1. Технические требования, которые предъявляются к электрическому приводу насосной установки
Насосная установка является составной частью насосной станции, насосная установка обеспечивает подачу в водопроводную сеть холодной воды.
Совместно с системой информационного контроля и управления электроприводом, коммутационной аппаратурой, совместно с ПЧ - преобразователем частоты, УПП - устройством плавного запуска, образуют систему по управлению насосными агрегатами.
Управляемый электропривод переменного тока, который управляет насосными станциями позволяет обеспечивать:
- плавный пуск двигателя, отсутствие динамических нагрузок на электродвигатель и бросков тока в энергосети;
- исключение гидравлических ударов;
- эффективное применение мощности, которую потребляет насосный агрегат во всем диапазоне регулировки;
- коэффициент мощности двигателя насосного агрегата приблизительно равен или очень близко приближен к единице;
- уменьшение уровня шума при запуске и эксплуатации;
- обеспечение безопасной и автономной работы, интеграция в автоматизированную систему управления ТП.
Проектируемая мной насосная установка позволяет выполнить такие технические характеристики:
- Подача воды 315 кубометров в час;
- Высота напора воды может достичь 65 метров.
Электропривод центробежной насосной установки, должен удовлетворять таким требованиям:
- Поддержание постоянного напора воды в системе водоснабжения при точности не ниже 2% и возможностью ручного управления его уровня с пульта управления оператора;
- Исходя из требований технологического процесса, давление воды при наброске нагрузки, должно восстанавливаться менее чем за 2 секунды;
- Должен обеспечивать режим плавного запуска от задатчика интенсивности по времени, не превышающее 5 с;
- Запланировать защиту от неблагоприятного режима работы насосного агрегата:
- защиту от коротких замыканий;
- защиту от перегрузок по току и моменту;
- защиту от превышения температуры обмоток электродвигателя;
- защиту от пропадания одной фазы и от перекоса фаз обмоток статора;
- защита насосных агрегатов от работы в режиме кавитации;
- индикация на панели управления оператора следующих режимов: «Наличие сети» «Работа привода» «Авария»;
- наличие выбора режима работы «Автоматический»/ «Ручной»/;
- диспетчеризация: «Авария» любого электрического насоса («сухие» контакты);
• Электропривод спроектировать нереверсивным;
• Питание установки должно быть осуществлено от трёх фазной сети напряжением 380/220 вольт, и частотой 50 герц;
• Обеспечивать режим наибольшей экономии при управлении скорости вращения.
При проектировании системы управления насосного агрегата, силовой части и электропривода в целом, должен соответствовать мировым тенденциям развития электропривода.
Для выполнения данных задач регулирования насоса электропривода должен обеспечивать:
• экстренную остановку насоса при поступлении аварийного сигнала от любого датчика при отклонении его параметров от допустимых пределов;
• должен обеспечивать как автоматическое, так и ручное управление насосной установки;
• должен автоматически изменять скорость вращения электродвигателя для того, чтобы поддерживать постоянное давление;
• должен обеспечивать защиту от аварийного режима работы электропривода;
• должен обеспечивать включение в работу резервного насоса при аварийной ситуации; автоматическое чередование насосных установок;
• должен обеспечивать защиту от «сухого» хода двигателя;
• должен обеспечивать самозапуск после исчезновения перепада напряжения в сети.
Система автоматического управления насосной станции должна обеспечивать такие показатели качества регулирования:
• исключение статической ошибки в установившихся режимах.
Переходные процессы должны удовлетворять требованиям:
• при пуске перерегулирование должно быть менее 5 процентов;
• перерегулирование при сбросе или набросе нагрузки не должно превышать 10 процентов.
Во время проектирования САУ электроприводами предусматриваются меры по безопасности во время монтажа, во время эксплуатации, во время обслуживания и во время ремонта технических средств установки в соответствии с нормативной документацией.
Все внешние элементы электропривода, которые находятся под напряжением, должны быть защищены от случайного прикосновения.
Также должен ограничиваться доступ к вращающимся элементам насосной установки и электропривода.
Электрические элементы, которые не находятся под напряжением необходимо занулять.
Необходимо принимать меры по снижению производственного шума, потому что установка эксплуатируется вблизи зоны жилых домов, а также должны иметься средства пожаротушения в случае аварии.
Расположение и конструкция щитов, пультов управления, должны обеспечить необходимую обозримость и простоту эксплуатации.
Требования к обслуживанию, технической эксплуатации и ремонту всех компонентов системы насосной станции.
Насосная установка обычно размещается в закрытом помещении, на специальном фундаменте, должны быть приняты меры по исключению попадания атмосферных осадков.
На оборудовании должны быть запланированы таблички и должны быть нанесены обозначения для того, чтобы обеспечить быстрый монтаж и ремонт.
Помещение должно иметь площадь, которая соответствует требованиям изготовителей по обслуживанию и размещению технических средств и должно соответствовать санитарным нормам.
При проектировании сетей электроснабжения и искусственного освещения для того, чтобы разместить технические средства автоматизации необходимо неукоснительно выполнять требования "Правил устройств эксплуатации электроустановок".
Вывод: В этом разделе дипломного проектирования рассмотрены все основные требования к системе автоматизации проектируемой насосной установки, эта установка должна обеспечивать подачу воды. Насосная установка согласно требований, обеспечивает все технические характеристики при максимально возможном экономическом эффекте, должна соответствовать требованиям безопасности во время монтажа, эксплуатации, во время обслуживания и ремонта, должна отвечать современным требованиям.
2. Общие сведения о задаче автоматизации и технологическом процессе насосной установки
2.1. Виды насосных станций
(НС) насосные станции представляют собой довольно сложный электрогидравлический комплекс оборудований и устройств, в котором преобразуется электрическая энергия в механическую энергию [1].
Все насосные станции в зависимости от того места, которые они занимают в общей системе, разделяются на станции первого, второго, третьего и последующих подъемов и ещё есть канализационные станции. В таблице 2.1 показано назначение станций.
Таблица 2.1 - Назначение и виды насосных станций
Объект Задача
Насосная станция первого подъема Управление насосами, которые расположенных в скважинах Поддержание необходимого уровня воды в резервуаре. Применяются в водоподъемных технологических сооружениях совместно со станциями ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО ПОДЪЁМОВ
Станция второго подъёма Предназначена для создания давления в сети, с забором из аккумулирующей емкости Необходимое давление создается для обеспечения застройки средней этажности
Насосная станция третьего подъема, а также и последующих подъемов Предназначена для создания и поддержания необходимого давления с забором воды из станции второго подъема для зданий высокой этажности Поддерживает постоянное давление
Канализационная станция В очистных сооружениях предназначена для перекачки вод, осушения в жилых домах подвалов, котлованов и различных емкостей
Основным назначением всех насосных станций это обеспечение следующих требований:
- требуемого графика подачи воды во время нормальных и во время аварийных условий работы;
- обеспечение наименьших затрат на эксплуатацию, сооружение, и оснащение;
- обеспечение требуемой и степени надежности работы электропривода;
- обеспечение долговечности, исходя из значимости объектов, в которых работают насосы;
- обеспечение удобства эксплуатации насосными станциями;
- обеспечение эксплуатации при непрерывно меняющихся объемах, меняющихся режимах потребления и изменяющемся количестве потребителей.
Можно выделить а зависимости от назначения следующие виды станций: хозяйственного и питьевого водоснабжения населенных объектов и промышленных предприятий; водоснабжения оборотного промышленных предприятий; систем теплоснабжения; канализационные; дренажные; мелиоративные; противопожарного водоснабжения; нефтеперекачивающие и прочие.
По способу объединения можно выделить насосные станции, в которых насосы работают индивидуально и насосные станции, в которых насосы работают совместно. Первый случай свойственен для насосных станций с невысокими мощностями насосов и довольно низкими требованиями к их надежности работы. например, это характерно для дренажных насосов. Насосы, работающие совместно находят большое применение во многих видах насосных станций. При этом для обеспечения нужных технологических показателей можно использовать параллельное, последовательное либо комбинированное соединение. Наиболее часто применяется параллельное соединение, применяемое на большинстве насосных станций. Последовательное соединение иногда применяется в тех случаях, если необходимо создать более высокое давление, например, при транспортировке нефти, ила и прочие вязкие жидкости.
По главному параметру насосные станции можно разделить на такие станции, где регулируется давление и такие станции, где регулируется подача воды.
По требованиям к надежности насосные станции могут относится к первой, второй или третьей категории [2].
Из рассмотренных выше насосных станций, станции с параллельным включение насосов получили преимущественное использование, они используются в водоснабжении и водоотведении населенных пунктов, предприятий, системах промышленного оборотного водоснабжения используются в технологических комплексах производственных объектов, на предприятиях металлургии и заводах по нефтепереработке.
Рис. 2.1. Технологическая схема насосной станции
На рисунке. 2.1. изображена схема насосной станции с регулированием подачи воды и давления. Жидкость из входного коллектора насосной станции аккумулируется в резервуаре. Далее из входного резервуара жидкость откачивается насосами, и затем подается в коллектор насосной станции и далее поступает в трубопровод, откуда жидкость распределяется по потребителям либо поступает на вход следующей насосной станции. Для разделения насосов от трубопровода монтируют задвижки, которые размещают на входном и напорном патрубке насоса. Кроме этого, на выходном патрубке установки устанавливается обратный клапан, который предотвращает обратный отток жидкости через насос. Для электроприводов как насосов, так и задвижек используют электрические двигатели. В правой части рисунка 2.1 находится таблица, в этой таблице для каждого из объектов приведен перечень параметров, которые регулируется. Данный перечень можно изменять в зависимости от назначения насосной станции и мощности насосов
2.2. Насосные установки
Насосная установка является основной энергетической частью насосной станции, содержащая один либо несколько насосов, запорную арматуру, датчики параметров установки, привод. В качестве главного силового оборудования на станции используют либо объемные либо динамические насосы.
Внутри корпуса насоса, который имеет спиральную форму, на валу жестко закреплено рабочее колесо. Оно может быть открытого типа (диск на котором установлены лопасти) и закрытого типа - лопасти установлены между передним и задним дисками. Лопасти отогнуты от радиального направления в сторону, противоположную направлению вращения колеса. С помощью патрубков корпус насоса подсоединяют с всасывающим и напорным трубопроводами.
Рисунок 2.2 - Схема центробежного насоса
Если корпус насоса полностью наполнен водой из всасывающего трубопровода, то при придании вращения рабочему колесу (например, при помощи электродвигателя) жидкость, которая находится в каналах рабочего колеса (между его лопастями), под действием центробежной силы будет отбрасываться от центра колеса к периферии. Это приведёт к тому, что в центральной части колеса создастся разрежение, а на периферии повысится давление. А если повышается давление, то жидкость из насоса начнёт поступать в напорный трубопровод. Вследствие этого внутри корпуса насоса образуется разрежение, под действием которого жидкость одновременно начнёт поступать в насос из всасывающего трубопровода. Таким образом, происходит непрерывная подача жидкости центробежным насосом из всасывающего в напорный трубопровод.
Центробежные насосы бывают не только одноступенчатыми (с одним рабочим колесом), но и многоступенчатыми (с несколькими рабочими колесами). При этом принцип их действия во всех случаях остается таким же, как и всегда. Жидкость будет перемещаться под действием центробежной силы, которая развивается за счёт вращающегося рабочего колеса
2.3. Регулирование различных режимов работы НС
Для того, чтобы обеспечить заданный режим работы НС при изменении условий работы требуется осуществлять регулирование режимов насосных установок. Эту задачу можно разделить на два направления: регулировать гидравлические режимы работы насосов и регулировать энергетическую эффективность работы электропривода насосной станции.
Для центробежного типа насосных установок применяют следующие приёмы регулирования:
- дросселированием трубопровода;
- осуществляют перепуск части жидкости с выхода насоса на вход;
- отключают или подключают насосы (ступенчатое регулирование);
- регулируют скорость вращения колеса насоса.
Наиболее распространенным способом регулирования давления является дросселирование. Регулирующим элементом здесь является устройство в форме шибера, дросселя, клапана, задвижки, которые устанавливается на патрубке насоса и при перемещении изменяется сечение [1].
При простоте реализации данного метода регулирования он имеет несколько недостатков. Одним из них — это снижение коэффициента полезного действия насосной станции, особенно когда требуется глубокое регулирование подачи. Это обусловлено тем, что вся энергия, затраченная на то, чтобы преодолеть дополнительное сопротивление регулирующего устройства, проявляется тепловыми потерями, что и определяет низкую эффективность данного метода. Помимо этого, увеличение давления на выходе при закрытии задвижки сокращает срок службы запорных устройств и уплотнений, а также к росту утечек жидкости сквозь стыки и щели. Ещё одним недостатком этого метода это однозонное регулирование в сторону уменьшения напора или подачи насосной установки.
При регулировании напора перепуском часть потока жидкости отводится с выхода насоса на вход посредством отвода. При этом энергия, которая затрачивается на циркуляцию по холостому кругу, не делает полезной работы, что приводит к снижению КПД и, особенно сильно, когда происходит глубокое регулирование. Как и в предыдущем методе, регулировка происходит лишь в сторону уменьшения.
При ступенчатом регулировании, подача насосной станции происходит за счет подключения либо отключения насоса. Данный способ охарактеризован простотой управления, так как не требуется дополнительных устройств для регулирования. Однако он не позволяет сделать качественное и непрерывное поддержание напора во время изменения потребления жидкости и может вызывать частые пуски электродвигателей, что уменьшает срок службы оборудования и требует монтажа промежуточного резервуара для того, чтобы сгладить колебания подачи насосной станции. Кроме того, приводы работают не в своём оптимальном режиме.
