НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА РУДНИКАХ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье произведен анализ выбора и способов управления насосного оборудования эксплуатируемых на рудниках подземного выщелачивания. Рассмотрена решение задачи энергосбережения зависящих от способов управления величинами, образующие выходные мощности рабочей машины, т.к. этот способ существенно влияет на величину потерь энергии. Приведены три способа регулирования насосного агрегата: принудительное изменение сопротивления магистрали, по которой передаётся транспортируемое текучее, изменение характеристик рабочей машины и регулирование угловой скорости электропривода, а также графики регулирования насосов дросселированием при постоянной частоте вращения и регулирования насоса изменением частоты вращения. Целью исследования является разработка эффективных методов энергосбережения при эксплуатации насосных агрегатов на основе методов регулирования и оптимизации управления ими.

ABSTRACT

This article analyses the choice and control methods of pumping equipment operated at in-situ leaching mines. The solution of the problem of energy saving depending on the methods of controlling the values forming the output power of the working machine is considered, since this method significantly affects the value of energy losses. Three ways of regulation of the pump unit are given: forced change of resistance of the main line through which the transported fluid is transferred, change of characteristics of the working machine and regulation of angular speed of the electric drive, and also schedules of regulation of pumps by throttling at constant speed and regulation of the pump by change of speed. The aim of the research is to develop effective methods of energy saving in the operation of pumping units on the basis of regulation and optimisation methods of its control.

Ключевые слова: энергосбережение, насос, управление, дросселлирование, регулирование, электропривод.

Keywords: energy saving, pump, control, throttling, regulation, electric drive.

Введение

Одним из наиболее эффективных способов повышения производительности и экономии электроэнергии в насосных агрегатах, работающих с переменной нагрузкой, является применение частотно-регулируемого привода (ЧРП). Приведенный анализ результатов применения ЧРП показал, что в одних случаях его установка приводит к ощутимой экономии энергии, в других случаях она незначительна, в-третьих, установка привода не обеспечивает ее экономии. Изучение методов и форм применения частотно-регулируемого привода показало, что на практике чаще всего используются технически наиболее простые и экономически наименее эффективные способы управления насосными агрегатами, такие как стабилизация давления на выходе насоса. Степень использования потенциала энергосбережения в этом случае составляет не более 16-26%, что приводит к тому, что большая часть потенциала, даже после установки частотно-регулируемого привода, остается неиспользованной. Одной из основных причин сложившейся ситуации является недостаточная изученность влияния ЧРП на работу технологических систем подземного выщелачивания.

Проблема внедрения современных энергосберегающих технологий, основанных на использовании частотно-регулируемого привода в системах ПВ, может быть решена путем создания математической модели виртуального насоса и математического моделирования гидродинамических систем "приемная скважина - насосная установка - трубопроводная система". Для минимизации энергопотребления при работе насосных агрегатов решен ряд оптимизационных задач с разработкой принципиально новых методов определения оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления ими [1, 4, 5, 6].

Основной целью моделирования является исследование энергоэффективности различных методов подбора насосного оборудования и способов управления им. В связи с этим представляет интерес сравнение параметров реальных и виртуальных насосов, в том числе их энергопотребления, поэтому математическая модель может служить надежным инструментом исследования [ 2, 3, 12].

Материалы и методы

Одно из основных направлений в области энергосбережения связано с развитием и совершенствованием электропривода (ЭП), который является основным потребителем электроэнергии в промышленности. В настоящее время электроцентробежный насос (ЭЦН) потребляет около 65% всей вырабатываемой электроэнергии. На долю ЭЦН приходится также большая часть общих потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленных предприятий (ПП). Для современных крупных ПП потери электроэнергии в ЭЦН могут достигать 75% от общих потерь в их системе электроснабжения. Отсюда следует, что основной эффект энергосбережения может быть получен в области рационального использования ЭЦН [7, 8, 9].

Решение проблемы энергосбережения зависит от способа управления величинами, формирующими выходную мощность рабочей машины, поскольку этот способ существенно влияет на величину потерь энергии. На практике возможны три способа регулирования: принудительное изменение сопротивления магистрали, по которой передается транспортируемая жидкость, изменение характеристик рабочей машины и регулирование угловой скорости электропривода.

Дроссельное управление при n=const. Устойчивая работа насоса возможна только в том случае, если энергия, передаваемая насосом потоку жидкости, равна энергии, потребляемой в системе. Поскольку первая из них выражается ординатами характеристики центробежного насоса [H = f(Q)], а вторая - ординатами характеристики трубопровода, то очевидно, что указанное равенство энергий соблюдается только в точке "а" пересечения характеристик (рис. 1), которая определяет режим работы системы, т.е. подачу Q, напор H, мощность на валу N_B и КПД насоса η, при полностью открытом дросселе.

При закрытии дросселя на нагнетательном трубопроводе точка "а" на характеристике насоса сдвинется вверх влево и займет положение "а'", опережая новые значения параметров Q'_рег, H'_рег, N'_рег и η'_рег. При дальнейшем закрытии дросселя характеристика трубопроводной системы еще больше сместится вверх, и точка "a" переместится в точку, a' и т.д. (рис. 1).

Рисунок 1. График управления дроссельным насосом
при постоянной частоте вращения

Дроссельное регулирование при n=const достигается за счет введения дополнительного гидравлического сопротивления в трубопроводную сеть насоса. Наибольшая подача насоса достигается при полностью открытой дроссельной заслонке, дроссельное регулирование используется только для снижения подачи насоса. Дросселирование снижает мощность на валу насоса и увеличивает долю энергии, затрачиваемой на управление.

Удельная энергия, непроизводительно расходуемая в дросселе, определяется отрезком Q'_peг и ординатой Q, а потерянная мощность - выражением:

                                                    кВт,                                          (1)

где  Q_p и ηp - соответственно подача КПД насоса после регулирования.

Чем глубже процесс регулирования, тем больше непроизводительная потребляемая мощность. Энергоэффективность такого управления насосом невысока.

Наиболее экономичным способом является регулирование угловой скорости привода. За счет снижения скорости вращения привода уменьшается напор, создаваемый турбомашиной. Потребляемая мощность в этом случае может быть снижена в несколько раз по сравнению с дроссельным регулированием. В электрических цепях это соответствует уменьшению тока за счет снижения напряжения питания, что более экономично, чем изменение сопротивления. Таким образом, применение регулируемого электропривода можно рассматривать как основной способ энергосбережения, поскольку он позволяет существенно снизить потери энергии при достижении требуемого технологического показателя. Однако в этом случае необходимо решить проблему выбора типа регулируемого электропривода, так как выбранный тип определяет величину потерь в электродвигателе ∆Pd.

Учитывая практическую важность выбора способа регулирования скорости, ниже рассмотрим этот вопрос более подробно на примере асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДР), который используется в электроприводе погружных насосных агрегатов. Регулирование его частоты вращения может осуществляться как изменением частоты питающего напряжения (частотное регулирование), так и его величины (параметрическое регулирование).

При регулировании скорости изменением величины напряжения питания в качестве преобразователя электроэнергии используется тиристорный регулятор напряжения ТРН. Регулирование напряжения статора U_1рег не приводит к изменению частоты вращения холостого хода ω_o и не влияет на величину критического скольжения S_k, но изменяет критический момент M_k пропорционально квадрату напряжения. Это приводит к значительному снижению М_к, а значит, и перегрузочной способности двигателя АДР при снижении напряжения. По этой причине данный метод малопригоден для целей регулирования скорости. Однако если критическое скольжение велико, т.е. сопротивление ротора АДР относительно велика, то изменение напряжения статора может быть использовано для регулирования скорости в небольших пределах. В то же время при регулировании скорости изменением величины напряжения питания скольжение s с уменьшением скорости возрастает, и пропорционально ему увеличиваются потери на скольжение.

                                                           ∆P₂=Mω_oS,                                                   (2)

где  М - момент электродвигателя.

В случае двигателя с короткозамкнутым ротором потери на проскальзывание выделяются внутри машины в "беличьей клетке". Как следствие, двигатель перегревается, что может привести к аварийной ситуации и преждевременному выходу двигателя из строя. По этой причине стандартный электродвигатель переменного тока не может длительное время работать на пониженных скоростях. Для параметрического электропривода необходимо использовать АДР специальной конструкции - с повышенным сопротивлением ротора, как правило, с системой принудительной вентиляции, более высоким классом изоляции обмотки статора. Поэтому данный способ регулирования скорости находит весьма ограниченное применение на практике.

Регулирование изменением частоты вращения вала насоса. В тех случаях, когда есть возможность изменять частоту вращения вала двигателя, целесообразно регулировать подачу насоса изменением частоты вращения вала насоса (рис. 2).

Насос работает при частоте вращения n₁, n₂, и n₃, ... , причем n₁< n₂ < n₃. Точки пересечения характеристик Н=f(Q) насоса с характеристикой трубопровода обозначены на графике

Q'_peг Q''_peг, Q'''_peг, - , они определяют режимы работы установки при различных частотах вращения. С увеличением частоты вращения, подача и напор увеличиваются, а с уменьшением - убывают.

Мощность и КПД определяются по графикам на заданной скорости.

В отличие от метода регулирования дросселированием при n= const, данный метод регулирования позволяет изменять расход в любом направлении.

При этом отсутствуют потери энергии из-за гидравлического сопротивления дросселя, поэтому данный способ регулирования более экономичен, чем первый в эксплуатации [10, 11, 12]. Широкое применение этот способ регулирования получил в связи с внедрением в производство тиристорного привода.

Рисунок 2. График регулирования частоты вращения насоса

Внедрению любой системы регулируемого ЭЦН должны предшествовать расчеты, показывающие технические результаты и величину экономии электроэнергии при плавном регулировании скорости [4. 13, 14].

Наиболее перспективным и широко применяемым в настоящее время является регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения частоты напряжения статора. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f₁ напряжения, питающего двигатель АДР, можно изменять скорость идеального холостого хода ω₀ в соответствии с выражением:

                                                           ω₀=2πꞏf₁/P,                                                   (3)

где: Р - число пар полюсов АД.

Частотный метод обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, высокую жесткость получаемых механических характеристик. Регулирование двигателя АДР не сопровождается увеличением его скольжения.

Поэтому потери мощности при регулировании скорости невелики.

Результаты исследований

Для проверки достоверности исследований были проведены расчеты и построены относительные рабочие характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представленного в каталоге продукции NOVOMET в виде электродвигателя с номинальным размером 103, работающего на частоте питающей сети 50 Гц. На рис. 3, а приведены расчетные рабочие характеристики электродвигателя, а на рис. 3, б - паспортные рабочие характеристики электродвигателя, взятые из каталога.

Рисунок 3. Относительные расчетные и паспортные рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Сравнение расчетных и паспортных характеристик по току, КПД и коэффициенту мощности показывает достаточно хорошее качественное и количественное совпадение.

Рисунок 4. Расчетные, механические и электромеханические характеристики асинхронного электродвигателя

На рис. 4 показаны расчетные характеристики момента на валу электродвигателя М (механическая характеристика электродвигателя), полезной мощности N_АД и тока на обмотке статора I (электромеханическая характеристика электродвигателя) от угловой скорости вращения вала. Данные характеристики позволяют согласовать механические свойства асинхронного электродвигателя и насоса.

Выводы

Проблема внедрения современных энергосберегающих технологий, основанных на использовании управляемого привода в системах технологии ПВ, может быть решена путем математического моделирования гидродинамических систем "приемная скважина - насосная установка - трубопроводная система", а также с разработкой принципиально новых методов определения оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им.

Современные задачи по анализу эффективности подбора насосного оборудования и способов управления им решаются с использованием современных информационных технологий и специальных компьютерных программ.

При применении регулирования частоты вращения изменяются подача, напор и производительность насоса, а пересчет его характеристик на другую частоту вращения, согласно классической теории подобия гидравлических машин, может осуществляться по соотношению мощностей, частот и напоров.

Решение проблемы энергосбережения зависит от способа регулирования величин, формирующих выходную мощность рабочей машины, поскольку этот способ существенно влияет на величину потерь энергии. На практике возможны три способа регулирования: принудительное изменение сопротивления магистрали, по которой передается транспортируемая жидкость, изменение характеристик рабочей машины и регулирование угловой скорости электропривода.

Список литературы:

1. Бочарников В.Ф. Погружные скважинные центробежные насосы с электроприводом: Учебно-методическое пособие / В.Ф. Бочарников. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2003. – 336 с.
2. Дроздов А.Н. Влияние числа диспергирующих ступеней на характеристику погружного центробежного насоса // Электронный научный журнал «Нефтепромысловое дело», 1982. - №5. - С. 19-21.
3. Дроздов А.Н. Характеристики погружных центробежных, винтовых и струйных насосов при откачке газожидкостных смесей из скважин // Материалы XI Всероссийской технической конференции 23-26 июня 2002г. - Москва, 2002. - С. 118.
4. Кожевников Н. Н. Экономика в энергетике: учебное пособие / под редакцией Н. Н. Кожевникова. - М. : Издательский центр «Академия», 2003. - 384 с.
5. Костенюк, С.А. Технология эксплуатации скважин электроцентробежными насосами при повышенном газосодержании / С.А. Костенюк, А. И. Подъяпольский // Научно-технический и производственный журнал «Нефтяное хозяйство». - 2010. - №1. - С. 98-99.
6. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках.- М.:Энергоатомиздат, 2006 г.- 360 с.
7. Махмудов А.М., Худайбердиев Ш.М. Определение основных параметров энергоэффективности работы насосных установок в технологии подземного выщелачивания Науч. – техн.и произв.журнал «Горный вестник Узбекистана»     - Навоий, 2012. -(3) №50. -С. 73÷75
8. Махмудов А.М., Курбонов О.М., Сафарова М.Д. Оценка целесообразности применения частотно-регулируемого электропривода в погружных насосах // Материалы международной научно-технической конференции посвящённая 60-летию НГМК «Перспективы инновационного развития горно-металлургического комплекса». – Навоий, 22-23 ноября 2018 г. – С. 298-299.
9. Махмудов А.М., Курбонов О.М., Сафарова М.Д. Технические решения по повышению работоспособности и коэффициента использования насосного оборудования // Материалы международной научно-технической конференции посвящённая 60-летию НГМК «Перспективы инновационного развития горно-металлургического комплекса». – Навоий, 22-23 ноября 2018 г. – С. 251-252.
10. Махмудов А.М., Қурбонов О.М. The method and arrangement to increase the efficiency and utilization of submersible pumping equipment // Горный вестник Узбекистана. - Навоий, 2021. - №1 (84). – С. 4-7.
11. Махмудов А.М., Қурбонов О.М., Сафарова М.Д. Технические решения по совершенствованию монтажно- демонтажных работ погружных насосных агрегатов в условиях рудников ПВ // Горный вестник Узбекистана. - Навоий, 2020. - №3 (82). – С. 9-12.
12. Махмудов А.М., Махмудов Ш.А., Қурбонов О.М. Повышение энергетических характеристик низкооборотных приводов погружных насосов на рудниках подземного выщелачивания // Горный вестник Узбекистана. - Навоий, 2015. - №3 (62). – С. 49-53.
13. Николаев В.Г. Выбор оптимальных параметров насосного оборудования и способов управления им. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 1, 2008, с. 43-46.
14. Халиков У.Р., Қурбонов О.М. Основные параметры применения регулируемого электропривода в насосных установках на участках ПВ // Вестник науки и творчества. - Казань, 2016. - №4 (4). – С. 230-235.