АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ НА ТЕМУ:
"ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОВ".
Выполнил магистрант группы АУП-06М ОРЛЯНСКИЙ А.А.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕМЕ

Понятие гидротехнологического процесса включает в себя:

1) технологическое гидроэнергоснабжение добычных участков гидрошахт;

2) водоснабжение шахтного поселка;

3) шахтный водоотлив.

 Общим для всех вышеуказанных процессов является то, что подача воды осуществляется с помощью насосных агрегатов, сгруппированных на насосной станции; насосные агрегаты работают совместно (параллельно) на общий коллектор, пуск осуществляется на закрытую задвижку, а регулирование производительности осуществляется путём дросселирования задвижкой, установленной на выходе из общего коллектора.

Указанные гидротехнологические процессы также объединяет резко выраженная неравномерность потребления воды втечение суток , что требует регулирования, а существующие способы, применяемые на практике, не являются экономичными.

При современном состоянии экономики с высокими ценами на энергетические и природные ресурсы данная ситуация является проблемной, а потому требует решения.

Целью работы является исследование и разработка системы автоматического регулирования параметров гидротехнологических процессов. Данная система должна выполнять ряд функций, в числе которых, в соответствии с современными требованиями, должны быть:

а) сбор и обработка информации о текущих значениях гидравлических параметров сети в “диктующей” точке (давление и расход);

б) организация интерфейса RS – 485 и передача собранных данных на регулятор, расположенный в насосной станции;

в) оптимальное управление по выбранному критерию с учётом ограничений и граничных условий, накладываемых на параметры процесса водоснабжения;

г) пуск и останов насосных агрегатов в автоматическом режиме;

д) контроль выхода насосных агрегатов на рабочий режим;

е) сигнализация о режиме работы насосных агрегатов с выдачей аварийного сигнала при наступлении анормального режима работы с последующим остановом и отключением.

ж) прогнозирование хода технологического процесса;

з) обеспечение безопасной работы и охрану труда для обслуживающего персонала;

и) способствовать снижению удельных производственных затрат, экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

Кроме того, разрабатываемая система должна иметь современную элементную базу, обладать возможностью дальнейшей модернизации, быть максимально унифицированной, иметь широкие функциональные возможности, высокую надежность, длительный срок эксплуатации, минимальные затраты на производство, монтаж и обслуживание, низкую стоимость.

Таким образом, предполагаемая практическая ценность такой системы заключается в обеспечении водопотребителей водой в заданном количестве требуемого качества (по давлению) с минимальными энергозатратами, что позволит комплексно решить проблему энергосбережения, весьма актуальную сегодня.

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

 Процесс водоснабжения, технологическая схема которого показана на рисунке 1, осуществляется следующим образом. Группы водопотребителей ГВ1 – ГВ3 обеспечиваются водой, перекачиваемой насосной станцией через трубопроводную сеть A – B – C – D. В качестве насосов обычно используются центробежные, например, 24НДС с приводными электродвигателями типа СДН мощностью 1600 кВт.

Рисунок 1 – Технологическая схема процесса водоснабжения

ГВ1 – ГВ3 – группы водопотребителей;

ПД – приводной электродвигатель;

A, B, C, D – диктующие точки.

Насосы работают совместно (параллельно) на протяженную (десятки километров) и разветвлённую сеть с переменным диаметром трубопроводов от 1200 до 200 мм.

Водопотребители имеют два характерных состояния: “открыто” и “закрыто”.

Основная задача процесса водоснабжения – обеспечить открытым водопотребителям воду необходимого качества (по давлению) в требуемом количестве, но при изменении количества открытых водопотребителей происходит уменьшение или увеличение давления воды в сети, что ведет к потерям или перерасходу энергетических ресурсов.

В настоящее время подача воды в сеть и регулирование гидравлических параметров насосной станции осуществляется по величине давления воды в общем коллекторе станции путём дросселирования трубопровода задвижкой Зд1 (точка А, см. рисунок 1). Однако при этом если один потребитель одновременно отключится, а второй подключится, то давление и расход воды в коллекторе насосной станции могут и не измениться, а у водопотребителей произойдёт перераспределение гидравлических параметров.

Поэтому для эффективного регулирования производительности насосной станции необходимо контролировать расход и давление воды. Предполагается это осуществлять в определенных “диктующих” точках у конкретных групп водопотребителей – в точках B, C, D, где должны устанавливаться блоки контроля, передающие информацию о состоянии гидравлических параметров в “диктующих” точках сети водоснабжения.

На современном этапе развития науки и техники существует ряд технических решений по автоматизации водоснабжения. Как отмечалось выше, основной задачей является обеспечение водопотребителей водой в требуемом количестве необходимого по давлению качества, что фактически сводится к регулированию производительности насосных агрегатов. Регулирование может осуществляться либо вручную (наиболее распространённое на действующих насосных станциях решение), либо автоматически.

Известные методы регулирования производительности насосных агрегатов можно условно разделить на две достаточно обширные группы:

а) Регулирование при постоянной скорости вращения рабочего колеса насоса, включающее:

- дросселирование задвижкой на стороне всасывания;

 - впуск во всасывающую трубу воздуха;

- регулирование поворотом направляющих лопаток;

- дросселирование напорной задвижкой;

б) Регулирование при переменной скорости вращения рабочего колеса насоса:

- с использованием электромагнитных муфт скольжения (без изменения скорости вращения приводного двигателя);

- с использованием асинхронного электропривода с питанием от источника переменной частоты;

 - с использованием каскадных схем асинхронного привода;

Поскольку насосы работают совместно, то регулирование может осуществляться несколькими способами:

- дросселированием на одном из работающих насосов;

- дросселированием на общем напорном водоводе или одновременно у всех параллельно работающих насосов;

- регулированием скорости вращения одного из параллельно работающих насосов;

- одновременным регулированием скорости всех параллельно работающих насосов.

В действующих насосных станциях наиболее широкое применение нашло регулирование дросселированием на общем напорном коллекторе путём воздействия диспетчером на управляющие цепи исполнительных механизмов (приводы задвижек).

Анализ, проведенный в [1] показывает, что для повышения эффективности процесса водоснабжения необходимо отказаться от дросселирования напорной задвижкой в пользу регулируемых асинхронных электроприводов. Это объясняется тем, что по своей сути задвижка представляет собой местное гидравлическое сопротивление переменной величины, а потому на ней всегда будут иметь место непродуктивные потери. Прикрывая задвижку можно добиться снижения давления и расхода, но при этом энергия впустую расходуется на преодоление возросшего гидравлического сопротивления. Высокая цена на энергоносители вынуждает снижать уровень их потребления и всячески повышать степень их использования.

Регулируемые схемы электропривода весьма разнообразны, но наиболее перспективным направлением является асинхронный электропривод с частотным управлением на базе статических преобразователей частоты. Такие схемы позволяют охватить широкий диапазон скоростей вращения, вплоть до 40% от номинальной.

Структурные схемы способов регулирования показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема способов регулирования насосной станции;

а – с использованием задвижки;

б – с использованием регулируемого привода.

 Для обеспечения необходимого качества регулирования, как показано в работе [1], на группу из трёх насосных агрегатов достаточно иметь один регулируемый. Применение регулируемого привода насоса позволяет обеспечить работу насосной станции в зоне оптимальных значений коэффициента полезного действия.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Алгоритм автоматизации проектируемой системы и его блок – схема приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Блок – схема алгоритма автоматизации регулирования производительности насосного агрегата

После включения аппаратуры производится автоматический запуск насосного агрегата, контроль его выхода на рабочий режим, сбор и передача данных о текущих значениях гидравлических параметров конкретной диктующей точки, после этого происходит их сравнение с заданными, в результате чего принимается решение о выдаче управляющего воздействия: так, если текущее значение подачи Qтек больше заданного Qзад, то формируется управляющее воздействие на снижение частоты вращения приводного двигателя насосного агрегата, в противном случае – формируется управляющее воздействие на увеличение частоты вращения.

Затем производится повторное сравнение текущих значений гидравлических параметров с заданными, на основании чего принимается решение о формировании управляющих воздействий с последующим контролем параметров, либо о переходе в режим контроля значений параметров.

Выдача управляющих воздействий на увеличение частоты вращения, а следовательно, производительности насосного агрегата (подачи Q) производится с учётом давления в трубопроводе. Если текущее значение давления меньше допустимого даже после увеличения подачи, то выдается аварийный сигнал о возможном порыве в нагнетательном трубопроводе и формируется управляющее воздействие на остановку и отключение насосного агрегата.

Запустить в работу систему, которая осуществит пуск насосного агрегата в автоматическом режиме можно только после устранения порыва трубопровода.

Кроме того, система производит контроль состояния насосного агрегата и приводного двигателя на основании информации о температуре подшипниковых узлов, о температуре обмоток двигателя, токе статора и т.д. В случае аварийного режима работы также формируется управляющее воздействие на останов и отключение насосного агрегата.

Структурная схема разрабатываемой системы автоматизации показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Структурная схема системы автоматизации процесса водоснабжения

Структура данной схемы обусловлена теми соображениями, что обычно подача воды в сеть и регулирование гидравлических параметров насосной станции осуществляется по величине давления воды в коллекторе станции путём дросселирования трубопровода задвижкой Зд1 (точка А).

Однако при этом если один потребитель одновременно отключится, а второй подключится, то давление и расход воды в коллекторе насосной станции могут и не изменяться, а у групп водопотребителей ГВ1 – ГВ3 произойдёт перераспределение гидравлических параметров.

Для эффективного регулирования производительности насосной станции необходимо контролировать расход и давление воды непосредственно у потребителей.

Предлагается это осуществлять в так называемых диктующих точках у конкретной группы потребителей, например в точках B, C, D, где должны устанавливаться блоки контроля БК. Информация от блоков БК по линии связи передаётся на регулятор Р, где происходит сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными задатчиком З и производится выработка управляющих воздействий в систему частотного регулирования приводного электродвигателя насоса. Регулятор через систему импульсно – фазового управления СИФУ воздействует на преобразователь частоты ПЧ и изменяет скорость вращения приводного электродвигателя ПД насосного агрегата в соответствии с текущим режимом водопотребления.

Для обеспечения необходимого качества регулирования, как показано в работе [1], на группу из трёх насосных агрегатов достаточно иметь один регулируемый.

Применение регулируемого привода насоса обеспечить работу насосной станции в зоне оптимальных значений коэффициента полезного действия.

Блок контроля можно реализовать на основе 8 – разрядного микроконтролера со встроенным универсальным асинхронным приёмо – передатчиком. Тогда формат кодовой посылки целесообразно выбрать в соответствии со стандартами передачи информации, которые использует применяемый приёмо-передатчик.

Структурная схема блока контроля БК и его место в составе системы автоматизации процесса водоснабжения приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Структурная схема блока контроля

Блоки контроля БК устанавливаются в диктующей точке вблизи конкретной контролируемой группы водопотребителей.

Информация о текущих значениях давления и расхода воды в диктующей точке поступает в аналого – цифровой преобразователь АЦП с аналоговых датчиков давления ДД и расхода ДР, после чего в дискретном виде приходит на микроконтроллер МК, откуда выходит в виде кодовых посылок и через адаптер интерфейса RS – 485 поступает в линию связи ЛС, по которой передаётся на регулятор Р (см. рисунок 4) и на ПК диспетчера через адаптер интерфейса RS – 485/RS – 232.

Необходимость применения последнего обусловлена тем, что стандартная ЭВМ для связи с внешним оборудованием имеет лишь 2 последовательных порта, выполненных по стандарту RS – 232C, а передача по линии связи осуществляется с использованием интерфейса RS – 485. Данный интерфейс предусматривает передачу данных по симметричным согласованным линиям (витым парам проводов), максимальная дальность действия одного передатчика – 1200 м. Необходимая дальность передачи данных обеспечивается применением в линии связи повторителей сигнала (репитеров), устанавливаемых последовательно в требуемом количестве исходя из того, что каждый репитер увеличивает дальность передачи еще на 1200 м.

Также для исследования объекта автоматизации была построена его математическая модель, реализованная на ЭВМ с использованием прикладного пакета MathCAD, позволяющая исследовать насосные агрегаты и режимы их работы с целью получения характеристик, данные из которых могут быть использованы при настройке разрабатываемой системы автоматизации и выборе уставок.

Результаты моделирования приведены на рисунках 6-10.

Рисунок 6 – Напорно – расходная характеристика насосного агрегата, полученная в процессе моделирования.

Для сравнения ниже приведена характеристика реального моделируемого насосного агрегата 24НДс.

Рисунок  7 – Напорно – расходная характеристика насоса 24НДс

Рисунок 8 – Напорно – расходная характеристика, полученная в процессе моделирования.

 Рисунок 9 – Зависимость частоты вращения вала приводного двигателя насосного агрегата от времени при разгоне.

Рисунок 10 – График удельного расхода электроэнергии при дросселировании задвижкой

Анализ полученных графиков позволяет сделать ряд выводов, призванных повысить эффективность процесса в целом.

Так, к примеру, на станции водоснабжения г. Донецка, оборудованной насосными агрегатами, аналогичными моделируемым, время разгона принято априорно и составляет около 4 минут. Модель же показывает, что для разгона и выхода на номинальную характеристику требуется около 1 минуты. Получается, что в оставшееся время насос работает на закрытую задвижку при максимальном напоре, что приводит к повышенному расходу электроэнергии, приводит к ускоренному износу и разрушению запорной аппаратуры и трубопроводной сети.

Широко распространённое регулирование дросселированием задвижкой при всей своей простоте и дешевизне самого устройства является весьма неэкономичным. С одной стороны, для получения меньшей производительности задвижку прикрывают, при этом возрастает напор, развиваемый насосом.

С другой стороны, задвижка по сути является местным гидравлическим сопротивлением, а это означает, что энергия, потребляемая приводным двигателем насоса, будет попросту рассеиваться на этом сопротивлении – а это ведет к увеличению непроизводительного расхода электроэнергии в целом. Неэффективность дросселирования задвижкой как способа регулирования вытекает также из анализа зависимости, показанной на рисунке 10.

Как видно, при уменьшении подачи при помощи прикрытия задвижки наблюдается быстро растущее увеличение удельного расхода электроэнергии на каждый кубометр перекачиваемой воды.

Выходом из этой ситуации является применение регулируемого электропривода, причём регулирование осуществляется изменением частоты вращения приводного электродвигателя. Как видно из рисунка 8 , для изменения подачи в достаточно широких пределах, достаточно изменять частоту вращения двигателя в сравнительно небольшом диапазоне. При этом не возникает проблем с излишним напором и в целом такое регулирование является весьма экономичным, что значительно повышает эффективность работы насосной станции в целом.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1) Дмитренко Ю. А. Регулируемый электропривод насосной станции. – М.: Энергия, 1972. – 127с.

2) Попкович Г.С. Основы автоматики и автоматизации водопроводно – канализационных сооружений. – М.: Высшая школа, 1975. – 342с.

3) Справочник – каталог насосов в 3 т. – М.: Энергоатомиздат, 1968. – 547 с. – т.3

4) Карелин В. Я. Насосные станции гидротехнологических систем. – М.: Энергия. – 1980. – 258с.

5) Картавый Н. Г. Стационарные машины. – М.: Недра, 1981. – 327 с.

6) Попов В. С., Кузьмина Т. А. Автоматическое регулирование производительности насосных агрегатов в системах водоснабжения и очистки сточных вод. – М.: ЦНИИТЭнефтехим., 1972. – 96c.

7) Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. – 6-е изд. перер. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1985. – 640с.

8) ГОСТ 2.702-78 . Правила выполнения электрических схем.

9) Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках – М.: Биоинформсервис, 1998. – 180 с.

10) Груба В.И., Фадеев В.А., Пашко Л.А. Управление высоконапорной насосной станцией гидрошахты / Научн. Сб. Горная электромеханика и автоматика, 1979. – Вып.34.-с.29-32