Энергоэффективность насосных станций ливневой канализации — тема, которой традиционно уделяется мало внимания при проектировании, но которая оказывает определяющее влияние на эксплуатационные затраты в течение всего срока службы. Насосная станция ливневой канализации работает в уникальном режиме: в отличие от круглосуточно функционирующих хозяйственно-бытовых КНС, ливневая КНС 95-98% времени простаивает в ожидании дождя, а оставшиеся 2-5% времени работает с резко переменной нагрузкой — от холостого хода до пиковой (при ливне). Среднегодовое время работы ливневой КНС для Московского региона — 150-200 часов. При этом мощность электродвигателей может достигать сотен киловатт, и даже 200 часов работы в год дают значительное энергопотребление. В статье рассмотрены методы повышения энергоэффективности: частотное регулирование, каскадное управление группой насосов, оптимизация диаметра напорного трубопровода и рекуперация энергии на перепадах высот.

1. Частотное регулирование привода насосов — основной метод экономии

Традиционная схема управления насосом — «пуск/стоп» по поплавковому выключателю. Насос работает с номинальной производительностью до опорожнения резервуара, затем отключается. Недостатки: пусковые токи (5-7×Iном) изнашивают обмотки электродвигателя; гидравлический удар при пуске и остановке сокращает ресурс трубопровода; невозможность плавного регулирования расхода.

Частотный преобразователь (ЧРП, VFD) позволяет плавно изменять частоту вращения насоса в диапазоне 30-100% от номинальной, регулируя производительность пропорционально притоку. Экономия энергии следует закону подобия насосов: мощность пропорциональна кубу частоты вращения: P2/P1 = (n2/n1)³. При снижении частоты на 20% (с 50 до 40 Гц) производительность снижается на 20%, а потребляемая мощность — на 49% (1−0,8³)!

Пример расчёта экономии

КНС ливневой канализации: Qном=500 л/с, H=25 м, Pном=160 кВт. Годовое время работы — 180 часов. Без ЧРП: W = 160×180 = 28 800 кВт·ч/год. С ЧРП (средняя загрузка 60%): Pср = 160×(0,6)³ = 34,6 кВт. W = 34,6×180 = 6 228 кВт·ч/год. Экономия: 22 572 кВт·ч/год × 6,5 ₽/кВт·ч = 146 700 ₽/год. Стоимость ЧРП мощностью 160 кВт — 350 000-500 000 ₽. Окупаемость: 2,5-3,5 года.

2. Оптимизация диаметра напорного трубопровода

При проектировании напорного трубопровода существует оптимум: с увеличением диаметра растут капитальные затраты, но падают потери напора и, следовательно, эксплуатационные затраты на электроэнергию. Оптимальный диаметр определяется по критерию минимума приведённых затрат за срок службы:

З = Cтр(d) + Σt=1..T [Cээ(d,t)/(1+r)t], где:

Cтр(d) — стоимость трубопровода диаметром d; Cээ(d,t) — годовые затраты на электроэнергию (пропорциональны потерям напора, которые ~d−5). Для типовой КНС Q=200 л/с, L=500 м: dопт = 300 мм (капитальные затраты 1 500 000 ₽ + электроэнергия 80 000 ₽/год). При d=250 мм: капзатраты ниже (1 000 000 ₽), но электроэнергия — 180 000 ₽/год. За 10 лет переплата за электроэнергию (1 000 000 ₽) превышает экономию на трубе (500 000 ₽).

Нормативная база

  • СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети»
  • Федеральный закон №261-ФЗ «Об энергосбережении»
  • ГОСТ 33969-2016 «Энергетическая эффективность насосов»