ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА В РЕЖИМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ, Дипломная из Моделирование систем

Скачай ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА В РЕЖИМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ и еще Дипломная в формате PDF Моделирование систем только на Docsity! Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») Направление 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника Профиль 13.04.02.52 – Автоматизированные электромеханические комплексы и системы Факультет ЭА Кафедра РАПС К защите допустить Зав. кафедрой М.П. Белов ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА МАГИСТРА Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА В РЕЖИМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ Студент Д.В. Саковцев подпись Руководитель к.т.н, доцент А.А. Прокопов (Уч. степень, уч. звание) подпись Консультант к.т.н, доцент А.Н. Иванов по БЖД (Уч. степень, уч. звание) подпись Консультант к.т.н, доцент Л.П. Козлова по нормоконтролю (Уч. степень, уч. звание) подпись Санкт-Петербург 2017 ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ Утверждаю Зав. кафедрой РАПС ____________ М.П. Белов «___»______________20___ г. Студент Саковцев Д.В. Группа 1403 Тема работы: «Исследование системы частотного регулирования насосной станции первого подъема в режиме поддержания уровня» Место выполнения ВКР: Лаборатория “СУЭП” каф. РАПС СПБГЭТУ ЛЭТИ. Исходные данные (технические требования): Состав насосной станции пер- вого подъема: четыре насоса 1Д1600-90, мощность двигателя — 160кВт, по- дача — 1000 м3/ч, работающих на одну магистральную трубу подачи воды на водоочистные сооружения. Один насос в режиме частотного регулирова- ния производительности. Содержание ВКР: Введение. 1. Анализ эффективности способов регулирова- ния насосных агрегатов. 2. Разработка САУ поддержания уровня воды в приемном резервуаре. 3. Разработка математического описания и синтез си- стемы управления насосной станции. 4. Разработка и исследование имитаци- онной модели САУ насосной станции первого подъема. 5. Специальные во- просы обеспечения безопасности. Заключение Перечень отчетных материалов: текст ВКР, иллюстративный материал Дополнительные разделы: Специальные вопросы обеспечения безопасности Дата выдачи задания Дата представления ВКР к защите «___»______________2017 г. «___»______________2017 г. Студент Д.В. Саковцев Руководитель к.т.н, доцент А.А. Прокопов (Уч. степень, уч. звание) ABSTRACT The explanatory note 104 page, 56 figures, 23 tables, 49 sources, 2 applications. PUMPING UNIT, PUMPING STATION, FREQUENCY REGULATION, THROTTLE REGULATION, A MATHEMATICAL MODEL OF THE PUMPING STATION, KEEPING THE LEVEL The object of study is the pumping station of the first lift variable performance pump units in the maintenance mode level. The aim of the study is to compare the effectiveness of the control methods of pumping units, design of automation maintain the water level in the pool pumping stations and study her work. The subject of the study served as a pumping station first lift in the maintenance mode level. The aim of this work was to study the different ways of regulation of pumping units and select the most energy efficien from among them. To study processes occurring in the electric and hydraulic part of the control system was built a simulation model in Matlab with Simulink. It was also selected equipment for the system to automatically maintain the water level in the tank and built a functional and schematic diagrams. The introduction of the frequency electric drive has an economic effect in terms of energy savings and improves reliability of other components of the pumping station. СОДЕРЖАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………………..8 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...9 1 Анализ эффективности способов регулирования насосных агрегатов...11 1.1 Общие сведения о насосных станциях и водоснабжении……………11 1.2 Анализ регулирования производительности насосного агрегата дросселированием…………………………………………………………..23 1.3 Анализ регулирования производительности изменением скорости вращения вала насосного агрегата……………………...............................28 1.4 Анализ совместной работы 2-х насосов с прямым пуском и с частотным регулированием……………………………………………......37 2 Разработка САУ поддержания уровня воды в приёмном резервуаре……………………………………………………….....................45 2.1 Выбор силового оборудования для САУ…….….…….………...…….45 2.2 Разработка функциональной схемы САУ……………………………..47 2.3 Выбор управляющего оборудования…………………………….........50 2.4 Разработка принципиальных схем……………...……………………..54 2.5 Разработка алгоритма управления насосной станцией………………54 3 Разработка математического описания и синтез системы управления насосной станции…………………………………….....................................56 3.1 Разработка математического описания насосного агрегата при частотном регулировании его производительности……..........................56 3.2 Разработка структурной схемы………………………………..….........76 3.2.1 Синтез регулятора…………………………………………………....76 4 Разработка и исследование имитационной модели САУ насосной станции первого подъема……………………………………………………78 4.1 Разработка модели параллельной работы двух насосных агрегатов…………………………………………………….........................78 4.2 Разработка математической модели системы управления…………...81 4.3 Исследование обобщенной модели САУ насосной станции первого подъема……………………………………………………………………...82 5 Специальные вопросы обеспечения безопасности…………….……..….87 5.1 Общие требования к безопасности насосной станции………….........87 5.2 Помехоустойчивость систем электропривода……………….……......91 5.3 Функциональная безопасность электропривода насосной станции…………………………………………………...............................93 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………........97 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….......99 ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................................104 ПРИЛОЖЕНИЕ Б.............................................................................................116 надежности системы, поскольку преобразователь частоты осуществляет защиту двигателя насоса при нештатных режимах работы; повышается возможность ав- томатизации насосной станции при дальнейшей необходимости. Объектом исследования являлась насосная станция первого подъема, в со- ставе которой располагались 4 насосных агрегата, два из которых были в работе, два – в резерве. Один из насосов имеет частотное регулирование и поддерживает уровень воды в бассейне изменением расхода в связи с различной частотой вра- щения колеса. Целью данной квалификационной работы являлось исследование техноло- гии водоснабжения и сравнение энергоэффективности при разных способах ре- гулирования, чтобы подтвердить эффективность применения частотного регули- рования на насосных станциях. Также была разработана математическая модель насосной станции для мониторинга ключевых величин в переходных и устано- вившихся процессов в гидравлической части НА и электропривода. Были спро- ектированы принципиальные и структурные схемы насосной станции и разрабо- тана логика системы управления для оптимального процесса поддержания уровня воды в приемном бассейне. 10 1 Анализ эффективности способов регулирования насосных агрегатов 1.1 Общие сведения о насосных станциях и водоснабжении Насосная станция - технический комплекс устройств и оборудования для преобразования электрической энергии в механическую энергию движения жидкости, а также управления этим преобразованием. Задачи насосных станций: 1. Обеспечение подачи требуемого объема жидкости к приемному устройству( в данном случае к бассейну). 2. Обеспечение удобства использования насосных агрегатов с применением автоматизации. 3. Исключение перебоев при подаче жидкости к потребителю. 4. Обеспечение заданных технологических режимов потребителей, связанных с водоснабжением. Применяются насосные станции в основном в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Основные характеристики насосной станции: напор и подача [1]. Подача-это объем жидкости, перекачиваемое насосной установкой за еди- ницу времени (размерность: м3/ч, м3/с). Термин напор равноценен термину давление. Напор-разность удельных энергий жидкости в напорном и всасывающем патрубках насоса, необходимая для подъёма жидкости на заданную высоту с преодолением сил трения в трубо- проводе. Напор и давление [1] связаны через соотношение(1): 𝐻𝐻 = 𝑃𝑃 ρ∙g (1) где H – напор, м; P – давление насоса; ρ – плотность жидкости, кг/м3; 11 g – ускорение свободного падения, м/с2. В зависимости от типа и назначений насосные станции подразделяются на: водопроводные, нефтеперекачивающие, гидротранспортные и т.д. Количество насосных установок на насосной станции может достигать 20 штук. Если насосов несколько, то их напорные и всасывающие линии связыва- ются между собой напорными и всасывающими коллекторами. К напорным кол- лекторам подсоединяются напорные водоводы, а к всасывающим-всасывающие водоводы. Насосные станции 1го подъема обычно установлены ниже уровня земли. Обычно в таких станциях устраивают отдельные всасывающие линии для каждого из насосов. Требования, предъявляемые к этим насосным станциям в плане надежности очень высоки, так как станции 1го подъема подают воду на очистные сооружения, после них эта вода поступает для нужд производства, а также в хозяйственно-питьевые водопроводы городов. Также высокие требования предъявляются к скорости протекания воды через очистные сооружения, так как при ускорении потока воды вода недостаточно очищается, а при снижении потока воды возникают застойные явления. В работе производится исследование работы насосной станции 1го подъема в составе: четырех насосов 1Д1600-90, номинальный напор 40 метров, подача- 1000 м3/ч, скорость вращения 980 об/мин, работающих на одну магистральную трубу подачи воды в приемный бассейн водоочистных сооружений, так же на использование воды как технической без очистки до уровня питьевой. Насосная станция спроектирована под среднюю подачу воды в объеме 2000 м3/ч (2 насоса находятся в работе, 2 – в резерве). Возможное изменение расхода подаваемой воды от 700 м3/ч до 2500 м3/ч. В плане реализации режима ресурсосбережения, исключения гидроударов и повышения надежности один насос в должен работать в режиме частотного регулирования производительности. Для оптимизации подачи воды вводится управление насосными агрегатами по уровню приемного резервуара водоочистных сооружений. 12 Лопастные насосы (турбомашины) - это наиболее распространенный на се- годня класс гидромашин, которые применяются почти во всех сферах промыш- ленности. Связано это с удобством комбинирования их с приводным электродви- гателем, их компактностью, высоким значением КПД, простотой конструкции и удобством эксплуатации, а также достаточно высоким напором. Назначение и области использования этих типов насосов очень разнообразны. Центробежный насос состоит из корпуса, в нем вращается рабочее колесо с лопатками. Под действием центробежной силы жидкость отталкивается от цен- тра к периферии, вследствие этого рядом с осью насоса возникает разрежение, а на удалении давление возрастает. От этого и возникает движение жидкости. Схема центробежного насоса показана на рисунке 3. Рисунок 3 – Схема центробежного насоса Насосные станции второго подъема применяются для подачи воды в рас- пределительную сеть из очистных сооружений. Насос 1Д1600-90 комплектуется двигателем АИР355S6 У3. Технические характеристики двигателя АИР355S6 указаны в таблице 1 [3]. 15 Таблица 1 – Технические характеристики двигателя АИР355S6 Мощ- ность, кВт Синхронная скорость вра- щения, об/мин Номинальная скорость вра- щения, об/мин Номиналь- ная сила тока, А КПД, % Коэффи- циент мощно- сти 160 1000 985 292,3 94,5 0,88 Продолжение таблицы 1 Iп/Iном Мп/Мном Мmax/Мном Момент инерции ротора, кг∙м2 Число пар полюсов Масса, кг 6,7 1,9 2,0 9,5 3 1550 Трубопроводная сеть определяется следующими параметрами: • Высотой между точкой всасывания, и точкой потребления жидкости (полная геометрическая высота Hг) – это статический напор, обозначающийся Hc. Он не зависит от расхода. • Потерей напора на сопротивление трубопровода—динамический напор, обозначающийся Z. Характеристика сети показана на рисунке 4. Рисунок 4 – Характеристика сети 16 На рисунке 4 принято обозначение: H – напор насоса; Q – расход воды. Потеря напора Z пропорциональна квадрату расхода. Полная потеря напора в трубопроводе находится по выражению(2): H = Hc + Z∙Q2 (2) Рабочая точка– точка, в которой скрещиваются характеристики водопро- водной системы и насосного агрегата. Характеристика насоса и сети показана на рисунке 5. Рисунок 5 – Характеристика насоса и сети При работе в точке, показанной на рисунке, полезная мощность насоса пропорциональны заштрихованному участку. Характеристики насоса 1Д1600-90 представлены на рисунке 6 [4]. По информации, предоставленной на графике, можно выяснить требования по мощности при различных значениях потока. 17 Последнее выражение наглядно показывает, что потери энергии в гидрав- лической сети зависят от расходы сети, который определяется запросами потре- бителя, а также потерями напора оборудованием на насосной станции ∆Нп. Оце- нить эти потери напора возможно, посмотрев на различия в показаниях давления на манометре перед напорной задвижкой и манометром в выходном трубопро- воде. Чтобы снизить данные потери необходимо уменьшить потери между кол- лектором НА и сетью потребителей – ∆𝐻𝐻п. Давление на напорном коллекторе объекта 31…32 метра. Это меньше но- минальных 40 метров, где учитывается только внутреннее сопротивление насоса. Поэтому внешняя Q – H характеристика насоса, с учетом внутреннего сопротив- ления насоса, сопротивления входного фильтра (решетки), сопротивления задви- жек, обратного клапана, всасывающего и напорного трубопроводов до напор- ного коллектора, будет отличаться от паспортных характеристик насоса. Тогда общая характеристика насоса (7) с достаточной точностью может быть описана аналитически Ннк = Но – Zн_общ∙Q2 (7) где Ннк – напор на напорном коллекторе, Но – напор при работе насоса на закрытую задвижку, Zн_общ – общее гидравлическое сопротивление от входного фильтра до напорного коллектора, Q – текущий расход. Для определения Zн_общ следует воспользоваться (8): 32 =47 – Zн_общ ∙10002 (8) Zн_общ=47-32/10002 Zн_общ=0,15∙10-4 Характеристика насоса аналитически описывается как: Ннк = 47 – 0,15∙10-4∙Q2 Отсюда можно найти расход (9), зная текущий напор: Q = �( 𝐻𝐻0−𝐻𝐻 𝑍𝑍нобщ ) (9) 20 При работе двух насосов (10) давление на общем коллекторе у них одина- ковое, а расходы складываются 𝑄𝑄1+2 = �( 𝐻𝐻0_1−𝐻𝐻 𝑍𝑍нобщ1 ) + �( 𝐻𝐻0_2−𝐻𝐻 𝑍𝑍нобщ2 ) (10) Если их Q – H характеристики идентичны, то, применяя (10) получим (11) 𝑄𝑄1+2 = 2 ∙ �( 𝐻𝐻0−𝐻𝐻 𝑍𝑍нобщ1 ) (11) Или общая характеристика двух насосов(12) будет Ннк = Но – (Zн_общ ∙ Q2) /4 (12) Величина статического напора Hcт=20 м. Необходимо определить форму и уравнение сети. Значение полезного значения напора 32 м. Уравнение сети(13) аналитически описывается выражением: H = Hc + Z∙Q2 (13) 32 = 20 + Z∙20002 Z=32−20 20002 =0,3∙10-5 Характеристика водопроводной сети будет определяться выражением: H = 20 + (0,3∙10-5) ∙Q2 Характеристики насосов и сети согласно аналитическому описанию пока- заны на рисунке 8. Рисунок 8 – Характеристики насосов и сети Q, м3/ч H, м 21 Связь между мощностью, потребляемой электродвигателем, мощностью на валу двигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом показана на рисунке 9. Рисунок 9 – Связи между мощностями в насосных агрегатах На рисунке 9 приняты следующие обозначения: P1 – мощность, потребля- емая двигателем из электрической сети; P2 – мощность, подаваемая двигателем на вал насоса; P3 – входная мощность насоса при условии, что на муфта, соеди- няющей двигатель и насос, нет потерь энергии; P4 – полезная (гидравлическая) мощность НА, которая получается в процессе работы насоса в виде расходы воды, обычно обозначается N. Более наглядно потери энергии в насосной установке показаны на рисунке 10 [6]. Рисунок 10 – Потери энергии в насосной установке 22 W=Pt (16) где t – время работы, ч. По информации, предоставленной на рис. 6, можно выяснить значения мощности при различных значениях потока. При подаче Q = 2000 м3/ч=0,556 м3/с при полностью открытой дроссельной задвижке напор составит H=32 м. Полезная мощность двух насосов: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,556 ∙ 32 =174540 Вт = 174,5 кВт N = Nп/ɳН=174,5/0,85=205,3 кВт Nэд= N/ɳдв =205,3/0,945=217,2 кВт Каждый двигатель потребляет мощность: N1= N/2=217,2/2=108,6 кВт. При необходимости отключения одного насоса (нужный расход воды обес- печит 1 насос), то оставшийся насос будет работать при параметрах H=24,5 м, Q=1230 м3/ч=0,341 м3/с и полностью открытой дроссельной задвижке согласно рисунку 6 полезная мощность насоса составит: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,341 ∙ 24,5=82 кВт N = Nп/ɳН=82/0,83=98,8 кВт Nэд= N/ɳдв =98,8/0,945=104,5 кВт Рассчитаем мощности насосной установки при разных значениях подачи в режиме дросселирования: 1. При номинальном расходе в Q=1000 м3/ч=0,278 м3/с в данной сети насос будет поддерживать напор в рабочей точке: H = 20 + (0,3∙10-5) ∙Q2= H = 20 + (0,3∙10-5) ∙10002=23 м Полезная мощность насоса в этот момент составит: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,278 ∙ 23=62,7 кВт Также в мощность, потребляемую насосом в таком режиме прибавится мощ- ность, которая теряется на дросселирующей задвижке: ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,278∙9/0,85=28,8 кВт где ∆H – потери напора на дросселирующей задвижке. N = Nп/ɳН+∆N=62,7/0,85+28,8=102,6 кВт 25 Nэд= N/ɳдв =102,6 /0,945=108,6 кВт 2. При подаче Q = 800 м3/ч=0,222 м3/с, напор составит H=21,9 м, а мощность, потребляемая насосом поставит Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,222 ∙ 21,9= 47,7 кВт ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,222∙15/0,8=40 кВт N = Nп/ɳН+∆N=47,7/0,8+40=99,6 кВт Nэд= N/ɳдв = 99,6/0,945=105,4 кВт 3. При подаче Q = 600 м3/ч=0,167 м3/с, напор составит H=21,1 м, а мощность, потребляемая насосом поставит Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,167 ∙ 21,1= 34,6 кВт ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,167∙21/0,7=49,1 кВт N = Nп/ɳН+∆N=34,6/0,7+49,1=98,5 кВт Nэд= N/ɳдв =98,5/0,945=104,2 кВт 4. При подаче Q = 400 м3/ч=0,111 м3/с напор составит H=20,5 м, а мощность, потребляемая насосом составит Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,111 ∙ 20,5= 22,3 кВт ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,111∙24/0,54=48,4 кВт N = Nп/ɳН+∆N =22,3/0,54+48,4=89,6 кВт Nэд= N/ɳдв =89,6/0,945=94,8 кВт 5. При подаче Q = 200 м3/ч=0,056 м3/с напор составит H=20,1 м, а мощность, потребляемая насосом поставит Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,056 ∙ 20,1= 11 кВт ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,056∙26/0,29=49,2 кВт N = Nп/ɳН+∆N=11/0,29+49,2=87,3 кВт Nэд= N/ɳдв =87,26 /0,945=92,3 кВт 26 Результаты расчета представлены в таблице 2. Таблица 2 — Результаты расчета Подача, м3/ч 1230 1000 800 600 400 200 % потока 1,23 100 80 60 40 20 Полезная мощность насоса, Nп, кВт 82 62,7 47,7 34,6 22,3 11 Мощность, теряемая на за- движке, ∆N, кВт 0 28,8 40 49,1 48,4 49,2 Мощность, потребляемая насосом, N, кВт 98,8 102,6 99,6 98,5 89,6 87,3 Мощность, потребляемая электродвигателем, Nэд, кВт 104,5 108,6 105,4 104,2 94,8 92,3 Для наглядного представления потерь мощности, результаты расчетов представлены в виде графика на рисунке 12. Как видно из графика при дроссельном регулировании полезная мощность уменьшается в большей степени, чем потребляемая. И этот разрыв увеличива- ется с понижением расхода насоса. Также стоит отметить тот факт, что один насос при работе в трубопровод- ной системе, которая рассчитана на работу двух НА, будет иметь расход при но- минальной скорости выше, чем номинальный расход НА. Это связано с гидрав- лическим сопротивлением трубопровода. Для повышения энергоэффективности нужно исключить все гидравличе- ский сопротивления, то есть полностью открыть всю дроссельно-регулирующую арматуру и передать процесс регулирования насосному агрегату, внедрив ча- стотное регулирование. 27 При переменной частоте вращения рабочего колеса насоса изменяется его напорная характеристика. А также напор насоса пропорционален квадрату ча- стоты вращения колеса насоса. Изменение частоты вращения вала НА ведет к изменению его рабочих ха- рактеристик. Изменяется положение параметров насоса. Пересчет характеристик насоса на иные частоты производится с помощью формул приведения (18-21) [5]: Qном Qvar = nном nvar (18) Hном Hvar = �nном nvar � 2 (19) Mном Mvar = �nном nvar � 2 (20) Nном Nvar = �nном nvar � 3 (21) где nном, 𝑛𝑛𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 – номинальная и переменная частота вращения насоса(об/мин); 𝑄𝑄ном,𝑄𝑄𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ,𝐻𝐻ном,𝐻𝐻𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ,𝑀𝑀ном,𝑀𝑀𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ,𝑁𝑁ном,𝑁𝑁𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 – подачи, напоры насоса; моменты, развиваемы насосом; мощности, расходуемые насосом при nном и 𝑛𝑛𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 соответ- ственно [1]. Из уравнений делается вывод, что мощность, затрачиваемая НА, меняется пропорционально кубу частоты вращения колеса насоса. Характеристика насосного агрегата и сети при частотном регулировании показана на рисунке 13. При внедрении частотного регулирования необходимо организовать ра- боту двигателя насоса так, чтобы он при изменении величин технологического процесса (расхода воды потребителями и давления на входе насосного агрегата) менял частоту вращения насоса, то можно стабилизировать давление в гидрав- лической сети без значительных потерь. А также исключаются потери напора исключением дросселирующих элементов, а, следовательно, и потери гидравли- ческой мощности. 30 Рисунок 13 – Характеристики насосного агрегата и сети при частотном регули- ровании На рисунке 13 кривая 1 показывает характеристику насоса при номиналь- ной частоте вращения, а кривые 2,3,4 при пониженных значениях частоты. Также повышение энергоэффективности связано с изменением КПД насоса в зависимости от подачи. Насос имеет свои КПД – отношение энергии, приложенной к валу двигателя, в гидравлической энергии в напорном коллек- тора насосного агрегата. Характеристика КПД насоса при разных расходах пока- зана на рисунке 14. Максимальное значение КПД в соответствии с рисунком 14 с уменьше- нием частоты вращения уменьшается и смещается влево. При снижении расхода в сети с установленным частотным регулированием требуется уменьшение ча- стоты вращения рабочих колес насоса. При рассмотрении работы насоса при рас- ходе ниже номинального значения (вертикальные линии А и В), то в этих режи- мах эффективно работать на уменьшенной частоте вращения. 31 Рисунок 14 – Зависимость КПД насоса от расхода Изменение частоты вращения колеса насосного агрегата позволяет регули- ровать подачу в широких пределах, а КПД насоса изменяется незначительно. Та- ким образом, внедрение частотного регулирования, позволяющего изменять ско- рость вращения в зависимости от потребностей расхода потребителей, позволяет не только исключить потери электроэнергии на преодоление гидравлических по- терь, но и повысить экономию за счет увеличения КПД самого насоса. Значения КПД при частотах, отличных от обычной, определятся по формуле (22) [8]: η = 𝜂𝜂ном − (𝛾𝛾 − 𝑞𝑞)2 ∙ 𝜂𝜂ном ∙ 𝛾𝛾2 (22) где 𝛾𝛾 = ω/ωном – относительная скорость вращения насоса; q = Q/Qном – относительное значение подачи. Для построения графика зависимости потребления мощности НА при разных значениях расхода обратимся к формулам приведения (23,24), а конкретно: 𝑄𝑄1 𝑄𝑄2 = 𝑛𝑛1 𝑛𝑛2 (23) 𝑁𝑁1 𝑁𝑁2 = �𝑛𝑛1 𝑛𝑛2 � 3 (24) 32 Nэд= N/ɳдв =96,4/0,945=103 кВт 2. При n=900 об/мин рабочая точка будет иметь параметры: H=23,2 м, Q=1040 м3/ч=0,289 м3/с, а полезная мощность насоса составит: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,289 ∙ 23,2 = 65,8 кВт ɳН = 𝜂𝜂ном − (𝛾𝛾 − 𝑞𝑞)2 ∙ 𝜂𝜂ном ∙ 𝛾𝛾2=0,85 - ( 900 980 − 1040 1000 )2 ∙ 0,85 ∙ (900 980 )2=0,84 N = Nп/ɳН=65,8/0,84=78,3 кВт Nэд= N/ɳдв =78,3/0,945=82,9 кВт 3. При n=800 об/мин рабочая точка будет иметь параметры: H=22 м, Q=790 м3/ч=0,219 м3/с, а полезная мощность насоса составит: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,219 ∙ 22 = 47,3 кВт ɳН = 0,85 - ( 800 980 − 790 1000 )2 ∙ 0,85 ∙ (800 980 )2=0,85 N = Nп/ɳН=47,3/0,85=55,6 кВт Nэд= N/ɳдв=55,6/0,945=58,8 кВт 4. При n=700 об/мин рабочая точка будет иметь параметры: H=20,7 м, Q=460 м3/ч=0,127 м3/с, а полезная мощность насоса составит: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,127 ∙ 20,7 = 25,8 кВт ɳН =0,85 - ( 700 980 − 460 1000 )2 ∙ 0,85 ∙ (700 980 )2=0,82 N = Nп/ɳН=25,8/0,82=31,5 кВт Nэд= N/ɳдв =31,5/0,945=33,3 кВт Для анализа результатов расчетов удобно их представить в виде таблицы, а также привести результаты в виде графика. Результаты расчета представлены в таблице 3. По рисунку 16 можно сделать вывод, что энергопотребление НА возрас- тает при повышении частоты вращения электродвигателя. 35 Таблица 3 – Результаты расчета Подача, м3/ч 1230 1040 790 460 % потока 123 104 79 46 Полезная мощность насоса, Nп, кВт 81,9 65,8 47,3 25,8 Мощность, потребляемая насосом, N, кВт 102,4 78,3 55,6 31,5 Мощность, потребляемая электродвигателем, Nэд, кВт 108,4 82,9 58,8 33,3 Результаты расчётов наглядно представлены в виде графика на рисунке 16. Рисунок 16 – Мощности в НА при частотном регулировании По результатам расчетов возможно построить график для сравнительного потребления мощности насосным агрегатом при различных способах регулиро- вания расхода. Этот график представлен на рисунке 17. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 460 790 1040 1230 N, кВт Nп, кВт Nэд, кВт N, кВт Q, м3/ч 36 Рисунок 17 – График потребления мощности НА при различных способах управления По графику энергозатрат насосными агрегатами при различных способах регулирования подачи НА сделан вывод, что дроссельное регулирование стоит применять только при минимальном диапазоне регулировании подачи, так как при широком изменении подачи очень большое количество электроэнергии за- трачивается на преодоление гидравлического сопротивления задвижки. В то же время, частотное регулирование не имеет этих минусов, и его целесообразно ис- пользовать при значительных значениях диапазона регулирования подачи НА, и КПД при этом изменяется незначительно 1.4. Анализ совместной работы 2-х насосов с прямым пуском и с частотным регулированием Оценка эффективности способов регулирования необходимо произвести, рассчитав значение электроэнергии, потребляемой за определенный отрезок Nэд, кВт Q, м3/ч Экономия энергии Затраты энергии при дросселировании Затраты энергии при частотном регулиро- вании 37 Необходимо задаться графиком работы насосов и временными рамками. Для примера временные рамки ограничены суточным графиком. При дроссель- ном регулировании насосы покрывают потребности потребителя при поперемен- ной работе одного и двух насосов по 1 часу. Определим величину электроэнергии, потребляемую за сутки двумя элек- тродвигателями насосов при работе на номинальной частоте (50 Гц), дроссель- ном регулировании и полностью открытой дроссельной задвижке. 2 насоса: 𝜮𝜮N=Nэд∙12=217,2∙12=2606 кВт 1 насос: 𝜮𝜮N=Nэд∙12=104,5∙12=1254 кВт Потребление электроэнергии за сутки: 𝜮𝜮N=2606+1254=3860 кВт Определим расход Q за сутки при указанном графике работы. 2 насоса: 𝜮𝜮Q=Q∙12=2000∙12=24000 м3 1 насос: 𝜮𝜮Q=Q∙12=1000∙12=12000 м3 Расход воды за сутки: 𝜮𝜮N=24000+12000=36000 кВт Определим расход при работе обоих насосов при частотном регулирова- нии. Q= 𝜮𝜮N/24=36000/24=1500 м3/ч Определим напор насоса при указанном расходе по характеристике сети H = Hc + Z∙Q2=20+0,3∙10-5∙15002=26,75 м Необходимо определить частоту вращения электродвигателей насосов при условии, что насосы будут работать на одинаковой скорости. Используем фор- мулу (29): H2= H1( 𝑛𝑛1 𝑛𝑛2 )2, (29) Отсюда следует, что насосы будут работать на скорости: 𝑛𝑛2 = � 𝐻𝐻2∙𝑛𝑛12 𝐻𝐻1 =�26,75∙980 2 32 =896 об/мин Определим полезную мощность насоса при параметрах (H=26,75 и Q=1500 м3/ч=0,4167): Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,4167 ∙ 26,75= 109,3 кВт 40 Величина КПД насосов составит: ɳН = 𝜂𝜂ном − (𝛾𝛾 − 𝑞𝑞)2 ∙ 𝜂𝜂ном ∙ 𝛾𝛾2=0,85 - ( 896 980 − 750 1000 ) 2 ∙ 0,85 ∙ (896 980 ) 2 =0,83 Определим мощность, потребляемая электродвигателями насосов: Nэд = 𝑁𝑁𝜂𝜂д∙𝜂𝜂н = 109,3 0,945∙0,83 =139,35 кВт За сутки мощность, потребляемая двумя электродвигателями составит: Nэд = 136 ∙ 24 = 3344 кВт А при дросселировании за сутки установка потребила Nэд =3860 кВт. Система с двумя частотными преобразователями выгоднее, чем система с дросселирова- нием. Необходимо определить мощность, потребляемую установкой из двух па- раллельно включенных насосных установок при изменении производительности одного насоса дросселированием, а второго частотным регулированием. Для этого нужно определить величину напора, которую должны обеспечить насосы. Это можно определить по характеристике сети, известен расход Q=1500 м3/ч: H = Hc + Z∙Q2 H = 20+ 0,3∙10-5∙15002=26,75 м Определим расход, который будет давать 1 насос при номинальной ско- рости (980 об/мин) при напоре в 26,75 м: Ннк = Но – Zн_общ ∙ Q2 Q=� 26,75−47 −0,15∙10−4 =1161 м3/ч Значит второй насос при частотном управлении должен обеспечить расход в оставшиеся Q=1500-1161=339 м3/ч при требуемом напоре в H=26,75 м, т.к. главным условием работы нескольких насосов вместе является равенство их напоров. Характеристика насоса будет проходить через точку с параметрами Q=339 м3/ч и H=26,75 м при скорости двигателя 763 об/мин (пересчет из точки с пара- метрами H=44,1 м, Q=437 м3/ч при скорости вращения 980 об/мин): 41 H2=H1∙ � 𝑛𝑛2 𝑛𝑛1 � 2 = 44,13 �763 980 � 2 = 26,75 м Q2=Q1∙ 𝑛𝑛2 𝑛𝑛1 = 437 ∙ �763 980 � = 339,3 м3/ч Характеристики насоса и сети показаны на рисунке 20. Рисунок 20 – Характеристика двух насосов и сети Вычислим мощности, потребляемые электродвигателями насосов. Первый насос (на номинальной частоте при дроссельном регулировании: Nп = 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,323 ∙ 24= 76 кВт ∆N=9,81∙Q∙∆H/ɳН=9,81∙0,323∙2,75/0,85=10,2 кВт N = Nп/ɳН+∆N =76/0,85+10,2=99,6 кВт Nэд= N/ɳдв =99,6/0,945=105,4 кВт Второй насос (при скорости вращения 763 об/мин при частотном регули- ровании: Nп= 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑄𝑄𝐻𝐻 = 1000 ∙ 9,81 ∙ 0,094 ∙ 26,75=24,66 кВт ɳн = 𝜂𝜂ном − (𝛾𝛾 − 𝑞𝑞)2 ∙ 𝜂𝜂ном ∙ 𝛾𝛾2=0,85 - ( 763 980 − 339,3 1000 ) 2 ∙ 0,85 ∙ (763 980 ) 2 =0,75 H, м Q, м3/ч 42 2 Разработка САУ поддержания уровня воды в приемном резервуаре 2.1 Выбор силового оборудования для САУ Выбор контакторов. Для выбора коммутирующего оборудования по основным параметрам сле- дует провести предварительные расчеты номинального и пускового токов элек- тродвигателя. Номинальные характеристики двигателя АИР355S6 приведены в таблице 5. Таблица 5 – Номинальные характеристики двигателя АИР355S6 Название па- раметра Ном. мощ- ность дви- гателя КПД Коэффи- циент мощно- сти Номинальное напряжение двигателя Отношение Iп/Iн Обозначение Pном η cosφ Uном KI Величина 160 кВт 0,945 0,88 380 В 6,7 Номинальный ток (30) (действующее значение) [9]: Iном.дв.= 𝑃𝑃ном √3∙𝑈𝑈ном∙η∙cosφ = 160000 √3∙380∙0,945∙0,88 =292,3 А (30) где Iном.дв – номинальный ток двигателя. Пусковой ток (действующее значение) (31): Iп= KI ∙ Iном.дв=6,7∙292,3=2046 А (31) Ударный пусковой ток (амплитудное значение) двигателя находится по формуле (32): Iуд.п.=1,2∙ √2 ∙Iп=3472 А (32) Для коммутации данного электродвигателя подойдет контактор фирмы Siemens 3RT1.6, его технические характеристики указаны в таблице 6. 45 Таблица 6 – Технические характеристики контактора 3RT1.6 Мощность 3-фаз- ных двиг. при 50 Гц, кВт Ном. ток до, А Типо- размер Ном. управляющее напряжение DC, В Масса, кг 160 300 S10 23…26 6,5 Выбор ПЧ. Частотный преобразователь выбирается исходя из условий (33,34): Iном.эдв ≤ IПЧ (33) Pэдв ≤ PПЧ (34) где Iном.эдв – номинальный ток электродвигателя IПЧ – номинальный выходной ток преобразователя частоты Pэдв – мощность электродвигателя PПЧ – мощность преобразователя частоты. Iном.ПЧ=302 А Iном.эдв=292,3 А Iном.ПЧ≥ Iном.дв, следовательно, силовой модуль выбран верно. Технические характеристики силового модуля РМ-240 представлены в таб- лице 7. Таблица 7 – Технические характеристики силового модуля РМ-240 [10] Номинальная мощность, кВт Ном. выход- ной ток, А Типоразмер КПД Степень защиты Уровень шума, дБ 160 302 FSGX >98% IP20 <69 Продолжение таблицы 7 Размеры, мм Ном. входной ток, А Масса, кг Ширина Высота Глубина С сетевым дросселем Без сете- вого дрос- селя 326 1543 547 245 297 66 46 Для защиты ПЧ применим рубильник с предохранителем. Номинальный ток плавких вставок для защиты линий, подводящих ток к электродвигателям с КЗ ротором рассчитывается по формуле (35): Iвс=Iп/2,5 (35) где Iвс – номинальный ток плавкой вставки Iп – пусковой ток электродвигателя. Пусковой ток электродвигателя рассчитывается по формуле (36): Iп=K∙Iн.дв=6,7∙292,3=1958,4 А (36) где K=6,7 – отношение пускового тока двигателя к номинальному Iн.дв – номинальный ток электродвигателя. Тогда номинальный ток плавких вставок определится как: Iвс=1958,4/2,5=783 А По рассчитанным данным выберем рубильник с предохранителем серии OS2 фирмы ABB модель OS800D. Его технические характеристики приведены в таблице 8 [11]. Таблица 8 – Технические характеристики рубильника OS800D Ном. рабо- чее напря- жение, В Ном. рабо- чий ток, А Ток от- сечки, кА Ном.отклю- чающая спо- собность, кА Масса, кг Темпера- тура экс- плуатации, °С 1000 800 83 6,4 13,5 -40…+60 2.2 разработка функциональной схемы САУ Поддержание заданного уровня воды регулируется путем изменения по- дачи насосных агрегатов на станции. Подача НА зависит от скорости вращения вала двигателя, работающего от ПЧ, а также от того, сколько насосов работает. При этом преобразователь частоты управляет только одним электродвигателем, остальные же включены на номинальной скорости. Следовательно, уровень воды 47 2.3 Выбор управляющего оборудования Выбор контроллера. Для управления технологическим процессом был выбран контроллер фирмы Siemens CPU 315-2PN/. Технические данные CPU 315-2PN/DP приведены в таблице 9 [12]. Таблица 9 – Технические данные CPU 315-2PN/DP Рабочая память для хранения данных и вы- полнения про- граммы, Кбайт Минимальное время операций, мкс Напр. пи- тания, В Количество каналов ввода-вывода Дискрет- ных Ана- лого- вых Логиче- ских Со сло- вами 128 0,1 0,2 24 До 16384 До 1024 Выбор модуля ввода дискретных сигналов. Для проекта был выбран модуль SM 321. Его технические характеристики указаны в таблице 10 [12]. Таблица 10 – Технические характеристики модуля SM 321 Количество вхо- дов Потребляемый ток, мА Ном.входное напряжение, В Потребляемая мощность, Вт 16 10 24 3,5 Выбор модуля вывода дискретных сигналов. Для проекта подобран модуль SM 322. характеристики показаны в таблице 11 [12]. Таблица 11 – Технические характеристики модуля SM 322 Количество выходов Ном. ток одного выхода, А Ном. напряжение пи- тания нагрузки, В Потребляемая мощность, Вт 16 0,5 24 4,9 50 Выбор модуля ввода дискретных сигналов. Для проекта подобран модуль SM 331. Его основные данные имеются в таблице 12 [12]. Таблица 12 – Технические характеристики модуля SM 331 Напряжение питания электроники модуля, В Потребляемый ток, мА Количество входов Время цикла, мс Потребляемая мощность, Вт =24 90 8 5 0.4 Выбор блока питания. Блоки питания применяются для формирования выходного напряжения =24 В. Оно используется для питания CPU и модулей контроллера. Для проекта был выбран блок питания PS 307/5А. Технические данные блока питания пред- ставлены в таблице 13 [12]. Таблица 13 – Технические характеристики блока питания PS 307/5А Входное напряже- ние, В Допустимый диа- пазон измерений, В Ном.выходной ток при 230 В, А Номинальный выходной ток,А 120/230 85…132/170…264 1,3 5 Выбор датчика давления. Гидростатический датчик Waterpilot FMX21 предназначен для измерений давления по емкостному принципу. Технические данные датчика давления находятся в таблице 14 [13] Таблица 14 – Технические данные датчика Waterpilot FMX21 Погрешность, % Выходной сиг- нал, мА Температура рабо- чей среды, С Питание DC, В Диа- метр, мм ±0,2 4…20 -10…+70 10,5…35 22 51 Выбор реле синхронизации. Было выбрано реле синхронизации SynchroMAX фирмы CIRCUTOR. Технические данные реле синхронизации представлены в таблице 15 [14] Таблица 15 – Технические данные реле синхронизации SynchroMAX Параметры измеряемой цепи Точность, % Рабочая темпе- ратура, С Вес, кг Частота, Гц Напряжение, В 40…70 110; 230; 400 ±20 -10…+65 0,35 Выбор панели оператора Для проекта выбрана панель оператора.OP73 фирмы Siemens. Ее техниче- ские показаны в таблице 16. Таблица 16 – Технические характеристики панели оператора.OP73 Встроенные ин- терфейсы Напряжение питания, В Степень защиты фронтальной части Встроенная па- мять, кБ MPI/Profibus DP =24 IP65 256 Выбор модуля управления ПЧ Выбран управляющий модуль преобразователя частоты CU230P−2DP. Его характеристики приведены в таблице 17 [13]. Таблица 17 – Характеристики модуля управления CU230P−2DP Рабочее напря- жение, В Потребляемый ток из устрой- ства питания 24 В ,А Мощность по- терь (полная нагрузка), Вт Коли- честв цифро- вых вхо- дов Коли- честв цифро- вых вы- ходов DC 24 В Макс 0,5 <5,5 6 3 52 суточный график водопотребления. Также в алгоритме необходимо учесть диа- гностику перед пуском (чтобы вводной автомат силовой части был замкнут, а силовые контакторы разомкнуты) . Схема для логики управления показана на рисунке 22. РЕ 57-300 007 002 003 з из реки ПУ Запис 6120 _ < Чусовая Епч=уаг. ^ Реети=50 Гц Бассейн №1 Датчик давления {уровня} Рисунок 22 — Функциональная схема Алгоритм управления приведен в приложении Б. 55  3 Разработка математического описания и синтез системы управления насосной станции 3.1 Разработка математического описания насосного агрегата при частотном регулировании его производительности В насосных станциях с большим диапазоном изменения расхода, как пра- вило, применяется несколько насосных установок, работающих на общую вы- ходную трубу. Применение частотного регулирования насосными установками и ступенчатое повышение/понижение расхода путем коммутации дополнитель- ных насосов обеспечивает высокую энергоэффективность применяемых агрега- тов. При внедрении частотного привода в системы водоснабжения необходимо оценить влияние электрической и гидравлической составляющей на совместную работу насосных агрегатов. Для этого необходимо построить математическую модель процесса при работе насосов. Необходимые исходные данные для расчета математической модели насосного агрегата приведены ниже. Технические данные насоса 1Д1600-90[4]: • Номинальная подача – Qном = 1000 м3/ч; • Номинальный напор – Hном = 40 м; • Номинальный КПД – 𝜂𝜂н.ном= 0,85; • Номинальная скорость вращения – nн = 985 об/мин; • Напор насоса при закрытой задвижке – H0н = 47 м. Технические данные приводного электродвигателя АИР355S6: • Номинальная мощность – Pном = 160 кВт; • Номинальное напряжение – Uном = 380/660 В; • Номинальное скольжение – sном = 0,015; • Номинальная частота вращения – nном = 985 об/мин; 56 • Номинальный КПД – 𝜂𝜂дв.ном= 0,945; • Номинальный коэффициент мощности – cosφ= 0,88; • Перегрузочная способность двигателя – λ=Mmax/ Mном=2,0; • Пусковой момент – Mпуск/ Mном=1,9; • Момент инерции двигателя – Jдв= 9,5 кг∙м2; • Число пар полюсов Pп=3. Дополнительные данные для расчета: • Плотность перекачиваемой жидкости – ρ = 1000 кг/м3; • Геометрическая высота подъема воды – Hпод = 20 м; • По данным предприятия приток жидкости в резервуар колеблется от 500 м3/ч до 1000 м3/ч для одного насоса. На рабочем участке механической характеристики асинхронный двигатель возможно представить, как звено первого порядка с передаточной функцией ди- намической жесткости (37) [19]: ℎд(𝑝𝑝) = 𝑚𝑚(𝑝𝑝) 𝜔𝜔(𝑝𝑝) = − ℎ𝑈𝑈 1+𝑇𝑇2′𝑝𝑝 (37) где постоянная времени T2′ двигателей общего применения составляет 5…50 мс. ℎ𝑈𝑈 = 2∙𝑀𝑀к ωном∙𝑆𝑆к = 2 ∙ 𝑀𝑀к ∙ 𝑇𝑇2′ (38) Момент инерции насосного агрегата рассчитывается по формуле (39): 𝐽𝐽 = 1,2 ∙ 𝐽𝐽дв = 1,2 ∙ 9,5 = 11,4 кг∙м2 (39) Кол-во пар полюсов двигателя Pп=3 Момент инерции ротора насосного агрегата – J = 11,4 кг∙м2. Пусковой момент – Mпуск/ Mном=1,9; Структурная схема электродвигателя в режимах скалярного или вектор- ного управления на участке механической характеристики показана на рисунке 23. Определим номинальную скорость двигателя по выражению (40) ωном= 𝜋𝜋∙𝑛𝑛ном 30 = 3,14∙985 30 =103 с-1 (40) 57 Рисунок 26 — График скорости и момент двигателя насосного агрегата График мощности электродвигателя насосного агрегата показан на ри- сунке 27. Рисунок 27 — График мощности приводного электродвигателя Величина динамического момента Mдин и скорости двигателя по модели двигателя с ограничением пускового момента показана на рисунку 28. M n М,Н∙м n, об/мин t,c P, Вт t,c 60 Гидравлическая часть насосного агрегата включает: насос, обратный кла- пан, затвор (задвижку) на напорном трубопроводе и напорный трубопровод от насоса до напорного коллектора, объединяющий потоки жидкости от всех насос- ных агрегатов. Напор, развиваемый центробежным насосом при заданной ча- стоте вращения, соответствует напору при нулевом расходе жидкости через него (нулевой подаче), находится по формулам приведения [19]. 2 2 2 1 2 1 ω ω = H H . Зная напор при нулевой подаче насоса при номинальном значении скоро- сти можно найти напор нулевой подачи H0 для любой скорости вращения вала в соответствии с (47): 𝐻𝐻0 = 𝐻𝐻0н 𝜔𝜔н2 ∙ 𝜔𝜔2 (47) т.е. коэффициент передачи насосного агрегата (48): 𝑘𝑘ωH = 𝐻𝐻0н ωн2 = 47 1032 = 0,00443 (48) где 𝐻𝐻0н = 47 м – напор нулевой подачи; ωн = 103 рад/с – номинальная скорость насоса. В случае применения частотного регулирования момент на валу электро- двигателя меняется плавно (не больше номинального значения) и обеспечива- ется плавный разгон и торможение. Работа электродвигателей при этом выпол- няется на рабочем участке механической характеристики при внутреннем огра- ничении тока преобразователя частоты предельным значением. Структурная схема гидравлической части показана на рисунке 28. Пред- ставленная гидравлическая схема имеет постоянные давления на входе (резер- вуар, система стабилизации подпитки) и выходе (высота размещения потреби- теля). Насосная станция в составе 4 НА подает жидкость потребителю по маги- стральному трубопроводу с постоянным сопротивлением Zмагистрали. 61 Pкол + _ X 1 pkωP s ρ * L Zнасоса + Zтруб + Zзатв + _Pнас Qi + P0 ωр X Рисунок 28 — Структурная схема гидравлической части насосного агрегата Рассмотрим гидравлическую часть отдельного насоса от входного до напорного коллектора. Гидравлическое сопротивление каждого насосного агре- гата включает в свой состав: насос (𝑍𝑍нас), трубопровод с отсекающей задвижкой от входного коллектора до насоса, обратный клапан, напорный трубопровод от насоса до напорного коллектора (𝑍𝑍труб) и затвор (задвижку) на напорном трубо- проводе (𝑍𝑍затв). Сумма напоров, действующих на гидравлическую часть насосного агре- гата, определяет расход протекающей по ней жидкости и уравновешивается па- дением давления вследствие гидравлического сопротивления, имеющего место в насосе, обратном клапане, затворе (задвижку) на напорном трубопроводе и напорного трубопровода до коллектора. 𝐻𝐻0 + 𝐻𝐻н𝑖𝑖 − 𝐻𝐻кол = �𝑍𝑍нас + 𝑍𝑍труб + 𝑍𝑍затв� ∙ 𝑄𝑄𝑖𝑖2 (49) Для анализа динамических процессов рассмотрим жидкость, занимающую объем гидравлической части насосного агрегата, как несжимаемое тело плотно- стью ρ=1000 кг/м3 находящееся в некотором фиктивном трубопроводе с посто- янным сечением s и длинной L. В этом случае увеличение или снижение расхода будет характеризоваться увеличением или уменьшением скорости движения жидкости под действием сил, определяемых напорами и гидравлическим сопро- тивлением. Постоянное сечение трубопровода(50) найдется как: 𝑠𝑠 = 𝜋𝜋 ∙ 𝑅𝑅2 = 3.14 ∙ 0.152 = 0,0707 м2 (50) 62 Ннасоса 47.25] М] 1553 `Ннасосал Рнасоса `Рнасосал Рксл./Па —_г 313600 < с 1000^9.8} с РоПа я Ир 1041 50 7 2348 > > : © сов И ДвигательЗ зы8>> = 59 39200 | | Оз АРТИ Ргоцис:5 Рговис Вх -Г_ 12 [=] ©. з/ч насоса 0 м 1902075 задвижки Ртрубы Рисунок 30 — Математическая модель насосного агрегата  График изменения расхода показан на рисунке 31. Рисунок 31 — Величина расхода(м3/ч) при значении Pкол=313600 Величина расхода насоса в установившемся режиме выше номинального значения (1000 м3/ч) так, как магистраль рассчитана на 2 насоса и поэтому необ- ходимо увеличивать сопротивление магистрали с помощью задвижки при одном включенном насосе. Если не увеличивать сопротивление магистрали, то насос будет перегреваться. График изменения давления показан на рисунке 32. Рисунок 32 — Величина изменения напора насоса(Pнасоса), в установившемся режиме соответствует напору в 47 м Q,м3/ч t,c P, Па t,c 66 Мощность потерь на насосе (при закрытой напорной задвижке или закры- том встречным давлением обратном клапане 𝑄𝑄 = 0) определяется гидравличе- ским сопротивлением, находящейся в насосе воды, при номинальной скорости вращенияв соответствии с выражением (53): 𝑁𝑁пот_н_ном = (1−𝜂𝜂нас)∙𝑁𝑁гидр_ном 𝜂𝜂нас (53) где 𝜂𝜂нас – К.П.Д. насоса. Мощность потерь на насосе пропорционально квадрату скорости враще- ния вала насоса (54) (сухим трением в подшипниках пренебрегаем): 𝑁𝑁пот_н = 𝑁𝑁пот_н_ном 𝜔𝜔ном2 ∙ 𝜔𝜔2 (54) где 𝜔𝜔ном – номинальная скорость вращения насоса; 𝜔𝜔 – текущая скорость вращения насоса. Механическая мощность потерь (55) в электродвигателе также пропорци- ональна квадрату скорости вращения вала электродвигателя 𝑁𝑁пот_дв_ном = �1−𝜂𝜂дв�∙𝑁𝑁дв_ном 𝜂𝜂дв (55) Электрическими и дополнительными потерями двигателя пренебрегаем. 𝑁𝑁пот_дв = 𝑁𝑁пот_дв_ном 𝜔𝜔ном2 ∙ 𝜔𝜔2 (56) Активная мощность, отдаваемая преобразователем частоты насосному аг- регату, характеризуется движущим моментом силы Ммех электродвигателя, иду- щим на создание гидравлической мощности (мощности перекачивания воды) и покрытие механических потерь в насосе и двигателе при заданной скорости вра- щения 𝜔𝜔. Ммех = 𝑁𝑁пот_дв +𝑁𝑁пот_н +𝑁𝑁гидр 𝜔𝜔 (57) Общая мощность потерь составит(58): 𝑁𝑁пот = 𝑁𝑁пот_н + 𝑁𝑁пот_дв = � (1−𝜂𝜂нас)∙𝑁𝑁гидрном 𝜂𝜂нас∙𝜔𝜔ном2 + �1−𝜂𝜂дв�∙𝑁𝑁двном 𝜂𝜂дв∙𝜔𝜔ном2 � ∙ 𝜔𝜔2 (58) или 𝑁𝑁пот = 𝑘𝑘пот ∙ 𝜔𝜔2 (59) 67 Pкол + _ X 1 pkωP s ρ * L Zнасоса + Zтруб + Zзатв + _Pнас_i Qi + P0 ωр_i X 2*π рп hu Т2*р + 1 1 J*p+ _ + _ fзад_i ωс_i ωр_iМдв_i Ммех_i Мдин_i X kпотерь .. ++ Qi Nмех_i Nпот_i Nгид_i Ммех_i ωр_i ωр_i ωр_i2 Pнас_i P0 Qi Pкол kM-I Iµ Icтат_i Мобщ_i Ток намагничивания Ia_i√Iµ2 + Ia2 Мдин_i + + Рисунок 33 — Структурную схема насосного агрегата с частотным регулирова- нием Математическая модель насосного агрегата с частотным регулированием показана на рисунке 34. 70 |2 [8 => к Ш д Кай Веатао ю Сопрекю | 254) А Сотрео Родов Мавое-Альт = ти х Ргодиа9 потерь Я сз 54 х Рсг2 Б вада 50 [23448 тат р риа 1 С 0.0551 з Ваю Пти зашгайоп2 1ииедгатог1 ы баз Диета пиедралог о рад СУ 313600 |Ркол Раса х 000*9.8 0.0707/1000*15) Г 3600 Ргодис6 1педгаво2 43 С . РиодиБ | х РОЛ рюшай @мзАа и |4 Ро?| 39200 задаюнки насоса Сера! о Е | 1902075 7 | 522000 — |7трубы Рисунок 34 — Математическая модель насосного агрегата с частотным регулированием  График изменения тока электродвигателя показан на рисунке 35. Рисунок 35 — График изменения тока электродвигателя График изменения тока электродвигателя представлен на рисунке 36 Рисунок 36 — График изменения давления электродвигателя График расхода насоса и скорости двигателя показан на рисунке 37. При моделировании насосной стации с несколькими частотно регулируе- мыми насосными агрегатами, каждый из них может быть представлен отдельным модулем, приведенным на рисунке 38. I, А t,c P, Па t,c 72 Рисунок 40 — Графики скорости, тока двигателя, расхода насоса и давления кол- лектора. Рисунок 41—Графики давления насоса и коллектора Q,м3/ч; P, кПа; I,А; n,об/мин n Q I Pкол t,с t,с P, Па; Pкол Pнас 75 3.2 Разработка структурной схемы Для понимания структуры управления насосным агрегатом удобно вос- пользоваться структурной схемы. В состав автоматизированного электропривода входят: технологический контроллер, ПЧ с ПИ-регулятором, датчик уровня и насосный агрегат. Структурная схема насосной станции приведена на рисунке 42 Рисунок 42 – Структурная схема насосной станции 3.2.1 Синтез регулятора Для регулирования подачи НА применяется ПИ-регулятор с настройкой на симметричный оптимум. Для того, чтобы рассчитать коэффициенты регулятора необходимо линеаризовать параметры насосного агрегата – коэффициент пере- дачи давления от частоты и гидравлическую часть, преобразующую давление НА в расход воды. Линеаризация производится в малых отклонениях. Рассматриваются 2 точки на характеристике номинальной P – Q и рассчитываются давления и рас- ходы при различных скоростях вращения. Формула для расчета давления при приращении: 76 𝑃𝑃 + ∆𝑃𝑃 = 𝑘𝑘(𝜔𝜔 + ∆𝜔𝜔) (67) 𝑃𝑃 + ∆𝑃𝑃 = 𝑘𝑘𝜔𝜔2 + 2𝜔𝜔 ∙ ∆𝜔𝜔 + ∆𝜔𝜔2 (68) Также рассчитывается и отклонение расхода. После этого строиться каса- тельная по этим двум точкам и находится коэффициент передачи k. Коэффици- ент передачи насосного агрегата Kωp=4480.4 Полученная модель показана на рисунке 43 Рисунок 43 – Математическая линеаризованная модель насосного агрегата Настройка системы производится на симметричный оптимум. Передаточная функция разомкнутой системы, настроенная на симметрич- ный оптимум соответствует формуле: 𝑊𝑊раз = 4𝑇𝑇𝜇𝜇𝑝𝑝 + 1 8𝑇𝑇𝜇𝜇2𝑝𝑝2(𝑇𝑇𝜇𝜇 + 1) Складывая постоянные времени контура получим: Tμ=Tдвиг+Tгидравл.=0,05+1=1,05 Коэффициент пропорциональной части рассчитается как: 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 1 ∙ 3 ∙ 3.14 8 ∙ 1.05 ∙ 2 ∙ 3.14 ∙ 4480 ∙ 0.00000143 = 26.546 Коэффициент интегральной части регулятора KI=1.05 При настройке на СО перерегулирование составляет 43%, для того, чтобы снизить перерегулирование и увеличить отклик системы на возмущени стоит ввести в канал управления инерционное звено с постоянной времени 4∑Tμ. В та- ком случае перерегулирование снизится до величины 8,1 %. 77 • При совместной работе насоса с частотным регулированием и насоса, работа- ющего прямо от сети (на частоте 50 Гц), необходимо второму насосу прикры- вать напорную задвижку для выравнивания нагрузки и исключения его пере- грузки по току. Рисунок 46 — Графики расходов НА и общего расхода, давления в коллекторе, токов и скоростей электродвигателей Графики давления насосных агрегатов и в коллекторе показаны на ри- сунке 47. Рисунок 47 — Графики давления насосных агрегатов и в коллекторе t,с Q,м3/ч; P, кПа; I,А; n,об/мин Q1,Q∑ Q∑ Q2 Q1 n1 I1 I2 n2 Pко P, кПа; t,с 80 4.2 Разработка математической модели системы управления В система автоматического поддержания уровня используется ПИ- регулятор. Структура регулятора показана на рисунке 48. Рисунок 48 – Структура ПИ-регулятора. Для рассмотрения реакции системы изменения уровня резервуара будет подаваться возмущение в виде расхода воды. Это возмущение будет иметь форму линейно нарастающего сигнала, поскольку в системах водоснабжения не бывает резких мгновенных изменений расхода из резервуара. Приемный резервуар имеет форму цилиндра. Диаметр его основания – 1 м. Площадь основания цилиндра определяется по формуле (50): 𝑆𝑆рез = 𝜋𝜋 ∙ 𝑅𝑅2 = 3,14 ∙ 12 = 3,14 м2 (69) Необходимо поддерживать уровень воды в бассейне 1 м Проинтегрировав величину расхода насосного агрегата (м3/с) получим ве- личину объема налитой воды в резервуар. Уровень воды в резервуаре описывается выражением(51): ∆𝐿𝐿(𝑐𝑐) = 1 𝑆𝑆рез �𝑄𝑄резПВ − 𝑄𝑄расх�𝑑𝑑𝑐𝑐 (70) где QрезПВ – объем воды, поступающий в резервуар; Qрасх – объем воды, потребляемый из резервуара. При исследовании имитационной модели насосной станции до момента включения второго насосного агрегата задвижка работающего НА прикрыта во избежание перегрева двигателя. Пуск второго НА производится при достижении первым НА частоты 50 Гц и нахождения на ней в течении 10. Расход воды из 81 резервуара изменяется плавно в связи с особенностью технологии насосных станций. 4.3 Исследование обобщенной модели САУ насосной станции первого подъема В состав насосной станции входят 4 насоса. Одновременно работают только 2 из них. На напорном коллекторе показания давление соответствует 32 м. Математическая модель САУ поддержания уровня воды в резервуаре насос- ной станции первого подъема приведена на рисунке 49. График расхода воды из резервуара показан на рисунке 50. Рисунок 50 —Расход воды из резервуара(возмущение) Q, м3/ч t, c 82 График изменения давлений насосов и коллектора показан на рисунке 53. Рисунок 53 — График изменения давлений насосов и коллектора График изменения уровня бассейна показан на рисунке 54. Рисунок 54 — График изменения уровня бассейна По результатам моделирования можно сделать выводы о процессах, про- исходящих в гидросистеме и электроприводе НА. Система, управляя скоростью L, м t, c P, кПА t, c P1, кПА P2, кПА Pкол, кПА 85 насосов и переключая источники питания справляется с функцией поддержания уровня. Однако, не нужно забывать об управлении электроприводом напорной задвижки насоса, когда он работает один, во избежание перегрева электродвига- теля. 86 5 Специальные вопросы обеспечения безопасности 5.1 Общие требования к безопасности насосной станции При эксплуатации насосной установки необходимо предусмотреть дей- ствие следующих вредных и опасных воздействий: • возможность поражения электрическим током; • наличие вращающихся частей; • повышенный уровень вибрации; • повышенный уровень шума Для обеспечения необходимого уровня безопасности все вращающиеся де- тали должны быть прикрыты защитными кожухами. Уровни шума и вибраций должны соответствовать нормам, указанным в ГОСТах и СНиПах. Электробез- опасность должна обеспечиваться выполнением требований, указанных в ПУЭ, ПТЭЭП, СНиП. Насосная станция для обеспечения водоснабжения предприятия, имеющая в своем составе 4 насосных агрегата согласно [30] относится ко II категории элек- троснабжения. Электроприемники этой категории в нормальных режимах ра- боты необходимо обеспечивать электроэнергией от двух независимых резерви- рующих источников питания [31]. Также для надежности водоснабжения в слу- чае аварии используются 2 магистральных трубопровода. Для обеспечения возможности замены или ремонта какого-либо из НА, об- ратных клапанов и основной запорной арматуры, а также проверок НА без нару- шения требований по обеспеченности расхода воды необходимо размещать за- порную арматуру на всасывающих и напорных трубопроводах [30]. Помещения насосной станции относятся к помещениям особой опасности из-за наличия токопроводящих полов и возможности прикосновения к корпусам оборудования. В случае аварийной ситуации появляется возможность возникновения напряжения на корпусах электродвигателей, электрошкафов, корпусе пульта 87 Из-за повышения температуры в электрошкафе вследствие работающих преобразователей частоты и прочего оборудования необходимо рассмотреть применение вентиляторов и шкафных фильтров для дополнительной циркуля- ции воздуха. Также для автоматического поддержания температуры внутри шкафа целесообразно установить термостат. В летние месяцы температура в электропомещении может достигать высо- ких значений (40-50 °С). Это происходит как из-за естественного повышения температуры воздуха в летние месяцы, так и из-за тепла, которое выделяют ап- параты электропривода. Поэтому необходимо предусмотреть дополнительные меры по вентиляции помещения с помощью кондиционеров и вентиляторов. Согласно правил устройств электроустановок [15]: • Выбор проводов, аппаратов и др. необходимо производить как по нормаль- ным условиям работы (соответствие рабочему напряжению и току, классу точности и т.п.), так и при условии работы в аварийных и нештатных ре- жимах, например, при коротком замыкании; • Распределительные устройства и НКУ необходимо снабжать четкими надписями, которые указывают принадлежность к отдельным цепям, аппа- ратам. Надписи следует выполнять на лицевой стороне оборудования, а при необходимости обслуживании с другой стороны также и на задней сто- роне устройства; • Если части РУ относятся к цепям разного рода тока и различной величине напряжения, то они должны быть размещены так, чтобы обеспечивалась возможность их быстрого распознавания; • Взаимное расположение полюсов и фаз в пределах всего устройства должно быть единообразным. • Оборудование и аппараты коммутации необходимо располагать так, чтобы дуга и искры, возникающая при коммутации, не могла причинить вред пер- соналу, нанести повреждения окружающим предметам, вызвать КЗ. Также на приводах аппаратов для коммутации должны быть четко указаны поло- жения «включено», «отключено» 90 5.2 Помехоустойчивость систем электропривода Соблюдение требований электромагнитной совместимости – очень важно при проектировании современного электропривода. Для обеспечения (ЭМС) и увеличения помехоустойчивости целесообразно прокладывать силовые и сиг- нальные кабели по разным лоткам. При размещении трансформаторов тока на силовых линиях целесообразно вторичную обмотку гальванически развязать со следующим за ним оборудова- нием. Если вторичная обмотка трансформатора тока не используется, то она должна быть закорочена на своих зажимах. Один из полюсов вторичных обмоток трансформаторов тока и трансформаторов напряжения должен быть заземлен во всех случаях [32]. Стандарт ГОСТ 51317.4.5-99 распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и оборудование и устанавливает нормы на устойчивость аппаратов к действию микросекундных импульсных по- мех большой энергии [31]. В данном объекте коммутационный процесс проис- ходит при переключении контакторов. Имитация переходного процесса с максимальным подобием обеспечива- ется испытательным генератором. По классификации условий эксплуатации электрооборудование, распола- гающееся на насосной станции относится к классу 2(электромагнитная обстано- вка при разносе силовых и сигнальных кабелей) и характеризуется следующими признаками: • Сигнальные и силовые цепи должны быть разнесены; • ТС подключены с помощью разделенных заземляющих шин к системе за- земления электроустановок; • Имеется ограниченное число незащищенных от перенапряжения соедини- тельных кабелей. Выбор степени жесткости испытаний ТС производится с учетом данных, представленных в таблице 20. 91 Таблица 20 – Выбор степени жесткости испытаний Класс усло- вий эксплуа- тации ТС Линия электропитания Несимметрич- ные линии Симметрич-ные линии По схеме "провод- провод" По схеме "провод- земля" По схеме "П-П" По схеме "П-З" По схеме "П-П" По схеме "П-З" 2 1 2 1 2 - 2 3 2 3 2 3 - 3 В соответствии со степенью жесткости испытаний выбирается значение импульса напряжения в соответствии с таблицей 21 [31]. Таблица 21 – Степени жесткости испытаний Степень жесткости испыта- ний Значение импульса напряжения на ненагру- женном выходе ИГ, кВ±10% 1 2 3 0,5 1,0 2,0 Испытательным оборудованием является ИГ МИП(1/50-6,4/16 мкс). Его упрощенная схема приведена на рисунке 55 [31]. Рисунок 55 – Упрощенная схема ИГ МИП 92 Таблица 23 – перечень отказов насосной станции Компонент Требования к охвату диагностикой Низкий(60%) Средний(90%) Электромеханические устройства Не включение, неот- ключение. Приварен- ные контакты Не включение, неотклю- чение. Отдельные прива- ренные контакты Дискретные аппарат- ные средства Цифровой вх./вых. Аналоговый вх./вых. Константный отказ Константный отказ Неиспр. при пост.токе Отклонения и колебания Датчики Неисправности при пост токе/колебания Неисправности при пост токе/колебания Исполнительные эле- менты Неисправности при пост токе/колебания Неисправности при пост токе/колебания Режим работы определяется тем, как будет использоваться функция без- опасности в зависимости от частоты запросов. Система безопасности насосной станции работает в режиме с непрерывным запросом—запрос к функции без- опасности существует постоянно [32]. Диаграмма риска для систем с непрерыв- ным запросом представлена на рисунке 56. Рисунок 56 – Диаграмма риска для систем, работающих в непрерывном режиме запроса [33] 95 Функциональная безопасность системы электропривода важна для насос- ной станции, поскольку при выходе из строя отдельного компонента (например, силового контактора) может вывести из строя несколько элементов до и после себя (ПЧ или электродвигателя). Также при проектировании силовой схемы стоит произвести как можно больше блокировок контакторной сборки – этом мо- жет быть механическая блокировка, блокировка на релейном уровне(при замы- кании 1-го контактора его НО контакт разрывает цепь катушки питания второго контактора, а также предусмотреть эту же защиту, но уже на программном уровне. 96 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Целью выпускной квалификационной работы являлись сравнение эффек- тивности способов регулирования насосных агрегатов, разработка САУ поддер- жания уровня воды в бассейне насосной станции и исследование ее работы. Увеличение энергоэффективности в насосных установках стало возмож- ным в связи с развитием преобразовательной техники. В первом разделе ВКР были рассмотрены способы регулирования подачи насосных установок, такие как дросселирование и частотное регулирование. Вы- яснено, что самым энергоэффективным способом является частотное регулиро- вание, а самым энергозатратным – дроссельное. Однако, внедрение ПЧ для каж- дого насоса – экономически затратное мероприятие. Для компромисса возможно применить схему с одним преобразователем частоты на группу насосных агрега- тов. Во втором разделе была проведена разработка САУ поддержанием уровня в приемном резервуаре. Было выбрано основное силовое оборудование, а также оборудование управления. В этой главе также была проведена разработка алго- ритма управления насосной станцией и построение принципиальных и функци- ональных схем. В третьем разделе работы была проведена разработка математического описания насосного агрегата при частотном регулировании и синтез системы управления насосной станцией. Также произведено построение структурной схемы электропривода насосной станции. В четвертом разделе произведена разработка и исследование имитацион- ной модели насосной станции первого подъема в программе Matlab с пакетом Simulink. Были приведены осциллограммы ключевых величин электропривода, таких, как ток, расход, скорость, давление НА. 97