Енергоефективна експлуатація свердловинних насосів ЕЦВ

Автори: Костюк А.В., к.ф?м.н., директор програми ВАТ «УК «ГМС», Твердохліб І.Б., к.т.н., директор з НДДКР ВАТ «УК «ГМС» »

Водопостачання та водовідведення відносяться до галузей промисловості з інтенсивним використанням насосного обладнання. Частка електроенергії, що споживається насосами, становить понад 50% загального енергоспоживання. У зв'язку з цим питання зниження витрат на електроенергію для водопостачальних організацій полягає у ефективній експлуатації насосного обладнання, у т.ч. свердловинних насосів. Робота в цьому напрямку є одним із пріоритетних завдань фахівців ВАТ «Група ГМС» — найбільшого виробника насосів в Україні для різних галузей промисловості.

Високопрофесійна команда конструкторів Групи, що має багаторічний досвід у галузі насособудування, дозволяє оперативно надати Замовнику необхідні консультації щодо виявлення та усунення причин неефективної роботи насосів.

Окрім оптимального енергоспоживання, насосне обладнання Групи вирізняє надійність, підтверджену багаторічним досвідом експлуатації насосів на різних об'єктах, якісне сервісне забезпечення та доступна ціна. Ці чинники впливають ухвалення рішення під час виборів постачальника насосів і роблять насосне устаткування ВАТ «Група ГМС» конкурентоспроможним проти аналогічним устаткуванням західних виробників.

Виконання умов узгодженої роботи насоса у технологічній системі

Основною умовою ефективної та надійної експлуатації насосного обладнання є узгоджена робота насоса у системі. Ця умова виконується в тому випадку, якщо робоча точка, яка визначається перетином характеристики системи та насоса, знаходиться в межах робочого діапазону насоса (рис. 1):

Рис.1Схема установки насоса ЕЦВ та характеристики насоса та системи.

У випадку характеристика системи включає дві складові ? статичну та динамічну. Отже, Нсист=Нстат.общ.+Ндин.. Динамічна складова характеристики системи описується квадратичною залежністю від витрати ? Ндин.=k*Q2, тому вираз набуває наступного вигляду: Нсист=(Ндин.рівень+Нстат.сист.)+k*Q2 (рівняння1, рис.1), де s? залежить від втрат по довжині трубопроводу та втрат на місцевих опорах, Ндин.рівень – динамічний рівень свердловини, Нстат.сист. - Статичний напір системи щодо гирла свердловини. Помилкова оцінка необхідних параметрів системи є основною причиною неправильного підбору насосного обладнання, що пояснюється складністю визначення залежності Ндін = f (Qскв), втрат у трубах та арматурі, що особливо були в експлуатації.

Усунення причин неефективної експлуатації насоса

Серед основних причин неефективної експлуатації насосного обладнання можна виділити дві основні:

Перерозподіл насосів, тобто. встановлення насосів з параметрами подачі та напору більшими, ніж потрібно для забезпечення роботи насосної системи.
Регулює режим роботи насоса за допомогою засувок.

Стосовно свердловинних насосів ЕЦВ споживачі досить часто вибирають насос із запасом по напору, вважаючи, що це гарантує роботу насоса за будь-яких умов. В цьому випадку робоча точка зміщується в праву зону і виходить за межі робочого діапазону, що призводить до збільшення споживаної потужності, падіння ККД перевантаження електродвигуна, а також ряду проблем механічного характеру, що значно підвищує ризик поломки агрегату (рис. 2):

Мал. 2. Характеристики насосів з необхідним та надлишковимнатиском.

Для зміни режиму роботи насоса споживачі часто вдаються до регулювання режиму за допомогою засувки, встановленої на напірному трубопроводі. Це, з одного боку, дозволяє отримати необхідне значення подачі та напору або забезпечити режим роботи насоса в межах робочого діапазону, але з іншого боку, такий спосіб регулювання призводить до втрат потужності за рахунок дроселювання.

Втрати потужності на засувці можна оцінити з наступного виразу: N=ρ*g*Q2*(H2?H1)/1000 [кВт], де Н2, Н1 – різниця напорів (тиску) до і після засувки. Часто споживачі помилково відносять низьку енергетичну ефективність системи насос? мережу» на рахунок низького ККД насоса. Наслідком цього є формування у споживача думки про неякісні та неефективні насоси.

При модернізації об'єктів водопостачання чи заміні насосного устаткування однією з головних цілей є зниження енергоспоживання.

На діючих об'єктах можна досить просто визначити характеристику системи відповідно до виразу з рівняння 1. Знаючи значення тиску в системі або Нсист, що відповідає цьому значенню величину подачі Q, статичного напору, можна отримати значення коефіцієнта k і побудувати характеристику. Якщо параметри водоспоживання змінюються в часі, то характеристику необхідно побудувати для мінімального, максимального та тривалішого режиму.

Методи зниження енергоспоживання насосних агрегатів

Оптимальне енергоспоживання істотно впливає на життєвий цикл насоса. Розрахунок техніко-економічного обґрунтування конкурентоспроможності виконується за методикою вартості життєвого циклу, розробленого профільними західними інститутами.

У таблиці №1 розглядаються основні методи,які, за даними Гідравлічного інституту США та Європейської асоціації виробників насосів, призводять до зниження енергоспоживання насосів, а також дано величину потенційної економії.

Таблиця №1. Заходи щодо зниження енергоспоживання та їх потенційний розмір.

Методи зниження енергоспоживання у насосних системах	Розмір зниження енергоспоживання
Заміна регулювання подачі засувкою регулювання частотним перетворювачем	10 - 60%
Зниження частоти обертання	5 – 40%
Каскадне регулювання за допомогою паралельної установки насосів	10 - 30%
Підрізання робочого колеса, заміна робочого колеса	10 - 20%
Заміна електродвигунів на більш ефективні	1 – 3%
Заміна насосів більш ефективними	1 – 3%

Основний потенціал енергозбереження полягає у заміні регулювання подачі насоса засувкою на частотне чи каскадне регулювання, тобто. застосування систем, здатних адаптувати параметри насоса під вимоги системи. При прийнятті рішення про застосування того чи іншого способу регулювання необхідно враховувати, що кожен з цих способів слід застосовувати, відштовхуючись від параметрів системи, на яку працює насос.

Свердловинні насоси, як правило, працюють на мережу з великою статичною складовою.

Рис.3. Робота насоса з частотним регулюванням на мережу з переважною статичною складовою.

Як видно з графіка (рис.3), при роботі насоса на мережу з переважною статичною складовою зниження частоти обертання насоса призводить до зниження ККД насосного агрегату та зміщенняробочої точки в ліву зону робочої характеристики

Якщо при номінальній частоті обертання ККД насосного агрегату становить 60%, зниження до 83% від номіналу призводить зниження ККД до 35%.

Таким чином, при роботі відцентрового насоса на мережу з переважною статичною складовою застосування частотного приводу є нераціональним і вимагає більш ретельного аналізу та обліку інших факторів.

Застосування частотного приводу для насосів свердловин пов'язане з рядом додаткових факторів, які необхідно враховувати при прийнятті рішення.

При зниженні частоти обертання та зменшенні подачі знижується швидкість обтікання електродвигуна, що може призвести до його перегріву. Тому необхідно точно знати, як знизиться подача при зниженні частоти обертання, якщо насос працюватиме на задану систему. При необхідності застосовувати кожухи охолодження та електродвигуни більшої потужності.
У електродвигунах свердловинних насосів застосовуються підшипники ковзання, робота яких вимагає гарантованої присутності між парами тертя шару рідини. При зниженні частоти обертання виникає ризик виникнення напівсухого та сухого тертя, що спричиняє знос елементів осьового та радіальних підшипників. Надійна робота підшипників ковзання потребує обмеження мінімальної частоти обертання.

Рис.4. Каскадне регулювання режиму роботи трьох насосів, встановлених паралельно під час роботи на мережу з переважно статичною складовою.

У системах із великою статичною складовою застосування каскадного регулювання, тобто. з підключенням та відключенням необхідної кількості насосів, навпаки, дозволяє здійснювати регулювання режиму роботи насосів з високою ефективністю (рис.4)

Частотнерегулювання є оптимальним рішенням під час роботи на систему з динамічною складовою. Як видно з рис.5 значення ККД практично залишається постійним у всьому діапазоні регулювання.

Рис.5. Робота насоса із частотним регулюванням на мережу з переважними втратами на тертя.

Наведені у статті дослідження по свердловинних насосів ЕЦВ показали, що найбільш раціональним способом регулювання режиму роботи насоса в системах з великим статичним напором є каскадне регулювання, тоді як застосування частотного приводу для насосів свердловин ЕЦВ вимагає ретельного аналізу та обліку багатьох факторів.