PRIMENA REGULISANIH ELEKTROMOTORNIH POGONA U CRPNIM STANICAMA SISTEMA VODOSNABDEVANJA

Vladimir Ćuk, Aleksandar Nikolić, Elektrotehnički institut "Nikola Tesla", Beograd Borislav Jeftenić, Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu

Sadržaj - U radu je opisana analiza rada pumpnih sistema kada se napajaju pomoću regulisanih elektromotornih pogona. Rezultati analize predstavljaju deo detaljnog elektroenergetskog bilansa koji je sproveden u okviru projekta Ministarstva nauke i zaštite životne sredine br. I.EE403-1035V pod nazivom "Racionalizacija potrošnje električne energije na crpnim stanicama sistema vodosnabdevanja primenom regulisanih elektromotornih pogona". Projekat je rađen za potrebe Beogradskog vodovoda, a metodologija ovih istraživanja je primenljiva i na crpne stanice drugih sistema vodosnabdevanja. Rezultati dobijeni simulacijom i na osnovu podataka iz realnog industrijskog sistema potvrđuju ispravnost prikazane analize. 1. UVOD Pumpni sistemi učestvuju sa skoro 20% u potrošnji električne energije svih elektromotornih pogona. U nekim granama industrije oni predstavljaju 25% do 50% ukupne potrošnje električne energije [1]. Prilikom projektovanja, pumpa i elektromotor se uvek dimenzionišu prema vršnom opterećenju koje se očekuje u periodu eksploatacije. Vršno opterećenje je obično znatno veće od prosečnog, zbog čega je potrebno regulisati protok u sistemu. Protok je moguće regulisati promenom brzine obrtanja rotora ili menjanjem karakteristika sistema prigušnim ventilima ili obilaznim linijama. Regulacija pomoću ventila ili prigušnih linija je neekonomična i zahteva održavanje ove opreme. I pored toga, nekada su ovakva rešenja bila standardna u pumpnim sistemima. Elektromotorni pogoni sa jednosmernim motorima, koji su i ranije bili pogodni za regulaciju brzine, su izbegavani zbog veće cene održavanja i nemogućnosti korišćenja u sistemima velikih snaga (reda 1MW i više). Zato su korišćeni pogoni sa asinhronim motorima, koji su bili neregulisani ili sa promenljivim brojem pari polova (dvobrzinski motori). Dvobrzinski motori su obezbeđivali jako grubu regulaciju protoka, zbog čega je bilo neophodno koristiti i prigušne ventile [1]. Razvoj frekventnih pretvarača je omogućio kontinualnu regulaciju brzine asinhronih motora. U većini slučajeva moguće je ostvariti velike uštede energije izbegavanjem primene neekonomične opreme za regulaciju protoka. Frekventni pretvarač povećava gubitke električnog sistema za nekoliko procenata, ali može da smanji mehaničku snagu značajno, što u slučaju jedne pumpe dostiže i 50%. U slučaju rada više paralelno spregnutih pumpi nije moguća ovako velika ušteda, ali je upotreba frekventnih regulatora i dalje ekonomski opravdana [2],[3].

2. KARAKTERISTIKE PUMPNIH SISTEMA Da bi se shvatilo ponašanje pogona sa pumpama nije dovoljno posmatrati samo pumpu kao opterećenje, mora se posmatrati pumpa u interakciji sa ostatkom sistema. U industriji postoje brojne konfiguracije sistema. Crpne stanice, na primer, obično imaju više pumpi. Neke od njih služe kao rezerva, dok ostale mogu raditi povezane redno ili paralelno. U određenim slučajevima je opravdano posmatrati rad samo jedne pumpe, a ponekad se moraju uzeti u obzir i efekti sprezanja pumpi. Zbog manje rasprostranjenosti, kao i lošijih efekata pri brzinskoj regulaciji, ovde nisu analizirane zapreminske pumpe. Analizirane su samo centifugalne pumpe, koje čine jednu podvrstu rotodinamičkih pumpi i u praksi su najrasprostranjenije. Na slici 1 je prikazana karakteristika napor – protok jedne centrifugalne pumpe.

Sl. 1. Karakteristika pumpe

Serijska sprega pumpi se koristi kada jedna pumpa ne može da obezbedi dovoljan napor, a korišćenje jedne veće pumpe nije izvodljivo. Efekat koji se postiže serijskim sprezanjem pumpi je sabiranje njihovih napora pri istom protoku. U industriji se mnogo češće primenjuje paralelna sprega. Cilj paralelnog sprezanja pumpi je dobijanje većeg protoka pri istom naporu. Zato se paralelna sprega često koristi u sistemima u kojima se zahtevani protok menja u širokim granicama. Takvi su mnogi sistemi vodosnabde-vanja, naročito vodovod kod koga se potrošnja menja u toku dana kao i sezonski. Kada se pumpe spregnu paralelno, ukupni protok se dobija kao suma pojedinačnih protoka, pri istom naporu koji je zajednički za sve njih. Karakteristika dve paralelno spregnute pumpe je prikazana na slici 2.

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom I Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. I

380

Sl. 2. Karakteristika paralelno spregnutih pumpi

Napor koji pumpa treba da ostvari ima dve komponente: statičku (konstantnu) i dinamičku (srazmernu kvadratu protoka). Kada se brzina obrtanja pumpe promeni, karakteristika pumpe se pomera u H-Q ravni. Zakoni koji opisuju to pomeranje karakteristike nazivaju se zakonima sličnosti [4].

1

212 n

nQQ ⋅= (1)

2

1

212 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

nnHH

(2)

3

1

212 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

nn

PP (3)

Karakteristika pumpe se obično aproksimira polinomom drugog reda: (4) CQBQAH +⋅+⋅= 2

Iz jednačina (1), (2) i (4) je moguće dobiti karakteristiku pumpe pri promenljivoj brzini [5]:

( )

2

11

2, ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅⋅+⋅=

nnC

nnQBQAH nQ

(5) Na slici 3 su prikazane karakteristike pumpe pri različitim brzinama i preseci tih karakteristika sa krivom sistema koja ne zavisi od brzine obrtanja.

Sl. 3. Pomeranje radne tačke pri promeni brzine pumpe

Usled smanjenja brzine, radna tačka pumpe se spušta niz karakteristiku sistema. Prilikom pomeranja radne tačke se smanjuju i protok i napor. Posledica ovog smanjenja je i

smanjenje snage koju pumpa koristi [6]. U stacionarnom stanju, mehanička snaga na vratilu pumpe se računa kao:

η

ρ

⋅

⋅⋅=

2.102

][][][][

33

mkg

smQmH

kWP (6)

gde je ρ gustina fluida, a η stepen korisnog dejstva pumpe. 3. MODEL ELEKTROMOTORNOG POGONA PUMPE Matematički model elektromotornog pogona pumpe napravljen je u programu Matlab/Simulink. Model se sastoji od blokova elektromotornog pogona, pumpe, cevovoda sa ventilom i Njutnove jednačine koja spreže ova tri bloka. U slučaju neregulisanog pogona, blok Elektromotorni pogon čini model asinhronog motora koji se direktrno priključuje na mrežu. U slučaju regulisanog pogona, ovaj blok je sastavljen od PI regulatora i kašnjenja prvog reda, čime je idealizovano predstavljen pogon sa vektorskim upravljanjem ili direktnom kontrolom momenta [7],[8]. Blok Pumpa sadrži samo hidraulički podsistem pumpe. Mehanički podsistem pumpe se nalazi u okviru Njutnove jednačine. Polazna pretpostavka u modelovanju hidrauličkog podsistema je da ni u jednoj tački sistema nema kavitacije, i da se tečnost kreće laminarno. U tom slučaju, zbog velike inertnosti hidrauličkog sistema, dovoljna tačnost se postiže korišćenjem kvazistacionarnog modela pumpe [9],[10]. Nestacionarni model koji bi obuhvatio režime sa kavitacijom i turbulentnim kretanjem je veoma komplikovan i obično se dobija putem eksperimenta. Blok Cevovod sa ventilom je sačinjen od dve jednačine: zakona održanja mase i energetske jednačine. U ovom bloku se proračunava kompletan napor koji pumpa mora da ostvari, tj. njegove komponente koje predstavljaju kinetičku energiju, rad koji menja pritisak fluida, potencijalnu energiju i rad sile trenja, a takođe se sračunava i sila kojom masa fluida deluje na lopatično kolo pumpe [9],[11]. 4. REZULTATI ISTRAŽIVANJA

4.1. Rezultati simulacije

Rezultati simulacije u programu MATLAB/SIMULINK su dati uporedno za slučajeve sistema sa neregulisanim i regulisanim elektromotornim pogonom, respektivno. Na ovaj način su istaknute prednosti brzinski regulisanih pogona u pumpnim sistemima.

Sl. 4. Brzina u slučaju neregulisanog (a) i regulisanog

pogona (b) sa referentnom brzinom od 0.8 r.j.

381

Sl. 5. Protok u slučaju neregulisanog (a)

i regulisanog pogona (b)

U slučaju neregulisanog pogona, mehanička snaga iznosi 0.91 r.j. Regulisani pogon sa referentnom brzinom od 0.8 r.j. razvija mehaničku snagu od 0.575r.j., što je za 36.8% manje nego u slučaju neregulisanog pogona.

Sl. 6. Moment motora u slučaju neregulisanog (a)

i regulisanog pogona (b)

Sl. 7. Mehanička snaga u slučaju neregulisanog (a)

i regulisanog pogona (b)

4.2. Eksperimentalni rezultati Eksperimentalna verifikacija istraživanja je obavljena u Beogradskom vodovodu i to na četiri crpne stanice (Topčider, Vračar, Bežanija, Studentski grad) [12]. Parametri koji su korišćeni u analizi su protok, pritisak, električna snaga, parametri pumpi i sistema. Podaci o pritiscima i protocima na posmatranim crpnim stanicama su dobijeni sa savremene procesne opreme, pri čemu se svi podaci skupljaju u dispečerskom centru u jedinstvenu bazu podataka. Vreme između dva merenja iznosi 15 minuta, a vremenska osa je sinhronizovana sa satom tačnog vremena tako da su podaci dobijeni sa digitalnih brojila električne energije u korelaciji sa izmerenim vrednostima pritisaka i protoka. Na sledećim slikama su prikazani pritisci i protoci na crpnoj stanici Topčider 2, uzeti za jedan mesec (Novembar 2004.) zbog bolje observacije [12].

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

Q [l/s]

Sl. 8. Trenutni protok u CS Topčider – novembar 2004.

12.2

12.4

12.6

12.8

13

13.2

13.4

13.6

13.8

14

14.2

p [bar]

Sl. 9. Trenutni pritisak u CS Topčider – novembar 2004.

0

500

1000

1500

Psr [kW]

Sl. 10. Srednja električna snaga za CS Topčider

novembar 2004.

382

4.3. Energetska efikasnost regulisanog pogona pumpe

Na pumpama se mogu ostvariti znatne uštede u električnoj energiji primenom frekventnog pretvarača i izbacivanjem regulacionog ventila. Savremeni elektromotorni pogoni osim funkcije regulisanja brzine motora vrše i funkciju zaštite motora (prekostrujna, temperaturna, zaštita od ispada faze, i dr.) i dodatna merenja i upravljanja, tako da je moguće direktno zadavanje brzine na osnovu merene veličine iz procesa (pritiska, temperature ili protoka). Na ovaj način je moguće signal sa merača protoka vode direktno dovesti u frekventni regulator koji bi, osim funkcije upravljanja motorom i njegovog boljeg iskorišćenja, vršio i funkciju regulacije protoka vode. Tako bi, ukoliko je potrebno smanjiti protok vode, frekventni regulator odredio potrebnu vrednost brzine motora nižu od nominalne kojom se motor obrće pri direktnom napajanju sa mreže. Kako je karakteristika pumpe kao opterećenja kvadratnog tipa, a odnos snaga motora pri različitim brzinama jednak trećem stepenu odnosa brzina, to znači da bi smanjenje brzine (protoka) za npr. 20% dovelo do smanjenja snage od 50%, odnosno značajne uštede u električnoj energiji. Eliminisanjem regulacionog ventila se dodatno štedi i deo energije koji otpada na pad pritiska na ventilu. U sledećim tabelama je na primeru crpne stanice Topčider data komparativna analiza potrošnje električne energije motora 6kV, 700kW koji pogoni pumpu snage 589kW kada je direktno priključen na napojnu mrežu i kada je spojen na frekventni pretvarač. Pri tome je profil opterećenja u procentima dobijen na osnovu akvizicionih merenja protoka [12].

Tabela 1. Komparativna analiza upravljanja pumpom Energija (kWh) potrebna za

napajanje motora 700kW Protok

(%) Sati (%)

Radni sati (čas) Sa ventilom Sa Frekventnim

35 12 561 347.621 121.939 86 15 720 446.144 383.451 89 16 744 461.016 411.547 81 16 744 461.016 371.627 55 14 672 416.401 228.170 68 16 744 461.016 313.595 31 13 611 378.603 115.531 100 4796 2.971.818 1.945.859

Procenjena ušteda na osnovu podataka iz Tabele 1 iznosi: 1.025.959kWh, odnosno 24.931€ prema cenama iz Februara 2006. i prosečnog kursa 87din/€. Navedena analiza je pokazala nedvosmisleno potencijal za primenu regulisanih elektromotornih pogona u crpnim stanicama, ali je za donošenje konačnog zaključka i predloga mera u okviru projekta izvršena komparacija rešenja sa niskonaponskim i visokonaponskim frekventnim pretva-račima. 5. ZAKLJUČAK U radu su prikazani rezultati detaljne analizе sprovedene sa ciljem da se regulisani elektromotorni pogoni primene u crpnim stanicama sistema vodosnabdevanja. Rad predstavlja deo projekta Ministarstva za nauku i zaštitu životne sredine čiji je cilj da pokaže kolike su potencijalne

uštede električne energije na crpnim stanicama primenom regulisanih elektromotornih pogona. Svetska iskustva govore da su moguće uštede oko 20%, ali da se u pojedinim slučajevima kreću od 5% pa do čak 50%, što se poklapa sa rezultatima dobijenim simulacijom na matematičkom modelu pogona a takođe i na osnovu podataka iz realnog sistema. U okviru projekta su predstavljene i ostale pogodnosti koje se dobijaju uvođenjem regulisanih elektromotornih pogona u sistem vodosnabdevanja, kao i detaljna ekonomska analiza potrebnih investicija sa vremenom povraćaja uloženih sredstava. LITERATURA [1] Hydraulic Institute, Europump, U.S. Department of

Energy, Variable Speed Pumping, Washington D.C., 2004.

[2] Good Practice Guide 249, Energy savings in industrial water pumping systems, London, 1998.

[3] D. E. Rice, "A Suggested Energy–Savings Evaluation Method for AC Adjustable–Speed Drive Applications", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 24, No. 6, November/December 1988.

[4] Lj. Krsmanović, A. Gajić, Turbomašine – Pumpe, Mašinski fakultet, Beograd, 1996.

[5] M. Babić, S. Stojković, Osnove turbomašina, Naučna knjiga, Beograd, 1990.

[6] G. S. Bolegoh, Pumps, Ontario Power Generation, Canada, 2001.

[7] P. C. Krause, Analysis of Electric Machinery, McGraw – Hill, New York, 1986.

[8] J.M.D.Murphy, F.G.Turnbull, Power Electronic Control of AC Motors, Pergamon Press, Oxford, 1988

[9] B. E. Larock, R. W. Jeppson, G. Z. Watters, Hidraulics of Pipeline Systems, CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington D.C., 1999.

[10] C. E. Brennen, Hydrodynamics of Pumps, Oxford University Press, Oxford, 1994.

[11] Z. Protić, M. Nedeljković, Pumpe i ventilatori –Problemi, rešenja, teorija, Mašinski fakultet, Beograd, 2002.

[12] Elektrotehnički Institut "Nikola Tesla", Detaljni energetski bilans za električnu energiju, Projekat MNZSS broj I. EE403-1035V, Beograd, 2006.

Abstract – Analysis of the water supply pump systems fed by a variable-speed drives is presented in the paper. Results of analysis are the part of detail energy audit performed for the project financed by Ministry of science and enviromental protection, No. I.EE403-1035V titled "Rationalisation of energy efficiency in water supply pump stations". Project is accomplished in Belgrade Municipal Water Utilities and methodology of these researches is applicable to the other pump stations in similar water supply systems. Results obtained by simulation and from a real system confirm exactness of performed analysis.

APPLICATION OF ADJUSTABLE SPEED DRIVES IN WATER SUPPLY PUMP SYSTEMS

Vladimir Ćuk, Aleksandar Nikolić, Borislav Jeftenić

383

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 2.00333 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages false /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 600 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.00167 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile (None) /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /False

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice