Статья: Характеристика водопроводного насосного комплекса как объекта системы удаленного управления и контроля

УДК 621.398 (075.8)

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий

Характеристика водопроводного насосного комплекса как объекта системы удаленного управления и контроля

Лузан П.В., Коренькова Т.В.

Насосные комплексы систем коммунального и оборотного водоснабжения, карьерного водоотлива, пульпонасосные станции характеризуются необходимостью изменения режимов работы в течение времени, что обусловлено переменным характером водопотребления, притока подземных вод, изменением технологического процесса и т.п. Регулирование должно выполняться таким образом, чтобы поддерживались требуемые значения напора или подачи в гидросистеме без недопустимых скачков давления, приводящих к возникновению различного рода нештатных ситуаций [1, 2]. водопроводный удаленный насосный гидротранспортный

Особого внимания заслуживают водопроводные насосные комплексы, характеризующиеся непрерывным отбором рабочего продукта (путевыми и сосредоточенными узловыми расходами перекачиваемой жидкости), наличием разветвленной структуры коммуникационных сетей, трубопроводной регулирующей и защитной арматуры, установленной в ответственных узлах гидросети. В гидротранспортной магистрали устанавливают т.н. диктующие точки (ДТ), которые оснащаются датчиками давления и запорно-предохранительной арматурой, обеспечение требуемого напора в которых гарантирует поддержание соответствующего напора или расхода в остальных точках гидросети. Как правило, в качестве диктующих выбираются точки, имеющие наибольшее удаление от насосной станции и расположенные в наиболее высоких геодезических отметках.

В большинстве технологических комплексов управление работой насосных агрегатов (НА) осуществляется с диспетчерского пункта, где фиксируется давление и расход в ДТ. При отклонении этих параметров от допустимых значений диспетчер сообщает технологу, обслуживающему станцию, о необходимости изменения режима работы насосов, что в большинстве технологических схем реализуется дросселированием выходного потока задвижкой, расположенной на выходе насоса.

Несмотря на высокий уровень требований к городским коммунальным водопроводно-канализационным предприятиям по надежности обеспечения водой потребителей, уровень автоматизации на них еще остается довольно низким, что не позволяет отслеживать реальное состояние магистралей водопроводных сетей (порыв, закупорка трубопровода), оперативно изменять режим работы насосного оборудования в соответствии с текущим водопотреблением, а также предотвращать аварийные ситуации и сбои в гидросистеме.

Цель работы - анализ характеристик и параметров объектов, входящих в состав водопроводных комплексов, и формирование требований к построению структуры систем удаленного управления и контроля насосными станциями.

Материал и результаты исследований.

Структура и режимы работы гидротранспортных комплексов.

В состав водопроводных гидротранспортных комплексов (ГТК) входят (рис. 1):

- насосные станции с параллельно включенными НА, которые приводятся во вращение асинхронными или синхронными электродвигателями мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт;

- запорно-регулирующая и гидрозащитная арматура (вентили, задвижки, обратные клапаны, гасители гидроударов и др.), устанавливаемая как на выходе НА, так и в трубопроводной сети;

- разветвленная коммуникационная сеть трубопроводов большой протяженности (до десятков километров) с диаметрами условного прохода от 150 до 1500 мм, путевыми расходами по длине участков трубопровода от 1000 до 20000 л/ч, сосредоточенными узловыми отборами жидкости от 2000 до 65000 л/ч;

- датчики давления и расхода жидкости, установленные на выходе насосной станции и в трубопроводной сети.

Характерной особенностью ГТК систем водоснабжения является работа НА на общую гидросеть, имеющую значительный статический напор Н_ст, достигающий 40% напора, развиваемого насосами.

Регулирование производительности на выходе НА осуществляется согласно суточному графику водопотребления. Изменение режима работы НА обычно осуществляется включением/отключением одновременно работающих насосов. Такое регулирование сопровождается ступенчатым изменением расхода в коммуникационной сети Q(t), давления на выходе НА p(t) и в диктующей точке у потребителя р_дт(t) (рис. 2). При этом в системе имеют место перерасходы перекачиваемого продукта, непроизводительные затраты мощности, броски давления, приводящие к гидроударам, преждевременному износу мощного электромеханического оборудования. Для обеспечения требуемых значений напора H и расхода Q используют подрегулирование параметров НА дросселированием потока задвижкой, установленной в напорном патрубке. Данный способ позволяет осуществить более плавное изменение производительности по сравнению с предыдущим, однако характеризуется непроизводительными потерями мощности на преодоление сопротивления задвижки, снижением КПД НА и требует соблюдения темпа управления положением рабочего органа задвижки.

Рисунок 2 - Временные диаграммы изменения расхода и давления в гидротранспортном комплексе: Q(t) - расход; р(t) - давление на выходе НА; р_дт(t) - давление в диктующей точке; р^/(t) - давление на выходе НА при плавном регулировании производительности

Эффективной схемой регулирования производительности насосов остается изменение частоты вращения приводных двигателей за счет использования преобразователей частоты или тиристорных регуляторов напряжения. Такой вариант позволяет сэкономить до 30% электроэнергии, обеспечить плавное управление запуском НА (рис. 2, кривая р^/(t)), снизить динамические нагрузки на турбомеханизм и трубопроводную сеть.

Характеристики и параметры основных элементов гидротранспортных комплексов.

Гидротранспортные комплексы относятся к системам со значительным технологическим запаздыванием, обусловленным различными значениями постоянных времени элементов, входящих в состав насосных комплексов, что необходимо учитывать при проектировании систем управления насосными станциями на расстоянии.

Рассмотрим основные технологические и регулировочные характеристики объектов водопроводного насосного комплекса.

При использовании регулируемого электропривода насосов изменение частоты вращения электродвигателей реализуется путем увеличения или уменьшения частоты питающей сети или амплитуды напряжения, подводимого к статору двигателя. При регулировании частоты вращения вращающий момент асинхронного двигателя (АД) [3]:

,

где U_ном - номинальное фазное напряжение на статоре; =f₁/f₂ - относительная частота напряжения статора; =f₂/f_1ном - относительная частота ротора; - относительное напряжение на статоре; b=R₁(1+₂); c=x₀; d=R₁/x₀; e=1+₁; ₁=x₁/x₀ и ₂=x^/₂/x₀ - коэффициенты рассеяния для статора и ротора соответственно; - активное сопротивление статора, активное приведенное сопротивление ротора, индуктивное сопротивление рассеяния статора и ротора соответственно; s - скольжение двигателя.

Обычно для насосов, работающих на трубопроводную сеть, используется закон частотного управления где U₁ и f₁ - напряжение и частота питающей сети; U₂ и f₂ - напряжение и частота на выходе преобразователя.

На рис. 3 приведено семейство регулировочных механических характеристик АД при различных законах частотного регулирования, работающего с насосом на валу. При снижении питающего напряжения уменьшается модуль жесткости механических характеристик и наблюдается заметное снижение перегрузочного момента электродвигателя (рис. 3, кривые M_u=f(), точки А, А^/_u, A_u^// рабочего режима). При использовании преобразователей частоты механические характеристики АД смещаются параллельно вниз с незначительным снижением величины критического момента (рис. 3, кривые M_f=f() точки А, А^/_f, A_f^// рабочего режима).

АД характеризуются наличием электромагнитной и механической постоянных времени Т_э и Т_м [4]:

; ,

где ₀ - синхронная частота вращения поля статора;

s_к - критическое скольжение; J_дв - момент инерции двигателя.

Рисунок 3 - Механические характеристики АД при регулировании частоты M_f=f() и амплитуды питающего напряжения, подаваемого на статор электрической машины M_u=f(), с моментом сопротивления на валу М_с=f()

В табл.1 приведены значения ряда постоянных времени для низковольтных и высоковольтных асинхронных двигателей, используемых в НА.

Таблица 1 - Постоянные времени асинхронных двигателей

Переходные процессы в синхронных машинах характеризуются [4, 5]:

- постоянной времени изменения магнитного поля по продольной оси ротора при замкнутой цепи статора ();

- сверхпереходной постоянной времени изменения магнитного поля по продольной оси ротора при замкнутой цепи статора ();

- сверхпереходной постоянной времени демпферного контура по поперечной оси ротора при замкнутом статоре ().

В табл. 2 приведены значения постоянных времени для ряда синхронных двигателей, применяемых в электроприводе насосных установок.

Таблица 2 - Постоянные времени высоковольтных синхронных электродвигателей

В современных водопроводных насосных комплексах наибольшее распространение получили центробежные и осевые насосы.

Напорно-расходные характеристики (H-Q) НА (рис. 4) описываются полиномом вида [2]:

где А₂ - коэффициент аппроксимации, равный напору Н_о при нулевой подаче; В₂, С₂ - коэффициенты аппроксимации, зависящие от конструктивных особенностей НА (определяются по паспортным характеристикам насоса); - относительная частота вращения насоса.

Если H-Q характеристика насоса пологая, то справедливо равенство:

,

где R_в - внутреннее сопротивление насоса.

При регулировании частоты вращения кривые H-Q насоса смещаются параллельно вниз, точки рабочего режима А, В, С перемещаются по характеристике трубопровода (рис. 4).

Рисунок 4 - Напорно-расходные характеристики насоса при переменной частоте вращения: H-Q - пологие характеристики; H-Q^/ - характеристики с максимумом

Момент сопротивления, создаваемый центробежными насосами, в зависимости от величины статического давления, определяется выражением [5]:

;

где М_с/нач - начальный момент сопротивления вращающегося механизма; М_н - номинальный момент сопротивления механизма; р - показатель степени, зависящий от величины противодавления (при Н_с=0 р=2; при наличии Н_с р=35).

Кривые момента сопротивления насоса при изменении частоты вращения и работе на трубопроводную сеть приведены на рис. 5.

Рисунок 5 - Кривые изменения момента сопротивления насоса в зависимости от относительной частоты вращения для различных значений статического напора: 1 - при Н_ст/Н_ном=0; 2 - при Н_ст/Н_ном=0,5; 3 - при Н_ст/Н_ном=0,75; 4 - при Н_ст/Н_ном=0,9

При групповой работе НА и регулировании частоты вращения одного из них зависимость момента сопротивления турбомеханизма от скорости меняется и может быть описана [14]:

,

где - относительное значение момента сопротивления насоса; - относительная критическая скорость вращения регулируемого агрегата, определяющая крайнюю нижнюю границу диапазона регулирования скорости насоса [14].

Время разгона насосного агрегата лежит в пределах 190 с в зависимости от величины установленной мощности и определяется зависимостью вида [2]:

,

где GD² - маховый момент механизма; М_нач - начальный пусковой момент при скорости n=0 (кгсм²); М_тр - момент трогания механизма.

В качестве трубопроводной арматуры в насосных установках используют элементы с нелинейными характеристиками: задвижки, затворы и обратные клапаны, параметрами которых являются коэффициент сопротивления, степень открытия, быстродействие и др.