История становления и развития Оскольского горно-обогатительного комбината

Введение



Проблема экономии энергетических и водных ресурсов остро стоит во всем мире. Для обеспечения необходимым количеством с заданными качественными, количественными и энергетическими параметрами потребителей является энергоемким производством. В данном производстве помимо технических проблем существует также проблема снижения потребления электроэнергии, актуальность которой растет вместе с повышением тарифов на энергоносители. Основная доля электроэнергии приходиться на подъем и перекачивание воды насосными станциями. Расходы на эксплуатацию насосного оборудования составляют 85% затрат на электроэнергию. 

Основную долю в общих затратах жизненного цикла любой насосной системы составляют затраты на электроэнергию, поэтому на этапе предварительной оценки различных вариантов необходимо воспользоваться критерием удельной мощности, т. е. мощности, потребляемой насосным оборудованием, отнесенной к единице расхода перекачиваемой жидкости.

Задачи снижения энергопотребления насосного оборудования решаются, прежде всего путем обеспечения согласованной работы насоса и системы. Проблема избыточного энергопотребления эксплуатируемых насосных систем может быть успешно решена за счет модернизации, направленной на обеспечение этого требования.

 Горно-обогатительные предприятия, крупнейшие потребители топливно-энергетических ресурсов, которые они получают от поставщиков. В связи с производством  высокоэнергоемкой продукцией и постоянного увеличения цен на энергоносители, доля энергетической составляющей в  себестоимости продукции горно-обогатительных предприятий составляет 27-32%.

Одной из основной причиной высокой энергоемкости в экономике России является сложная энергоемкая структура промышленного производства, технически несовершенны, с точки зрения энергосбережения, основные производственные фонды, плохо налаженный контроль и учет расхода энергии, традиционная расточительность и бесхозяйственность в этой сфере, практическое отсутствие применения современных методов управления энергоресурсами.

Решение вопросов о повышении энергоэффективности на горнообогатетельных предприятиях на основе управления энергетическими ресурсами позволяет обеспечивать уменьшению энергозатрат, а также повышение уровня управляемости производством, вовлечение персонала в решение задач энергосбережения, а также другие преимущества.

В связи с повсеместным использованием на обогатительных фабриках горной и горно-химических отраслей народного хозяйства схем обогащения, основанных на применении большого количества воды, вопрос правильного выбора насосного оборудования является одним из ключевых как в техническом, так и в коммерческом отношении.

Из многих видов насосов особое внимание производственников и проектировщиков привлекают пульповые насосы, работающие с материалом средней и высокой степени абразивности (в технологических линиях дробления, после мельниц первой и второй стадий измельчения, при высоконапорной транспортировке концентратов и хвостов обогатительных фабрик и т.д.). Перекачивание подобных материалов связано с относительно быстрым износом отдельных деталей пульповых насосов, их ремонтом и заменой. Эксплуатация таких насосов сопровождается большими затратами электроэнергии и требует надежного уплотнения пространства между консольной частью вала и корпусом насоса.

Почему важно внедрение энергосбережения?

Ответ прост: с целью минимизации затрат. Энергосберегающие технологии на производстве являются экономически целесообразными. Рационализация энергопотребления на производстве возможна не только в масштабах политики государства, но в том числе и в рамках внутренней политики того или иного объекта. Сохранение энергии возможно за счет применения современных эффективных технологий. Таким образом возможно в значительной степени сократить расходы предприятия. 

Переход в энергосберегающий режим оправдан, кроме того, и с точки зрения экологии: вопрос уменьшения объема вредных отходов производства также является одним из самых злободневных.

Целью диссертационной работы является разработка метода по энергосбережения на насосных станциях Оскольского горно-обогатительного комбината.

Достижение поставленной цели связано с необходимостью проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований и решения следующих задач:

- проведение вероятностно-статистического анализа данных горно-обогатительного комбината по реальной наработке на отказ насосного оборудования.

- определение факторов, влияющих на энергосбережение.

- теоретическое и экспериментальное определение степени влияния выявленных факторов на ресурс насосного оборудования;

- определение критических значений рассматриваемых параметров для дальнейшего их рассмотрения в качестве предмета для диагностирования.

- провести оценку влияния выбора способа управления насосом, характер распределения нагрузки во времени по определению его оптимальных параметров;

- сравнительный анализ энергоэсбережения различных способов управления насосным агрегатом с учетом возможности применения регулируемого привода; 

- разработка рекомендации по снижению электроэнергии насосными агрегатами в водоснабжении и водоотведении.





История становления и развития Оскольского горно-обогатительного комбината



Оскольский горно-обогатительный комбинат – второй из крупнейших комбинатов по добыче и обогащению железной руды и крупнейший карьер по добыче железной руды. Объем продукции комбината составляет 18 % от общего производства товарной руды в России. По объемам запасов руды – самое большое в стране.  Месторасположение горно-обогатительного комбината город Железногорск Курская область. Комбинат был построен на базе Оскольского месторождения, которое входит в структуру крупнейшего массива железистых кварцитов общей площадью 6,5х2,5 км2.

Технологический процесс производства железнородного сырья на Оскольском ГОКе состоит из следующих стадий:

горные работы;

производство железорудного концентрата;

производство концентрата.



Рис.1.1 Технологические процессы

Комбинат производит следующую продукцию:

руда доменная (Fe-40%)

аглоруда (Fe-52%)

концентрат (Fe-65,1%)

концентрат сушеный (Fe-65,1%)

концентрат доменный (Fe-60%)

окатыши (Fe-63%)

щебень

Оскольский горно-обогатительный комбинат является градообразующим предприятием города Железногорска. Большая часть трудоспособного населения работает на комбинате.

Сам карьер имеет весьма внушительные размеры и продолжает расширяться. Именно поэтому возникает проблема осушения карьера. Ведь обводненность горного массива может являться причиной прорыва подземных вод в горные выработки, снижения устойчивости бортов карьера, обвалов. Кроме того, повышенная влажность может приводить к снижению качества руды, удорожанию процесса добычи и обогащения.

На карьере, для откачки подземных вод работает подземный дренажный комплекс, расположенный на нескольких горизонтах. По мере углубления карьера в действие вводятся более глубокие горизонты.

Компания «Металлоинвест» совершенствует производство Оскольского ГОКа. В 2015 году завершилось строительство крупнейшего инвестиционного проекта компании – строительство третьей обжиговой машины. Реализация данного проекта позволит увеличить объем производства окатышей Оскольского горно-обогатительного комбината на 5 млн. тонн в год.

С целью повышения производства и снижения издержек внедряются новые информационные технологии, современное и более точное оборудование для контроля и управления производственным процессом.

Компания руководствуется принципом неукоснительного выполнения требований законодательства Российской федерации, международных стандартов, норм и правил в области экологии, использует технологии, снижающие промышленное воздействие на окружающую среду.



Цех хвостового хозяйства.



Цех хвостового хозяйства ПАО "Оскольского ГОК осуществляет одну из основных функцией данного цеха  является прием и складирование хвостов обогащения в хвостохранилище, а также обеспечение обогатительной фабрики водой.

Хвостохранилище ПАО "Оскольского ГОКа" гидротехническим сооружением I класса ответственности. Месторасположения хвостохранилища относится к балочному типу, по способу возведения ограждающих сооружений (плотин) к намывным. Длина хвостохранилища достигает 10 км, ширина до 2,5 км. Хвостохранилище разделено на 3 отсека: отсек у головной плотины, центральный прудковый отсек и отсек у плотины защиты отвалов путем устройства дамб № 1, 2.

Хвосты от фабрики обогащения в виде пульпы при соотношении Т:Ж=1:21 в самотечном и напорно-самотечном режимах поступают в хвостохранилище, где производится их раскладка по площади и естественное осветление воды.

Раскладку хвостов в чаше хвостохранилища производят в основном по комбинированной схеме (от "плотин" и от "берегов") с целью уменьшения фильтрационных потерь воды. Для заполнения мелкозернистыми фракциями хвостов центральной части чаши и замыва хвостохранилища от "берегов" используют железобетонные лотки и распределительные пульповоды. Часть хвостов, преимущественно крупных фракций, используется для возведения ограждающих сооружений.

Осветленная вода из хвостохранилища подается напорной системой в два подъема на обогатительную фабрику для использования в технологических целях. Качество оборотной воды должно удовлетворять требованиям технологии.

В хвостохранилище происходит потеря воды преимущественно за счет фильтрации через дно и ограждающие сооружения. Потери воды компенсируются путем подачи в хвостохранилище шахтных вод дренажного комплекса карьера, возврата воды, профильтровавшейся через ограждающие сооружения, а также за счет использования поверхностного стока.

В пойменной части реки Песчанка в нижнем бьефе головной плотины хвостохранилища, в пределах границ земельного отвода, организован пруд-аккумулятор поверхностных и дренажных вод, который является источником восполнения потерь воды в хвостохранилище.

Хвостохранилище оснащается наблюдательными скважинами для осуществления мониторинга подземных вод. По данным выполненных инженерно-экологических изысканий влияние инфильтрации воды из хвостохранилища на гидрохимический состав подземных и поверхностных вод практически ограничивается пределами контура хвостохранилища.

Для получения железорудного концентрата на фабрике обогащения методом мокрой магнитной сепарации не применяются какие-либо реагенты и добавки к исходной руде, таким образом, хвосты представляют собой мелкозернистый материал, содержащий около 89% фракций размером менее 0,1 мм. Химический состав хвостов характеризуется наличием в них железа и его соединений (свыше 15%), большим содержанием SiO2 (свыше 72%). В незначительных количествах (от 0,1 до 3%) в хвостах содержатся MnO, CaO, Na2O, а также S и P по 0,1%.

При помощи регулируемых водоперепускных сооружений, на разделительных дамбах хвостохранилища, поддерживается оптимальный уровень воды в отсеках.

Насосная станция оборотного водоснабжения 1-го, 2-го подъема

Станции 1 и 2-го подъемов предназначены для подачи оборотной воды на обогатительную фабрику.

Насосная станция оборотного водоснабжения 1-го подъема

На станции установлено 7 насосов, общей производительностью 43 тыс. м3/час.



	

НОВ4

ДНС3

ДНС2

Возврат фильтрационных потерь

Использование хвостов

Складирование хвостов

Осветление воды

4

Пруд аккумулятор

земенаряд

р.Песчанка

6

Дренажный комплекс карьера

Обогатительная фабрика

Водосборная площадь хвостохранилища

Хвостохранилище

НОВ1

НОВ2

3

2

1

5

НОВ2

НОВ1

Хвостохранилище

Водосборная площадь хвостохранилища

Обогатительная фабрика

Обогатительная фабрика



5





1

2

НОВ2

Водосборная площадь хвостохранилища





3

НОВ1

Дренажный комплекс карьера







Хвостохранилище





Складирование хвостов

Возврат фильтрационных потерь

Осветление воды

Использование хвостов







	

Пруд аккумулятор	

		

6

земенаряд	





р.Песчанка





Рисунок 4.1 Технологическая схема хвостового хозяйства

исходная пульпа, 2. осадки, 3,4. дренажные воды, 5. технологическая вода, 6. сброс



. Применение частотно-регулируемого привода на ЦХХ ПАО «Оскольского ГОКа».



Энергосберегающий эффект от мероприятий по снижению энергопотребления на ПАО “Оскольскийом ГОКе” составил около 15 млн руб. Специалистами фабрики обогащения и цеха хвостового хозяйства на ПАО “Оскольском ГОКе” разработали мероприятия для снижения абсолютного энергопотребления технологического оборудования. В ходе данных совместных работ специалистам удалось добиться снижения давления воды в оборотном водоснабжении и оптимизацию водного режима в технологии обогащения. Данный способ по экономии эелктроэнергии привело к остановке двух насосов с технологической мощностью 1600 кВт каждый,  а также и одного пульпонасоса с технологической мощностью 3150 кВт в цехе хвостового хозяйства ПАО  "Оскольского ГОКа". 

	В технологии фабрики обогащения произошло снижение количества воды, расходуемой для производство одной тонны концентрата с 26 до 19 кубометров. При объемах производства концентрата - около 6500 000 кубометров воды в месяц не происходитперекачивание разнообразными насосами в технологическом производстве концентрата, что существенно позволило снизить потребление электроэнергии, необходимое для оборудования на обогатительной фабрики ПАО "Оскольский ГОК".

ПАО “Оскольский горно-обогатительный комбинат” производит около 21.5% товарной железной руды России (более 25% от всего объема окатышей).



 Насосная станция оборотного водоснабжения на горно-обогатительном комбинате.



Насосная станция оборотного водоснабжения на горно-обогатительном комбинате осуществляет подачу технической воды для технологического процесса и гидротранспорта хвостов на обогатительную фабрику, а также на иные нужды. Насосная станция представляет собой здание, и состоит из машинного зала и двух камер переключения задвижек (камера нагнетания и камера всасывания).

На насосной станции оборотного водоснабжения устанавливаются две группы насосов:

I группа - насосы с производительностью 6300 м3/ч и напором 79м.;

II группа - насосы с производительностью 5000 м3/ч и напором 32м.

В качестве привода всех насосных агрегатов в основном используются синхронные электродвигатели мощностью 1600кВт, числом оборотов 750 об/мин.

Проанализировав период работы насосных станций оборотного водоснабжения основной технологический процесс имеет место при подачах воды от 24000 м3/ч до 16000 м3/ч. Изменение объема подаваемой воды достигается количеством работающих насосных установок с различной производительностью.

Насосная станция подает воду на обогатительную фабрику, технологический процесс которой обеспечивается при оптимальном давлении  на входном коллекторе 3 кгс/см2.  Немаловажно также учитывать разность уровней геодезических отметок обогатительной фабрики и оси насосов насосной станции оборотного водоснабжения, характеристикой сети водоснабжения является статический напор около 33м.

В напорной сети имеются две физические величины, характеризующие технологические процессы водоснабжения: давление (напор) и расход (производительность), обычно называется основными гидравлическими параметрами. Другие физические величины, поддающиеся измерению и контролю,  можно определить как косвенными, по отношению к технологии водоснабжения являются второстепенными. Уделим внимание основным гидравлическим параметрам, то любой технологический процесс водоснабжения укладывается в один из четырех приведенных ниже вариантов сочетания напора в гидравлической сети Нс и расхода Qс:   1) Qс = var, Hс = var;   2) Qс = const, Hс = var;   3) Qс = var, Hс = cons; 4) Qс = cons, Hс = cons.

Основной потребитель воды от насосной станции оборотного водоснабжения является обогатительная фабрика, которая предъявляет к параметрам воды  жесткие требования. В особенности это касается давления во входном коллекторе, отклонение давления от оптимального допускается в пределах не превышающих 0,1 кгс/см2.

Основными параметрами водоподачи посредством основных характеристик насосов жестко связаны между собой, и изменить один из них, не затрагивает второй, практически невозможно. Управлять основными параметрами, т.е. осуществлять их целенаправленное изменение с целью оптимизации процесса водоснабжения по одному или нескольким критериям возможно, но это связано с решением сложной научной оптимизационной задачи.

Следует также учесть, то что снабжение технической водой обогатительной фабрики и других потребителей исследуемой гидравлической системы осуществляется по принципу «по потребности», значит каждый потребитель, подключенный к напорной сети, в любое время должен обеспечиваться водой под необходимым давлением и в  требуемом количестве. 

В напорной системе в которой обеспечивается стабилизация давления, то и необходимость в регулировании производительности отпадёт. Действительно, при водопользовании, организованном «по потребности», расход задается извне, а в силу непрерывности потока жидкости производительность всегда должна равняться расходу. Общий расход насосной станции оборотного водоснабжения зависит от количества подключаемых секций.

Изменение расхода вызывают отключение давления, и возникает потребность в необходимости компенсировать, то есть расход является той величиной, ради которой необходима система регулирования. Изменение расхода оказывает возмущающее воздействие на систему водообеспечения. Что же касается тока и мощности приводных двигателей насосных агрегатов, то, как активные составляющие, так и полные их значения являются функцией расхода, т.е. возмущающего воздействия.

Из вышеизложенного следует, что задача оптимизации технологического процесса подачи воды от насосной станции оборотного водоснабжения на обогатительную фабрику и другим потребителям может быть решена при управлении гидравлическими параметрами напорной сети за счет целенаправленного изменения Q (H) – характеристики как отдельных насосных агрегатов, так и насосной станции в целом. Причем характеристики параллельно работающих на насосной станции насосных установок не обязательно должны быть одинаковыми. Но если решается задача снижения удельного расхода электроэнергии, различные характеристики насосных агрегатов должны быть между собой согласованы, исходя из основного регулирующего критерия.



Литературный обзор изученности вопроса энергосбережения насосов.

Регулирование работы насосных установок обеспечивает необходимый режим работы насосных станций при постоянном изменении условий работы. Асинхронные электродвигатели мощностью порядка 4 МВт, устанавливаемые на водозаборных станциях, не попадают в рассмотрение данной работы, так как используют нерегулируемый электропривод.

Положение рабочей точки насоса определяется характеристикой трубопровода и характеристикой насоса. Задача регулирования может решаться либо регулированием гидравлических режимов работы насосов, либо регулированием энергетической эффективности работы оборудования насосной станции. Количественные методы регулирования направлены на изменение водоподачи сети, а качественные методы изменяют характеристику насоса.

К количественным способам регулирования насосных агрегатов относятся:

- дросселирование трубопровода;

- перепуск части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;

- отключение или подключение насосов (ступенчатое регулирование);

- применение баков-гидроаккумуляторов;

- сбросом части поднятого количества воды в нижний бьеф;

- впуском воздуха во всасывающую трубу насоса;

- комбинация включения параллельно/последовательно работающих

ступеней в многосекционных насосах.

- авторегулированием (изменением статической составляющей напора);

- изменением числа параллельно работающих насосов (применение

разменных агрегатов). 

К качественным способам регулирования относятся:

- изменение частоты вращения рабочего колеса;

- изменение степени открытия поперечного сечения каналов рабочего

колеса;

- изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на

выходе из рабочего колеса насоса;

- саморегулирование;

- изменение ширины рабочего колеса;

- изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на входе

в рабочее колесо насоса;

- изменение угла установки лопастей рабочего колеса;

- обточка рабочего колеса. 

К комбинированным способам регулирования относятся:

- саморегулирование с перепуском;

- перепуск по малому контуру с закруткой потока перед рабочим

колесом;

- дросселирование с перепуском;

- перепуск с подкруткой;

- дросселирование и изменение частоты вращения рабочего колеса;

- комбинация лопастного и водоструйного насосов и другие.

Часто потери электроэнергии внутри насосной станции обусловлены использованием дросселирования напорной задвижки насосного агрегата. Широко распространенным методом регулирования давления и водоподачи является дросселирование трубопровода. Элементом, посредством которого осуществляют дросселирование, является механическое устройство в виде диафрагмы, шибера, дроссель-клапана, задвижки, и др. Это устройство, расположенное на напорном патрубке трубопровода, перемещаясь, изменяет поперечное сечение трубопровода.

Данный способ, хоть и прост в реализации, имеет целый ряд недостатков. Во-первых, это уменьшение КПД насосной станции, при глубоком регулировании водоподачи особенно выраженное. Это происходит из-за того, что энергия, потраченная на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления регулирующего устройства, переходит в тепловые потери. При этом закрытая задвижка является причиной увеличения давления на выходе насоса, что ведет к уменьшению срока службы запорных устройств и уплотнений и к увеличению утечек воды.

При этом качество регулирования низкое, изменение давления происходит рывками; регулирование является однозонным, возможно лишь в сторону снижения напора или водоподачи насоса; эксплуатация оборудования осложняется в случае большого количества коммутационной аппаратуры, насосов, клапанов, дросселей.

Для насосов специальной конструкции возможен способ регулирования изменением числа работающих ступеней. Используя этот способ можно изменять подачу насосного агрегата, меняя число последовательно или параллельно включенных в работу колес насоса. Этот способ требует оборудования насосной станции специальными насосами более сложной конструкции, вследствие чего они более дорогие, стоимость их ремонта и обслуживания также повышена.

При применении баков-гидроаккумуляторов в целях регулирования водоподачи рабочие характеристики сети трубопроводов и насоса остаются неизменными. В систему вводится промежуточное аккумулирующее устройство, компенсирующее несоответствие характеристик. Подача насосной установки без использования регулируемого электропривода осуществляется включением насосов при достижении уровня воды заданных нижних значений и отключением, при достижении уровня заданных верхних значений. Многие насосные станции не содержат гидравлических резервуаров, так как они требуют дополнительных затрат на содержание и обслуживание и имеют большие габаритные размеры.

Регулирование напора перепуском осуществляется посредством отвода с задвижкой, при этом определенное количество жидкости отводится с выхода насоса на вход. Этот способ предусматривает возможность автоматизации установкой на стороне высокого давления отрегулированных клапанов, осуществляющих сброс излишнего напора. При этом на непроизводительную циркуляцию потока жидкости затрачивается энергия, в результате снижается КПД насосной установки, тем больше, чем глубже регулирование. Регулирование перепуском также является однозонным.

Регулирование сбросом части поднятого количества воды в нижний бьеф приводит к излишним затратам электроэнергии и пресной воды, затрачиваемой на подъ?м. Данный способ аналогичен предыдущему.

Способ, подачи воздуха в нагнетательный трубопровод для уменьшения напора и подачи тоже экономически неэффективен, так как изменяются кавитационные свойства насосов, и они почти не создают полезной работы.

При авторегулировании (изменении статической составляющей напора) напор насоса зависит от разности уровней воды в нижнем и верхнем бьефах. Однако в поверхностных источниках уровень воды постоянно изменяется, так как зависит от гидрологического режима источника. Данный способ регулирования не обеспечивает качественного решения задач оптимизации управления.

Регулировка с использованием гидромуфт (емкость, скрепленную арматурой с агрегатом-турбиной, устанавливаемым отдельно) не нашла широкого применения, так как гидромуфты имеют относительно большие габаритные размеры, их ремонт и эксплуатация трудоемки и сложны, гидромуфты подвержены износу, имеют низкий КПД.

Следующий способ – ступенчатое регулирование насосной станции.

Для обеспечения заданного режима выполняют подключение дополнительных насосных агрегатов или их отключение. Данный способ не требует установки дополнительных регулирующих устройств, поэтому характеризуется простотой управления. Недостатками является неспособность метода осуществлять качественное непрерывное управление.

В процессе регулирования возможен частый перепуск двигателей, что снижает их срок службы. Возникает необходимость в строительстве промежуточного гидравлического резервуара, осуществляющего сглаживание подачи НС. Возможна длительная работа электроприводов в неоптимальном режиме, в результате чего снижается КПД НС.

Подключение насосов в параллельную работу необходимо, когда нет возможности обеспечить требуемую подачу одним насосом. При этом напоры насосов должны быть одинаковы, а задвижки у остановленных насосных агрегатов должны быть закрыты. Этот способ приводит к изменению напора рывками. Уменьшение величины шага осуществляют, подбирая несколько насосов для замены одного (разменные агрегаты), при этом по сумме подач разменные агрегаты равны заменяемому насосу.

При способе саморегулирования насосы эксплуатируются в режиме с малым кавитационным запасом. Способ применим там, где давление жидкостей приблизительно равно давлению паров (нагретые жидкости).

Насос работает в таком режиме при начальной стадии кавитации. Изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на входе в рабочее колесо насоса не вызывает значительного изменения КПД при повороте угла лопаток в пределах ±40° , подача при этом изменяетя приблизительно на 30% . Зона неустойчивой работы может быть сужена установкой входного направляющего поток аппарата, который бы создавал благоприятные условия обтекания лопастей рабочего колеса в режимах неполной нагрузки.

Регулирование при помощи поворотных направляющих лопаток направляющего устройства на выходе из рабочего колеса насоса заключается в изменении потерь на удар струи жидкости при входе в направляющий аппарат насоса. При этом пределы регулирования ограничены, так как угол между направляющими лопатками и направлением струи имеет достаточно малую. Равенство этого угла нулю означает безударный вход струи в направляющее устройство.

Регулирование возможно также и изменением ширины рабочего колеса насоса, что усложняет его конструкцию и удорожает обслуживание.

Возможна также подрезка рабочего колеса, этот метод требует вмешательства в конструкцию насоса, усложняет дальнейший ремонт и взаимозаменяемость насосов.

Метод регулирования изменением ширины открытия поперечного сечения каналов рабочего колеса является долговременным, так как применение его при работе насоса невозможно.

Снижение КПД насосной станции, эксплуатационных характеристик технологического оборудования приводит к сокращению насосной станции, для которых используются вышеописанные методы регулирования.



Косвенные способы энергосбережения электроприводами.



В системах с переменной загрузкой, каковыми являются, в том числе и насосные станции оборотного водоснабжения, центробежные насосы при проектировании рассчитываются на максимальную производительность (в т.ч. с учетом возникновения экстремальных ситуаций - пожаров, аварий в сети и т.п.). Установка в целом должна иметь максимальный КПД в номинальном режиме. Режимная точка насоса при этом находится на пересечении характеристики насоса «Расход» Q - «Напор» H и характеристики системы (трубопровода). Во всем рабочем диапазоне достигаемый КПД электропривода существенно зависит от применяемого способа регулирования.

Полное же отсутствие регулирования при пониженных расходах воды обычно приводит к росту давления в системе в моменты снижения водопотребления, а это приводит:

- потеря энергии на создание избыточного давления (тот уровень давления,

который поддерживается электронасосами, может быть значительно снижен);

- потеря перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках (при снижении водопотребления конечными потребителями возрастает давление в системе, что увеличивает потери воды). Так, например, по статистическим наблюдениям, рост давления в трубопроводе на 1 атмосферу, вызывает соответствующее увеличение потерь воды на 2-7 % (для трубопроводов, находящихся в аварийном режиме, увеличение потерь существенно выше);

- износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов.

По этой причине при проектировании систем с электроприводами в течение последних десятилетий в проекты закладывались возможности регулирования подачи воды (воздуха) с помощью доступных на то время способов, являющихся косвенными по отношению к электроприводу, поскольку регулирование силы потока осуществляется не самим электродвигателем, а специальными устройствами. Среди таких способов можно отметить следующие:



Регулирование потока с помощью вихревых клапанов.



Клапаны завихрения изменяют параметры потока жидкости на всасывающей стороне насосов. Благодаря результирующему изменению характеристики аппарата устанавливаются новые рабочие точки на характеристике системы (меньшие значения напора Н и расхода Q). Однако при этом происходит снижение КПД установки.



Регулирование потока с помощью дроссельных клапанов.



При дросселировании регулирование расходы осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода при помощи запорной арматуры (шиберы, вентили, задвижки и т.п.), в результате чего изменяется характеристика системы. Возникающие при этом в запорной арматуре потери преобразуются в тепловую энергию, а электропривод тратит энергию на преодоление противодавления заслонки. При этом повышение давления приводит к утечки жидкости и приводит к износу оборудования.

Таким образом, регулирование потока с помощью дроссельного клапана является регулированием за счет потерь, поэтому с энергетической точки зрения оно еще менее предпочтительно, чем регулирование вихревыми клапанами.

В дополнение к данному способу регулирования, можно отметить, что это очень ненадежный и грубый метод регулирования. Задвижки, заслонки находятся в постоянном контакте с жидкостью, коррозируют, что приводит к разрушению механических циклов закрытия-открытия. Выставление  определенной подачи дросселированием практически невозможно из-за грубости механической системы и неадекватности её реакции на управляющее воздействие, и от нелинейности зависимости подачи от сужения трубопровода.



3.1.3. Регулирование байпасом.



С помощью байпаса ответвляется часть потока и возвращается на всасывающую сторону насоса или вентилятора. Этот способ регулирования подходит исключительно для осевых насосов и вентиляторов с повышающим количеством транспортируемой жидкости или воздуха. У радиальных насосов и вентиляторов с повышенным потреблением мощности при повышенном количестве транспортируемой жидкости и воздуха достигаемый КПД хуже, чем у всех других описанных здесь способах регулирования.



3.1.4. Регулирование путем включения/ выключения (прерывистое регулирование).



При данном способе урегулировании изменения расхода обеспечивается коммутация в гидросистемы различного количества насосов. Если один насос не обеспечивает необходимого расхода, то в параллель к нему включается второй, третий и т.д.

Этот способ достаточно часто используется в настоящее время. У данного способа регулирования имеется недостаток это его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным за счет его слишком грубой дискретности, а это потери энергии и перекачиваемой жидкости. Включение и выключение насосов приводит к постоянным гидроударам в системе, что вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5-7 кратные, относительно номинала, скачки тока в электроцепях, что также вредно сказывается на ресурсе электрооборудования.

Чтобы компенсировать дискретность процесса, используется накопитель, например, напорный или сборный резервуар. Если этот накопитель не был предусмотрен технологической схемой, то требуются большие инвестиции. Другой существенный недостаток состоит в большом количестве контактной и силовой аппаратуры, что ухудшает показатели системы. Известно также, что при таком регулировании обмотка двигателя разрушается значительно быстрее, чем при постоянной работе, из-за механического напряжения, возникает в обмотках двигателя при пуске.

Отсутствие регулирования или применение этих устаревших методов приводит к существенным потерям электроэнергии и снижению ресурса оборудования.

Тем не менее, ни один из выше перечисленных способов регулирования расхода жидкости и сокращения энергопотребления электроприводом не в состоянии обеспечить оптимальную работу электропривода в сочетании с поддержанием необходимого давления в трубопроводе и эффективным расходованием электроэнергии.

Единственный существующий для одновременного достижения всех этих целей способ - регулирование путем изменения числа оборотов вала электропривода.

Ниже отображены примерные PQ - характеристики (т.е. оптимальное соотношение мощности двигателя в зависимости от расхода воды) одного и того же электродвигателя, работающего в системе, регулируемой перечисленными выше способами. На данном графике показаны значения PQ - характеристик при разных уровнях напора (давления) воды и ее расхода:



Рисунок 3.1. Диаграмма зависимости КПД электропривода в зависимости от

применяемого способа энергосбережения.



Как показано на этом графике, только частотное регулирование способно

обеспечить минимальную мощность двигателя при минимальном расходе воды.

Для любого способа регулирования оптимальное соотношение PQ  характеристики наступает при достижении нормативного (100 %) расхода воды и одновременно нормативного давления системы (100%), когда КПД двигателя приближается к 1.

Как уже отмечалось выше, значение КПД электропривода напрямую определяет потребляемую им мощность, согласно следующей формулы:

Соответственно, и расходуемая на поддержание данной мощности электроэнергия тем меньше, чем выше КПД. Такое соотношение обеспечивается только при изменении скорости вра.......................