Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке

 

Изобретение относится к области насосной техники. Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке заключается в том, что проводят диагностику энергопотребления при работе группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей в условиях нестационарной нагрузки с учетом возможности регулирования подачи потребителю жидкой среды с дросселированием сети трубопроводов и ступенчатым регулированием путем включения в одновременную работу одной или нескольких групп насосных агрегатов, каждая из которых включает несколько разнотипных лопастных нагнетателей с различными характеристиками и индивидуальным управлением каждым лопастным нагнетателем в группе с обеспечением совместимости работы разнотипных нагнетателей в группе. Определяют минимально возможные затраты электроэнергии при условии обеспечения требуемой потребителю подачи во всем возможном диапазоне ее изменения с минимально допустимыми напорами и максимальными значениями КПД и определяют величину минимального избыточного напора во всем диапазоне изменения нагрузки в напорном коллекторе при изменении нагрузки с оптимизацией режима работы. В процессе управления в режиме реального времени измеряют подачу каждого нагнетателя и суммарную подачу группы одновременно работающих нагнетателей, давление в напорном коллекторе или в контрольной точке сети, частоту вращения рабочего колеса каждого нагнетателя, давление на входе в каждый насос и мощность, потребляемую электродвигателем привода каждого нагнетателя. Путем применения частотно-регулируемого привода и изменения состава насосного оборудования устанавливают величину минимального избыточного напора в напорном коллекторе. В результате достигается оптимизация работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области насосной техники, преимущественно к системам регулировки режимов работы лопастных нагнетателей в зависимости от нагрузки.

Известен способ регулирования насосных систем, при котором пускают с частотным регулированием электродвигатели насосных агрегатов с последующим питанием их непосредственно от промысловой электросети при стабилизации номинального режима отбора перекачиваемой среды, контролируют параметры состояния каждого источника откачиваемой среды и его насосного агрегата с выявлением источников, не обеспечивающих номинальный режим, затем формируют сигналы управления для восстановления номинального режима за счет изменения параметров работы соответствующих насосных агрегатов, а при выявлении источников, не обеспечивающих номинальный режим работы при исправном состоянии их насосных агрегатов, автоматически определяют оптимальную последовательность воздействия сигналами управления и осуществляют ее без останова агрегатов за счет индивидуального регулирования числа оборотов каждого из последних при поочередном подключении их электродвигателей к общему для данной группы источнику преобразователя частоты напряжения с последующим возобновлением питания непосредственно от промысловой электросети в случае восстановления номинального режима (см. патент РФ № 2050472, F 04 D 15/00, 20.12.1995).

В данном способе регулирования используют частотное регулирование работы электродвигателей насосных агрегатов в зависимости от условий эксплуатации. Однако данный способ ориентирован на регулирование в зависимости от источника перекачиваемой среды и не учитывает режим потребления перекачиваемой среды, что сужает возможности данного способа регулирования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления насосной станцией, заключающийся в регулировании технологического параметра на выходе станции путем изменения частоты вращения электродвигателей насосов и количества работающих насосов, при этом предварительно по характеристикам одного насоса определяют граничные значения мощности для всех вариантов возможного сочетания насосов, работающих при номинальной частоте вращения, измеряют частоту вращения насоса, вычисляют для данного сочетания работающих насосов приведенные граничные значения мощности путем умножения предварительно полученных граничных значений на отношение в кубе измеренной частоты вращения к номинальной, измеряют мощность, потребляемую электродвигателем одного насоса, сравнивают эту мощность с полученными приведенными граничными значениями и при выходе ее за пределы этих значений включают или выключают один насос (см. заявку РФ №98100564, F 04 D 15/00, 20.09.1999).

Данный способ регулировки позволяет учитывать параметры на выходе насосной станции. Однако в качестве базового параметра используются характеристики одного насоса, по которых определяются граничные значения мощности для всех вариантов. Таким образом, данный способ ориентирован на использование однотипных насосов, что не позволяет в полной мере использовать возможности управления режимом работы каждого насоса в группе и не позволяет оптимизировать работу группы разнотипных насосов. В результате не представляется возможность в полной мере оптимизировать работу насосов в зависимости от потребности потребителя при переменной нагрузке.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке и за счет этого значительное сокращение потребления электроэнергии с достижением максимально возможного КПД.

Указанная задача решается за счет того, что способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке заключается в том, что проводят диагностику энергопотребления при работе группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей в условиях нестационарной нагрузки с учетом возможности регулирования подачи потребителю жидкой среды с дросселированием сети трубопроводов и ступенчатым регулированием путем включения в одновременную работу одной или нескольких групп насосных агрегатов, каждая из которых включает несколько разнотипных лопастных нагнетателей с различными характеристиками и индивидуальным управлением каждым лопастным нагнетателем в группе с обеспечением совместимости работы разнотипных нагнетателей в группе, при этом определяют минимально возможные затраты электроэнергии при условии обеспечения требуемой потребителю подачи во всем возможном диапазоне ее изменения с минимально допустимыми напорами и максимальными значениями КПД, определяют величину минимального избыточного напора во всем диапазоне изменения нагрузки в напорном коллекторе при изменении нагрузки с оптимизацией режима работы, причем в процессе управления в режиме реального времени измеряют подачу каждого нагнетателя и суммарную подачу группы одновременно работающих нагнетателей, давление в напорном коллекторе или в контрольной точке сети, частоту вращения рабочего колеса каждого нагнетателя, давление на входе в каждый насос и мощность, потребляемую электродвигателем привода каждого нагнетателя, и путем применения частотно-регулируемого привода и изменения состава насосного оборудования устанавливают величину минимального избыточного напора в напорном коллекторе.

Кроме того, при необходимости в процессе оптимизации режима работы и состава насосного оборудования проводят обрезку рабочих колес одного или нескольких нагнетателей, а в процессе диагностики проводят полную или частичную замену насосного оборудования.

В ходе проведения анализа работы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке в основу разработанного способа выбора параметров лопастных нагнетателей положен принцип “двойной” (долговременной и кратковременной) оптимизации. При этом на первом этапе проводится долгосрочная оптимизация, связанная с выбором оборудования для заранее заданных условий его эксплуатации.

В результате анализа работы системы была построена математическая модель для описываемого способа регулировки, которая построена следующим образом: в результате математической обработки статистической совокупности параметров, характеризующих работу динамической системы “нагнетатель - трубопровод” за длительный период времени (срок не менее одного года), получаем статистический ряд, связывающий значения имевших место расходов с частотой (статистической вероятностью) их появления. Число разрядов (интервалов) ряда определяется степенью нестационарности процесса, а также принятой эксплуатирующей оборудование организацией системой учета (отчетности).

Принимая в пределах одного интервала рассматриваемого статистического ряда процесс стационарным, принимаем подачу нагнетателя в пределах этого интервала постоянной. В случае минимизации давления (напора) в рассматриваемом интервале и при условии, что подбор нагнетателя осуществляется для работы именно в данном интервале, получаем, что при правильном выборе нагнетателя его КПД имел бы максимально возможное значение в пределах рассматриваемого интервала. Таким образом, если принять число подбираемых для включения в параллельную работу и оснащенных регулируемым приводом нагнетателей соответствующим числу рассматриваемых интервалов статистического ряда, то на всем возможном диапазоне подач будет обеспечиваться минимальный необходимый напор, максимальный КПД и минимальные для принятого типа оборудования затраты энергии на подачу требуемого объема перекачиваемой среды, т.е. обеспечивается теоретический минимум целевой функции оптимизации.

Поскольку установка большого числа (более 20) нагнетателей технически нецелесообразна и экономически неоправданна, то необходимо найти разумный компромисс путем доведения числа нагнетателей до реального. Для этого было увеличено число интервалов, обслуживаемых одним нагнетателем. По мере укрупнения интервалов число нагнетателей, включаемых в параллельную работу, уменьшается, тогда как затраты энергии на поддержание нестационарного процесса увеличиваются.

На определенном этапе было установлено, что преимущества от уменьшения числа нагнетателей становятся сопоставимыми с дополнительными затратами энергии, возникающими в результате снижения КПД всей системы. Таким образом, была установлена предельная граница укрупнения интервалов и, тем самым, предварительно определено минимально необходимое число нагнетателей.

Принципиально новые возможности дает регулируемый привод, который позволяет минимизировать до необходимого уровня напор во всем возможном диапазоне изменения подач внутри каждого укрупненного интервала. При этом в качестве основного критерия приняты колебания значений КПД. Это обстоятельство позволяет определить внутри каждого укрупненного интервала такие теоретически предпочтительные значения напора и подачи, при которых потери мощности, возникающие в результате отклонения фактических режимов работы оборудования от оптимальных, будут минимальными.

Необходимо особо подчеркнуть, что вначале определяются не действительные, а теоретически возможные (предпочтительные) параметры, необходимые для подбора нагнетателей. И только затем определяются действительные индивидуальные характеристики нагнетателей с учетом реально выпускаемого промышленностью оборудования. Поскольку для каждого укрупненного интервала получаем различные по напору и подаче нагнетатели, то при подборе оборудования учитывается также фактор совместимости характеристик нагнетателей, предназначенных для одновременного включения в параллельную работу. Из-за ограниченности номенклатуры выпускаемых промышленностью нагнетателей необходимо стремиться к тому, чтобы индивидуальные характеристики нагнетателей были максимально приближены к теоретическим. Следует учитывать то обстоятельство, что большему несоответствию действительных и теоретических характеристик будут соответствовать большие потери энергии.

После окончания этапа долговременной оптимизации была проведена краткосрочная оптимизация с учетом принятых индивидуальных характеристик оборудования. Краткосрочная оптимизация проводиться в режиме реального времени. Так как действительные характеристики оборудования отличаются от теоретических, возникает необходимость установить такие режимы работы нагнетателей, при которых обеспечивается минимум затрат.

В результате основными параметрами оптимизации являются подача, давление (напор) и КПД. Поскольку все параллельно подключенные нагнетатели работают с одинаковым напором (давлением), то, изменяя частоту вращения рабочего колеса каждого нагнетателя, можно добиться минимизации необходимого напора, а также такого распределения подач между лопастными нагнетателями, при котором целевая функция оптимизации достигает минимума.

В результате:

Решена задача одновременной оптимизации состава и режимов работы лопастных нагнетателей в нестационарных технологических процессах. Установлена связь между предполагаемыми условиями их работы, то есть численными значениями параметров случайного процесса с характеристиками планируемого для установки оборудования.

Определены теоретически предпочтительные параметры, определяющие подбор нагнетателей, т.е. в результате расчетов на первом этапе определяются параметры не лучшего из выпускаемого промышленностью оборудования, а наиболее эффективного для заданных условий эксплуатации.

Определена область эффективной работы каждого нагнетателя в перекрываемом группой нагнетателей диапазоне подач. Показано, что широко используемое на практике включение в параллельную работу однотипных нагнетателей обусловлено простотой управления ими, однако это с энергетической точки зрения является неэффективным.

Применение разнотипных нагнетателей обеспечивает снижение затрат энергии на их работу.

При этом для более полного использования возможности регулируемого привода необходимо повышение частоты вращения рабочих колес нагнетателей по отношению к номинальной. Целесообразно использовать нагнетатели, которые позволяют увеличивать частоту вращения рабочих колес на 20-30%. Выявлено, что управление разнотипными нагнетателями должно быть индивидуальным, поскольку синхронное управление группой нагнетателей с энергетической точки зрения будет менее эффективным.

При включении в параллельную работу нескольких разнотипных нагнетателей с различными характеристиками учитывается возможность их совместной работы.

Способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке дает возможность сэкономить электроэнергию до 30% и более от реально существующих затрат.

Таким образом, способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке заключается в том, что проводят диагностику энергопотребления при работе группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей в условиях нестационарной нагрузки с учетом возможности регулирования подачи потребителю жидкой среды с дросселированием сети трубопроводов и ступенчатым регулированием путем включения в одновременную работу одной или нескольких групп насосных агрегатов, каждая из которых включает несколько разнотипных лопастных нагнетателей с различными характеристиками и индивидуальным управлением каждым лопастным нагнетателем в группе с обеспечением совместимости работы разнотипных нагнетателей в группе. При этом определяют минимально возможные затраты электроэнергии при условии обеспечения требуемой потребителю подачи во всем возможном диапазоне ее изменения с минимально допустимыми напорами и максимальными значениями КПД, определяют величину минимального избыточного напора во всем диапазоне изменения нагрузки в напорном коллекторе при изменении нагрузки с оптимизацией режима работы. В процессе управления в режиме реального времени измеряют подачу каждого нагнетателя и суммарную подачу группы одновременно работающих нагнетателей, давление в напорном коллекторе или в контрольной точке сети, частоту вращения рабочего колеса каждого нагнетателя, давление на входе в каждый насос и мощность, потребляемую электродвигателем привода каждого нагнетателя, и путем применения частотно-регулируемого привода и изменения состава насосного оборудования устанавливают величину минимального избыточного напора в напорном коллекторе.

При необходимости в процессе оптимизации режима работы и состава насосного оборудования проводят обрезку рабочих колес одного или нескольких нагнетателей, а в процессе диагностики проводят полную или частичную замену насосного оборудования. Данный способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке может быть использован везде, где требуется стабильная подача текучей среды в условиях нестационарного режима потребления подаваемой потребителю среды, например в системах централизованного водоснабжения или в системах централизованного отопления, особенно в период смены климата.

Формула изобретения

1. Способ регулирования работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке, заключающийся в том, что проводят диагностику энергопотребления при работе группы параллельно включенных лопастных нагнетателей в условиях нестационарной нагрузки с учетом возможности регулирования подачи потребителю жидкой среды дросселированием сети трубопроводов и ступенчатым регулированием путем включения в одновременную работу одной или нескольких групп насосных агрегатов, каждая из которых включает несколько разнотипных лопастных нагнетателей с различными характеристиками и индивидуальным управлением каждым лопастным нагнетателем в группе с обеспечением совместимости работы разнотипных нагнетателей в группе, при этом определяют минимально возможные затраты электроэнергии при условии обеспечения требуемой потребителю подачи во всем возможном диапазоне ее изменения с минимально допустимыми напорами и максимальными значениями кпд, определяют величину минимального избыточного напора во всем диапазоне изменения нагрузки в напорном коллекторе при изменении нагрузки с оптимизацией режима работы, причем в процессе управления в режиме реального времени измеряют подачу каждого нагнетателя и суммарную подачу группы одновременно работающих нагнетателей, давление в напорном коллекторе или в контрольной точке сети, частоту вращения рабочего колеса каждого нагнетателя, давление на входе в каждый насос и мощность, потребляемую электродвигателем привода каждого нагнетателя, и путем применения частотно-регулируемого привода и изменения состава насосного оборудования устанавливают величину минимального избыточного напора в напорном коллекторе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе оптимизации режима работы и состава насосного оборудования проводят обрезку рабочих колес одного или нескольких нагнетателей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе оптимизации проводят полную или частичную замену насосного оборудования.