Техніка та енергетика

Ефективність електричного привода відцентрового насосного агрегату

Микола Мошноріз, Андрій Ткачук, Марія Мошноріз, Олександр Грибовський
Завантажити статтю
Анотація

Дослідження було проведено для аналізу способів підвищення ефективності електричного привода відцентрового насосного агрегату та визначення оптимальних підходів до його енергоефективної експлуатації. У дослідженні застосовувалися аналіз ефективності, експериментальні дослідження та теоретичні моделі для оцінки впливу технологій на енергоспоживання насосних агрегатів. Виявлено, що застосування частотного регулювання дозволяє суттєво знизити енерговитрати при роботі відцентрового насосного агрегату, особливо в умовах змінного навантаження. Найбільший коефіцієнт корисної дії (ККД) досягається при роботі насоса на оптимальних швидкостях обертання, що можна забезпечити завдяки використанню частотних перетворювачів (VFD). Також встановлено, що правильний вибір робочого колеса насоса і його технічне обслуговування мають важливе значення для зниження втрат енергії. Втрати в механічних з’єднаннях можна мінімізувати за рахунок використання високоякісних компонентів і регулярної профілактики обладнання. Було підтверджено, що автоматизовані системи керування значно підвищують ефективність експлуатації насосів, забезпечуючи своєчасну корекцію параметрів роботи відповідно до умов експлуатації. Висновок свідчить про необхідність впровадження комплексного підходу для оптимізації енергоспоживання насосних агрегатів. Дослідження виявило, що зниження механічних втрат у приводах та насосних агрегатах через застосування сучасних технологій значно підвищує ефективність системи. Впровадження інтегрованих систем моніторингу для контролю роботи насосів дозволяє значно зменшити час простою та підвищити загальну надійність обладнання. Зазначено, що модернізація електричних приводів позитивно впливає на енергетичну ефективність насосних систем завдяки впровадженню інноваційних матеріалів і конструктивних рішень. Виявлено, що впровадження нових моделей електродвигунів з покращеними характеристиками сприяє більш раціональному використанню енергії. Крім того, доведено, що регулярна діагностика та профілактичне обслуговування обладнання сприяють стабільній роботі насосних агрегатів, зменшуючи ймовірність аварійних зупинок і непередбачених ремонтів

Ключові слова

системи керування, електродвигун, механічні витрати, енергозбереження, витрати енергії, оптимальні параметри, діагностика

ЦИТУВАТИ
Moshnoriz, M., Tkachuk, A., Moshnoriz, M., & Gribovskij, O. (2024). Efficiency of electric drive of a centrifugal pump unit. Machinery & Energetics, 15(4), 94-105. https://doi.org/10.31548/machinery/4.2024.94
Використані джерела

[1] Abidov, K.G., Zaripov, O.O., Khamudkhanova, N.B., Idriskhodjaeva, M.U., & Zaripova, S.O. (2023). Specific features of operating pumping units and the tasks of ensuring energy-saving modes of operation by controlling them. AIP Conference Proceedings, 2552(1), article number 030022. doi: 10.1063/5.0112384.

[2] Angadi, S., Yaragatti, U.R., Suresh, Y., & Raju, A.B. (2021). Comprehensive review on solar, wind and hybrid wind-PV water pumping systems-an electrical engineering perspective. CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, 6(1), 1-19. doi: 10.24295/CPSSTPEA.2021.00001.

[3] Anisimov, A.G., Mysak, I.S., Klub, M.V., Sargsyan K.B., Eritsyan, S.Kh., Petrosyan G.S., Avtandilyan, A.V., & Gevorgyan, A.R. (2018). Development and implementation of automatic conversion of steam-gas power unit from compound cycle mode to steam-power mode without shutdown of the unit. Power Technology and Engineering, 51(5), 568-573. doi: 10.1007/s10749-018-0875-7.

[4] Bordeasu, D., Prostean, O., Filip, I., & Vasar, C. (2023). Adaptive control strategy for a pumping system using a variable frequency drive. Machines, 11(7), article number 688. doi: 10.3390/machines11070688.

[5] Brockway, P.E., Sorrell, S., Semieniuk, G., Heun, M.K., & Court, V. (2021). Energy efficiency and economy-wide rebound effects: A review of the evidence and its implications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 141, article number 110781. doi: 10.1016/j.rser.2021.110781.

[6] Cai, W., Wu, X., Zhou, M., Liang, Y., & Wang, Y. (2021). Review and development of electric motor systems and electric powertrains for new energy vehicles. Automotive Innovation, 4, 3-22. doi: 10.1007/s42154-021-00139-z.

[7] Capurso, T., Bergamini, L., & Torresi, M. (2022). A new generation of centrifugal pumps for high conversion efficiency. Energy Conversion and Management, 256, article number 115341. doi: 10.1016/j.enconman.2022.115341.

[8] Chen, L., Wei, L., Wang, Y., Wang, J., & Li, W. (2022). Monitoring and predictive maintenance of centrifugal pumps based on smart sensors. Sensors, 22(6), article number 2106. doi: 10.3390/s22062106.

[9] Christensen, M., Yunker, L.P., Shiri, P., Zepel, T., Prieto, P.L., Grunert, S., Bork, F., & Hein, J.E. (2021). Automation isn’t automatic. Chemical Science, 12(47), 15473-15490. doi: 10.1039/D1SC04588A.

[10] Das, P., Das, B.K., Mustafi, N.N., & Sakir, M.T. (2021). A review on pump‐hydro storage for renewable and hybrid energy systems applications. Energy Storage, 3(4), article number e223. doi: 10.1002/est2.223.

[11] de Souza, D.F., Salotti, F.A., Sauer, I.L., Tatizawa, H., de Almeida, A.T., & Kanashiro, A.G. (2022). A performance evaluation of three-phase induction electric motors between 1945 and 2020. Energies, 15(6), article number 2002. doi: 10.3390/en15062002.

[12] Dui, H., Zhang, C., Tian, T., & Wu, S. (2022). Different costs-informed component preventive maintenance with system lifetime changes. Reliability Engineering & System Safety, 228, article number 108755. doi: 10.1016/j.ress.2022.108755.

[13] El-Emam, M.A., Zhou, L., Yasser, E., Bai, L., & Shi, W. (2022). Computational methods of erosion wear in centrifugal pump: A state-of-the-art review. Archives of Computational Methods in Engineering, 29(6), 3789-3814. doi: 10.1007/s11831-022-09714-x.

[14] Filimonov, S., & Bacherikov, D. (2022). Model of screw linear piezoelectric motor. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 27(4), 13-22. doi: 10.24025/2306-4412.4.2022.268445.

[15] García Moreno, M. (2023). Implementation of a wireless monitoring system for a centrifugal pump. Retrieved from https://upcommons.upc.edu/handle/2117/393427.

[16] Golyshev, L.V., & Mysak, I.S. (2012). The method for determining the ball load and the grinding capacity of a ball-tube mill from the power consumed by its electric motor. Thermal Engineering, 59(8), 589-592. doi: 10.1134/S0040601512080058.

[17] Gómez, J.R., Sousa, V., Eras, J.J., Gutiérrez, A.S., Viego, P.R., Quispe, E.C., & de León, G. (2022). Assessment criteria of the feasibility of replacement standard efficiency electric motors with high-efficiency motors. Energy, 239, article number 121877. doi: 10.1016/j.energy.2021.121877.

[18] Hieninger, T., Goppelt, F., Schmidt-Vollus, R., & Schlücker, E. (2021a). Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimized control schemes. Energy Efficiency, 14(2), article number 23. doi: 10.1007/s12053-021-09932-5.

[19] Hieninger, T., Schmidt-Vollus, R., & Schlücker, E. (2021b). Improving energy efficiency of individual centrifugal pump systems using model-free and on-line optimization methods. Applied Energy, 304, article number 117311. doi: 10.1016/j.apenergy.2021.117311.

[20] Hu, Y., Watson, M., Maiorino, M., Zhou, L., Wang, W. J., Ding, H.H., Lewis, R., Meli, E., Rindi, A., Liu, Q.Y., & Guo, J. (2021). Experimental study on wear properties of wheel and rail materials with different hardness values. Wear, 477, article number 203831. doi: 10.1016/j.wear.2021.203831.

[21] Husain, I., Ozpineci, B., Islam, M.S., Gurpinar, E., Su, G.J., Yu, W., Chowdhury, S., Xue, L., Rahman, D., & Sahu, R. (2021). Electric drive technology trends, challenges, and opportunities for future electric vehicles. Proceedings of the IEEE, 109(6), 1039-1059. doi: 10.1109/JPROC.2020.3046112.

[22] Kan, K., Xu, Z., Chen, H., Xu, H., Zheng, Y., Zhou, D., Muhirwa, A., & Maxime, B. (2022). Energy loss mechanisms of transition from pump mode to turbine mode of an axial-flow pump under bidirectional conditions. Energy, 257, article number 124630. doi: 10.1016/j.energy.2022.124630.

[23] Kaya, D., Yagmur, E.A., Yigit, K.S., Çanka Kılıç, F., Eren, A.S., & Öztürk, H.H. (2021). Energy efficiency in pumps. Energy Conversion and Management, 49(6), 329-374. doi: 10.1016/j.enconman.2007.11.010.

[24] Kim, B., Siddique, M.H., Bellary, S.A., Choi, S.W., & Lee, D.E. (2023). Investigation of a centrifugal pump for energy loss due to clearance thickness while pumping different viscosity oils. Results in Engineering, 18, article number 101038. doi: 10.1016/j.rineng.2023.101038.

[25] Kim, B., Siddique, M.H., Samad, A., Hu, G., & Lee, D.E. (2022). Optimization of centrifugal pump impeller for pumping viscous fluids using direct design optimization technique. Machines, 10(9), article number 774. doi: 10.3390/machines10090774.

[26] Matiane, A.R., Kallon, D.V., & Matlakala, M.E. (2021). Design of a centrifugal pump for efficiency optimization. In Proceedings of the 11th annual International Conference on Industrial Engineering and Operations Management (pp. 4549-4558). London: IEOM Society International.

[27] Mohammadi, Z., Heidari, F., Fasamanesh, M., Saghafian, A., Amini, F., & Jafari, S.M. (2023). Centrifugal pumps. In S. Mahdi Jafari & N. Malekjani (Eds.), Transporting operations of food materials within food factories (pp. 155-200). London: Woodhead Publishing. doi: 10.1016/B978-0-12-818585-8.00001-5.

[28] Moshnoriz, M., Babiy, S., Payanok, A., Zhukov, A., & Protsenko, D. (2021). Improving the efficiency of distributed water supply systems by means of an adjustable electric drive. Scientific Horizons, 24(5), 19-34. doi: 10.48077/scihor.24(5).2021.19-34.

[29] Panchenko, A., Voloshina, A., Kiurchev, S., Titova, O., Onopreychuk, D., Stefanov, V., Safoniuk, I., Pashchenko, V., Radionov, H., & Golubok, M. (2018). Development of the universal model of mechatronic system with a hydraulic drive. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(7-94), 51-60. doi: 10.15587/1729-4061.2018.139577.

[30] Qawaqzeh, M.Z., Szafraniec, A., Halko, S., Miroshnyk, O., & Zharkov, A. (2020). Modelling of a household electricity supply system based on a wind power plant. Przeglad Elektrotechniczny, 96(11), 36-40. doi: 10.15199/48.2020.11.08.

[31] Ratushnyak, G., Anokhina, K., & Datsyuk, V. (2022). Feasibility of using heat pumps in energy supply of thermocatalytic reactors. Modern Technologies, Materials and Structures in Construction, 19(2), 198-202. doi: 10.31649/2311-1429-2022-2-198-202.

[32] Tan, M., Lu, Y., Wu, X., Liu, H., & Tian, X. (2021). Investigation on performance of a centrifugal pump with multi-malfunction. Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, 40(2), 740-752. doi: 10.1177/1461348420942349.

[33] Vering, C., Wüllhorst, F., Mehrfeld, P., & Müller, D. (2021). Towards an integrated design of heat pump systems: Application of process intensification using two-stage optimization. Energy Conversion and Management, 250, article number 114888. doi: 10.1016/j.enconman.2021.114888.

[34] Wang, Y., Zhang, H., Han, Z., & Ni, X. (2021). Optimization design of centrifugal pump flow control system based on adaptive control. Processes, 9(9), article number 1538. doi: 10.3390/pr9091538.

[35] Zheng, Y. (2022). Energy efficiency movement, policy impact and market transformation in electrical motor industry: Empirical study on Eco-design regulation adoption in ABB IEC Low Voltage Motor. Retrieved from https://osuva.uwasa.fi/handle/10024/14821.