МИФЫ частотного регулирования скорости насоса. Правило 80/20.

  Главная › Техническая поддержка › Информационные статьи  

       Предпосылки.

      На сегодняшний день есть множество сторонников применения регулируемых насосов повышения давления с переменной скоростью и сторонников применения нерегулируемых насосов с постоянной скоростью в бытовом секторе применения. Есть доводы, есть обоснованное и необоснованное сопротивление переменам. 

      Основные предположения, обеспечивающие рентабельность регулирования скорости насоса в бытовом секторе водоснабжения: 

      -  около 80% времени работы насосной станции затрачивается на обеспечение потребности в воде, составляющей 20% или меньше от проектного потребления здания;

      - изменение потребления воды в здании критически важно для обеспечения эффективной экономии электроэнергии;

      - объем гидроаккумулятора недостаточен для оказания серьезного влияния на потребление электроэнергии насосом;

      -  потребляемая электрическая мощность Р равна произведению тока I на напряжение U, а регулирование скорости затрагивает все части энергетического уравнения, обеспечивая большую экономию электроэнергии. 

      Постоянная скорость вращения вала. 

      Насосные станции с постоянной скоростью конструктивно относительно просты. Насос никогда не меняет скорость, так как электродвигатель получает питание от источника энергии со стабильными параметрами через пусковое устройство, например, реле давления. У реле давления два положения – замкнутые контакты и разомкнутые контакты. По сути насос с постоянной частотой вращения (скоростью) имеет две скорости –  при замыкании реле постоянная скорость вращения, при размыкании контактов реле – скорость, равная нулю. Эта максимально простая концепция управления многие годы отлично работала и все еще встречается в устаревших насосных системах и в бытовом секторе водоснабжения.   В прошлом необходимость системы повышения давления имела первостепенную важность, а ее экономичность была на втором месте. На сегодняшний день энергетическая эффективность насосных систем с постоянной скоростью играет основную роль и уже недостаточно просто подавать воду в открытые краны нерегулируемым насосом. Другими словами насосная станция уже должна соответствовать реалиям «профиля нагрузки». Если мы определили точно «профиль нагрузки», мы можем затратить столько энергии, сколько необходимо  в конкретный момент времени для удовлетворения потребности в воде, что дает нам возможность существенно экономить энергию.

      Правило 80/20. 

      Давайте скажем откровенно. Все на первый взгляд системы водоснабжения несмотря на внешнюю схожесть разные и их профили нагрузок отличаются.  Очень сложно найти единое универсальное решение применения насоса с нерегулируемой скоростью для систем водоснабжения с переменным режимом потребления (которое в действительности не способно адаптироваться к профилю нагрузки). Цель регулирования скорости состоит в максимально точном соответствии гидравлической мощности насоса профилю нагрузки так, чтобы уменьшить потребление энергии при низком потреблении воды. Правило 80/20 означает то, что 80% времени работы насосной станции водоснабжения работы затрачивается на обслуживание нагрузок с интенсивностью не более 20%  от максимальной производительности. Насосная станция 80% времени просто создает давление в трубопроводах. В идеале эту ситуацию мы можем использовать как прямую возможность экономить энергию.

График насоса.

В соответствии с Законами Подобия снижение скорости вращения двигателя уменьшит потребляемую мощность в кубе. Одновременно с мощностью, подчиняясь Законам Подобия, также снизиться напор и производительность. Давайте посмотрим на стандартный график насоса. При увеличении производительности напор уменьшается и наоборот. Если применять регулирование  скорости при снижении производительности потенциальный рост напора предотвращается уменьшением скорости насоса «замедлением» (уменьшением скорости) насоса с удержанием давления на стабильном уровне. При «замедлении» скорости насоса в два раза Законы Подобия указывают нам на снижении мощности насоса в 8 раз!

      В насосной системе с постоянной скоростью это не происходит – насос не меняет скорость.

  Вместо регулирования в систему устанавливается ограничительный дроссель, который снижает паразитное давление за счет сопротивления и увеличения трения. Поскольку состояние избыточного давления – объективная реальность для насосных систем с постоянным давлением производители предлагали обуздать это избыточное давление путем добавления в систему мембранных гидроаккумуляторов в надежде снизить потребление энергии за счет периодического отключения насоса и осуществления водоснабжения за счет гидроаккумулятора. Эта отличная идея, однако, эта идея сталкивается с реалиями закона Бойля-Мариотта, который гласит, что «объем сжатого в гидроаккумуляторе воздуха обратно пропорционален давлению, оказываемому на газ».

      Мембранный гидроаккумулятор.

      Мембранный бак добавляют к насосу с постоянной скоростью, работающему на поддержание давления в системе водоснабжения,  для экономии электроэнергии.  Мембранный бак выполняет функцию энергетического накопителя. Для аккумуляции воды в мембранном гидроаккумуляторе и создания пауз в работе насоса при низком потреблении воды, сам насос должен обладать способностью создавать большее давление для наполнения аккумулятора, отключения и предотвращения быстрого повторного пуска. Эта идея столь хорошо себя зарекомендовала, что со временем стала «отраслевым» стандартом. Однако, есть вторая, менее непопулярная часть этой истории. Начальное давление воздуха в гидроаккумуляторе устанавливается практически равным минимальному давлению в системе. Минимальное давление в системе соответствует требуемому уровню давлению в системе водоснабжения. Это означает, что ни одна капля воды не попадет в мембрану гидроаккумулятора до тех пор, пока насос не создаст избыточное давление. Аккумуляция воды может быть достигнута только за счет создания избыточного давления и характеризуется небольшим резервом воды, скажем, 15% или 20% от общего объема гидроаккумулятора. Если Вы покупаете гидроаккумулятор объемом 200 литров как Вы отнесетесь к тому, что объем аккумуляции составит только 30 или 40 литров? В итоге может оказаться более рентабельным использовать насосную систему с регулированием скорости и поддержанием заданного давления (без затрат энергии на создание избыточного давления и закачивание воды в бак) в течении 80% времени с пониженной скоростью, чем использовать нерегулируемый насос, работающий повторно-кратковременно при потреблении воды, в паре с гидроаккумулятором.

      В системах с частотным регулированием скорости гидроаккумулятор также присутствует. Однако, в условиях стабильного давления объем воды не меняется. Объем воды в гидроаккумуляторе может меняться только при изменении давления, например, при входе или выходе насосной системы в «режим сна» или при быстрых изменениях в нагрузке, когда насос с плавно регулируемой скоростью не успевает мгновенно «отреагировать» на быстрые изменения. Эти изменения давления в особых режимах работы насоса с переменной скоростью устраняются за счет гидроаккумулятора небольшого объема.

      Экономия энергии.

В конце концов самый важный аспект – цена жизненного цикла (начальные капиталовложения и стоимость эксплуатации оборудования). Где потребитель получает выгоду от эксплуатации системы? В счете на электроэнергию. Потребитель оплачивает счет за киловатты потребленной электроэнергии.  А что оказывает влияние на снижение количества киловатт? Этот аспект можно проиллюстрировать одним простым электрическим законом - Законом Ома. Закон Ома гласит, что «вольты» умноженные на «амперы» равняются «ваттам». Что оказывает влияние на мощность – скорость насоса (Гц) (напряжение снижается пропорционально скорости вращения вала) и нагрузка на насос ( потребление тока пропорционально производительности насоса). В случае нерегулируемого насоса со снижением потребления воды в системе потребление тока насосом также уменьшается, а напряжение остается неизменным. «Классический» для насосов водоснабжения индукционный электродвигатель с короткозамкнутым ротором  снижает потребление тока от максимальной до минимальной производительности до 60%. Однако, ток – только одна из переменных составляющих закона Ома. Если производительность уменьшается для регулируемого насоса с переменной скоростью снижается не только сила тока, но  и пропорционально току снижается напряжение. Для регулируемого насоса с переменной скоростью изменяются обе переменные составляющие закона Ома – ток и напряжение.  Этот экономический аспект сделал регулирование скорости насоса «отраслевым стандартом» XXI столетия. Нерегулируемые насосные системы служили промышленности и бытовому сектору наджено много лет, но регулирование скорости позволяет оптимизировать расходы электроэнергии, снизить сумму счета за электроэнергию, снизить общую цену жизненного цикла.