Синхронное частотное регулирование насосов: эффективность, схемы и преимущества
Синхронное частотное регулирование насосов — это современный способ управления производительностью насосного оборудования за счет изменения частоты питающего напряжения. В отличие от традиционных методов регулирования, синхронное управление позволяет поддерживать постоянное соотношение между скоростью вращения электродвигателя и частотой сети. Это особенно важно в системах, где требуется высокая точность и стабильность параметров потока
Технология активно применяется в водоснабжении, отоплении, инженерной автоматике и энергоэффективных проектах. Она позволяет не только оптимизировать расход энергии, но и продлить срок службы оборудования, снизив уровень механического износа и тепловой нагрузки
Для корректной оценки энергетической эффективности насосного оборудования важно различать несколько видов мощности, которые характеризуют работу насоса и электродвигателя. Ниже приведены основные термины, используемые при расчётах и анализе производительности насосных установок:
Полезная мощность (Nпол)
Мощность переданная потоку жидкости
Nпол = Q ρН / 367, кВт
- Q — подача, м³/час
- ρ — плотность, кг/м³
- Н — напор, м
- 367 — переводной коэффициент, (c²/час)·(с2/м)
Мощность потребляемая насосом (P2)
Мощность на валу
P2 = Nпол / ηН = Q ρН / (367 ηН), кВт
- ηН — КПД насоса, доли ед.
Мощность потребляемая электронасосным агрегатом (P1)
Мощность потребляемая из электросети
P1 = P2 / ηм, кВт
- ηм — КПД насоса, доли ед.
Определение эквивалентного КПД двух насосов при разной частоте
При параллельной или последовательной работе насосов, функционирующих с различной частотой вращения, возникает необходимость определения их эквивалентного коэффициента полезного действия. Такой расчёт позволяет корректно оценить общую эффективность системы и оптимизировать режим её работы
Каскадное регулирование
Если два насоса работают параллельно, каждый перекачивает свою часть общего потока с разным значением КПД, то для оценки эффективности всей системы в целом вводится эквивалентный (усредненный) КПД. Это значение показывает, с каким эффективным коэффициентом мог бы работать один «эквивалентный» насос, перекачивая весь суммарный поток
| Определение | Формула |
|---|---|
| Полезная эквивалентная мощность равна сумме полезной мощности каждой части потока | Nпол экв = Nпол 1 + Nпол 2 (Nпол = Q ρН / 367) |
| Но каждая часть полезной мощности требует разной затраченной мощности (на валу), т.к. КПД разный для потока 1 и потока 2. Затраченная механическая мощность определяется из формулы | P2 = Nпол /ηН = Q ρН / (367 /ηН) |
| Для суммарного эквивалентного потока затраченная мощность равна сумме затраченной мощности для перекачки частей потока | P2экв = P2 1 + P2 2 |
| Определим КПД эквивалентного суммарного потока (так, как если бы весь поток перекачивал один насос) из последнего выражения, заменив P2 = Nпол / ηН | P2 = Nпол экв/ηН экв = Nпол 1/ ηН1 + Nпол 2/ ηН2 или Qэкв ρH / (367 ηН экв) = Q1 ρH / (367 η1) + Q2 ρH / (367 η2) |
| Учитывая, что «ρH/367» для всех слагаемых одинаковы, имеем | Qэкв / ηН экв = Q1 / η1 + Q2 / η2 |
| Откуда | ηН экв = Q экв / (Q1 / ηН1 + Q2 / ηН2) (1) |
| Приведенные формулы расчета носят ознакомительный характер — для точного подбора и инженерного расчета параметров насосного оборудования рекомендуется обращаться к специалистам | |
Система теплоснабжения
В типовой схеме теплоснабжения с двумя рабочими насосами, установленных параллельно, основная задача оборудования — обеспечить стабильную циркуляцию теплоносителя в соответствии с потребностями системы отопления и горячего водоснабжения. Такая конфигурация часто применяется в ЦТП, ИТП и котельных, особенно в зданиях с переменной тепловой нагрузкой в течение суток или сезона
Рабочая схема — два рабочих насоса
В реальных условиях оба насоса могут работать с разной эффективностью. Это может быть связано с разницей в их характеристиках, степенью износа, настройками частотных преобразователей или гидравлическими условиями в системе
Чтобы оценить, насколько эффективно работает такая насосная группа в целом, рассчитывают эквивалентный КПД — условный показатель, характеризующий эффективность всей системы перекачки
Система теплоснабжения
Система теплоснабжения Wilo
Регулирование работы насосных установок — важный элемент управления производительностью системы. От выбранного способа регулирования зависит стабильность напора, энергопотребление и срок службы оборудования. На практике применяются различные схемы управления, в том числе синхронное и каскадное регулирование, каждая из которых имеет свои особенности и области применения
Пример на базе двух насосов SCP 200/440 HA
- Расчетная точка №1, 50 Гц 1060 м³/час 36 м — на 2 насоса или 530 м³/час на 36 м — для каждого насоса
- КПД = 79,3%
Синхронное регулирование
- Расчетная точка №2, 40 Гц 860 м³/час 23 м — на 2 насоса или 430 м³/час на 23 м — для каждого насоса
- КПД = 79,3%
Каскадное регулирование
Каскадное регулирование та же точка 860 м³/час 23 м
- Расчетная точка насоса №1, 50 Гц 770 м³/час 23 м
- КПД = 65,2%
- Расчетная точка насоса №2, 36 Гц 90 м³/час 23 м
- КПД = 48%
Средневзвешенный КПД из (1): 62,8%
Каскадное КПД = 62,8% против 79,3% синхронное
Эффективное водоснабжение и контроль давления
Современные установки водоснабжения — это не просто подача воды из точки А в точку Б. Это целая инженерная экосистема, где важна не только доступность ресурса, но и стабильность давления в сети. Ведь от этого напрямую зависит комфорт пользователей и исправная работа оборудования: от бытовых смесителей до технологических процессов на производстве
Рабочая схема — 3 насоса
Вертикальная УПД
Горизонтальная УПД
Поддержание заданного давления (P = const) — ключевая задача для любых водопроводных сетей, особенно в многоэтажных зданиях и промышленных объектах. Здесь на помощь приходят насосные установки с частотным регулированием, бустерные станции и гидроаккумуляторы. Они обеспечивают постоянное давление в трубопроводе, компенсируя перепады, вызванные пиковыми расходами или нестабильной подачей из магистрали
Пример на базе двух насосов Helix V 1017
Насос Wilo Helix V 1017 представляет собой вертикальную многоступенчатую центробежную установку высокого давления с линейным (in-line) типом подключения. Оборудование предназначено для эксплуатации в системах водоснабжения и повышения давления, для перекачивания технологических жидкостей в промышленных процессах, а также для работы в замкнутых контурах охлаждения, установках пожаротушения и системах орошени
Расчетная рабочая точка — 27 м³/час 100 м
- Насос №1 и насос №2 работают одновременно на 50 Гц — 13,5 м³/час
- КПД = 57%
- Результат — каскадное = синхронное
Расчетная рабочая точка — 24 м³/час 100 м
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц: — 13,5 м³/час 100 м
- КПД = 57%
- Насос №2 на 44,8 Гц — 10,5 м³/час 100 м
- КПД = 64%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 59,9%
Синхронное на 47 Гц
- При 12 м³/час 100 м
- КПД = 61%
- Результат — 59,9% против 61,0%
Расчетная рабочая точка — 20 м³/час 100 м
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц: 13,5 м³/час 100 м
- КПД = 57%
- Насос №2 на 40 Гц: 6,5 м³/час 100 м
- КПД = 65%
- Средневзвешенный КПД из (1): 59,4%
Синхронное на 44 Гц
- При 10 м³/час 100 м
- КПД = 65,2%
- Результат — 59,4% против 65,2%
Расчетная рабочая точка — 15 м³/час 100 м
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц — 13,5 м³/час 100 м
- КПД = 57%
- Насос №2 на 35 Гц — 6,5 м³/час 100 м
- КПД = 37%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 53,3%
Синхронное на 41 Гц
- При 7,5 м³/час 100 м
- КПД = 66,5%
- Результат — 53,3% против 66,5%
Расчетная рабочая точка КПД = max — 11 м³/час 146 м
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц — 9,8 м³/час 146 м
- КПД = 66,6%
- Насос №2 на 45,3 Гц — 1,2 м³/час 146 м
- КПД = 21,8%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 54,4%
Синхронное на 46,6 Гц
- При 5,5 м³/час 146 м
- КПД = 58,6%
- Результат — 54,4% против 58,6%
Расчетная рабочая точка КПД выше max — 10 м³/час 159 м
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц — : 8 м³/час 159 м
- КПД = 64,9%
- Насос №2 на 47,5 Гц — 2 м³/час 159 м
- КПД = 31,5%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 53,5%
Синхронное на 48,3 Гц
- При 5 м³/час 159 м
- КПД = 55,2%
- Результат — 53,5% против 55,2%
Расчетная рабочая точка — 29 м³/час 100 м
Каскадное
- Насос №1 и №2 на 50 Гц — 13,5 м³/час 100 м
- КПД = 57,2%
- Насос №3 на 38 Гц — 2 м³/час 100 м
- КПД = 37,2%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 55,2%
Синхронное на 43,8 Гц
- При 9,7 м³/час 100 м
- КПД = 65,4%
- Результат — 55,2% против 66,5%
Расчетная рабочая точка при КПД = max — 20,8 м³/час 146 м
Каскадное
- Насос №1 и №2 на 50 Гц — 9,8 м³/час 146 м
- КПД = 66,6%
- Насос №3 на 45,3 Гц — 1,2 м³/час 146 м
- КПД = 21,8%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 59,6%
Синхронное на 47,5 Гц
- При 6,9 м³/час 146 м
- КПД = 63,3%
- Результат — 59,6% против 63,3%
Расчетная рабочая точка при КПД выше max — 18,8 м³/час 159 м
Каскадное
- Насос №1 и №2 на 50 Гц — 8 м³/час 159 м
- КПД = 64,9%
- Насос №3 на 47,5 Гц — 2 м³/час 159 м
- КПД = 31,6%
- Средневзвешенный КПД из (1) — 58,1%
Синхронное на 47,4 Гц
- При 6 м³/час 159 м
- КПД = 59,6%
- Результат — 58,1% против 59,6%
Эффективность синхронного регулирования по отношению к каскадному в зависимости от расположения рабочей точки
Сравнивая синхронное и каскадное регулирование в насосных установках, видно, что энергоэффективность насосов напрямую зависит от положения рабочей точки. При синхронной схеме все насосы работают с одинаковой частотой, ближе к своей оптимальной зоне, что обеспечивает повышенный КПД насосной станции в широком диапазоне нагрузок
В каскадном режиме насосы подключаются поочередно, и часть из них может работать вне оптимальной зоны, что снижает общую энергетическую эффективность системы водоснабжения. Особенно это заметно при малых расходах и переменных нагрузках
С увеличением напора и числа задействованных агрегатов преимущество синхронного регулирования снижается, но в диапазоне частых изменений нагрузки оно остается более выгодным решением с точки зрения экономии электроэнергии и ресурса оборудования
- На всех режимах работы и при различных положениях рабочей точки синхронное регулирование обеспечивает более высокий КПД параллельно работающих насосов по сравнению с каскадным
- Максимальное преимущество в энергоэффективности при синхронном регулировании достигает 12–15%, особенно в условиях работы вблизи оптимальной точки производительности
- С увеличением заданного напора разница в КПД снижается — преимущество синхронного режима сокращается до 1,5–2%
- При увеличении числа одновременно включённых насосов эффективность синхронного регулирования также снижается, и разница с каскадным управлением может составлять всего около 1%
Энергопотребление — поддержание давления
Эффективное управление давлением — это не только комфорт и стабильность, но и реальная экономия на эксплуатационных расходах, особенно в многозонных системах и объектах с круглосуточной нагрузкой
Расчетная РТ 30 м³/час 105 м
Двухнасосная УПД на Helix V 2208-1
Каскадное
- Насос №1 на 50 Гц — 24 м³/час 105 м
- P1 = 10,4 kW
- Насос №2 на 43,4 Гц — 6 м³/час 105 м
- P1 = 3,8 kW
- Суммарное потребление — P1o = 10,4+3,8 = 14,2 kW
Синхронное на 47,4 Гц
- Оба насоса на 45,5 Гц, 15 м³/час 105 м
- P1 = 6,6 kW. P1o = 2*6,6 = 13,2 kW
- Результат — 13,2 kW против 14,2 kW
Реализация метода синхронного регулирования в УПД Wilo
Реализация синхронного способа регулирования насосов возможна с помощью управляющих модулей Wilo-AMP. Эти приборы обеспечивают гибкую настройку режимов работы насосного оборудования и подходят как для новых систем, так и для модернизации существующих
Шкаф управления Wilo-AMP применяются в насосных системах для:
- Циркуляции теплоносителя
- Повышения давления в водоснабжении
График реализация метода
Шкаф управления WILO-AMP
По умолчанию используется каскадный режим регулирования, при котором насосы включаются последовательно по мере роста нагрузки. Однако при необходимости возможно включение синхронного режима (опция), при котором все насосы работают одновременно с согласованной частотой, что особенно эффективно при переменных нагрузках и высоких требованиях к энергоэффективности.
Благодаря шкафам управления Wilo-AMP становится доступным интеллектуальное управление насосами, позволяющее сократить энергопотребление, продлить срок службы оборудования и повысить стабильность давления в системе.
Вывод
Синхронное регулирование позволяет всем насосам работать с одинаковой частотой, повышая энергоэффективность системы и снижая износ оборудования. В сравнении с каскадным режимом, оно обеспечивает экономию электроэнергии до 15% при переменных нагрузках. С применением современных контроллеров такое управление становится доступным, точным и выгодным