Енергийна ефективност на водоснабдителни помпи

Според различни анализи близо 20% от потреблението на електрическа енергия в световен мащаб се дължи на консумацията на помпени системи. Именно по тази причина и поради нарастващото значение на повишаването на енергийната ефективност в областта на водоснабдяването се обсъждат и внедряват различни възможности, имащи за цел редуциране консумацията на електрическа енергия от помпените системи.

Съществуващите помпени системи предоставят отлична възможност за подобряване на ефективността, тъй като конструктивно понякога е трудно те да бъдат оптимизирани преди монтажа. В допълнение, усилията при проектирането често са фокусирани върху намаляване на капиталовите разходи или върху възможността за повреда в системата. В резултат на това разходите за енергия и поддръжка не могат да бъдат изцяло предвидени.

По думи на специалисти разходите за енергия и поддръжка могат да достигнат половината от първоначалната сума, инвестирана в закупуване на цялата помпа, и дори да я надхвърлят, като в крайна сметка първоначалните разходи ще са около 15% от разходите за целия живот на помпата.

Възможни начини за намаляване на енергийните разходи могат да бъдат: намаляване на мощността на помпената система и работа в режим, близък до оптималния, замяна на помпи, работещи неефективно, избор на по-ефективни двигатели и използването на честотно управление. Голямо предимство е фактът, че подобряването на енергийната ефективност на помпените системи може да се постигне посредством стандартни мерки, поради което не се изисква въвеждането на сложни технологични иновации.

Именно по тази причина и с оглед на световната тенденция за повишаване на енергийната ефективност се препоръчва внимателен анализ на всички възможности за намаляване на консумацията на електрическа енергия от помпени системи.

Загуба на ефективност
Възникването на турбулентност, триенето и рециркулацията в помпата са сред основните причини за загубата на ефективност. Загуби се реализират и когато помпата не работи в оптималния си режим на работа. Различните методи за контрол на дебита също оказват негативно влияние върху ефективността на дадена помпена система. Обикновено регулирането на дебита се случва посредством приложението на дроселираща арматура, байпасен тръбопровод, паралелна работа на различен брой машини или промяна на честотата на въртене.

Друга причина за липсата на ефективност в работата на дадена помпа са: несъответствието между избраното и внедрено конкретно решение и изискванията на системата, промените в условията на работа или пък очакването помпата да работи при различни нови, променени условия.

Сред признаците, които служат за индикатор на специалистите, че системата е недобре реализирана и експлоатирана, са: честото спиране и пускане, наличието на кавитационен шум в помпата или някъде в системата, загряване на двигателя, помпена система, която е необорудвана със средства за измерване на потока, налягането, консумацията на енергия, или пък невъзможност да се достигне максимален дебит.

Като водещ фактор за ефективната работа на една помпена система се смята подходящото оразмеряване на помпите. Често помпените системи се оразмеряват за максимално предвиждания дебит, който обаче може никога да не се използва или е нужен само за много кратки периоди от производствения цикъл. Преоразмеряването е често срещано и може да доведе до значителни загуби на енергия и повреди на елементи от инсталацията.

Енергийните разходи, свързани с работата на електродвигателите, представляват значителна част от общите енергийни разходи при експлоатацията на помпените системи. Използването на неефективни двигатели, работа извън условията на оптимално натоварване, както и възникването на механични или електрически проблеми със самия двигател също могат да доведат до загуба на енергия.

Това са и проблемите, чието решаване се счита за базово в стремежа за повишаване на ефективността като цяло. Затова и подмяната на използваните до момента електродвигатели с такива, използващи честотни преобразуватели за регулиране на оборотите, е добър подход за повишаване на ефективността.

Повечето двигатели са конструирани така, че да работят между 50 и 100% от номиналното натоварване с постигане на максимална ефективност при 75% от максималното натоварване. Естествено трябва да се има предвид, че двигателите, които работят извън оптималното си натоварване, са с по-ниска ефективност. Други фактори, които също влияят отрицателно на ефективността, са качеството на подаваната електроенергия и температурата.

Приложение на честотни преобразуватели
Повечето съществуващи помпени системи (близо 70%) са преоразмерени при проектирането с поне 20%. Това създава нужда от възможно най-точно изравняване на дебита на помпите с действителните нужди на системата. Най-масово това се осъществява чрез регулиране честотата на въртене на електродвигателя, който задвижва помпите – по механичен път с ремъчна предавка, редуктор, скоростна кутия, различни видове вентилатори и др., хидравлично с хидростатични и хидродинамични предаватели или електромагнити, но най-често с помощта на изцяло електрически задвижвания с променлива честота.

Промяната на честотата на въртене по електрически път основно включва промяна на честотата на захранващото променливо напрежение чрез т.нар. честотни преобразуватели (инвертори). Чрез тяхното задвижване се регулира скоростта, въртящият момент, посоката, пускът и спирането на стандартните асинхронни или синхронни променливотокови двигатели.

Неговите предимства пред останалите методи за регулиране включват: значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможност за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност. Честотният преобразувател е предпочитан, тъй като променя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение, като така осигурява необходимия момент на вала на двигателя без прегряване, което вследствие разкрива допълнителна възможност за икономии на енергия.

При т. нар. модернизация на помпените системи с честотни инвертори от изключително значение е съгласуването на електрическите характеристики на двигателя и инвертора. Счита се, че най-евтиният и благоприятен вариант за това включва използването на честотен инвертор, пригоден за директен монтаж върху стандартен двигател без никаква допълнителна преработка на корпуса.

По-старите инвертори се избягват, тъй като създават значителни хармонични изкривявания, водещи до допълнително загряване на намотките на електродвигателя. Двигателят и инверторът са съгласувани в оптимална степен, когато двигателят и помпените агрегати са с интегриран честотен преобразувател с мощности до около 25 kW, като това е най-сериозно предлаганият вариант.

Другите предимства в този случай включват: намалени разходи за инсталация; няма допълнителни кабели; инверторът използва охладителната система на двигателя; по-добра съвместимост между компонентите намалява шума и вибрациите и много други.

Стандартно, честотните преобразуватели се използват за регулиране работата на помпи с големи вариации на потока в рамките на денонощието или се използват в канализационните помпени станции. Изборът и конкретното приложение на честотните преобразуватели е от изключително значение за тяхната ефективност – некоректно подбраните инвертори обикновено работят под 75% от пълното натоварване.

Добре е да се вземе предвид, че честотните преобразуватели не са оптималното решение за всички системи, например в случаите, когато е необходимо преодоляването на голям статичен напор или при малки вариации на дебита. Някои двигатели също не са особено съвместими с честотни преобразуватели.

Честотните преобразуватели могат да се окажат добро, но скъпо решение. Затова преди да се вземе решение за въвеждането им, специалистите препоръчват да се отчетат дебитът, броят на помпите и часовете работа. Добре е да се има предвид, че дори оборудването на всички помпи с честотни преобразуватели да може да осигури много добра гъвкавост на системата, то не винаги е изпълнимо. Често достатъчно ползи могат да бъдат получени от оборудването само на част от помпите с честотни преобразуватели.

Енергийното обследване на помпените системи
Обследването на енергийната ефективност на помпите е особено важно именно във ВиК сектора, където са инсталирани и се експлоатират множество съоръжения. Съществуват два основни подхода за извършването на подобно обследване. Първият включва замерването и последващият анализ да се извърши от специализирана компания в конкретната дейност.

Вторият подход, който се препоръчва от специалисти, е самото ВиК дружество да се снабди с необходимата апаратура и да извърши измерванията. Основната причина да се счита, че обследването за енергийна ефективност на помпи е по-рационално да се направи от самото дружество, е, че анализът би бил достатъчно точен, ако работата на помпата се мониторира за определен период от време, а не еднократно.