Раціональні режими роботи насосних електроприводів за умов частотного та комбінованого регулювання

Abstract

У роботі досліджено раціональні режими роботи насосних електроприводів систем водопостачання в умовах змінного добового водоспоживання з метою підвищення їх енергетичної ефективності. Актуальність дослідження зумовлена значною часткою насосних установок у загальному балансі електроспоживання промислового та комунального секторів, зростанням вартості енергоресурсів і необхідністю впровадження енергоощадних технологій. Показано, що традиційні способи регулювання подачі рідини не забезпечують належної енергоефективності та стабільності роботи в умовах нерівномірного водоспоживання. На основі аналізу сучасних наукових публікацій встановлено, що більшість досліджень ґрунтується на ідеалізованих моделях і не враховує реальні умови експлуатації насосних станцій, зокрема добові коливання навантаження та втрати в гідротранспортній системі. У роботі виконано порівняльну оцінку ефективності нерегульованого, частотного та комбінованого способів керування насосними електроприводами. Методика дослідження включала інженерні розрахунки з використанням законів гідродинамічної подібності та експериментальне узагальнення добових режимів роботи насосної станції. Зазначено, що математичне моделювання застосовувалося для попередньої оцінки тенденцій зміни енергоспоживання і не претендує на абсолютну точність через неврахування гідравлічних втрат. Встановлено, що застосування частотного регулювання дозволяє знизити середню питому енергоємність до 0,30–0,33 кВт·год/м³, а мінімальні значення (0,12–0,13 кВт·год/м³) досягаються в години пікового водоспоживання. Найвищу ефективність продемонструвала комбінована схема керування, за якої середня питома енергоємність зменшується до 0,13–0,15 кВт·год/м³, що відповідає економії електроенергії 55–60% порівняно з нерегульованим режимом. Отримані результати підтверджують доцільність використання частотного та комбінованого регулювання насосних електроприводів і можуть бути застосовані для попереднього техніко-економічного обґрунтування модернізації насосних станцій. Разом із тим результати не призначені для прямого прогнозування економічного ефекту без урахування конкретних параметрів гідротранспортної системи та складу обладнання.

The problem of improving the energy efficiency of pumping installations in water supply systems remains one of the key challenges of modern energy engineering, as such installations account for a significant share of electricity consumption in industrial and municipal sectors. Rising energy prices, increasing environmental requirements, and the need to implement energy-saving technologies determine the relevance of research in this area. Analysis shows that most pumping stations in Ukraine still operate with unregulated induction motors using direct-on-line starting, which results in excessive electricity consumption, hydraulic shocks, high starting currents, and accelerated equipment wear. Traditional flow control methods, such as throttling and stepwise control, do not meet current energy efficiency and operational stability requirements under conditions of variable water demand. Purpose. The purpose of this study is to improve the efficiency of pump electric drives by substantiating rational operating modes through the application of frequency-controlled and combined control schemes under variable daily water consumption. Methodology. A comprehensive approach was employed, including engineering calculations of energy consumption, mathematical modeling based on the laws of hydrodynamic similarity, and experimental generalization of daily operating modes of pumping stations. It is emphasized that the mathematical modeling was used for a preliminary assessment of energy consumption trends and does not claim absolute accuracy due to the neglect of hydraulic losses in the pump and the hydraulic transport system. Scientific novelty. For the first time, rational daily operating modes of pump electric drives under variable water consumption conditions have been comparatively substantiated by integrating frequency-controlled and combined control schemes, allowing a quantitative assessment of their energy efficiency and operational advantages. Results. It was established that the application of frequency control reduces the average specific energy consumption to 0.30–0.33 kWh/m³, with minimum values of 0.12–0.13 kWh/m³ achieved during peak water consumption periods. The combined control scheme, involving two pumping units operating in frequency-controlled and fixed-speed modes, demonstrated the highest efficiency, with an average specific energy consumption of 0.13–0.15 kWh/m³, corresponding to electricity savings of 55–60% compared to the unregulated operating mode. Practical value. The obtained results can be used for preliminary technical and economic justification of modernization projects for pumping stations in municipal and agro-industrial sectors. At the same time, the results are not intended for direct prediction of economic effects without considering the specific parameters of the hydraulic transport system and equipment configuration.