Вестник МГТУ, 2024, Т. 27, № 4.

Капанский А. А. Использование частотного регулирования для повышения энергоэффективности. Введение Система водоснабжения традиционно включает в себя как группы насосов в рамках водозаборных сооружений, так и отдельные скважины, задействованные для обслуживания населенных пунктов через водонапорные башни. Последняя конфигурация предназначена для гибкого управления водными ресурсами, что критически важно для обеспечения надежного доступа к воде в удаленных регионах. Ключевые направления к повышению эффективности водоснабжения укрупненно можно разделить на макро- и микроуровни. На макроуровне исследуются системные свойства водоснабжения, учитывающие вопросы прогнозирования и управления электропотреблением, оптимизацию режимом потребления воды и эффективное распределение ресурсов ( К а п а н с к и й , 2 0 2 4 ) . На микроуровне основные мероприятия включают в себя повышение эффективности непосредственно оборудования или технологических операций, в том числе замену устаревших насосов, повторное использование промывной воды, снижение утечек при транспортировке, оптимизацию режимов работы насосных агрегатов и др. ( M a k i s h a e t a l ., 2 0 1 8 ) . В современной практике водоснабжения, особенно когда речь идет о работе отдельных районных скважин, список технологических подходов к повышению эффективности и снижению эксплуатационных расходов весьма ограничен. В этом контексте можно выделить два часто встречающихся направления: улучшение эффективности электродвигателей насосов и оптимизация существующих режимов системы. Например, переход к использованию синхронных двигателей на постоянных магнитах становится популярным способом повышения общей эффективности водоснабжения районов. Эти двигатели способны обеспечить более высокую эффективность по сравнению с традиционными асинхронными приводами благодаря своей способности минимизировать энергетические потери в определенных эксплуатационных условиях. Так, исследования показали, что синхронные двигатели могут быть на 7,9-11,5 % более экономичными ( K a z a k b a e v e t a l ., 2 0 1 9 ) . Пример успешного внедрения синхронных двигателей на постоянных магнитах можно наблюдать на водозаборе "Лебедевский" в городе Жлобин, Республика Беларусь. Здесь модернизация скважины первого подъема воды была осуществлена путем установки электропривода мощностью 32 кВт. Полученные в результате экономические выгоды стимулировали дальнейшее обновление насосного оборудования в отдельно стоящих скважинах сельской местности, подтверждая эффективность таких технологических решений. В сельской местности дросселирование продолжает оставаться основным методом регулирования режимов работы обособленных скважин. Это классический метод, который позволяет довольно просто установить необходимую производительность заполнения башни, однако не всегда эффективен с точки зрения энергопотребления и может приводить к излишнему износу оборудования. Развиваются и другие методы, особенно в области использования частотного регулирования, настраиваемые на поддержание заданного давления ( B e z e r r a e t a l ., 2 0 1 5 ; D a b a d g a o n k a r e t a l ., 2 0 1 1 ; P e l l i e t a l ., 2 0 0 0 ) . Изменение скорости вращения приводных механизмов за счет работы преобразователей частоты способствует не только оптимизации потребления электроэнергии, но и значительно продлевает срок службы оборудования, снижая механический износ ( K a n e t a l ., 2 0 2 0 ) . Это регулирование особенно важно для систем, где необходимо адаптировать производительность в реальном времени, чтобы избежать перерасхода электропотребления и обеспечить более стабильное и экономичное функционирование. Стоит отметить, что применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на скважинных насосах в малых населенных пунктах позволяет отказаться от использования регулирующей водонапорной башни, что значительно снижает затраты на ее обслуживание. Удаление накопительных емкостей устраняет риск гидроударов, способствует более точной регуляции давления в сети и уменьшает вероятность разрыва труб. Тем не менее на практике водоканальные службы не спешат проводить консервацию водонапорных башен, поскольку в аварийных ситуациях эти сооружения выполняют функцию резервных источников воды, гарантируя наличие запасов для потребителей. Это делает башни неотъемлемой частью системы водоснабжения, обеспечивая ее надежность и безопасность. Кроме того, эксплуатация насосов не рекомендуется при частоте питания менее 30 Гц, что приводит к тому, что даже при минимальном потреблении воды все равно сохраняется базовый уровень энергопотребления. В некоторых случаях это может сделать прямое включение насосов, минуя водонапорную башню, экономически нецелесообразными ( Х р и с т о , 2 0 1 4 ) . В статье анализируется режим работы насоса в сочетании с частотно-регулируемым приводом при подъеме воды в водонапорную башню. Эта технологическая схема выбрана в качестве объекта исследования, что позволяет глубже понять возможности оптимизации использования энергоресурсов в условиях возрастающих требований к экономичности, особенно в районах с обособленными скважинами. Цель исследования заключается в разработке методов, обеспечивающих повышение эффективности системы водоснабжения для рассматриваемой схемы. Особое внимание уделяется оценке потенциала за счет снижения избыточного давления при подъеме воды и минимизации энергопотребления во время пуска двигателей. Для достижения этой цели задачи исследования включали комплексный анализ, направленный на определение средней величины избыточного напора подъема воды. Анализ основывался на данных, собранных с большого количества эксплуатирующийся скважин. Кроме того, в рамках исследования 558