Потребление и потеря энергии в насосах

В статье рассмотрена проблема энергосбережения в насосах

Электродвигатели потребляют до 65% электроэнергии по всему миру и присутствуют практически во всех областях деятельности человека. Принято считать, что сэкономить условную единицу энергии в два раза дешевле чем её произвести

В нерегулируемых электродвигателях преобладали аснихронные электродвигатели, то в регулируемых почти всегда применялся только двигатель постоянного тока. В последнее время, с появлением преобразователей частоты, которые надежные и соответсвуют своей цене, ситуация резко изменилась. К 2000 году в Европе регулируемые электроприводы используются лишь в 15% случаев. Поэтому целесообразней будет рассматривать проблему энергосбережения приминитильно к асинхронным двигателям с частотнорегулиремыми включительно. В мировой практике выработались некоторые варианты решения проблемы энергосбережения.

Энергоэффективные двигатели (ЭД) - представляют собой ассинхронные двигатели ЭД с короткозамкнутым ротором, в которых за счет увеличени я массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов примененных при проектировании удается подня КПД на 1-2%(большие двигатели) и 4-5% КПД(небольшие) соответственно цена двигателя тоже увеличивается. Этот подход приносит пользу при более менее стабилной нагрузке без регулирования скорости с оптимальным подбором двигателя под задачу.

Очень важно правильно подобрать двигатель под конкретный процесс или задачу. Давно извстно, что средння загрузка электродвигателя(Отношение потребляемой мощности ротором к номинальной мощности электродвигателя) в отечественной промышленности находится в пределах 0,3-0,4 в Европе эта цифра составляет 0,6. Это говорит нам о том, что двигатель работает с КПД значительно ниже номинального.Завшенная мощность электродвигателя очень часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень отрицательным последствиям таких как: повышенный напор в гидравлических сетях, рост потерь и с нижение надежности. Применение фильтрокомпенсирующих устройств в цепи питания элетродвигателя для повышения коэфициента мощности и фильтрации высших гармоник тока. Для нерегулируемых асинхронных электроприводов, работающих часть времени в пустую, - снижение напряжения при уменьшении нагрузки

Все выше рассмотренные направления касаются энергосбережения в самом приводе и используются для сокращения потерь при преобразовании энергии и для повышения энергетических показателей электропривода. Автоматизированный электропривод предоставляет более большие возможности по энергосбережению, вплоть до создания новых энергосберегающих технологий.

Основная идея энергосбережения энергии для электропривода - это подача в каждый момент времени необходимой мощности. Это достигается посредством управления скоростью и моментом в регулируемом электроприводе. В последние годы такой процесс стал основным. это позволит сократить до 30% потребляемой электроенергии.

Остановимся подробнее на некоторых направлениях.
Энергоэффективные двигатели - это, скорее, чисто западное явление. В России пока такие двигатели не пользуются спросом. Однако работы в этом направлении ведутся, в частности по снижению потерь на охлаждение и в подшипниках. Правильный выбор двигателя по мощности связан прежде всего с тем, что ранее при проектировании стремились "подстраховаться", и часто установленная мощность двигателя превышала требуемую, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было. В настоящее время эта задача имеется, и возможно два похода к ее решению. 
Увеличение нагрузки рабочих машин. 
Увеличение средней нагрузки рабочих машин снижает удельные расходы электроэнергии.

На рисунке видно, что при уменьшении нагрузки снижается КПД электродвигателя и особенно рабочей машины.

Специально рассмотрим выбор двигателя для насоса, поскольку эта одна из категорий массового применения асинхронных двигателей и одна из категорий массового несоответствия установленной мощности требуемой. Как известно, мощность электродвигателя для насоса рассчитывается по формуле, кВт:

где Q - подача насоса, м /ч;
η - коэффициент запаса мощности ( при Q≤100 м/ч, η=1,2-1,3; при Q <100 м3/ч, η=1,1-1,5);
Н - полный напор с учетом высоты всасывания, м;
η н - КПД насоса, %;
η п - КПД передачи, %;
ϒ - плотность жидкости, кг/м3.

Удельный расход электроэнергии для любого режима работы насоса, кВт·ч/м3:

где 
Н - действительный напор, развиваемый насосом при данном режиме, м. вод. ст., 
η dη н - КПД э/дв. и насоса при данном режиме.

Наилучший выбор электродвигателя считается в том случае, когда при минимальном удельном расходе электроэнергии на подачу воды достигается требуемая подача и напор насоса. Подача и напор зависят от характеристик системы водоснабжения, где установлен насос, поэтому паспортные данные выбранного насоса должны максимально совпадать с сопротивлением трубопроводов системы водоснабжения.

Остановимся подробнее на сравнении с другими способами энергосбережения.
Изменение (регулирование) режима работы насоса осуществляется:
- напорной или приемной задвижкой;
- изменением числа работающих насосов;
- изменением частоты вращения электродвигателя (с помощью ПЧ).

Анализ:
- при регулировании задвижкой с уменьшением расхода воды КПД насоса уменьшается, а значение напора растет. Следовательно, с уменьшением расхода воды удельный расход электроэнергии быстро возрастает; 
- если числом насосов, то КПД двигателя и насоса неизменно. Напор из-за уменьшения расхода и потерь в сети снижается; удельные расходы электроэнергии также снижаются; при частотном регулировании электродвигателя КПД насоса и электродвигателя с уменьшением расхода снижаются, напор также снижается.
Удельные расходы электроэнергии изменяются незначительно.
Т.о. наиболее экономично - изменение числа работающих насосов; далее - частотное регулирование насосов.
При этом в системах с преобразованием резкопеременных расходов рациональнее регулировать частотой.
В системах с постоянным расходом более рационально - числом насосов.
Использование задвижек - для мелких насосов, а также когда регулирование производится в течение небольшого числа часов в году.

Источник: nasos-info.com