Насосные установки применяются на производстве для обеспечения технологического процесса предприятия и жизнедеятельности работающего коллектива.
Насосы работают в системе водоснабжения и канализации, перекачивают агрессивные и технологические жидкости и т.п.
По принципу действия насосные установки можно разделить на три группы: поршневые, центробежные и оседиагональные.
Поршневые (ПН) предназначены для перекачивания жидкости при больших высотах всасывания (до 6 м) с небольшой производительностью. Как и для всех поршневых систем, характерны неравномерность хода и пульсация нагрузки (при всасывании жидкости — холостой ход, а при сжатии — рабочий), поэтому жидкость в напорном трубопроводе течет неравномерно.
Для сглаживания пульсаций нагрузки и повышения равномерности хода в одном насосе применяют несколько рабочих цилиндров, а на валу устанавливают маховик.
Поршневые насосы во избежание гидроудара и поломки пускаются только при открытых задвижках на напоре.
Поршневой насос пускается в ход под нагрузкой, что требует ЭП с повышенным пусковым моментом.
Для нормальной эксплуатации поршневых насосных установок необходимы вспомогательные системы (водяного охлаждения и смазки).
Центробежные (ЦН) предназначены для перекачивания жидкости при малых высотах всасывания с большой производительностью.
В отличие от поршневых насосов, ход равномерный, а истечение жидкости без пульсаций.
Особенностью насосов является необходимость заполнения полости жидкостью перед пуском, в противном случае, насос не будет перекачивать жидкость из-за «разрыва струи».
Производительность центробежных насосов можно регулировать следующими способами:
• дросселированием трубопровода (например, закрывать задвижки на напорной магистрали);
• изменением угловой скорости ,приводного ЭД (например, изменением напряжения в цепи статора АД);
• изменением числа работающих на магистраль агрегатов;
• изменением положения рабочего органа механизма (например, поворотом лопаток рабочего колеса).
На насосных агрегатах небольшой мощности обычно применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от сети 380 В. Для привода насосов мощностью свыше 100 кВт устанавливают асинхронные и синхронные двигатели на 6 и 10 кВ с прямым пуском, т. е. с включением на полное напряжение сети.
Двигатели поршневых насосов соединяются с валом насоса через замедляющую передачу (клиноременную или зубчатую), поскольку поршневые насосы являются тихоходными механизмами. Центробежные насосы в большинстве случаев выполняются быстроходными, поэтому их приводные двигатели имеют высокую угловую скорость и соединяются с валом насоса непосредственно.
Электропривод. Режим работы — продолжительный, реверса не требуется.
• АД с короткозамкнутым ротором, мощностью до 100 кВт при напряжении 380 В, с прямым пуском от мощной сети или через автотрансформатор (реактор), ограничивающий пусковой ток.
• Синхронные двигатели (СД), мощностью более 100 кВт при напряжении 10 (6) кВ, с прямым пуском от мощной сети.
Наиболее применимы: серии 4А (основного исполнения), 4АР (с повышенным пусковым моментом), АИ (новая серия) на напряжение 380 В и СДН (насосы, вентиляторы, дымососы), СДК (компрессоры) на напряжение 10(6)кВ.
1. АД с фазным ротором применяются, если необходимо регулирование скорости механизмов с вентиляторной нагрузкой на валу (например, вентиляторы и дымососы котельных).
2. Для компрессорных установок двигатели обычно тихоходные, а для насосных и вентиляторных — быстроходные.
3. Технически и экономически обоснованный нижний предел номинальных мощностей синхронных двигателей (СД) составляет от 500 до 600 кВт.
СД с частотой вращения до 1000 об/мин выпускаются с явнополюс-ными роторами с демпферной (пусковой) обмоткой, а с частотой вращения 1500 об/мин, как правило, мощностью свыше 12 500 кВт с массивными полюсами без демпферной обмотки.
СД с частотой вращения до 3000 об/мин имеют неявно выраженные полюса.
СД выпускаются на напряжение 6 и 10 кВ, а низковольтные (0,38 кВ) до 320 кВт заменяются на более экономичные АД.
В настоящее время для возбуждения СД применяют только полупроводниковые статические или бесщеточные системы возбуждения.
Устройства автоматизации насосных установок.
Автоматизация насосных установок позволяет повышать надежность и бесперебойность водоснабжения, уменьшать затраты труда и эксплуатационные расходы, размеры регулирующих резервуаров. Для автоматизации насосных установок кроме аппаратуры общего применения (контакторов, магнитных пускателей, переключателей, промежуточных реле) применяются специальные аппараты управления и контроля, например, реле контроля уровня, реле контроля заливки центробежных насосов, струйные реле, поплавковое реле, электродные реле уровня, различные манометры, датчики емкостного типа и др.
Датчики уровня служат для контроля уровня жидкости в резервуарах и подачи сигналов о регулировании этого уровня.
Датчики уровня бывают:
Наряду с аппаратурой общего назначения для пуска, переключения и управления, в системах автоматизации применяется специальная аппаратура.
Управление насосными агрегатами может быть автоматическим, полуавтоматическим и дистанционным.
Автоматическое управление пуска, остановки и контроля за состоянием оборудования обеспечивается специальными автоматами. При автоматическом управлении роль обслуживающего персонала сводится к налаживанию системы, пуску ее в ход, периодическому осмотру и наблюдению за аппаратурой и оборудованием.
При полуавтоматическом управлении первоначальный импульс на включение и остановку агрегатов подает обслуживающий персонал, а все последующие процессы производятся автоматически.
Дистанционное управление осуществляется при подаче импульсов обслуживающим персоналом из пункта, удаленного от насосной станции.
Современные насосные станции проектируют, как правило, полностью автоматическими или управляемыми с диспетчерских пунктов, и дежурного персонала на них не требуется.
Автоматизация включения и отключения насосных агрегатов предусматривается главным образом в зависимости от уровня воды в резервуарах, но проектируются также схемы автоматизации насосных агрегатов, работающих на водопроводную сеть, в зависимости от давления или расхода воды в сети.
Основное преимущество автоматического управления состоит в том, что оно обеспечивает бесперебойную работу станции при заданных расходах и напорах, приводит к значительному сокращению числа обслуживающего персонала, уменьшает расход энергии и затраты на эксплуатацию. По данным МКХ РФ, себестоимость воды снижается на 5-10%, а затраты на автоматизацию окупаются сравнительно быстро – за 2-3 года. Удешевляется при автоматизации и строительство: насосные станции сооружают более простого типа и меньшей кубатуры.
В автоматических станциях следует предусматривать возможность переключения их на полуавтоматическую работу на ручной (кнопочный) пуск и остановку агрегатов. При автоматизации должны быть гарантированы бесперебойное снабжение насосной станции электроэнергией и нормальное напряжение в электросети.
Оборудование автоматических насосных станций должно быть однотипным: аварийная защита предусматривает отключение работающего насоса в случае прекращения подачи тока или перегрузки электродвигателя, падения давления в водоводе и т.п.
Для пуска электродвигателя насоса, подающего воду в резервуары, последний оборудуют автоматическими приборами – реле уровней поплавкового и беспоплавкового типов.
Принцип работы поплавкового реле уровней заключается в том, что при изменении уровня воды вместе с поплавком перемещаются контакты его переключателя от одного положения в другое.
Поплавковые реле уровней часто заменяют беспоплавковыми следующих типов: сильфонными, манометрическими, диафрагменными или электродными.
Для контроля давления применяют манометрическое реле с трубчатой пружиной, снабженное электрическими контактами. В настоящее время выпускаются контактные манометры, контакты которых управляют электрической цепью напряжением до 380 в.
Автоматизация машин, установок и производственных процессов является в настоящее время одним из важнейших направлений технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства.
Оборудование насосных станций и режимы его работы позволяют сравнительно легко автоматизировать эти сооружения. Автоматизация обеспечивает управление насосными агрегатами без постоянного присутствия обслуживающего персонала, повышает надежность работы станции, сохранность ее оборудования и обеспечивает наиболее экономичные режимы работы насосных агрегатов и станции в целом. В принципе насосные станции всех назначений следует проектировать полностью автоматизированными, т.е. без постоянного пребывания обслуживающего персонала. Однако станции со сложным оборудованием, с большим числом задвижек и при наличии агрегатов, не приспособленных для автоматизации, следует проектировать как полуавтоматические с дежурным персоналом. Управление агрегатами при этом должно быть централизованным (со щита управления, установленного в здании насосной станции).
На автоматических насосных станциях все операции пуска и остановки агрегатов, а также контроль за состоянием оборудования проводятся в установленной последовательности автоматическими устройствами без участия человека. Автоматизировано и включение резервных агрегатов при аварийном выключении рабочих установок. Автоматически с помощью приборов и реле осуществляется также контроль за основными параметрами работы станции, давлением в напорных трубопроводах, вакуумом (или давлением) во всасывающих линиях, температурой подшипников и т.п. Кроме того, предусматривается защита установок от перегрузок, короткого замыкания и других неполадок. При неполадках в работе оборудования срабатывает реле защиты и агрегат выключается из работы. Последующее включение его блокируется и становится возможным только после устранения неполадок.
В соответствии с перечисленными задачами автоматизации насосных станций автоматические устройства выполняют следующие функции:
1) создают и передают импульсы для пуска и остановки насосных агрегатов;
2) осуществляют выдержку времени между отдельными операциями, связанными с пуском агрегата;
3) обеспечивают пуск насосных агрегатов в установленной последовательности (как при прямом пуске, так и при ступенчатом);
4) поддерживают необходимое разрежение во всасывающем трубопроводе;
5) открывают и закрывают задвижки на трубопроводах в соответствующие периоды пуска или остановки насоса;
6) контролируют режимы пуска, работы и остановки агрегатов;
7) отключают рабочий агрегат при нарушении режима его работы и включают резервный;
8) передают сигналы о состоянии агрегатов на диспетчерский пункт;
9) защищают агрегаты от поломок при перегреве подшипников, или при выпадении фазы и перегрузке электродвигателя;
10) производят пуск и остановку дренажных насосов;
11) поддерживают заданную температуру и проектные параметры системы вентиляции здания.
Кроме выполнения перечисленных функций, автоматические Устройства могут регулировать подачу и напор, создаваемые насосными агрегатами.
Современные системы водоснабжения имеют разветвленную сеть и большое число водопитателей, расположенных на обширной территории. Визуальный контроль за состоянием технологического оборудования и ручное управление агрегатами не могут обеспечить достаточной надежности и экономичности работы насосных станций.
На насосных станциях автоматизируются: пуск и остановка насосных агрегатов и вспомогательных насосных установок; контроль и поддержание заданных параметров (например, уровня воды, подачи, напора и т.д.); прием импульсов параметров и. передача сигналов в диспетчерский пункт. Для наблюдения за параметрами работы насосной станции служат различные датчики, которые преобразуют контролируемую величину в электрический сигнал, поступающий в исполнительный механизм.
Датчиком называется элемент автоматического устройства, контролирующий колебания той или иной физической величины и преобразующий эти колебания в изменения другой величины, удобной для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств.
Реле называют устройства, которые состоят из трех основных органов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий орган принимает управляющий импульс и преобразует его в физическую величину, воздействующую на промежуточный орган. Промежуточный орган, принимая сигнал, воздействует на исполнительный орган, который скачкообразно изменяет выходной сигнал и передает его электрическим цепям управления.
В автоматизированных системах управления насосными агрегатами применяют следующие типы датчиков и реле:
датчики уровня – для подачи импульсов на включение и остановку насосов при изменении уровня воды в баках и резервуарах;
датчики, или электроконтактные манометры, – для управления цепями автоматики при изменении давления в трубопроводе;
струйные реле – для управления цепями автоматики в зависимости от направления движения воды в контролируемом трубопроводе;
реле времени – для отсчета времени, необходимого для протекания определенных процессов при работе агрегатов;
термические реле – для контроля за температурой подшипников и сальников, а в некоторых случаях за выдержкой времени;
вакуум-реле – для поддержания определенного разрежения в насосе или во всасывающем трубопроводе;
промежуточные реле – для переключения отдельных цепей в установленной последовательности;
реле напряжения – для обеспечения работы агрегатов на определенном напряжении;
аварийные реле – для отключения агрегатов при нарушении установленного режима работы.
Структурная схема автоматизированного управления насосных агрегатов, являясь замкнутой цепью воздействия отдельных элементов, должна включать:
измерительные датчики и реле, реагирующие на изменение неэлектрических величин;
преобразователи импульса изменения неэлектрической величины в электрическую;
усилители, увеличивающие мощность преобразованной величины для приведения в действие исполнительного механизма;
исполнительный механизм, выполняющий необходимые операции для поддержания в заданном режиме параметра, на который настроено автоматизированное управление.
Все указанные элементы, независимо от места их установки, связаны одной общей схемой, которая составляется в соответствии с технологическим заданием и должна обеспечить определенную последовательность выполнения операций рабочими механизмами, а также необходимые блокировки.
Для автоматического управления работой насосных агрегатов широко применяют электрические релейно-контактные схемы, состоящие из электрических контактов, соединенных в определенной последовательности, и регулирующих устройств, на которые эти контакты воздействуют.
Основным принципом работы релейно-контактной схемы является последовательность действия отдельных ее элементов. Все элементы, входящие в релейно-контактную схему, можно разделить на три основные группы: приемные, промежуточные и исполнительные. Каждая релейно-контактная схема состоит из схемы цепи главного тока и схемы цепи управления.
Автоматизация насосных установок позволяет повышать надежность и бесперебойность водоснабжения, уменьшать затраты труда и эксплуатационные расходы, размеры регулирующих резервуаров.
Для автоматизации насосных установок кроме аппаратуры общего применения (контакторов, магнитных пускателей, переключателей, промежуточных реле) применяются специальные аппараты управления и контроля, например, реле контроля уровня, реле контроля заливки центробежных насосов, струйные реле, поплавковое реле, электродные реле уровня, различные манометры, датчики емкостного типа и др.
Станция управления — комплектное устройство до 1 кВ, предназначенное для дистанционного управления электроустановками или их частями с автоматизированным выполнением функций управления, регулирования, зашиты и сигнализации. Конструктивно станция управления представляет собой блок, панель, шкаф, щит.
Блок управления — станция управления, все элементы которого монтируют на отдельной плите или каркасе.
Панель управления — станция управления, все элементы которой монтируют на щитах, рейках или других конструктивных элементах, собранных на общей раме или металлическом листе.
Щит управления (щит станций управления ЩСУ) — это сборка из нескольких панелей или блоков на объемном каркасе.
Шкаф управления — станция управления, защищенная со всех сторон таким образом, что при закрытых дверях и крышках исключается доступ к токоведущим частям.
Автоматизация насосов и насосных станций , как правило, сводится к управлению погружным электронасосом по уровню воды в баке или давлению в напорном трубопроводе.
Рассмотрим примеры автоматизации насосных установок.
На рис. 1, а показана схема автоматизации простейшей насосной установки — дренажного насоса 1, а на рис. 1, б приведена электрическая схема этой установки. Автоматизация насосной установки осуществляется с помощью поплавкового реле уровня. Ключ управления КУ имеет два положения: для ручного и автоматического управления.
Рис. 1. Конструкция дренажной насосной установки (а) и ее электрическая схема автоматизации (б)
На рис. 2 приведена схема автоматизации управления погружным насосом по уровню воды в баке водонапорной башни, реализованная на релейно-контактных элементах .
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема автоматизации погружным насосом по уровню воды в баке- водонапорной башни
Режим работы схемы автоматизации насосом задается переключателем S А1. При установке его в положение «А» и включении автоматического выключателя QF подается напряжение на электрическую схему управления. Если уровень воды в напорном баке находится ниже электрода нижнего уровня датчика ДУ, то контакты SL 1 и SL 2 в схеме разомкнуты, реле К V 1 обесточено и его контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ замкнуты. В этом случае магнитный пускатель включит электродвигатель насоса, одновременно погаснет сигнальная лампа Н L 1 и загорится лампа Н L 2. Насос будет подавать воду в напорный бак.
Когда вода заполнит пространство между электродом нижнего уровня SL 2 и корпусом датчика, подключенным к нулевому проводу, цепь SL 2 замкнется, но реле K V1 не включится, так как его контакты, включенные последовательно с SL 2, разомкнуты.
Когда вода достигнет электрода верхнего уровня, цепь SL 1 замкнется, реле К V 1 включится и, разомкнув свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ, отключит последний, а замкнув замыкающие контакты, станет на самопитание через цепь датчика SL 2. Электродвигатель насоса отключится, погаснет сигнальная лампа Н L 2 и загорится лампа Н L 1. Повторное включение электродвигателя насоса произойдет при понижении уровня воды до положения, когда разомкнётся цепь SL 2 и реле К V 1 будет отключено.
Включение насоса в любом режиме возможно только в том случае, если замкнута цепь датчика «сухого хода» ДСХ ( SL 3), контролирующего уровень воды в скважине.
Основным недостатком управления по уровню является подверженность обмерзанию электродов датчиков уровня в зимнее время, из-за чего насос не выключается и происходит переливание воды из бака. Бывают случаи разрушения водонапорных башен из-за намерзания большой массы льда на их поверхности.
При управлении работой насоса по давлению электроконтактный манометр или реле давления можно смонтировать на напорном трубопроводе в помещении насосной. Это облегчает обслуживание датчиков и исключает воздействие низких температур.
На рис. 3 приведена принципиальная электрическая схема управления башенной водоснабжающей (насосной) установкой по сигналам электроконтактного манометра (по давлению) .
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема управления башенной водоснабжающей установкой от электроконтактного манометра
При отсутствии воды в баке контакт манометра S Р1 (нижний уровень) замкнут, а контакт S Р2 (верхний уровень) разомкнут. Реле КV1 срабатывает, замыкая контакты КV1.1 и КV1.2, в результате чего включается магнитный пускатель КМ, который подключает электронасос к трехфазной сети (на схеме силовые цепи не показаны).
Насос подает воду в бак, давление растет до замыкания контакта манометра S Р2, настроенного на верхний уровень воды. После замыкания контакта S Р2 срабатывает реле К V 2, которое размыкает контакты К V 2.2 в цепи катушки реле КV1 и КV2.1 в цепи катушки магнитного пускателя КМ; электродвигатель насоса отключается.
При расходе воды из бака давление снижается, S Р2 размыкается, отключая К V 2, но включение насоса не происходит, так как контакт манометра S Р1 разомкнут и катушка реле КV1 обесточена. Таким образом, включение насоса происходит, когда уровень воды в баке снизится до замыкания контакта манометра S Р1.
Питание цепей управления производится через понижающий трансформатор напряжением 12 В, что повышает безопасность обслуживания схемы управления и электроконтактного манометра.
Для обеспечения работы насоса при неисправности электроконтактного манометра или схемы управления предназначен тумблер S А1. При его включении шунтируются управляющие контакты КV1.2, КV2.1 и катушка магнитного пускателя КМ непосредственно подключается к сети напряжением 380 В.
В разрыв фазы L1 в цепь управления включен контакт РОФ (реле обрыва фазы), который размыкается при неполнофазном или несимметричном режиме питающей сети. В этом случае цепь катушки КМ разрывается и насос автоматически отключается до устранения повреждения.
Защита силовых цепей в данной схеме от перегрузок и коротких замыканий осуществляется автоматическим выключателем.
На рис. 4 приведена схема автоматизации водонасосной установки, которая содержит электронасосный агрегат 7 погружного типа , размещенный в скважине 6. В напорном трубопроводе установлены обратный клапан 5 и расходомер 4.
Насосная установка имеет напорный бак 1 (водонапорная башня или воздущно-водяной котел) и датчики давления (или уровня) 2, 3, причем датчик 2 реагирует на верхнее давление (уровень) в баке, а датчик 3 — на нижнее давление (уровень) в баке. Управление насосной станцией обеспечивает блок управления 8.
Рис. 4. Схема автоматизации водонасосной установки с частотно-регулируемым электроприводом
Управление насосной установкой происходит следующим образом. Предположим, что насосный агрегат отключен, а давление в напорном баке уменьшается и становится ниже Р min . В этом случае от датчика поступает сигнал на включение электронасосного агрегата. Происходит его запуск путем плавного увеличения частоты f тока, питающего электродвигатель насосного агрегата.
Когда частота вращения насосного агрегата достигнет заданного значения, насос выйдет на рабочий режим. Программированием режима работы частотного преобразователя можно обеспечить нужную интенсивность разбега насоса, его плавный пуск и останов.
Применение регулируемого электропривода погружного насоса позволяет реализовать прямоточные системы водоснабжения с автоматическим поддержанием давления в водопроводной сети.
Станция управления, обеспечивающая плавный пуск и останов электронасоса, автоматическое поддержание давления в трубопроводе, содержит преобразователь частоты А1, датчик давления ВР1, электронное реле А2, схему управления и вспомогательные элементы, повышающие надежность работы электронного оборудования (рис. 5).
Схема управления насосом и преобразователь частоты обеспечивают выполнение следующих функций :
– плавный пуск и торможение насоса;
– автоматическое управление по уровню или давлению;
– защиту от «сухого хода»;
– автоматическое отключение электронасоса при неполнофазном режиме, недопустимом снижении напряжения, при аварии в водопроводной сети;
– защиту от перенапряжений на входе преобразователя частоты А1;
– сигнализацию о включении и выключении насоса, а также об аварийных режимах;
– обогрев шкафа управления при отрицательных температурах в помещении насосной.
Плавный пуск и плавное торможение насоса осуществляют с помощью преобразователя частоты А1 типа FR -Е-5,5к-540ЕС.
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема автоматизации погружным насосом с устройством плавного пуска и автоматического поддержания давления
Электродвигатель погружного насоса подключается к выводам U , V и W преобразователя частоты. При нажатии кнопки S В2 «Пуск» срабатывает реле К1, контакт которого К1.1 соединяет входы STF и РС преобразователя частоты, обеспечивая плавный пуск электронасоса по программе, заданной при настройке частотного преобразователя.
При аварии частотного преобразователя или цепей электродвигателя насоса замыкается цепь А-С преобразователя, обеспечивая срабатывание реле К2. После срабатывания К2 замыкаются его контакты К2.1, К2.2, а контакт К2.1 в цепи К1 размыкается. Происходит отключение выхода частотного преобразователя и реле К2. Повторное включение схемы возможно только после устранения аварии и сброса защиты кнопкой 8В3.1.
Датчик давления ВР1 с аналоговым выходом 4. 20 мА подключен к аналоговому входу частотного преобразователя (контакты 4, 5), обеспечивая отрицательную обратную связь в системе стабилизации давления.
Функционирование системы стабилизации обеспечивается ПИД-регулятором преобразователя частоты. Требуемое давление задается потенциометром К1 или с пульта управления частотного преобразователя. При «сухом ходе» насоса в цепи катушки реле КЗ замыкается контакт 7-8 электронного реле сопротивления А2, к контактам которого 3-4 подключен датчик «сухого хода».
После срабатывания реле КЗ замыкаются его контакты К3.1 и КЗ.2, в результате чего срабатывает реле защиты К2, обеспечивая отключение электродвигателя насоса. Реле КЗ при этом становится на самопитание через контакт К3.1.
При всех аварийных режимах зажигается лампа НL1; лампа НL2 зажигается при недопустимом снижении уровня воды (при «сухом ходе» насоса). Подогрев шкафа управления в холодное время года осуществляется с помощью электронагревателей ЕК1. ЕК4, которые включаются контактором КМ1 при срабатывании термореле ВК1. Защита входных цепей преобразователя частоты от коротких замыканий и перегрузок осуществляется автоматическим выключателем QF1.
В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.