Оценка энергозатрат на перекачивание воды с использованием двухпозиционного регулирования насосной установкой

Система водоснабжения — это комплекс инженерных сооружений, предназначенный для решения задачи водоснабжения. Вода расходуется потребителями на самые разнообразные нужды, основными из которых являются:

Хозяйственно – бытовые нужды;

Производственные нужды;

Пожаротушение.

При подаче воды учитывают ее качество в зависимости от области применения.

При проектировании и эксплуатации и эксплуатации систем водоснабжения также учитываются принятые нормы расхода воды потребителями. При обследовании систем на энергозатраты следует уделять максимальное внимание изучению работы главных агрегатов, перекачивающих воду. Главная цель состоит в установке экономичных режимов работы насосов.

Производительность насосной установки рассчитывается с учетом максимального водопотребления. В то же время реальное водопотребление может меняться в несколько раз в течение суток.

Рисунок 1 - Пример суточного водопотребления

Для водоснабжения потребителей применяют башенные и безбашенные насосные установки, состоящие из насосного агрегата, водонапорной башни или воздушно-водяного котла, водопроводной сети и системы управления электронасосом. В качестве насоса в основном применяются центробежные или осевые насосы [4].

Центробежные насосы по классификации относятся к лопастным динамическим насосам. Лопастной насос воздействует на жидкость при помощи лопастей, которыми снабжено его рабочее колесо. В рабочем колесе насоса происходит приращение энергии жидкости за счет увеличения кинетической составляющей. При вращении рабочего колеса жидкая среда, находящаяся в межлопаточном канале, под действием центробежных сил отбрасывается от центра к периферии, выходит в отвод насоса и далее в напорный трубопровод. При этом в центре рабочего колеса возникает вакуум, за счет которого жидкость поступает к рабочему колесу вдоль оси его вращения. С помощью специально спроектированных рабочих колес возможна подача вязких жидкостей или сред, содержащих твердые частицы. Присутствие воздуха в насосе препятствует закачиванию жидкости в трубопроводную систему. Создаваемого давления нагнетания недостаточно для закачивания жидкости вверх. При образовании пустот насос может быть поврежден.

По особенностям конструкции различают следующие виды центробежных насосов:

• 1)    по числу ступеней - одноступенчатые и многоступенчатые;

• 2)    по способу подвода жидкости - одностороннего и двустороннего входа;

• 3)    по конструкции рабочего колеса - закрытого, полуоткрытого, открытого типа;

• 4)    по расположению вала - вертикальные и горизонтальные;

• 5)    по способу соединения с приводом - с общим валом (моноблочные) и с отдельными валами (соединение муфтой);

• 6)    по положению насоса, относительно уровня перекачиваемой жидкости -поверхностные, погружные и полупогружные.

С учетом условий окружающей среды, особенностью монтажа, потребной мощности и частоты вращения насоса в справочных таблицах выбирают соответствующий тип электродвигателя.

В этом случае важно соответствие угловой скорости насоса и электродвигателя, так как подача, напор, момент и мощность находятся в следующей зависимости от угловой скорости:

Q≈ω(1)

H ≈ ω2

M ≈ ω2

P ≈ ω3

Но выражения (1-4) описывают теоретические зависимости, которые требуют экспериментальной проверки [4,5].

В типовых схемах водоснабжения производительность насосной установки рассчитывается исходя из максимального водопотребления. Развитие возможностей математического моделирования и их реализации на базе современных средств компьютеризированного управления позволяет принципиально изменить подходу к выбору текущей производительности насосной установки при двухпозиционном регулировании.

Материалы и методы исследования. Экспериментальные исследования по возможности снижения энергозатрат путем корректировки производительности насоса были проведены на физической модели системы водоснабжения (рис.2)

Рисунок 2 - Общий вид лабораторной модели системы водоснабжения

Рисунок 3 – Состав станции водоснабжения

1-Насос; 2-Манометр; 3-Поплавковый датчик расхода; 4-Запорный кран; 5-Соединительный элемент профиля; 6 - Прямоугольный профиль, 40 x 20; 7-Резервуар (бак); 8-Цилиндрический соединитель под прямым углом; 9-Вставной Т-образный соединитель; 10 -Профильная плита, 350 x 200 мм.

С использованием физического моделирования и статистической обработкой результатов экспериментальных исследований получена следующая зависимость энергозатрат на перекачку определенного объема воды в зависимости от производительности [2].

Е = 35 q + 285                             (5)

где q – производительность насоса, л/мин; E – энергозатраты на перекачку 2,5 л воды, Дж.

С учетом прогноза водопотребления можно модернизировать двухпозиционный закон управления уровнем воды в водонапорной емкости (рис.3)

Рисунок 4 - Модель изменения производительности насоса от прогноза водопотребления

Изменение производительности насоса с учетом реального водопотребления позволяет экономить до 20..40 % энергозатрат на перекачку воды.

Физическая модель станции водоснабжения (рис. 1) включает две емкости, имитирующие источник и приемник воды, центробежный насос с электроприводом, водоводы и набор датчиков контроля режимов подачи воды.

Система уровневого наполнения имитирует подачу воды от момента забора воды из источника до момента наполнения водонапорной башни с помощью насоса и до потребления ее. В этом проекте доступно 2 резервуара, один из которых представляет собой подвешенную водонапорную башню, а другой – резервуар для потребления. Вода должна накачиваться в водонапорную башню посредством лопастного насоса. В системе можно измерять и регистрировать уровень наполнения емкости, а также расход и давление рабочей среды (рис.2).

Рисунок 5 – технологическая схема системы водоснабжения

1-6 – краны, М – двигатель, FE - расходомер, PG – датчик давления, LE – аналоговый датчик уровня, LS1, LS2 – датчики нижнего и верхнего насоса.

С использованием физической модели водоснабжения можно провести опыты по оценке энергозатрат при подаче воды сверху и снизу верхнего бака и при различной производительности центробежного Заполнение верхнего бака объёмом 2,5 литра будет осуществляться при помощи центробежного насоса, приводимого в движение двигателем постоянного тока.

Результаты и обсуждение. Результаты эксперимента занесены в таблицы 1 и 2. Для изменения частоты вращения центробежного насоса изменяли напряжение на двигателе постоянного тока.

Таблица 1 – заполнение резервуара снизу

Напря жение U, В	Ток I, А	Элект ричес кая мощн ость P, Вт	Гидравличес кая мощность P, Вт	Объемны й расход Q, л/ч	Давлен ие p e , бар	Время t, c	Энерго затрат ы E, Дж	КДП η, %
12,0	0,25	3,000	0,0746	0,79	0,10	191	573,00	2,487
14,0	0,27	3,780	0,2117	1,76	0,12	85	321,30	5,602
15,2	0,30	4,560	0,3125	2,08	0,15	72	328,32	6,853
22,7	0,47	10,67	1,184	3,95	0,30	38	405,42	11,10
23,9	0,50	11,95	1,333	4,17	0,32	36	430,20	11,16
25,5	0,55	14,03	1,687	4,69	0,36	32	448,80	12,03
27,2	0,59	16,05	1,935	4,84	0,40	31	497,49	12,06
28,5	0,63	17,96	2,275	5,17	0,44	29	520,70	12,68

Таблица 2 – заполнение резервуара сверху

Напря жение U, В	Ток I, А	Элект ричес кая мощн ость P, Вт	Гидравличес кая мощность P, Вт	Объемны й расход Q, л/ч	Давлен ие p e , бар	Время t, c	Энерго затрат ы E, Дж	КДП η, %
14,0	0,27	3,780	0,188	1,56	0,12	96	362,88	4,960
15,2	0,29	4,408	0,263	1,88	0,14	80	352,64	5,955
22,7	0,47	10,67	1,077	3,85	0,28	39	416,09	10,09
23,9	0,48	11,47	1,333	4,17	0,32	36	412,99	11,62
25,5	0,54	13,77	1,636	4,55	0,36	33	454,41	11,88
27,2	0,58	15,78	1,935	4,84	0,40	31	489,06	12,27
28,5	0,61	17,39	2,200	5,00	0,44	30	521,55	12,65

Электрическая мощность на привод центробежного насоса рассчитывалась по формуле

Рэ = U*I                             (5)

Где U и I – напряжение и ток, потребляемые двигателем постоянного тока .

А гидравлическая мощность на перемещение воды

Р гидр = Q*P e                            (6)

где Q – объёмный расход; ρ _e – давление.

А коэффициент полезного действия с учетом (5) и (6)

р „ гидр

• 7 = т

э

Обработка экспериментальных данных проводится с использованием электронных таблиц Excel (рис.3).

Рисунок 3 – Графики зависимости энергозатрат от производительности насоса при заполнении башни сверху и снизу

Вывод. Таким образом, использование физической модели системы водоснабжения позволяет выработать практические навыки оценки энергозатрат при выборе технологической схемы и производительности насосной установки с учетом конкретных условий водопотребления. При выборе производительности насосного агрегата ориентируются на максимально возможное водопотребление. Но в течение суток водопотребление значительно меняется и учет этого с регулированием производительности насосной установки позволит обеспечить реальное снижение энергозатрат.

УО «Белорусский государственный аграрный технический университет»

Alexey N. Ermakov