Оптимизация насосного оборудования и его применения путем комплексного системного анализа
Ф. ШЕФФЕР – фирма KSB SE&KGaA, Германия, г. Франкенталь
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 [1] 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)
Режим работы влияет не только на потери энергии, но и на надежность насоса. Исследования фирмы DuPont [2] 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
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;
ηH – КПД насоса;
ηП – 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.
Рис. 3. Принципиальная схема анализа затрат
Анализ работы системы производится путем сбора данных о поломках насосов, количестве и качестве восстановительных, аварийных ремонтов, энергетических затратах, о расходах на профилактические ремонты, анализ неисправностей и проведение энергетического аудита (рис. 3).
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. 4а. Аппаратная часть комплекса SES
Рис. 4б. Размещение измерительных приборов системы «SES» на элементах питательного насоса
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.
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 Qопт = 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
В реальной эксплуатации из-за несоответствия характеристик насоса и системы охлаждения прокатного стана параметры насоса существенно отличаются от расчетных (рис. 5б). При частоте вращения n = 1450 об/мин, расход Qраб = 360 м/ч, КПД составляет 50%. Потребляемая мощность 65 кВт (рис. 6).
Рис. 5б. Характеристика работы насоса Eta-R 125-500 в составе прокатного стана
Рис. 6. 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
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.
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.
Рис. 8. Установка ступени без рабочегоколеса
Экономия электроэнергии вследствие увеличения КПД насоса при работе в сети блока составила более 25% (табл. 2).
Таблица 2.
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.
Провести предварительный аудит работы насосов на месте эксплуатации можно самостоятельно с помощью первого в мире бесплатного мобильного приложения KSB Sonolyzer®. Для такого анализа не требуется никаких дополнительных приборов. Мобильное приложение KSB Sonolyzer® вычислит потребляемую мощность и фактическую производительность насоса, на основании которых определит профиль нагрузки (частичная или полная) и рабочую точку.
Все результаты анализа отображаются на экране мобильного телефона или планшета. Полученные с помощью приложения KSB Sonolyzer® результаты можно рассматривать как данные предварительного аудита для дальнейшего принятия решения о необходимости проведения подробного аппаратного анализа системы с помощью комплекса SES и ее дальнейшей оптимизации в рамках концепции энергоэффективности FluidFuture®.
