Дросселирование и частотное регулирование: выбор способа управления

Выбор между дросселированием и частотным регулированием насосов выполняют по результатам сравнения электрической мощности при одинаковой требуемой подаче жидкости. При дросселировании расход ограничивают увеличением гидравлического сопротивления, а при частотном регулировании изменяют скорость вращения насоса. Разница в энергопотреблении зависит от характеристики насоса, сопротивления трубопроводной сети, доли статического напора и продолжительности работы на каждой нагрузке.

Частотное регулирование может снижать затраты электроэнергии за счёт уменьшения напора, который насос создаёт сверх необходимого для сети. Однако величина эффекта не определяется одним снижением скорости вращения. Если значительная часть требуемого напора является статической, возможности уменьшения скорости ограничиваются необходимостью сохранять этот напор. Поэтому расчёт экономии по простой кубической зависимости без действительной характеристики системы способен существенно завысить результат.

Для технически обоснованного выбора необходимо построить два варианта работы при одной и той же полезной подаче, определить потребляемую электрическую мощность каждого варианта и учесть время действия соответствующих режимов. Только после этого можно оценивать целесообразность применения частотного преобразователя.

Какие данные необходимы для сравнения способов регулирования

Исходная задача — установить, какой расход жидкости действительно требуется потребителю и какой напор необходим для его обеспечения. Без этого невозможно определить, какая часть создаваемого насосом напора является полезной, а какая возникает из-за выбранного способа регулирования.

Для расчёта используют пять взаимосвязанных групп данных.

• Требуемая подача. Расход жидкости, который должна обеспечивать насосная система в каждом характерном режиме. Если потребность изменяется, необходимо определить несколько значений подачи, а не ограничиваться максимальной производительностью.
• Сопротивление сети. Зависимость необходимого напора от расхода с учётом статической и переменной составляющих. Она определяет, какой напор должен создать насос при выбранной подаче.
• Характеристика насоса. Зависимость напора и эффективности агрегата от расхода при соответствующей скорости вращения. Для варианта с частотным регулированием необходимо определить характеристики при рассматриваемых скоростях.
• График времени работы. Продолжительность эксплуатации при каждой требуемой подаче. Этот показатель необходим для перехода от разницы электрической мощности к количеству сэкономленной энергии.
• Ограничения по минимальному напору. Условия, при которых насосная система должна сохранять необходимое давление или высоту подачи независимо от уменьшения расхода.

Если в системе установлено несколько насосов, дополнительно фиксируют, какие агрегаты работают одновременно в рассматриваемых режимах. Иначе изменение электрического потребления из-за переключения насосного состава можно ошибочно отнести к действию частотного преобразователя.

Наиболее полезны фактические измерения подачи, напора и электрической мощности при известных положениях регулирующей арматуры. Эти данные позволяют проверить, насколько расчётные характеристики соответствуют действительному состоянию сети.

Если измерения выполнены при разных состояниях системы, сначала устанавливают причину различий. Например, расход, полученный при работе двух насосов, нельзя непосредственно объединять с напором, измеренным при работе одного агрегата, как будто они описывают одну рабочую точку.

Как дросселирование изменяет рабочую точку насоса

При дросселировании расход регулируют изменением положения клапана или задвижки. Прикрытие регулирующего элемента увеличивает гидравлическое сопротивление сети и меняет условия работы насоса.

Если скорость вращения насоса остаётся постоянной, его характеристика практически сохраняется для рассматриваемых условий. При увеличении сопротивления изменяется точка пересечения характеристики насоса с характеристикой сети. Как правило, рабочая точка смещается в сторону меньшей подачи.

При этом насос продолжает создавать напор, часть которого расходуется на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего элемента. Такой напор не требуется для передачи жидкости через остальную часть сети с тем же расходом.

Для оценки дросселирования необходимо разделить два понятия:

Напор, требуемый самой системой, — напор, необходимый для обеспечения выбранного расхода с учётом её действительной гидравлической характеристики.

Напор, создаваемый насосом при дросселировании, — напор в фактической рабочей точке с учётом дополнительного сопротивления регулирующего элемента.

Разница между этими величинами при согласованных границах расчёта характеризует дополнительный напор, который приходится преодолевать из-за дросселирования.

Однако наличие такого дополнительного напора не означает, что его можно непосредственно перевести в определённое снижение потребляемой электрической мощности. Для этого необходимо учитывать изменение эффективности насоса и параметры его привода.

В частности, уменьшение расхода при прикрытии задвижки может сопровождаться снижением потребляемой мощности. Поэтому утверждение, что дросселирование всегда увеличивает мгновенную электрическую мощность по сравнению с полностью открытой задвижкой, некорректно.

Предмет сравнения другой: сколько электроэнергии требуется для обеспечения одинаковой полезной подачи при дросселировании и при изменении скорости насоса.

Как частотное регулирование обеспечивает ту же подачу

При частотном регулировании изменяют скорость вращения электродвигателя и, соответственно, рабочую характеристику насоса. Это позволяет изменять подачу без обязательного создания дополнительного сопротивления регулирующим клапаном.

Для выбранного значения расхода определяют, какой напор требуется действительной трубопроводной сети. Затем находят скорость вращения, при которой характеристика насоса пересекает характеристику системы в необходимой рабочей точке.

Таким образом, при сравнении двух способов регулирования полезная подача должна оставаться одинаковой, но условия создания напора будут отличаться.

При дросселировании насос работает на характеристике, соответствующей фиксированной скорости, а регулирующий элемент создаёт дополнительное сопротивление.

При частотном регулировании скорость уменьшают таким образом, чтобы насос обеспечивал требуемый расход и необходимый напор системы без рассматриваемого дополнительного дросселирования.

Для оценки электрической мощности необходимо учитывать эффективность насоса в новой рабочей точке, работу электродвигателя и потери преобразования энергии в частотном преобразователе.

В упрощённой форме зависимость электрической мощности от гидравлической нагрузки можно представить следующим образом:

Электрическая мощность = плотность жидкости × ускорение свободного падения × расход × создаваемый напор / совокупный КПД.

Совокупный КПД должен соответствовать принятой границе расчёта. Если оценивается электропотребление всей насосной установки, необходимо учитывать эффективность насоса и электрического привода, включая частотный преобразователь в соответствующем варианте.

При одинаковом расходе уменьшение создаваемого напора может снижать требуемую гидравлическую мощность. Но фактическое изменение электрического потребления определяется также изменением эффективности оборудования.

Поэтому расчёт, основанный только на отношении напоров без проверки КПД, не даёт полного сравнения двух способов управления.

Почему кубический закон не всегда показывает реальную экономию

При анализе частотного регулирования часто используют законы подобия насосов. Для подобных режимов одного и того же центробежного насоса при сопоставимых условиях они связывают изменение скорости вращения с расходом, напором и мощностью.

В упрощённом представлении:

• расход изменяется пропорционально скорости вращения;
• напор изменяется пропорционально квадрату скорости;
• мощность изменяется пропорционально кубу скорости.

Эти зависимости полезны для предварительной оценки изменения характеристик насоса. Однако их нельзя без проверки применять как готовую формулу экономии электрической энергии всей насосной системы.

Причина заключается в том, что реальная сеть имеет собственную зависимость требуемого напора от расхода. Уменьшение скорости вращения должно обеспечивать пересечение новой характеристики насоса с этой зависимостью.

Если система преимущественно преодолевает гидравлическое сопротивление трубопроводов, требуемый напор при снижении расхода может существенно уменьшаться. В таких условиях изменение рабочей точки может быть близко к поведению, для которого кубическая зависимость даёт полезное предварительное приближение.

Но при значительной статической составляющей необходимый напор уменьшается значительно медленнее. Насос должен продолжать обеспечивать определённую высоту подъёма или перепад давления даже при небольшом расходе.

Следовательно, скорость вращения нельзя уменьшать в той же пропорции, в какой уменьшается требуемая подача, без проверки возможности сохранить необходимый напор.

Ключевой вывод: у сети с большой статической составляющей фактический выигрыш от частотного регулирования может быть существенно ниже результата, полученного по простой кубической зависимости.

Как статическая составляющая ограничивает снижение скорости

Для предварительного анализа характеристику системы можно представить как сумму статического напора и напора, необходимого для преодоления гидравлического сопротивления при движении жидкости.

H = Hст + K × Q², где H — требуемый напор системы, Hст — статическая составляющая, K — коэффициент сопротивления для принятой модели сети, Q — расход жидкости.

Эта зависимость применима как упрощённая модель для соответствующего гидравлического контура при постоянных свойствах жидкости и неизменной конфигурации системы.

Статическая составляющая не уменьшается пропорционально квадрату расхода. Если сеть должна обеспечивать определённую геодезическую высоту подъёма или минимальный перепад давления, соответствующее требование сохраняется при снижении подачи.

Например, в системе с небольшой статической составляющей значительная часть напора приходится на гидравлическое сопротивление. При уменьшении расхода потери напора в трубопроводах могут заметно снижаться, что создаёт предпосылки для уменьшения скорости вращения насоса.

В системе с большой статической составляющей картина другая. Даже когда требуемый расход уменьшается, насос должен продолжать создавать значительный напор. Поэтому рабочая характеристика при слишком низкой скорости может вообще не пересекать характеристику системы в требуемой точке подачи.

Для технического сравнения необходимо определить, какой напор требуется сети при каждом рассматриваемом расходе, а затем найти допустимую скорость насоса.

Если при выбранной скорости насос не обеспечивает минимально необходимый напор, такой режим нельзя включать в расчёт как работоспособную альтернативу дросселированию.

Также важно различать статическую составляющую и потери на гидравлическое сопротивление. Если обе величины объединены в один условный коэффициент, расчёт может неверно показывать уменьшение необходимого напора при снижении расхода.

Именно поэтому действительная характеристика системы является обязательной основой выбора способа регулирования.

Как сравнить электрическую мощность при одинаковых точках подачи

После определения характеристик оборудования и сети выбирают несколько характерных значений требуемого расхода. Для каждого значения выполняют два самостоятельных расчёта.

Вариант 1. Дросселирование при фиксированной скорости

По характеристике насоса определяют напор и эффективность при требуемой подаче. Затем устанавливают, какое дополнительное сопротивление регулирующего элемента необходимо для получения соответствующей рабочей точки.

Результатом становится электрическая мощность насосного агрегата при фиксированной скорости и рассматриваемом положении клапана.

Если фактическая мощность измерена, её используют с указанием режима. Если нет, рассчитывают значение по гидравлическим параметрам и соответствующим характеристикам эффективности.

Вариант 2. Частотное регулирование

При той же требуемой подаче определяют необходимый напор системы без дополнительного дросселирования. Затем находят скорость вращения насоса, позволяющую обеспечить выбранную рабочую точку.

По характеристикам насоса и привода определяют электрическую мощность с учётом фактической или расчётной эффективности при данной скорости.

При этом проверяют выполнение минимального требования к напору. Если рассчитанная скорость не обеспечивает необходимого давления, рассматриваемая точка недопустима и должна быть пересчитана.

Сопоставление результатов

Для каждой выбранной подачи рассчитывают разность электрических мощностей:

Разность мощности = мощность при дросселировании − мощность при частотном регулировании.

Положительная разность означает, что в рассматриваемом режиме вариант частотного регулирования потребляет меньше электрической мощности. Если разность мала либо отсутствует, необходимо проверить рабочие точки и эффективность оборудования, прежде чем делать вывод о преимуществах регулирования скоростью.

Если один вариант обеспечивает иной расход или не выполняет требование по минимальному напору, сравнение нельзя считать корректным. Сначала необходимо привести варианты к одинаковому полезному гидравлическому результату.

Для практической оценки полезно составить сравнительную таблицу.

Показатель	Дросселирование	Частотное регулирование
Полезная подача	Одинаковая заданная величина	Та же заданная величина
Способ изменения расхода	Дополнительное сопротивление клапана	Изменение скорости вращения
Напор насоса	С учётом дросселирования	По требованию сети
Рабочая точка	По характеристике при фиксированной скорости	По характеристике при выбранной скорости
Электрическая мощность	Измеренная или рассчитанная с учётом КПД	Измеренная или рассчитанная с учётом КПД и преобразователя
Проверка ограничений	Обеспечение требуемой подачи и напора	Обеспечение подачи и минимального напора при выбранной скорости

Такая форма показывает, какие величины должны совпадать, а какие закономерно различаются из-за принципа управления. Она также помогает обнаружить ошибку, если сравнение фактически выполнено для неодинаковых нагрузок.

Как график нагрузки влияет на итоговую экономию

Мощность характеризует потребление в определённый момент или режим работы. Чтобы установить энергетический эффект за период, необходимо учесть, сколько времени насосная система работает при каждой требуемой подаче.

Для отдельного режима изменение количества электроэнергии определяется зависимостью:

Экономия электроэнергии за режим = разность электрических мощностей × продолжительность режима.

Если потребность сети изменяется, итоговый расчёт выполняют по всем характерным значениям подачи:

Общая расчётная экономия = сумма произведений разностей мощностей на продолжительность соответствующих режимов.

При этом продолжительность каждого режима должна относиться к одному и тому же графику потребности для обоих вариантов управления.

Например, если насос большую часть времени работает вблизи максимальной требуемой подачи, возможности снижения скорости могут быть ограничены. Тогда даже заметная разность мощностей при малой подаче не обязательно обеспечивает большой энергетический эффект за весь расчётный период.

Если же значительная часть эксплуатации приходится на пониженную подачу, необходимо особенно внимательно исследовать соответствующие рабочие точки. Именно продолжительность этих состояний определяет их вклад в итоговый результат.

Однако длительная работа на малом расходе ещё не доказывает высокую экономию от частотного регулирования. При большой статической составляющей минимально необходимый напор может ограничивать уменьшение скорости даже в этом режиме.

Поэтому энергетический результат определяется сочетанием двух факторов: разности мощности в каждой рабочей точке и времени работы в соответствующей точке.

Сравнение только паспортных мощностей оборудования без графика нагрузки не позволяет достоверно определить количество сэкономленных киловатт-часов.

Как ошибочная характеристика сети и состав насосов искажают сравнение

Если расчёт показывает неожиданно большой или небольшой эффект частотного регулирования, необходимо проверить не только формулы, но и саму гидравлическую модель.

Ошибка в модели сопротивления сети

Если действительная характеристика сети неизвестна, расчётная зависимость может неправильно отражать требуемый напор при снижении подачи.

Например, если значительную статическую составляющую ошибочно рассматривают как сопротивление, изменяющееся пропорционально квадрату расхода, модель будет показывать слишком быстрое уменьшение необходимого напора.

Вследствие этого рассчитанная скорость насоса окажется заниженной, а ожидаемая экономия — завышенной.

Возможна и обратная ошибка: если расчётное сопротивление сети принято выше фактического, оценка рабочей точки и энергетического результата также будет искажена.

Для проверки необходимо сопоставить модель с измеренными сочетаниями подачи и напора при известных состояниях регулирующей арматуры.

Если расчётная характеристика не объясняет фактические рабочие точки, сначала уточняют модель сети. Выбирать частотный преобразователь по такой зависимости преждевременно.

Неверный состав работающих насосов

Другая возможная причина ошибочного вывода — сравнение вариантов, в которых одновременно изменяется число действующих агрегатов.

Например, для дросселирования может быть принят режим с несколькими работающими насосами, а для частотного регулирования — работа одного агрегата. Полученная разность электрической энергии тогда характеризует не только способ регулирования, но и изменение насосного состава.

Такое сравнение не позволяет определить самостоятельный эффект частотного преобразователя.

Для разграничения факторов необходимо сначала зафиксировать сопоставимый состав насосов либо отдельно рассчитать вклад его изменения.

Если в системе допускается работа разных насосных сочетаний, можно рассмотреть соответствующие варианты как дополнительные технические сценарии. Однако их энергетический результат следует показывать отдельно от сравнения дросселирования и изменения скорости одного и того же насосного состава.

Это особенно важно при переменной подаче. Разница в электрическом потреблении может возникать потому, что один вариант предусматривает избыточное число работающих агрегатов, а не потому, что дросселирование само по себе настолько менее эффективно.

Следовательно, при проверке расчёта нужно ответить на два вопроса: соответствует ли модель действительной характеристике сети и одинаковый ли полезный гидравлический результат обеспечивают сравниваемые составы оборудования.

Как принять техническое решение по результатам сравнения

Результатом анализа становится техническое сравнение дросселирования и частотного регулирования для конкретной насосной сети. Оно должно показывать рабочие точки, электрическую мощность и расчётное энергопотребление каждого варианта при одинаковой полезной подаче.

Если разность мощности подтверждена для характерных режимов и ограничения по напору соблюдены, рассчитывают энергетический эффект с учётом продолжительности работы. Такой результат может служить основанием для дальнейшей оценки применения частотного преобразователя.

Если выигрыш возникает только в отдельной рабочей точке, необходимо проверить, какую долю времени система действительно работает в этом режиме. Без этого нельзя переносить локальную разность мощности на весь эксплуатационный период.

Если сеть имеет значительную статическую составляющую, необходимо отдельно подтвердить допустимый диапазон изменения скорости. Расчёт по кубическому закону без такой проверки использовать для обоснования экономии нельзя.

Если модель сети не согласуется с измеренными расходами и напорами, первоочередным действием становится уточнение гидравлической характеристики. Пока она неизвестна, расчётная рабочая точка частотного регулирования остаётся предположением.

Если различие энергопотребления связано с неодинаковым числом работающих насосов, расчёт пересматривают так, чтобы отделить эффект способа регулирования от эффекта изменения состава агрегатов.

После выбора технически допустимого варианта необходимо определить показатели последующей проверки: фактическую подачу, напор, электрическую мощность и продолжительность характерных режимов. Эти величины позволят установить, соответствует ли работа насосной системы расчётному решению.

Само наличие частотного преобразователя не подтверждает уменьшение энергопотребления. Достигнутый результат устанавливают по сопоставимым измерениям после изменения управления, учитывая фактическую потребность сети.

Главное ограничение: без действительной характеристики системы нельзя обосновать выбор частотного преобразователя и достоверно рассчитать его энергетический эффект. Для технического решения необходимо подтвердить требуемую подачу, сопротивление сети, характеристику насоса, минимальный допустимый напор и продолжительность рабочих режимов. Только сравнение электрической мощности при одинаковом полезном результате позволяет отделить влияние способа регулирования от других причин изменения энергопотребления.

Рабочие характеристики и фактические режимы проверяют при обследовании насосного оборудования. Если сопоставление подтверждает дополнительные электрические затраты из-за выбранного способа управления, результаты используют для выявления неэффективных режимов работы оборудования и определения дальнейших измерений или настроек.