Системы управления и регулирования автоматизированных насосных установок АНУ и АНПУ

 Автор: Генеральный директор к.т.н. Грикевич В.В.; Руководитель КБ Хаткин А.Н.
Издание: На правах рукописи

Система регулирования насосной установки представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих тот или иной метод регулирования. Существует два метода регулирования:

  • Каскадный, при котором происходит последовательное включение или выключение насосов, благодаря чему ступенчато увеличивается или, соответственно, уменьшается подача установки. При этом степень регулирования установки определяется числом работающих в ней насосов (без учёта резервных насосов);
  • Частотный метод, при котором меняется число оборотов насоса и происходит плавное регулирование подачи.

Все остальные способы регулирования являются комбинациями вышеуказанных методов или непринципиальными изменениями каждого из них, реализованными в разных аппаратных системах. Схема каскадного регулирования иллюстрируется на рисунке 1, на котором представлена напорная характеристика установки с тремя работающими насосами. При работе одного насоса с увеличением подачи до достижения напора Hmin включается второй насос, и давление возрастает до Hmax. При дальнейшем увеличении подачи происходит то же самое и включается третий насос. Таким образом, давление колеблется в указанных пределах при регулировании подачи. Для сглаживания колебаний давления в установках с каскадным регулированием обязательно устанавливают мембранный бак в напорной магистрали.

Гидравлическая характеристика системы регулирования насосной установки


Частотное регулирование осуществляет плавное и точное поддержание давления путём изменения числа оборотов (n) двигателя насоса. При изменении оборотов подача насоса Q изменяется пропорционально числу оборотов Q=Qn*(n/nn), где nn– номинальное число оборотов двигателя.

Напор насоса пропорционален квадрату числа оборотов H=Hn*(n/nn)2.

Мощность насоса пропорциональна частоте вращения в третьей степени N=Nn*(n/nn)3.

Такая сильная зависимость мощности насоса от числа оборотов весьма эффективно используется в системах регулирования (при уменьшении числа оборотов в 2,15 раза мощность насоса уменьшается в десять раз, а при уменьшении оборотов в 3,16 раза она падает в 100 раз).

Все системы управления и регулирования, реализующие вышеуказанные методы, состоят из следующих основных устройств:

· Программируемого логического контроллера (ПЛК), управляющего всеми исполнительными устройствами в соответствии с программой, зашитой в него, а также в соответствии с поступающими на вход в ПЛК сигналами датчиков;

· Датчиков, реле и контрольно-измерительных приборов;

· Программ управления, которые прошиваются в память контроллера;

· Частотных преобразователей (при реализации частотного метода регулирования);

· Силовых исполнительных устройств, управляющих насосами;

· Органов ручного управления системой и сигнализации её состояния.

Однако на практике находят применение системы управления и регулирования насосных установок, в которых происходит смешение вышеуказанных методов или их совершенствование. Сейчас в ПКФ «Линас» используются следующие системы:

РК – регулирование каскадное;

РКП – регулирование каскадное с плавным пуском;

РКЧ – регулирование каскадно-частотное;

РКЧС – регулирование каскадно-частотное синхронное;

РГ – регулирование с использованием устройства Гидровар;

РЧ – регулирование частотное.

Системы РК и РКП реализуют метод каскадного регулирования, который описан выше. Регулирование осуществляется путём включения/выключения необходимого числа насосов и обеспечивает поддержание давления в заданном диапазоне. Эксплуатационный диапазон поддержания давления лежит между значениями Hmin и Hmax, которые могут регулироваться при настройке работы установки. При мощности насосов менее 11квт используется система РК, а при мощностях 15квт и выше только система с устройством плавного пуска РКП, которая характеризуется плавным пуском насосов в работу и значительно меньшим отношением пускового тока к номинальному, что обеспечивает более длительную работу электротехнического оборудования.

В систему РКЧ входит преобразователь частоты, обеспечивающий плавное регулирование параметров эксплуатации. Плавным изменением частоты вращения одного насоса система управления обеспечивает постоянное давление на выходе (или перепад давления). Кроме того производительность установки регулируется путём включения/выключения требуемого числа насосов в зависимости от водопотребления. Первым всегда включается насос, который регулируется частотным преобразователем. Последующие насосы (все, кроме резервных) включаются напрямую от сети питания как дополнительные по мере увеличения расхода в системе потребления. Все насосы попеременно управляются частотным преобразователем. В случае выхода из строя преобразователя частоты насосы работают в каскадном режиме при включении напрямую от сети питания.

В систему РКЧС входят преобразователи частоты в количестве, равном числу насосов в установке. Эта система также обеспечивает управление насосами и плавное регулирование параметров эксплуатации. Производительность установки регулируется путём включения/выключения требуемого числа насосов. Все одновременно работающие насосы синхронно изменяют частоту вращения в зависимости от изменения расхода в системе потребления. Эта система характеризуется более широким, чем у системы РКЧ, диапазоном задания величины поддерживаемого давления и отсутствием резких скачков/провалов давления на выходе.

Система регулирования РГ отличается тем, что все насосы в установке (до 8-ми насосов) оснащаются устройствами Гидровар. Устройства Гидровар состоят из частотного преобразователя, микропроцессорной системы и пульта. Установка обеспечивает регулирование параметров эксплуатации за счёт:

· Последовательного включения/выключения в работу необходимого количества насосов, один из которых работает в режиме регулирования частоты вращения, а все другие – работают на максимальной частоте;

· Последовательного включения/выключения в работу необходимого количества насосов и синхронного изменения частоты вращения всех одновременно работающих насосов.

В зависимости от времени, нагрузки и технических неисправностей происходит автоматическая смена насосов. По универсальности применения в различных областях и по удобству их использования установки, оснащённые устройствами Гидровар, не имеют себе равных. Устройства Гидровар могут поддерживать работу в режимах, показанных на графиках на рис.2

Графики работы Гидровара

- поддержания давления или постоянного перепада давления (рис. 2а);

- поддержания постоянного расхода (рис. 2б);

- поддержания давления по гидравлической характеристике сети (рис. 2c).

Рис.2 Графики режимов работы насосных установок, которые может поддерживать устройство Гидровар.

Установки с устройством Гидровар имеют высокую степень эффективности, так как позволяют экономить до 70% электроэнергии (по сравнению с режимом эксплуатации насосов без регулирования).

Эффективность применения станций типа РКЧС и РГ практически одинакова. Необходимость применения этих систем возникает, как правило, при больших колебаниях давления на входе в установку.

Устройства Гидровар легко устанавливаются на электродвигатели насосов (см. рис.3), что позволяет сравнительно легко модернизировать действующие насосные станции. Устройства Гидровар в диапазоне мощностей от 2,2 кВт до 22 кВт монтируются на электродвигатели, а более мощные монтируются на стену.

Рис.3 Устройство Гидровар малой мощности.

Система РЧ – новая система регулирования реализуется только с использованием преобразователя частоты (ПЧ), который имеет встроенный программируемый логический контроллер (ПЛК). В процессе регулирования поддерживается постоянное давление в напорном трубопроводе при изменении расхода в системе потребления и входного давления. В выходной коллектор установки встроен датчик давления, который электрически связан с аналоговым входом преобразователя частоты и образует цепь обратной связи по давлению. Датчик давления вырабатывает электрический сигнал пропорциональный давлению. ПЧ изменяет частоту вращения двигателя (производительность насоса) согласно изменению величины сигнала датчика давления. Данная система используется в установках с одним насосом или в установках с двумя насосами, работающими по принципу основной-резервный. Насос работает только от преобразователя частоты. Работа насоса напрямую от сети питания не предусматривается. Система РЧ (по сравнению с РКЧ) имеет следующие преимущества:

· Более высокая точность поддержания давления в напорном трубопроводе;

· Отсутствие превышений давления вследствие неправильной настройки регулирующей задвижки;

· Повышенная степень надёжности силовой коммутирующей аппаратуры, обусловленная упрощенной схемой коммутации.

Отдельные функции станций управления приведены в таблице 1.

Таблица 1

Функции станций управления

РК

РКП

РЧ

РКЧ

РКЧС

РГ

Поддержание давления в пределах заданного диапазона в автоматическом режиме

да

да

-

-

-

-

Автоматическое поддержание точного давления изменением частоты вращения вала насоса

-

-

да

да

да

да

Включение резервного насоса при аварии рабочего

да

да

да

да

да

да

Автоматическое чередование насосов

да

да

да

да

да

да

Возможность ручного пуска и останова насоса

да

да

да

да

да

да

Синхронное частотное регулирование всеми насосами

-

-

-

-

да

да

Защита от недостатков и нарушений питания

да

да

да

да

да

да

Защита тепловая токовая

да

да

да

да

да

да

Защита от сухого хода

да

да

да

да

да

да

Самозапуск после сбоя в электропитании

да

да

да

да

да

да

Прямая работа насосов от сети при аварии частотного преобразователя

-

-

-

да

-

-

Плавный пуск насосов

-

да

да

да

да

да

«Засыпание» (автоматическое отключение насосов при минимальном или нулевом расходе воды в сети и последующий автоматический пуск при снижении давления в напорном трубопроводе)

да

да

-

-

-

да

Отслеживание гидравлической характеристики сети (компенсация потерь напора в сети при увеличении расхода)

-

-

-

-

-

да

Вашему вниманию представлены шесть систем управления и регулирования насосных установок, которые охватывают практически все возможные варианты, которые необходимы для использования в существующей практике. По своим возможностям и эффективности эти системы также существенно различаются. Как уже отмечалось выше, самой эффективной системой является система РГ, при использовании которой достигается наибольший эффект экономии электроэнергии (70%). Однако эта система является довольно дорогостоящей. Система РКЧС немного дешевле, чем РГ, так как она тоже имеет большое число дорогих частотных преобразователей. За ней идёт система РКЧ, которая имеет эффективность около 50% экономии электроэнергии. Система РК, имеющая эффективность около 30%, по стоимости самая дешёвая. И, наконец, тоже достаточно экономичным вариантом является система регулирования РЧ. Однако эта система регулирования предназначена для использования с небольшими мощностями (не более 4 кВт).



Версия для печати
   

О компании