Автоматизация насосной станции

 Насосные  станции (НС) представляют собой  сложный электрогидравлический  технический комплекс сооружений  и оборудования, в котором осуществляется  преобразование электрической энергии  в механическую энергию потока  жидкости и управление этим  процессом преобразования.

 В зависимости  от назначения можно выделить  следующие виды НС: хозяйственно-питьевого  водоснабжения населенных пунктов  и промышленных предприятий; оборотного  водоснабжения промышленных предприятий;  канализационные; систем теплоснабжения; дренажные; противопожарного водоснабжения; мелиоративные; нефтеперекачивающие и др.

Для обеспечения требуемых технологических показателей используется параллельное, последовательное и комбинированное соединение установок. Наиболее характерным является параллельное соединение насосов, применяемое на большинстве типов НС.

По главному регулируемому параметру НС можно  разделить на станции с регулированием давления и станции с регулированием подачи.

Преимущественное использование получили НС с параллельным соединением насосов, которые применяются в системах водоснабжения и водоотведения населенных пунктов, промышленных предприятий.

На сл. 3 изображена технологическая схема типовой НС. Жидкость поступает во входной коллектор НС и аккумулируется в резервуаре. Из входного резервуара она откачивается насосами, подается в выходной коллектор НС и далее в магистральный трубопровод, откуда и распределяется по потребителям или поступает ко входу следующей НС. Для отделения насоса от трубопровода служат задвижки, размещенные на входном и напорном патрубках насоса. Кроме того, на выходном патрубке насоса установлен обратный клапан, предотвращающий обратный ток жидкости через насос. В качестве электроприводов насосов и задвижек применяются электродвигатели. В правой части рис.  размещена таблица, в которой для каждого из объектов НС приведен перечень контролируемых параметров.  

Основным энергетическим элементом НС является насосная установка, содержащая один или несколько насосов, всасывающую и нагнетательную систему  трубопроводов, запорную арматуру, электропривод, а также датчики технологических параметров установки. В качестве основного силового оборудования на НС применяют объемные или динамические насосы.

Преимущественное использование получили насосы центробежного типа.

Для обеспечения заданного режима работы НС при изменении условий работы требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы оборудования НС.

Для насосных установок  центробежного типа применяют следующие  способы регулирования подачи жидкости и давления:

-дросселированием трубопровода;

-перепуском части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;

-отключением или подключением насосов (ступенчатое регулирование);

-изменением частоты вращения рабочего колеса насоса. 

Дросселирование трубопровода является весьма распространенным способом регулирования давления и подачи жидкости. Регулирующим элементом в этом случае является механическое устройство в виде шибера, дроссель- клапана, задвижки, диафрагмы и т. п., которое располагается на напорном патрубке насоса и за счет своего перемещения изменяет поперечное сечение трубопровода [1].

 Несмотря  на простоту реализации данного  способа регулирования он имеет  ряд недостатков. Одним из них  является снижение КПД НС, особенно  при глубоком регулировании подачи. Это обусловлено тем, что энергия,  затраченная на преодоление дополнительного  сопротивления регулирующего устройства, преобразуется в тепловые потери, что и определяет низкую энергетическую эффективность данного подхода. Помимо этого, рост давления на выходе насоса при закрытии задвижки приводит к сокращению срока службы уплотнений и запорных устройств, а также к увеличению утечек жидкости через стыки и щели. Другим недостатком этого способа является возможность однозонного регулирования в сторону уменьшения подачи или напора насосной установки.  

 Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что снижает КПД установки, особенно сильно при глубоком регулировании. Как и в предыдущем методе, подача НС регулируется только в сторону уменьшения.  

  Ступенчатое регулирование  подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако он не позволяет обеспечить непрерывное и качественное поддержание напора при изменении потребления жидкости и вызывает частые пуски двигателей, что уменьшает срок работы оборудования и требует строительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи НС. Кроме того, электроприводы работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей НС.  

 Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки позволяет осуществить непрерывное регулирование производительности НС с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах [4–11]. Однако оно требует больших затрат на регулирующее оборудование, особенно для установок с мощностью выше средней, и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью. Тем не менее снижающаяся стоимость регулируемых электроприводов делает этот способ наиболее перспективным.  

 Возможно  также сочетание нескольких способов  регулирования. Одним из широко применяемых вариантов регулирования является сочетание ступенчатого регулирования с изменением частоты вращения рабочего колеса насосной установки, которое достигается с помощью частотно-регулируемого электропривода.

 Для регулирования  энергетической эффективности оборудования  НС должен быть выбран оптимальный  по энергопотреблению режим работы  насосов.  

Основными характеристиками НС являются зависимости выходных подачи и давления жидкости от времени и  входной подачи, а также от ряда возмущающих воздействий. Эти зависимости отражают изменение режима работы НС.

В общем случае для m насосов, соединенных параллельно, уравнения системы имеют вид:

 •  динамика  изменения уровня жидкости в  резервуаре  

Sxdl/dt = QВХΣ –  QВЫХΣ – QУ(РВЫХ)    , (1)  

 где l и  S — уровень и площадь поверхности  жидкости в резервуаре соответственно; QВХΣ и QВЫХΣ — результирующие  подачи жидкости на входе и  выходе НС соответственно; QУ(РВЫХ) — подача утечек, задаваемая в  функции от выходного давления  РВЫХ;

 •  баланс  подач жидкости на выходе НС:  

AxQ=0,          (2)  

 где А = [1 1 … 1 –1 –1] — узловая вектор-строка  размерностью m+2; Q = [QЦН1 QЦН2 … QЦН2 QВЫХΣ QУ]Т — вектор-столбец подач  всех элементов, соединяющихся  на выходе НС;

 •   условие  равенства давлений на выходе параллельно работающих насосов:  

BxP=0,                (3)  

 где В —  контурная матрица размерностью mxm–1; Р = [ΔРЦН1 ΔРЦН2 … ΔРЦНm]Т   — вектор-столбец перепадов давления  системы насос-задвижка; 0 — нулевой  вектор столбец размерностью m–1. Матрица В имеет следующий вид:

(4)

Перепад давления на соединенных последовательно  насосе и задвижке определяется зависимостью, учитывающей регулирование частоты  вращения насоса ωЦН1 и изменение  положения задвижки хЗi:

 ΔРЦНi = ΔРЦНi (QЦНi, ωЦНi) – Р3i(QЦНi, x3i),         (5)

 •   баланс  напоров жидкости на выходе  НС:  

РВХ(l) + ΔРЦНi = РВЫХ = РСТ + РГ(QВЫХΣ),         (6)

где РВХ(l) — давление на входе насосов, зависящее от уровня жидкости во входном резервуаре; РСТ  и РГ(QВЫХΣ)— статическое противодавление и динамический перепад давления в гидравлической сети соответственно.  

Для получения  рационального алгоритма управления НС должен быть выполнен анализ гидравлического  режима работы насосного оборудования. Баланс расходов и давлений жидкости для случая трех параллельно работающих насосов описывается математической моделью на основе системы полученных ранее уравнений (1–4). При m = 3 после раскрытия матриц получаем следующие уравнения для балансов подач и напоров:  

(7)

 На сл 6 показан качественный характер изменения параметров системы из трех насосов, в которой регулируется частота вращения рабочего колеса одного из насосов. Насосы имеют характеристики вида 1, а магистраль — характеристику вида 4. Увеличение подачи и давления производится в следующем порядке. На начальном этапе в работу включается один насос с частотно-регулируемым электроприводом. Для обеспечения подачи Q1 его частота вращения увеличивается до значения ω1. Дальнейший рост подачи и давления возможен до величин Q3 и Р3 соответственно. Если необходимо обеспечить дальнейшее увеличение подачи, то происходит переключение питания электропривода первого насоса с выхода преобразователя частоты на сеть, а к выходу преобразователя частоты коммутируется электропривод второго насоса и частота вращения увеличивается до требуемого значения.

Таким образом  обеспечивается регулирование параметров НС в области, заключенной между  характеристиками 1 и 2. При необходимости  дальнейшего увеличения подачи и  давления до значений выше Q3' и Р3' питание электропривода второго насоса переключается с выхода преобразователя частоты на сеть и в работу вводится третий насос, управляемый частотно-регулируемым электроприводом. В этом случае регулирование происходит в области, заключенной между характеристиками 2 и 3.  

 При снижении  подачи и давления коммутация  и регулирование частоты вращения  электроприводов насосов происходит  в обратном порядке. 

 Рассмотренный  способ регулирования режима  работы насосной установки обеспечивает  плавное и непрерывное изменение подачи и давления жидкости в широком диапазоне изменения значений регулируемых параметров от Q1 до Q3'' и характеристики сети от 4 до 4'.

Структура автоматизированной НС 

 Упрощенная  структурная схема автоматизированной  НС с частотно-регулируемым электроприводом приведена на сл. 7.

 Электроснабжение  НС осуществляется от трансформаторной  подстанции ТП. Электроэнергия поступает  на распределительное устройство  РУ, к которому подключено силовое  электрооборудование. Здесь же  размещены первичные аппараты для средств учета потребляемой электроэнергии.

 Силовое электрооборудование  размещено в электрощитовой НС. Оно содержит: силовые шкафы управления  СШУ, преобразователь частоты  ПЧ и, при необходимости, компенсатор  реактивной мощности КРМ. Силовой  шкаф управления содержит коммутационный аппарат, с помощью которого осуществляется коммутация питания электропривода М центробежного насоса Н либо к выходу ПЧ, либо к секции РУ.

 В машзале  НС размещено основное и вспомогательное  оборудование НС. Основное оборудование включает насосы ЦН1–ЦН3, электроприводы М1–М3. В состав вспомогательного оборудования входят: дренажные, пожарные, вакуум-насосы; задвижки; вентиляторы; обогреватели и другое оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1–ИМn.

 Для получения  информации о значениях регулируемых  параметров служат датчики Д1–Дm.

 Сигналы управления  и измерительные сигналы от  оборудования НС собираются в  шкафу управления ШУ. Здесь же  происходит их объединение в  одну общую информационную линию связи, которая подключается к технологическому контроллеру ТК.

 Технологический  контроллер реализует общий алгоритм  управления НС и обмен информацией  с автоматизированной системой  управления технологическим комплексом  АСУ ТК. Программное обеспечение ТК содержит ряд функциональных блоков, реализованных на программном уровне.