Частотные преобразователи в приводах насосных систем

На сегодняшний день по данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency) электродвигатели потребляют более 46% электроэнергии, вырабатываемой в мире, а в промышленности на их доля составляет почти 70% всех энергозатрат. В свою очередь согласно отчету Европейской комиссии (European Commission) на насосы, насосные установки, станции с приводами приходится почти 22% энергии, потребляемой электродвигателями, а поэтому вопросы энергосбережения и повышения энергоэффективности насосных систем сегодня стали предельно актуальными. Наиболее эффективным способом снизить энергопотребление насосов пока остается применение частотно-регулируемых приводов (Variable Frequency Drives – VFD), часто называемых приводами с регулируемой частотой (adjustable-frequency drive - AFD), с регулируемой скоростью (adjustable-speed drive - ASD), с широтно-импульсной модуляцией (pulse-width-modulated - PWM), с переменной частотой и напряжением (variable voltage variable frequency - VVVF) и др., хотя формально и в международных технических регламентах, и в отечественных стандартах это электропривод переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью (по ГОСТ IEC 61800-2-2018) и комплектным преобразователем (complete drive module - CDM), являющийся частью электромашинной системы и электромеханического комплекса (см. более детально о структуре и составе электромеханических комплексов согласно ГОСТ IEC 61800-9-2-2021 в этом материале).

Современная насосная система базируется на насосных агрегатах (п. 2.1.1.2 ГОСТ ISO 17769-1-2014), которые включают в себя электропривод переменного тока с регулируемой скоростью с комплектным преобразователем и электродвигателем, трансмиссию и собственно насос. Водозабор, напорные резервуары, водоприемники и электромеханический комплекс связаны в единую систему сетью водопроводов с запорно-регулирующей арматурой, включая клапаны для дросселирования потока, и дополнительным оборудованием (фильтры, теплообменники и пр.). Действующий ГОСТ ISO 17769-1-2014 также вводит определение насосной установки, включающей насос (или насосный агрегат) с трубопроводами, органами контроля/управления, конструктивными элементами, хотя и установка, и насос или насосный агрегат остаются частью насосной системы.

Насосы представляют собой статические механические устройства, преобразующие вращательную механическую энергию вала двигателя в энергию гидравлического давления, и в целом подразделяются на две основные категории в зависимости от их принципа работы: динамические с постоянным и объемные с периодическим соединением входа и выхода. Центробежные насосы остаются наиболее часто используемым типом динамических насосов, в первую очередь потому, что они недорогие, простые в эксплуатации, надежные и легкие в обслуживании, имеют сравнительно долгий срок службы. Поэтому на текущий момент 73% эксплуатируемых в развитых странах мира насосов динамические, в большинстве своем центробежные, и только 27% объемные.

Проектировщики и инженеры систем часто увеличивают размер центробежного насоса и двигателя, чтобы учесть неопределенности конструкции, потенциальное увеличение мощности из-за потерь на трение из-за загрязнения системы и изменения (со временем) шероховатости поверхности трубы. Однако этот подход часто приводит к слишком большому размеру сборки, что, в свою очередь обуславливает необходимость активного дросселирования потока и связанным с ним: потерям энергии, увеличению эксплуатационных расходов, требований к техническому обслуживанию, а также снижению надежности системы из-за дополнительных нагрузок. VFD в насосных системах остаются наиболее часто используемым способом регулирования скорости, снижение которой пропорционально уменьшает поток, и, соответственно потребляемую мощность.

Эффективность и основные параметры, зависимости насосных систем, насосов, насосных агрегатов.

На практике энергия не может быть преобразована из одной формы в другую без потерь, а потери, возникающие буквально в каждом элементе насосной системы (от трансформатора до системы трубопроводов), в основном обусловлены неэффективной конструкцией сети трубопроводов (около 40–50%). Реально достижимая эффективность (при эксплуатации) самих насосов составляет 85–90%, электродвигателей (класса Eff1) — более 90%, а частотно-регулируемых приводов около 95–98%.

Обычно характеристики насосов представляют в виде графической зависимости напора Н (в метрах) от объемной подачи Q (м3/ч, л/мин, м3/с), причем в отличие от требований к терминологии ГОСТ 17398, где в п. 153 была формализована недопустимость применения вместо «подачи» обозначений «производительность» или «расход», в новом ГОСТ ISO 17769-1-2014 «объемная подача» и «расход» заявлены допустимыми к использованию синонимами (п. 2.1.3.2 стандарта).

Напор делят на статический H_st (гидростатический, формируемый статическим давлением, которое зависит от высоты нагнетания) и динамический H_dyn (скоростной по ГОСТ ISO 17769-1 – давление, требуемое (упрощенно) для компенсации потерь в трубопроводах, запорно-регулирующей арматуре и т.д.), а напор насосной системы Hsys – сумма H_st и H_dyn.

Система насосов может быть как замкнутой (типовые – отопления, рециркуляции оборотной воды), так и открытой (разомкнутой – водоснабжения, ирригации), в которой статический напор остается постоянным, а динамический изменяется в зависимости от расхода по уравнению H_dyn = k*Q². Зависимости между расходом (Q), напором (Н), входной мощностью (Р) и номинальной скоростью вращения (N) насоса при (условно) стабильной эффективности определяются формулами:

Эффективность насосной системы определяется как произведение эффективности насоса (ηp), двигателя (ηm) и привода с регулируемой скоростью (ηv), а также по отношению гидравлической мощности насоса к входной мощности привода.

Возможности повышения энергоэффективности насосной системы с центробежными насосами.

Энергоэффективность в насосной системе зависит, хотя и частично от эффективности электродвигателя, зависящей от потерь в стали, обмотках, вызванных гармониками (нормы для электродвигателей с питанием от частотных преобразователей определены в ГОСТ IEC/TS 60034-30-2-2021). В случае асинхронных двигателей Международный класс эффективности (International Energy efficiency Class) определяется стандартом IEC60034-30-1 (у нас ГОСТ IEC 60034.30.1-2016) с предельными значениями номинального КПД, определенными в табл. 3, 5, 7, 9 отечественного стандарта для классов от IE1 до IE4 соответственно. De facto замена электродвигателя на версию более высокого класса энергоэффективности (КПД) даст результат только в случае правильного выбора самого насоса (или насосов), оптимизации сети трубопроводов с сокращением потерь и применения частотно-регулируемых приводов.

Правильный выбор насоса не только снижает первоначальную стоимость инвестиций в систему, но и эксплуатационные расходы, а, согласно статистике, снижение потребления энергии с 2 % до 10 % может быть достигнуто путем замены существующих насосов эффективными. Использование дросселирования регулирующими клапанами дает эффект, если КПД системы находится в диапазоне 30% от точки наилучшей эффективности, а достигаемый эффект позволяет снизить потребление энергии на 15–25% (совокупно с оптимизацией сети трубопроводов).

Более эффективным в плане повышения КПД системы и снижения затрат энергии является использование частотно-регулируемых приводов с комплектным преобразователем, в том числе в качестве замены дросселирования клапанами, что наглядно продемонстрировано на схеме ниже, где для получения энергии в 34 условных единицы на выходе системы с дросселированием потребляют 100, а с частотно-регулируемым приводом – 80 усл. единиц энергии.

Несмотря на впечатляющую эволюцию преобразователей переменной частоты с конца 1960-х годов благодаря достижениям в области полупроводников и электроники, их принцип работы остается прежним. Приводы переменной частоты состоят из выпрямителя, звена постоянного тока, инвертора и блока управления (программно-логического контроллера), оснащенного определенным алгоритмом управления, сложность реализации которого увеличивается при переходе от скалярного управления к векторному, но наряду с повышением точности и скорости отклика на изменения.

Еще одним важным параметром частотно-регулируемых приводов является каскадная конфигурация для управления насосами, поскольку параллельно подключенные центробежные насосы обеспечивают расход на выходе в широком диапазоне и при снижении потерь, что невозможно при использовании одного насоса.

Практика применения нескольких насосов параллельного подключения характерна для промышленных систем водоснабжения, рециркуляции, орошения, очистки сточных вод и др., а эффективность повышают управлением через комплектный преобразователь электропривода переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью, хотя в некоторых случаях частотно-регулируемым приводом приводится в действие только ведущий насос, а другие насосы – с помощью устройств плавного пуска.