Издательский Центр Аква-Терм
wilo1
wirbel.ru

Оптимизация насосного оборудования и его применения путем комплексного системного анализа

Ф. Шеффер, В. Уфельман, фирма KSB SE&KGaA, Германия, г. Франкенталь

Классические методы подбора и эксплуатации насосного оборудования с применением всевоз­можных коэффициентов запаса и прочих мероприятий по предотвращению ошибок расчетов приво­дят, как правило, к тому, что оборудование работает не на требуемых параметрах с наивыс­шим КПД, а в условиях, далеких от оптимальных. В данной статье на некоторых примерах из про­изводственной практики показан потенциал оптимизации насосных агрегатов и систем в целом.

Если оптимизация отдельных элементов дает скромные экономические результаты, то всесторонняя оптимизация насосной системы с учетом трубопроводной сети и условий эксплуатации приводит к зна­чительному улучшению экономических показателей. Если наработанный опыт будет учитываться на всех этапах жизненного цикла оборудования, начиная с проектирования, во время эксплуатации и обслуживания и заканчивая его утилизацией, то это гарантированно приведет к значительному сни­жению затрат, повышению эксплуатационной надежности и к успешному развитию материальной базы предприятия в целом.

Компания KSB поставляет широкий спектр цен­тробежных насосов и запорной арматуры. Энергоэффективность оборудования является важной составляющей стоимости жизненного цикла, поэтому компания KSB разработала комплексную концепцию энергосбережения под названием FluidFuture.

Прежде всего, наши мероприятия направлены на оптимизацию общей эффективности предпри­ятия. Для того чтобы это сделать, мы разработали четыре модуля, которые должны помочь оптимиза­ции и сокращению стоимости жизненного цикла центробежных насосов и запорной арматуры предприятия. Одним из модулей этой концепции энергоэффективности является системный анализ – System Efficiency Services.

Центробежный насос представляет собой сложный механизм, при этом он является лишь одной составляющей всей большой сложной системы. Повышение энергоэффективности зависит от многих факторов и отдельных элементов, но в конечном итоге все­гда приходится анализировать всю систему в целом. Это относится как к существующим объектам, так и только к проектируемым. Тщатель­ное изучение профиля нагрузки оборудования так­же необходимо для оптимизации как существую­щих, так и проектируемых систем. Целью является выявление потенциала экономии и разра­ботка мероприятий для его реализации.

В рамках проекта ReMain проведены иссле­дования технического состояния более 80 центро­бежных насосов на крупном немецком химиче­ском заводе. Оказалось, что только небольшая часть из них работает в оптимальном режиме (рис. 1). Часть из них была переразмерена и рабо­тала с недогрузками, а некоторые, напротив, в пере­груженном режиме.

Рис. 1. Данные по загрузке центробежных насосов (проект ReMain)

Данные по загрузке центробежных насосов (проект ReMain)

Режим работы влияет не только на потери энергии, но и на надежность насоса. Исследова­ния фирмы DuPont показали, что механические уплотнения и подшипники при работе в недогру­женном или перегруженном режиме изнашивают­ся быстрее, чем в рабочей точке (рис. 2). При не­догруженном режиме возникают рециркуляция пе­рекачиваемой жидкости в рабочем колесе, кавита­ция, перегрев. В перегрузках также возможно воз­никновение кавитации, снижается КПД насоса и значительно увеличивается потребляемая насосом мощность.

Рис. 2. Влияние режима работы на стоимость жизненного цикла насоса

Влияние режима работы на стоимость жизненного цикла насоса

Предприятия, эксплуатирующие центробеж­ные насосы, заинтересованы в первую очередь в снижении, насколько это возможно, текущих издер­жек. Для них особенно большое значение имеют потери при аварийных остановах оборудования, которые могут быть оценены только при ком­плексном рассмотрении издержек. Основным кри­терием при приобретении оборудования должны быть не только закупочная цена, но и полные за­траты при эксплуатации оборудования за время жизненного цикла.

Стоимость жизненного цикла складывается из различных составляющих, взаимно влияющих друг на друга. В первом приближении все эти составляющие можно разделить на две большие группы: первоначальные инвестиции и постоян­ные или текущие затраты. Инвестициями являются стоимость собственно насоса и всех необходимых для его использования компонентов: трубопроводов, запорной и регули­рующей арматуры и др. Издержки, связанные с до­полнительными инвестициями при строительстве соору­жений (речь идет о фундаментах или сложных со­оружениях подвода и отвода жидкости), касаются в первую очередь вертикальных насосов или насо­сов большой мощности. Всасывающая способ­ность этих насосов определяет высоту установки и таким образом влияет на стоимость фундамента и, как следствие, всего сооружения.

Расчет стоимости жизненного цикла можно производить по формуле (1)

где n – годы; z – число насосов; E0 – тариф; i – P –  дисконт; p – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; t0, t1 – начало и конец цикла жизни; QH(t) – текущий расход насоса; HH (t) – те­кущий напор насоса; – КПД насоса; – КПД привода.

Текущие издержки или издержки производства складываются в первую очередь из затрат на собственное энергопотребление насоса и всех вспо­могательных систем. Повышение КПД дает пря­мую экономию. Второй важной составляющей те­кущих затрат являются затраты на техническое об­служивание и ремонты, в частности, связанные с недостаточной надежностью агрегата: незаплани­рованными или аварийными остановами и вызванны­ми этим затратами.

Понятно, что основные цели развития могут противоречить друг другу, так как решения опре­деленной и конкретной задачи могут давать отри­цательный эффект для другой задачи. Так, напри­мер, для достижения максимального КПД требу­ется иное конструктивное решение, нежели для достижения максимальной надежности.

Как правило, насосы имеют эффективную кон­струкцию, высокие КПД и надежность. Наиболь­шие потери и, следовательно, резерв экономично­сти, заключаются в системе, включающей в себя несколько насосов и контуров трубопроводов, сети, на которую работают насосы.

Анализ работы системы производится путем сбора данных о поломках насосов, количестве и качестве восстановительных, аварийных ремон­тов, энергетических затратах, расходах на про­филактические ремонты, выполняется анализ неисправностей и проведение энергетического аудита (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема анализа затрат

Принципиальная схема анализа затрат

Для оценки надежности работы насосов важно контролировать их вибрационное состояние. По уровню вибрации подшипниковых опор можно оценить техническое состояние, возможность дли­тельной работы либо необходимость вывода насо­са в ремонт. Спектральные характеристики виб­роускорений или виброперемещений подшипни­ковых опор могут быть диагностическими призна­ками различных дефектов, таких как резонанс, несоосность валов, некачественный монтаж или соединение муфт и др. Сбор информации о вибро­состоянии может проводиться стационарными либо переносными системами контроля, преиму­ществами последних являются мобильность и возможность использования на оборудовании, не ос­нащенном стационарными системами. Для проведения измерений с целью определе­ния технического состояния центробежных насо­сов и выявления резервов экономии фирма KSB разработала специальный переносной комплекс (рис. 4).

Рис. 4. а) Аппаратная часть комплекса SES и б) Размещение измерительных приборов системы «SES» на элементах питательного насоса

Аппаратная часть комплекса SES

Он представляет собой систему, к которой под­соединяются датчики давления, температуры и виброперемещений подшипниковых опор иссле­дуемого насоса и приводного двигателя во взаим­но перпендикулярных направлениях. Измерение технологических параметров (давления, темпера­туры, мощности, расхода, частоты вращения) про­изводится в соответствии со стандартом ISO 9906, вибрационных параметров (виброскорости, БПФ) – в соответствии со стандартом ISO 10816-7.

Запись параметров осуществляется одновре­менно, что позволяет определить положение рабо­чей точки и сравнить его с расчетным. Зная положение рабочей точки, можно определить имею­щиеся потери или ресурс энергосбережения, раз­работать мероприятия для снижения потерь и по­вышения надежности центробежного насоса и системы в целом.

Пример 1. В качестве примера приведем использование системы SES при анализе эффективности работы насосов охлаждения прокатного стана алюминие­вого листа. В системе охлаждения используются насосы типа Eta-R 125-500 со следующими расчетными характеристиками: расход @опт = 220 м3/ч, напор Нопт = 70 м, мощность Ропт = 53,1 кВт, частота вращения n = 1450 об/мин (рис. 5а).

Рис. 5а. Насосы типа Eta -R 125-500 прокатного стана

Насосы типа Eta -R 125-500 прокатного стана

В реальной эксплуатации из-за несоответствия характеристик насоса и системы охлаждения про­катного стана параметры насоса существенно от­личаются от расчетных (рис. 5б).

Рис. 5б. Характеристика работы насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана

Характеристика работы насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана

При частоте вра­щения n = 1450 об/мин расход 2раб = 360 м/ч, КПД составляет 50%. Потребляемая мощность – 65 кВт (рис. 6).

Рис. 6. Потребляемая мощность насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана на различных частотах вращения

Потребляемая мощность насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана на различных частотах вращения

Рабочие точки на характеристике получены с помощью системы SES. На основе полученных данных при проведении измерений предложено перейти от работы одним насосом на параллель­ную работу с регулированием частоты вращения и использованием системы управления частотой вращения Hyamaster.

Характеристика параллельной работы насосов с переменной частотой враще­ния приведена на (рис. 7).

Рис. 7. Характеристика работы насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана с регулированием частоты вращения

Характеристика работы насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана с регулированием частоты вращения

При параллельной работе двух насосов с час­тотами вращения 1175 и 970 об/мин, с расходом 240 и 100 м3/ч соответственно, суммарный расход равен требуемому в сети. При этом суммарная мощность, потребляемая насосами, составляет 13 + 32 = 53 кВт, что даже меньше расчетной мощ­ности одного насоса Eta-R 125-500 на оптималь­ном режиме. КПД насосов при параллельной ра­боте не ниже 70%. Таким образом, переход от ра­боты на фиксированной частоте вращения на ра­боту с плавным регулированием и параллельную работу двух насосов позволяет снизить потребляе­мую мощность и повысить КПД насосной систе­мы в целом. В результате проведенной реконст­рукции получена экономия электроэнергии более чем на 60%.

Затраты на реконструкцию и полученный эко­номический эффект приведены в (табл. 1).

Таблица 1. Затраты на реконструкцию

Затраты на реконструкцию

Пример 2. Еще один пример использования SES на электростанции с парогазовым циклом. В тепловой схеме энергоблока для подачи питательной воды в парогенератор для выработки пара используются питательные насосы высокого давления типа HDB 150/7 мощностью 2,3 МВт.

Контрольные измерения, проведенные на элек­трической станции с использованием SES, показа­ли, что напор питательного насоса превышает не­обходимый. Замена двух рабочих ступеней на сту­пени без рабочих колес (рис. 8) снизила напор и потребляемую мощность.

Экономия электроэнергии вследствие увеличе­ния КПД насоса при работе в сети блока составила более 25% (см. табл. 2).

Таблица 2. Экономия

Приведенные примеры показывают потенциал оптимизации насосных агрегатов и систем в це­лом. Если оптимизация отдельных элементов дает скромные экономические результаты, то оптими­зация насосной системы с учетом трубопроводной сети и условий эксплуатации в целом приводит к значительному улучшению экономических показа­телей.

Сотрудники компании KSB будут рады оказать содействие в оптимизации существующих насосных систем, а также помочь в планировании и подборе оборудования для проектируемых систем.  ­

Наши технологии. Ваш успех.

www.ksb.ru

Статья из журнала «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ», №1/2019.




Поделиться:

Опубликовано: 20 августа 2019 г.

вернуться назад

дкм
AT20-275
mohlenhoff.pro