Анализ методов регулирования электроприводов насосных агрегатов

Аннотация

А.Д. Лиходедов, Н.Н. Портнягин – Анализ методов регулирования электроприводов насосных агрегатов. В данной статье рассматриваются способы регулирования насосных агрегатов(качественные, количественные, комбинированные) и т.д.

Регулирование работы насосных установок обеспечивает необходимый режим работы насосных станций (НС) при постоянном изменении условий работы. Асинхронные электродвигатели мощностью порядка 4 МВт, устанавливаемые на водозаборных станциях, не попадают в рассмотрение данной работы, так как используют нерегулируемый электропривод.

Положение рабочей точки насоса определяется характеристикой трубопровода и характеристикой насоса. Задача регулирования может решаться либо регулированием гидравлических режимов работы насосов, либо регулированием энергетической эффективности работы оборудования НС. Количественные методы регулирования направлены на изменение водоподачи сети, а качественные методы изменяют характеристику насоса.

К количественным способам регулирования насосных агрегатов относятся:

• дросселирование трубопровода;
• перепуск части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;
• отключение или подключение насосов (ступенчатое регулирование);
• применение баков-гидроаккумуляторов;
• сбросом части поднятого количества воды в нижний бьеф;
• впуском воздуха во всасывающую трубу насоса;
• комбинация включения параллельно/последовательно работающих ступеней в многосекционных насосах;
• авторегулированием (изменением статической составляющей напора);
• изменением числа параллельно работающих насосов (применение разменных агрегатов).

К качественным способам регулирования относятся:

• изменение частоты вращения рабочего колеса;
• изменение степени открытия поперечного сечения каналов рабочего колеса;
• изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на выходе из рабочего колеса насоса;
• саморегулирование;
• изменение ширины рабочего колеса;
• изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на входе в рабочее колесо насоса;
• изменение угла установки лопастей рабочего колеса;
• обточка рабочего колеса

К комбинированным способам регулирования относятся:

• саморегулирование с перепуском;
• перепуск по малому контуру с закруткой потока перед рабочим колесом;
• дросселирование с перепуском;
• перепуск с подкруткой;
• дросселирование и изменение частоты вращения рабочего колеса;
• комбинация лопастного и водоструйного насосов и другие.

Часто потери электроэнергии внутри НС обусловлены использованием дросселирования напорной задвижки насосного агрегата. Широко распространенным методом регулирования давления и водоподачи является дросселирование трубопровода. Элементом, посредством которого осуществляют дросселирование, является механическое устройство в виде диафрагмы, шибера, дроссель-клапана, задвижки, и др. Это устройство, расположенное на напорном патрубке трубопровода, перемещаясь, изменяет поперечное сечение трубопровода.

Данный способ, хоть и прост в реализации, имеет целый ряд недостатков. Во-первых, это уменьшение КПД НС, при глубоком регулировании водоподачи особенно выраженное. Это происходит из-за того, что энергия, потраченная на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления регулирующего устройства, переходит в тепловые потери. При этом закрытая задвижка является причиной увеличения давления на выходе насоса, что ведет к уменьшению срока службы запорных устройств и уплотнений и к увеличению утечек воды. При этом качество регулирования низкое, изменение давления происходит рывками; регулирование является однозонным, возможно лишь в сторону снижения напора или водоподачи насоса; эксплуатация оборудования осложняется в случае большого количества коммутационной аппаратуры, насосов, клапанов, дросселей.

Для насосов специальной конструкции возможен способ регулирования изменением числа работающих ступеней. Используя этот способ можно изменять подачу насосного агрегата, меняя число последовательно или параллельно включенных в работу колес насоса. Этот способ требует оборудования НС специальными насосами более сложной конструкции, вследствие чего они более дорогие, стоимость их ремонта и обслуживания также повышена.

При применении баков-гидроаккумуляторов в целях регулирования водоподачи рабочие характеристики сети трубопроводов и насоса остаются неизменными. В систему вводится промежуточное аккумулирующее устройство, компенсирующее несоответствие характеристик. Подача насосной установки без использования регулируемого электропривода осуществляется включением насосов при достижении уровня воды заданных нижних значений и отключением, при достижении уровня заданных верхних значений. Многие насосные станции не содержат гидравлических резервуаров, так как они требуют дополнительных затрат на содержание и обслуживание и имеют большие габаритные размеры.

Регулирование напора перепуском осуществляется посредством отвода с задвижкой, при этом определенное количество жидкости отводится с выхода насоса на вход. Этот способ предусматривает возможность автоматизации установкой на стороне высокого давления отрегулированных клапанов, осуществляющих сброс излишнего напора. При этом на непроизводительную циркуляцию потока жидкости затрачивается энергия, в результате снижается КПД насосной установки, тем больше, чем глубже регулирование. Регулирование перепуском также является однозонным.

Регулирование сбросом части поднятого количества воды в нижний бьеф приводит к излишним затратам электроэнергии и пресной воды, затрачиваемой на подъем. Данный способ аналогичен предыдущему.

Способ, подачи воздуха в нагнетательный трубопровод для уменьшения напора и подачи тоже экономически неэффективен, так как изменяются кавитационные свойства насосов, и они почти не создают полезной работы.

При авторегулировании (изменении статической составляющей напора) напор насоса зависит от разности уровней воды в нижнем и верхнем бьефах. Однако в поверхностных источниках уровень воды постоянно изменяется, так как зависит от гидрологического режима источника. Данный способ регулирования не обеспечивает качественного решения задачи оптимизации управления.

Регулировка с использованием гидромуфт (емкость, скрепленную арматурой с агрегатом-турбиной, устанавливаемым отдельно) не нашла широкого применения, так как гидромуфты имеют относительно большие габаритные размеры, их ремонт и эксплуатация трудоемки и сложны, гидромуфты подвержены износу, имеют низкий КПД.

Следующий способ – ступенчатое регулирование насосной станции. Для обеспечения заданного режима выполняют подключение дополнительных насосных агрегатов или их отключение. Данный способ не требует установки дополнительных регулирующих устройств, поэтому характеризуется простотой управления. Недостатками является неспособность метода осуществлять качественное непрерывное управление. В процессе регулирования возможен частый перепуск двигателей, что снижает их срок службы. Возникает необходимость в строительстве промежуточного гидравлического резервуара, осуществляющего сглаживание подачи НС. Возможна длительная работа электроприводов в неоптимальном режиме, в результате чего снижается КПД НС.

Список использованной литературы

1. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Колодин И.Ю.: Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода // Силовая электроника №2'2006.
2. Кожинов И.В., Колесов В. В., Майзельс М.П., Эгильский И. С. Наладка и интенсификация работы городских систем подачи и распределения воды. М., Стройиздат, 1978.
3. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат. 1990.
4. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с. ил.