умовою наявності максимально можливої крутизни напірної характеристики насоса. При цьому кут нахилу дотичної до характеристики H = f(Q) у робочій точці необхідно використовувати як критерій доцільності застосування регулювання шляхом зміни частоти обертання робочого колеса насоса. Кількість насосних агрегатів при ступеневому регулюванні має оптимальне значення, отримане шляхом мінімізації дисконтованих витрат вартості життєвого циклу насосної установки (для насосних станцій третього підйому оптимальне значення становить три насоси).

4. На основі математичного моделювання досліджено вплив нестаціонарних явищ у мережі на характер робочого процесу відцентрового насоса, що дозволило встановити наявність додаткових втрат енергії як у самому насосі, так і в трубопроводах. Проведена оцінка складових балансу енергії насоса на неусталених режимах роботи показує, що додаткові втрати енергії становлять близько 6% на номінальному режимі. Розраховано додаткову складову гідравлічного опору мережі на неусталених режимах, яка становить у середньому близько 1,5 % втрат енергії осередненого потоку та на пікових змінах режимів до 15%, що дозволило визначити додаткові шляхи зменшення енерговитрат у системах подачі та розподілу води зі змінним у часі гідравлічним опором мережі.

5. Розроблено методику вибору насосного агрегату та способу його регулювання залежно від ступеня нерівномірності подачі, визначено діапазони раціонального застосування різних видів регулювання. Встановлено, що для насосних станцій третього підйому (ступень нерівномірності b = 3) при виборі насоса на максимальне значення водоспоживання середньоексплуатаційний ККД становить 0,47?опт. При виборі насоса на оптимальну подачу середньоексплуатаційний ККД збільшується на 21% і становить 0,56?опт , при частотному регулюванні - збільшується на 31% і становить 0,61?опт , при ступеневому регулюванні насосної установки - збільшується на 71% і становить 0,80?опт . Це дозволяє обґрунтовано проводити вибір типу насоса для підприємств водопостачання ЖКХ та способу його регулювання.

6. Отримані результати дозволяють у подальшому проводити вибір насосного агрегату та способу його регулювання залежно від ступеня нерівномірності водоспоживання для забезпечення мінімального енергоспоживання в різних за продуктивністю системах подачі та розподілу води.

Результати наукових досліджень впроваджені на ряді комунальних підприємств ЖКГ України з сукупним річним економічним ефектом 78 тис. грн. та в навчальний процес Сумського державного університету.

1. Гусак О.Г. Техніко-економічні вимоги до насосних станцій водопровідних мереж житлово-комунального господарства / О.Г. Гусак, М.І. Сотник, М.М. Іванов, С.Ю. Смертяк, С.О. Хованський, В.С. Бойко // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. - К.: НТУУ "КПИ", 2007. - С. 247 - 251. Здобувач брав участь у формулюванні вимог та аналізі результатів.

2. Сотник М.І. Аналіз способів регулювання роботи насосних станцій комунального водопостачання / М.І. Сотник, С.О. Хованський, О.І. Дужак // Вісник Сумського державного університету. - 2008. - №2. - С. 152-156. Здобувачем виконаний огляд і аналіз існуючих способів регулювання насосних установок.

3. Євтушенко А.О. Визначення оптимального складу насосної станції системи комунального водопостачання / А.О. Євтушенко, В.Г. Неня, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008. - № 4/(51). - Частина 1. - С. 158 - 162. Здобувач розробив математичну модель роботи групи НА, брав участь в аналізі результатів та формулюванні висновків.

4. Бойко В.С. Підвищення енергетичної ефективності водопостачання локального обєкту / В.С. Бойко, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Промислова гідравліка і пневматика. - 2008. - № 1 (19). - С. 100 - 102. Здобувачем виконано огляд існуючих напрямків підвищення ефективності експлуатації ВЦН.

5. Бойко В.С. Аналіз частотного регулювання відцентрових насосів водопостачання з метою енергозбереження / В.С. Бойко, В.Г. Неня, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2009. - № 4/(57). - Частина 1. - С. 168 - 171. Здобувач розробив математичну моделі роботи НА при частотному регулюванні, брав участь у аналізі результатів та формулюванні висновків.

6. Бойко В.С. Узагальнена оцінка економічності системи водопостачання / В.С. Бойко, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. - 2009. - Частина 3. - С. 46 - 51. Здобувач формулював критерії узагальненої оцінки економічності СПРВ, брав участь у дослідженнях та аналізі результатів.

7. Хованський С.О. Робота динамічних насосів в умовах існування змінного в часі опору зовнішньої мережі / С.О. Хованський // Промислова гідравліка і пневматика. - 2009. - №3 (25). - С. 56 - 59.

8. Бойко В.С. Підвищення енергоефективності водопостачання збагачувальної фабрики гірничозбагачувального комбінату / В.С. Бойко, М.М. Юрченко, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2010. - № 4/(63). - Частина 3. - С. 94 - 97. Здобувач розробив обєктно-орієнтовану модель досліджуваного обєкта, брав участь у дослідженнях та формулюванні висновків.

9. Хованський С.О. Підбір насоса при його роботі на мережу зі змінним опором у часі / С.О. Хованський, В.Г. Неня // Східноєвропейський журнал передових технологій. - 2010. - № 3/9(45). - С. 47 - 49. (Здобувач розробив математичну модель НА, при роботі на мережу зі змінним опором у часі.)

10. Бойко В.С. Вплив використання резервуарів чистої води на енергоефективність водопостачання міста / В.С. Бойко, М.І. Сотник, С.О. Хованський // Вісник Сумського державного університету. - 2010. - №1. - С. 149 - 154. Здобувач розробив обєктно-орієнтовану модель досліджуваного обєкта, брав участь у дослідженнях та формулюванні висновків.

11. Хованський С.О. Вимоги до форми енергетичних характеристик відцентрових насосів гідравлічних мереж комунального водопостачання / С.О. Хованський // Промислова гідравліка і пневматика. - 2010. - № 1 (27). - С. 56 - 60.

12. Хованський С.О. Системний аналіз комплексу подачі і розподілу води в житлово-комунальному господарстві / С.О. Хованський, В.Г. Неня // Східноєвропейський журнал передових технологій. - 2010. - № 4/4(46). - С. 56 - 59. Здобувач брав участь у проведенні системного аналізу СПРВ, в аналізі результатів та формулюванні висновків.

13. Неня В.Г. Оцінка втрат енергії, повязаних зі нестаціонарною роботою відцентрового насоса / В.Г. Неня, С.О. Хованський // Вісник НТУ “ХПІ”. - 2010. - № 44. - С. 25 - 29. Здобувач брав участь у розробленні математичної моделі нестаціонарної роботи ВЦН, дослідженнях та формулюванні висновків.

14. Хованський С.О. Методика вибору насосного агрегату в залежності від ступеня нерівномірності водоспоживання / С.О. Хованський // Вісник НТУ “ХПІ”. - 2010. - № 54. - С. 133 - 138.