Влияние размера гидроаккумулирующего бака на потребление электроэнергии в системе водоснабжения

Задача этой статьи показать зависимость объема напорного гидроаккумулятора и потребления электроэнергии в насосной системе водоснабжения с дифференциальным управлением, регулирующим объем аккумуляции воды в баке (объем запасенной энергии давления).

В стандартных надземных водонапорных системах (водонапорных башнях разной конструкции) установлены насосы, задачей которых является заполнение и поддержка объема воды в надземном резервуаре в пределах нижнего и верхнего уровней.   Такие системы водоснабжения известны с древних времен, получили широкое распространение во всем мире и обеспечивают гравитационную (самотечную) подачу воды для бытовых, коммунальных или промышленных нужд. Принцип их действия основан на одном из базовых законов гидростатики - законе сообщающихся сосудов.

Надземные водонапорные системы водоснабжения обеспечивают очень экономичную и надежную работу в условиях ограниченного потребления воды. Актуальность надземных гидростатических систем водоснабжения  в настоящее время не утрачена особенно для месности с дефицитом энергии.  Высокая экономичность в таких системах достигается  продолжительным режимом работы низконапорного питательного насоса, работающего с оптимальной рабочей характеристикой при низкой частоте включения, что достигатеся за счет большого объема аккумулированной воды, значительного перепада уровней включения/отключения насоса и ограниченного водопотребления системы.   Однако, гравитационные низконапорные системы водоснабжения нельзя ставить в один ряд с высоконапорными насосными системами. Гравитационные системы позволяют получить ограниченные уровни давления, определяемые высотой положения аккумулирующего резервуара. При этом,  максимальное давление в гравитационной системе ограничено высотой резервуара.  Такие гравитационные системы могут эффективно применяться для аккумуляции воды только в условиях незначительного водопотребления. Для того, что бы сопоставить эти системы с напорными системами необходимо применение насоса. Так как напорная система водоснабжения управляется работой насоса можно считать, что водонапорные надземные системы водоснабжения с насосом также охватываются этой статьей.

Изначально предполагается, что гравитационные водонапорные системы наиболее экономичны. Подтверждением этого предположения служит то, что насос выполняет минимальную работу и только по перемещению воды на верхний уровень в резервуаре. Выполненная насосом работа сохраняется в виде потенциальной энергии и расходуется в форме давления в зависимости от высоты. Запасенная энергия используется наилучшим образом при использовании аккумулированной воды с максимальным давлением без применения дополнительного повысительного насоса. При использовании накопленной воды в любой точке в промежутке между «нулевым» уровнем поверхности земли  и уровнем воды в надземном резервуаре расходуется только часть энергии (энергии положения). Преимущество системы с надземным резервуаром заключается в затратах энергии на  поддержание уровня воды в резервуаре.  Размер резервуара выбирают так, что бы достичь минимального числа включения насоса (непроизводительного расхода электроэнергии при пусках) и максимальной продолжительности работы насоса (запасенной энергии в резервуаре) для повторного заполнения резервуара. Простая оценка показывает, что чем больше размер резервуара, тем больше количество запасенной энергии, тем реже частота включения насоса и тем энергетически эффективнее режим работы насоса исходя из факта, что насос выбирают меньшей мощности с учетом более длительного режима работы.  Эта утверждение также применимо к работе насосных станций для поддержания давления в системах водоснабжения.

В напорных системах водоснабжения с дифференциальным контролем уровня давления насос применяется для подачи воды непосредственно в точку разбора. Напорный гидроаккумулятор, выполняя функции водонапорной «башни», аккумулирует энергию в виде находящейся под давлением жидкости, при этом энергия положения (высоты) заменена энергией противодавления  воздуха в гидроаккумуляторе. Необходимость в создании перепада высоты для напорного гидроаккумулятора отсутствует. Насос рассчитывается так, что бы обеспечить прямую подачу в систему достаточного количества воды.  Наибольшая эффективность работы насоса достигается при оптимальной подаче в соответствии с графиком «напор-производительность» в зоне наивысшего коэффициента полезного действия. Энергия, необходимая для пуска насоса, потребляется для преодоления инертного состояния покоя насоса, расходуется на тепловые потери и не может быть повторно использована. Потребление энергии при пуске насоса является наименее эффективеным в отношении главной цели насосной системы - подачи воды под давлением. Эта неэффективность заключается, прежде всего, в чрезмерном и непроизводительном потреблении электроэнергии при старте насоса, что также результируется в нагреве обмоток электродвигателя насоса и наносит вред электродвигателю -  вызывает необратимые физико-химические изменения свойств изоляции, приводящие к форсированному ее старению и к термическому разрушению. Принципиально, разрушение изоляции обмоток  электродвигателя при  пуске насоса происходит по двум причинам: механические перегрузки  и снижение изоляционных характеристик вследствиии тепловых перегрузок. Первая причина связана с воздействием на обмотки двигателя электродинамических усилий, пропорциональных квадрату величины тока в обмотках электродвигателя. Динамические усилия вызывают механические перемещения в пазовых и лобных частях обмотки, которые со временем нарушают целосность изоляции. Вторая причина – пропорциональное квадрату величины тока тепловыделение в обмотках электродвигателя.

Установленные производителем ограничения количества пусков насоса в час направлены на приемлимое сохранение срока службы электродвигателя насоса, но не на уменьшение расхода энергии. В насосных системах напорный гидроаккумулятор применяется для сокращения количества пусков насоса и удовлетворения потребностей системы в небольших расходах воды без пуска насоса. Насос в системах с дифференциальным контролем давления рассчитывается на пиковое потребление воды. Его наивысшая энергетическая эффективность достигается на околопиковых уровнях водопотребления. Зачастую потребление воды в системе переменное как по длительности, так по количеству. Напорный гидроаккумулятор становится устройством, аккумулирующим энергию и обеспечивающим работу насоса в оптимальном режиме путем поглощения избыточной энергии насоса при неоптимальных уровнях водопотребления в системе. При оптимальном уровне потребления воды насос функционирует энергетически эффективно непрерывно подавая воду неспосредственно в точки водопотребления.  При потреблении ниже оптимального уровня гидроаккумулятор накапливает избыток энергии в форме сжатой под давлением воды (точно так же как и водонапорный резервуар надземной системы водоснабжения).

В насосных системах с дифференциальным контролем давления размер гидроакумулятора выбирается так, что бы количество пусков насоса не превышало установленные производителем насоса границы, гарантируя приемлимый уровень долговечности и надежности насосного оборудования. Энергия же пуска насоса расходуется на выделение тепла и создание непродуктивной энергии. Логично, что существует простая зависимость между количеством пусков насоса, тепловыделением и непроизводительными затратами электроэнергии.  Количество пусков можно уменьшить за счет большего количества аккумулированной под давлением воды, обепечивающей больший срок потребления воды без включения насоса и больший объем поглощенного избытка энергии насоса при работе в недогруженных режимах при низком уровне потребления воды.

Например, насос в системе водоснабжения рассчитан на подачу воды со скоростью 40 л/мин, а объем гидроаккумулятора позволяет обеспечить повторно-кратковременный режим работы насоса с расчета 1 минуты работы и 1 минуты простоя в недогруженном режиме. Такой график работы обеспечивает максимальную частоту включений не более 30 пусков в час независимо от скорости водопотребления. Энергия 30-ти пусков насоса будет потеряна в виде тепловыделения, пропорционального квадрату пускового тока в обмотке. При пиковом потреблении в системе режим работы насоса будет непрерывным после пуска, при частичном потреблении избыточная энергия насоса будет аккумулирована гидроаккумулятором. При увеличении размера гидроаккумулятора в два раза частота включений уменьшится наполовину, а пусковая тепловая энергия распределится на больший объем запасенной в баке энергии в виде сжатой под давлением воды.  Большее количество энергии, запасенное перед каждым повторным пуском насоса, обеспечит меньшее потребление электроэнергии из-за уменьшения частоты тепловыделения при пуске, а также увеличит срок службы двигателя насоса.