Українська   Deutsch
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Около 60% затрат электроэнергии в промышленности и коммунальном хозяйстве (ЖКХ) приходится на долю электродвигателей. При этом большая часть этого энергопотребления приходится на приводные системы вентиляторов, компрессоров, насосов и других установок с циклическим режимом нагрузки.

Электропривод является энергосиловой основой современного производства и, в свою очередь, среди промышленных электроприводов преобладают электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, потребляющими до 50% энергии, потребляемой электроприводом. Эти электроприводы, благодаря своей простоте и относительно невысокой стоимости, нашли широкое применение в различных механизмах. Общеизвестны и их недостатки — тяжёлый пуск при прямом подключении к сети, сопровождающийся 6–7–кратными токами, и, как следствие, невысокая эксплуатационная надёжность, трудность регулирования скорости.

Характерным примером использования асинхронных двигателей являются насосные станции холодного и горячего водоснабжения, канализационные насосные станции и системы отопления. Этот тип механизмов потребляет не менее 20–25% всей вырабатываемой электроэнергии.

В подавляющем большинстве случаев, электроприводы указанных механизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления и расхода при изменении технологических потребностей в широких пределах. Выбранные, исходя из максимальной производительности, эти механизмы значительную часть времени работают с меньшей производительностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени.

1. Технологическая схема системы ПНС

Подкачивающая насосная станция представляет собой систему, которая повышает уровень давления при подаче воды и состоит из следующих компонентов: датчик давления, стоящий на выходе системы; насосы; резервуар; задвижка. (рис. 1)

Рисунок 1 – Технологическая схема неавтоматизированной ПНС

Вода поступает по трубопроводу в резервуар. Если резервуар заполнен, то вода перекрывается задвижкой. Из резервуара вода поступает на насосы, которые включаются и выключаются, если давление воды на выходе недостаточное или превышающее уставки. Снятие показаний, включения/выключения насосов, перекрытие воды осуществляют люди.

2. Состав и принцип работы системы подкачивающей станции

Повысительная/Подкачивающая Насосная Станция (ПНС) предназначена для перекачивания и повышения давления чистой воды в системе водоснабжения. Установка данного оборудования — ПНС — обеспечивает решение задач хозяйственно–бытового и противопожарного водоснабжения не только одного или нескольких зданий промышленного, административного или жилого назначения (в том числе, повышенной этажности), но и целых населённых пунктов и предприятий.

Использование ПНС допустимо в системе водоснабжения:

Насосные станции подкачки без резервуаров более компактны (рис.2). Их часто размещают в заглубленных зданиях небольшого размера. Режим работы таких станций жёстко связан с режимом водопотребления. Такие станции располагают в подземных камерах (колодцах). При достаточном напоре в сети городского водопровода, обеспечивающем потребление микрорайонов или посёлков, возможно ограничиться сооружением только водоводов и сети.

Рисунок 2 – Общий вид подкачивающей насосной станции без резервуара:
1) павильйон;
2) насосная установка;
3) трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой;
4) шкаф управления;
5) грузоподъёмное устройство;
6) светильники;
7) приборы отопления;
8) вентиляционная система.

Цена такой станции зависит от её комплектации:

Режим работы повысительной станции может быть круглосуточным. В таком случае, её подключают непосредственно к трубопроводу, и она будет запускаться каждый раз, когда давление в трубах начнёт ослабевать. В производственных трубопроводах такую схему используют чаще всего.

Что касается жилых комплексов, то там напор воды падает в определённые часы, когда происходит максимальное водопотребление. В таком случае, режим работы повысительной станции может быть ступенчатым. Тогда группу насосов подключают к трубопроводу не напрямую, а через накопительный резервуар. Как только уровень жидкости в нём падает до определённой отметки, поплавковые датчики дают команду на запуск и подкачку воды.

Для того чтобы станция могла нормально функционировать, давление в подающем трубопроводе не должно быть меньше 10 м.вод.ст. В противном случае, во всасывающем трубопроводе образуется вакуум, либо может произойти разгерметизация соединений, с последующим подсосом загрязнённого воздуха.

Расчёт напора и подачи насосных агрегатов определяется на стадии проектирования системы водоснабжения. Причём, каждой станции присваивается своя категория обеспечения подачи.

При необходимости транспортировки воды на длинные дистанции, давление в напорном трубопроводе снижается прямо пропорционально его протяжённости. Таким образом, чтобы компенсировать потерю напора, возникает прямая необходимость установки на трассе магистрали повысительных станций — и даже не одной, а нескольких.

Большинство предприятий не имеет автономного водопровода и пользуются водой из городских водопроводов, на общих основаниях. Напора имеющегося трубопровода для производства недостаточно и в часы пик давление воды существенно снижается. Поэтому, предприятиям, которым необходим стабильный напор воды, требуется наличие повысительной насосной станции. Размещается она непосредственно на вводе трубопровода в цех, которому не хватает имеющегося давления воды. В системах производственного водоснабжения нередко используют схемы, предусматривающие её охлаждение и повторное использование.

Рисунок 3 – Схема подкачивающей насосной станции.

Комплектация оборудования и схемы его компоновки на повысительных насосных станциях, прежде всего, зависят от конструкции подводящих трубопроводов, к которым они должны будут подключаться. Станция подкачки, которая входит в систему напорного трубопровода, по всем параметрам похожа на обычную насосную станцию II подъёма.

Её функция состоит в том, что насосные агрегаты забирают воду из трубопровода с низким напором, повышают его до расчётного показателя и подают в трубопровод высокого давления. В таких системах используется коллекторная схема подключения.

Оба коллектора (один высоконапорный, а другой низконапорный) располагают в том же здании, где установлена и насосная станция. Трубопроводы диаметром 150 мм укладывают чуть ниже уровня пола, в специально обустроенных кирпичных каналах или бетонных лотках.

Современные системы водоснабжения, использующие циркуляционные насосы высокого давления и трубы в зданиях, изготавливают из меди, латуни, пластика (особым способом скроенного полиэтилена PEX, который используется в 60% многоквартирных и индивидуальных домов) или другого малотоксичного материала. Современные дренажные и канализационные трубопроводы изготавливают из пластика, стали, чугуна или свинца.

Рисунок 4 – Насосы, установленные в подкачивающей насосной станции.

3. Обзор и анализ известных решений по вопросу систем контроля и управления повышения давления воды

Существует множество решений проблем автоматизации и многие из них используют частотный преобразователь.

Рисунок 5 – Схема регулирования ПНС с частотным регулированием по отклонению.

В одном из контуров на выходе системы стоят измерители давления и расхода воды. Показания с данных измерителей влияют на частоту вращения колеса насоса: при отклонении давления и расхода на выходе системы от заданных, на ПЧ посылается управляющий сигнал; частота изменяется, и давление стремится к заданному.

Во втором контуре, где осуществляется подача воды в резервуар, на верхней части резервуара установлен измеритель уровня (уровнемер). При достижении верхнего или нижнего пределов уровня воды, на регулятор расхода посылается управляющий сигнал, который заставляет исполнительный механизм перекрывать или возобновлять поступление воды в резервуар.

Также существует реализация, в которой давления получают не на выходе системы, а перед подкачивающими насосами. В такой системе полученное давление сравнивают с уставками, и также подаётся регулирующий сигнал. Частотный преобразователь, как и в предыдущем варианте, изменяет частоту вращения колеса насоса.

Рисунок 6 – Схема регулирования ПНС по предварительному измерению давления.

Однако, при предварительном измерении давления регулировка менее точная, чем при использовании схемы регулирования по отклонению.

В данной работе будет использоваться вариант реализации схемы регулирования подкачивающей насосной станции по отклонению и по предварительному измерению давления. Это позволит проводить более точно регулирование, а также на основании сигнала датчика, установленного перед подкачивающими насосами, быстрее и проще определить сухой ход.

Рисунок 7 – Схема регулирования ПНС с частотным регулирование по отклонению и с предварительным измерением давления.

4. Обоснование принятого направления решения задачи

Для меньшего энергопотребления используется метод управления, ориентированный не только на поддержание заданного давления, но и на контроль эффективности работы насосной станции. В качестве критерия эффективности работы насосной станции используется ее гидравлический КПД, который определяется по формуле:

где Pгидр – гидравлическая мощность, развиваемая насосной станцией, т.е. мощность, передаваемая жидкости насосом;
    Pэлект – суммарная электрическая мощность, потребляемая приводами регулируемых насосных агрегатов и приводами насосов, работающих от сети.

Электрическая мощность является измеряемым параметром, гидравлическая (полезная мощность) определяется формулой:

где Q – подача насосной станции, м3/с;
     ρ – плотность жидкости кг/м3 ;
     g – ускорение свободного падения, м/с2 ;

H – полный напор насоса, м.


Полный напор насоса:

где Z – высота центра поперечного сечения трубопровода над эталонной плоскостью;
     р – манометрическое давление, отнесенное к центру поперечного сечения;
     u – средняя осевая скорость, определяемая отношением объемной подачи к площади поперечного сечения трубы.


Поскольку сечение трубопроводов на повысительных насосных станциях на входе и выходе насосного агрегата одинаковое, динамической составляющей напора пренебрегают.

Изменение напора и мощности при регулировании частоты вращения рабочего колеса для центробежных насосных агрегатов описывается уравнениями, приведенными ниже. Напорная характеристика насоса:

где A2, B2, C2 – коэффициенты, определяемые характеристиками насосного агрегата;
     n – частота вращения рабочего колеса;
     Q – расход, развиваемый насосным агрегатом.


Определяется полезная мощность насосного агрегата, подставив (4) в (2):

При этом на затрачиваемую насосом механическую мощность при изменении скорости вращения существенное влияние оказывают циркуляционные и механические потери в насосе. В общем виде уравнение механической мощности:

где A, B, D – коэффициенты, определяемые характеристиками насосного агрегата.

Для регулируемого насоса потребляемая энергия будет определяться формулой:

где ηдв, ηпч – КПД электродвигателя и преобразователя частоты.

Подставив уравнения (5) – (7) в (1), получаем аналитическую зависимость изменения КПД насоса от частоты вращения:

Влияние регулируемых насосов, находящихся в неэффективном режиме, на выходное давление станции незначительно. Для исключения неэффективной работы регулируемых насосных агрегатов предлагается определять мгновенную эффективность каждого из них, а затем отключать насосный агрегат в случае снижения его эффективности ниже заданного порога. Мгновенная эффективность оценивается, исходя из мощности, потребляемой каждым из насосов, а также из его развиваемых напора и расхода. При этом расход оценивается, исходя из паспортной напорной характеристики насоса и текущей частоты вращения его рабочего колеса.

Выводы

В качестве объекта управления рассмотрена подкачивающая насосная станция. Были перечислены её особенности и некоторые характеристики.

ПНС была рассмотрена, как объект регулирования. Рассмотрено использование частотного преобразователя с целью снизить затраты на электроэнергию. Также были рассмотрены различны схемы регулирования и определены их преимущества и недостатки. По вышеуказанной информации были выдвинуты цели и задачи автоматизации разработки, а также был определены требования пользователя к системе управления. Был пояснён выбор направления решения автоматизации.

Список источников

  1. Повысительная насосная станция в системе водоснабжения и водоотведения [Электронный ресурс]. / – Режим доступа: http://moikolodets.ru/~povysitelnaya....
  2. Лезнов Б.С., Частотно–регулируемый электропривод насосных установок. 2013. – 176с.
  3. Черных И.В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/simulink....
  4. Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., и др. Исследование системы ПЧ–АД–Насос–Гидросеть. — Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Випуск 2/2003(19), – с. 377.
  5. Попович М.Г., д.т.н., проф., Кіселичник О.І., и др. Адаптивні електромеханічні системи автоматичного керування насосними установками з векторно-керованими асинхронними двигунами. – Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Випуск 3(50)/2008 частина 1. – с.72.
  6. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов.– Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982.– 392 с.
  7. Лукас В. А. Теория автоматического управления. / Лукас В. А. – М.: Недра, 1990. – 416 с.
  8. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. / Зайцев Г.Ф. – Киев: Вища школа, 1988 – 431 с.