Первоисточник материала: http://esco-ecosys.narod.ru/2004_11/art34.htm

Автоматизированные насосные станции нового поколения

д.т.н. Г.Б.Онищенко (МГОУ),
А.Н.Хаткин (АО ЭНА),
Ю.Н.Калачев (НТЦ «Приводная техника»)

     Использование регулируемого электропривода насосных агрегатов в системах коммунального и промышленного водоснабжения в течение последних 5-7 лет явилось предметом пристального внимания со стороны эксплуатирующих организаций. Стало очевидно, что регулирование скорости рабочего колеса насосов позволяет существенно повысить энергетические показатели установок, получить значительную экономию электроэнергии, и сократить потери воды за счет исключения избытка давления в гидравлической сети.

     К настоящему времени в различных городах и регионах России накоплен значительный опыт применения регулируемого электропривода насосных агрегатов для систем холодного и горячего водоснабжения. В большинстве случаев реализация этого технического мероприятия выполняется в порядке модернизации действующих насосных станций: в цепи питания асинхронного двигателя насоса устанавливаются преобразователи частоты, позволяющие регулировать скорость двигателя. При этом используются преобразователи иностранных компаний: Hitachi (Япония), Mitsubishi (Япония), Dan Foss (Дания) и др., а также разработки отечественных фирм: «Триол», «Приводная техника», ЧЭАЗ, МПП «Цикл» и прочих.

     Существующая практика внедрения регулируемого электропривода для насосных агрегатов выявила определенные недостатки в организации и техническом содержании этих работ. Отсутствует единая техническая политика в данной области. Разрозненная поставка насосных агрегатов, коммутирующего электрооборудования, преобразователей частоты и устройств автоматики затрудняет проектирование и внедрение автоматизированных насосных станций. А несогласованность отдельных элементов может снизить эффективность использования регулируемого электропривода насосных агрегатов.

     Эффективное использование возможностей регулируемого электропривода и систем автоматики может быть в полной мере реализовано, если это станет делом насосостроительных предприятий. Такая тенденция ярко проявляется в деятельности передовых зарубежных фирм. Указанный тезис может быть обоснован научно-техническими, конструкторскими, проектными, организационными, маркетинговыми и эксплуатационными соображениями.

1 Научно-технические вопросы

     Насосный агрегат для экономичной эксплуатации должен иметь возможность адаптироваться к условиям и режимам работы конкретного потребителя. Для этого необходимы:

• согласование характеристик насоса с характеристиками гидравлической сети, на которую он работает;
• согласование характеристик параллельно работающих насосов;
• обеспечение переменного режима работы, связанного с регулированием подачи воды в соответствии с нуждами потребителя.

     Сегодня избыток давления (напора) большинства насосных станций и гидравлических сетей до 40% превосходит объективно требуемый уровень, что вынуждает гасить избыток напора гидравлическими средствами. Это связано с тем, что при проектировании насосных станций насосы выбираются из стандартного ряда с большим запасом по напору и рассчитываются на максимальный режим расхода. Рабочая зона реального режима работы не всегда совпадает с зоной оптимального КПД насосов.

     Если насос работает с постоянной стандартной скоростью вращения, то необходимая адаптация осуществляется внешними гидравлическими средствами, что связано со значительными потерями энергии. Также следует отметить, что при конструировании насоса его характеристики оптимизируются для узкой рабочей области одного номинального режима, которая практически не используется. На практике высокий уровень КПД наших насосов остается невостребованным.

     Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети посредством выбора рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей основному режиму работы установки. При этом номинальная скорость может быть как выше, так и ниже стандартного значения.
Большинство насосов и насосных станций работает или объективно должны работать с переменной производительностью. Гидравлические способы не экономичны и не дают возможности автоматизированного регулирования.

     Второе принципиальное преимущество регулируемого электропривода состоит в том, что если насосный агрегат должен работать с переменной производительностью, то с энергетической точки зрения это наиболее рационально осуществлять путем регулирования скорости рабочего колеса насоса.

2 Вопросы конструирования насосов и насосных станций

     Указанные обстоятельства позволяют иначе взглянуть на методы оптимизации характеристик насосов и, следовательно, на вопросы их конструирования.
Задача оптимизации относится уже не к одному номинальному режиму, а к целой области режимов, характеризующихся требуемыми диапазонами изменения скорости и производительности насосов. Это новая постановка вопроса, которая лежит в компетенции специалистов по насосостроению и требует, по-видимому, проведения специальных исследований.

     Возможность иметь нестандартную номинальную скорость позволит, возможно, иначе взглянуть на типажные ряды и конструктивную унификацию насосных агрегатов.

     Таким образом, новыми конструкторскими вопросами являются:

• специальное конструирование насосов под переменную скорость вращения;
• гибкий подход к установлению номинальных параметров;
• гибкий подход к конструкторской унификации.

     Важной задачей при заводском изготовлении насосных станций является повышение их монтажеспособности. Перспективным направлением здесь является модульная конструкция, позволяющая собирать станцию из отдельных модулей, включающих насосные агрегаты, необходимую аппаратуру, соединительные переходы и контрольно-измерительную аппаратуру. В этом случае потребителю поставляется законченная конструкция насосной станции, удобная для сборки на месте монтажа. Принцип модульности относится и к электрической части установки - комплектному устройству управления.

3 Проектирование насосных станций

     Проектирование насосных станций как новых, так и модернизируемых, ставит перед проектировщиками достаточно сложные технические задачи по увязке насосных агрегатов, рассчитанных на постоянный режим работы, со средствами регулирования скорости двигателей насосов (полупроводниковые преобразователи частоты и др.) и средствами автоматики (датчики, регуляторы и др.).

     При создании новых установок и глубокой модернизации действующих представляется комплексное более эффективным проектирование и поставка автоматизированных насосных агрегатов. В этом случае потребителю поставляются насосные агрегаты, запорная арматура, обратные клапаны, соединительные трубопроводы, электрический шкаф с коммутационной аппаратурой, преобразователем частоты, аппаратурой автоматики, а также контрольно-измерительные приборы. Установки должны строиться по модульному принципу.

     Потребитель получает насосную станцию из нужного числа насосов со всем необходимым электрооборудованием и автоматическим управлением. Насосная станция будет полностью скомплектована и отлажена на заводе-изготовителе. Поставщик предоставляет гарантийные обязательства по обеспечению требуемых технических характеристик.

     Комплектными поставщиками автоматизированных насосных агрегатов должны, на наш взгляд, выступать насосостроительные предприятия. Такой позиции придерживается АО ЭНА.

4 Вопросы маркетинга

     Рассмотренные принципы построения автоматизированных насосных станций означают появление на рынке нового товара со всеми вытекающими отсюда маркетинговыми мероприятиями, начиная от исследований и заканчивая инженерным сопровождением и сервисным обслуживанием.

5 Преимущества в сфере эксплуатации

     Для эксплуатации комплексный подход сулит большие преимущества:

• квалифицированный подход поставщиков;
• гарантии поставщиков за конечный результат;
• монтажно-наладочная законченность;
• наличие только одного партнера за весь жизненный цикл изделия.

     АО ЭНА совместно с НТЦ «Приводная техника» разработали опытный образец автоматизированной насосной станции, отвечающий указанной концепции (см.рис.1).

Рис.1. Автоматизированная станция водоснабжения АСВ-1-15-3

     Станция построена по модульному принципу и включает в себя:

• три насосных агрегата (число насосных агрегатов может быть увеличено);
• запорную арматуру, обратные клапаны, соединительные трубопроводы;
• электрический шкаф управления (рис. 2), содержащий коммутационную аппаратуру управления и защиты, транзисторный преобразователь частоты для плавного регулирования скорости (производительности) насосного агрегата и регулятор давления, обеспечивающий поддержание гребуемого напора в контрольной точке гидравлической сети;
• контрольно-измерительную аппаратуру.

     Система управления выполняет следующие функции:

• энергосбережение и ресурсосбережение (экономия электроэнергии и воды);
• поддержание заданного давления в контрольной точке гидравлической сети путем плавного регулирования скорости одного из насосов;
• плавный пуск насосных агрегатов с заданной интенсивностью набора давления;
• защита трубопроводов и запорной арматуры от гидравлических ударов;
• автоматический ввод в работу резервного насоса при отказе работающего;
• повторное автоматическое включение насосов после перерыва электроснабжения.

     Компания «Приводная техника» разработала и выпускает транзисторные преобразователи серии АП-140 (рис. 3) мощностью от 5,5 до 500 кВт для регулируемого электропривода насосных агрегатов. Преобразователи содержат ПИД-регуляторы для создания систем регулирования с обратной связью по контролируемому параметру (давлению). Также выпускаются шкафы управления насосными агрегатами, включающие встроенный преобразователь частоты для регулирования производительности насосных агрегатов

     Говоря о принципах автоматизации насосных станций систем водоснабжения, следует отметить, что не все вопросы уже решены.

     Обычно системы автоматического регулирования строятся для поддержания заданного давления в выходном коллекторе насосной станции при изменении расхода. В принципе, особенно для разветвленных гидравлических сетей, это не совсем правильно, поскольку при этом не учитываются потери давления в магистрали. Для более точного регулирования датчик контролируемого давления следует устанавливать в так называемой диктующей точке гидравлической сети, если эта точка удалена от насосной станции, то приходится позаботиться о линии связи.

     Необходимость линии связи и ее недостаточная надежность определяют целесообразность поиска других технических решений.

     Одним из них является построение системы автоматического регулирования с использованием модели гидравлической сети, по которой можно определять давление в нужной точке сети и по этому значению осуществлять регулирование режима работы насосной станции. Такие модели разработаны в МГОУ. Математическая модель программно закладывается в микропроцессорное устройство, управляющее работой насосной станции.

     Резюмируя сказанное, следует отметить, что переход к регулируемому электроприводу насосов не сводится только к установке преобразователя частоты для питания двигателя, как часто считают сегодня, а представляет собой комплекс научных, технических и организационных мероприятий.

     Решение всех указанных технических и организационных задач требует привлечения усилий специалистов разного профиля: гидравликов, машиностроителей, электриков и проч. Однако, на наш взгляд, инициативу в этом вопросе должны взять на себя насосостроительные организации. В частности, необходима разработка нормативных документов, регламентирующих состав и характеристики автоматизированных насосных станций

Первоисточник материала: http://esco-ecosys.narod.ru/2004_11/art34.htm