Сравнение синхронного и каскадного способов регулирования многонасосных установок

Преобразователи частоты тока (ПЧ) стали неотъемлемой частью современной промышленности, обеспечивая эффективное управление энергопотреблением и повышая надежность работы оборудования. Особенно это касается систем, где используются насосы, работающие параллельно для обеспечения требуемых параметров. Существует несколько методов регулирования таких насосных систем, среди которых выделяются каскадный и синхронный способы.

Каскадный способ регулирования основан на последовательном включении и разгоне насосов для достижения необходимой производительности. По мере возрастания потребности системы основной насос постепенно увеличивает число оборотов до номинального значения (100% загрузка), после чего подключается пиковый насос на минимальных оборотах и при дальнейшей необходимости увеличения подачи также достигает полной загрузки. Аналогичным образом подключаются и разгоняются остальные пиковые насосы. Этот метод характеризуется простотой автоматизации и экономичностью (наличие одного ПЧ), однако он может привести к более быстрому износу оборудования из-за частых переключений и провоцирует длительную работу пиковых насосов в зоне минимальных значений КПД, ограничивая общую эффективность системы.

Синхронный способ регулирования направлен на равномерное распределение нагрузки между насосами. Все насосы работают синхронно, поддерживая одинаковую частоту вращения, что обеспечивает их равномерный износ и высокий КПД. Этот метод способствует увеличению срока службы оборудования, повышает плавность регулирования и, как будет в дальнейшем показано авторами данной статьи, обеспечивает большую энергоэффективность, в сравнении с каскадным способом регулирования.

Теоретические основы оценки:

1. В каждом случае сравнения каскадного и синхронного регулирования рассматриваются два одинаковых насоса, работающих при одинаковом напоре.
2. Анализ проводится по мощности насоса на валу, а изменения КПД двигателя и ПЧ предполагаются незначительными по сравнению с изменением гидравлического КПД насоса и не учитываются.
3. Значения гидравлического КПД (ηН) и Мощности на валу (P2) сняты с характеристик насосов в программе Wilo-Select, достаточно точно определяющей необходимые значения в широком диапазоне.
4. При каскадной работе двух параллельных насосов при одинаковом напоре, но на разных значениях расхода учитываются мощности на валу каждого насоса P2₁ и P2₂ при перекачивании соответствующего расхода Q₁ и Q₂. Отсюда получаем суммарную мощность при перекачивании суммарного расхода и рассчитываем эквивалентный КПД перемещения жидкости так, если бы жидкость перекачивалась одним «эквивалентным» насосом:

P_2экв = P2₁+P2₂

Опуская одинаковое значение напора и другие постоянные коэффициенты, получаем:

Q_экв / η_{Н экв} = Q₁ / η₁ + Q₂ / η₂,

где расход эквивалентного насоса равен сумме расходов каждого из насосов: Qэкв = Q1 + Q2

Отсюда КПД «эквивалентного» насоса вычисляется по формуле:

η_{Н экв} = (Q₁ + Q₂)/(Q₁ / η₁ + Q₂ / η₂ )

Рассмотрим системы отопления и водоснабжения, имеющие принципиальные различия в изменении положения рабочей точки насоса при регулировании числа оборотов.

Система отопления

Расчет выполнен на примере двух насосов WILO двустороннего входа (рис. 1).

Рис. 1 Насос WILO двустороннего входа TSC

Изменение положения рабочей точки каждого из насосов при разных способах регулирования отражено на рис. 2.

Рис.2 Изменение положения рабочей точки каждого из насосов

В табл. 1 приведены полученные значения эквивалентного КПД. Расход каждого насоса при синхронном регулировании не указан, т.к. этот расход всегда равен 50% от общего расхода.

Выводы

Рис.3 Насос Helix V

Как правило, характеристика сети системы отопления изменяется по квадратичной параболе с вершиной в начале координат. Если изначально насос был подобран с максимальным КПД, то при синхронном понижении частоты двух насосов это значение КПД сохраняется, так как кривые равных значений КПД центробежных насосов также представляют собой квадратичные параболы. Очевидно, что при «сдвиге» рабочей точки по характеристике в ту или другую сторону, что наблюдается при каскадном регулировании, КПД в этих точках будет меньше, и перекачивание при каскадном регулировании всегда будет менее эффективным.

Система водоснабжения

Расчет выполнен на примере двух насосов Helix V (рис. 3) с номинальной рабочей точкой 27 м³/час при 100 м напора, работающих по закону Р=const (поддержание постоянного давления в напорном трубопроводе во всем диапазоне расходов).

Рис.4

Принципиальная картина изменения положения рабочей точки отдельного насоса при указанном законе регулирования представлена на рис. 4.

В табл. 2 приведены полученные значения эквивалентного КПД при разных значениях расхода (расход каждого насоса при синхронном регулировании – всегда по 50% от общего расхода).

Аналогичные расчеты выполнены авторами для различных ситуаций: большего количества рабочих насосов, выбора насосов с максимальным значением КПД при номинальных оборотах, выбора насосов в левой зоне при номинальных оборотах.

Рис.5

Выводы:

1. На всех режимах и при разных рабочих точках эквивалентный КПД параллельно работающих насосов при синхронном регулировании выше, чем при каскадном.
2. При анализе станции с тремя и большим количеством рабочих насосов принципиальная картина преимущества КПД при синхронном регулировании сохраняется. С увеличением числа рабочих насосов преимущество в эквивалентном КПД параллельно работающих насосов при синхронном регулировании, относительно каскадного, уменьшается до 1%.
3. Разница в эффективности синхронного и каскадного регулирования в зависимости от расположения расчетной рабочей точки относительно BEP (точки максимального КПД) приведена на графике (рис. 5).
4. Максимальное преимущество в эквивалентном КПД параллельно работающих насосов при синхронном регулировании, относительно каскадного, достигает 12-15%.

Метод синхронного регулирования может быть реализован в линейке приборов управления WILO AMP, для подбора которых разработан конфигуратор, доступный на сайте ВИЛО РУС (https://amp.wilo.ru/).

Никеенко Василий Александрович, главный инженер, ООО «ГМК»
Сальников Егор Николаевич, Главный инженер проектов ДВР, ООО «ВИЛО РУС»

Опубликовано в журнале АКВАТЕРМ | сентябрь-октябрь № 5 (141) 2024