Технологические особенности работы насосной станции холодного водоснабжения

  _р.уст=Н_R/ Н_R1* _{R дв},                                                             (1.7)

где Н_R- напор, необходимый для подачи расхода Q_R;

      Н_R1- напор, развиваемый насосом при подаче расхода

      Q_R(Н_R1= Н_R+ h_д);                                                              (1.8)

      _дв- КПД двигателя.

      Как показывают формулы  (1.6) и  (1.7), регулирование задвижкой на  напорном патрубке невыгодно,  особенно в насосных установках  при больших подачах и относительно малом напоре.

      Третий метод- регулирование подачи  перепуском жидкости применяется для устранения неустойчивой работы насосов и осуществляется перепуском из напорной линии во всасывающую линию части подачи насоса.    При этом происходит увеличение общей подачи насоса и уменьшение подачи в сеть. За счет уменьшения расхода в сети ее характеристика изменяется и становится более пологой. При этом напор, развиваемый насосом, уменьшится. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улучшает кавитационные свойства насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы.

      С точки зрения экономичности  указанный способ регулирования  приемлем для насосов с коэффициентом  быстроходности n_s > 300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшими коэффициентами быстроходности регулирование подачи перепуском приводит к увеличению мощности насоса и перегрузке электродвигателя.

      Для реализации этого способа  регулирования требуется устройство циркуляционного трубопровода и установка дополнительной арматуры, что приводит к увеличению габаритов установки. Данный способ не получил широкого распространения в городских системах водоснабжения и водоотведения.

  Четвертый метод-регулирование режимов работы насосных станций трубопроводов изменением частоты вращения электрического привода является наиболее прогрессивным способом из всех известных. При этом методе регулирование задвижка на трубе остается полностью открытой. Следовательно, нет добавочного гидравлического сопротивления, нет добавочных потерь на гидравлическом сопротивлении. При этом вся гидравлическая мощность насоса используется на перемещение жидкости по трубе. При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q-H насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику Q-H вниз, самой себе (рисунок 1.5). При этом рабочая точка А₁ перемещаясь по характеристике трубопровода, занимает положение А₂ следовательно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развиваемый насосом.

Рисунок 1.5 Регулирование  режима работы центробежного насоса.

1- характеристика Q-H насоса при номинальной частоте вращения;

2- то же при  уменьшенной частоте вращения;

A₁- характеристика трубопровода при полном открытии затвора;

H₁, H₂- напор, соответствующей подаче Q₁;

H_ст- статическая составляющая напора.

      

         Увеличение частоты вращения  увеличивает подачу и напор  насоса, а также напор в сети. Этот способ регулирования более  экономичен, но требует применения специального регулируемого электропривода.

 Предварительный  расчет показывает, что экономия  затрат на электроэнергию в  этом случае может составить  до 4000 тг. на  1 кВт установленной  мощности в год.

    Производительность насосов водоснабжения должна изменяться соответственно режиму водоснабжения. Потребляемая насосом мощность определяется, как:

 

где Q_* - подача, о.е.;

       Р_ХХ* - мощности холостого хода, о.е.;

         w - частота вращения рабочего колеса насоса, о.е.

Для обеспечения заданной подачи Q_*З, при применении  регулируемого электропривода, частота вращения насоса определяется по формуле

 

где Н_С* - статическая составляющая напора, определяемая для насосов геодезической разностью уровней потребителя и насоса

       Н_Х* - напор насоса при Q_*=0

       Q*-заданная подача

Мощность потребляемая насосом:

 

Регулирование изменением  частоты обеспечивает следующие преимущества по сравнению  с другими методами:

-эффективное  использование асинхронных электродвигателей, дешевых в эксплуатации и ремонте;

-КПД электродвигателя  во всем диапазоне регулирования  максимально соответствует КПД  электродвигателя в номинальном  режиме;

-КПД преобразователя  95-98%, коэффициент мощности около  1,0;

-плавный пуск электродвигателя, отсутствие гидравлических ударов;

-снижения уровня шума  при пуске и работе;

-автономная безопасная  работа, интеграция в АСУ ТП.

Рисунок 7 дает сравнение  различных методов регулирования  производительности насосов с точки  зрения потребления электроэнергии.

Рисунок 7

 

1.3 Обоснование  и выбор системы электропривода.

 В качестве  регулируемого электропривода насосной  установки можно применить следующие  виды электропривода:

привод с многоскоростными электродвигателями – двух- и многоскоростных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;

привод с индукторными муфтами скольжения – асинхронных  короткозамкнутых электродвигателей  переменного тока;

привод по схеме асинхронно-вентильного  каскада - асинхронных электродвигателей переменного тока с фазным ротором;

частотный привод - асинхронных  короткозамкнутых электродвигателей  переменного тока;

привод на базе вентильного  электродвигателя – синхронных электродвигателей  переменного тока.

  Применение  регулируемого привода, с одной  стороны, стабилизирует давление  в водопроводной сети; за счет  этого обеспечивается экономия  электроэнергии на подачу воды, сокращаются утечки и непроизводительные  расходы воды, появляется возможность  уменьшить площадь насосных станций путем увеличения единичной мощности насосных агрегатов и уменьшения их количества.

   При разработке  технико-экономического обоснования  эти факторы должны быть учтены  и сопоставлены по приведенным  затратам.

   Применение  системы автоматического регулирования (САР) с регулируемым приводом, как правило, обеспечивает экономию электроэнергии до 30%. Расход воды за счет сокращения утечек и непроизводительных расходов уменьшается на 3-4%.

  Многоскоростные  электродвигатели рекомендуется  использовать в тех случаях, когда применение плавно регулируемых приводов экономически не оправдано, например при ступенчатом изменении водопотребления, а также при отсутствии подходящих по параметрам плавно регулируемых приводов. Двух- и многоскоростные двигатели позволяют увеличивать число напорных характеристик насосной установки без увеличения количества насосных агрегатов.

  В последнее  время для регулирования числа  оборотов широко применяется  частотно-регулируемый привод насоса. Частотно-регулируемый привод включает в себя преобразователь частоты и асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, являющийся составной частью насоса. Преобразователи частоты- это силовые электронные устройства, предназначенные для преобразования одно- или трехфазного напряжения с постоянной частотой 50 Гц в трехфазное переменной  требуемой частоты. Это свойство преобразователя частоты позволяет использовать их для бесступенчатого регулирования скорости любых асинхронных электродвигателей, в том числе электродвигателей насосов и компрессоров. Скорость вращения асинхронного электродвигателя при использовании преобразователя частоты регулируется путем изменения частоты и напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98%, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций.

  При соединении насоса с электродвигателем с помощью преобразователя частоты пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивая срок их службы. Применение регулируемого электропривода на базе преобразователей частоты обеспечивает:

сокращение  потребления электроэнергии при  уменьшении требуемого напора;

работу силового электрооборудования без компенсирующих конденсаторов;

увеличение  срока службы оборудования, трубопроводов  и уменьшение затрат на их обслуживание;

минимальную зависимость  хода технологического процесса от действий обслуживающего персонала;

возможность полной автоматизации технологических  процессов с исключением субъективного  фактора в оперативном управлении;

возможность сокращения количества работающих насосных агрегатов за счет увеличения мощности одного или двух действующих и, соответственно, уменьшения строительных объемов при  капитальном строительстве или ремонте;

возможность уменьшения заявленной электрической мощности за счет исключения значительных пусковых токов при традиционном пуске насосного агрегата;

снижение количества аварий сети и насосных агрегатов  за счет возможности применения плавного пуска;

возможность автоматического  повторного включения насоса;

повышение надежности электрооборудования за счет устранения ударных пусковых токов.

 Экономия  электроэнергии обеспечивается  за счет снижения избыточных  напоров на выходе насосных  агрегатов, а также повышения  их КПД.

 Управление  аппаратурой частотного регулирования  осуществляется встроенным контроллером, который обеспечивает поддержание заданного давления при изменениях расхода, выполнение требуемой последовательности, операций пуска и остановки насоса, технологические блокировки, идентификацию аварий, выполнение операций повторного включения или автоматического включения резервного агрегата, сбор и передачу на диспетчерский пункт информации о работе насоса.

Стоимость аппаратуры частотного регулирования довольно высока, однако экономия электроэнергии при регулировании достигает 20-30%, вследствие чего затраты на аппаратуру окупаются, как правило, в течение 2 лет.

  Кроме того, современные преобразователи частоты  обладают широким набором функций  и позволяют осуществлять автоматизацию  насосных станций.

         Основным элементом частотного электропривода является частотный преобразователь. В преобразователе постоянная частота питающей сети f₁ преобразуется в переменную f₂. Пропорционально частоте f₂ изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу  преобразователя.

  Частотные  преобразователи подразделяются  на два основных вида: с промежуточным  звеном постоянного тока и  с непосредственной связью. Схемы  частотного преобразователя первого вида представлены на рисунке

Преобразователь состоит из выпрямителя В, фильтра Ф и инвертора И.

 Посредством  частотного преобразователя практически  неизменные сетевые параметры  напряжения  U₁ и частота f₁ преобразуются в изменяемые параметры U₂ и f₂, требуемые для системы управления.

   Для обеспечения  устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования Костенко

                             U₁/U₂=f₁/f₂ M₁/M₂.                                               (1.9)

      

  Для насосов,  работающих без статического напора, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, должно соблюдаться соотношение

                             U₁/f₁²=U₁/f₂²=const.                                                  (2)

  Для насосов,  работающих со статическим напором, должно соблюдаться более сложное соотношение

                                     U₁/f₁^1+k/2=U₁/f₂^1+k/2,                                                 (2.1)

где  k- показатель степени в уравнении механической характеристики насоса.

        На практике чаще всего в насосных установках используются преобразователи общего назначения, обеспечивающие соотношение

                                  U₁/f₁=U₁/f₂=const.                                               (2.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2. График параллельной работы двух одинаковых центробежных насосов совместно с трубопроводом