Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0005
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Повышение энергоэффективности, надежности и долговечности гидравлического оборудования локальных Smart-систем водоснабжения
Докладчик
Волков Александр Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Интеграция российской науки и общеевропейской научно-исследовательской сферы, развитие кооперационных связей с учёными представителями Евросоюза, в частности, Центром Гидравлических Исследований «Sigma» и Департаментом гидроэнергетики им.Виктора Каплана Технического Университета Брно.
Создание научно-технического задела в области разработки энергоэффективного оборудования нового поколения для современных гидравлических систем, использующих Smart-технологии. Развитие новых подходов к проектированию элементов проточной части центробежных насосов, обеспечивающих расширение на 15...20% эффективной рабочей зоны, работающих в условиях локальных Smart-систем водо- и теплоснабжения на существенно переменных режимах.
Актуальность и новизна исследования
По данным РАПН суммарная доля потребления электроэнергии эксплуатирующимся насосным оборудованием превышает 20% всей вырабатываемой в стране электроэнергии, а в отрасли водоснабжения доля энергетических затрат достигает 50% себестоимости воды, отпускаемой потребителям. По данным европейской ассоциации Europump доля затрат на электроэнергию в жизненном цикле насосов достигает более 80%. Основной причиной малоэффективной эксплуатации насосов в системах водоснабжения является, помимо износа оборудования, неоптимального построения систем и человеческого фактора, объемы водопотребления, меняющиеся в больших пределах. Отклонение режимов работы насосов от расчетных приводят к существенному снижению КПД и, как следствие, перерасходу электроэнергии. Стремление снизить издержки на пути воды к потребителям привело к необходимости создания современных локальных Smart-систем горячего и холодного водоснабжения. При этом, данные системы предъявляют высокие требования к насосному оборудованию, определяющему возможность наиболее полной реализация энергосберегающего потенциала. По данным РАПН и зарубежных источников потенциал совершенствования характеристик лучших насосов за счет модернизации их конструкции традиционными, классическими путями на сегодня составляет для лучших моделей лишь 1…2%, т.е. практически полностью исчерпан, при традиционных подходах.
Необходимость повышения энергоэффективности насосов при "глубоком" (до 80%) регулировании в условиях ограничения потенциала классических конструкций привело к поиску решений в область новых геометрических форм проточной части насосов и к необходимости большее внимание уделять гидравлическим характеристикам всей системы.
Описание исследования

Достижение целей ПНИ сопряжено с выполнением ряда научно-технических задач. В частности, таких как выбор направлений исследований и анализ существующих на сегодняшний день научно-технических решений. Обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы позволил выделить следующие перспективные направления совершенствования насосного оборудования локальных Smart-систем водо- и теплоснабжения:

1. Совершенствование геометрии проточной части насоса, на основе изменения его лопастной системы.

    1.1. Минимизация диффузорности межлопастных каналов

   1.2. Применение решетки лопастей с переменным шагом (гетерогенной лопастной системы)

2. Улучшение свойств твердых поверхностей, взаимодействующих с перекачиваемой жидкостью, за счёт изменения смачиваемости

 

Минимизация диффузорности межлопастных каналов

Минимизация диффузорности межлопастных каналов (рисунок 1) является эффективным методом снижения вихревых потерь при малых подачах. Так за счёт уменьшения ширины межлопастного канала выравнивается профиль скорости, а изменение угла раскрытия криволинейного канала снижает разность относительных скоростей на рабочей и тыльной сторонах лопасти. При этом расширяется рабочий диапазон насоса, при котором в межлопастном канале отсутствуют обратные течения. Варьированием степенью диффузорности межлопастного канала можно достигнуть различных эффектов. Одной из главных сложностей при этом является то, что с уменьшением ширины межлопастного канала происходит повышение скоростей в проточной части насоса и, как следствие, увеличение потерь на гидравлическое трение. Следует также обратить внимание и на то, что обеспечить желаемую диффузорность можно различными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

а) – исходное рабочее колесо        б) – модернизированное рабочее колесо

Рисунок 1 – Построение межлопастного канала с уменьшенной диффузорностью

 

 Применение решетки лопастей с переменным шагом

Концепция переменного шага (рисунок 2) базируется на идеях перераспределения преимущественно ударных потерь на входе в лопастную систему рабочего колеса во всём рабочем диапазоне. Реализация подобных решений предполагает использование новых подходов при проектировании. В частности, лопастная система насоса рассчитывается не на одну точку (Qрасч,Hрасч), а на требуемую область подач (Q(Q1, Q2...Qn), H(H1, H2...Hn)). Таким образом формируемая гидродинамическая решётка имеет разные углы наклона и ширину каналов. Как следствие расширяется рабочая зона насоса. При этом вблизи оптимума ηopt может иметь место локальное снижение КПД, однако его значения на границах расчётного диапазона подач Qmin и Qmax  возрастают. Таким образом среднеинтегральный КПД насоса с гетерогенной лопастной системой оказывается выше, чем у аналогов с классической (гомогенной) лопастной системой:

Рисунок 2 – Построение лопастной системы с переменным шагом

 

Улучшение свойств твердых поверхностей, взаимодействующих с перекачиваемой жидкостью, за счёт изменения смачиваемости

Модификация поверхностей проточной части на основе явления смачиваемости является перспективным способом модернизации гидравлического оборудования, как для производителей, так и для эксплуатирующих организаций. Основным достоинством такой модернизации является сохранение без изменения геометрии рабочих элементов проточной части и конструкции насоса в целом. Следует отметить, что модернизация может быть осуществлена двумя путями:

- улучшение энергетических характеристик насоса (повышение общего уровня КПД);

- уменьшение затрат на прокачку рабочей среды за счёт снижения сопротивления гидросистемы. 

Результаты исследования

Реализация предлагаемых научно-технических решений осуществлялась в соответствии с разработанными планами и методиками, позволившими наиболее эффективно выполнить следующие основополагающие задачи ПНИ:

- выполнение расчётно-теоретического обоснования возможности и целесообразности использования выбранных перспективных направлений модификации геометрии проточной части центробежных насосов для локальных smart-систем водоснабжения;

- разработка теоретических основ расчёта новых центробежных насосов с расширенной рабочей зоной;

-расчётные исследования влияния модификаций геометрии и степени смачиваемости проточной части насосов на их рабочую зону

- моделирование параметрических вариаций геометрии лопастной системы;

-выполнение расчётно-экспериментальных исследований характеристик насосов с расширенной рабочей зоной при условии минимизации опытных образцов.

-проведение экспериментальных многопараметрических исследований степени смачиваемости проточной части и рельефа ввода насоса на его КПД.

Поэтапный анализ результатов исследований по данным направлениям позволил выявить оптимальные подходы к модификации проточной части центробежного насоса, обеспечивающей повышение его энергоэффективности более чем на 15%. Согласно результатам экспериментальных исследований, установлено расширение предельно допустимого рабочего диапазона до 17,5% и повышение интегрального КПД на 1,5% только за счёт модернизации геометрии рабочего колеса насоса. Также экспериментально подтверждено, что гидрофобизация функциональных поверхностей позволяет дополнительно повысить общий уровень КПД на 2-4%, что обеспечивает ещё большее расширение рабочего диапазона.

Полученные результаты тесно коррелируют с результатами полученными чешскими коллегами из Брно. Последние исследования в области новых геометрических форм проточной части, позволяют оценить достигнутый зарубежными исследователями эффект по расширению предельно допустимого диапазона насоса в 6,7%. При уменьшении смачиваемости корпуса достигнуто повышение общего уровня КПД на 5-6%, что обеспечивает дополнительный энергетический эффект.

Полученные результаты свидетельствуют о достижении основных задач ПНИ.

Практическая значимость исследования
В системах водоснабжения функционирует широкий спектр насосов, приводные мощности которых могут достигать тысяч кВт при времени работы до 8000 часов в год. Таким образом, интегральное повышение КПД насосов, эксплуатирующихся в системах водоснабжения на 1 - 2%, позволяет обеспечивать прямой экономический эффект, эквивалентный в масштабах РФ тысячам МВт, при этом одновременно улучшается экологическая обстановка и экономятся значительные средства, необходимые для строительства и эксплуатации новых генерирующих мощностей.
Перспективы применения полученных результатов представляются двумя направлениями: разработка и изготовление новых, более совершенных насосов или модернизация уже функционирующего оборудования. Первый путь сопряжён со значительными финансовыми затратами, рентабельность определяется масштабом производства, сроком и особенностями эксплуатации, конкуренцией на рынке, ограничивающей повышение цен даже при увеличении эффективности или надежности. Второй путь – модернизация насосов – позволяет обеспечить относительно быструю и малозатратную совокупность мероприятий по увеличению эффективности и надежности насосного оборудования за счёт замены только рабочего колеса. Реализация таких решений представляет интерес для модернизации насосного оборудования ПАО «МОЭК», ПАО «Мосэнерго», АО «Мосводоканал», насчитывающих десятки тысяч единиц оборудования.