Дросселирование и частотное регулирование: выбор способа управления

Дросселирование и частотное регулирование нельзя сравнивать только по принципу «старый способ против более современного». Выбор зависит от характеристики сети, фактического диапазона расходов, требуемого напора, продолжительности разных режимов и того, где именно возникают потери управления.

Если расход меняется редко и в узком диапазоне, один вариант может оказаться рациональным. Если система длительно работает при переменной нагрузке и часть создаваемого напора регулярно теряется на регулирующей арматуре, вывод может быть другим. Поэтому сначала определяют рабочие точки и гидравлическую задачу, а уже затем сравнивают способы управления.

В чём принципиальная разница между способами регулирования

При дросселировании требуемый расход получают за счёт изменения сопротивления сети. Насос продолжает создавать напор, а регулирующий элемент изменяет рабочую точку системы.

При частотном регулировании производительность изменяется за счёт изменения режима работы привода и самого насоса.

Для энергетического сравнения важно не название технологии, а то, как каждый способ влияет на:

фактический расход;
создаваемый напор;
перепады давления;
рабочую точку;
электрическую мощность;
продолжительность характерных режимов.

Какие данные нужны до выбора способа управления

Корректное сравнение невозможно только по номинальным параметрам двигателя или насоса. Необходимы фактические данные системы.

В первую очередь собирают:

расход в характерных режимах;
напор и перепады давления;
электрическую мощность насосов;
характеристику сети;
положение регулирующей арматуры;
графики работы;
число одновременно работающих агрегатов;
описание периода и нагрузки, к которым относятся измерения.

Если эти данные относятся к разным режимам, сначала их необходимо привести к сопоставимой измерительной границе.

Первый критерий — фактическая характеристика сети

Характеристика сети определяет, как меняется требуемый напор при изменении расхода. Именно поэтому одинаковое снижение производительности может давать разный энергетический результат в разных системах.

При анализе проверяют:

какой напор требуется при максимальном расходе;
как изменяется потребность при снижении расхода;
какие сопротивления формируют рабочую точку;
где возникают основные перепады давления;
как меняется положение арматуры;
какая часть создаваемого напора фактически используется.

Без этой информации нельзя корректно оценивать эффект изменения способа регулирования.

Второй критерий — диапазон регулирования расхода

Способ управления нужно выбирать не для одной точки, а для того диапазона, в котором система реально работает.

Необходимо определить:

минимальный характерный расход;
типовой рабочий расход;
максимальный расход;
продолжительность каждого режима;
частоту переходов между режимами;
связь изменения расхода с эксплуатационной нагрузкой.

Если нагрузка практически постоянна, значительное регулирование может требоваться редко. Если расход регулярно изменяется, способ управления необходимо оценивать по всему рабочему диапазону.

Как дросселирование меняет рабочую точку

При дросселировании изменение положения регулирующей арматуры изменяет сопротивление сети. В результате рабочая точка смещается, а часть создаваемого насосом перепада давления может приходиться непосредственно на регулирующий элемент.

Для оценки такого режима фиксируют:

расход;
напор насоса;
перепад давления на регулируемом участке;
положение арматуры;
электрическую мощность;
продолжительность режима.

Сам факт прикрытой арматуры не доказывает значительный энергетический перерасход. Необходимо определить величину и продолжительность соответствующего режима.

Что означают потери управления при дросселировании

В практическом анализе важно определить, какая часть создаваемого напора необходима полезной гидравлической задаче, а какая возникает из-за выбранного способа регулирования.

Если насос создаёт повышенный напор, а затем значительная его часть устойчиво теряется на регулирующей арматуре, возникает основание проверить другой способ управления.

Но перед этим необходимо установить:

требуемый расход;
требуемый напор;
характеристику сети;
фактическую рабочую точку;
диапазон изменения нагрузки.

Без этих данных нельзя считать весь перепад на арматуре потенциальной экономией.

Как частотное регулирование меняет режим

При частотном управлении рабочая точка изменяется за счёт изменения режима насоса, а не только за счёт дополнительного сопротивления сети.

Для оценки необходимо сравнить:

фактический расход до изменения режима;
требуемый расход;
напор;
характеристику сети;
электрическую мощность;
частоту возникновения частичных нагрузок;
продолжительность каждого режима.

Само наличие частотного привода не гарантирует снижения энергопотребления. Результат определяется фактической гидравлической задачей и алгоритмом управления.

Почему частотное регулирование нельзя оценивать по номинальной мощности

Номинальная мощность двигателя показывает характеристику оборудования, но не описывает, сколько энергии система будет потреблять после изменения режима.

Для оценки нужно знать:

реальные рабочие точки;
диапазон расходов;
характеристику сети;
продолжительность разных нагрузок;
существующий способ регулирования;
электрическую мощность в фактических режимах.

Экономию от регулирования нельзя принимать по номинальным данным насоса без фактической характеристики сети и диапазона расхода.

Как сравнивать два способа на одной гидравлической задаче

Чтобы сравнение было корректным, оба варианта должны обеспечивать одинаковую полезную функцию системы.

Для каждой характерной нагрузки сравнивают:

требуемый расход;
требуемый напор;
рабочую точку при дросселировании;
рабочую точку при другом способе регулирования;
электрическую мощность;
продолжительность режима.

Если варианты обеспечивают разные расходы или разные условия у потребителей, прямое сравнение энергопотребления будет некорректным.

Почему избыточный напор особенно важен для выбора

Если насосная система систематически создаёт напор выше фактической потребности, необходимо установить, где этот избыток расходуется.

Возможные варианты:

перепад формируется на регулирующей арматуре;
сопротивление создаёт сама сеть;
работает избыточное число насосов;
рабочая точка не соответствует текущей нагрузке.

Только после локализации причины можно определить, способен ли другой способ регулирования изменить энергетический режим.

Как отличить дросселирование от высокого сопротивления сети

Высокий перепад давления может быть связан как с регулирующим элементом, так и с самой сетью. Для выбора решения это принципиально разные ситуации.

Проверяют:

где именно возникает перепад;
как меняется он при изменении расхода;
каково положение арматуры;
как меняется электрическая мощность;
сохраняется ли сопротивление при другом режиме регулирования.

Если основная гидравлическая нагрузка определяется самой сетью, изменение способа управления без устранения причины сопротивления может дать иной результат, чем ожидается.

Как частичная загрузка влияет на выбор

Частотное регулирование имеет смысл анализировать особенно внимательно там, где система значительное время работает при переменной или сниженной нагрузке. Но сама частичная загрузка не является достаточным основанием для решения.

Необходимо определить:

какой расход нужен в этих периодах;
какой напор требуется;
как долго продолжается режим;
какое число насосов работает;
как сейчас регулируется расход;
какую мощность потребляет оборудование.

Если частичный режим возникает редко, его вклад в общий энергетический результат может быть ограниченным.

Как параллельная работа насосов меняет выбор способа управления

В системе с несколькими агрегатами нельзя анализировать только один насос. Иногда изменение последовательности включения способно изменить рабочую точку всей группы.

Поэтому рассматривают:

число работающих агрегатов;
общий расход;
напор;
мощность каждого насоса;
момент подключения дополнительного агрегата;
способ регулирования каждого режима.

Если причина перерасхода связана прежде всего с неэффективной параллельной работой, замена только способа регулирования одного насоса может не решить задачу полностью.

Почему продолжительность режимов так же важна, как мощность

Энергетический эффект формируется не только величиной мощности, но и временем работы в каждом режиме.

Поэтому для сравнения полезно сформировать режимную таблицу:

расход;
напор;
мощность;
положение арматуры;
число насосов;
способ регулирования;
продолжительность режима.

Это позволяет не завышать значение редких режимов и не пропускать длительные частичные нагрузки.

Когда дросселирование может оставаться приемлемым решением

Само дросселирование нельзя объявлять неэффективным вне контекста. Его практическая оценка зависит от диапазона нагрузки и продолжительности регулирования.

Если:

расход меняется незначительно;
частичные режимы редки;
перепады на регулирующих элементах невелики;
система большую часть времени работает в одной рабочей точке;
другие способы управления не меняют существенно энергетический баланс,

то вывод должен учитывать именно эти фактические условия, а не общее предположение о преимуществе другой технологии.

Когда частотное управление требует отдельной проверки

Основание для более подробной оценки появляется, когда система:

работает в широком диапазоне расходов;
длительно находится на частичной нагрузке;
создаёт избыточный напор в сниженных режимах;
регулирует расход значительным дросселированием;
имеет переменную эксплуатационную потребность.

Но и в этих случаях сначала строят фактическую гидравлическую модель, а затем оценивают возможный режим управления.

Как учитывать режим двигателя

Электрическую нагрузку необходимо связывать с фактической гидравлической функцией. Поэтому при сравнении вариантов фиксируют не только расход и напор, но и электрическую мощность двигателя в каждом режиме.

Проверяют:

как мощность меняется при изменении расхода;
как она связана с напором;
как влияет положение арматуры;
как меняется нагрузка при работе нескольких насосов;
какова продолжительность режима.

Так можно сравнивать не теоретическое управление, а реальные энергетические состояния системы.

Как проверить результат после изменения способа управления

После внедрения нового режима необходимо подтвердить результат на сопоставимой гидравлической нагрузке.

Сравнивают:

расход до и после изменения;
напор;
перепады давления;
электрическую мощность;
число работающих агрегатов;
положение арматуры;
продолжительность характерных режимов.

Если вместе со способом регулирования изменилась сама нагрузка системы, полученную разницу энергопотребления нельзя полностью приписывать новому управлению.

Какие ошибки чаще всего искажают сравнение

Главная ошибка — считать частотное регулирование автоматически более эффективным без анализа фактической сети.

Также некорректно:

сравнивать способы по номинальной мощности;
не определять рабочие точки;
не учитывать характеристику сети;
игнорировать диапазон расходов;
не измерять перепады давления;
не учитывать положение арматуры;
не анализировать параллельную работу агрегатов;
сравнивать режимы с разной полезной гидравлической функцией;
принимать расчётный эффект за фактически подтверждённую экономию.

Практический порядок выбора способа управления

Определить границу насосной системы.
Собрать график фактической нагрузки.
Определить диапазон требуемого расхода.
Определить требуемый напор в характерных режимах.
Получить фактические расходы, напоры и перепады давления.
Зафиксировать электрическую мощность насосов.
Определить положение регулирующей арматуры.
Уточнить характеристику сети.
Определить фактические рабочие точки.
Выделить потери управления при дросселировании.
Проверить наличие избыточного напора.
Учесть число параллельно работающих агрегатов.
Определить продолжительность каждого характерного режима.
Смоделировать применимые варианты регулирования на одинаковой гидравлической задаче.
Сопоставить электрическую мощность вариантов.
Выбрать способ управления только после проверки всего рабочего диапазона.
После изменения режима подтвердить результат повторными измерениями.

Какой результат нужен для принятия решения

Практически полезный результат — гидравлическая и энергетическая модель, в которой дросселирование и частотное регулирование сопоставлены для одних и тех же рабочих точек по расходу, напору, перепадам давления, электрической мощности и продолжительности режимов.

Такая модель позволяет увидеть, где возникают потери управления, определить влияние характеристики сети и диапазона нагрузки, а также выбрать способ регулирования без универсального предположения о преимуществе одной технологии.

Граница вывода принципиальна: экономию от перехода на другой способ регулирования нельзя принимать по номинальным данным насоса. Без фактической характеристики сети, диапазона расходов, рабочих точек и продолжительности режимов корректным результатом является программа измерений и расчётного сравнения, а не неподтверждённая величина экономии.

Вернуться к разделу «Материалы»