Да помогнем на българските болници с дооборудване, поддръжка и сервиз в борбата с COVID-19! Включете се в инициативата ТУК!

Анализи / Техн. решения

Енергийна-ефективност на хидрофорни системи

02.10.2012 г.

Хидрофорите представляват комбинация от няколко успоредно свързани помпи, често фабрично сглобени, като целият хидрофор е свързан към приложението само с две хидравлични връзки. Това дава възможност системата да бъде изпитана като цяло, преди да напусне завода. Поради това решенията често са много по-евтини от разходите за инсталиране и клиентът получава надеждна помпена система още при инсталирането и въвеждането в експлоатация.На фиг. 1 е представен пример за хидрофорна система на Грундфос.

Хидрофорите като цяло се използват за поддържане на постоянно налягане, наречено  референтно налягане, в приложения, в които необходимият дебит варира. Сред типичните им приложения са водоснабдяване на високи сгради, общинско водоснабдяване, напояване или промишлени приложения.

Фиг. 1: Хидрофор Hydro MPC E на Грундфос с три успоредно свързани помпи и вградени честотни инвертори, колектор за всмукване и освобождаване, трансмитери за налягането и контролно табло, всички сглобени върху обща базова рамка.

 

1       Постигане на оптимален контрол

1.1    Хидрофори с фиксирана скорост с включен/изключен контрол

Включеният/изключен контрол на помпи с фиксирана скорост в даден хидрофор е традиционният начин за осигуряване на „постоянно” налягане. Това се осъществява чрез включване и изключване на помпите при две граници на налягане; „Стойност на стартиране на помпата” и „Стойност на спиране на помпата” (Фиг. 2).

Стойностите на стартиране и спиране често се избират така, че помпите да работят близо до своята точка на най-голяма ефективност. Изискванията за налягането често са определящият фактор, т.е. „стойността на стартиране на помпата” трябва да бъде зададена така, че да отговаря на изискванията за налягането. Поради това хидрофорът работи с ненужно голямо налягане през повечето време. Следователно излишното налягане между „Стойността на стартиране на помпата” и „Стойността на спиране на помпата” следва да се смята за чиста загуба. Обхватът на налягането е, така да се каже, само необходима техническа формалност, нужна на помпите с фиксирана скорост, за да повишават налягането. Това означава, че се консумира ненужна енергия, въпреки че ефективността на помпата е максимална.

Фиг. 2: Горната графика показва кривите на налягането и обхвата на налягането при хидрофор с фиксирана скорост. Обхватът обикновено съответства на 10% от зададената точка, но зависи много от размера на съдовете за налягане и необходимия комфорт. Зоната между стойността на спиране и стартиране представлява потенциала за спестяване чрез въвеждане на променлива скорост. Долната графика показва кривите на ефективност на хидрофор с фиксирана скорост.


 

1.2      Хидрофорни системи с контрол на скоростта

С контрол на скоростта е възможно да се спести от излишното налягане, тъй като вече няма нужда от обхват на налягането. Това е причината, поради която всички основни производители на помпи препоръчват контрол на скоростта на хидрофорните системи.

Най-простият начин за въвеждане на контрол на скоростта е да се добави честотен конвертор към една от помпите в хидрофора. Помпата с контролирана скорост се използва за постоянен контрол на налягането, а останалите помпи се включват и изключват при необходимост. За съжаление, тези разлики в скоростите на помпите не са оптималният начин за работа на помпите. За да демонстрираме това, нека направим елементарен тест с две помпи с контрол на скоростта.

Да вземем например случай, в който две активни помпи работят в дадена работна точка, определена от налягането и сбора на дебитите на отделните помпи. На фиг. 3 е показан пример за кривите дебит-енергия за две помпи. Приемаме, че оптималното решение се получава при равномерно разпределен дебит между помпите. Този случай е означен с червени точки на фиг. 3. В тази оперативна точка дебитът на хидрофора се равнява на 60 м3/ч, а консумацията на енергия е 8.6 KW. Ще проверим изказаното предположение, като променим разпределението на дебита между двете помпи. Това е илюстрирано с жълти точки на фиг. 3. В новата оперативна точка дебитът все още се равнява на 60 м3/ч, но консумацията на енергия намалява с почти 100 W.

Фиг. 3. Промяна на разпределението на дебита между помпите на двупомпена хидрофорна система, работеща при постоянно налягане. Разпределението на дебита е променено от равномерно разпределение (червена точка)на различни дебити в помпите. Увеличението на енергията поради повишен дебит е по-голямо от намалението на енергията поради понижен дебит. Това показва, че оптималното решение е равномерно разпределен дебит.

 

Тази увеличена консумация на енергия се дължи на изпъкналостта на кривите енергия-дебит (Фиг. 3). Изпъкналостта означава, че увеличената консумация на енергия поради повишения дебит в помпа 1 е по-голяма от намалената енергия поради понижен дебит в помпа 2 (Фиг. 3). Следователно може да се заключи, че равномерното разпределение на дебита между активните помпи е най-оптималното енергийно действие за хидрофорите. Равномерното разпределение на дебита означава, че всички действащи помпи трябва да работят с една и съща скорост.

 

1.3 Оптимален брой работещи помпи

От гореизложените аргументи следва изводът, че всички помпи в хидрофора трябва да бъдат активни по всяко време и да работят с еднаква скорост. Но това не е вярно, тъй като части от консумацията на енергия се независими от условията на натоварване и следователно се предизвикват чрез просто включване на помпата. Тази консумация на енергия се спестява от помпите, които са изключени. Оптималният брой активни помпи зависи от оперативните условия, определени от налягането и дебита на хидрофора. На фиг. 4 е представена консумацията на енергия на хидрофор с различни комбинации от активни помпи. Всички криви са изчислени, като се приема, че хидрофорното налягане е постоянно, т.е. скоростите на помпата се регулират така, че да отчетат промяната в дебита. Във всеки един от трите случая активните помпи работят с еднаква скорост.

Синята крива илюстрира консумацията на енергия с една активна помпа, жълтата крива показва случая с две помпи, а третата крива илюстрира случая с три помпи. Най-оптимална енергийна работа се получава с комбинацията, съставена от най-ниската крива при всички дебити. Т.е. най-оптималната енергийна работа се получава с една активна помпа от 16 до 47 м3/ч, две активни помпи са оптимални от 47 м3/ч до 83 м3/ч, а три активни помпи са най-оптималната конфигурация в този конкретен случай при над 83 м3/ч. Фиг. 4 ясно показва кога помпите в хидрофорната система трябва да се включат и изключат. Но при реалните системи дебитът обикновено не е наличен, както не е налична и формата на енергийните криви.


Фиг. 4: Криви енергия-дебит за различни комбинации от активни помпи с постоянно референтно налягане. Най-енергийно ефикасният работен режим е най-ниската крива. Следователно само една помпа трябва да бъде активна до около 47 м3/ч, след което две помпи трябва да бъдат активни до около 83 м3/ч. След тази точка трябва да бъдат активни три помпи.


 

2.    Комбинация от размери на помпи

В следващите редове е направен анализ на консумацията на енергия с различни комбинации от размери на помпи в хидрофорите. При анализа нека приемем, че всички помпи са оборудвани с честотни инвертори.

Енергийно оптималният избор за хидрофор силно зависи от приложението. Условията, свързващи хидрофора с приложението, изцяло се характеризират с условията на налягането и дебита. Тези условия са добре изобразени с крива на референтно налягане и дебитен профил. На фиг. 5 е представен типичен профил на натоварване за дебитите. Кривата на референтни налягания често е само постоянна крива на налягането.


Фиг. 5: Необходимият дебит през часовете на работа, известен също като профила на натоварването, често е така разпределен в хидрофорните приложения, че повечето от работата се извършва при частично натоварване.

 

 

Тук работата на хидрофорна система с помпи с половин размер е сравнена с помпи с еднакъв размер. Разглеждаме като пример следните три конфигурации

  • 4xCRE32-3.
  • 1xCRE32-3 + 2xCRE45-3.
  • 3xCRE45-3.

 

Двете помпи, използвани в конфигурациите, са стандартни помпи на Grundfos. Дебитът в точката с най-голяма ефективност (QBEP) за CRE32-3 се получава от QBEP = 27 м3/ч, докато за CRE 45-3 и QBEP = 42 м3/ч [3]. Консумацията на енергия на трите конфигурации е анализирана по-долу за всички дебитни стойности и за две различни референтни налягания – 55 м и 40 м. Консумацията на енергия като функция на дебита при двете налягания на помпите е представена на фиг. 6. Тук кривите на минимална енергия са показани за трите конфигурации. Минималната крива се открива, като се използва конфигурацията с най-малка консумация на енергия за всички дебити, което може да се сравни с вземане на минималната енергия за всички дебити на фиг. 5.

При двата случая с еднакви по размер помпи активните помпи работят с еднаква скорост. Това не важи за случая с различни по размер помпи. Тук оптималната скоростна конфигурация се открива за всеки дебит и се изчислява консумацията на енергия. Оттук се открива най-ниската възможна консумация на енергия. При много ниския дебитен режим обикновено се използва операционна схема включване/изключване, тъй като това може да сведе до минимум консумацията на енергия в този режим. Консумацията на енергия по тази операционна схема не е показана на фиг. 6.

Фиг. 6: Консумация на енергия при оптимална работа с две различни референтни налягания на анализираните хидрофори. Лявата графика е получена за референтно налягане от 55 м, а дясната графика е получена за референтно налягане от 40 м.

 

 

Работата на хидрофора лесно може да се оцени от енергийните криви на фиг. 6. От кривите се вижда, че при двата вида оценявани оперативни условия консумацията на енергия на 4´CRE32-3 е най-висока при почти всички дебити. В случая на 55 м работата на 1´CRE32-3+2´CRE45-3 може да се сравни с 3´CRE45-3 при повечето дебитни стойности и дори е малко по-добра при нисък дебит. Докато при случая на 40 м 3´CRE45-3 използва по-малко енергия в режим на висок дебит. В режим на нисък дебит двете решения са съпоставими. Следва да се отбележи, че потенциалът за спестяване при 1´CRE32-3+2´CRE45-3 е трудно да се реализира, тъй като контролът, осигуряващ оптималност, е сложен и чувствителен към условията на системата. В крайна сметка 3´CRE45-3 би било най-доброто решение при двата вида оперативни условия.  

Когато консумацията на енергия се познава от различните дебитни стойности е възможно да се изчисли консумацията на енергия на ден, като се използва дебитен профил, подобен на представения на фиг. 5. С дебитния профил от фиг. 5 и графиката за консумация на енергия от фиг. 6 консумацията на енергия на ден може да се изчисли по следната формула:

Енергия на ден = Ʃ Ti.P (Qi), като сумата е от i = 1 до N, където N е броят дебитни стойности в профила на натоварването, Qi и Ti са съответно iта дебитна стойност и iта времева рамка на профила, а P(Qi) е консумацията на енергия при iта дебитна стойност. P(Qi) може да се открие в графиката за консумация на енергия на фиг. 6. С тази формула може да се изчисли консумацията на енергия на ден с профила, представен на фиг. 6. Резултатите при референтно налягане от 55 м и 40 м са представени в Таблица 1. При 55 м максималният дебит Q100 е равен на 110 м3/ч, а в случая на 40 м Q100 е равен на 130 м3/ч.

 

Референтно налягане

4´CRE32-3

1´CRE32-3 +
2´CRE45-3

3´CRE45-3

55 м

247.7 KWh

226.5 KWh

226.8 KWh

40 м

164.0 KWh

150.4 KWh

149.3 KWh


Таблица 1: Консумация на енергия в случаите, в които налягането в помпата е съответно 55 м и 40 м.


 

Резултатите от изчисленията за различни  помпени конфигурации показват, че консумацията на енергия на хидрофори с еднакви по размер помпи във всички изпитани случаи и съпоставима или по-добра от хидрофорите с помпи с половин размер. Като се има предвид сложността на упражняване на контрол при решението с помпи с половин размер, следва да се предпочетат системи с еднакви по големина помпи. Не може да се твърди, че е за предпочитане на се използват по-малък брой големи помпи, отколкото голям брой малки помпи. Това зависи от очаквания дебитен профил.

 

Изводи от направения анализ

Следователно най-енергийно ефективната работа се получава с честотни инвертори на всички помпи и при работа с еднаква скорост на всички активни помпи. Броят активни помпи зависи от оперативните условия на хидрофорите.

Бяха анализирани и различни конфигурации от размери на помпи. Резултатът от анализа е, че липсват или има много малко ползи за консумацията на енергия при използването на различни по големина помпи в хидрофорите. Трябва да се отбележи, че вероятната малка полза при различните по големина помпи при някои приложения е трудно да бъде реализирана, тъй като необходимият за това контрол е сложен и чувствителен към условията на системата, докато еднаквите по размер помпи трябва винаги да работят с еднаква скорост.

Безопасен избор при проектирането на хидрофор е да се избере хидрофор с еднакви по размер помпи, където всички помпи се контролират от честотни инвертори.


  •    -   Контролът на скоростта на всички помпи е най-ефикасната управленска философия по отношение на хидрофори.
  •    -   За да бъдат най-ефективни, всички помпи трябва да работят с еднаква скорост.
  •    -   Когато скоростта на всички помпи се контролира, различните размери на помпите като цяло нямат положителен ефект върху консумацията на енергия. Всъщност, в повечето случаи това води до повишена консумация на енергия.

Поради това се достига до заключението, че безопасният избор при проектирането на хидрофор е да се изберат помпи с еднакъв размер, всички оборудвани с контрол на скоростта, като всички действащи помпи трябва да работят с една и съща скорост.


Още от ВиК