Экспериментальные исследования эффективности комплексной автоматизации насосов холодного и горячего водоснабжения на центральном тепловом пункте

На сегодня одной из важных задач является определение способа рационального управления частотно-регулируемым приводом (ЧРП) холодного (ХВС) и горячего (ГВС) водоснабжения как единым комплексом, обеспечивающим максимальную экономию электроэнергии, воды и тепла.

Частотно-регулируемый привод как в новых районах, так и в районах старой застройки обычно устанавливают только на насосы ХВС. На ГВС, в связи с относительно небольшой мощностью насоса (не более 30% от ХВС), ЧРП не ставят, так как считают, что экономия электроэнергии недостаточно приемлема для обеспечения срока окупаемости оборудования.

Такое мнение нельзя признать верным и окончательным, поскольку цена электроэнергии по сравнению с ценой воды и теплоты ниже, и их экономию, если она есть, нужно учитывать.

В г. Улан-Удэ в зоне высокой энергетической эффективности имеется комплекс из строений, включающий в себя жилые и офисные здания, обеспечиваемые горячей водой и отапливаемые от одного центрального теплового пункта (ЦТП), в котором установлены узлы учета тепловой энергии, частотно-регулируемые приводы холодного и горячего водоснабжения, имеющих специфику в проложенных коммуникациях горячего и холодного водоснабжения. Регулирование давления и температуры воды в системах водоснабжения этих зданий осуществляется путем дросселирования задвижками.

Специфика заключается в том, что здания подключены к одному тепловому пункту (ЦТП), этажность их различна (от 2 до 5 этажей), большая часть из них не требует второго подъема воды, им достаточно давления «городской» магистрали. В результате соотношение потребления холодной и горячей воды через ЦТП составляет приблизительно 30 на 70%, а не наоборот, как в районах новой постройки. Насосы холодного водоснабжения, следовательно, обеспечивают потребителей горячей водой.

В связи с этим данный ЦТП был специально дооборудован необходимыми дополнительными средствами измерения и учета, и на этой экспериментальной базе были проведены обстоятельные исследования.

Для достижения экономии автоматизация должна минимизировать среднюю мощность ХВС, т.е. поддерживать минимальное давление в системе, а также минимизировать произведение объема циркуляции горячей воды на разность температур воды на прямой и обратной линии ГВС. Ограничением указанных показателей является комфортность ХВС и ГВС – достаточный напор воды при максимальном водоразборе, достаточная и постоянная температура горячей воды.

Цель исследований определение рациональной структуры автоматизированного холодного и горячего водоснабжения зданий по критерию наибольшего энерго- и ресурсосбережения на базе применения разработанного комплектного энергосберегающего оборудования.

Рис. Энергосберегающий комплект в составе «Универсал 7,5 (В)», СГУЗ-В 7,5 (С), «Универсал 2,2 (Б)», СГУ2-Б 2,2

Методы исследований экспериментальные исследования рациональных структур автоматизированного водоснабжения на ЦТП, обработка результатов экспериментов, определение полученной экономии электроэнергии, воды и тепла, сопоставление различных структур автоматизации, выбор наиболее рациональной структуры и расчет срока окупаемости комплектного оборудования для управления электроприводами насосов холодного и горячего водоснабжения.

Объект исследований – автоматизированный ЦТП, основные параметры расхода электроэнергии, воды и теплоты при работе следующего оборудования ХВС и ГВС:

• 1.    Насос типа КМ80-65-160 с приводными асинхронными двигателями ДАТ-112-7,5-3000У2 (напряжение питающей сети 380 В, частота 50 Гц, номинальная мощность 7,5 кВт), используемый в качестве хозяйственного насоса на линии холодного водоснабжения (ХВС), снабженный станцией группового управления СГУ3-В 7,5 С с автоматическим регулятором «Универсал – 7,5 (В)».

• 2.    Насос типа ЦМНШ-80 с приводными асинхронными двигателями АИР80 (напряжение питающей сети 380 В, частота 50 Гц, номинальная мощность 1,5 кВт), используемый в качестве хозяйственного насоса на линии горячего водоснабжения (ГВС), снабженный стан-

• цией группового управления СГУ2-Б 2,2 с автоматическим регулятором «Универсал – 2,2 (Б)».

Программа исследований

• 1.    На базе станции группового управления СГУ3-В 7,5 С, преобразователя частоты «Универсал – 7,5 (В)», датчика давления КРТ-2 1 ,0 и хозяйственного насоса линии ХВС создается замкнутая система регулирования давления.

• 2.    На базе станции группового управления СГУ2-Б 2,2, преобразователя частоты «Универсал – 2,2 (Б)», датчика давления КРТ-2 0,6 или датчика температуры ТСМУ-205 и хозяйственного насоса линии ГВС создается замкнутая система регулирования давления или температуры.

• 3.    Фиксируются основные параметры объекта исследования (давление, расход, температура воды, расход теплоты, мгновенная потребляемая мощность и потребление электроэнергии) при различных структурах управления не менее одной календарной недели, включающей пять рабочих и два выходных дня без дополнительных праздников, на каждую исследуемую структуру.

• 4.    Основные параметры объекта исследования измеряются с помощью штатных приборов ЦТП и дополнительного измерительного оборудования, установленного на двух специализированных испытательных стендах, преобразуются в цифровую форму и записываются на персональный компьютер.

• 5.    Сопоставление результатов исследования структур проводится по каждому сопоставимому дню недели и интегрально по неделям.

Поставленная задача экспериментальных исследований решается только в автоматизированной системе измерения, записи и обработки информации. Приборы учета Т-21-50 и КСТ-В, установленные на ЦТП, имеют цифровые порты RS-232 и выведены на персональный компьютер, прочие дополнительно установленные датчики с аналоговыми электрическими выходами также были подключены к компьютеру с помощью комплекта измерительного оборудования фирмы National Instruments – платы выборки и хранения SC-2040, платы мультиплицированного ввода-вывода MIO-16E и прикладное программное обеспечение LABVIEW.

Процедура исследований

Путем дросселирования на выходе насоса ХВС устанавливалось давление около 6 МПа в период наибольшего водоразбора, этого было достаточно для подъема холодной воды в 5-этажный дом, а также для преодоления гидравлического сопротивления двух теплообменников и всей разветвленной гидравлической сети ГВС. В часы минимального водоразбора и высокого давления в городской водопроводной сети это давление поднималось до 8 МПа. На входе насоса ГВС устанавливалось давление на 1,2-1,5 МПа ниже, чем на его выходе в часы наибольшего водоразбора, этим обеспечивались циркуляция горячей воды через теплообменник в системе ГВС и защита ее от остывания в период наименьшего водоразбора. Разрежение, обеспечиваемое насосом ГВС, было нестабильно, поскольку и давление, создаваемое насосом ХВС, находилось в существенной зависимости от водоразбора.

В результате проведенных экспериментальных исследований на ЦТП:

• 1)    определена наиболее эффективная структура по максимуму энерго- и ресурсосбережения (электроэнергия, вода и теплота) при комплексной автоматизации насосов ХВС и ГВС путем применения частотного регулирования электродвигателей насосов для ЦТП;

• 2)    по сравнению с нерегулируемым режимом управления насосами получена экономия потребления (экономия от расчетной договорной нагрузки):

36 % по электроэнергии (34,3% ХВС, 44,5% ГВС);

• 20,4 % по воде;

29 % по теплоте;

• 3)    установлено, что комплексная автоматизация отличается высокой эффективностью – срок окупаемости комплектного энергосберегающего оборудования и затрат на его установку на данном ЦТП составляет 8,5 мес.;

• 4)    использование при автоматизации созданного комплектного энергосберегающего оборудования для управления насосами ХВС и ГВС на ЦТП в составе автоматического регулятора приводов переменного тока (преобразователя частоты) типа «Универсал», станции группового управления СГУ на 2 или 3 насоса и датчика технологического параметра (давления или температуры) на каждую из двух групп насосов (ХВС и ГВС) показало, что:

• оборудование обладает высокой надежностью;

• отличается всеми необходимыми для энергосбережения функциями;

• доступно для управления оперативным и электротехническим персоналом ЦТП без дополнительного обучения;

• приспособлено к специфике эксплуатации в условиях ЦТП;

дешевле зарубежных аналогов.

Данное комплектное оборудование может служить основой замещения импортного оборудования при автоматизации ЦТП.