Технологические особенности работы насосной станции холодного водоснабжения

Для анализа режима работы насосных установок  с несколькими насосами, работающими параллельно или последовательно, используют суммарные характеристики нескольких насосов. При параллельной работе насосы подают воду в один напорный водовод или в одну систему трубопроводов. Суммарная характеристика Q-H параллельно работающих насосов строится сложением абсцисс их характеристик при одном и том же значении ординаты (напора), так как их общая подача равна сумме подач каждого насоса. Например, для нахождения точки в суммарной характеристики QH двух насосов одного типа необходимо удвоить отрезок аб, т.е. ав — 2аб (рис. 2). Точно также находят остальные точки суммарной характеристики. Если параллельно работают 3 насоса, длина отрезка аб утраивается, если 4, то увеличивается вчетверо, и т.д.

   При работе насосной установки на аккумулирующую емкость регулирование режима работы осуществляется включением насосного агрегата при снижении уровня воды до заданного нижнего значения и отключением при достижении заданного верхнего значения. Если насосная установка состоит из нескольких агрегатов, режим ее работы отличается тем, что задается по несколько верхних и нижних уровней, при достижении которых изменяется число работающих агрегатов. С увеличением водопотребления частота включения-отключения агрегатов будет увеличиваться, так как объем жидкости в резервуаре расходуется быстрее. Без использования аккумулирующей емкости с ростом водопотребления подачу приходится увеличивать. При уменьшении водопотребления подача воды и давление должны быть уменьшены. Приведение в соответствие водопотребления и подачи осуществлялось до настоящего времени изменением числа работающих насосных агрегатов или изменением степени открытия задвижек (затворов) на напорных линиях насосов и насосных установок. Число включений-отключений насосных агрегатов при этом может достигать 40–50 в сутки. Для агрегатов большой мощности такое количество включений недопустимо, поэтому в насосных установках мощностью выше 150 кВт вместо этого применялось дросселирование потока воды задвижкой (устройством, которое за счет своего механического перемещения изменяет поперечное сечение трубопровода). При закрытии задвижки эффективное поперечное сечение трубопровода уменьшается. Вследствие этого подача воды уменьшается, а напор, развиваемый насосом, возрастает (рис. 3)

    Мощность, потребляемая электродвигателем насоса, для этого способа регулирования также остается постоянной. Ее излишек расходуется на повышение давления в трубопроводе выше расчетного значения, что приводит к преждевременному износу трубопроводных систем и запорных устройств (клапаны, краны). Кроме того, это является причиной повышенного расхода воды у потребителей и утечек воды через стыки и щели. Имеется еще одна серьезная проблема, возникающая при включении-отключении насосных агрегатов — гидроудар. Гидроудар — это ударное механическое воздействие движущейся с высокой скоростью границы раздела жидкость — воздух. Оно оказывает влияние на все части напорного трубопровода, создающие гидравлическое сопротивление (сужения, изгибы и разветвления трубопровода, задвижки и т. п.). Кроме того, в трубопроводе имеются дефекты —трещины, поры, расслоения, непровары швов, разрастающиеся при циклических, коррозионных, эрозионных воздействиях, от деформационного старения. При отключении насосного агрегата статический напор воды закрывает обратный клапан, и скорость движения столба жидкости резко падает до нуля. Кинетическая энергия несжимаемой воды вызывает резкий скачок давления в напорном трубопроводе и вызывает порывы ветхих участков труб и мест их соединений — соединительных муфт, фланцев.

Рисунок 3

При дросселировании  скорость вращения рабочего колеса насоса остается практически неизменной, при этом асинхронный электродвигатель работает непосредственно от сети, и его скорость на 5-7% отличаеся от синхронной частоты. Потребление электроэнергии двигателем пропорционально производительности насоса.

Дроссельная задвижка также может устанавливаться на входе насоса, ограничивая, таким образом, приток жидкости, при этом насос не может обеспечить требуемый расход, так как часть энергии тратится на преодоление сопротивления задвижки.

На рисунке 4 показано изменение механической характеристики насоса при разных положениях задвижки.

Рисунок 4

Работа насоса на задвижку имеет ряд недостатков, прежде всего, увеличивается износ  самого насосного агрегата и запорно-регулирующей арматуры, установленной на нем, проявляется  эффект резонанса, перегрев насоса из-за недостаточного теплообмена и т.д.

Этот способ регулирования направлен на решение  технологических задач, и не учитывает  энергетических аспектов транспорта воды. Насосный агрегат в этом случае тратит электроэнергию на преодоление противодавления, возникающего на задвижке. Дросселирование в некоторой степени снижает аварийность на сетях, но требует присутствия на объекте дежурного персонала, и этот способ несет в себе высокую зависимость от человеческого фактора.

Наиболее эффективный  способ регулирования предусматривает изменение скорости рабочего вращающего колеса насоса. Благодаря этому можно обеспечить требуемый напор во всей области регулирования, не ухудшая при этом КПД насоса в сравнении с дросселированием.

На рисунке 5 показано, как изменяется механическая характеристика насоса в зависимости от частоты вращения электродвигателя.

Рисунок 5

    В последние годы для управления насосными агрегатами стало удобно применять регулируемый асинхронный электропривод. Его применение позволяет производить плавный разгон и остановку мощных насосных агрегатов, исключая появление гидроударов в трубопроводе при запуске в работу нового двигателя. Кроме того, он позволяет плавно регулировать производительность насоса и, следовательно, значение выходного напора насосной установки. Для плавного запуска и останова двигателя, а также для плавного регулирования скорости вращения (и производительности) насосного агрегата используется преобразователь частоты (ПЧ).  Плавное регулирование производительности используется, как правило, только для одного из имеющихся в составе установки насосных агрегатов. При недостатке диапазона регулирования (например, мощность регулируемого двигателя увеличивается до максимальной, но это так и не приводит к нужному увеличению давления) происходит изменение числа включенных в работу насосных агрегатов (включается дополнительный насосный агрегат, а мощность регулируемого — начинает вновь плавно увеличиваться). Таким образом, насосная станция имеет большой диапазон регулирования, но плавное регулирование скорости в каждый момент времени используется только для одного из насосных агрегатов.

    Замена традиционных схем с использованием регулирующей запорной арматуры (дросселирование) автоматизированным электроприводом позволяет значительно сократить потери энергии, связанные с преодолением сопротивлений гидравлических регуляторов. Регулирование режимов работы таких механизмов изменением частоты вращения электрического привода является наиболее прогрессивным способом из всех известных. При этом методе регулирования задвижка на трубе или направляющие вентилятора остаются полностью открытыми. Следовательно, нет добавочного гидравлического сопротивления, реет добавочных потерь на гидравлическом сопротивлении. Потери мощности при дросселировании могут достигать 50%, поэтому перевод центробежных механизмов на регулируемые системы привода является важным направлением политики энергосбережения в промышленности. Дополнительный эффект от такой модернизации связан со снижением эксплуатационных затрат, увеличением срока службы оборудования, исключением гидравлических ударов в системе, возможностью включения автоматизированного привода насосов в системы автоматического управления технологическими процессами.

    Использование частотно-регулируемого электропривода в насосных станциях водоснабжения имеет ряд отличительных особенностей, связанных с массовым использованием центробежных конструкций насосов, которые отличаются тем, что для них расход пропорционален частоте оборотов крыльчатки, давление пропорционально квадрату числа оборотов, а потребляемая мощность – кубической степени. В соответствии с формулами приведения центробежных насосов эти параметры эмпирически можно выразить следующим образом:

Q/Q0 = n/n0,

H/H0 = (n/n0)²,

N/N0 = (n/n0)³,

где Q – расход, n – частота вращения, Н – напор, N – мощность потребляемая электродвигателем.                                                                                                          В настоящее время принимаются целевые программы по серийной установке частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на электродвигателях насосов холодного водоснабжения. Их установка является оправданной: на эти насосы приходится значительная часть потребляемой энергии; производительность насосов меняется в широком диапазоне; давление на всасывающем трубопроводе носит переменный характер.

   Выбор схемы включения и количества насосов производится на основании измеренной при обследовании по показаниям счетчиков холодной и горячей воды текущего и среднесуточного расхода; анализа характера потребления воды в течение суток; реального значения давления в водопроводной  сети и с учетом установленной мощности электродвигателей.

Параллельная  схема с тремя насосами (1 рабочий, 1 дополнительный, 1 резервный) применима в районах (например, «спальных»), для которых характерно низкое значение дневного расхода воды и ярко выражено пиковое значение (рис. 6). От ЧРП может работать любой из насосов, один из которых является дополнительным и подключается в часы максимального разбора. Включение и выключение дополнительного насоса в прямом режиме производится в соответствии со специальными алгоритмами с учетом динамики изменения давления, выходной частоты, токовых нагрузок электродвигателей. Для реализации алгоритмов применяются как многофункциональные контроллеры, так и ЧРП с дополнительными электронными платами, которые расширяют возможности их использования применительно к схемам с тремя и более насосами. Дополнительные функции включают в себя:                                                                               периодическую смену основного/резервного насоса;                                               контроль за давлением на городском вводе (отсутствие сухого хода);                            контроль за работой насоса по датчику перепада давления;                                           включение резервного насоса при остановке основного при работе от ЧРП.

Рисунок 6

     Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.                                                                                                               Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.