8.3 Энергосбережение в насосных установках
8 АВТОМАТИЗАЦИЯ
8.1 Основные понятия о системах автоматического управления
Термин автоматизация происходит от греческого слова "автоматос", что в переводе означает самодействующий. Под автоматизацией (автоматическим управлением) понимается осуществление какого-либо технологического процесса с использованием соответствующих технических средств без непосредственного участия человека.
Для создания любой автоматической системы необходимо установить цель управления, т.е. то, что должно быть достигнуто в результате автоматизации. Затем устанавливается, посредством чего достижима поставленная цель, и определяются необходимые технические средства и последовательность процедур для достижения цели управления или, иными словами, алгоритм управления. Очень важно понять, что автоматизировать можно только те процессы, в которых точно известно, что и в какой последовательности должно выполняться, и точно известны все ситуации, в которых может оказаться автомат. Если же алгоритм управления неточен либо появилась ситуация, не предусмотренная алгоритмом, то функционирование автоматической системы может не соответствовать целям ее создания.
Определение цели и алгоритма управления является компетенцией специалистов в области соответствующего технологического процесса (специалиста - технолога). Специалист в области автоматизации должен определиться с техническими средствами, обеспечивающими выполнение технических требований технологов, и разработать САУ. Часто в процессе разработки последней выясняется, что некоторые требования технологов либо трудно выполнимы, либо обусловливают значительное удорожание системы. В подобных случаях технологи и инженеры по автоматизации должны найти разумный компромисс. Отсюда следует и значимость курса автоматизации. Вы, вероятно, не станете специалистами в области автоматизации, но должны быть достаточно подготовленными к работе по проектированию, эксплуатации и наладке автоматических систем водоснабжения и водоотведения. А это возможно только при условии, что вы будете представлять себе существо проблем автоматического управления, способы их разрешения и технические возможности средств автоматизации.
Создание САУ, как и любых других технических систем, всегда связано с определенными затратами, обуславливаемыми стоимостью проектирования, стоимостью реализации проекта и эксплуатационными затратами. Вкладывая средства на создание САУ, логично рассчитывать на их возврат посредством достижения какого-то экономического эффекта. В принципе (что имеет место на многих предприятиях) технические системы могут функционировать и без автоматизации. Но в этом случае очевиден неоправданный перерасход электрической энергии, и если еще лет 10 назад доля энергозатрат в себестоимости продукции предприятий не превышала 10%, то в настоящее время она может составлять более пятой части.
При технико-экономическом обосновании САУ необходимо четко определить, за счет чего первоначальные капиталовложения в систему окупятся. Окупаемость САУ обычно обуславливается следующим:
1) Снижением расхода энергоресурсов;
2) Уменьшением количества обслуживающего персонала (экономией на заработной плате);
3) Повышением производительности (уменьшением размера заработной платы в расчете на единицу продукции);
4) Повышением надежности функционирования технологического процесса (снижением ущерба от перерывов технологического процесса);
5) Уменьшением штрафных выплат за загрязнение окружающей среды;
6) Повышением качества продукции и другими факторами, зависящими от вида автоматизируемого технологического процесса.
8.2 Автоматизация насосной станции при наличии трех насосов
Схема автоматизации насосной станции предусматривает возможность включения и отключения насосов как дежурным персоналом (режим местного управления − М), так и автоматически в зависимости от уровня воды в резервуаре. При этом обеспечиваются:
− защита электродвигателей насосов от перегрузок и коротких замыканий;
− автоматическое открытие и закрытие напорной задвижки;
− автоматическое отключение электродвигателя насоса при неисправности напорной задвижки, перегреве подшипников насосного агрегата, срыве давления за насосом;
− возможность изменения очередности включения насосов при изменении уровня воды в резервуаре;
− сигнализация о включении электродвигателя насоса, срыве давления за насосом, перегреве подшипников, неисправности напорной задвижки, открытии и закрытии напорной задвижки;
− бесперебойная подача напряжения на блоки контроля сопротивлений − датчики уровня воды в резервуаре.
В состав схемы автоматизации входят следующие элементы:
− автоматический выключатель 1 QF 1, установленный в силовой цепи электродвигателя насоса, для защиты электрической сети от перегрузки и коротких замыканий;
− тепловое реле ХТ, установленное в силовой цепи электродвигателя насоса, для защиты электродвигателя от перегрузки;
− предохранитель U Р в цепи 4 схемы управления для защиты схемы от коротких замыканий (далее по тексту под обозначением цепи понимается обозначение цепей в схеме управления);
− контактор 1КМ1 в цепи 2 для подключения электродвигателя насоса к электрической сети;
− реле ХТ в цепи 11, обеспечивающее выдержку времени до 3 с при отключении электродвигателя насоса при срыве давления за насосом, перегреве подшипников или неисправности напорной задвижки;
− токовые реле 1КН1 в цепи 12, 1КН2 в цепи 13, 1КНЗ в цепи 14, сигнализирующие соответственно об отключении электродвигателя насоса вследствие срыва давления, перегрева подшипников или неисправности напорной задвижки;
− реле 1К2 в цепи 15, формирующее сигнал на отключение электродвигателя насоса;
− реле 1КЗ в цепи 17, формирующее сигнал на отключение электродвигателя насоса при неисправности напорной задвижки;
− реле 1К4 в цепи 18 для контроля наличия напряжения в схеме управления электродвигателем насоса;
− реле К5, Кб в цепях 20 и 21 для контроля наличия напряжения в схемах управления электродвигателями других насосных агрегатов;
− реле КО1 в цепи 22, КО2 в цепи 23, КОЗ в цепи 24 для включения электродвигателя насоса в зависимости от уровня воды в резервуаре;
− реле блоков контроля сопротивлений 1 KSL в цепи 25, 2 KSL в цепи 26, 3 KSL в цепи 27, формирующие сигнал о достижении соответствующего (I. II или III ) уровня воды в резервуаре;
− кнопки управления 1 SB 1 в цепи 2, 1 SB 2 в цепи 1 для отключения и включения электродвигателя насоса в режиме местного управления;
− сигнальная лампа 1 HL 1 в цепи 1, горение которой сигнализирует о включении насоса.
В схему управления электродвигателем насоса введены контакты аппаратуры из схемы управления электродвигателем задвижки:
− контакт реле 2К1 в цепи 16 (катушка реле 2К1 включена в цепь 2 схемы управления электродвигателем задвижки), замыкающийся после полного
открытия задвижки;
− контакты 2 KI , 2К2, 2КМ1, 2КМ2 в цепи 17 (катушки этих аппаратов включены соответственно в цепи 2, 6, 3, 5 схемы управления электродвигателем задвижки), замкнутое состояние которых после включения электродвигателя насоса обусловит его отключение вследствие неисправности задвижки (нормальное функционирование задвижки при включенном двигателе насоса соответствует хотя бы одному разомкнутому контакту 2К1, 2К2, 2КМ1, 2КМ2).
Схема автоматизации предусматривает возможность автоматического включения насоса при достижении как первого, так и второго, и третьего уровней воды в резервуаре, т.е. при наличии на насосной станции четырех рабочих насосов их очередность включения может устанавливаться переключателем QS , секции которого используются в цепях 2-4, 9-11 схемы управления электродвигателем насоса и в цепях 3-6 схемы управления электродвигателем задвижки. Переключатель QS имеет 3 фиксированных положения:
левое − режим автоматического управления − А,
среднее − режим местного управления − М ,
правое − режим ввода резерва − Вр.
В режиме местного управления пуск электродвигателя насоса осуществляется нажатием на кнопку QS в цепи 1. При этом по цепи: фаза сети, предохранитель KF , замкнутая секция 1-2 переключателя 1 SA 1 в цепи 2, замкнутый контакт кнопки управления QS , замкнутый при нажатии на кнопку, управления QS ее контакт в цепи 2, замкнутый контакт реле X , замкнутый контакт теплового реле XT , катушка контактора 1КМ1 , нулевой провод сети − подается напряжение на катушку 1КМ1, и контактор 1КМ1 срабатывает. Его контакты в силовой цепи замыкаются и подключают электродвигатель насоса к электрической сети. Одновременно замыкается контакт 1КМ1 в цепи 2, что сохраняет цепь подачи напряжения на катушку 1КМ1 после размыкания контакта кнопки управления QS при прекращении нажатия на нее.
Отключение электродвигателя насоса от сети в режиме местного упраления осуществляется нажатием на кнопку QS .
Во всех режимах (вне зависимости от уровня воды в резервуаре) авариное отключение электродвигателя насоса от сети произойдет при одном из следующих условий:
− отключении автоматического выключателя 1 QF 1 в силовой цепи вследствие короткого замыкания или перегрузки;
− перегорании предохранителя UP в цепи 2 схемы управления;
− размыкании контакта теплового реле XT в цепи 2 при перегрузке электродвигателя;
− размыкании контакта реле X в цепи 2, что обуславливается неисправностью напорной задвижки, или перегревом подшипников, или срывом давления за насосом.
В режиме ввода резерва переключатель QS находится в положении Вр
При этом в цепях 3, 10, II контакты 7-8, 9-10, 11-12 переключателя замкнуты, (все остальные секции в положении Вр разомкнуты).
Реле X в цепи 3 находится под напряжением, и его контакты замкнуты.
В схемах управления электродвигателями насосов 2 и 3 имеются аналогичные реле, позиционные обозначения которых 2 X 1 и З X 1 соответственно.
В режиме Вр может находиться только один (любой) насос.
В частности, если в режиме Вр находится насос 2, то в схеме управления электродвигателем насоса I контакты реле 2 X 1 в цепи 5 будут замкнуты. Если же в режиме Вр находится насос 3, то в схеме управления электродвигателем насоса 1 замкнуты контакты реле З X 1 в цепи 6.
В режиме Вр включение насоса 1 произойдет только после достижения уровня III воды в резервуаре, т.е. после замыкания контакта 3 XSL в цепи 24, что обуславливает подачу напряжения на катушку реле X ОЗ и замыкание контактов КОЗ в цепи 9.
Если при этом какой-либо из остальных насосов не включен (т.е. замкнут контакт 2КМ1 в цепи 9 или контакт ЗКМ1 в цепи 10), то по цепи: предохранитель 1 PU 1, секция 9-10 переключателя 1 SA 1, замкнутый контакт реле КОЗ , замкнутый контакт контактора 2КМ1 (или ЗКМ1) в цепи 9, замкнутые контакты реле 1 X 2 и 1 XT 1 в цепи 2 - на катушку контактора 1КМ1 подается напряжение и электродвигатель насоса 1 контактами 1КМ1 в силовой цепи подключается к электрической сети.
Очередность включения насоса 1 в автоматическом режиме зависит от того, какой из остальных насосов находится в режиме Вр. Если таковым является насос 3 (т.е. замкнут контакт З X 1 в цепи 6 насоса 1, и насос 1 переключателем 1 SA 1 переведен в режим автоматического управления − А), то после достижения уровня I в резервуаре замкнется контакт реле блока контроля сопротивлений 1 XSL в цепи 22, сработает реле X О1, контакт которого в цепи 6 замкнется. Последнее обусловит подачу напряжения на катушку контактора 1КМ1 по цепи: 1 FL , секция 15-16 переключателя 1 QS 1, замкнутые контакты реле X О1 и З X 1 в цепи 6, замкнутые контакты 1 X 2 и 1 XT 1 в цепи 2, катушка контактора 1КМ1 − т.е. включение электродвигателя насоса 1.
Если в режиме Вр находится насос 2, то при достижении уровня 1 в резервуаре (т.е. при замыкании контакта реле X О1 в цепи 6) включения насоса I не произойдет, т.к. контакт реле З X 1 в цепи 6 разомкнут, и должен включиться насос 3. Однако, если вследствие неисправностей последнего не произойдет и контакт реле З X 4 в цепи 8 останется замкнутым, то по цепи: предохранитель
1 UP 1, секция 15 − 16 переключателя 1 SA 1, замкнутый контакт реле XOI , 3 X 4, IX 2, 1 X 1 T − на катушку контактора 1КМ1 будет подано напряжение и в результате включится насос 1. Описанная процедура соответствует аварийному включению насоса 1 при отказе насоса 3. Нормально (если в режиме Вр находится насос 2) после достижения уровня I в резервуаре включается насос 3, а после достижения уровня II − насос 1. При этом на катушку контактора 1 КМ 1 подается напряжение по цепи: предохранитель 1 UP 1, секция 15 − 16 переключателя 1 SA 1, замкнутый контакт реле X О2 в цепи 4, замкнутый контакт реле 2 X 1 в цепи 5, замкнутые контакты реле 1 X 2 и 1 XX 1 в цепи 2.
Если в режиме Вр находится насос 3 (т.е. замкнутый контакт реле З X 1 в цепи 6), то после достижения уровня I в резервуаре включается насос 1 (на катушку контактора 1КМ1 подается напряжение по цепи: предохранитель 1 UP 1, секция 15-16 переключателя 1 QS 1, замкнутые контакты реле X О2 и З X 1 в цепи
7 и 1 X 2, 1 XX 1 в цепи 2), а после достижения уровня II − включится насос 2.
Отключение насосов произойдет после достижения уровня воды в резервуаре, соответствующего уровню отключения насосов, что обусловит размыкание контактов 1 XSL – 3 XSL и, как следствие, размыкание контактов реле X О1 − X ОЗ в цепях управления электродвигателями насосов, что приводит к исчезновению напряжения на катушке контактора 1КМ1, контакты которого в силовой цепи электродвигателя размыкаются и отключают его от электрической сети.
Аварийное отключение электродвигателя насоса при неисправностях в насосном агрегате осуществляется при размыкании контакта реле 1 X 2 в цепи 2.
Последнее произойдет, если:
− при работающем насосе вследствие неисправности механизма задвижки по цепи 17 на катушку реле 1 X З подается напряжение, что обусловит замыкание его контакта в цепи 14;
−срыве давления за насосом, т.е. при замыкании контакта ВР в цепи 12;
− перегреве подшипников, т.е. при замыкании контакта ВК в цепи 13.
В этих условиях на катушку реле времени 1 X Т1 в цепи 11 подается напряжение и его контакт в цепи 15 замкнется с выдержкой времени 3 с, что обусловит подачу напряжения на катушку реле 1 X 2 в цепи 15 и, следовательно, отключение электродвигателя насоса от электрической сети.
Цепи 18 − 21 и имеющаяся в них аппаратура предназначены для обеспечения бесперебойной подачи напряжения на реле блоков контроля сопротивлений 1 XSL− 3 XSL .
Реле 1 X 4 контролирует наличие напряжения в цепях управления электродвигателем насоса. На цепи 22 − 27 может подаваться напряжение из схем управления любого из насосов. Если в схеме управления электродвигателем нассса 2 имеется напряжение, то на реле Кб в цепи 21 подается напряжение и его контакт в цепи 19 разомкнут. Аналогично, наличие напряжения в цепях управления электродвигателем насоса 3 обусловит размыкание контактов реле К5 в цепях 19 и 21. В этом случае подача напряжения на цепи 22 − 27 осуществляется из схемы насоса 3 по цепи 20.
При исчезновении напряжения в схеме управления электродвигателем насоса 3 цепи 22 − 27 подключаются по цепи 21 к схеме управления электродвигателем насоса 2. И только при исчезновении напряжения в цепях управления электродвигателями насосов 2 и 3 на цепи 22 − 27 напряжение подается от цепей насоса 1.
8.3 Энергосбережение в насосных установках
В структуре себестоимости промышленной продукции затраты на потребление энергоресурсов составляют значительную часть. Уменьшить расход электроэнергии в насосных агрегатах возможно посредством регулирования частоты вращения (числа оборотов в минуту) насосов в функции расхода воды. Частота переменного напряжения f в электрических сетях энергосистем страны постоянна и равна 50Гц, что достаточно для вращения электродвигателей насосов с номинальной частотой n (об/мин).
Чтобы изменить частоту переменного напряжения, подводимого к электродвигателю насоса, необходимо подключить электродвигатель к индивидуальному преобразователю частоты, присоединенному в свою очередь к электрической сети с частотой переменного напряжения f =50Гц. В зависимости от величины сигнала управления, поступающего от соответствующего датчика на вход преобразователя частоты, частота переменного напряжения на выходе может изменяться в интервале 5-50 Гц, что обеспечивает возможность десятикратного уменьшения частоты вращения насосного агрегата. Функциональная схема автоматического регулирования частоты вращения насосного агрегата, работающего на сеть водоснабжения, представлена на рисунке 8.1.
U=var
f=var
Uy
U=380B=const
F = 50Гц =const
Рисунок 8.1 - Функциональная схема регулирования скорости вращения сетевого насоса
Эффективность регулирования частоты вращения насосного агрегата, работающего на сеть водоснабжения, обусловливается следующим.
Водопотребление в сети водоснабжения является случайным, сезонно стационарным процессом. Производительность насосных агрегатов определяется по величине максимального водопотребления Qmax, рисунок 8.2.
1 – насоса при номинальной частоте вращения; 2 – сети водоснабжения при номинальном гидравлическом сопротивлении; 3 – сети водоснабжения при увеличении гидравлического сопротивления за счет закрытия запорной арматуры; 4 – насоса при уменьшении частоты вращения.
Рисунок 8.2 – Напорно-расходные характеристики насоса и сети водоснабжения
При уменьшении водопотребления за счет закрытия запорной арматуры у потребителей (чему соответствует увеличение гидравлического сопротивления сети водоснабжения) при неизменной частоте вращения насоса характеристика последнего не изменяется, а характеристика сети принимает вид кривой 3 на рисунке 8.2. Несмотря на существенное уменьшение подачи воды насосом в рассматриваемом случае, некоторое увеличение напора насоса и существенное уменьшение КПД насоса в этом режиме обусловливают практическую неизменность мощности, потребляемой электродвигателем насоса при уменьшении подачи воды посредством увеличения гидравлического сопротивления сети.
Но если при уменьшении водопотребления уменьшать частоту вращения насоса, то характеристика трубопровода (кривая 2 на рисунке 8.2.) остается без изменения, а характеристика насоса смещается почти параллельно характеристике при n = const, принимая вид кривой 4 на рисунке 8.2. В этом случае существенно уменьшается как подача насоса, так и развиваемый им напор при пренебрежимо малом уменьшении КПД насоса и его электродвигателя. КПД преобразователя частоты в зависимости от его мощности лежит в пределах 0,92 - 0,96, что обусловливает существенное уменьшение мощности, потребляемой электродвигателем насоса при регулировании его скорости вращения в функции требуемой подачи воды.
Условные графические обозначения основных элементов принципиальных схем.
UP − Плавкие предохранители. Предназначены для защиты цепей управления от токов короткого замыкания. Если ток в цепях управления превысит величину тока плавкой вставки, то ставка перегорает, и цепь управления отключается от сети, что обуславливает прекращение функционирования системы автоматизации и отключение электродвигателя соответствующей технологической установки.
QF − Автоматический воздушный выключатель (автомат). Предназначен для защиты электрических цепей от коротких замыканий и перегрузки по току.
QS − Переключатель режимов (ключ) управления. Предназначен для выбора режима. Характерными режимами управления являются:
− Режим местного управления, при котором включение и отключение технологической установки осуществляется эксплуатационном персоналом;
− Режим автоматического управления, при котором включение и отключение технологической установки осуществляется автоматически в соответствии с алгоритмом управления;
Режим ввода резерва, при котором некоторая технологическая установка нормально отключена, а при необходимости автоматически включается в работу;
− Режим опробования, при котором возможно кратковременное включение и отключение отдельных механизмов технологической установки ремонтным персоналом для проверки работоспособности этих механизмов.
Конструктивно ключи управления выполняются в виде набора секций, замыкание или размыкание контактов которых осуществляется установкой рукоятки ключа в одно из возможных положений.
В зависимости от типа ключа управления количество секций может быть более трех, количество возможных положений рукоятки тоже не всегда равно трем. Обычно на принципиальных схемах положения рукоятки ключа обозначают не цифрами, а буквами. М − режим местного управления, А – автоматическое управление, Вр – режим ввода резерва, О − режим опробования.
QS 1 − Кнопка управления (обычно красного цвета) или кнопка отключения. Предназначена для отключения технологических установок персоналом по эксплуатации.
QB 2 − Кнопка управления (обычно черного цвета) или кнопка включения. Предназначена для включения технологических установок персоналом по эксплуатации.
X 1 − Реле. Предназначены для реализации логических функций алгоритма управления. Под реле понимается техническое устройство, имеющее два устойчивых состояния. Причем переход из одного в другое возможен только при приложении (или прекращении) внешнего воздействия.
XT − Тепловое реле. Предназначены для защиты электродвигателей от перегрузки. При возникновении перегрузки электродвигателя контакт КК теплового реле, включаемый в цепь управления, размыкается, что обусловливает отключение двигателя от электрической сети.
QF − Путевые (конечные) выключатели. Предназначены для формирования сигнала, о достижении какой – либо геометрической координаты предельного значения. Контакты конечных выключателей размыкаются при полностью открытых или закрытых задвижках, оставаясь замкнутыми в промежуточных положениях.
KM − Магнитные пускатели (контакторы). Предназначены для подключения электродвигателей к электрической сети при подаче напряжения на катушку магнитного пускателя.
8.4 Автоматизация работы насосных станций
Основными процессами, которые могут выполняться на насосных станциях автоматически, являются:
− возникновение и передача импульсов на пуск и остановку насосов;
− включение одного или нескольких насосов в установленной последовательности;
− создание и поддержание необходимого разрежения во всасывающем трубопроводе и насосе, если он находится не под заливом, перед пуском,
− открытие и закрытие задвижек в определенные моменты при пуске и остановке;
− отключение работающего насоса при неисправности и включение резервного агрегата;
− защита насосов от работы в недопустимых режимах;
− передача сигналов о работе на диспетчерский пункт;
− отопление и вентиляция здания;
− включение и выключение дренажных насосов.
Контролю должны подвергаться следующие основные технологические параметры: расход жидкости, уровни в приемном резервуаре и в дренажном приямке, давление в напорных трубопроводах, давление у каждого насосного агрегата.
Комплексная схема автоматизации насосного агрегата обычно состоит из следующих отдельных частей:
− схема автоматизации залива насоса – управляет работой вакуум-насоса для залива,
− схема автоматизации напорной задвижки,
− схема автоматизации электропривода насоса – управляет работой электродвигателя,
− схема взаимосвязи – обеспечивает последовательность действия системы в целом и осуществляет необходимые блокировки и автоматическую защиту агрегата и сигнализацию.
Основой схем автоматизации насосных станций является применение реле и датчиков различного типа.
Реле представляет собой устройство, осуществляющее скачкообразное изменение управляемой величины при определенных значениях управляющей величины.
Управляемой величиной служит, как правило, электрическое напряжение или ток. Управляющими величинами могут быть электрические сигналы от датчиков давления, температуры, уровня и т.д., механические перемещения, промежутки времени и т.д.
Датчики – устройства, воспринимающие контролируемую величину (например, давление или уровень воды в баке) и преобразующие ее в сигнал, удобный для передачи на расстояние. Для автоматизации насосной станции необходимы датчики расхода, давления, уровня, температуры, влажности и вязкости.
В настоящее время происходит переход от релейно-контактных схем автоматизации насосных станций к электронным схемам управления на основе компьютеров. Преимущества – высокая надежность, быстрота реагирования, легкая гибкость и перестраиваемость схем, низкая стоимость.
8.5 Методы поддержания давления и принципы регулирования
Задача поддержания давления.
Как известно, у насоса существует вполне определенная рабочая характеристика (Н/Q). С увеличением разбора (расхода) воды давление в системе падает. Поддерживать давление постоянным при любом расходе – одна из основных задач шкафов управления ГРАНТОР. В системах где расход постоянно меняется в связи с изменением количества подключаемых потребителей, что связано с временем суток или временем года, существует несколько решений, позволяющих автоматически регулировать давление при изменении расхода.
Традиционным способом является регулирование сечения трубопровода или сопротивления системы. Более современным и экономичным способом является регулирование производительности насоса или группы насосов. Это достигается путем изменения скорости вращения вала электродвигателя с помощью преобразователя частоты и/или последовательным изменением числа работающих насосов.
Регулировка производительности системы с помощью клапанов дает экономию электроэнергии не более 10 %. Использование преобразователя частоты позволяет дать электродвигателю то напряжение, которое требуется для обеспечения крутящего момента на заданной частоте. Максимальной экономии можно добиться изменением производительности в широком диапазоне. Необходимо иметь в виду, что производительность насоса стремится к нулю при уменьшении частоты питания электродвигателя менее 25 Гц. Поэтому в системах с центробежными насосами и вентиляторами скорость электродвигателя, как правило, ограничена 25 Гц. В дальнейшем мы будем рассматривать способ регулирования производительности насоса или группы насосов, а не сечения трубопровода. Существует несколько альтернативных способов управления производительностью насосов в системах ГВС и ХВС. Выбор способа поможет определить и тип шкафа управления.
8.6 Частотное регулирование
В шкафах у правления ГРАНТОР серии с частотным регулированием применяются преобразователи частоты FDU 2.0 разработанные специально для управления насосами. В этих преобразователях частоты учтены все возможные требования насосного применения, включая мониторинг нагрузки и функции логического компаратора. Интуитивно понятная структура русифицированного меню делает ввод в эксплуатацию и управление простыми и быстрыми.
Применение преобразователей частоты серии FDU 2.0 дает возможность регулировать скорость двигателя и, соответственно, снижает потребляемую мощность, а также обеспечивает плавную работу оборудования в режимах пуска и останова, что в свою очередь увеличивает срок службы оборудования и позволяет реже производить гарантийное обслуживание.
Частотное регулирование является наиболее эффективным методом регулирования производительности насосов. Реализуемый в этом случае каскадный принцип управления насосами с применением частотного регулирования уже прочно утвердился как стандарт в системах водоснабже- ния, поскольку дает серьезную экономию электроэнергии и увеличение функциональности системы.
Наличие преобразователя частоты серии FDU 2.0 фирмы Emotron с активизацией функции управления насосами, позволяет дополнительно сгладить переходной процесс при включении дополнительных насосов (рисунок 8.3.), а также наиболее эффективно управлять одним насосом.
Рисунок 8.3 - Каскадная группа насосов с преобразователем частоты и мягкими пускателями
Преобразователь частоты изменяет частоту вращения одного из насосов, постоянно сравнивая значение задания с показанием датчика давления. В случае нехватки производительности работающего насоса по сигналу с преобразователя частоты включится дополнительный, а если произойдет авария, будет задействован резервный насос.
Установка функции оптимизации поля в преобразователе FDU 2.0 позволяет уменьшать напряжение на двигателе в зависимости от реальной нагрузки насоса. Кроме этого, функции управления насосами обеспечивают аккуратное переключение в автоматическом режиме с сохранением необходимых защит и равномерной работы оборудования.
Преобразователи частоты используются в шкафах управления серии АЭП40-…-54Ч/ЧП.
Шкафы управления ГРАНТОР с частотным регулированием предназначены для контроля и управления стандартными асинхронными электродвигателями одного типоразмера в соответствии с сигналами управ- ления. Стандартная линейка предусматривает возможность изготовления шкафов для управления от 1 до 6 электродвигателями. Для насосной станции второго подъема принимается шкаф управления ГРАНТОР марки АЭП40-(001…096)-54ЧП-33А.
Применение частотного регулирования в управлении насосными установками обеспечивает:
- энергосбережение;
- бесступенчатое регулирование;
- точное поддержание заданных параметров системы;
- минимальные потери в двигателе.
Принцип работы шкафа управления.
Шкаф управления ГРАНТОР имеет два режима управления – Ручной и Автоматический. Выбор режима управления осуществляется пользователем.
В ручном режиме управление насосами осуществляется с лицевой панели шкафа кнопками «Пуск» / «Стоп» соответствующего насоса, с отображением индикации состояния. В автоматическом режиме – от сигналов внешних датчиков. Принцип работы шкафа основан на хорошо зарекомендовавшей себя схеме каскадного включения электродвигателей, по сигналу от внешнего датчика обратной связи (давление, расход, температура, уровень, перепад давления и т. д.).
Автоматический режим.
Рассмотрим принцип автоматического режима на примере станций повышения давления. Сигнал от датчика давления сравнивается с фиксированным заданием преобразователя частоты. Рассогласование между этими сигналами, задает частоту вращения крыльчатки насоса. В начале работы выбирается основной насос на основании оценки времени минимальной наработки. Основной насос – это насос, который в данный момент работает от преобразователя частоты (рисунок 8.4.). Дополнительные и резервные насосы подключаются напрямую к питающей сети или через устройство плавного пуска (серия шкафов с мягкими пускателями). В шкафах управления предусмотрен выбор количества рабочих/резервных насосов с панели частотного преобразователя. Преобразователь частоты подключается к основному насосу и начинает работу. Частотно- регулируемый насос всегда запускается первым( рисунок 8.4)
Рисунок 8.4 - Работа одного насоса с преобразователем частоты
По достижении определенной частоты вращения крыльчатки насоса, связанной с возрастанием расхода воды в системе, в работу включается следующий насос. И так до тех пор, пока давление в системе не достигнет заданного значения (рисунок 8.5.).
Рисунок 8.5 - Работа одного насоса с преобразователем частоты и двух с номинальной производительностью
Для выравнивания ресурса электродвигателей по времени реализована функция смены последовательности подключения электродвигателей к преобразователю частоты, имеется возможность пользовательского изменения времени переключения. Время переключения насосов можно менять в меню преобразователя частоты. В шкафу реализовано взаимное резервирование насосов.
Во время переходного процесса при пуске дополнительного насоса для уменьшения гидроудара происходит снижение скорости основного насоса, а при останове дополнительного насоса происходит увеличение скорости основного насоса.
Преобразователь частоты обеспечивает регулирование и плавный пуск только того электродвигателя, который подключен непосредственно к нему, остальные электродвигатели пускаются напрямую от сети. Если используются электродвигатели большой мощности, рекомендуется пускать дополнительные электродвигатели через мягкие пускатели для снижения пусковых токов, ограничения гидроударов и увеличения общего ресурса насоса. В этом случае следует использовать шкаф управления ГРАНТОР с преобразователем частоты и мягкими пускателями.
Функция «спящий режим».
Данная функция оптимизирует работу шкафа. Если давление в системе достигло значения задания и не изменяется в течении определённого времени (нет расхода) и работает только один насос с минимальной производительностью, то преобразователь частоты останавливает насос и переходит в «спящий режим». Это сокращает потребление электроэнергии и уменьшает износ оборудования. Если давление в системе становится меньше заданного, то преобразователь частоты выходит из «спящего режима» и продолжается обычная работа (рисунок 8.6.).
Рисунок 8.6 - Функция «спящий режим»
Аварийные ситуации:
1) Обрыв или потеря сигнала датчика давления. При отсутствии сигнала с датчика давления происходит останов всех насосов, после чего преобразователь частоты выводит один из насосов на заданную частоту (возможность пользовательского изменения);
2) Авария преобразователя частоты. В случае аварии преобразователя частоты происходит останов всех работающих электродвигателей, загорается лампа «Авария ПЧ» и происходит пуск одного из насосов напрямую в сеть без регулирования. При выборе опции «Блок подключения реле давления для работы при аварии преобразователя частоты», шкаф управления будет осуществлять каскадное включение и выключение заданного количества насосов по реле давления;
3) Авария рабочего насоса. В автоматическом режиме в случае неисправности основного насоса шкаф автоматически включит в работу резервный, а на лицевой панели шкафа загорится лампа «АВАРИЯ» соответствующего насоса.
Серия с мягкими пускателями.
Шкафы управления ГРАНТОР c мягкими пускателями предназначены для плавного пуска и останова электродвигателей 3 x 380 В. Пусковой ток при прямом включении в 6-7 раз превышает номинальный, тогда как плавный пуск является щадящим для электродвигателя и механизма, при этом пусковой ток выше номинального в 2-3 раза, что позволяет существенно уменьшить износ насосов, избежать гидроударов, а также снизить нагрузку на сеть во время пуска.
Прямой пуск является основным фактором, приводящим к преждевременному старению изоляции и перегреву обмоток электродвигателя и, как следствие, уменьшению его ресурса в несколько раз. Реальный срок эксплуатации электродвигателя в большей степени зависит не от времени наработки, а от общего количества пусков. Правило Монцингера показывает уменьшение жизненного цикла электродвигателя из-за постоянного превышения температуры в его обмотках. Шкафы управления ГРАНТОР данной серии до 11 кВт включительно комплектуются мягкими пускателями 3Р40, свыше 11 кВт – мягкими пускателями MSF, а в маркировке шкафа добавляется буква «П».