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

On the issue of increasing the energy efficiency of pumping equipment on drained agricultural lands, polder pumping station No. 20a, in the Slavsk district of the Kaliningrad region


УДК 631.624

20.04.2018
 614

Выходные сведения:
Пунтусов В.Г., Спирин Ю.А. К вопросу о повышении энергоэффективности насосного оборудования на осушаемых сельскохозяйственных землях, польдера насосной станции № 20а, в Славском районе Калининградской области // Аэкономика: экономика и сельское хозяйство, 2018. №4 (28). URL: http://aeconomy.ru/science/agro/k-voprosu-o-povyshenii-energoeffekt/

Авторы:
Пунтусов В.Г.1, Спирин Ю.А.2

1 к.т.н., доцент кафедры «Водных ресурсов и водопользования», ФГБОУ ВО Калининградский государственный технический университет, Калининград, Российская Федерация (236022 Россия, г. Калининград, Советский проспект, 1), e-mail: v.puntusov57@mail.ru

2 магистрант по направлению «природообустройство и водопользование», ФГБОУ ВО Калининградский государственный технический университет, Калининград, Российская Федерация (236022 Россия, г. Калининград, Советский проспект, 1), e-mail: spirin1234567890@rambler.ru

Authors:
Puntusov V.G.1, Spirin Y.A.2

1 Candidate of Technical Science, assistant professor of dept. «Water resources and water use», Federal Statefinanced Educational Institution of Kaliningrad state technical University, Kaliningrad, Russian Federation (236022 Russia, Kaliningrad, Soviet avenue, 1), e-mail: v.puntusov57@mail.ru

2 Student in the specialty environmental management and water use, Federal Statefinanced Educational Institution of Kaliningrad state technical University, Kaliningrad, Russian Federation (236022 Russia, Kaliningrad, Soviet avenue, 1), e-mail: spirin1234567890@rambler.ru

Ключевые слова:
польдер, энергоэффективность, насосное оборудование, верхний бьеф, геодезический напор, рабочая точка, электроэнергия, расход воды, сельскохозяйственные земли, гидравлический расчёт

Keyword:
polder, energy efficiency, pumping equipment, overhead, geodetic head, working point, electricity, water flow, agricultural land, hydraulic calculation

Аннотация: 
Сельское хозяйство является второй, после промышленности, важной отраслью производства, которая обеспечивает население – продуктами питания, а промышленность – сырьём. Если сравнить сельское хозяйство с другими отраслями хозяйственного комплекса, то на сельское хозяйство намного больше влияют природные условия – климатические, грунтовые, водные. Именно они определяют уровень развития и особенности размещения отрасли. В Калининградской области насчитывается около 70 % всех польдерных земель России. На данных землях происходит интенсивное ведение сельского хозяйства. Область в среднем по году является областью с избыточным увлажнением, что говорит о необходимости поддержания нормы осушения на сельскохозяйственных землях. В обеспечении нормы осушения играют множество различных факторов, одним из которых является насосные станции и установленное на них насосное оборудование. Важным параметром в использовании насосно-силового оборудования является энергопотребление, так как в данной отрасли это не малая статья расходов. Повышение энергоэффективности насосных станций на польдерах является актуальным вопросом на сегодняшний день. На большинстве польдерных насосных станций установлено насосное силовое оборудование отечественного производства с избыточной мощностью и напором 4-8 метров. В Калининградской области никогда не производился анализ эффективности насосного оборудования. В работе была произведена статистическая обработка результатов измерений уровней воды в верхнем и нижнем бьефе на насосной станции № 20а за 2000-2002 год. На основе этих данных был определён расчётный напор воды для рационального подбора насосного оборудования. В ходе работы были подобраны насосные агрегаты и произведено сравнение их энергоэффективности.

Annotation: 
Agriculture second after industry is an important departament, which provides the population with food, and industry with raw materials. If we compare agriculture with other branches of the economic complex, then agriculture is much more influenced by natural conditions - climatic, soil, water. They determine the level of development and the peculiarities of the location of the industry. In the Kaliningrad region there are about 70% of all polder’s lands of Russia. On these lands, there is intensive farming. The region in the average for the year is an area with excessive moisture, which indicates the need to maintain the norm of drainage on agricultural lands. In the provision of drainage rates, many different factors play a role, one of which is the pumping stations and the pumping equipment installed on them. An important parameter in the use of pumping and power equipment is energy consumption, since in this industry this is not a small expense item. Improving the energy efficiency of pumping stations in polders is a topical issue for today. In most of the polder pumping stations, pumping power equipment of domestic production with surplus capacity and head 4-8 meters is installed. In the Kaliningrad region, the effectiveness of pumping equipment has never been analyzed. In the work, the results of measurements of water levels in the upper and lower tail at the pumping station No. 20a for 2000-2002 were processed. On the basis of these data, the calculated head of water was determined for rational selection of pumping equipment. In the course of the work, pumping units were selected and their energy efficiency compared.

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-3-75ф 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

Наименования величин

Уровень воды в нижнем бьефе

Уровень воды в верхнем бьефе

Геодезический напор

Среднее значение, см БС

-123.67

8.83

132.50

Среднеквадратическое отклонение, см БС

19.98

33.30

37.09

Максимальное значение, см БС

-70

90

230

Минимальное значение, см БС

-170

-70

40

 

Для определения потерь напора воды в напорном трубопроводе по длине (hдл, м) и на местные сопротивления (hмест, 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

Q, м3

ν, м/с

l, м

d, м

Δ, м

Re

hдл, м

hмест, м

1

2

20

0.8

0.001

1.6*106

0.106

0.630

 

Расчётный напор узнаем из суммы hдл, hмест, 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


Наименование насоса

ОВ6-55К

PL 7065/705 3~830

PL 7065/705 3~1050

Средняя мощность насоса, кВт

65.0

37

34

Средний расход насоса, м3

3312

3353

3402

Тариф за кВт-ч, руб.

4.25

4.25

4.25

Объём откачиваемой воды за год, млн.м3

13

13

13

Расход электроэнергии затрачиваемый на 1 м3 воды, кВт-ч

0.02

0.01

0.009

Расход электроэнергии затрачиваемый за год, тыс.кВт-ч

255

135.4

130

Годовой расход на электроэнергию, тыс.руб.

1084

575

552


 

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.


Библиографический список


1. Пунтусов В.Г. Оценка мелиоративного состояния осушаемых сельскохозяйственных земель Калининградской области по водному режиму // Комплексное использование и охрана водных ресурсов региона: сб. науч. тр. – Калининград: Изд-во КГТУ, 2011. С. 129-134.
2. Спирин, Ю.А., Пунтусов В.Г. Исследование мелиоративного состояния осушаемых сельскохозяйственных земель на польдере насосной станции № 20а в Славском районе Калининградской области // Опыт прошлого – взгляд в будущее: материалы международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов. Тула: Изд-во ТГУ, 2016. С. 129-133.
3. Сергеев А. И. Современные методы оценки эффективности работы насосных станций в системе водоотведения // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. № 5. С. 72-73
4. Ляхомский А.В., Петроченков А.Б., Перфильева Е.Н. Концептуальное проектирование и направления инжиниринга повышения энергоэффективности предприятий // Электротехника. – 2015. - № 6. – С. 4-7.
5. Паули В.К., Тульчинская Я.И. Построение отраслевой системы энергетического менеджмента – одно из направлений повышения надёжности и энергоэффективности электроэнергетики России // Вестник Москво. энергт. ин-та. – 2012. - №5. – С. 36-41.
6. Наумов, В.А. Методы обработки гидрологической информации: лабораторный практикум для студентов вузов, обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки «Природообустройство и водопользование» / В.А. Наумов. – Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. – С. 67-72
7. Справочник по гидравлическим расчётам / П.Г. Киселёв, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко и др. / Изд. 4-е., переработ. и доп. – М.: «Энергия», 1972
8. СП 100.13330. Свод правил. Мелиоративные системы и сооружения. Утверждён приказом Министерства строительства и жилищно коммунального хозяйства РФ от 30 июня 2015 г. № 470/пр.
9. Эксплуатация польдерных систем / Ю.А. Юшкаускач, А.П. Малишаускач, А.А. Моркус и др.; Под общ. ред. Ю.А. Юшкаускаса. – М.: Колос, 1981. – С. 58-65.
10. Российский производитель насосов и комплектующих [Электронный ресурс] URL: http://t-sila.ru (дата обращения: 15.03.18).
11. Официальный сайт производителя насосов «Flygt» [Электронный ресурс] URL: https://www.xylem.com (дата обращения: 15.03.18).
12. Каргин С.А. Эффективность работы насосных установок с учётом возникающих в них потерь энергии // Новости теплоснабжения. 2009. № 11. С. 28-32.

References


1. Puntusov V.G. Ocenka meliorativnogo sostoyaniya osushaemyh sel'skohozyajstvennyh zemel' Kaliningradskoj oblasti po vodnomu rezhimu. Kompleksnoe ispol'zovanie i ohrana vodnyh resursov regiona: sb. nauch. tr. – Kaliningrad: Izd-vo KGTU, 2011. P. 129-134.
2. Spirin, YU.A., Puntusov V.G. Issledovanie meliorativnogo sostoyaniya osushaemyh sel'skohozyajstvennyh zemel' na pol'dere nasosnoj stancii № 20a v Slavskom rajone Kaliningradskoj oblasti. Opyt proshlogo – vzglyad v budushchee: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchyonyh i studentov. Tula: Izd-vo TGU, 2016. P. 129-133.
3. Sergeev A. I. Sovremennye metody ocenki ehffektivnosti raboty nasosnyh stancij v sisteme vodootvedeniya. EHnergosberezhenie i vodopodgotovka. 2008. No 5. P. 72-73
4. Lyahomskij A.V., Petrochenkov A.B., Perfil'eva E.N. Konceptual'noe proektirovanie i napravleniya inzhiniringa povysheniya ehnergoehffektivnosti predpriyatij. EHlektrotekhnika. – 2015. - No 6. – P. 4-7.
5. Pauli V.K., Tul'chinskaya YA.I. Postroenie otraslevoj sistemy ehnergeticheskogo menedzhmenta – odno iz napravlenij povysheniya nadyozhnosti i ehnergoehffektivnosti ehlektroehnergetiki Rossii. Vestnik Moskvo. ehnergt. in-ta. – 2012. – No 5. – P. 36-41.
6. Naumov, V.A. Metody obrabotki gidrologicheskoj informacii: laboratornyj praktikum dlya studentov vuzov, obuchayushchihsya v bakalavriate po napravleniyu podgotovki «Prirodoobustrojstvo i vodopol'zovanie». V.A. Naumov. – Kaliningrad: Izd-vo FGBOU VPO «KGTU», 2014. – P. 67-72
7. Spravochnik po gidravlicheskim raschyotam. P.G. Kiselyov, A.D. Al'tshul', N.V. Danil'chenko i dr. Izd. 4-e., pererabot. i dop. – M.: «EHnergiya», 1972
8. SP 100.13330. Svod pravil. Meliorativnye sistemy i sooruzheniya. Utverzhdyon prikazom Ministerstva stroitel'stva i zhilishchno kommunal'nogo hozyajstva RF ot 30 iyunya 2015 g. No 470 pr.
9. EHkspluataciya pol'dernyh sistem YU.A. YUshkauskach, A.P. Malishauskach, A.A. Morkus i dr.; Pod obshch. red. YU.A. YUshkauskasa. – M.: Kolos, 1981. – P. 58-65.
10. Rossijskij proizvoditel' nasosov i komplektuyushchih [EHlektronnyj resurs] URL: http://t-sila.ru (data obrashcheniya: 15.03.18).
11. Oficial'nyj sajt proizvoditelya nasosov «Flygt» [EHlektronnyj resurs] URL: https://www.xylem.com (data obrashcheniya: 15.03.18).
12. Kargin S.A. EHffektivnost' raboty nasosnyh ustanovok s uchyotom voznikayushchih v nih poter' ehnergii. Novosti teplosnabzheniya. 2009. No 11. P. 28-32.

Возврат к списку