К вопросу о повышении энергоэффективности насосного оборудования на осушаемых сельскохозяйственных землях, польдера насосной станции № 20а, в Славском районе Калининградской области

Введение

Общая площадь Калининградской области с заливами составляет 1512,5 тыс. га, площадь суши равна 1351,2 тыс. га. Площадь осушаемых земель области по состоянию на 01 января 2018 года составляет 1047,8 тыс. га, в том числе земель сельхозпроизводителей – 594,5 тыс. га. В области имеется около 100 тыс. га польдерных систем, расположенных на землях с наиболее высоким плодородием [1-2].

Большинство польдерных земель расположены на территории Неманской низменности в Славском районе, их площадь составляет 68,0 тыс. га. В состав этого польдерного массива входит польдер насосной станции № 20а.

Часть польдера насосной станции № 20а по существующей классификации относится к польдерам низкого уровня с абсолютными отметками земли до 1 м., а другая к польдерам среднего уровня с абсолютными отметками земли от 1 до 3 м.

Основная часть польдера представлена осушаемыми сельскохозяйственными (с-х) землями с интенсивным ведением с-х. Откачка воды производится осушительной насосной станцией № 20а. На землях польдера выращивают рапс, зерновые культуры и травы.        Территорию польдера составляют торфяно-болотные почвы расположенные на участках с пониженными отметками. Повышенные отметки характеризуются минеральными, аллювиально-болотными и аллювиальными почвами.

Насосная станция построена в 1980 году. На ней установлено 3 насосно-силовых агрегата: 3 насоса ОВ6-55К (осевые вертикальные камерные) с расходом 0,92 м³/с каждый и напором 3.6 м, а также 3 электродвигателя АВН-3-75_ф с 730-ю оборотами в минуту и мощностью 75 кВт. Год установки насосно-силового оборудования – 1986, т.е срок его эксплуатации составляет 30 лет. С учётом нормативного срока эксплуатации, оборудование имеет 3-4 кратный износ.

Актуальность проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности в Российской Федерации была подтверждена в ноябре 2009 года, когда Президент Российской Федерации Д.А. Медведев подписал закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Закон направлен на регулирование деятельности в сфере энергосбережения и на стимулирование предприятий к внедрению энергоэффективных технологий.

По разным оценкам, от 20 % до 25 % мирового потребления всей вырабатываемой электроэнергии приходится на насосное оборудование. При ближайшем рассмотрении, можно сделать вывод, что в некоторых отраслях данный показатель потребления может достигать до 60% [3-5].

На польдерных насосных станциях, в основном используется старое отечественное оборудование избыточной мощностью и напором 4-8 метров, а новое подбирается исходя из максимально возможного напора в данном месте.

Цель и задачи исследования

Цель работы подобрать наиболее эффективное насосное оборудование для рационального осушения с-х земель.

Достижению цели сопутствовало решение следующего ряда задач:

— статистическая обработка результатов измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе на насосной станции № 20а за 2000-2002 год;

— определение среднего геодезического напора воды;

— проведение расчёта потерь напора воды по длине и на местные сопротивления в напорном трубопроводе;

— определение среднего расчётного напора;

— сравнение энергоэффективности различных вариантов оборудования;

— осуществление подбора насосного оборудования под полученные результаты.

Материалы и методы исследования

         Материалом исследования стали результаты измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе на насосной станции № 20а за 2000-2002 год. Материалы были предоставлены нам ФГБУ «Управление «Калиниградмелиоводхоз» и для наглядности показаны в графическом виде на рисунке 1.

Рисунок 1 – Результаты измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе на насосной станции № 20а за 2000-2002 год; 1 – геодезический напор; 2 – уровень воды в верхнем бьефе; 3 – уровень воды в нижнем бьефе.

         Статистически обработка данных, гидравлические и экономические расчёты производились по общепринятым методикам в среде «MathCAD» [6].

Результаты исследования

Результаты произведённой статистической обработки массива данных представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты статистической обработки измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе на насосной станции № 20а за 2000-2002 год

Для определения потерь напора воды в напорном трубопроводе по длине (h_дл, м) и на местные сопротивления (h_мест, м) воспользуемся формулой Дарси-Вейсбаха. Длина (l, м), расход воды (Q, м³/с) и диаметр (d, м) напорного трубопровода нам известны. Скорость воды (ν, м/с) и число Рейнольдса (Re) вычислим при помощи гидравлических расчетов. Шероховатость трубопровода (Δ, м) примем по [7] для стальных труб находящихся в продолжительной эксплуатации. Местные сопротивления представлены решёткой, входом, выходом и коленом 90 градусов. Все данные и результаты расчётов занесем в таблицу 2.

Таблица 2 — Расчёт потерь напора воды по длине и на местные сопротивления

Расчётный напор узнаем из суммы h_дл, h_мест,
среднего геодезического напора и запаса 0.5 м, получим 2.56 м. Имея данные о среднем напоре и необходимом расходе насоса, который составляет 1 м³/с, можно подобрать необходимое насосное оборудование и сравнить его с установленным [8-9].

На рисунке 2 представлена графическая характеристика установленного насоса ОВ6-55К [10], а на рисунке 3 представлены варианты на замену, насос 7065/705 3~830 с широкой областью действия и насос более подходящий под рассчитанную рабочую точку PL 7065/705 3~1050 [11].

Рисунок 2 – Графическая характеристика насоса ОВ6-55К

Рисунок 3 – Графические характеристики насосного оборудования; А — PL 7065/705 3~830; Б — PL 7065/705 3~1050

На рисунке 2 указана проектная характеристика насоса ОВ6-55К, на сегодняшний день насос уже ей не соответствует, так как имеет сильный износ и подлежит замене, но заменять его на схожий, отталкиваясь от максимально возможного напора в 4-6 метров, что в данном случае нецелесообразно из-за избыточного напора. При работе насоса с более маленькими напорами, он будет работать вне оптимальной зоны.

На рисунке 3 представлены варианты оборудования под рабочую точку с напором 2.56 метра и расходом 945-990 л/с. На рисунке 3А представлен универсальный вариант, а на рисунке 3Б более подходящий под рабочую точку. Особенностью этих насосов по отношению к тем, что будут работать при напоре 4-6 метров, является большая энергоэффективность, а также возможность подавать достаточно высокий напор уменьшая расход.

В таблице 3 представлено сравнение энергоэффективности насосного оборудования.

Таблица 3 — Сравнение энергоэффективности различных вариантов насосного оборудования

Из таблицы 3 видно, что подобранные варианты насосно-силового оборудования затрачивают в два раза меньше денежных средств на электроэнергию чем установленный насос.

Стоит учесть, что в паводковые периоды, при повышении уровня воды в верхнем бьефе, также будет повышаться уровень воды в нижнем бьефе, это говорит о том, что напор не будет превышать отметку в 3-4 метра. 

Заключения и выводы

Во времена установки насосно-силового оборудования (1984 год) отсутствовали аналоги рассчитанные на меньший напор, т.к оборудование производилось с целью удовлетворения нужд экономики СССР в целом.

Обработка данных показала, что проектные характеристики насосного оборудования с напором 4-6 метра являются не целесообразными, это следует учитывать при реконструкции насосной станции. Установленное насосное оборудование не соответствует оптимальному, это несёт весомые потери денежных средств на избыточные затраты электроэнергии. Важным шагом к повышению энергоэффективности станет замена насосного оборудования, основываясь на расчётном среднем напоре, а не на максимальном.