міфи частотного регулювання швидкості насоса. правило 80/20.

        Передумови.

      На сьогоднішній день є безліч прихильників застосування в побутовому секторі водопостачання регульованих насосів підвищення тиску зі змінною швидкістю і прихильників застосування нерегульованих насосів з постійною швидкістю. Є докази, є обгрунтований і необгрунтований опір змінам.

      Основні припущення, що забезпечують рентабельність регулювання швидкості насоса в побутовому секторі водопостачання:

      - близько 80% часу роботи насосної станції витрачається на забезпечення потреби у воді, що становить 20% або менше від проектного споживання споруди;

      - зміна споживання води в будинку критично важлива для забезпечення ефективної економії електроенергії;

      - обсяг гідроакумулятора недостатній для надання серйозного впливу на споживання електроенергії насосом;

      - споживана електрична потужність Р дорівнює добутку струму I на напругу U, а регулювання швидкості зачіпає всі частини енергетичного рівняння, забезпечуючи велику економію електроенергії.

         Постійна швидкість обертання валу.

      Насосні станції з постійною швидкістю конструктивно відносно прості. Насос ніколи не змінює швидкість, так як електродвигун живиться від джерела енергії зі стабільними параметрами через пусковий пристрій, наприклад, реле тиску. У реле тиску два положення - замкнуті контакти і розімкнуті контакти. По суті насос з постійною частотою обертання (швидкістю) має дві швидкісні режими - при замиканні реле постійна швидкість обертання, при розмиканні контактів реле - швидкість, рівна нулю. Ця максимально проста концепція управління багато років відмінно працювала і все ще зустрічається в застарілих насосних системах і в побутовому секторі водопостачання. У минулому необхідність системи підвищення тиску мала першорядну важливість, а її економічність була на другому місці. На сьогоднішній день енергетична ефективність насосних систем з постійною швидкістю грає основну роль і вже недостатньо просто подавати воду у відкриті крани нерегульованим насосом. Іншими словами насосна станція вже повинна відповідати реаліям «профілю навантаження». Якщо ми визначили точно «профіль навантаження», ми можемо витратити стільки енергії, скільки необхідно в конкретний момент часу для задоволення потреби у воді. Це дає нам можливість суттєво економити енергію.

      Правило 80/20.

      Давайте скажемо відверто. На перший погляд однакові системи водопостачання, незважаючи на зовнішню схожість, відрізняютьсяі і їх профілі навантажень також відрізняються. Дуже складно знайти єдине універсальне рішення застосування насоса з нерегульованою швидкістю для систем водопостачання зі змінним режимом споживання (яке насправді не здатне адаптуватися до профілю навантаження). Мета регулювання швидкості складається в максимально точній відповідності гідравлічної потужності насоса до профіля навантаження так, щоб зменшити споживання енергії. Правило 80/20 означає те, що 80% часу роботи насосної станції водопостачання  витрачається на обслуговування навантажень з інтенсивністю не більше 20% від максимальної продуктивності. Тобто насосна станція 80% часу просто створює надлишковий тиск в трубопроводах. В ідеалі цю ситуацію ми можемо використовувати як пряму можливість економити енергію.

       Графік насоса.

     Відповідно до Законів Подоби зниження швидкості обертання двигуна зменшить споживану потужність в кубі. Одночасно з потужністю, підкоряючись законам подоби, також знизитися натиск і продуктивність. Давайте подивимося на стандартний графік насоса. При збільшенні продуктивності натиск зменшується і навпаки. Якщо застосовувати регулювання швидкості при зниженні продуктивності потенційне зростання напору запобігає зменшенням швидкості насоса «уповільненням» (зменшенням швидкості) насоса з утриманням тиску на стабільному рівні. При «уповільненні» швидкості насоса в два рази Закони Подоби вказують  на зниження потужності насоса в 8 разів!

      У насосній системі з постійною швидкістю це не відбувається - насос не змінює швидкість.

   Замість регулювання в систему встановлюється обмежувальний дросель, який знижує "паразитний" тиск за рахунок опору і збільшення тертя. Оскільки стан надлишкового тиску - об'єктивна реальність для насосних систем з постійним тиском виробники пропонували приборкати цей надлишковий тиск шляхом додавання в систему мембранних гідроакумуляторів в надії знизити споживання енергії за рахунок періодичного відключення насоса і здійснення водопостачання за рахунок гідроакумулятора. Ця чудова ідея, проте, ця ідея стикається з реаліями закону Бойля-Маріотта, який говорить, що «обсяг стисненого в гидроаккумуляторе повітря обернено пропорційний тиску, що чиниться на газ».

      Мембранний гідроакумулятор.

   Мембранний бак додають до насоса з постійною швидкістю, що працює на підтримку тиску в системі водопостачання, для економії електроенергії. Мембранний бак виконує функцію енергетичного накопичувача. Для акумуляції води в мембранному гидроаккумуляторе і створення пауз в роботі насоса при низькому споживанні води, сам насос повинен мати здатність створювати більший тиск для наповнення акумулятора, відключення і запобігання швидкого повторного пуску. Ця ідея настільки добре себе зарекомендувала, що з часом стала «галузевим» стандартом. Однак, є друга, менш популярна частина цієї історії. Початковий тиск повітря в гидроаккумуляторе встановлюється практично рівним мінімальному тиску в системі. Мінімальний тиск в системі відповідає необхідному рівню тиску в системі водопостачання. Це означає, що жодна крапля води не потрапить в мембрану гідроакумулятора до тих пір, поки насос не створить надлишковий тиск. Акумуляція води може бути досягнута тільки за рахунок створення надлишкового тиску і характеризується невеликим резервом води, скажімо, 15% або 20% від загального обсягу гідроакумулятора. Якщо Ви купуєте гідроакумулятор об'ємом 200 літрів як Ви поставитеся до того, що обсяг акумуляції складе тільки 30 або 40 літрів? В результаті може виявитися більш рентабельним використовувати насосну систему з регулюванням швидкості і підтриманням заданого тиску (без витрат енергії на створення надлишкового тиску і закачування води в бак) протягом 80% часу зі зниженою швидкістю, ніж використовувати нерегульований насос, який працює повторно-короткочасно при споживанні води в парі з гідроакумулятором.

      У системах з частотним регулюванням швидкості гідроакумулятор також присутній. Однак, в умовах стабільного тиску обсяг води не змінюється. Обсяг води в гідроакумуляторі може змінюватися тільки при зміні тиску, наприклад, при вході або виході насосної системи в «режим сну» або при швидких змінах в навантаженні, коли насос з плавно регульованою швидкістю не встигає миттєво «відреагувати» на швидкі зміни. Ці зміни тиску в особливих режимах роботи насоса зі змінною швидкістю усуваються за рахунок гідроакумулятора невеликого обсягу.

        Економія енергії.

     Зрештою найважливіший аспект - ціна життєвого циклу (початкові капіталовкладення і загальна вартість експлуатації обладнання). Де споживач отримує вигоду від експлуатації системи? У підсумку в рахунку на електроенергію. Споживач оплачує рахунок за кіловати спожитої електроенергії. А що впливає на зниження кількості кіловат? Цей аспект можна проілюструвати одним простим електричним законом - Законом Ома. Закон Ома говорить, що «вольти» помножені на «ампери» дорівнюють «ватам». Що впливає на потужність - швидкість насоса (Гц) (напруга знижується пропорційно швидкості обертання валу) і навантаження на насос (споживання струму пропорційно продуктивності насоса). У разі нерегульованого насоса зі зниженням споживання води в системі споживання струму насосом також зменшується, а напруга залишається незмінною. «Класичний» для насосів водопостачання індукційний електродвигун з короткозамкненим ротором знижує споживання струму від максимальної до мінімальної продуктивності до 60%. Однак, струм - тільки одна зі змінних складових закону Ома. Якщо продуктивність зменшується для регульованого насоса зі змінною швидкістю знижується не тільки сила струму, але і пропорційно струму знижується напруга. Для регульованого насоса зі змінною швидкістю змінюються обидві змінні складові закону Ома - струм і напруга. Цей економічний аспект зробив регулювання швидкості насоса новим «галузевим стандартом» XXI століття. Нерегульовані насосні системи служили в промисловості та в побутовому секторі багато років, але регулювання швидкості дозволяє оптимізувати витрати електроенергії, знизити суму рахунку за електроенергію та знизити загальну ціну життєвого циклу. Це - новий стандарт і реалії сучасного світу.