Енергийна ефективност на водните помпи

Добиването на вода е първата стъпка за всяка водоснабдителна система.
Днес на пазара се предлагат помпени решения от всякакъв мащаб, независимо дали източникът е подпочвена вода, повърхностна вода или рециклирана, пречистена вода. Устойчивостта при добиването на вода от даден източник с течение на времето изисква помпената система да е икономически изгодна, да осигурява безпроблемна работа и да е енергийно ефективна.

Повечето водни помпи се избират според техните пълни работни натоварвания, но на практика в повечето време те не работят с номинален товар. Така че за да се контролира дебита на помпите, обикновено е необходим спирателен клапан или таймер за пускане и спиране, а мощните асинхронни двигатели не могат да се пускат и спират често поради големите токове през тях и риска от повреда. За да се реши този проблем, най-добре е да се инсталира честотен инвертор, който да контролира двигателите на водните помпи. От принципа на действие на ротодинамичните помпи и теорията на подобие се доказва, че при промяна на честотата им на въртене разходът се изменя линейно, налягането по квадратичен, а консумираната мощност по кубичен закон. Например ако променливотоковият двигател работи с 80% от номиналната си скорост на въртене, консумацията на енергия е равна на 51,2%. Като цяло честотният инвертор може да спести почти 40% от консумацията на енергия, когато се приспаднат механичните загуби и загубите в медта и желязото. Освен това той може да подобри енергийната ефективност, когато помпата има обратна връзка за управление по постоянно налягане, което може да бъде постигнато лесно. Благодарение на инвертора може да реализира плавен старт/стоп на електродвигателя, могат да се ограничат пренапреженията по време на периода на стартиране на двигателя, да се намалят повредите и да се увеличи експлоатационния му живот, както и намаляване на изискванията за капацитета на електроснабдяването и загубата на реактивна мощност.

Основни работни принципи
За да се разбере по-добре приложението на честотния инвертор, е добра идея да се направи в общ план преглед на основните принципи на работа на помпите. Характеристиките на помпите дават в графичен вид зависимостите между основните параметри – напор Н, подадена мощност на вала Р, коефициент на полезно действие, разход Q и честота на въртене n. Режимът на работа на дадена центробежна помпа се определя от пресечната точка на разходно-напорната характеристика с тази на системата. Под помпена система се разбира съвкупността от резервоари, присъединени тръбопроводи, спирателна и регулираща арматура, които съвместно с помпата осигуряват транспортирането на определено количество вода. Напорът, необходим при нулев разход, се нарича статичен напор. Той определя височината, на която помпата трябва да вдигне водата независимо от дебита или работата, необходима за преодоляване на гравитацията. Пресечната точка на характеристиката на помпата и на хидравличната система показва физическата или проектната работна точка на помпената система. В тази точка налягането на помпата съответства на загубите в системата. Пресечната точка обикновено се избира така, че помпата да работи при или близо до най-добрата си ефективност.

Повечето хидравлични системи не винаги работят при проектните си условия. Инсталациите с дроселно регулиране намират широко приложение при центробежните помпи, работещи във водоснабдителните системи (ВС). Желаният разход се постига за сметка на повишено налягане в системата. Наложили са се преди всичко от необходимостта да се предпазят електродвигателите от претоварване, които задвижват помпите, нормалното функциониране на системата и сравнително ниската им цена. Степента на дроселиране зависи от характеристика на центробежната помпа и стойностите на разхода, които трябва да се постигнат за даден конкретен случай. Различните стойности на разхода се получават като резултат от изменението на характеристиката на ВС. Инсталациите с трипътни управляващи вентили поддържат постоянно налягане чрез байпас на изхода на помпата, връщайки излишната вода обратно. Докато се поддържа зададения поток, разхода на помпата и потреблението на енергия остават постоянни, което води до увеличаване на загубите.

Управление с честотен преобразувател
Свързването на честотен преобразувател към двигателя на помпата за регулиране на скоростта, а следователно и на дебита, води до промяна на разходно-напорните характеристики. Този метод е с безспорни предимства при помпени системи, при които е наложително изменението на разхода в широк диапазон. Необходимият дебит се постига с по-ниско налягане. Това води до по-дълъг живот на уплътненията на помпата, намаляване на износването на работното колело и по-малко вибрации и шум в системата. Консумираната мощност се намалява значително при по-ниски дебити, като по този начин се получават икономии чрез използването на честотния инвертор.

В повечето случаи налягането на изхода на помпите се налага да се поддържа постоянно. При намаляване на количеството на дебита чрез вентил от Q1 до Q2, помпата поддържа номинална скорост N1, но кривата, показваща съпротивлението на тръбната мрежа ще се промени в посока към по-високо налягане, което води до промяна на работната пресечна точка. В същото време, консумираната енергия от двигателя се повишава, поради увеличеното съпротивление на хидравличната система.

Когато се инсталира честотен инвертор, той може да намали скоростта на двигателя на помпата от N1 до N2, а кривата, показваща съпротивлението на тръбната мрежа остава непроменена. Работната пресечна точка се променя в посока с по-ниско налягане и по този начин се намалява консумираната енергия от двигателя, необходима за неговото поддържане.

За подобряване на енергийната ефективност на дадена помпена ВС е необходимо извършването на задълбочен технико-икономически анализ чрез диагностика и оценка на нейното състояние, експериментално определяне на характеристиката и и реализиране на технически решения, които водят до реална икономия на енергия. Основната схема запазва оригиналната система, но се добавя инверторна част. Всички двигатели в системата се управляват от съответните инвертори и когато някой от тях се повреди, инсталацията може да работи като оригиналната система за управление, за да се осигури непрекъснатата работа на помпите. При ръчно регулиране (без обратна връзка), трябва да се настрои честотата на изхода на инвертора в режим на ръчно управление за промяна на скоростта на въртене на помпата, за да се регулира обема на водата. Това е същото като оригиналния метод за регулиране с шибър.

Система за автоматично управление
При системата за автоматично управление се използва регулиране с обратна връзка, която се състои от вградена PID функция на инвертора и външен сензор за налягане или манометър. Сензорът отчита налягането на водата в реално време, преобразува го в токов сигнал 4-20mA (или напреженов сигнал 0-10V), изпраща го на PID регулатора, след което инверторът автоматично регулира честотата до стабилизиране на водното налягане при зададената стойност.

Основните характеристики на инвертор с векторно управление с приложение при водните помпи са широк работен диапазон на напрежението, включително и СН, специална технология за проследяване на скоростта на въртене, няколко V/F криви за настройка, мултифункционални входно/изходни терминали, функция рестарт, мигновено изключване на захранването, вграден RS-485 интерфейс с поддръжка на протокол за комуникация, стабилен старт, възможност за регулиране на скоростта на товари с голяма инерцията, лесно реализиране на обратна връзка за автоматичен режим на работа чрез модерен вграден PID алгоритъм.

След реформата чрез инверторното управление се реализират плавен старт/стоп на променливотоковия двигател, увеличава се експлоатационния живот на оборудването и се избягва въздействие върху енергийната система. Контрол на скоростта на въртене на двигателя от инвертора, работа под номиналната скорост на въртене, за да се намали въздействието на шум в околната среда, премахване на регулирането с дросел и значително увеличаване на икономията на електроенергия. Не се променят първоначалните електросъоръжения и околната среда по време на инсталацията. Подобряване на защитните функции за претоварване, пренапрежение, токов претоварване, понижено напрежение и липса на напрежение на фаза, както и звукова и визуална алармена функция. Поради запазване на първоначалното окабеляване и реализиране на два режима на работа на системата с нормална мощност и с променлива честота, цялата система работи по-надеждно.

Фирмени решения за честотно управление на водни помпи
На пазара се предлагат честотни инвертори от много фирми с различни възможности и функции, но предназначени да управляват двигатели, задвижващи водни помпи, за да реализират алгоритми за управление, зададени от потребителите. Разработваните от Grundfos високоефективни двигатели, съчетани с външно задвижване с променлива скорост, отговарят, а понякога надхвърлят изискванията, поставени от законовите разпоредби за ефективност на двигателите. Съобразявайки това, средно 85% от общите експлоатационни разходи за една обикновена помпена система са енергийни разходи. С преминаването към технология с високоефективни двигатели, управлявани с честотни инвертори, разходите могат да се намалят с до 50%. Външните честотни конвертори CUE на Grundfos за задвижвания на помпи с променлива скорост и защити на двигатели гарантират оптимално адаптиране към променящите се работни условия. Работните напрежения и мощности на предлаганите от Grundfos конвертори са 380/500VAC; до 250kW, 525/690VAC; до 250kW.

SINAMICS G120P на Siemens е модулен, енергийно ефективен и лесен за обслужване инвертор с изобилие от функции. В резултат на интегрираните за специфични приложения и енергоспестяващи функции, инверторът улеснява рентабилната и ефективна работа. Той се използва основно за контрол на скоростта, както и за комплексни задачи за управление с обратна връзка на водни помпи. Работните напрежения и мощности на SINAMICS G120P са 380/480VAC; до 400kW.

Честотните инвертори от серията FR-F700 на Mitsubishi са модерно и интелигентно решение, което може лесно да бъде интегрирано в модерни и сложни системи за автоматизация. Режимът за икономия на енергия е стандартна характеристика на интелигентния контролер. Той динамично настройва напрежението според изискванията на двигателя, премахвайки ненужните загуби на енергия, което спомага за допълнително намаляване на консумацията на енергия. Размерът на спестената енергия зависи от колебанията на скоростта/въртящия момент. Работните напрежения и мощности на FR-F700 са 380/480VAC до 640kW.

Честотните инвертори от серията ACQ810 на АВВ са специализирани за най-често използваните приложения за помпи. Те осигуряват точно управление на водния поток от необработена вода и използване до отпадъчни води. Вградените макроси могат да бъдат персонализирани за да се реализират системи с единични и много помпени конфигурации, което прави настройката на задвижването бързо и лесно. Инверторите са безопасни и интелигентни, доставяйки необходимия контрол и намалявайки използването на енергия от помпената система. Работните напрежения и мощности на ACQ810 са 380/480VAC; до 500kW. Честотните инвертори от серията Altivar 21 на Schneider Electric предлагат подходящи характеристики за приложения за центробежни помпи с трифазни електродвигатели. Разполагат с несравнима стойност на разходите за монтаж и функционалност за помпено оборудване. Работните напрежения и мощности на Altivar21 са 380/480V до 75kW.

Решения за помпи, работещи на средно напрежение
Световните производители на електрооборудване предлагат също и решения за мощните помпи, задвижвани от електродвигатели с работно напрежение в диапазона 3kV до 10kV. Schneider Electric Altivar 1200 е компактен честотен инвертор за средно напрежение с диапазон на мощностите от 315KVA до 16 200KVA, проектиран да подобри електроразпределението, управлението на двигателя и системите за контрол на помпи.

ABB е водещ международен доставчик на честотни инвертори за средно напрежение с мощности в диапазона от 250kW до повече от 100MW. Сериите задвижвания ACS1000/2000/5000/6000 са едни от най-успешните честотни регулатори в своя клас, осигурявайки лесен и надежден контрол. Честотните инвертори SINAMICS GM150 внасят простота в средата на средното напрежение и предлагат икономично решение за задвижване в диапазона от 1MVA до 24MVA.

Честотните инвертори PowerFlex 6000 на Rockwell Automation за средно напрежение позволяват плавно пускане и управление с променлива скорост на процеси с високи изисквания. Те помагат за намаляване на енергийните разходи, броя на компонентите, поддръжката и износването на двигателя. Той е особено подходящ за нови и модернизирани центробежни помпи. Тези устройства предоставят рентабилни решения за контрол на двигатели с мощности в диапазона от 200kW до 5600kW

Днес технологията е на разположение на потребителите за множество решения в областта на задвижванията с променлива скорост - механични, електрически и флуидни видове. Правилният избор може най-добре да се направи само след съответното разглеждане и оценка на данните, свързани с оборудването. За да се постигне икономически ефективна инсталация е важно оборудване като помпи, честотни регулатори, мотори и контролери да бъдат избрани с пълно разбиране на техните оперативни характеристики и ефекти на взаимодействие. Въоръжени с това знание, избраното оборудване ще има много по-голяма вероятност да постигане очакванията за успешно функциониране на помпената система и инвестиционните цели. Променливата честота като средство за промяна на скоростта на асинхронния двигател е известна от много години. Това е така, защото поради последните технологични подобрения в силовите превключващи елементи и по-ниските производствени разходи, се появява по-голям интерес към контрола на скоростта с променлива честота на асинхронните двигатели. Ето защо в тези продукти постоянно се въвеждат нови идеи и модификации.