автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Энергосберегающие технологии перекачки чистых и сточных вод



ГОССТРОИ

РОСС Л ПТСКОИ ФЕДЕРЛЦШI

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ КОМПЛЕКСНЫЙ НАУЧЙО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГПЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, КАНАЛИЗАЦИИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ (НИИ ВОДГЕО )

ЛЕЗНОВ БОРИС СЕМЕНОВИЧ кандидат технических наук

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕКАЧКИ ЧИСТЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

(05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов)

Диссертация в виде научного доклада на соисканиеученой степени доктора

На правах рукописи

6:

дагуярвкк р

\1:

А /

:уднлученую степеьпз/.'^ < ■

Мгнкип^тг

/

. \

^ 4 " Ф ¿Г / ** А* >

/ / ' V»' ч/ ~ и/ "У-

____ _„ . „ , Д.*

Г

Официальные оппонёнты: доктор технических наук Пономареяко Виктор Семёнович доктор технических наук, профессор Ермолин Юрий Александрович доктор технических наук, профессор Иванов Гелий Михайлович Ведущая организация - ГПИ «Союзводоканалпроект»

Защита состоится «1999г. в часов на заседай»

диссертационного совета Д.033.05.01 при НИИ ВОДГЕО.

Адрес: 119826, Москва, Г-48, Комсомольский проспект, 42

С диссертацией в виде научного доклада мажнр ознакомиться в библио

• ""г-ь-пМСКАЯ

С7ВЭК,ч

югтл

текс НИИ .ВОДГЕО. / Гобу^кп^^

Я ОС

Диссертация в виде научного доклада разослана «2^» 1999г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. технич. наук

Демидов О

^ ,, V " У Лу

у V /л

Основные условны« обозначения

- наибольшее значение водоподачи на протяжении расчетного периода, например года, выраженное в м3/с;

()м - наименьшее значение водоподачи за тот же период, м3/с; Нб - напор, развиваемый насосной установкой, соответствующий наибольшей водоподаче ()б, м; Нм - напор, развиваемый насосной установкой, соответствующий наименьшей водоподаче 0«. м; X - относительное значение минимальной водоподачи, Л =()м / Q,■„ отн.ед.;

Н„ - статическое противодавление в системе, обусловленное разницей

геодезических отметок и свободным напором в системе, м; Н"„ - относительное противодавление, Н „ =Н/Нб, отн.ед.; Нф - фиктивный напор насоса при нулевой подаче, м; Зф - фиктивное гидравлическое сопротивление насоса, с2/м5; А1¥ - потери энергии в насосной установке, кВт.ч.; IV' - параметр, характеризующий относительное значение потерь энергии в насосной установке, отн. ед.; АШх - суммарные потери энергии, кВт.ч.;

<р - снижающий коэффициент, вводимый в уравнение потерь энергии,

зависит от количества параллельно работающих насосов; у/ - снижающий коэффициент, вводимый в уравнение энергопотребления, зависит от количества параллельно работающих насосов; т - количество параллельно работающих насосов; Р - электрическая мощность, потребляемая насосным агрегатом, кВт; Р'ск - относительное значение потерь скольжения, отн.ед.; Рск - мощность потерь скольжения, кВт; N - механическая мощность на валу насоса, кВт; Ыб - то же насосной установки, соответствующая Ое и Нб, кВт;

- скольжение в электрических двигателях, отн. ед.; Мс - момент сопротивления насоса, кгс.м или Н.м; Ма - значение Мс при холостом ходе, кгс.м или Н.м;

- момент сопротивления, обусловленный трением в сальниках, кгс.м. или Н.м.;

- вращающий момент электродвигателя, кгс.м или Н.м; коэффициент полезного действия насоса, отн. ед.; тоже электродвигателя, отн. ед.;

-то же преобразователя, отн. ед.;

- то же агрегата, т}агр, ци. т}^ отн.ед.;

- частота вращения, об/мин.;

номинальное значение частоты вращения, об/мин.; граничное значение частоты вращения, об/мин.;

- относительное значение частоты вращеяйЙ^й; ==и/инам , отн.ед.;

К - показатель степени в уравнении механической характеристики на-

соса, отн.ед.;

Я - коэффициент, учитывающий потери в приводе, не зависящие от

скольжения, отн.ед.; ^

т - время работы насосной установки за расчетный период, например

за год, ч.;

я - электрическое сопротивление, Ом;

ф - магнитный поток, Гс;

и - напряжение электрических цепей и двигателей, В или кВ;

/ - частота электрического тока, Гц;

/ - электрический ток, А;

о - диапазон регулирования насоса £> = пмин / п 1ЮМ;

орк - диаметр рабочего колеса насоса, мм;

2 - значения геодезических отметок в районе водоснабжения, м;

Нее - свободный напор у потребителя, м;

С - эксплуатационные затраты, руб.;

к - капитальные затраты, руб.;

Е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложе-

ний, отн.ед.;

А - амортизационные отчисления, %;

АН - диапазон колебаний уровня в резервуарах, м

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнялись в лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО по планам важнейшей тематики Госстроя СССР, по планам фундаментальных и прикладных исследований ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО, а также по хозяйственным договорам с производственными организациями и предприятиями:

В отдельные периоды времени исследования проводились в других организациях и предприятиях по месту работы автора (Мосводопровод, Мосводо-каналНИИпроект, ВИЭСХ, ЦПИ № 31 и др.). Практическое внедрение результатов исследований осуществлялось через Инженерную контору «Ягорба» и другие производственные предприятия.

Исследования велись в 1960-5-99 г.г. под руководством и при участии автора. В исследованиях по отдельным разделам приняли участие сотрудники лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО к.т.н. Чебанов В.Б., к.т.н. Гинзбург Я.Н., инж. Воробьева Н.П., техн. Исхаков Ю.Б.

В своих исследованиях автор опирался на труды своих предшественников и коллег: Сыромятникова И.А., Мошнина Л.Ф., Попова B.C., Онищенко Г.Б., Дмитренко Ю.А., Маранца Е.А.., Гордина И.В., Пономаренко B.C., Ермолина Ю.А., Лейбзона Я.И., Контаутаса Р.К., Ильина В.Г., Прегера E.À. и др.

Большую помощь автору в многолетних исследованиях оказывали: акад. Яковлев C.B., д.т.н. Смирнов Д.Н., к.т.н. Демидов О.В., к.т.н. Сергеев М.П., Гальцов Д.Я., Афанасьев Ю.В., Храменков C.B., Нефедов Ю.И., Либерова Л.Я., Гальцов С.О., Редникин H.A. и др.

Актуальность проблемы. В последние десятилетия существенно возросло значение энергетических ресурсов в жизни России и всего мира. Значительная доля энергии (до 20%) потребляется насосными агрегатами. Насосные установки систем водоподачи, водоотведения и оборотного водоснабжения являются весьма энергоемкими предприятиями.

Объём водозабора в быв. СССР в 1985 г. составил 354 км3, в природные водные объекты сброшено 153,4 км3 воды, объём безвозвратного водопотребле-ния составил 200,6 км3. На перемещение таких количеств воды насосными установками систем водоподачи и водоотведения расходовалось 140-150 млрд. кВт.ч. электроэнергии, а с учётом оборотного водоснабжения 290-300 млрд. кВт.ч..

После распада СССР и снижения объёма промышленного производства расход электроэнергии на перекачку чистых и сточных вод с учётом оборотного водоснабжения в России оценивается нами в 120+130 млрд. кВт.ч.

Стоимость электроэнергии в общей сумме эксплуатационных расходов водопроводно-канализационных предприятий в случае использования поверхностных вод составляет 40+50%. При использовании подземных вод этот показатель увеличивается до 70+80%. Несмотря на это, созданию экономичных режимов работы насосных установок, пока еще, уделяется недостаточно внимания. В результате 5+15% энергии нерационально теряется в процессе перекачки чистых и сточных вод. В отдел иных случаях этот показатель возрастает до 25+50%.

Фундаментальные труды Товстолеса Фл. П., Степанова А.И., Пфлейде-рера К. и др., опубликованные в 20-е - 30-е годы, посвящённые насосам и насосным установкам, затрагивали также проблемы энергосбережения и применения регулируемого электропривода. Однако эти работы не могли оказать серьёзного влияния на внедрение энергосберегающих технологий, поскольку регулируемый электропривод того времени был малонадёжен, а энергия, относительно, дешёвой. Следует отметить, что в этих трудах не рассматривались режимы совместной работы регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов, не изучались зависимости потерь энергии в регулируемых электроприводах от технологических параметров и режимов работы насосных установок. При определении результирующей экономии энергии не учитывались должным образом потери энергии в регулируемых приводах, не учитывалось количество работающих насосных aiperaTOB. В трудах отсутствовали методики построения энергосберегающих систем управления группами насосных агрегатов.

Во время Второй мировой войны рассматриваемой проблеме практически не уделялось никакого внимания.

После войны в 50-е годы интерес к энергосберегающим технологиям возобновился. За рубежом появились работы Кьюбика А.У., Микера Г.Д., Barrea Д.Л., Нормана Пича и. др. В них описывались конкретные случаи использования регулируемого привода (муфт скольжения, каскадов и др ) в насосных агрегатах. Как правило, эти внедрения имели экспериментальный характер и не подкреплялись серьёзными теоретическими обоснованиями.

Аналогичное положение дел сохраняется и в настоящее время. Знакомство с методиками, используемыми в настоящее время рядом зарубежных фирм (Twin Disk, ABB, Hitachi и др.), показывает, что технико-экономические обоснования применения регулируемого электропривода в насосных установках выполняется слишком упрощенно.

Отсутствие теоретических разработок способствовало принятию случайных, необоснованных решений по использованию регулируемого электропривода в насосных установках, влекло за собой значительные материальные и финансовые потери

В 70-е годы произошли серьёзные события: разразился мировой энергетический кризис и получила развитие полупроводниковая техника. Только тогда выявилась истинная ценность энергетических ресурсов и появилась возможность создания надёжных и сравнительно недорогих регулируемых электроприводов.

В СССР первые работы, посвящённые проблеме использования регулируемого электропривода в целях снижения энергопотребления насосных установок, были предприняты в 1960-61 годах независимо друг от друга Лезновым Б.С. и Поповым B.C. Позднее их исследования были объединены общим планом работ в Лаборатории автоматизации института ВОДГЕО!

В отличие от зарубежных исследователей Лезнов Б.С. и Попов B.C., наряду с экспериментальными исследованиями, уделяли большое внимание вопросам теории. Исследования автора настоящей работы относились преимущественно к проблемам энергетики и технологии, а Попова B.C. к проблемам автоматического регулирования.

Актуальность настоящих исследований заключается в том, что в результате их проведения были созданы научные основы построения энергосберегающих технологий перекачки чистых и сточных вод на основе использования регулируемого электропривода и современных средств автоматизации (микропроцессорных контроллеров, промышленных компьютеров).

При этом были созданы научно-обоснованные методики построения энергосберегающих систем автоматизированного управления режимами работы насосных установок, обеспечивающих экономное расходование энергии в насосных установках при минимальных материальных и финансовых затратах.

Как показали расчёты, выполненные автором на основе разработанных методик, в результате широкого использования энергосберегающих технологий в насосных установках страны может быть сэкономлено 10-15% энергии, то есть 14-15 млрд. кЙт.ч/год.

Наряду с энергетическими и экономическими аспектами мероприятия по снижению энергопотребления актуальны с экологической точки зрения. Снижение энергопотребления уменьшает выработку электроэнергии в стране. За счёт этого, уменьшается выброс органических веществ в атмосферу тепловыми электростанциями, уменьшается радиационное загрязнение окружающей среды атомными электростанциями и ограничивается затопление земель при строительстве новых гидроэлектростанций.

Кроме того, энергосберегающие мероприятия, как правило, связаны со снижением избыточных напоров и, следовательно, со снижением утечек и непроизводительных расходов воды. В результате на 3-5% сокращается расход чистой воды и на 2-4% уменьшается сброс сточных вод в канализацию.

Цель исследований. Создание научно обоснованных и эффективных способов и средств экономии энергии в насосных установках систем водоподачи, водоотведения и оборотного водоснабжения.

Научная новизна. Применение регулируемого электропривода вносит принципиальные качественные изменения в режим работы насосных установок. Научная новизна исследований:

- создано новое направление работ в области транспорта воды и стоков: дано теоретическое и экспериментальное обоснование технической возможности и экономической целесообразности использования регулируемого электропривода в насосных установках систем водоподачи, водоотведения и оборотного водоснабжения;

- созданы научные основы построения энергосберегающих технологий перекачки чистых и сточных вод на основе использования регулируемого электропривода и для одиночных насосных агрегатов и для насосных установок, состоящих из групп регулируемых и нерегулируемых агрегатов;

- созданы методики, обеспечивающие надежное прогнозирование конечных результатов создания энергосберегающих технологий перекачки ^истых и сточных вод на основе использования регулируемого электропривода в насосных установках;

- обоснована область применения различных видов регулируемого электропривода;

- созданы технологические основы построения энергосберегающих систем автоматизированного управления режимами работы насосных установок, в том числе, выявлены условия возникновения «мертвых зон», уточнена конфигурация механических характеристик центробежных насосов, установлены зависимости рабочих параметров насосов от частоты вращения с учетом противодавления, уточнены пусковые характеристики наЪосных агрегатов;

- созданы методики выбора технических средств, используемых для построения энергосберегающих систем управления режимами работы насосных установок: регулируемых электроприводов, пусковых устройств насосных агрегатов, датчиков уровня, регулирующих устройств. Практическая ценность исследований:

- созданы надежные методы прогноза эффективности применения регулируемого электропривода в энергосберегающих системах управления режимами работы насосных установок;

- созданы и внедрены на действующих объектах энергосберегающие технологии перекачки чистых и сточных вод на. основе использования регулируемого электропривода;

- созданы, совместно с предприятиями электротехнической промышленности, специализированные, объектно-ориентированные для насосных установок, регулируемые электроприводы: по схеме асинхронно-вентильного каскада, на базе вентильных двигателей, частотные на ЮВТ-транзисто-рахидр.; ,

- разработаны рекомендации, пособия и нормативные документы, опубликованы результаты исследований в книгах, брошюрах, сборниках, журналах, дающие возможность специалистам проектных и промышленных и других организаций разрабатывать, создавать и эффективно эксплуатировать энергосберегающие технологии перекачки чистых и сточных вод;

- реализация разработок автора позволяет снизить энергопотребление насосных установок на 5-50%, в зависимости от местных условий. Предмет защиты. На защиту выносятся:

- обоснование Технической возможности и экономической целесообразности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоподачи, водооТведения и оборотного водоснабжения;

- определение области применения различных видов регулируемого электропривода в насосных установках;

- установление теоретических зависимостей рабочих параметров насосных агрегатов (подачи, давления, мощности, КПД, момента сопротивления) от частоты вращения насоса и противодавления;

4/1

ГОСУЛДРСТВШННАЯ

вйриотакл 9

- экспериментальное установление закономерности в характере интегральных кривых распределения (упорядоченных диаграмм) водоподачи и притока сточных вод с последующим их математическим описанием;

- совокупность методик, дающая возможность: надежно прогнозировать экономию энергии при использовании регулируемого электропривода в системах управления насосных установок; определять условия, в которых целесообразно и эффективно применение тех или иных видов регулируемого. электропривода; определять фактическую экономию энергии и воды после внедрения энергосберегающих технологий; осуществлять расчеты технических параметров элементов систем управления, в том числе пусковых устройств регулируемого электропривода по схеме асинхронно-вентильного каскада;

- обоснование выбора количества регулируемых насосных агрегатов и выбора конкретных агрегатов, оснащаемых регулируемым электроприводом.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрялись путем:

- создания энергосберегающих систем управления на действующих и вновь создаваемых насосных станциях. Внедрение осуществлено на 34 объектах. Перечень наиболее характерных внедрённых систем приведен в прилагаем