ds2018-2
ППРК-Сервис
Архив номеров / Архив в электронном виде / СТО 01/58 МАРТ 2018 / Три кита энергоэффективности насосов: обследование,...
Три кита энергоэффективности насосов: обследование, оптимизация, мониторинг

Три кита энергоэффективности насосов: обследование, оптимизация, мониторинг

Насос всегда работает в системе, поэтому основным методом повышения энергоэффективности насосов является оптимизация всей системы на основе качественного обследования.
 
Насосное оборудование – наиболее энергопотребляющее из используемых в экономике. Например, в целлюлозно-бумажной промышленности на долю насосов приходится порядка 25%, в сфере водоснабжения и водоотведения – до 50%, а в нефтяной промышленности доходит 60%. Таким образом, вопрос эффективности подобных отраслей напрямую зависит от эффективной эксплуатации насосного оборудования.
Финский научно-исследовательский центр провел обследование 1690 насосов на 20 предприятиях Финляндии, результаты которого показали, что средний КПД насосов составил в среднем 40%, при этом 10% насосов работали с КПД ниже 10%! 
Основными причинами неэффективного использования насосного оборудования были признаны: переразмеривание (выбор насосов с большей подачей и напором) и регулирование режимов работы насосов при помощи задвижек.
Мировой опыт основной причиной определяет неверный подбор насосов под требования системы. Так, по данным пяти ведущих компаний-производителей насосного оборудования США, более 60% проданных насосов эксплуатируются вне рабочего диапазона, и в 95% случаев в этом виноваты потребители, которые предоставили неверные исходные данные.
Основные причины работы насосного оборудования не в оптимальном режиме:
1. Проектировщики закладывают насосное оборудование с запасом, на случай непредвиденных обстоятельств или перспектив развития, что приводит впоследствии при эксплуатации к снижению напора, дросселированию и потере эффективности.
2. Изменение параметров гидравлической сети со временем (коррозия труб, замена трубопроводов и т. п.).
3. Износ арматуры, износ насосов.
4. Изменение водопотребления в связи с ростом или сокращением численности населения (перестают существовать предприятия, устанавливаются счетчики, и спроектированные в советские времена системы не соответствуют новой реальности).
5. Замена и установка новых элементов в системе с другими гидравлическими характеристиками.
6. Регулирование режимов работы насосов.
 
Методы снижения энергопотребления в насосных системах:
→ замена насосов на более эффективные – 2%;
→ замена электродвигателей – 1–3%;
→ подрезка рабочего колеса – до 20%, в среднем 10%;
→ каскадное регулирование при параллельной установке насосов – до 10–30%;
→ использование дополнительных резервуаров для работы во время пиковых нагрузок – 10–20%;
→ простое снижение частоты вращения насосов при неизменных параметрах сети – до 40%;
→ замена регулирования подачи задвижкой на регулирование частотным преобразователем позволяет снизить до 60% энергопотребления;
 
Анализ методов показал, что простая замена насосов и двигателей позволяет снизить энергопотребление на 2–3%, тогда как переход на более качественное регулирование увеличивает эту цифру до 60%.
 
Энергоэффективность в Евросоюзе и США
В Евросоюзе основным стандартом является Стандарт EN 16480 (MEI Minimum Efficiency Index), ориентированный на индекс минимального КПД MEI и направленный на применение более эффективных насосов и электродвигателей. В соответствии с данным стандартом до 2020 года предполагается убрать с рынка до 50% насосов с наиболее низким КПД: с 1 января 2013 года запрещена продажа 10% наименее эффективных насосов, с 1 января 2015 года – еще 40% наименее эффективных насосов.
Кроме того, индекс минимального КПД MEI, указывающий на конкурентное преимущество насоса, с 1 января 2013 года обязательно вносится в техническую документацию.
Прогнозируемый потенциал энергосбережения до 2020 года – 3,3х109 кВт∙ч.
Также в Еврозоне разработан и действует Стандарт ISO/ASME 14414 «Оценка энергоэффективности насосной системы».
 
В США в 2015 году принят Закон по энергосбережению насосного оборудования – Energy Conservation Standards for Pumps.
 
В соответствии с законом, для каждого агрегата аналитически определяется некая стандартная средневзвешенная мощность на разных режимах работы по подаче совместно с электродвигателем при постоянной нагрузке (CL) или с электродвигателем и ЧРП при переменной нагрузке (VL). Далее экспериментально или расчетным путем в соответствии с методикой HI/ANSI определяется средняя мощность и безразмерный коэффициент PEI (Pump Energy Index), который и указывается на маркировке.
Условием продажи на территории США является коэффициент PEI < 1,0.
Ради справедливости стоит отметить, что до недавнего времени в США вопросы энергоэффективности отдельно не рассматривались, на первом месте всегда стоял вопрос надежности. Этот подход кардинально изменился буквально за последние пять лет. Более того, США удалось понятие энергоэффективность ввести в обиход каждого потребителя. Сегодня все насосы маркируются коэффициентами PEI и PER (Pump Energy Rating, энергетический рейтинг), которые схожи с аналогичными рейтингами холодильников, кондиционеров и пр. и помогают оценить уровень их энергоэффективности, а также служат основанием для замены существующего оборудования и подбора нового.
 
Энергоэффективность в России
В РФ энергетическая эффективность насосов регламентируется:
– ФЗ № 261 от 23.11.2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности»;
– Постановлением РФ от 17 июня 2015 года № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» …на основании соответствия установленным значениям индикатора энергетической эффективности;
– Техническим регламентом Таможенного союза (разработан и подготовлен к утверждению) – по сути, модифицированный EN 16480 «О требованиях к энергетической эффективности электрических энергопотребляющих устройств»;
– Кроме того, разработан проект межгосударственного стандарта ГОСТ (соответствует принятому в США и ЕС стандарту ISO/ASME 14414), который посвящен обследованию систем, уже находящихся в эксплуатации – «Оценка энергоэффективности насосной системы».
 
Оптимизация существующих насосных систем
Систем, находящихся в эксплуатации, гораздо больше, чем новых, и проблема с неэффективной эксплуатацией связана именно с ними.
 
Признаки неэффективной насосной системы:
► чрезмерное дросселирование;
► значительные колебания расхода или давления;
► несколько конечных потребителей с разным требуемым давлением;
► кавитация в насосе;
► высокий уровень вибрации и шума;
► износ и повреждения рабочих органов насоса
► низкое отношение выходной гидравлической мощности потока к мощности, потребляемой из сети.
 
Оптимизация насосной системы – это системный подход по оценке возможностей снижения энергопотребления насосов большой мощности (более 30 кВт).
 
Первый шаг в этой серьезной работе – качественное обследование, представляющее собой комплекс мероприятий, сбор и обработку информации о состоянии и рабочих характеристиках, объеме потребляемых энергоресурсов, условиях работы насосного оборудования, направленных на повышение надежности, снижение энергопотребления и эксплуатационных затрат.
Стоит подчеркнуть, что в соответствии с 261-ФЗ от 23.11.2009, ст.16, проведение энергетического обследования является обязательным для организаций, осуществляющих производство и (или) транспортировку воды, тепловой энергии, нефти, а также организаций, совокупные затраты которых на энергоносители больше 50 млн рублей.
Специалисты, осуществляющие обследование, должны обладать соответствующими компетенциями и квалификацией для выполнения мероприятий в области оценки, анализа данных и подготовки отчетов. 
Очень важно обратить внимание на организацию обследования, ибо от нее зависит, насколько точную и нужную информацию (исходные данные) вы получите о насосах.
 
Принципиально иметь полную схему системы (всего технологического процесса):
• назначение системы и ее границы;
• наиболее энергоемкое оборудование;
• методы регулирования;
• выявление неэффективного оборудования;
• предварительные измерения основных параметров.
 
Решение проблемы избыточного энергопотребления рассматривается в двух направлениях
1. Снижение напора в системе:
• исключить / уменьшить дрос­се­лирование,
• прочистить загрязненные и частично заблокированные элементы,
• устранить утечки и перетечки в системе,
• заменить старые и ржавые трубы,
• увеличить диаметры трубопроводов,
• уменьшить количество клапанов, фитингов и другой арматуры,
• увеличить уровень жидкости в приемном резервуаре.
 
2. Снижение расхода в системе:
• исключить непродуктивные расходы и перетечки в системе,
• увеличить время цикла периодических процессов по наполнению и опорожнению;
• исключить / снизить расход, если существует такая возможность,
• изучить требования технологического процесса на предмет снижения параметров. Например, поддержание необходимой разницы температуры теплообменника путем снижения расхода охлаждающей воды.
 
Общепринятой практикой оптимизации насосных систем с целью повысить ее эффективность до недавних пор являлась та, при которой пользователь меняет старый двигатель на новый с более высоким индексом энергоффективности и подбирает насос с большим КПД на существующие параметры. При этом требуемые параметры насоса (подача, напор) воспринимались как постоянные и неизменные, поэтому выбирался насос с параметрами установленного насоса. 
К сожалению, при выборе насоса вмешивается наш опыт выбора бытовой техники, подсознательно ориентирующий нас логику «чем мощнее, тем надежнее». 
В случае с насосной системой такой выбор играет и против надежности, и против эффективности.
Лучшим способом обеспечения высокой надежности системы и низкой стоимости ее обслуживания является ее правильное проектирование строго для намеченных целей.
 
Оптимизация насосной системы:
• Отклонение от проектной рабочей точки вследствие изменений в технологическом процессе или переразмеривания насосов на стадии проектирования может привести к работе насоса вдали от точки оптимального КПД, что приведет к избыточному энер­гопотреблению и снижению надежности.
• Исключить работу насосов с низким КПД позволяет регулярный мониторинг параметров насосов, применение регулирования насосов и регулярное техническое обслуживание.
Стоимость обслуживания закладывается на этапе проектирования системы. 
Из всего вышесказанного видно, что то, каким образом эксплуатируется насосная система, является ключом к увеличению надежности и снижению стоимости техобслуживания.
• Крайне важно, чтобы насос эксплуатировался как можно ближе к точке максимального КПД. Превышение размеров насоса часто приводит к чрезмерному дросселированию потока клапаном. Этоявляется причиной изменений рабочей точки, обычно в сторону отключения.
• Правильная установка очень важна для бесперебойного функционирования насоса.
• Все службы должны объединять усилия для реализации совместной программы техобслуживания.
• Следует соблюдать рекомендуемые производителем интервалы обслуживания.
• Современные системы мониторинга и управления могут защитить насосную систему и продлить срок ее службы.
 
КАК ОБЕСПЕЧИТЬ ЭФФЕКТИВНУЮ РАБОТУ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ?
1. Постоянный мониторинг параметров насосов с целью обеспечения работы наосов в пределах рабочего диапазона. 
2. При вводе насосов в эксплуатацию проведение измерений параметров насосов. Для насосов мощность свыше 110 кВт такая практика должна стать обязательной, это позволит оценивать состояние насосов с течением времени, в том числе снижение эффективности изменение режима работы и т.д.
3. Оценка удельного энергопотребления, выявление причин увеличения удельного энергопотребления.
4. Регулярное техническое обслуживание насосов.
 
Современные системы мониторинга с удешевлением цен на электронные компоненты становятся все более совершенными и доступными. Общепринятым становится контроль расхода, давления, температуры, частоты вращения, вибрации и др. Эти системы могут обнаруживать отклонения от нормальных рабочих условий, но окончательное решение о том, что насос работает по намеченному плану, остается за оператором.
 
Важнейшие положения создания энергоэффективной насосной системы промышленных предприятий и городского хозяйства прокомментировал Александр Викторович Костюк, руководитель технической комиссии Российской Ассоциации Производителей Насосов, зам. директора – генеральный конструктор головного научно- технического центра филиала АО «ГМС Ливгидромаш» (Москва).
 
– Насосные системы являются одними из основных потребителей электроэнергии во многих отраслях промышленности. По некоторым оценкам насосы потребляют около 20 % всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому вопрос энергоэффективности насосных систем является ключевым вопросом для экономики страны в целом.
Основные проблемы с энергоэффетивностью встречаются в существующих системах, находящихся в эксплуатации длительное время. Поэтому обследованию и оптимизации существующих насосных систем основной уделяется большое внимание во всем мире. В качестве основных путей рассматривается три направления – продуктовых подход т.е. когда взамен установленного насоса и электродвигателя устанавливаются более современные аналоги с большим кпд, расширенный продуктовый подход, когда насосные агрегаты комплектуются системами управления, чаше всего с применением частотного привода, которые позволяют адаптировать параметры насоса к характеристикам сети и обеспечить эффективную работу при меняющихся требованиях. Для некоторых типов насосов, например, циркуляционных, частотное регулирование является обязательным, более того, стало стандартом, ибо обеспечивает эффективную работу системах отопления независимо от изменения нагрузки. Системный подход включает в себя оптимизацию всей насосной системы, включая оптимизацию режимов, анализ требований технологических процессов, в которых установлены насосы. Системный подход при оптимизации насосных систем является наиболее действенным инструментом снижения энергопотребления.
 
– Насколько остро стоит перед российским хозяйством данная проблема?
– Этому вопросу уделяется большое внимание во всем мире. В качестве наглядной иллюстрации, отражающей масштаб проблемы, часто приводится пример из практики наших коллег из Финляндии. Финский Научно-исследовательский центр провел обследование 1 690 насосов на 20 предприятиях Финляндии. Результаты этого исследования показали, что средний к.п.д. насосов составил в среднем 40 %, при этом 10% насосов работали с к.п.д. ниже 10%! На российских предприятиях ситуация не лучше. Почему так получилось? Основными причинами неэффективной работы насосных систем являются работа насосов в режиме, далеком от оптимального, и применение неэффективных способов регулирования. К таким последствия приводят ошибки при проектировании, когда выбирается насос с параметрами, не соответствующими требованиям системы, как правило, больше чем требуется, т.е. переразмеривание и последующее регулирование режима насосов путем дросселирования, износ оборудования, изменение параметров системы и требований технологических процессов, например, изменение объемов водопотребления. Поэтому системный подход, при котором учитывается работа всех элементов и, что наиболее важно, их взаимное влияние на работу друг друга, позволяет достичь максимального эффекта по снижению энергопотребления.
Приведу и такие цифры: по данным Европейской ассоциации производителей насосов простая замена насосов и двигателей на более энергоэффективные позволяет снизить энергопотребление на 2-3 %, тогда как применение частного регулирования взамен дроссельного (при помощи задвижки) увеличивает эту цифру до 60%.
Не случайно именно проведение обследования или аудита существующих насосных систем является обязательным этапом оптимизации насосных систем. Особое внимание следует уделять сбору исходных данных о работе оборудования, оценка состояния системы, сбор информации для разработки профиля нагрузки, изменение характеристик системы с течением времени.
 
– В разработке нормативной документации мы очевидно идем вслед за Европой и США, а как обстоит дела в производстве оборудования? Распрощались ли мы с установкой, что импортные насосы априори энергоэффективнее?
– В производстве картина не однозначна: где-то опережаем, где-то идем вровень, где-то отстаем. Отечественные производители осваивают и создают целые линейки насосов для водного хозяйства, атомной, нефтеперерабатывающей промышленности – практически для всех отраслей. У нас есть достойная продукция, с которой мы можем конкурировать с ведущими западными производителями, в том числе есть такие, которые по энергоэффективности не только не уступают, но даже превосходят западные аналоги. В определенной степени этому поспособствовала программа импортозамещения, но энергоэффективность зависит не только от оборудования. Те 10% насосов, работающих с низким (более чем низким!) коэффициентом полезного действия, о которых я упомянул, - это, конечно, в первую очередь, устаревший насос. Но причина неэффективной работы связана не с низким к.п.д. самого насоса, а с тем, что он работает в режиме, при котором у него низкий к.п.д., т.е. его параметры подача и напор не соответствуют требованиям гидравлической системы, в которой он установлен. Поэтому простой заменой старого насоса на новую модель, пусть и с более высоким к.п.д. проблему решить не удастся! Повторюсь: необходим комплексный подход с качественным обследованием всей системы, точным расчетом, последующей оптимизацией технологической схемы, качественным обслуживанием во время эксплуатации и постоянным мониторингом рабочих параметров насосной системы. Да, определенное отставание есть, российскими производителями не освоены некоторые типы насосов, что объясняется спецификой советского коммунального хозяйства, ориентированного на квартальное и районное обслуживание. Но времена меняются, появляются новые потребители, подходы, технологии, в том числе в ЖКХ. Уверен, российские производители способны достойно ответить на меняющиеся запросы и требования современной экономики.
 
Подготовила Светлана Соснова