Вопросы эффективности насосных систем для сточных вод

Качественные двигатели могут обеспечить высокую полную эффективность насоса и двигателя и способствовать экономии энергии.

Механическая эффективность остается на повестке дня с тех пор, как энергосбережение стало приоритетной задачей. Это началось в 1970-е и 80-е годы, когда было основано Министерство энергетики в ответ на нефтяной кризис 1973 года, из-за которого цены на энергию взлетели до небес. Энергосбережение не только способствует экономии средств на энергию, но также благоприятно сказывается на окружающей среде и изменении климата, поскольку выбросы сокращаются.

 

Насосы, двигатели и соответствующие системы не исключение в общей тенденции к энергосбережению. Исторически эффективность насосов обращала на себя особое внимание только на рынке чистой воды, но она становится все важнее в сфере обработки сточных вод, и это касается не только насосов. Насосы и двигатели не работают сами по себе, в них используются приводы, клапаны, средства управления и другие компоненты вспомогательного оборудования. Эти компоненты также обладают своей эффективностью, которую необходимо учитывать.

 

Эффективность при работе с чистой водой

 

Эффективность насосов для откачки очищенной воды давно вызывает вопросы, и недавно Министерство энергетики США опубликовало новые требования. Разработка этих требований началась в 2011 году, а публикация пришлась на 2016 год в виде поправки к Закону об энергетической политике и энергосбережении 1975 года. Эта поправка под названием "Программа по энергосбережению для определенного промышленного оборудования" стала первым стандартом по насосам для откачки очищенной воды, включая модели с односторонним всасыванием, погружные и линейные насосы; в ней были установлены требования к минимальной эффективности. Минимальная эффективность определяется по показателю энергоэффективности насоса, который основан на различных характеристиках насоса, используемых для сравнения насосов от различных производителей. Требования к насосам для откачки очищенной воды вступили в силу в январе 2020 года.

 

Смещение общественного интереса на эффективность в области обработки сточных вод

 

Хотя Министерство энергетики в первую очередь занималось регулированием эффективности при работе с чистой водой, системы обработки сточных вод зачастую включают больше процессов и оборудования, что открывает еще большие возможности для снижения затрат на энергию. На процессы водоочистных станций затрачивается большое количество энергии. По данным Агентства по охране окружающей среды США на водоочистные станции приходится до трети всех городских затрат на энергию. Чтобы повысить энергоэффективность, рекомендуется избрать системный подход.

 

3 типа эффективности насосов для сточных вод

 

Стандартный погружной насос для перекачивания сточных вод обладает тремя типами эффективности, которые необходимо учитывать: эффективность насоса, эффективность двигателя и полная эффективность насоса и двигателя. Полная эффективность насоса и двигателя - это эффективность всей системы насоса и двигателя. Здесь также учитываются потери, связанные с подшипниками, торцевым уплотнением и силовыми кабелями. Полная эффективность насоса и двигателя также может охватывать средства управления и частотно-регулируемые приводы, что подчеркивает важность эффективности всей системы. Обратите внимание, что, поскольку и у насоса, и у двигателя есть свои кривые эффективности, полная эффективность насоса и двигателя - это кривая, построенная в зависимости от определенного расхода.

 

Поскольку большинство производителей насосов указывают только эффективность насоса на своих кривых, наилучший способ выяснить полную эффективность насоса и двигателя - провести эксплуатационные испытания насоса. Однако если требуется только приблизительная оценка, можно выполнить быстрые расчеты, чтобы получить примерную полную эффективность насоса и двигателя при определенном расходе. Просто сложите значения эффективности насоса и двигателя и вычтите несколько баллов за механические потери.

 

Efficiency vs. clog resistance trade-off - Эффективность и защита от засорения

Clog Resistance - Защита от засорения

Efficiency - Эффективность

Vortex - Вихревой насос

Monovane - Одношиберный насос

Dual vane - Двухшиберный насос

High efficiency - Высокоэффективный насос

 

Рисунок 1. Обратная зависимость между обработкой твердых частиц и эффективностью (изображение предоставлено компанией Crane Pumps & Systems)

 

Типы рабочих колес, работа с твердыми частицами и эффективность насоса

 

Эффективность насоса складывается из множества факторов, в том числе качества литья и механической обработки, зазоров между отводами и рабочим колесом и механических потерь. Одним из особо важных факторов, на которые необходимо обратить внимание, является тип рабочего колеса.

 

Существует много разных конструкций рабочего колеса: закрытое, полуоткрытое, открытое, вихревое, винтового типа, со смешанным потоком и т.д. Каждая из этих конструкций имеет свое назначение. Иногда это назначение влияет на эффективность. Примером может служить обратная зависимости между обработкой твердых частиц и эффективностью при перекачивании сточных вод.

 

 

Рисунок 2. Вихревое рабочее колесо

 

Как правило, рабочие колеса, которые лучше всего справляются с твердыми частицами, наименее эффективны. Вихревые рабочие колеса хорошо работают с твердыми частицами, однако их максимальная эффективность достигает лишь 40-50%. С другой стороны, закрытые рабочие колеса обладают эффективностью до 80%, но практически не способны справиться с твердыми частицами. Насосы-дробилки, например, как правило, имеют максимальную эффективность около 20%-30%.

 

Исключением из этого правила являются насосы с измельчителем. В зависимости от конструкции механизма измельчителя в этих насосах могут использоваться закрытые или полуоткрытые рабочие колеса, что обеспечивает повышенную эффективность при сохранении защиты от засорения. В таких насосах рабочие колеса также отличаются заостренными входными кромками, что означает, что у рабочих колес меньше лопаток, а их эффективность выше, чем у стандартных рабочих колес вихревого типа.

 

В связи с распространением вычислительной гидродинамики при проектировании рабочих колес наметилось повышение эффективности всех типов рабочих колес, включая те, которые работают с твердыми частицами, таким образом, зависимость эффективности от защиты от засорения может измениться по мере развития технологий.

 

Эффективность двигателя насоса: стандарты NEMA и IE

 

Вторая составляющая полной эффективности насоса и двигателя - это эффективность двигателя. В погружных насосах эффективность двигателя зависит от его мощности, соответствующей Международным классам энергоэффективности (IE), разработанным Международной электротехнической комиссии (IEC). В непогружных насосах эффективность двигателя указывается согласно стандартам Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA). Национальная ассоциация производителей электрооборудования устанавливает стандарты для двигателей в Северной Америке, а Международная электротехническая комиссия - для всего остального мира (рисунок 3).

 

Классы эффективности IEC представлены в виде кривых, изображающих эффективность в зависимости от мощности в л.с. Рыночный стандарт для двигателей погружных насосов - IE3, предполагающий, что эффективность варьируется от 60% при низкой мощности до 96% при максимальной мощности.  Сочетание двигателя с классом эффективности IEC и высокоэффективного насоса создает высокую полную эффективность насоса и двигателя и со временем может способствовать существенной экономии энергии. Аналогичное обозначение NEMA (эффективность класса премиум) - это рыночный стандарт для непогружных насосов, предполагающий, что полная эффективность насоса и двигателя высокая практически во всех операциях в системах обработки сточных вод.

 

Рисунок 3. Сравнение стандартов NEMA и IEC

 

Изменение эффективности системы

 

Как уже говорилось ранее, насосы и двигатели не работают сами по себе. Хотя каждое устройство в системе обработки сточных вод обладает собственной эффективностью, постоянно развивающиеся технологии и возможность работы без отходов привносят свои преимущества. Автоматизированные системы управления технологическими процессами собирают данные о циклах и расходе насосов, позволяя операторам правильно подбирать размер насосов для конкретных применений. Частотно-регулируемые приводы управляют частой вращения насосов, чтобы он работал только когда это необходимо, что минимизирует потребление энергии. Частотно-регулируемые приводы также меняют характеристики насоса при работе с пиковыми и внепиковыми нагрузками, тем самым еще больше снижая потребность в энергии.

 

Также важны нововведения в самих насосах; замена устаревших технологий новыми, более эффективными, реализуется путем модернизации оборудования. На водоочистных станциях обновляют двигатели, смесители, аэраторы и даже системы освещения и окна, чтобы экономить энергию.

 

Из-за особого внимания к эффективности систем отрасль обработки сточных вод хорошо подготовлена к тому, чтобы справляться с постоянными колебаниями в ценах на энергию. В ближайшее время эта тенденция никуда не денется. Эффективность насосов, двигателей, приводов и компонентов вспомогательного оборудования продолжит повышаться, тем самым повышая ценность этих устройств до максимально возможного уровня.

 

Лайла Вилхельм - менеджер по продукции в компании Crane Pumps & Systems. Получила степень бакалавра по специальности инженер-химик в Рочестерском технологическом институте и пять лет назад начала работать в компании Crane Pumps & Systems.

 

С Лайлой Вилхельм можно связаться по эл. почте lwilhelm@cranepumps.com.

 

Дополнительная информация представлена на сайте www.cranepumps.com