Вплив розміру гідроакумулятора на споживання електроенергії в системі водозабезпечення

Завдання цієї статті показати залежність об'єму напірного гідроакумулятора і споживання електроенергії в насосній системі водопостачання з диференціальним управлінням, що регулює об'єм акумуляції води в баку (об'єм збереженої енергії тиску).

У стандартних наземних водонапірних системах (водонапірних вежах різної конструкції) встановлені насоси, завданням яких є заповнення та підтримка об'єму води в надземному резервуарі в межах нижнього та верхнього рівнів. Такі системи водопостачання відомі з давніх часів, набули широкого поширення у всьому світі і забезпечують гравітаційну (яка тече сама) подачу води для побутових, комунальних або промислових потреб. Принцип їх дії заснований на одному з базових законів гідростатики - законі сполучених посудин.

Надземні водонапірні системи водопостачання забезпечують дуже економічну і надійну роботу в умовах обмеженого споживання води. Актуальність наземних гідростатичних систем водопостачання в даний час не втрачено особливо для місцевості з дефіцитом енергії. Висока економічність в таких системах досягається тривалим режимом роботи низьконапірного живильного насоса, що працює з оптимальною робочою характеристикою при низькій частоті включення, що досягається за рахунок великого об'єму акумульованої води, значних перепадів рівнів ввімкнення/вимкнення насоса і обмеженого водоспоживання системи. Однак, гравітаційні низьконапірні системи водопостачання не можна ставити в один ряд з високонапірними насосними системами.

Гравітаційні системи дозволяють отримати обмежені рівні тиску, які обумовлені висотою положення акумуляційного резервуара. При цьому, максимальний тиск у гравітаційній системі обмежений висотою резервуара. Такі гравітаційні системи можуть ефективно застосовуватися для акумуляції води тільки в умовах незначного водоспоживання. Для того, що б зіставити ці системи з напірними системами необхідно використання насоса. Так як напірна система водопостачання управляє роботою насоса можна вважати, що водонапірні надземні системи водопостачання з насосом також охоплюються цією статтею.

Від початку вважається, що гравітаційні водонапірні системи найбільш економічні. Підтвердженням цього припущення є те, що насос виконує мінімальну роботу і тільки по переміщенню води на верхній рівень в резервуар. Виконана насосом робота зберігається у вигляді потенційної енергії і витрачається в формі тиску в залежності від висоти. Накопичена енергія використовується найкращим чином при використанні акумульованої води з максимальним тиском без застосування додаткового підсилювального насоса. При використанні накопиченої води в будь-якій точці в проміжку між «нульовим» рівнем поверхні землі та рівнем води в надземному резервуарі витрачається тільки частина енергії (енергія положення). Перевага системи з надземним резервуаром полягає в витратах енергії на підтримання рівня води в резервуарі. Розмір резервуара вибирають так, що б досягти мінімального числа включення насоса (непродуктивної витрати електроенергії при пусках) і максимальної тривалості роботи насоса (збереженої енергії в резервуарі) для повторного заповнення резервуара. Проста оцінка показує, що чим більше розмір резервуара, тим більша кількість збереженої енергії, тим рідше частота включення насоса і тим енергетично ефективніше режим роботи насоса виходячи з факту, що насос вибирають меншої потужності з урахуванням більш тривалого режиму роботи. Це твердження також можна застосувати до роботи насосних станцій для підтримки тиску в системах водопостачання.


У напірних системах водопостачання з диференціальним контролем рівня тиску насос застосовується для подачі води безпосередньо в точку розбору. Напірний гідроакумулятор, виконуючи функції водонапірної «вежі», акумулює енергію у вигляді рідини, яка знаходиться під тиском, при цьому енергія положення (висоти) замінена енергією протитиску повітря в гідроакумуляторі. Необхідність у створенні перепаду висоти для напірного гідроакумулятора відсутня. Насос розраховується так, що б забезпечити пряму подачу в систему достатньої кількості води. Найбільша ефективність роботи насоса досягається при оптимальній подачі відповідно до графіка «тиск-продуктивність» в зоні найвищого коефіцієнта корисної дії. Енергія, необхідна для пуску насоса, споживається для подолання інертного стану спокою насоса, витрачається на теплові втрати і не може бути повторно використана.

Споживання енергії при пуску насоса є найменш ефективним щодо головної мети насосної системи - подачі води під тиском. Ця неефективність полягає, перш за все, в надмірному і непродуктивну споживанні електроенергії при старті насоса, що призводить до нагрівання обмоток електродвигуна насоса та завдає шкоди електродвигуну - викликає незворотні фізико-хімічні зміни властивостей ізоляції, що призводять до форсованого її старіння і до термічного руйнування. Принципово, руйнування ізоляції обмоток електродвигуна під час пуску насоса відбувається з двох причин: механічні перевантаження і зниження ізоляційних характеристик внаслідок теплових перевантажень. Перша причина пов'язана з впливом на обмотки двигуна електродинамічних зусиль, пропорційних квадрату величини струму в обмотках електродвигуна. Динамічні зусилля викликають механічні переміщення в пазових і лобових частинах обмотки, які з часом порушують цілісність ізоляції. Друга причина - пропорційне квадрату величини струму тепловиділення в обмотках електродвигуна.

Встановлені виробником обмеження кількості пусків насоса в годину спрямовані на прийнятне збереження терміну служби електродвигуна насоса, але не на зменшення витрат енергії. В насосних системах напірний гідроакумулятор застосовується для скорочення кількості пусків насоса і задоволення потреби системи в невеликих витратах води без пуску насоса. Насос в системах з диференціальним контролем тиску розраховується на пікове споживання води. Його найвища енергетична ефективність досягається на біляпікових рівнях водоспоживання. Найчастіше споживання води в системі змінне як по тривалості, так і за кількістю. Напірний гідроакумулятор стає пристроєм, що акумулює енергію і забезпечує роботу насоса в оптимальному режимі шляхом поглинання надлишкової енергії насоса при неоптимальних рівнях водоспоживання в системі. При оптимальному рівні споживання води насос функціонує енергетично ефективно безперервно подаючи воду безпосередньо в точки водоспоживання. При споживанні нижче оптимального рівня гідроакумулятор накопичує надлишок енергії у формі стислого під тиском води (точно так само як і водонапірний резервуар надземної системи водопостачання).

В насосних системах з диференціальним контролем тиску розмір гідроакумулятора вибирається так, що б кількість пусків насоса не перевищувало встановлені виробником насоса межу, гарантуючи оптимальний рівень довговічності і надійності насосного обладнання. Енергія ж пуску насоса витрачається на виділення тепла і створення непродуктивною енергії. Логічно, що існує проста залежність між кількістю пусків насоса, виділенням тепла і непродуктивними витратами електроенергії. Кількість пусків можна зменшити за рахунок більшої кількості акумульованої під тиском води, забезпечує більший час споживання води без включення насоса і більший об'єм поглиненого надлишку енергії насоса при роботі в недовантажених режимах при низькому рівні споживання води.

Наприклад, насос в системі водопостачання розрахований на подачу води зі швидкістю 40 л/хв, а об'єм гідроакумулятора дозволяє забезпечити повторно-короткочасний режим роботи насоса з розрахунку 1 хвилини роботи і 1 хвилини простою в недовантажених режимі. Такий графік роботи забезпечує максимальну частоту включень не більше 30 пусків в годину незалежно від швидкості водоспоживання. Енергія 30-ти пусків насоса буде втрачена у вигляді тепловиділення, пропорційного квадрату пускового струму в обмотці. При піковому споживанні в системі режим роботи насоса буде безперервним після пуску, при частковому споживанні надлишкова енергія насоса буде акумульована гідроакумулятором. При збільшенні розміру гідроакумулятора в два рази частота включень зменшиться наполовину, а пускова теплова енергія розподілиться на більший обсяг збереженої в баку енергії у вигляді стислої під тиском води. Більша кількість енергії, що запасається перед кожним повторним пуском насоса, забезпечить менше споживання електроенергії через зменшення частоти тепловиділення при пуску, а також збільшить термін служби двигуна насоса.