В статье рассматриваются вопросы экономичного режима, обеспечиваемого стабилизацией давления в системе подачи жидкости насосных агрегатов. Показано, что основным регулирующим параметром в системах стабилизации давления в сети является давление в управляющей точке. Доказано, что стабилизация давления в точке диктовки обеспечивает необходимое минимальное давление в сети и снижает энергозатраты, затрачиваемые насосной станцией на водоснабжение.

Экономия электроэнергии при использовании привода с частотным регулированием в насосных установках

Для значительной группы насосных агрегатов экономичный режим обеспечивается стабилизацией давления (давления) в системе подачи жидкости. К таким установкам относятся насосные станции второго и третьего этажей промышленных и городских водопроводов, насосные станции перекачки, станции закрытых оросительных систем и тому подобное. Необходимость стабилизации давления в сети этих станций обусловлена переменным характером режима водопотребления. Вероятностный характер водопотребления требует постоянного изменения режима работы насосного агрегата. Изменения необходимо вносить таким образом, чтобы сохранялись требуемые значения технологических параметров (подача, напор) в системе в целом и при этом обеспечивалось минимально возможное энергопотребление насосного агрегата.

Методы автоматизированного управления частотного преобразователя

Эта проблема решается системой автоматического управления (САУ) насосной установки, стабилизирующей давление в сети на заданном значении. Стабилизировать давление во всех точках сложной разветвленной сети практически невозможно. Следовательно, можно говорить о стабилизации давления в отдельных точках сети, называемых диктаторами. В качестве диктатуры выбираются точки, в которых обеспечение нормального давления обеспечивает поддержание таких же или более высоких головок в других точках сети. В качестве диктующей точки выбирается участок водопроводной сети, расположенный на самых высоких геодезических отметках и наиболее удаленный от насосной станции по гидравлическому коэффициенту, т.е. участок, на котором потери давления имеют наибольшее значение.

Расположение точек диктанта определяется гидравлическим расчетом сети или эмпирическим путем, а также по результатам многолетних оперативных наблюдений. При значительном перераспределении потоков воды в сети диктующий пункт может менять свое местоположение. При работе сети в связке с насосными станциями, расположенными рядом с потребителями, например, насосными станциями, точка диктовки может располагаться на напор станции. Основным регулирующим параметром в системах, стабилизирующих давление в сети, является давление в точке (ах) диктовки. Стабилизация давления в точке диктовки обеспечивает необходимое минимальное давление в сети и снижает энергозатраты, затрачиваемые насосной станцией на водоснабжение.

Результат внедрения частотных преобразователей для насосных установок

Ниже рассмотрим процесс стабилизации давления в диктующей точке на примере простой неразветвленной водопроводной сети. Предположим, что на станции работает один насос. Для нормального водоснабжения потребителей в точке диктатуры А необходимо поддерживать так называемый свободный напор Нfr. Точка А расположена в точке Z2 над уровнем воды в резервуаре. Потери давления в водоводе во второй степени зависят от расхода. Следовательно, чтобы поднять воду от отметки Z1 до отметки Z2, преодолеть гидравлическое сопротивление и обеспечить заданный свободный напор, необходимо развивать напор воды.

Н = (Z2 − Z1) + Hfr + SQ2

При соблюдении этой зависимости в задающей точке поддерживается стабильное требуемое давление Hfr.

Однако это давление при работе насоса с постоянной скоростью поддерживается только в режиме максимального расхода. В остальное время, когда насос работает с малым расходом, например, на 7 ч, система работает при высоком давлении. Увидим, как изменяется давление в разное время суток в зависимости от изменения подачи воды насосного агрегата.

Чтобы насосная установка работала без превышения давления при любом водопотреблении, необходимо оборудовать ее соответствующей автоматизированной системой управления (АСУ), включающей регулируемый электропривод. Такая система состоит из насосного агрегата с регулируемым электроприводом, датчика давления, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятор), ведущего устройства и каналов связи между преобразователем и контроллером.

Ведущее устройство определяет необходимое значение напора в диктующей точке водопроводной сети. Сигналы от датчика давления, установленного в диктаторной точке сети, и от ведущего устройства поступают на ПИ-регулятор, где сравниваются между собой, обрабатываются соответствующим образом и затем передаются в систему управления управляемым электроприводом г. насосный агрегат.

Если давление в точке диктовки выше заданного значения, то на регулируемый электропривод отправляется команда на снижение скорости двигателя насоса, и наоборот. При изменении скорости насос останавливается, когда давление в точке диктовки совпадает с заданным значением.

Процесс регулирования и режимы работы

Регулирующий процесс выглядит следующим образом. В некоторый момент времени t1 насос работает со скоростью n1, расходом Q1 и давлением H1. Этот режим соответствует потере давления h1. Тогда давление в точке диктовки A будет равно HA = H1-h1. Мы предполагаем, что это давление в начале процесса соответствует заданному значению давления в задающей точке Hset.

Предположим, что в следующий момент t2 потребитель, закрыв один из водопроводных кранов, сокращает водозабор из системы. Уменьшенный расход насоса Q2 соответствует увеличенному напору H2 и уменьшению потерь напора h2. В связи с изменением режима работы системы давление в точке A можно записать как HA2 = H2H — h2. HA2 больше установленного значения давления Hset = HA1. Сигнал от датчика давления, установленного в точке А, сравнивается с сигналом от мастера. Преобразованный сигнал ошибки поступает в систему управления приводом управления. Под его воздействием скорость вращения начнет уменьшаться до тех пор, пока давление в точке диктовки снова не примет заданное значение: Hset = HA1. При изменении скорости напорная характеристика насоса займет положение, соответствующее скорости вращения n2, и новое значение давления H2 будет установлено на коллекторе насосной станции. Таким образом, рабочая точка насоса на графике последовательно занимает позицию 1, затем 2 и, наконец, 2.

Если из-за закрытия другого крана произойдет дальнейшее снижение расхода воды до Q3, рабочая точка насоса будет последовательно перемещаться из точки 2 в точку 3, а затем на 3. В этом случае в результате действия САУ напорная характеристика насоса переходит в положение, соответствующее скорости вращения n3.

Система управления настроена таким образом, что изменения частоты вращения происходят при небольших отклонениях значений в точке диктовки от заданных значений. В результате рабочая точка насоса практически плавно перемещается по характеристике трубопровода и, следовательно, система работает без превышения давления, т.е. в экономичном режиме.

Процесс стабилизации давления в диктующей точке сети при работе с несколькими насосными агрегатами более сложен. Если все рабочие агрегаты оснащены регулируемым электроприводом, процесс управления протекает так же, как описано выше, с той разницей, что команда на изменение скорости вращения отправляется одновременно на все работающие насосные агрегаты. Затем частота вращения рабочих агрегатов изменяется синхронно, в результате чего напорные характеристики всех насосов одновременно и равномерно меняют свое положение. Благодаря этому рабочие параметры регулируемых насосов (подача, напор, КПД и т. д.) изменяются одинаково и, следовательно, распределение нагрузок между работающими насосными агрегатами происходит равномерно.

Одновременная работа регулируемых и нерегулируемых насосов

Сложнее решить задачу в тех случаях, когда одновременно работают и регулируемые, и нерегулируемые насосные агрегаты. В этом случае процесс регулирования осуществляется путем изменения скорости регулируемых агрегатов и последовательного изменения количества работающих нерегулируемых насосов.

При совместной работы сети и двух насосов: регулируемого и нерегулируемого, как и в предыдущем случае, при изменении расхода воды и повышении давления в точке диктовки скорость регулируемого насоса уменьшается, а при понижении давления — увеличивается. Но при этом характеристика регулируемого насоса меняет свое положение, а нерегулируемого насоса остается неизменным. По этой причине, хотя насосы работают с одинаковым давлением, их подача разная. При уменьшении скорости насос переменного рабочего объема работает с меньшим расходом, в то время как неуправляемый расход увеличивается. Различаются и другие параметры работы регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов (КПД, мощность и др.). В случае значительного изменения расхода воды наступает момент, когда расход регулируемого насоса уменьшается до нуля, а расход неуправляемого насоса увеличивается до определенного значения IIQ3. В это время давление нерегулируемого насоса становится больше регулируемого. Обратный клапан регулируемого насоса закрывается, а если его нет, вода течет через насос в обратном направлении. Как правило, при оснащении насосного агрегата регулируемым приводом наличие обратного клапана обязательно. Из-за бессмысленности этого режима самоходки в этот момент отключают неуправляемый насос и форсируют частоту вращения управляемого насоса на максимальное значение.

Чтобы исключить возникновение таких режимов, современные преобразователи частоты наделены специальной функцией, предотвращающей такой режим. При дальнейшем уменьшении расхода воды процесс регулирования осуществляется только изменением скорости регулируемого насоса. Если регулируемый насос из-за повышенного расхода воды достигает максимально возможной скорости, но, несмотря на это, не может подавать воду в необходимом количестве, а давление на выходе из насосной станции начинает резко снижаться, то самоходка должна дать импульс на включение нерегулируемого насоса и снизить частоту вращения регулируемого насоса до нужного значения.

При этом следует учитывать, что процесс изменения расхода воды не всегда проходит однообразно. Часто, когда достигается предельное значение подачи Q3, процесс может остановиться и пойти в обратном направлении. В таких случаях возникает ситуация, при которой неуправляемый насос будет многократно включаться и выключаться. Чтобы избежать подобных явлений, самоходки должны содержать запорное устройство, позволяющее отключать или включать нерегулируемый насос только при наличии устойчивой тенденции расхода воды. В некоторых случаях, например, если расход воды в течение длительного времени колеблется около граничного значения Q3, рекомендуется оборудовать оба регулируемых насоса с электроприводом, чтобы в этом режиме они оба работали с пониженной скоростью. При установке на насосной станции различных типов насосов во избежание образования так называемых мертвых зон (ДЗ) наиболее крупные насосы с наиболее щадящей характеристикой целесообразно оборудовать регулируемым электроприводом.

Мертвая зона возникает, если регулируемый электропривод оснащен насосом, напорная характеристика которого лежит ниже характеристик нерегулируемого насоса. В этих условиях при достижении предельного значения подачи Q3 неуправляемый насос нельзя выключить, так как регулируемый насос, работая даже с максимальной скоростью, не будет обеспечивать необходимую подачу IQ1 <IIQ3. В то же время он больше не может влиять на процесс регулирования, так как создаваемое им давление меньше давления IIH3, создаваемого нерегулируемым насосом. Если насос большего размера снабжен управляемым электроприводом, то самоходка может дать импульс на отключение нерегулируемого насоса с некоторым свинцом, пока расход воды еще не снизился до предельного значения подачи воды Q3. включение неуправляемого насоса также может быть дано заранее, пока расход воды не возрастет до предельного значения Q3. Это предотвращает работу насосного агрегата в зоне низких значений КПД, что увеличивает эффективность процесса регулирования.