Насосное оборудование

Энергетическое обследование насосного оборудования позволяет определить, какая часть потребляемой электроэнергии используется для передачи жидкости необходимой гидравлической мощности, как фактическая рабочая точка влияет на эффективность насоса и какие дополнительные энергетические затраты возникают при дросселировании потока. Основная задача — связать расход жидкости, создаваемый напор и активную электрическую мощность с режимом технологической системы.

Насосное оборудование может применяться для перекачивания воды, технологических растворов, теплоносителей и других жидкостей. В зависимости от назначения системы требуемый напор определяется перепадом высот, давлением на границах подключения, сопротивлением трубопроводов и условиями работы конечных потребителей.

Повышенное электропотребление насоса не обязательно означает неисправность. Оно может быть связано с увеличением расхода, изменением напора, положением регулирующей арматуры, работой параллельных агрегатов либо изменением режима смежной технологической установки.

Например, насос может создавать значительный напор, часть которого затем теряется при прохождении воды через частично закрытый регулирующий клапан. В такой ситуации необходимо определить, какое давление действительно требуется потребителю, какая часть напора создаётся для преодоления сопротивления сети и насколько дросселирование влияет на электрическое потребление.

При энергетическом обследовании насосного оборудования в Тамбове и Тамбовской области программа измерений формируется по фактической гидравлической схеме, характеристикам насосов, условиям эксплуатации и доступности приборного учёта. Вывод о неэффективной рабочей точке, избыточном дросселировании или потенциальной экономии электроэнергии делается только после количественной проверки.

Что является полезной гидравлической работой насоса

Основная функция насоса — передать жидкости механическую энергию для её перемещения и обеспечения необходимых гидравлических параметров.

Полезная гидравлическая мощность насоса характеризует скорость передачи механической энергии перекачиваемой жидкости.

Для практически несжимаемой жидкости в соответствующей расчётной модели она определяется по зависимости:

P_гидр = ρ × g × Q × H,

где:

ρ — плотность перекачиваемой жидкости;
g — ускорение свободного падения;
Q — объёмный расход жидкости;
H — напор, создаваемый насосом.

Если плотность выражена в кг/м³, расход — в м³/с, напор — в метрах, результат получается в ваттах.

Эта величина не равна автоматически электрической мощности насоса. Между электрическим вводом и жидкостью происходят преобразования энергии с соответствующими потерями.

Например, если два агрегата передают жидкости одинаковую гидравлическую мощность, но потребляют разную электрическую мощность, их энергетические показатели различаются. Однако для корректного сравнения необходимо дополнительно проверить состав измерительной границы и фактические условия работы.

Как построить энергетический баланс насосного агрегата

Энергетический баланс — количественное сопоставление энергии, поступающей в установленную границу, с полезной энергией, передаваемой рабочей среде, и другими энергетическими потоками внутри этой границы.

Для насосного оборудования необходимо различать несколько уровней преобразования энергии:

Электрический ввод. Энергия, поступающая к приводу насосного агрегата.
Электропривод. Преобразование электрической энергии в механическую.
Передача механической энергии. При наличии соответствующих элементов учитывается их влияние на общий энергетический результат.
Насосная часть. Передача механической энергии перекачиваемой жидкости.
Гидравлический поток. Жидкость выходит из насоса с изменёнными энергетическими параметрами.
Трубопроводная сеть. Часть переданной энергии расходуется на преодоление сопротивления и обеспечение необходимых параметров у потребителей.

Если рассматривается только насосная часть, определяется одна эффективность. Если в границу включён электродвигатель и преобразователь частоты, показатель будет относиться к более широкому комплексу.

Например, отношение гидравлической мощности к активной электрической мощности на вводе привода характеризует совокупный энергетический результат соответствующей системы преобразования. Его нельзя без уточнения называть исключительно гидравлическим КПД насоса.

Почему граница измерений определяет достоверность расчёта

На объекте один электрический счётчик может учитывать несколько насосов и вспомогательных устройств, а расходомер — весь общий поток.

В такой ситуации можно анализировать насосную станцию в целом, но нельзя непосредственно вычислять индивидуальный КПД каждого насоса.

Для обследования устанавливают:

какое оборудование входит в электрическую границу;
где измеряется активная мощность;
какому насосу или группе агрегатов соответствует расходомер;
где расположены точки измерения давления;
есть ли ответвления между контрольными сечениями;
используются ли общие вспомогательные системы;
какие агрегаты работают одновременно;
совпадают ли временные интервалы измерений.

Если измеряется суммарная мощность станции, а расчётная гидравлическая мощность относится только к одному насосу, полученное отношение не характеризует эффективность ни агрегата, ни всей станции.

Поэтому энергетический баланс необходимо начинать с восстановления фактической измерительной схемы.

Рабочая точка насоса: почему она определяет энергопотребление

Рабочая точка насоса — фактическое сочетание расхода жидкости и создаваемого напора при работе оборудования в конкретной гидравлической системе.

Она определяется взаимодействием характеристики насоса и характеристики обслуживаемой сети.

Если сопротивление сети изменяется, рабочая точка может смещаться даже при неизменной частоте вращения насоса.

При обследовании определяют:

фактический расход жидкости;
давление на входе;
давление на выходе;
геометрические условия расположения контрольных точек;
скорость или частоту вращения;
активную электрическую мощность;
положение регулирующей арматуры;
характеристики рабочей жидкости;
режим смежного технологического оборудования.

После определения рабочей точки её сопоставляют с характеристиками конкретного агрегата.

Например, снижение расхода при прикрытии клапана может изменить напор и электрическую мощность насоса. Но характер изменения мощности зависит от типа и характеристики агрегата.

Следовательно, нельзя автоматически заключить, что дросселирование всегда вызывает рост измеренной мощности. Необходимо оценивать фактическую рабочую точку и энергетическую эффективность процесса.

Как определить полный напор насоса

Напор нельзя достоверно определить только по показанию одного манометра на выходе.

Для корректной оценки необходимо учитывать механическую энергию жидкости в контрольных сечениях до и после агрегата.

В соответствующей гидравлической модели учитывают:

давление на всасывающей стороне;
давление на напорной стороне;
геометрические отметки точек измерения;
скорости жидкости в контрольных сечениях, если их вклад существенен;
плотность рабочей среды;
фактический расход.

Например, два насоса могут создавать одинаковое давление на выходе, но получать жидкость при различных входных давлениях.

Их фактические напоры в этом случае способны отличаться.

Поэтому оценка гидравлической мощности только по выходному давлению может привести к неправильному энергетическому выводу.

Как характеристика сети влияет на рабочую точку

Характеристика гидравлической сети связывает необходимый напор с расходом жидкости.

В зависимости от схемы она включает:

статическую составляющую напора;
потери давления на трение в трубопроводах;
местные сопротивления поворотов и соединений;
сопротивление фильтров и технологических аппаратов;
сопротивление регулирующих клапанов;
параметры входной и выходной границы;
влияние параллельных ветвей и работающих агрегатов.

Например, при увеличении расхода гидравлические потери трубопроводов обычно возрастают. Но изменение необходимого напора будет зависеть от сочетания статических и переменных составляющих.

Если значительная часть напора связана с перепадом высот, уменьшение расхода не устраняет эту часть гидравлической задачи.

Если же основная нагрузка определяется сопротивлением сети, изменение расхода может существенно изменить необходимый напор.

Это различие особенно важно при оценке регулирования производительности.

Что такое дросселирование насосной сети

Дросселирование — изменение расхода жидкости путём увеличения гидравлического сопротивления определённого участка, обычно с помощью регулирующего клапана или другой предусмотренной арматуры.

При прикрытии клапана часть напора, создаваемого насосом, используется для преодоления дополнительного сопротивления.

Для диагностики необходимо определить:

фактический расход жидкости;
напор насоса;
перепад давления на регулирующем клапане;
давление, необходимое конечному потребителю;
характеристику трубопроводной сети;
активную электрическую мощность;
положение клапана;
режим работы насосного оборудования.

Например, если насос поддерживает значительный напор, а часть давления поглощается регулирующим клапаном, появляется основание проверить, является ли такой способ обеспечения расхода энергетически рациональным.

Однако сам факт наличия перепада давления на клапане не доказывает неэффективность. Арматура может выполнять необходимую функцию регулирования, распределения потоков или поддержания технологических условий.

Для вывода нужно определить назначение перепада давления и технически допустимую альтернативу.

Как количественно оценить энергию, связанную с дросселированием

При известном расходе жидкости и перепаде давления на регулирующем элементе можно оценить соответствующую гидравлическую мощность, связанную с прохождением потока через этот элемент.

Для практически несжимаемой жидкости в применимой модели:

P_др = Q × Δp,

где:

Q — объёмный расход через элемент;
Δp — перепад давления на нём.

Если расход выражен в м³/с, а перепад давления — в паскалях, результат получается в ваттах.

Но рассчитанная гидравлическая мощность дросселирования не равна автоматически экономии электроэнергии.

Например, после изменения способа регулирования насос перейдёт к другой рабочей точке. Одновременно могут измениться его КПД, потери электропривода и расход через сеть.

Поэтому для расчёта возможного снижения электрического потребления необходимо смоделировать или измерить новый режим всей насосной системы.

Почему большой перепад давления на клапане не равен гарантированной экономии

Перепад давления на регулирующей арматуре может быть обусловлен технологическим назначением устройства.

Например, клапан может использоваться для распределения расходов между несколькими параллельными потребителями.

Если уменьшить его сопротивление без проверки гидравлического распределения, режим других ветвей может измениться.

Поэтому необходимо последовательно установить:

Назначение клапана.
Расход через соответствующую ветвь.
Фактический перепад давления.
Требуемое давление конечного потребителя.
Характеристики других ветвей.
Рабочую точку насоса.
Способ существующего регулирования.
Технически допустимые альтернативные режимы.
Возможное изменение электрической мощности.

Если часть сопротивления действительно может быть устранена при сохранении необходимой функции системы, появляется основание для энергетического расчёта.

Но без подтверждения требуемых параметров остальных потребителей изменение арматуры нельзя считать обоснованным мероприятием.

Как отличить дросселирование от обычных потерь давления в трубопроводах

В трубопроводной системе потери давления возникают не только на регулирующей арматуре.

Они формируются трением в трубах, местными сопротивлениями, технологическими аппаратами и другими элементами.

Для поиска источника дополнительных затрат необходимо разделить общую гидравлическую характеристику на участки.

Проверяются:

перепад давления на регулирующем клапане;
сопротивление прямолинейных участков трубопровода;
сопротивление фильтров;
сопротивление теплообменников и других аппаратов;
параметры ответвлений;
расход через каждый исследуемый участок;
условия работы конечных потребителей.

Например, высокий напор насосной станции может быть связан одновременно с сопротивлением трубопроводов и частично закрытым клапаном.

Если измерен только общий напор насоса, невозможно определить долю каждого механизма.

Для локализации необходимы контрольные измерения давления и расхода на соответствующих участках.

Как дросселирование меняет рабочую точку центробежного насоса

В системе с центробежным насосом при практически постоянной частоте вращения изменение сопротивления сети обычно приводит к изменению рабочей точки вдоль характеристики агрегата.

При прикрытии регулирующего клапана расход может уменьшиться, а создаваемый насосом напор измениться.

При этом потребляемая электрическая мощность определяется характеристиками конкретного насоса.

Например, в одном режиме уменьшение расхода может сопровождаться снижением электрической мощности. Но такой результат не означает, что регулирование дросселированием энергетически оптимально.

Для оценки необходимо сравнить альтернативные технически допустимые способы обеспечения того же необходимого расхода и давления.

Поэтому принципиально различают:

изменение гидравлического сопротивления сети;
изменение рабочей точки насоса;
изменение электрической мощности;
изменение КПД агрегата;
изменение полезной технологической нагрузки.

Только совместный анализ этих величин позволяет определить реальный энергетический результат.

Почему тип насоса определяет метод проверки

Не всё насосное оборудование имеет одинаковую зависимость расхода от создаваемого напора.

Например, центробежные и объёмные насосы имеют различные характеристики и условия регулирования.

Для обследования необходимо определить:

тип насоса;
его паспортные характеристики;
предусмотренный диапазон производительности;
способ регулирования;
ограничения по минимальному и максимальному расходу;
условия работы на всасывании;
допустимые параметры давления;
режимы пуска и остановки.

Например, способы изменения расхода, допустимые для одной конструкции, нельзя автоматически переносить на другую.

Поэтому выбор мероприятия начинается не с универсального предложения заменить дросселирование частотным регулированием, а с проверки типа агрегата и допустимых способов управления.

Как оценить эффективность насоса и электропривода отдельно

Энергетическая эффективность насосного агрегата формируется несколькими преобразованиями энергии.

Для разграничения могут рассматриваться:

электрическая мощность, поступающая к электроприводу;
механическая мощность на валу;
гидравлическая мощность, передаваемая жидкости;
потери в электродвигателе;
потери преобразователя частоты при его наличии;
механические и гидравлические потери насосной части.

Например, если измерены гидравлическая мощность и активная электрическая мощность на вводе, можно определить общий энергетический результат насосного агрегата в соответствующей границе.

Но без дополнительных данных нельзя количественно распределить всю разность между электродвигателем и насосной частью.

Поэтому в заключении необходимо точно указывать, эффективность какого комплекса определена измерениями.

Как влияет частотное регулирование

При технической возможности изменение частоты вращения позволяет изменять характеристику насоса и, следовательно, его рабочую точку.

Для некоторых гидравлических систем это может создавать условия для уменьшения энергетических затрат по сравнению с регулированием преимущественно дросселированием.

Но фактический эффект зависит от:

характеристики насоса;
доли статического напора;
сопротивления трубопроводов;
необходимого диапазона расходов;
условий работы конечных потребителей;
эффективности электродвигателя;
потерь преобразователя частоты;
ограничений по скорости вращения;
продолжительности характерных режимов.

Например, в сети, где значительная часть напора связана с постоянным перепадом высот, изменение расхода может сопровождаться меньшим снижением необходимого напора, чем в системе с преобладающим гидравлическим сопротивлением.

Поэтому универсальное применение зависимостей мощности от частоты вращения без проверки характеристик сети может существенно исказить расчёт экономии.

Как сравнить дросселирование и регулирование скорости

Для корректного сравнения оба варианта должны обеспечивать эквивалентную технологическую задачу.

Например, требуется передать определённый расход жидкости потребителю с установленными параметрами давления.

В действующем режиме расход поддерживается регулирующим клапаном. Альтернативный вариант может предусматривать изменение скорости насоса при сохранении необходимых параметров.

Расчёт выполняют последовательно:

Определяют необходимый расход.
Устанавливают требуемое давление на границе потребителя.
Измеряют исходную рабочую точку насоса.
Определяют перепад давления на регулирующем клапане.
Измеряют исходную электрическую мощность.
Восстанавливают характеристику гидравлической сети.
Проверяют техническую применимость альтернативного способа регулирования.
Определяют расчётную новую рабочую точку.
Оценивают электрическую мощность с учётом привода.
Проверяют сохранение необходимых параметров всех потребителей.
Учитывают продолжительность соответствующего режима.
Определяют энергетический эффект и его неопределённость.

Если альтернативная рабочая точка не определена, нельзя достоверно оценить электрическую экономию только по величине исходного перепада давления на клапане.

Как проверить параллельную работу насосов

В технологической системе несколько насосов могут работать параллельно для обеспечения необходимого общего расхода.

При этом поток распределяется между агрегатами в зависимости от их характеристик и условий общей сети.

Для энергетического обследования определяют:

количество работающих насосов;
расход каждого агрегата при наличии соответствующих измерений;
общий расход станции;
создаваемый напор;
электрическую мощность агрегатов;
частоты вращения;
положение арматуры;
последовательность включения;
продолжительность режимов.

Например, одинаковый общий расход может обеспечиваться одним насосом или несколькими агрегатами.

Но энергетически предпочтительный вариант зависит от их индивидуальных рабочих точек, характеристик привода и гидравлической сети.

Поэтому нельзя заранее утверждать, что отключение одного насоса обязательно снизит удельное электропотребление.

Как дросселирование одной ветви влияет на остальные

В разветвлённой системе изменение сопротивления одной ветви может изменить распределение расходов и давление на других участках.

Например, если регулирующий клапан на одном потребителе прикрывается, рабочая точка общего насоса и гидравлические условия остальных ветвей способны измениться.

Для проверки необходимо учитывать:

общую схему сети;
расходы по основным ветвям;
перепады давления;
положение регулирующих клапанов;
требуемые параметры конечных потребителей;
характеристику насоса;
наличие других регулирующих устройств.

Если измеряется только один клапан, невозможно полностью определить влияние изменения его настройки на всю систему.

Поэтому оценка энергетического эффекта должна включать связанные гидравлические участки.

Как технологический цикл влияет на насосное потребление

Насосное оборудование может работать непрерывно либо включаться в определённые стадии технологического процесса.

Технологический цикл — последовательность операций, обеспечивающих предусмотренный производственный результат.

Для насосной системы он может включать:

подготовку оборудования;
заполнение трубопроводов или аппаратов;
основную перекачку;
циркуляцию рабочей жидкости;
поддержание давления;
изменение расхода;
остановку и переход к следующему режиму.

Фактический состав стадий определяется технологией.

Например, насос может длительное время поддерживать циркуляцию при отсутствии выпуска конечной продукции. Такая работа может быть технологически необходимой либо требовать дополнительной проверки режима управления.

Чтобы оценить её энергетическое значение, необходимо установить расход, напор, электрическую мощность и продолжительность стадии.

Без проверки функции циркуляции нельзя считать всю соответствующую энергию избыточной.

Как определить удельную энергию перекачивания

Удельная энергия перекачивания — отношение электрической энергии, потреблённой в определённой границе, к объёму жидкости, перемещённой через соответствующую границу.

Для электрической энергии в киловатт-часах и объёма в кубических метрах показатель выражается в кВт·ч/м³.

Но этот показатель не должен использоваться без гидравлического контекста.

Например, один насос подаёт жидкость при небольшом напоре, а другой создаёт значительно большее давление для технологического потребителя.

При одинаковом объёме перекачивания второй агрегат может потреблять больше электроэнергии вследствие большей полезной гидравлической нагрузки.

Поэтому вместе с удельным показателем необходимо указывать:

фактический расход;
создаваемый напор;
характеристики жидкости;
электрическую границу;
состав работающих насосов;
режим регулирования;
продолжительность измерений;
технологическое назначение перекачивания.

Только при сопоставимых условиях удельный показатель может использоваться для анализа изменения энергетической эффективности.

Почему снижение расхода увеличивает удельную энергоёмкость в некоторых режимах

В системе с переменной производительностью часть электрических затрат может сохраняться при уменьшении расхода.

Например, при снижении расхода определённые механические и электрические потери агрегата могут уменьшаться не пропорционально количеству перекачиваемой жидкости.

В результате удельная энергия на кубометр способна увеличиваться.

Но этот эффект не является универсальным для всех насосов и способов регулирования.

Для проверки необходимо установить:

характеристику агрегата;
исходную и новую рабочие точки;
электрическую мощность каждого режима;
фактический расход;
продолжительность работы;
наличие дросселирования;
требуемый технологический результат.

Если производственная нагрузка снизилась, увеличение кВт·ч/м³ может быть режимным следствием, а не доказательством поломки.

Поэтому необходимо анализировать как удельные, так и абсолютные энергетические показатели.

Как отличить неисправность насоса от изменения гидравлической нагрузки

Повышенное электропотребление или ухудшение удельного показателя может иметь несколько объяснений.

Изменился требуемый напор. Возможно изменение давления на границе потребителя или уровня жидкости.

Изменился расход. Насос перешёл к другой рабочей точке.

Увеличилось дросселирование. Часть напора расходуется на регулирующей арматуре.

Изменилось сопротивление трубопроводов. Необходимо проверить перепады давления при сопоставимых расходах.

Изменилась работа параллельных агрегатов. Распределение потока может влиять на энергетические характеристики.

Изменились свойства рабочей жидкости. Потребуется проверить применимость характеристик насоса и расчётной модели.

Изменился режим электропривода. Необходимо учитывать скорость вращения и состав преобразования энергии.

Возникло техническое отклонение агрегата. Такая версия требует проверки при сопоставимых рабочих точках.

Изменились условия смежной системы. Внешние давление и расход могут влиять на собственный режим насоса.

Имеется измерительная неопределённость. Несинхронные или неполные данные способны создать кажущееся отклонение.

Для каждого объяснения необходимо определить соответствующие измеряемые признаки.

Например, рост электрической мощности при увеличении гидравлической полезной мощности не является достаточным доказательством неисправности.

Как отличить дросселирование от недостаточной эффективности насоса

Дросселирование относится к способу формирования гидравлического режима сети.

Эффективность самого насоса относится к преобразованию механической энергии в гидравлическую.

Эти механизмы связаны, но не совпадают.

Например, насос может работать с энергетическими характеристиками, соответствующими своей рабочей точке, но создавать напор, значительная часть которого затем поглощается регулирующим клапаном.

В такой ситуации причина возможных дополнительных затрат может находиться не в техническом состоянии агрегата, а в выбранном способе управления.

В другом случае дросселирование невелико, но насос работает в неблагоприятной области своей характеристики.

Для разграничения необходимо:

Измерить расход.
Определить полный напор насоса.
Рассчитать гидравлическую мощность.
Измерить активную электрическую мощность.
Определить энергетический показатель агрегата.
Измерить перепад давления на дросселирующих элементах.
Проверить необходимое давление потребителя.
Сопоставить фактическую точку с характеристикой насоса.
Определить, какой механизм требует следующего технического действия.

Если отсутствуют данные о перепаде давления на клапане, нельзя количественно оценить именно дросселирование.

Если неизвестна электрическая мощность, нельзя определить энергетическое состояние всего агрегата.

Как влияет смежная технологическая система

Насос может обслуживать оборудование, которое изменяет потребность в жидкости и давлении.

Например, технологический теплообменник, реактор или распределительный коллектор может работать при разных расходах.

Если нагрузка смежной установки меняется, насосная система может переходить к другим рабочим точкам.

Для обследования определяют:

границу подключения технологического потребителя;
требуемый расход;
необходимое давление;
режим работы технологического оборудования;
фактические параметры жидкости;
положение регулирующей арматуры;
рабочую точку насоса;
электрическую мощность;
время изменения нагрузки.

Если технологический потребитель объективно требует большего расхода или давления, увеличение гидравлической мощности может быть необходимым.

Поэтому нельзя переносить вывод о повышенном энергопотреблении смежного оборудования на сам насос без раздельного анализа.

Как исследовать смешанный режим дросселирования и переменной нагрузки

В реальной технологической системе расход, давление и положение клапанов могут меняться одновременно.

Например, производственная установка снижает потребление жидкости. Автоматика прикрывает регулирующий клапан, а насос продолжает работать при практически прежней скорости.

Изменяются сопротивление сети, расход, напор и электрическая мощность.

Чтобы установить энергетическую причину, необходимо:

Определить фактическую технологическую потребность.
Зафиксировать исходный расход и давление.
Измерить перепад давления на регулирующем клапане.
Определить рабочую точку насоса.
Получить активную электрическую мощность.
Проверить скорость вращения.
Установить изменение режима смежного потребителя.
Сопоставить данные нескольких характерных состояний.
Выделить влияние полезной нагрузки.
Отдельно оценить роль дросселирования и энергетических характеристик насоса.

Если измерено только изменение электрической мощности, нельзя достоверно распределить его между уменьшением расхода и изменением сопротивления.

Если неизвестно необходимое давление потребителя, нельзя уверенно определить, какая часть перепада на клапане потенциально устранима.

Как учитывать свойства рабочей жидкости

Технологические насосы могут перекачивать жидкости, отличающиеся от воды по плотности, вязкости и другим существенным свойствам.

Эти характеристики способны влиять на гидравлические режимы и применимость паспортных характеристик оборудования.

Для обследования необходимо установить:

вид перекачиваемой жидкости;
плотность при фактических условиях;
вязкость, если она существенно влияет на режим;
температуру;
фактический расход;
напор;
характеристики насоса для соответствующей среды;
условия эксплуатации.

Например, изменение температуры технологической жидкости может изменить её свойства и гидравлические условия работы насоса.

Но нельзя автоматически объяснять этим любое повышение потребления электроэнергии. Для подтверждения необходимо использовать соответствующие измерения.

Как выбирать репрезентативные режимы

Репрезентативный режим — состояние оборудования, достаточно полно отражающее условия эксплуатации, для которых требуется сделать технический вывод.

Для насосной системы важно изучить не только максимальную производительность, но и режимы, в которых возникает дросселирование.

В зависимости от объекта исследуют:

Характерную рабочую нагрузку. Используется для определения основной рабочей точки.
Максимальный расход. Позволяет проверить систему при высокой технологической потребности.
Частичную производительность. Необходима для анализа регулирования.
Режим выраженного дросселирования. Используется для определения перепада давления на арматуре.
Работу нескольких насосов. Позволяет исследовать распределение расходов и электрических затрат.
Изменение нагрузки технологического потребителя. Помогает отделить влияние смежного оборудования.
Период циркуляции без основной технологической операции. Позволяет проверить сохраняющиеся энергетические затраты.
Переходные режимы. Исследуются отдельно, если оказывают существенное влияние на баланс.

Измерение одной рабочей точки не позволяет автоматически оценить годовую эффективность системы.

Для длительного результата необходимо определить продолжительность каждого существенного режима.

Какие временные ряды необходимы

Для проверки взаимосвязи дросселирования и электрического потребления полезны синхронные архивы:

расхода жидкости;
давления на входе и выходе насоса;
перепада давления на регулирующем клапане;
активной электрической мощности;
частоты вращения;
положения клапанов;
состояния параллельных агрегатов;
технологической нагрузки;
времени включения и отключения;
температуры рабочей жидкости.

Например, если электрическая мощность уменьшается при прикрытии клапана, это ещё не показывает, насколько энергетически эффективен такой способ регулирования.

Для этого необходимо определить новую гидравлическую мощность, положение рабочей точки и возможный альтернативный режим при том же полезном расходе.

Какие документы необходимы для энергетического обследования

Исходная документация должна позволять восстановить гидравлическую схему и определить, какие параметры характеризуют полезную технологическую работу.

Технические документы:

принципиальные схемы насосных систем;
схемы технологических трубопроводов;
паспорта насосов;
характеристики рабочих колёс и агрегатов при наличии;
паспорта электродвигателей;
документация частотных преобразователей;
характеристики регулирующих клапанов;
сведения о трубопроводах и арматуре;
схемы подключения технологических потребителей;
электрические схемы питания.

Учётные данные:

архивы расхода жидкости;
данные давления;
активная электрическая мощность;
потреблённая электроэнергия;
данные перепада давления на клапанах;
частота вращения;
параметры рабочей жидкости;
показатели технологической нагрузки.

Эксплуатационные материалы:

графики работы насосов;
последовательность включения агрегатов;
настройки регулирования;
положение дросселирующей арматуры;
журналы эксплуатации;
сведения о переключениях сети;
продолжительность технологических циклов;
результаты предыдущих измерений при наличии.

Схемы определяют границы. Учёт показывает величину энергетических потоков. Режимные данные устанавливают сопоставимость. Инструментальные измерения позволяют отличить влияние дросселирования от изменения полезной нагрузки и эффективности насоса.

Какие инструментальные измерения необходимы

Для количественной проверки гидравлической полезной мощности и дросселирования необходим согласованный набор измерений.

Расход жидкости. Необходим для определения рабочей точки и гидравлической мощности.
Давление на входе насоса. Используется при расчёте полного напора.
Давление на выходе. Позволяет определить изменение энергетического состояния жидкости.
Геометрические параметры контрольных точек. Учитываются при необходимости расчёта полного напора.
Перепад давления на клапане. Используется для количественной оценки дросселирования.
Активная электрическая мощность. Характеризует затраты агрегата в выбранной электрической границе.
Частота вращения. Необходима при анализе способов регулирования.
Параметры рабочей жидкости. Используются для корректного расчёта гидравлической мощности.
Положение регулирующей арматуры. Помогает восстановить фактическую характеристику сети.
Режим потребителя. Позволяет определить необходимый расход и давление.
Временные отметки. Обеспечивают сопоставимость полученных параметров.

Например, перепад давления на клапане, измеренный при одном расходе, нельзя непосредственно сопоставлять с электрической мощностью насоса после изменения производительности.

Для достоверного баланса показатели должны характеризовать один и тот же режим.

Как определить приоритет дополнительных измерений

Программа обследования должна устранять именно ту неопределённость, которая мешает проверить влияние дросселирования.

Если неизвестен расход, невозможно определить гидравлическую мощность насоса и клапана.

Если расход известен, но отсутствуют данные для определения полного напора, нельзя корректно рассчитать полезную гидравлическую мощность.

Если напор и расход подтверждены, но отсутствует активная электрическая мощность, невозможно оценить энергетический результат агрегата.

Если известны электрические и гидравлические показатели насоса, но не измерен перепад давления на клапане, нельзя количественно выделить именно дросселирование.

Если все параметры измерены, но неизвестно необходимое давление технологического потребителя, невозможно обоснованно определить устранимую составляющую сопротивления.

Если оборудование работает в нескольких режимах, требуются временные ряды для определения их продолжительности.

Последовательность приоритетов: граница системы — расход — полный напор — электрическая мощность — перепад давления на арматуре — технологическая потребность — продолжительность режимов.

Как оценивать измерительную неопределённость

Измерительная неопределённость характеризует ограниченность точности результатов измерений и расчётов.

Для насосного оборудования она влияет на определение гидравлической мощности, эффективности и энергии дросселирования.

Существенные источники неопределённости:

точность расходомера;
точность приборов давления;
расположение контрольных сечений;
характеристики измерения электрической мощности;
достоверность данных о свойствах жидкости;
синхронность измерений;
колебания расхода и давления;
переходные режимы;
неполнота гидравлической схемы;
применимость характеристики насоса;
точность измерения перепада давления на регулирующем элементе.

Например, если изменение рассчитанной эффективности невелико по сравнению с неопределённостью измерений, нельзя уверенно утверждать, что агрегат стал работать хуже.

Аналогично малая расчётная разность мощностей двух режимов не является доказанной экономией, пока не проверена точность исходных данных.

Как проверить причинную связь между дросселированием и перерасходом

Чтобы сделать вывод о повышенных энергетических затратах вследствие дросселирования, необходимо показать, что существующий способ формирования расхода требует большей электрической энергии, чем технически допустимый альтернативный режим при сопоставимой полезной нагрузке.

Для этого необходимо:

Установить фактический необходимый расход.
Определить давление, требуемое технологическому потребителю.
Измерить рабочую точку насоса.
Рассчитать гидравлическую полезную мощность.
Измерить перепад давления на дросселирующей арматуре.
Зафиксировать активную электрическую мощность.
Определить характеристики сети.
Рассмотреть только технически допустимые альтернативные способы регулирования.
Оценить новую рабочую точку и электрические затраты.
Сопоставить режимы при одинаковой технологической задаче.
Учесть изменение работы смежных потребителей.
Проверить измерительную неопределённость.

Если альтернативный способ управления не подтверждён, можно количественно охарактеризовать существующее дросселирование, но нельзя достоверно заявить соответствующую электрическую экономию.

Таким образом, наличие гидравлических потерь на регулирующем клапане и наличие достижимого энергосберегающего эффекта — разные результаты обследования.

Какие технические мероприятия можно рассматривать

Выбор мероприятия зависит от подтверждённой причины повышенных затрат.

Если установлено значительное дросселирование при переменной технологической нагрузке, рассматривают допустимые способы изменения производительности насосной системы с учётом её гидравлической характеристики.

Если насос работает вне рационального диапазона характеристики, необходимо исследовать соответствие установленного оборудования фактическому расходу и напору.

Если изменилось сопротивление трубопроводов, выполняют дополнительную проверку соответствующих участков и их эксплуатационных характеристик.

Если неэффективность связана с совместной работой агрегатов, оценивают возможные сочетания насосов и распределение нагрузки.

Если повышенная мощность объясняется внешней технологической потребностью, требуется отделить её влияние от собственного энергетического состояния насоса.

Если отсутствуют измерения перепада давления на клапане, первоначальным действием может стать дополнительная гидравлическая проверка.

Если электропотребление нескольких агрегатов не разделено, необходимо уточнить измерительную границу прежде, чем оценивать эффективность каждого насоса.

Во всех случаях сохранение необходимого расхода, давления, безопасности и надёжности технологического процесса является обязательным условием.

Как рассчитать возможную экономию за период эксплуатации

Для определения потенциального энергосберегающего эффекта необходимо учитывать не только разность мощностей, но и продолжительность характерных режимов.

Например, дросселирование может быть выражено при частичной производительности, но практически отсутствовать при максимальном расходе.

Если частичный режим занимает существенную долю времени, его энергетическое влияние может быть значимым.

Для расчёта необходимо:

выделить характерные технологические нагрузки;
определить их продолжительность;
измерить исходные рабочие точки;
определить электрическую мощность в каждом режиме;
оценить перепады давления на регулирующей арматуре;
смоделировать допустимые альтернативные рабочие точки;
определить электрическую мощность альтернативного режима;
учесть потери устройств регулирования;
проверить влияние на смежные ветви;
рассчитать суммарную разность потреблённой электроэнергии;
оценить неопределённость результата.

При этом нельзя суммировать независимые оценки экономии от изменения скорости и устранения дросселирования без проверки взаимодействия этих мероприятий: они могут относиться к одной и той же исходной энергетической составляющей.

Как подтвердить результат после изменения регулирования

После выполнения технически обоснованного мероприятия необходимо повторно измерить параметры насосной системы.

Проверяют:

фактический расход жидкости;
полный напор насоса;
давление у технологического потребителя;
активную электрическую мощность;
положение регулирующих клапанов;
частоту вращения;
состав работающих насосов;
условия смежных систем;
продолжительность режима;
удельную энергию перекачивания;
сохранение необходимого технологического результата.

Например, если после изменения управления потребляемая электрическая мощность уменьшилась, необходимо убедиться, что система продолжает обеспечивать необходимый расход и давление.

Если технологическая нагрузка одновременно снизилась, часть уменьшения электроэнергии может объясняться именно этим.

Поэтому для подтверждения эффективности требуется сравнение в эквивалентных условиях либо обоснованная корректировка.

Какие результаты позволяет получить энергоаудит насосного оборудования

При достаточном объёме исходных данных формируется проверяемая модель насосной системы, связывающая полезную гидравлическую мощность, электрическое потребление, рабочие точки и дросселирование сети.

Она позволяет:

установить фактические границы насосного оборудования;
определить расходы и напоры;
рассчитать полезную гидравлическую мощность;
измерить активное электрическое потребление;
оценить энергетический результат насосного агрегата;
восстановить фактические рабочие точки;
определить влияние регулирующей арматуры;
рассчитать гидравлическую мощность, связанную с перепадом давления на клапане;
отделить дросселирование от сопротивления других участков;
проверить совместную работу насосов;
определить влияние технологических циклов;
рассчитать удельную энергию перекачивания;
выделить влияние смежных технологических систем;
определить приоритет дополнительных измерений;
обосновать следующий технический шаг.

Особенно важно, что подтверждённое наличие дросселирования не означает автоматического подтверждения электрического перерасхода определённой величины.

Чтобы перейти к расчёту экономии, необходимо доказать техническую применимость альтернативного режима и определить его энергетические показатели.

Когда результаты обследования остаются предварительными

Главное ограничение энергетического обследования насосного оборудования возникает, если отсутствуют измерения, необходимые для проверки гидравлической полезной мощности и дросселирования сети.

Например:

Если известна только электрическая мощность, невозможно определить полезную гидравлическую мощность без расхода и напора.
Если имеется расход, но неизвестен полный напор, нельзя корректно оценить гидравлическую работу агрегата.
Если измерено только выходное давление, возможна ошибка из-за неизвестных входных условий.
Если отсутствует перепад давления на клапане, нельзя количественно определить дросселирующую составляющую.
Если неизвестно назначение клапана, нельзя уверенно считать его сопротивление избыточным.
Если не установлены требования конечного потребителя, невозможно обосновать снижение напора.
Если электросчётчик учитывает несколько насосов, нельзя непосредственно определить эффективность одного агрегата.
Если насос работает в переменных режимах, единичное измерение не характеризует всё потребление за период.
Если неизвестны характеристики рабочей жидкости, расчёт гидравлической мощности может быть неточным.
Если не учтены смежные ветви, изменение регулирования может привести к непредусмотренному перераспределению расходов.
Если альтернативная рабочая точка не определена, возможную экономию электроэнергии нельзя достоверно рассчитать.
Если различие показателей сопоставимо с измерительной неопределённостью, энергетический эффект остаётся неподтверждённым.

В таких случаях заключение должно отдельно содержать фактически измеренные параметры, расчётные энергетические показатели, подтверждённые механизмы и технические гипотезы.

Недостаток измерений не доказывает исправность или неэффективность насосной системы. Он ограничивает возможность установить, вызвано ли повышенное потребление дросселированием, изменением полезной нагрузки, характеристиками агрегата или влиянием смежной системы.

Как подготовить насосное оборудование к энергоаудиту

Подготовку начинают с определения фактической гидравлической схемы и состава насосных агрегатов.

Необходимо установить, какие насосы обслуживают технологический процесс, где находятся регулирующие клапаны, как измеряются расходы и давления и какие условия требуется обеспечить конечным потребителям.

Перед обследованием следует ответить на следующие вопросы:

Какую технологическую функцию выполняет насосная система?
Какая жидкость перекачивается и каковы её существенные свойства?
Какие насосы установлены?
Каковы их паспортные характеристики?
Где находятся электрические границы учёта?
Можно ли измерить активную мощность каждого исследуемого агрегата?
Как определяется фактический расход?
Доступны ли давления до и после насоса?
Можно ли рассчитать полный создаваемый напор?
Где расположена регулирующая арматура?
Измеряется ли перепад давления на клапанах?
Какой расход и давление действительно необходимы технологическому потребителю?
Как регулируется производительность насоса?
Есть ли частотное регулирование?
Какие агрегаты работают параллельно?
Как изменяется нагрузка в течение технологического цикла?
В каких режимах возникает существенное дросселирование?
Какие смежные системы могут изменять гидравлические условия?
Доступны ли синхронные временные архивы?
Какие дополнительные измерения необходимы для расчёта полезной гидравлической мощности и энергетического эффекта?

После анализа исходных документов формируют программу измерений для характерных режимов.

Сначала определяют расход, полный напор и электрическую мощность агрегата. Затем проверяют рабочую точку и сопоставляют её с характеристиками насоса.

После этого измеряют перепады давления на регулирующих элементах, устанавливают их технологическое назначение и оценивают влияние дросселирования.

Если предполагается альтернативный способ управления, рассчитывают новые рабочие точки и проверяют сохранение необходимых параметров всех потребителей.

Измерения и изменение режимов действующего насосного оборудования выполняются с соблюдением требований безопасной эксплуатации и технических ограничений производителя. Недопустимо изменять положение клапанов, скорость вращения или последовательность агрегатов без проверки влияния на всю связанную гидравлическую систему.

Главный результат энергетического обследования насосного оборудования — подтверждённая связь между полезной гидравлической мощностью, электрическим потреблением и дросселированием сети. Она позволяет установить, какая часть затрат связана с необходимой технологической перекачкой, какие гидравлические сопротивления определяют существующий режим и где может потребоваться следующее техническое решение.

Только после количественного подтверждения дросселирования, определения рабочих точек и проверки технически допустимой альтернативы можно обоснованно рассчитывать потенциальное снижение электроэнергии. Без этих данных вывод о перерасходе остаётся гипотезой.

Связанные направления

Общая модель энергопотребления технологических машин, рабочих сред и вспомогательного оборудования представлена на странице «Технологические системы и оборудование».

Состав работ по энергетическому обследованию насосных агрегатов и связанных инженерных систем рассмотрен в услуге «Энергоаудит инженерных систем».

Методы сопоставления рабочих точек и выбора энергетически обоснованного режима подробно рассмотрены в материале «Как выбрать эффективный режим работы насосного оборудования».