Б.С. Лезнов
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕГУЛИРУЕМЫЙ
ПРИВОД В НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ
Москва Энергоатомиздат 2006
УДК 621.34.07:621.65:620.9
ББК 31.291:31.52:31.19
Л416
Л416 Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. — М.: Энергоато-миздат, 2006. 360 с. ил.
ISBN 5-283-00806-1
Рассмотрены режимы работы насосных и воздуходувных установок, способы их регулирования, а также особенности энергопотребления. Особое внимание уделено использованию регулируемого электропривода, системам управления, современным управляющим устройствам (микропроцессорным контроллерам, промышленным компьютерам и т.п.). Даны рекомендации по снижению потребления электроэнергии, воды и других ресурсов насосными и воздуходувными установками.
Для специалистов, занятых разработкой, внедрением и эксплуатацией САУ насосных и воздуходувных установок, а также может быть полезна студентам технических учебных заведений.
Производственно-практическое издание
Лезнов Борис Семенович
Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках
Редактор Л.А. Решмина Компьютерная верстка и художественное оформление Л.В. Дёмкина
Подписано в печать с оригинал-макета 25.03.06. Формат 60x88/16.
Бумага офсетная № 1. Усл.-печ. л. 22,53. Уч.-изд. л. 22,89. Тираж 1500 экз.
Энергоатомиздат, 107031, Москва, ул. Рождественка, 5/7.
Отпечатано в типографии ООО «Галлея-Принт».
ISBN 5-283-00806-1
ф Автор, 2006
Посвящается памяти Ивана Аркадьевича Сыромятникова и Михаила Прокофьевича Сергеева
ПРЕДИСЛОВИЕ
На перекачку центробежными насосами чистых и сточных вод в России расходуется 120—130 млрд кВт • ч электроэнергии. Стоимость электроэнергии в общей сумме эксплуатационных расходов на водопроводно-канализационных предприятиях при использовании поверхностных вод составляет 40— 50%. При использовании подземных вод этот показатель увеличивается до 80%. Несмотря на это созданию экономичных режимов работы насосных установок пока еще уделяется недостаточно внимания. В результате 5—15% энергии нерационально теряются в процессе перекачки чистых и сточных вод. В отдельных случаях этот показатель колеблется в пределах 25—50% [71, 84].
Не менее энергоемкими объектами являются воздуходувные установки. Воздуходувные установки подразделяются на:
вентиляционные, обеспечивающие подачу свежего воздуха в общественные и промышленные здания и помещения, для охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения химических и металлургических предприятий, для подачи воздуха в котлы теплоэнергетических установок и отсоса из них продуктов горения:
воздуходувные, обеспечивающие подачу воздуха для технологических целей (воздуходувки станций аэрации, воздуходувки конверторов металлургического производства и пр.);
компрессорные, подающие сжатый воздух в цеха промышленных предприятий, в забои горнорудных площадок и т.д.
По оценке ряда авторов до 8% всей вырабатываемой в стране электроэнергии расходуется вентиляционными системами.
Однако, как отмечает Г.Г. Вахвахов, по ряду причин и в этих установках не обеспечиваются экономичные режимы работы [12]. Суммарное энергопотребление насосных и воздуходувных установок оценивается в 20—25% общей выработки электроэнергии в стране. В частности, по данным В.С. Пономаренко и Ю.И. Арефьева [112], на типичном нефтеперерабатывающем заводе затраты электроэнергии, потребляемой только электродвигателями насосов и вентиляторов градирен оборотных систем, составляют в летний период 30—40% общего энергопотребления.
Автор настоящей книги 45 лет занимается проблемой энергосбережения и применения регулируемого электропривода в насосных установках различного назначения. В 1991 г. им выпущена в свет книга «Экономия электроэнергии в насосных установках» (М.: Энергоатомиздат). В этом издании обобщался многолетний опыт создания, внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем автоматизированного управления режимами работы насосных установок.
В 1998 г. книга была переиздана, с внесением необходимых дополнений и исправлений, под названием «Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках» (М.: ПК «Ягор-ба»-Биоинформсервис).
В настоящее время обе книги стали библиографической редкостью и, в известной мере, устарели. В связи с этим возникла необходимость в их переиздании. Кроме того, в настоящее время автор вместе с сотрудниками лаборатории автоматизации и систем управления НИИ ВОДГЕО и специалистами ООО «Ягор-ба 2» несколько расширил сферу своей деятельности.
Наряду с режимами работы насосов нам пришлось заняться режимами работы воздуходувных машин. Вначале это были воздуходувки, используемые в системах аэрации биологических очистных сооружений, и вентиляторы, используемые в системах оборотного водоснабжения.
В дальнейшем наши работы коснулись вентиляционных установок горнорудных площадок, воздуходувок металлургического производства и, наконец, компрессоров, используемых для подачи сжатого воздуха в цеха различных предприятий и в забои горнорудных площадок.
В связи с этим в настоящее издание включены сведения, относящиеся к энергосберегающим методам регулирования воздуходувных машин. Соответственно изменилось название книги. При ее написании учитывалось, что гидравлические насосы и воздуходувные машины существенно отличаются одни от других — насосы перекачивают несжимаемую жидкость, а воздуходувные машины сжимаемый газ (воздух). В тоже время принималось во внимание, что насосы и воздуходувные машины имеют много общего, поскольку относятся к одному классу турбомашин, подчиняющемуся общему принципу подобия [132]. Это обстоятельство позволило использовать для воздуходувных установок и машин принципы регулирования и методики, ранее разработанные для насосов и насосных установок.
Выяснилось также, что в некоторых случаях применение регулируемого электропривода, как такового, для воздуходувных машин экономически не оправдано, однако применение плавного пуска для них весьма эффективно (особенно для агрегатов большой мощности), поэтому в переиздаваемую книгу включена информация об устройствах плавного пуска, а также об использовании этих устройств в системах автоматизированного управления режимами работы воздуходувных установок.
В лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягор-ба 2» созданы энергосберегающие системы управления, которые обеспечивают эффективный режим работы разнотипных насосных агрегатов с различного вида регулируемым электроприводом, подающих воду в общую систему водоводов. Разработаны объединенные системы управления несколькими насосными станциями, подающими воду в общую водопроводную сеть. В этих разработках использованы новые принципы управления агрегатами и применены более совершенные управляющие устройства (новые типы микропроцессорных контроллеров и промышленных компьютеров). Описание новых разработок включено в настоящее издание книги.
Одновременно в книгу внесен ряд исправлений и дополнений, устранены опечатки и устаревшие сведения, главным образом, по выпуску снятых с производства изделий. Книга написана, преимущественно, на основе разработок автора и других сотрудников лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО
«Ягорба 2»: кандидатов техн, наук Я.Н. Гинзбурга, В.Б. Чебано-ва, инженеров Н.П. Воробьевой, С.В. Воробьева, Ю.Б. Исхакова, Н.Б. Лезнова, Л.Н. Менглишевой и др.
Кроме того, при написании книги использованы публикации специалистов других предприятий и организаций, на которые даются соответствующие ссылки.
Готовя книгу к переизданию, автор считает своим долгом выразить благодарность: докторам техн, наук В.С. Алексееву, В.Н. Швецову, кандидатам техн, наук Л.И. Кантору, С.В. Храмен-кову, инженерам Ю.В. Афанасьеву, В.А. Абрамову, И.И. Гудкову, Е.В. Долбенко, Т.П. Исмагулову, Ю.И. Нефедову, В.Н. Паку, Г.Е. Сиволову, оказавшим большую помощь в проведении исследований и реализации результатов наших разработок.
Автор считает своим долгом почтить память ушедших из жизни видных отечественных специалистов: акад. АН СССР и РАН С.В. Яковлева, докторов техн, наук И.А. Сыромятникова, Д.Н. Смирнова, Л.Ф. Мошнина, А.Д. Поздеева, В.С. Пономаренко, кандидатов техн, наук М.П. Сергеева, О.В. Демидова, А.А. Су-шенцова, инженеров Д.Я. Гальцова, С.О. Гальцова, Я.Н. Лейбзо-на, В.А. Загорского, Н.А. Редникина, поддержавших в свое время это направление работ и оказавших помощь в его становлении.
Добрая память осталась у автора о В.С. Попове, с которым они вместе начинали работы в институте ВОДГЕО по использованию регулируемого электропривода в насосных установках.
Автор благодарит сотрудников лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2» за большую помощь в подготовке рукописи к печати.
Автор признателен видным отечественным ученым докторам техн, наук Н.Ф. Ильинскому, А.К. Аракеляну, Ю.А. Ермолину, Г.М. Иванову, Г.Б. Онищенко, кандидатам техн, наук С.К. Козыреву, В.В. Москаленко за доброжелательную критику наших работ, которую автор постарался учесть при переиздании книги.
Всё замечания и пожелания просьба направлять автору по адресу: 105554, Москва, 9-я Парковая ул., 8, кв. 75.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Основной смысл использования регулируемого электропривода и систем автоматизированного управления (САУ) в насосных установках заключается в том, чтобы привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление и соответственно сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени по случайно-вероятностным законам. Диапазон изменения водопо-требления и притока сточных вод довольно широк, колеблется в пределах (1/3): (1/2). Чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной установки.
Процесс регулирования осложнен несоответствием характеристик центробежных насосов и трубопроводов. Для увеличения подачи воды по трубопроводу напор на насосной станции надо увеличивать, а характеристики центробежных насосов таковы, что при увеличении подачи воды напор, развиваемый насосом, падает. В то же время при уменьшении подачи воды напор насоса следовало бы тоже уменьшить, а он увеличивается, поэтому в периоды уменьшенного водопотребления системы водоснабжения работают с избыточным напором, который гасится в дросселирующих устройствах или в водоразборной арматуре у потребителя. При этом нерационально расходуется энергия на создание избыточных напоров. Под воздействием избыточных напоров увеличиваются утечки и непроизводительные расходы воды, возникают повышенные механические напряжения в стенках труб.
Несоответствие в режимах работы насосов и трубопроводов
может быть устранено изменением частоты вращения рабочих колес насосов. В дальнейшем для упрощения изложения будет употребляться выражение «частота вращения насоса». Частота вращения насосов должна регулироваться в соответствии с изменениями водопотребления или притока сточных вод. При уменьшении частоты вращения насоса уменьшается его подача воды и развиваемый им напор. При увеличении частоты вращения напор увеличивается одновременно с увеличением подачи воды.
Регулированием частоты вращения насоса его рабочие параметры приводятся в соответствие с режимом работы водопроводной или канализационной сети. Чтобы изменить частоту вращения насоса, его оснащают регулируемым приводом, т. е. регулируемый привод является своего рода исполнительным устройством, изменяющим частоту вращения насоса. Чаще всего используется в насосных установках регулируемый электропривод.
Значение частоты вращения насоса, с которой он должен работать в тот или иной момент времени, определяется САУ режимом работы насосной установки. Требуемое значение частоты вращения устанавливается САУ автоматически в зависимости от многих факторов. К числу факторов, влияющих на частоту вращения насоса, относятся: расход воды в системе, уровень воды в резервуарах, значения статического и динамического противодавления, количество параллельно работающих насосов, количество насосных установок, подающих воду в сеть, и пр.
Аналогичен смысл использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках. Характеристики воздуходувных машин, как мы увидим дальше, по своему виду похожи на характеристики насосов, а характеристики воздуховодов на характеристики трубопроводов систем водоснабжения, поэтому в воздуходувных установках также имеет место несоответствие между характеристиками воздуходувных машин и воздуховодов. Устраняется это несоответствие в воздуходувных установках аналогично тому, как это делается в насосных установках.
Из сказанного выше следует, что проблема использования регулируемого привода в насосных или воздуходувных установках может быть эффективно решена в результате активного взаимодействия специалистов различного профиля: по водоснабже
нию и канализации, по вентиляции и воздуходувным машинам, по энергетике, электроприводу и автоматизации, поэтому автор в целях общности восприятия проблемы счел возможным привести в этой работе некоторые сведения, которые для специалистов определенного профиля хорошо известны, но для специалистов другого профиля требуют пояснения.
Длительное время на энергосбережение в отечественных насосных и воздуходувных установках не обращалось серьезного внимания. Хотя в СССР периодически и принимались постановления органов власти о рациональном использовании электрической и тепловой энергии, но в насосных и воздуходувных установках энергосберегающие технологии широкого распространения не получили.
Основными препятствиями к использованию энергосберегающих технологий были: относительная дешевизна энергетических ресурсов (в СССР тарифы на электроэнергию в те годы были 1—3 коп/кВт • ч) и низкая надежность энергосберегающего оборудования. При этом следует отметить, что в системах водоснабжения и водоотведения критерий надежности всегда ставился выше экономических выгод, поэтому водопроводные и канализационные насосные станции или воздуходувные установки станций аэрации не могли быть оснащены сложным и малонадежным энергосберегающим оборудованием, например, эле-ктромашинными частотно-регулируемыми приводами с релейно-контактными схемами управления. Не могло использоваться такое оборудование и в металлургическом производстве, на горнодобывающих и тому подобных предприятиях, где надежность работы оборудования и качество выпускаемой продукции существенно зависит от надежности работы насосных и воздуходувных установок.
Тем не менее, в технической литературе эпизодически публиковались сообщения об использовании в целях энергосбережения в водопроводных и канализационных насосных установках различных видов регулируемого электропривода.
Об энергетической эффективности изменения характеристик центробежных насосов путем регулирования частоты вращения рабочих колес известно давно. Так, способы регулирования частоты вращения центробежных насосов рассмотрены в работах
Фл.П- Товстолеса [136], А.И. Степанова [131], К. Пфлейдерера [124] и других, изданных в 20—30-х годах прошлого столетия. Однако они не получили распространения из-за отсутствия в то время достаточно надежных и дешевых видов регулируемого электропривода и сравнительно низких цен на электроэнергию.
Аналогичные публикации имели место и в 40—60-х годах прошлого века.
В лабораторных и экспериментальных установках применялись приводы с электромагнитными муфтами скольжения [160], по схеме электрических и электромеханических каскадов Шер-биуса и Кремера [159]. Использовались приводы с коллекторными двигателями Шраге [168] и с гидромуфтами [100, 138]. Делались попытки использования в насосных установках частотного привода [45, 46] и параметрических приводов. Однако широкого промышленного распространения эти электроприводы в насосных и воздуходувных установках не получили.
Положение существенно изменилось в 70-х годах, когда разразился мировой энергетический кризис, и одновременно получила развитие полупроводниковая техника. В результате, с одной стороны, выявилась истинная ценность энергетических ресурсов, с другой, появилась возможность создания достаточно надежных и сравнительно недорогих регулируемых электроприводов и систем управления на основе использования микропроцессорной и компьютерной техники. К этому времени были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые стали добротной основой для построения САУ режимами работы водопроводных и канализационных насосных установок [48, 53, 54, 55, 57, 113, 114 и др.].
Совокупность названных выше обстоятельств позволила в 80-х годах приступить к более широкому внедрению регулируемого электропривода в САУ отечественных насосных установок. При непосредственном и косвенном участии специалистов Инженерной конторы «Ягорба» и лаборатории автоматизации института ВОДГЕО было внедрено несколько десятков САУ насосных установок, оснащенных регулируемым электроприводом мощностью от 40 до 5000 кВт.
Использовались регулируемые электроприводы с индукторными муфтами скольжения, по схеме асинхронного вентильного
каскада, на базе вентильного двигателя, с тиристорными и транзисторными частотными преобразователями. Системы использовались и продолжают использоваться на многих водопроводных и канализационных насосных установках, а также на станциях оборотного водоснабжения.
Ниже дается краткий исторический очерк, посвященный созданию отечественных энергосберегающих систем автоматизированного управления (САУ) режимами работы насосов и воздуходувных машин на основе использования регулируемого электропривода.
Первые работы по созданию отечественных энергосберегающих технологий перекачки чистых и сточных вод на основе использования регулируемого электропривода были поставлены в конце 50 — начале 60-х годов прошлого столетия на факультете усовершенствования Всесоюзного заочного энергетического института (ВЗЭИ) и в лаборатории автоматизации института ВОДГЕО.
Работы выполнялись Б.С. Лезновым под руководством докт. техн, наук И.А. Сыромятникова и В.С. Поповым под руководством канд. техн, наук Д.Н. Смирнова. С 1961 г. обе работы велись в институте ВОДГЕО. В результате в 1962 г. на одной из действующих станций Московского водопровода был введен в эксплуатацию регулируемый электропривод насоса типа «Yager» мощностью 160 кВт с электромагнитной муфтой скольжения индукторного типа [53, 116].
Это был первый в практике отечественного водоснабжения опыт применения регулируемого электропривода на действующей насосной станции. Индукторная муфта ИМС-160, разработанная в ГПИ «Тяжпромэлектропроект», (разработчики Я.И. Лейбзон, М.Б. Милич) была изготовлена на Московском заводе «Водоприбор». Впоследствии ИМС использовались в САУ канализационных насосных станций. Известна попытка использования ИМС в регулируемом электроприводе вентиляторов градирен [47]. Однако из-за низкого качества изготовления ИМС (ИМС изготавливались в одном из исправительных учреждений МВД Киргизии [151]) этот вид привода дальнейшего распространения в отечественных насосных и воздуходувных установках не получил.
В.С. Попов исследовал регулируемый электропривод мощностью 160 кВт по схеме электромеханического каскада в лабораторных условиях на опытном стенде НИИ ВОДГЕО на агрегате с насосом 16НДн. Впоследствии регулируемый электропривод мощностью 1250 кВт по схеме асинхронно-вентильный каскад (АВК) с преобразователем ПАВК по его инициативе и с его участием был внедрен на насосной станции системы водоснабжения Волжского автозавода (г. Тольятти) [114].
В результате выполнения этих работ:
созданы технологические основы построения энергосберегающих САУ насосных станций на основе использования регулируемого электропривода;
обоснована техническая возможность и экономическая целесообразность использования регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения;
разработаны методики проектирования САУ для насосных станций, оснащаемых регулируемыми электроприводами [56, 57, 115, 128].
По теме этих исследований их авторами были защищены кандидатские диссертации. Впоследствии были выполнены другие диссертационные работы, в которых решались разнообразные задачи, связанные с применением регулируемого электропривода в насосных установках различного назначения.
Б.Ф. Евдокимов (г. Киев) в 1977 г. в ВИЭСХ защитил диссертацию, посвященную использованию регулируемого электропривода в энергосберегающих САУ насосных станций закрытых оросительных систем. В САУ, внедренной на одной из насосных станций Бортнической оросительной системы, использовался электропривод по схеме АВК с преобразователем ПАВК [27].
Р.К. Контаутас (г. Вильнюс) в 1982 г. во ВНИИ ВОДГЕО защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование и разработка методов регулирования систем городского водоснабжения». В работе исследовалась созданная им импульсно-ступенчатая система автоматического регулирования режима работы насосной станции, оснащенной регулируемым электроприводом по схеме АВК собственной конструкции, учитывающей специфику работы привода в насосных установках. В системе был впервые использован радиоканал для передачи информации о
давлении в диктующей точке водопроводной сети энергосберегающей САУ насосной станции района Новая Вилия (г. Вильнюс) [40, 41].
Электроприводы по схеме АВК (мощность 150—630 кВт), разработанные Р.К. Контаутасом, отличались от общепромышленных образцов более высокими значениями coscp благодаря использованию в них принципа широтно-импульстной модуляции (ШИМ). Система была внедрена на нескольких десятках насосных станций Литвы.
В 1983 г. во ВНИИ Электропривод Е.А. Маранец (г. Кишинев) защитил диссертацию, в которой исследовалась энергосберегающая САУ насосной установки капельного орошения, оснащенная частотным регулируемым электроприводом [103].
В 80-х годах прошлого столетия началось относительно широкое внедрение регулируемого электропривода в САУ насосных установок. Лаборатория автоматизации ВНИИ ВОДГЕО в содружестве с производственными предприятиями и научно-исследовательскими институтами, зарубежными фирмами, предприятиями водного хозяйства и промышленности внедрила несколько десятков энергосберегающих САУ насосных станций на основе использования регулируемого электропривода (см. приложение 4). В работах принимали участие ОАО «Электровыпрямитель», ХЭМЗ, ВНИИ Электропривод, ВНИИР, фирма «Str0mberg», Московский водоканал, Уфимский водоканал, водоканал г. Стерлитамака, Белокалитвинский металлургический завод и пр.
В разработках использовались различные виды регулируемого электропривода: частотные, по схеме АВК, на базе вентильного двигателя и др. Относительно широкому внедрению регулируемого электропривода способствовала разработка теоретических основ построения САУ насосных установок на основе его использования, а также создание достаточно надежных частотных и других преобразователей.
Вместо громоздких и малонадежных преобразователей ПАВК и станции управления ШЩУ появились тиристорно-диодный агрегат ТДП и станция управления ШДУ, разработанные во ВНИИ Электропривод и ВИИР с использованием новой элементной базы [4]. Началось изготовление частотных преобразователей ЭКТ и ПЧТ заводом «Преобразователь» (г. Запорожье) и «ХЭМЗ» [8].
Были созданы высоковольтные преобразователи ПЧВ и ПЧВС (разработка НИИ ХЭМЗ). У фирмы «Str0mberg» Московский Водоканал приобрел преобразователи SAMI (мощностью 100— 160 кВт), которые эффективно использовались в энергосберегающих САУ канализационных станций Москвы. Системы управления этих станций разрабатывались лабораторией автоматизации института ВОДГЕО. Преобразователи SAMI зарекомендовали себя, как достаточно надежные изделия. Эта техника хотя и не отличалась особенно высокими технико-экономическими показателями по сравнению с современными образцами, но благодаря ей были созданы реальные САУ режимами работы действующих насосных установок, некоторые из которых действуют и в настоящее время.
В результате произошел психологический перелом в сознании специалистов водопроводно-канализационного хозяйства. Они оценили благоприятные возможности, которые дает плавное и экономичное регулирование режимов работы насосных установок.
Применение регулируемого электропривода в САУ насосных станций дало возможность, кроме экономии энергии, снизить утечки и непроизводительные расходы воды за счет стабилизации давления в сети. Изменился качественно процесс регулирования технологических и энергетических режимов систем водоснабжения и водоотведения. Вместо дискретного регулирования, сопряженного с прямым включением насосных агрегатов и, как следствие с большими пусковыми токами двигателей, гидравлическими ударами, перенапряжениями в стенках трубопроводов, повышенным износом затворов и задвижек, появилось плавное регулирование насосных агрегатов и систем в целом.
В 90-х годах начался новый этап внедрения регулируемого электропривода в отечественных насосных и воздуходувных установках, связанный с поступлением на рынок России зарубежной преобразовательной техники, микропроцессорных контроллеров, промышленных компьютеров и организацией производства современных преобразователей отечественными предприятиями с использованием комплектующих изделий ведущих зарубежных фирм (ABB, «Siemens», «Mitsubishi» и др.).
Наличие новой техники позволило перейти на новую ступень внедрения регулируемых электроприводов в насосных и возду
ходувных установках. В эти годы лаборатория автоматизации НИИ ВОДГЕО совместно с ООО «Ягорба 2» создала объединенную САУ для Восточной водопроводной станции г. Москвы [152]. Особенность этой САУ заключается в том, что она управляет режимом работы крупной насосной установки (на станции установлено 19 агрегатов), оснащенной мощными агрегатами (1200—1600 кВт), укомплектованными разнотипными синхронными и асинхронными высоковольтными электродвигателями. В САУ были использованы разные виды регулируемого электропривода, в том числе на базе вентильного двигателя и по схеме АВК. Привод по системе вентильного двигателя применен в двух видах: групповой для трех агрегатов по 1250 кВт каждый с использованием преобразователя СПЧРС-10000/700 (изготовитель Таллиннский электрозавод) и индивидуальный для агрегата 1250 кВт с использованием преобразователя ПЧ-ТТП-200 (изготовитель ОАО «Электровыпрямитель»). Привод по схеме АВК создан на основе преобразователей ТДП-2М (изготовитель ОАО «Электровыпрямитель») и станций управления ЩДУ (изготовитель ЧЭАЗ, г. Чебоксары).
Система решает разнообразные задачи:
поддерживает заданное стабильное давление на напорном коллекторе станции или в водопроводной сети (в соответствии с заданием);
изменяет подачу воды в соответствии с изменением водопо-требления в системе;
обеспечивает работу насосных агрегатов в рабочей зоне, препятствуя возникновению перегрузки, помпажа, кавитации, а также работе насосных агрегатов в зоне низких КПД.
Система снижает энергопотребление до минимально возможного значения. При существенном изменении водопотребления система сигнализирует дежурному персоналу о необходимости изменения количества работающих агрегатов. Система построена с использованием промышленного компьютера фирмы «Advantech». В ней реализован принцип индивидуального воздействия на каждый участвующий в работе регулируемый электропривод. Система обеспечивает заранее рассчитанные по методике ВОДГЕО [128] технико-экономические показатели. Удельная норма расходования энергии на подачу 1000 м3 воды
снижена с 150—155 до 115—120 кВт-ч, т.е. на 22—23% или 10— 12 млн кВт- ч/год. Срок окупаемости системы даже без учета сокращения утечек составил 1,5 года.
В настоящее время специалистами НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягор-ба 2» решаются проблемы автоматизации системы водоснабжения, состоящей из нескольких насосных станций, подающих воду в общую сеть. Разработана и внедрена система, обеспечивающая суммарный минимум энергопотребления нескольких станций, подающих воду в общую водопроводную сеть, и поддерживающая в ней стабильное давление.
Наличие крупных и средних воздуходувных установок в составе сооружений биологической очистки сточных вод и значительного количества вентиляторных градирен в системах оборотного водоснабжения потребовало рассмотрения проблемы использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках различного вида.
Исследованиями в этой области, выполненными специалистами лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО «Ягор-ба 2», установлена нецелесообразность использования регулируемого электропривода в воздуходувках, подающих воздух в аэротенки. Вместе с тем, обоснована целесообразность использования устройств плавного пуска воздуходувных агрегатов в САУ воздуходувных установок станций аэрации. В дальнейшем те же выводы были сделаны в отношении компрессорных установок рудничных площадок и других промышленных объектов.
Одновременно была выявлена и обоснована целесообразность использования регулируемого электропривода в вентиляторах градирен систем оборотного водоснабжения [22, 23, 112].
На основе выполненных исследований разработана методика определения экономии энергии в воздуходувных установках при использовании регулируемого электропривода [91]. С использованием этой методики выполнен ряд исследований, определяющих возможности применения регулируемого электропривода в воздуходувных установках, оснащенных вентиляторами, воздуходувками и компрессорами, не только в водоснабжении, но и в других областях промышленности и коммунального хозяйства (на металлургических заводах, рудничных площадках, станциях теплоснабжения и пр.).
Следует отметить, что в воздуходувных установках регулируемый электропривод, по сравнению с насосными установками, получил меньшее распространение. Тем не менее, известны случаи эффективного применения регулируемого электропривода в воздуходувных установках. Так, получили распространение регулируемые электроприводы в энергосберегающих САУ вентиляторных установок теплоснабжающих станций. По данным [146] экономия энергии достигает 50%. На станции использованы частотные преобразователи VLT3800HV-AC фирмы «Danfoss». Имеется опыт внедрения регулируемого электропривода в вентиляторной установке градирни системы воздушного охлаждения масла газотурбинных установок [47]. Более подробно энергосберегающие методы регулирования вентиляторов в системах вентиляции, кондиционирования воздуха и пылеудаления, в том числе и с использованием регулируемого электропривода, рассмотрены в работе Г.Г. Вахвахова [12].
Глава первая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ
1.1. НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
Гидравлическая машина, создающая напорное перемещение жидкости при сообщении ей энергии, называется насосом. Насос в совокупности с электроприводом и передаточным механизмом (муфтой, редуктором, шкивом и т.п.) образует насосный агрегат. Комплекс оборудования, обеспечивающий работу насосов в требуемом режиме и состоящий из одного или нескольких насосных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, а также аппаратуры управления и защиты, образует насосную установку. Сооружение, в состав которого входят одна или несколько насосных установок, а также система энергоснабжения, вспомогательные механизмы и системы, бытовые и производственные помещения, обеспечивающие работоспособность объекта в целом, называется насосной станцией.
Основными параметрами, характеризующими режим работы насосной установки, являются давление (напор) и подача.
Давление — разность удельных энергий жидкости в напорном и всасывающем патрубках насоса, необходимая для подъема жидкости на заданную высоту и для преодоления сил трения в трубопроводе.
Подача — объем жидкости, перекачиваемый насосной установкой за единицу времени.
Режимом работы насосной установки называется определенный порядок работы ее оборудования в соответствии с изменяющимися условиями работы системы в целом.
В зависимости от назначения и рода перекачиваемой жидкости насосные установки подразделяются на водопроводные, ка-
нализационные, мелиоративные, теплофикационные, нефтеперекачивающие и др.
Насосные водопроводные станции в зависимости от места, занимаемого в общей схеме водоснабжения, подразделяют на станции I и II подъема и повысительные.
Насосная станция I подъема забирает воду из источника водоснабжения (река, озеро, водохранилище, артезианская скважина и т.п.) и подает ее на очистные сооружения.
Насосная станция II подъема подает воду из резервуаров чистой воды по водоводам, магистралям в распределительную сеть трубопроводов, откуда она поступает потребителю или накапливается в резервуарах.
В тех случаях, когда развиваемое давление недостаточно для подъема воды на требуемую высоту, сооружаются повысительные насосные станции (станции подкачки). Насосные установки этих станций увеличивают напор в сети, забирая воду из одного участка водовода или сети и подавая ее в другой водовод или участок сети. При этом забор воды может осуществляться как через промежуточные резервуары, которые выполняют функции регулирующих резервуаров, так и без них. В последнем случае установки работают по схеме «из трубы в трубу».
В зависимости от назначения водопроводные насосные станции (ВНС) подразделяются на станции технической и питьевой воды. Устройство этих станций, как правило, одинаково, но режимы их работы отличаются один от другого. Режим работы ВНС технической воды определяется преимущественно производственным циклом предприятия, а ВНС питьевой воды - ритмом жизни населения.
Канализационные насосные станции (КНС) предназначены для перекачки сточных вод к месту очистки. В зависимости от места, занимаемого в общей схеме канализации, КНС подразделяются на местные, районные и главные (центральные), кроме того, КНС подразделяются по роду перекачиваемых стоков (бытовые, производственные и др.). Канализационные насосные станции оборудуются как насосами для сточных жидкостей, так и другими насосами, предназначенными для перекачки загрязненных вод.
Сточные воды из самотечной канализационной сети поступа
ют в приемный резервуар КНС, над которым размещается сороудерживающее и дробильное оборудование, предназначенное для задержки и измельчения крупных предметов, попадающих в канализацию. Далее сточные воды подаются насосами в напорные водоводы и по ним поступают на очистные сооружения.
Мелиоративные насосные станции подразделяются на станции орошения и осушительных систем. Насосные станции орошения в свою очередь делятся на головные, промежуточные перекачивающие и дождевальные. Устройство головных станций аналогично водопроводным станциям I подъема. Промежуточные перекачивающие насосные станции по устройству аналогичны водопроводным повысительным станциям. Дождевальные насосные станции предназначены для подачи воды дождевальным машинам, которая может осуществляться или через открытые каналы или через закрытую сеть орошения. В последнем случае насосная станция оснащается, кроме основных насосных агрегатов, бустерными насосами для подержания давления в закрытой сети в период, когда не работают основные насосы. Кроме того, на этих станциях обычно устанавливаются водо-воздушные баки, обеспечивающие автоматизацию работы основных Ti бустерных насосов при включении и отключении дождевальных машин. Особенностью режима работы этих станций является необходимость многократного заполнения трубопроводной системы водой в период поливного сезона.
Насосные станции осушительных систем перекачивают поверхностные воды или снижают уровень грунтовых вод. При этих станциях обычно сооружают резервуар для приема стоков. По устройству и режиму работы эти станции напоминают КНС.
Теплофикационные насосные станции предназначены для подачи горячей воды в системы отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, а также технологическим потребителям. Источниками горячей воды являются центральные котельные и теплоэлектроцентрали, на которых обычно устанавливаются сетевые насосы. С помощью сетевых насосов вода пропускается через водонагреватели (бойлеры), где она нагревается паром, поступающим из теплофикационных отборов турбин, и далее через трубопроводную сеть поступает к потребителю. К теплофикационным сетям присоединяются тепло
вые пункты, в которых устанавливаются насосы, подающие горячую воду непосредственно потребителю для отопления и других нужд.
Насосные установки тепловых электростанций (ТЭС) выполняют разнообразные функции в технологическом процессе выработки электрической и тепловой энергии. Питательные насосы подают воду в котельные агрегаты. Конденсатный насос перекачивает конденсат (отработанный в турбине пар, превратившийся в воду) в деаэратор. Циркуляционный насос обеспечивает постоянную циркуляцию охлаждающей воды через конденсатор и охлаждающие устройства (градирни, брызгальные бассейны).
Широкое распространение получили насосные установки, предназначенные для транспортировки нефтепродуктов. Находят применение насосные станции в строительном производстве: для водопонижения, откачки загрязненных вод из котлованов, подачи различного рода жидких и полужидких компонентов (растворов, бетонов и т.п.). Применяются насосные установки и в горнорудной промышленности для транспортировки различного рода пульп (землесосы, земснаряды, пульпонасосы и пр.).
Насосные станции комплектуются одним или несколькими насосными агрегатами. Количество насосных агрегатов, устанавливаемых на станциях, колеблется в широких пределах: от одного—двух до 20 агрегатов.
Если в состав насосной установки входят несколько агрегатов, напорные и всасывающие линии насосов связываются между собой соответственно напорными и всасывающими коллекторами. К напорным коллекторам присоединяются напорные водоводы, а к всасывающим коллекторам — всасывающие водоводы. Если при насосной станции имеются приемные резервуары, всасывающие коллекторы могут не предусматриваться, а всасывающие линии насосов соединяются непосредственно с резервуаром.
К основному оборудованию насосных установок относят насосы, приводы насосов (электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, силовые преобразователи и др.), а также трубопроводы с регулирующей и запорной арматурой.
На современных насосных установках наибольшее распространение получили лопастные насосы: центробежные и осевые.
Рис. 1.1. Схема одноступенчатого центробежного насоса
Центробежные насосы. Внутри неподвижного корпуса 1 (рис. 1.1), имеющего спиральную форму, находится рабочее колесо 2, закрепленное на валу 3. Колесо 2 состоит из двух дисков, между которыми расположены лопасти 4. Корпус насоса соединен с всасывающим и напорным трубопроводами патрубками 5 и 6. Если корпус насоса и его всасывающий трубопровод наполнить жидкостью, а
затем привести во вращение рабочее колесо, то жидкость под действием лопастей рабочего колеса приходит во вращение. Центробежные силы перемещают жидкость на периферию, где создается повышенное давление, а в центре колеса — разрежение. За счет этой разности давлений жидкость поступает в напорный трубопровод. Так осуществляет
ся непрерывная подача жидкости насосом.
На рис. 1.1 представлена схема насоса с односторонним входом. В насосных установках используются также насосы с двусто
ронним входом.
Центробежные насосы могут быть как одноступенчатые (с одним рабочим колесом), так и многоступенчатые (с несколькими колесами). Конструктивно в зависимости от расположения вала они подразделяются на насосы горизонтальные и вертикальные.
Осевые насосы. Рабочее колесо вращается в сферической камере. При воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость за счет изменения скорости течения давление над лопастью повышается, а под ней понижается. Благодаря разности давлений жидкость перемещается вдоль оси насоса.
Осевые насосы изготавливаются двух типов: с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса (типа О) и с поворотными лопастями (типа ОП). Насосы обоих типов могут выпускаться в двух исполнениях: Г — с горизонтальным расположением вала, В — с вертикальным.
Рабочее колесо осевых насосов типа ОП состоит из втулки об
текаемой формы, на которой укреплены поворотные лопасти. Возможность изменения угла установки лопастей позволяет регулировать подачу и напор насоса в широких пределах при сохранении высоких значений КПД.
Основные рабочие параметры насосов определяются их характеристиками. Характеристиками насоса называются зависимости основных параметров (напора Н, мощности N, коэффициента полезного действия ц и допустимой вакуумметрической высоты всасывания ИЛИ кавитационного запаса Айдоп) от подачи насоса Q при определенной частоте вращения п рабочего колеса диаметром D.
На рис. 1.2 представлены рабочие характеристики центробежного насоса Д1250-65 для колес трех диаметров: D — 460, 430 и 400 мм при частоте вращения 1450 об/мин. Характеристики насосов других типов могут отличаться от представленных на рис. 1.2. Характеристики Q—Н могут быть более пологими или крутыми, непрерывно снижающимися (стабильными) или сначала возрастающими, а затем снижающимися. В некоторых изданиях последние характеристики именуются лабильными.
Рассмотрение характеристик показывает, что рабочие параметры центробежных и осевых насосов могут изменяться в относительно широких пределах. При этом увеличение подачи влечет за собой уменьшение напора, а уменьшение подачи связано с увеличением напора. Границы рабочей зоны на напорной характеристике насоса Q—Н отмечаются извилистыми вертикальными черточками или иным способом. Характеристики Q—Н центробежных насосов в пределах рекомендуемых подач описываются уравнением участка квадратичной параболы:
Нн=Нф-5фС?2,	(1.1)
где Нф — фиктивный напор при нулевой подаче, м; 5ф — гидравлическое фиктивное сопротивление насоса, м(с/л)2 или с2/м5 в зависимости от того, в каких единицах измеряется подача Q. Значения параметров Нф и 5ф для отечественных насосов приводятся в [9, 30].
При необходимости фиктивные параметры могут быть определены по каталожным или экспериментальным характеристикам насоса. Для этого следует определить координаты двух то-
Рис. 1.2. Рабочие характеристики центробежного насоса
чек рабочей части напорной характеристики насоса, например точек 1 и 2 (рис. 1.2). Этим двум точкам соответствуют значения напоров Нг и Н2, м, и значения подач Qj и Q2, м3/с, с учетом которых далее определяются значения фиктивных параметров насоса при нулевой подаче:
н, -н2.
Нф = Н1+5ф(/2,	(1.3)
или
Нф=Н2+5фС22.	(1.4)
Значения фиктивного напора зависят от конструктивных параметров насоса. Отношение фиктивного напора к номинальному напору Нф/Нном так же, как и коэффициент быстроходности, дает представление о крутизне напорной характеристики насоса. Так как при правильном подборе насосов Нном = Нб (где Нб — напор, соответствующий наибольшей подаче Q6), то Нф/Нном = ^ф/Нб = Ц}>*- Тогда относительный фиктивный напор
насоса Нф также определяет крутизну характеристики Q—Н. Для большинства наиболее распространенных отечественных центробежных насосов для чистой воды относительный фиктивный напор Нф ~ 1,25, а для насосов динамических для сточной жидкости Нф ~ 1,45.
Наибольшую крутизну имеют характеристики Q—Н осевых насосов, а также некоторых центробежных насосов (1000В-6,3/40 и др.), для которых Нф* = 2. Кроме того, характеристики этих насосов имеют точки перегиба на характеристиках Q-H.
Крутизна характеристик Q—Н существенно влияет на вид характеристик Q—N. Как известно, мощность, потребляемая насосом, определяется формулой
102 т]
(1.5)
где у — плотность жидкости, кг/м3; Q — подача насоса, м3/с; Н — напор насоса, м; ц — КПД насоса.
Из (1.5) следует, что в центробежных насосах, имеющих пологую характеристику Q—Н, мощность, потребляемая насосом, при увеличении подачи Q непрерывно возрастает (рис. 1.2), так как напор Н в этом случае снижается в меньшей степени, чем увеличивается подача Q.
У осевых насосов, имеющих очень крутую характеристику, напор Н, снижается в большей степени, чем увеличивается подача Q, поэтому у осевых нсосов характеристика Q—N непрерывно снижается.
Характеристика Q—N и осевых, и центробежных насосов, имеет точки перегиба, т.е. она на разных участках может быть и вогнутой, и выпуклой.
Характеристика Q—Т) центробежных насосов, как видно из рис. 1.2, при уменьшении диаметра рабочего колеса смещается влево. Аналогичный характер имеют характеристики Q—Т] осевых насосов. Попутно отметим, что подобное явление наблюдается при уменьшении частоты вращения рабочих колес насосов.
Привод насосов. Для привода насосов используются преимущественно асинхронные короткозамкнутые и синхронные дви
гатели переменного тока. Иногда используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.
Электродвигатели мощностью до 320 кВт, обычно, выполняются на напряжение 380—660 В, а выше этой мощности — на 6—10 кВ. В ряде случаев, особенно в передвижных насосных установках, для привода насосов используются двигатели внутреннего сгорания. Более подробно привод насосов рассматривается в гл. 6.
Трубопроводы. Трубопроводная арматура. Внутренние трубопроводы насосных станций (напорные и всасывающие линии насосов, всасывающие и напорные коллекторы и др.) выполняются из стальных труб. Соединение стальных труб осуществляется сваркой. В качестве трубопроводной арматуры в насосных установках используются задвижки, затворы, обратные клапаны.
В зависимости от конструкции задвижки подразделяются на параллельные и клиновые. Задвижки большого диаметра, а также работающие с дистанционным и автоматическим управлением, оборудуются гидравлическими или электрическими приводами. Для уравновешивания давления по обе стороны диска у крупных задвижек предусматривается обводная задвижка (байпас).
В качестве запорной и регулирующей арматуры используются затворы. Широкое распространение в настоящее время получили дисковые поворотные затворы, которые оборудуются электрическими приводами.
Обратные клапаны предназначены для того, чтобы воспрепятствовать опорожнению напорных трубопроводов и обратному вращению насоса после его остановки. Конструкции обратных клапанов различны: с замедленной посадкой, однодисковые, многодисковые, с противовесом и др.
Во время работы насоса под действием потока воды диск поворачивается вокруг оси, и вода проходит через клапан. После остановки насоса диск под действием собственного веса и давления воды со стороны напорного водовода опускается, и клапан закрывается.
1.2. ВОЗДУХОДУВНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ
Воздуходувные машины служат для перемещения и сжатия воздуха и других газов. По степени сжатия воздуходувные машины подразделяются на вентиляторы, воздуходувки и компрессоры.
Вентиляторы обеспечивают подачу воздуха при сравнительно низком давлении до 1000 мм вод. ст. (104 Па). При этом сжатия и нагрева воздуха практически не происходит.
Воздуходувки обеспечивают подачу воздуха с давлением 0,1—3 ат (104—3-105 Па). При этом происходит сжатие и нагрев воздуха. Но воздуходувки не имеют в своем составе охлаждающих устройств, т.е. в этих машинах имеет место адиабатический процесс.
Компрессоры обеспечивают подачу воздуха с давлением 2—3 ат [(2—3)4О5 Па] и выше. В своем составе они имеют устройства, охлаждающие воздух, который нагревается в процессе подачи, т. е. в этой машине имеет место изотермический процесс.
Вентиляторы широко используются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, общественных и производственных зданий, в рудниках, тоннелях и других подземных сооружениях. Вентиляторы являются важным элементом систем оборотного водоснабжения, оснащенных вентиляторными градирнями.
Воздуходувки применяются в системах аэрации сточных вод для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов активного ила, а в металлургическом производстве — для подачи воздуха в конверторы, домны и мартеновские печи.
Компрессоры используются для подачи сжатого воздуха в цеха промышленных предприятий, в забои горнорудных предприятий для приведения в движение отбойных молотков, перфораторов и другого инструмента. Широко используются компрессоры для транспорта природного газа в системе газопроводов страны.
Воздуходувные машины имеют много общего с центробежными насосами, поскольку и в тех и других используется центробежная сила, воздействующая на частицы воздуха или воды, развивающаяся при вращении рабочих колес. Подобие вентиляторов воздуходувных машин и насосов вытекает из общей теории
Рис. 1.3. Рабочие характеристики радиального вентилятора с осевым направляющим аппаратом (ОНА): -----------------------w=f(<p);--------п=Л<р);
1 — Т) = f (<р) без ОНА; 2 — т) = f(<р) без ОНА;
3 — характеристика воздуховода
подобия физических явлений [132], поэтому рабочие характеристики воздуходувных машин, например вентиляторов, имеют сходство с рабочими характеристиками насосов. На рис. 1.3 представлены характеристики вентилятора: у = /(<р) и Г| = /(<р), где у — давление и ср подача, выраженные в относительных единицах. Вместе с тем имеют место существенные отличия турбо-воздуходувных машин от центробежных насосов:
насосы перекачивают воду — несжимаемую жидкость, а воздуходувные машины — сжимаемый газ (воздух);
в насосах энергия расходуется на подъем воды и на перемещение воды по трубопроводам, в вентиляторах энергия расходуется на перемещение воздуха по трубопроводам, а в воздуходувках и компрессорах — также на сжатие воздуха;
насосы дросселируются на напорных линиях, а воздуходувные машины (особенно мощные) — на всасывающих.
Воздуходувные установки, как и насосные, могут иметь в своем составе несколько машин, работающих параллельно в общую систему воздуховодов. Так же, как и водоводы, воздуховоды оснащаются затворами, клапанами и прочей арматурой. Кроме того, широко используемыми элементами воздуходувных установок являются различного рода фильтры.
Конструкция отдельных элементов воздуходувных установок (вентиляторных, компрессорных и др.) существенно зависит от давления, развиваемого воздуходувной машиной.
В качестве привода для воздуходувных машин, как правило, используются синхронные и асинхронные, высоковольтные и низковольтные электродвигатели. В соответствии с условиями их использования электродвигатели могут иметь открытое, закрытое, влагозащищенное, взрывобезопасное или другое исполнение, которое выбирается в зависимости от окружающей среды.
Сходство воздуходувных машин и насосов позволяет использовать для определения экономии энергии в воздуходувных машинах методики, разработанные для определения экономии энергии в насосных установках [57, 128]. Однако они требуют существенной корректировки с учетом особенностей их назначения, конструкции и принципа действия [91], что и сделано в настоящем издании.
Глава вторая
РЕЖИМЫ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
2.1.	РЕЖИМЫ РАБОТЫ НАСОСОВ И НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Режимы работы насосной установки существенно зависят от изменения режимов водопотребления или притока сточной жидкости.' Как правило, режимы водопотребления и притока сточ
ных вод определяются многими, не зависящими друг от друга
причинами: климатическими и погодными условиями, режимом работы предприятий и организаций города, числом культурнозрелищных мероприятий, содержанием их программ.
Режим водопотребления характеризуется обычно суточными, недельными и т.п. графиками водопотребления. На рис. 2.1 представлен примерный суточный график водопотребления не
большого населенного пункта.
Кроме того, режим водопотребления характеризуется кривой распределения подач, которая дает представление о диапазоне изменения водопотребления за тот или иной промежуток времени (месяц,
Рис. 2.1. Суточный график водопотребления населенного пункта
год и т.п.) и длительности работы системы с тем или иным недопотреблением (рис. 2.2).
Графики водопотребления характеризуются коэффициентами неравномерности. Максимальный коэффициент неравномерности
^тпах Qmax/Qcpj
где Qniax — максимальное недопотребление; Qcp — среднее недопотребление.
Рис. 2.2. Упорядоченные диаграммы водоподачи насосных установок:
1 — Южная водопроводная станция, г. Ленинград; 2 — Северная водопроводная станция, г. Ленинград; 3 — Московская подстанция, г. Ленинград; 4 — Главная водопроводная станция, г. Ленинград; 5 — Восточная водопроводная станция, г. Москва; 6 — Северная водопроводная станция, г. Москва (построена по часовым показателям)
Минимальный коэффициент неравномерности
^min Qmin/Qcp’
где Qniin — минимальное водопотребление. В зависимости от того, за какой период времени берется Qcp, коэффициенты неравномерности могут быть часовыми, суточными и др. В настоящем издании анализируется энергетическая и экономическая эффективность различных способов регулирования режимов работы насосных установок. Соответственно рассматриваются и анализируются режимы работы установок за длительные периоды времени. Такими периодами времени для большинства промышленных и коммунальных систем водоснабжения и водоотведения является технический год продолжительностью 8760 ч. Для оросительных и тому подобных насосных установок, работающих сезонно, в качестве расчетного периода принимается Длительность поливочного сезона в часах. Для различных областей страны длительность полива колеблется в пределах 4000— 4500 ч.
Для насосных станций систем теплоснабжения длительность отопительного сезона также составляет 4000—4500 ч.
Для изучения режимов работы насосных установок за длительные периоды времени суточными графиками пользоваться неудобно. Главным образом потому, что они существенно отличаются один от другого по дням недели, временам года и т.д. Их практически невозможно описать математическими уравнениями. По этим причинам нами для анализа режимов работы насосных установок [54] используются преимущественно кривые распределения водоподачи насосных установок, которые именуются упорядоченными диаграммами водоподачи по аналогии с упорядоченными диаграммами электрических нагрузок [150].
Под упорядоченной диаграммой понимается кривая, соединяющая расположенные в порядке возрастания ординаты суточных графиков водоподачи за длительный период времени, например за год (рис. 2.2).
Для оценки неравномерности водоподачи в этом случае более удобно использовать понятие «относительная минимальная подача»: X = QM/Q6, где QM — наименьшая подача в сутки минимального водопотребления; Q6 — наибольшая подача в сутки максимального водопотребления. Относительная минимальная водоподача может быть выражена через коэффициенты неравномерности за соответствующий период времени * =
Режим притока сточных вод характеризуется графиками притока, которые имеют вид, аналогичный графикам водопотребления, а также коэффициентами неравномерности и значениями X.
Режимы работы насосных установок промышленных предприятий определяются, главным образом, технологическим процессом предприятия. Существуют режимы водопотребления и перекачки, аналогичные режимам работы городских водопроводных и канализационных насосных станций. Насосные установки промышленных предприятий могут быть и с явно выраженным ночным и дневным режимом водопотребления (рис. 2.3).
Режимы работы теплофикационных насосных установок, систем оборотного водоснабжения существенно зависят от температуры наружного воздуха, а следовательно, и от времени года, климата и подачи.
Рис. 2.3. Суточный график водопотребления промышленного предприятия
Подача насосных установок, работающих непосредственно в сеть без промежуточных резервуаров, должна быть в каждый момент времени равна водопотреблению (при отсутствии утечек и непроизводительных расходов). В действительности в любой системе водоподачи имеются утечки и непроизводительные расходы, значения которых достигают во многих случаях 15—20% общей подачи. Следовательно, подача насосной установки должна быть больше водопотребления именно на это значение.
При стабильном водопотреблении установки работают с постоянными подачей Q и напором Н. Понятие напор равноценно термину давление р. Напор и давление связаны между собой соотношением
Н = p/(yg),
где Н — напор, м; р — давление жидкой среды насоса, Па; у — плотность жидкой среды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
С ростом водопотребления подачу приходится увеличивать. При этом увеличиваются потери давления в трубах. Чтобы компенсировать эти потери, следует увеличить давление, развиваемое насосной установкой. При уменьшении водопотребления подача и давление должны быть уменьшены. Приведение в соответствие водопотребления и подачи осуществлялось До настоящего времени чаще всего путем изменения числа работающих насосных агрегатов или степени открытия задвижек (затворов) на напорных линиях насосов и насосных уста
новок. В настоящее время все чаще регулируется частота вращения рабочих колес насосов с помощью регулируемого электропривода.
Режим работы насосной установки, подающей воду потребителю через аккумулирующий резервуар (водонапорную башню и т.п.), характерен тем, что в отдельные периоды времени подача насосной установки отличается от водопотребления. Если подача больше водопотребления, уровень воды в резервуаре поднимается, если меньше, уровень падает. При равенстве подачи и водопотребления уровень в резервуаре стабилизируется на одной отметке. В этом случае приведение в соответствие водопотребления и подачи насосной установки, состоящей из одного агрегата, без использования регулируемого электропривода осуществляется включением агрегата при снижении уровня воды до заданного нижнего значения и отключением при достижении заданного верхнего значения. Затем цикл повторяется. Если насосная установка состоит из нескольких агрегатов, ее режим работы отличается тем, что задается несколько верхних и нижних уровней, при достижении которых изменяется число работающих агрегатов. С увеличением водопотребления частота включений агрегатов увеличивается, продолжительность пауз уменьшается, поскольку при увеличении водопотребления быстрей уменьшается объем жидкости в резервуаре. При этом уровень жидкости быстрей достигает нижнего положения, и вследствие этого чаще происходит включение дополнительных насосов.
Режим работы насосных установок при откачке жидкости из приемных резервуаров (канализационных, осушительных, мелиоративных и т.п.) аналогичен вышеописанным с тем отличием, что агрегаты включаются в работу при наполнении резервуаров до верхних уровней, а отключаются при опорожнении до нижних.
Число включений-отключений насосных агрегатов в канализационных насосных станциях с резервуарами достигает 40-— 50, а в ряде случаев 100 включений в сутки. Поскольку такое число включений для агрегатов большой мощности недопустимо, в насосных установках с агрегатами мощностью 150— 250 кВт и выше вместо их включений-отключений применяется регулирование режима работы отдельных насосов, входящих в состав насосной установки.
Преднамеренное изменение подачи и напора насосов в соответствии с изменяющимся режимом работы системы называется регулированием. Центробежные насосы регулируются путем изменения степени открытия задвижки (затвора) на напорной линии или путем изменения частоты вращения рабочих колес.
Прикрывая или открывая затвор, изменяют крутизну характеристики Q—Н трубопровода (рис. 2.4), которая зависит от его гидравлического сопротивления. Прикрывая затвор, увеличивают крутизну характеристики трубопровода, при этом рабочая точка насоса
Рис. 2.4. Регулирование режима работы центробежного насоса:
1 — характеристика Q—Н насоса при номинальной частоте вращения; 2 — то же при уменьшенной частоте вращения; 3 — характеристика трубопровода при полном открытии затвора; 4 — то же при уменьшении степени открытия затвора; Н} — напор, соответствующий подаче Qf, Нст — статичесткая составляющия напора
А1 перемещается в положение А2. В этом случае подача уменьшается до значения Q2, напор, развиваемый насосом, возрастает до значения Н2, а напор на трубопроводе за затвором снижается до значения Н2. Снижение напора за затвором происходит за счет потерь напора АН в затворе.
Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну характеристики трубопровода. Вследствие этого подача увеличивается, напор, развиваемый насосом, уменьшается, а напор в трубопроводе за затвором возрастает. Этот способ регулирования, именуемый дросселированием, считается малоэкономич
ным, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в затворе требуются дополнительные затраты энергии. Более экономичным способом регулирования является изменение частоты вращения насосов.
При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q—Н насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику Q—Н вниз, параллельно самой себе. При этом рабочая точка, перемещаясь по характери
стике трубопровода, занимает положение А^> следовательно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развиваемый насосом.
Увеличение частоты вращения увеличивает подачу и напор насоса, а также напор в сети. Этот способ регулирования более экономичен, но требует применения специального регулируемого электропривода. Кроме того, режим работы центробежных насосов может регулироваться с помощью направляющего аппарата, устанавливаемого на входе воды в насос, впуском воздуха в корпус насоса и другими способами.
Режимы работы осевых насосов регулируются обычно поворотом лопастей рабочих колес.
Регулирование режима работы центробежного насоса, откачивающего жидкость из резервуара, способом дросселирования осуществляется следующим образом. При увеличении притока уровень жидкости в резервуаре, из которого жидкость откачивают, поднимается. При этом степень открытия задвижки на напорной линии насоса должна быть увеличена. С уменьшением притока уровень падает, и степень открытия задвижки должна быть уменьшена. В насосных установках, подающих воду в резервуары, при увеличении водопотребления уровень в резервуаре падает. В этом случае задвижки (затворы) на напорных линиях приоткрываются. При уменьшении водопотребления уровень поднимается, а задвижка (затвор) прикрывается.
Регулирование режима работы насоса, откачивающего жидкость из резервуара, путем изменения частоты вращения рабочего колеса осуществляется следующим образом. При увеличении притока жидкости в резервуар уровень в нем поднимается. Частота вращения рабочего колеса увеличивается. При уменьшении притока уровень падает, а частота вращения рабочего колеса насоса уменьшается.
Регулирование режима работы насоса, подающего воду в сеть, дросселированием осуществляется следующим образом. При падении давления в сети напорная задвижка насоса приоткрывается, в результате давление в сети увеличивается. При возрастании давления в сети сверх заданного напорная задвижка насоса прикрывается, в результате давление в сети снижается.
Контроль режима работы насосной установки осуществляется с помощью измерительных устройств: манометров, уровнемеров, расходомеров, амперметров и т.д. Изменение режима работы насосной установки влияет на режим работы отдельных насосных агрегатов, из которых состоит ус
Рис. 2.5. График совместной работы двух одинаковых параллельно работающих насосов и трубопровода
тановка.
Анализ режима работы насосных установок выполняется с использованием характе
ристик насосов и трубопроводов.
Для анализа режима работы насосных установок с несколькими насосами, работающими параллельно или последователь
но, используют суммарные характеристики нескольких насосов. При параллельной работе насосы подают воду в один напорный водовод или в одну систему трубопроводов. Суммарная характеристика Q—Н параллельно работающих насосов строится сложением абсцисс их характеристик при одном и том же значении ординаты (напора), так как их общая подача равна сумме подач каждого насоса. Например, для нахождения точки в суммарной характеристики Q—Н двух насосов одного типа необходимо удвоить отрезок аб, т.е. ав = 2аб (рис. 2.5). Точно так же находят остальные точки суммарной характеристики. Если параллельно работают три насоса, длина отрезка аб утраивается, если четыре, то увеличивается в четыре раза, и т.д.
При последовательной работе двух центробежных насосов один из них подает жидкость во всасывающий патрубок другого, который подает жидкость в систему трубопроводов. Суммарная характеристика Q—Н последовательно работающих насосов строится путем сложения ординат их характеристик при одной и той же подаче, так как развиваемый ими напор равен сумме напоров, создаваемых каждым насосом.
Зависимость между расходом жидкости через трубопровод и
напором, который требуется для обеспечения этого расхода, называется характеристикой трубопровода и описывается уравнением
HC=HCT+SQ2,	(2.1)
где Нс — напор в начале трубопровода (системы трубопроводов); S — гидравлическое сопротивление трубопровода; Нст — статический напор, обусловленный разностью геодезических отметок подачи и приема жидкости.
Графически характеристика трубопровода изображается отрезком параболы Е (рис. 2.5). Суммарная характеристика нескольких трубопроводов, соединенных последовательно, строится путем сложения ординат характеристик этих трубопроводов при одной и той же подаче (абсциссе), соединенных параллельно — путем сложения абсцисс характеристик трубопроводов при одинаковых ординатах (напорах).
Пересечение характеристик Q—Н насоса и трубопровода (точка 5 на рис. 2.5) определяет положение рабочей точки насоса. Координаты этой точки в плоскости Q—Н соответствуют подаче и напору при данном режиме работы насоса и трубопровода.
При работе насосной установки на сложную систему трубопроводов с распределенным отбором воды на каждом участке сети, например на водопроводную сеть города, следует иметь в виду, что ее характеристика, строго говоря, не может быть описана уравнением (2.1).
Сложная конфигурация сети, изменение водопотребления в сети во времени и в пространстве, сложный рельеф местности — все это делает зависимость Нс = /(Q) неоднозначной. Иначе говоря, вместо параболической кривой имеем некоторую область расположения точек, характеризующих зависимость Нс = /(Q). Для примера на рис. 2.6 показана реальная зависимость требуемого напора от подачи для одной из водопроводных станций Москвы.
Из рис. 2.6 видно, что одному и тому же значению подачи Q в разные периоды времени соответствуют разные значения
Рис.2.6. Эквивалентная характеристика водопроводной сети:
1 — эквивалентная характеристика сети (усредненная зависимость Нс = /(Q)); 2 — область расположения точек, характеризующих зависимость Нс = /(Q)
напоров Нс, существенно отличающиеся один от другого. Так же одному значению напора Нс соответствуют разные значения Q.
Так, подаче Q = 15 м3/с соответствуют напоры Нс = 17-^30 м, а напору Нс — 20 м соответствуют подачи Q = 1СН17 м3/с. Отсюда следует, что характеристика сети не является однозначной зависимостью Нс = /(Q), подобно характеристике одиночного трубопровода. Поэтому для изучения режимов работы насосных установок совместно с сетью нами введено понятие эквивалентная характеристика водопроводной сети.
Под эквивалентной характеристикой подразумевается усредненная зависимость требуемых напоров на напорном коллекторе насосной станции, обеспечивающих нормальное водоснабжение в районе питания. Под нормальным водоснабжением в данном случае подразумевается поддержание заданных значений напоров в контрольных точках сети, ниже которых они не должны опускаться в реальном диапазоне изменения водопотребления.
Следует иметь в виду, что эквивалентная характеристика сети может использоваться для определения некоторых общих показателей, характеризующих работу водопровода, например
энергопотребления или экономии энергии или для определения удельных норм расходования энергии за расчетный период или возможного диапазона изменения водоподачи или требуемых напоров на выходе из насосных станций.
Но эквивалентная характеристика не может использоваться для решения задач оперативного характера, например для определения требуемого напора при этом или ином значении водоподачи в данный момент времени.
Режим работы группы насосов определяется пересечением суммарной характеристики Q—Н1+ц группы насосов с характеристикой трубопровода (системы трубопроводов). Этому режиму соответствует точка 2 с координатами: подача — Q]+п, напор — Н1+п (см. рис. 2.5).
Режим работы каждого из параллельно работающих одинаковых насосов определяется следующим образом (см. рис. 2.5): через точку 2 проводят линию, параллельную оси абсцисс. Пересечение этой линии с характеристикой Q—Н одного насоса в точке 1 определит рабочую точку одного из параллельно работающих насосов. Координаты точки 1 соответствуют расходу Q, и напору Hj, каждого из насосов. КПД насоса, соответствующий этому режиму, определяется ординатой точки 4 на пересечении кривой Q—г] с перпендикуляром, опущенным из точки 1, а мощность, потребляемая одним насосом, ординатой точки 7 на пересечении кривой Q—7V с тем же перпендикуляром.
Если насосы не одинаковы, имеют разные характеристики, режим работы каждого из них определяется таким же образом. Но в этом случае линия, параллельная оси абсцисс, пересекает не одну характеристику, а несколько характеристик насосов, участвующих в работе. Точки пересечения этих характеристик определяют режим работы соответствующего насоса.
Работа насоса наиболее экономична, когда его подача и напор соответствуют максимальному значению КПД. Вместе с тем допускается некоторое отклонение рабочих параметров этих насосов от значений, указанных в каталогах. Однако они при этом не должны выходить за пределы рекомендуемых подач насоса, которые отмечаются извилистыми вертикальными черточками на характеристиках Q—Н. За этими пределами насосы работают с низкими значениями КПД, при этом возможна перегрузка
Рис. 2.7. Устойчивость работы насоса:
а — график совместной работы насоса и трубопровода с резервуарами; б — схема насосной установки; 1 — приемный резервуар; 2 — насос; 3 — напорный резервуар; I—V — характеристики трубопровода, соответствующие I—V уровням в напорном резервуаре
насосного агрегата, а также существует опасность возникновения кавитации и помпажа.
Нарушение сплошности потока жидкости, сопровождаемое образованием пузырьков, заполненных парами жидкости, газами или их смесью, называется кавитацией. Явление кавитации сопровождается дополнительными потерями энергии и разрушением поверхностей рабочего колеса и корпуса насоса.
В насосах, характеристика Q—Н которых состоит из двух ветвей, возрастающей и падающей (рис. 2.7), возможно возникновение явления, называемого помпажем.
В некоторых литературных источниках [136] такие характеристики именуются лабильными (неустойчивыми), в отличие от стабильных (устойчивых), которые состоят из одной падающей ветви. Лабильная характеристика насоса может пересекаться с характеристикой трубопровода в двух точках Л и Б. При этом насос работает попеременно с рабочими параметрами, соответствующими точкам А и Б, а вся система работает неустойчиво, меняется нагрузка агрегата, возникают гидравлические удары. Работа насоса в режимах помпажа и кавитации недопустима.
2.2.	ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАСОСОВ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ
Изменение частоты вращения рабочего колеса насоса ведет к изменению всех его рабочих параметров. При этом изменяется положение характеристик насоса. Пересчет характеристик насоса на другую частоту осуществляется с помощью так называемых формул приведения [37]:
Q1/Q2 ~ ^1/^2’	(2.2)
Нг/Н2 = (,п1/п2)2“,	(2.3)
Ny/N2 « (п^пг)3;	(2.4)
Мг/М2 « (nj/r^)3;	(2.5)
Равенство в формулах (2.4) и (2.5) приблизительно, поскольку при изменении подачи Q и напора Н одновременно изменяется КПД.
В отдельных частных случаях, например при работе одиночного насоса без статического напора, формулы приведения можно использовать для определения рабочих параметров насоса, работающего с измененной частотой вращения. При работе с противодавлением этого делать нельзя, так как рабочйе параметры насоса зависят не только от его характеристики, но также и от характеристики системы трубопроводов, на которую он работает.
Ниже рассматриваются зависимости основных рабочих параметров центробежного насоса от его частоты вращения при работе на систему со статическим напором. Зависимости приводятся в аналитической и графической форме.
Напорная характеристика центробежного насоса, работающего с переменной частотой вращения, описывается согласно [9, 30] уравнением:
Н = Нф(п/пном)2-5ф(22	(2.6)
где Нф и 5ф фиктивные параметры насоса (см. гл. 1); п и пном —
переменное и номинальное значения частоты вращения насоса, соответственно.
Из (2.6) видно, что гидравлические потери в насосе при одной и той же подаче не зависят от частоты вращения. Это значит, что при ее изменении напорные характеристики насоса остаются подобными и только изменяют свое положение по вертикали в координатах Q и Н на графике совместной работы насоса и трубопровода (рис. 2.8). На том же графике
Рис. 2.8. График совместной работы насоса, работающего с переменной частотой вращения, и трубопровода: 1—3 — напорные характеристики
насоса при пг, п2, п3, соответственно; 4 — характеристика трубопровода
представлена характеристика трубопровода, на который работает насос. Характеристика трубопровода описывается зависимостью (2.1). Пересечение ха
рактеристик 1, 2, 3 насоса, последовательно изменяющего свою частоту вращения п15 п2, п3, с характеристикой 4 трубопровода определяет положение рабочих точек аг, а2, а3. Этим точкам соответствуют значения рабочих параметров насоса: напора Нг, Н2, Н3 и подачи Qj, Q2, Q3. Таким образом, рабочие точки характери
стики насоса при изменении его частоты вращения располагаются на характеристике трубопровода.
Совместным решением уравнений характеристик трубопровода (2.1) и насоса (2.6) относительно параметра Q получена зависимость изменения подачи насоса от его частоты вращения:
V 1-(Нп/Нф)
(2.7)
Из (2.7) видно, что подача насоса зависит не только от частоты вращения, но и от отношения Нп/Н^, где Нп — статическая составляющая напора или противодавление, обусловленное работой других насосов (Нп равнозначно Нст).
Рис. 2.9. Изменение подачи насоса в зависимости от частоты вращения при различных значениях Нг/Н^:
1 — 0; 2 — 0,08; 3 — 0,16; 4 — 0,24; 5 — 0,32;
6 — 0,4; 7 — 0,48; 8 — 0,56; 9 — 0,64; 10 — 0,72
Принимая в качестве базисных значений Q6, Нб и пном, уравнение (2.7) приводим к виду
п ~(НП/Нф)
(2.8)
где Q — Q/Q6 — относительная подача; п = п/пном — относительная частота вращения насоса; Нп = Нп/Нб — относительный статический напор; = Н$/Нб — относительная фиктивная высота подъема жидкости.
С использованием (2.8) на рис. 2.9 построена графическая зависимость изменения подачи насоса от его частоты вращения для разных значений отношения Здесь и далее Нп/Нф=Нп/Нф. Представленные кривые показывают, что прямо пропорциональная квадратичная зависимость изменения подачи от частоты вращения насоса наблюдается только при Нп/Нф = 0, т.е. при работе без статического напора. Аналогичным образом получена зависимость изменения напора, развиваемого насосом, от его частоты вращения:
Рис. 2.10. Изменение напора насоса в зависимости от частоты вращения при Н1 = 1,25 и различных значениях Нп/Нф.-
1 — 0; 2 — 0,16; 3 — 0,24; 4 — 0,3; 5 — 0,4;
6 — 0,48; 7 — 0,56; 8 — 0,64; 9 — 0,72; 10 — 0,8
Н* =Н*п+(1+Н*п)
(2.9)
С использованием (2.9) построена зависимость напора насоса от его частоты вращения в относительных единицах при разных значениях Н*/Нф* (рис. 2.10). При построении этой зависимости принято значение Нф* = 1,25, характерное для многих насосов, предназначенных для подачи чистой воды. Аналогичные зависимости могут быть построены с помощью (2.9) и для других значений Нф, т.е. для насосов с другой крутизной напорной характеристики Q—Н.
С помощью графиков (рис. 2.10) можно определить те значения напора и частоты вращения, при которых насос прекращает оказывать влияние на работу насосной установки, т.е.
его подача становится равной нулю, а развиваемый напор сравнивается со статическим напором. В этот момент времени обратный клапан (затвор) насосной установки закрывается, а если его нет, начинается ток воды через насос в противоположном направлении. Эти значения напора и частоты вращения определяются координатами точек пересечения графиков Н* = fin*) с кривой ОД (рис. 2.10). Кривая ОД описывается уравнением Н* = п*2Нф*.
Важнейшим параметром насоса является его КПД. Изменение КПД в зависимости от частоты вращения насоса определяют с помощью формулы Муди, преобразованной для насосов (см. [136]):
, f п2 V 1—^2 _ Dini 1-П1 Д О22п2
(2.10)
где т]2, п2, D2 — КПД, частота вращения и диаметр рабочего колеса насоса; т^, п1, DA — то же, геометрически подобного насоса. После некоторых преобразований получаем:
_ 1	1 Лном
П (И*)0’36 ’
(2.11)
где т]ном — значение КПД при номинальной частоте вращения насоса.
Следует подчеркнуть, что КПД насоса при номинальной частоте вращения не является номинальным КПД. За номинальный КПД насоса принимается только максимальное значение КПД при номинальной частоте вращения рабочего колеса насоса. Прочие значения КПД насоса при номинальной частоте вращения задаются обычно в виде опытных кривых и приводятся в каталогах насосов [25,140]. Зависимость изменения КПД от значений подачи при постоянной номинальной частоте вращения для наиболее распространенных отечественных насосов средней и большой мощности (Д и В, соответственно) описывается эмпирическим уравнением
ч*=-5-=1-(1-О’)23.
^1ном
(2.12)
С использованием уравнений (2.6), (2.7),(2.10)—(2.12) подстановкой значений Q, Н и Т| в (1.5) получены зависимости для определения мощности, потребляемой насосом, при изменении частоты вращения для различных значений Нп/Нф, (рис. 2.11). Представленные графики показывают, что реальная зависимость мощности от частоты вращения тем больше отличается от кубической параболы, описываемой формулой приведения, чем больше отношение Нп/Н$, и только при Нп = 0 мощность, потреб-
Рис. 2.11. Изменение потребляемой насосом мощности в зависимости от частоты вращения при различных значениях Нп/Щ:
1 — 0; 2 — 0,32; 3 — 0,48;
4 — 0,64; 5 — 0,8
ляемая насосом, пропорциональна частоте вращения в кубе.
Следующим важным параметром насоса является его механи
ческая характеристика, т.е. зависимость момента сопротивления насоса от частоты вращения. От вида механической характеристики зависят энергетические показатели привода — потери в приводе и его КПД.
Момент сопротивления, кгс -м, любого механизма, в том чис
ле и насоса, определяется выражением
N Мс = 975 — п
(2.13)
где N — мощность, кВт; п — частота вращения, об/ мин.
Момент сопротивления, Н-м, определяется выражением:
N Мс =9565—. ' п
(2.14)
Подставляя в (2.14) значения мощности из (1.5), получаем выражение момента сопротивления, Н-м, насоса через его рабочие параметры:
9S65psQH=9[S65pgQH lOOOrjn	т]п
В относительных единицах (2.15) имеет вид:
Мс =-^
Т| и
(2.15)
(2.16)
С использованием уравнений (2.7),(2.9),(2.11) и (2.12) путем подстановки значений рабочих параметров насоса в (2.16) определены и построены графически механические характеристики насоса д ля различных значений Нп*/Н$ (рис. 2.12). Представленные зависимости демонстрируют отличие механических характеристик насосов от квадратичной параболы, построенной в соответствии с (2.5), что дает основание представить формулу приведения (2.5) в более общем виде:
Мг/М2 = (n1/n2)fc,
(2.17)
где к — 2-5-5.
Меньшие значения к относятся к одиночным насосам, работа
ющим без статического напора.
Рис. 2.12. Изменение момента сопротивления насоса в зависимости от частоты вращения при различных значениях Нп/Нф:
1 — 0; 2 — 0,32; 3 — 0,48;
4 — 0,64; 5 — 0,8
большие — к насосам, работающим с большим статическим напором. Для насосов систем водо-подачи и водоотведения к — 3+5.
Уравнения (2.15) и (2.16) справедливы до тех пор, пока развиваемый насосом напор не сравняется со статическим напором (противодавлением). С этого времени подача насоса и его КПД становятся равными нулю, и уравнения обращаются в неопределенность вида 0/0, что соответствует граничной частоте вращения
Игр = Ином 7Нп/Яф,	(2.18)
которая определяет границу между рабочим и нерабочим режимами насоса.
После уменьшения частоты вращения насоса ниже граничной момент сопротивления изменяется в соответствии с уравнением
Мс =(М0 -M^n/n^J2 +МТ, (2.19) где Мо — момент сопротивления насоса при закрытой задвижке и номинальной частоте вращения насоса; Мт — момент сопротивления насоса, обусловленный трением в его сальниках и подшипниках.
Момент Мо определяется подстановкой в (2.13), (2.14) значения мощности холостого хода насоса и его номинальной частоты вращения. Момент Мт согласно опытным данным составляет 5—10% номинального момента насоса.
Таким образом, механическая характеристика центробежного насоса при статическом напоре состоит из двух ветвей, одна из которых строится в соответствии с (2.15), (2.16), а другая согласно (2.19) (рис. 2.13). Для сравнения механическая характеристика, построенная по экспериментальным данным, приведена на рис. 2.14. Описание эксперимента, выполненного в ходе опытно-промышленной эксплуатации электромагнитной муфты скольжения (ИМС-160) на водопроводной насосной станции №2 в Москве, приведено в §8.2.
Попутно отметим, что работами Е.М. Зоркина [29] уточнено описание зависимости М = f(n) и объяснена причина снижения момента сопротивления по сравнению с моментом трогания Мт при малых значениях частоты вращения насоса (рис. 2.14).
Приведенные выше зависимости основных рабочих параметров от частоты вращения насоса показывают, что недопустимо определять рабочие параметры насоса простым пересчетом значений номинальных параметров по формулам приведения (2.2)—(2.5). Рабочие параметры насосов должны определяться по результатам анализа реального режима работы насосной установки и сети трубопроводов с учетом крутизны их характеристик, определяемых отношением Нп/Нф.
В ходе разработки и эксплуатации систем регулирования режимов работы насосных установок возникает задача, обратная только что рассмотренной, требуется определить, какая должна
Рис. 2.13. Механическая характеристика насоса: 1 — рабочая ветвь; 2 — ветвь холостого хода
Рис. 2.14. Экспериментальная механическая характеристика насоса: 1 — рабочая ветвь; 2 — ветвь холостого хода
быть частота вращения насосных агрегатов, чтобы обеспечить нужных режим работы установки.
Далее в гл. 4 показано, что превышение напора является одной из причин возникновения потерь электроэнергии в насосных установках. Следовательно, целесообразно поддерживать такую частоту вращения насоса, при которой в координатах Q—Н геометрическое место его рабочих точек лежало бы на рабочей характеристике трубопровода. Совместным решением уравнения напорной характеристики насоса (2.6) и трубопровода (2.1) относительно частоты вращения получено выражение
П ^ном

(2.20)
где Нп — статическая составляющая напора; Нф — фиктивная высота подъема жидкости при нулевой подаче; Q6 — наибольшая для данной системы подача насоса.
Работа насоса с частотой вращения, определяемой уравнением (2.20), обеспечивает поддержание минимальных значений напора на выходе насосной установки во всем диапазоне изменения ее подачи. Благодаря ликвидации превышения напора энергопотребление насоса уменьшается до возможного минимума.
Здесь мы обращаем внимание читателя на важное обстоятельство: изменением частоты вращения насоса нельзя переместить напорную характеристику в любое положение в поле координат Q-H.
Экспериментируя с крупными (Д6300-80) и малыми (ЭЦВ) насосами, при снятии напорных характеристик Q—Н, мы обнаружили, что при низкой частоте вращения п < (0,1 -s- 0,15)пном однозначная зависимость между напором и подачей насоса исчезает и вместо кривой параболического характера на поле Q—Н появляется беспорядочная россыпь точек, которая не может характеризовать зависимость напора насоса от его подачи.
По нашему мнению, это происходит из-за того, что гидравлическое подобие режимов работы одного и того же насоса, работающего со слишком большим отклонением частоты вращения от своего номинального значения и работающего с номинальной частотой вращения, существенно нарушается.
К сожалению, нам не удалось пока определить граничные значения частот вращения для основных типов насосов, при которых происходят эти нарушения.
2.3.	РЕЖИМЫ РАБОТЫ ВОЗДУХОДУВНЫХ МАШИН
Режимы работы воздуходувных установок зависят от разнообразных природных и производственных факторов.
Режимы работы вентиляторов систем кондиционирования и вентиляции зависят преимущественно от погодных условий, сезонных колебаний температуры. От этих же причин зависят режимы работы вентиляторов в системах оборотного водоснабжения. Однако, в этом случае на температурные колебания, вызванные сезонными и погодными условиями, накладывается влияние технологического процесса и условия эксплуатации конкретного предприятия. В аналогичных режимах работают си
стемы охлаждения газа (АВО-газа) многочисленных компрессорных станций газопроводов России.
На режим работы вентиляторов, работающих в системах проветривания подземных выработок, существенно влияет степень запыленности и задымленности подземных штолен и штреков.
В зависимости от местных природных и производственных факторов диапазон подачи воздуха вентиляторными установками изменяется в широком диапазоне (от 0 до 100% максимальной подачи воздуха).
На режим работы воздуходувок, подающих воздух в аэротенки биологических очистных сооружений, оказывают влияние: степень загрязненности сточных вод, ее температура и количество стоков, поступающих на очистные сооружения. Диапазон изменения подачи воздуха этих установок лежит в пределах 25— 100% максимальной подачи воздуха.
Режимы работы воздуходувок конверторных цехов литейного производства определяются, главным образом, режимом работы конверторов. Количество подаваемого воздуха зависит от того, сколько конверторов находится в работе, идет ли процесс загрузки конвертора или плавки металла.
Диапазон подачи воздуха в этих установках колеблется от 25— 30% до 100% максимальной подачи воздуха.
Режим работы компрессорных установок определяется производственным циклом цехов предприятий. Например, система подачи сжатого воздуха рудничной площадки подает в рабочую смену 80—100% максимальной подачи, а в ремонтную смену подача воздуха падает до 10—15%. На металлургических заводах количество сжатого воздуха, подаваемого в цеха, изменяется в диапазоне от 20—25% до 100%.
Режим работы воздуходувных установок так же, как и насосных, может быть охарактеризован отношением X = QM/Q6.
Анализ режимов воздуходувных установок выполняется с использованием их аэродинамических (рабочих) характеристик и характеристик воздуховодов.
В некоторых литературных источниках характеристики воздуховодов именуются «кривыми сети». В целях соблюдения единства изложения материала в дальнейшем аэродинамические (рабочие) характеристики вентиляторов будут именовать
ся рабочими характеристиками, кривые сети будут именоваться характеристиками воздуховодов, а при разветвленной сети воздуховодов - эквивалентной характеристикой сети, тем более что внешний вид и физическая сущность рабочих характеристик насосов и вентиляторов одинакова так же, как и характеристик водоводов и воздуховодов.
Ниже рассматриваются режимы работы некоторых воздуходувных установок.
На рис. 1.3 представлено семейство рабочих характеристик вентилятора Ц4-100/2 №20 с частотой вращения 460 об/мин с осевым направляющим аппаратом [12]. Каждая характеристика соответствует определенному углу поворота осевого направляющего аппарата ОНА. Особенностью вентиляторных установок является довольно низкое давление, которое обычно измеряется миллиметрами водяного столба или паскалями. Кроме того, в сети воздуховодов обычно отсутствует противодавление.
Противодавление в вентиляторной установке может возникнуть только при параллельной работе вентиляторов за счет давления, развиваемого другими параллельно работающими вентиляторами.
Необходимо отметить, что многие вентиляторы имеют седлообразные характеристики (см. рис. 1.3, кривая 1), что влияет на устойчивость работы системы подачи воздуха, аналогично тому, как это имеет место в насосных установках, укомплектованных насосами с лабильными (неустойчивыми) характеристиками.
На рис. 2.15 представлены характеристики воздуходувки типа 750-23-4, используемой в системе аэрации биологических очистных сооружений. Обращает на себя внимание наличие помпажной зоны у этих характеристик, т.е. характеристики этих воздуходувок лабильны. Количество параллельно работающих воздуходувок достигает 10—15 агрегатов.
Особенность режима работы этой системы заключается в том, что динамическая составляющая потерь напора практически отсутствует, так как воздуховоды в этой системе имеют достаточно большое сечение и сравнительно небольшую протяженность. По этой причине характеристика сети в этом случае вырождается в прямую линию, параллельную оси абсцисс. Иначе говоря, воздуходувки системы аэрации работают в основном на пре-
Рис. 2.15. Характеристика воздуходувки типа 750-23-4 системы аэрации сточных вод:
1 — n = /(0); 2 — Др = /(Q).
одоление статического противодавления, обусловленного толщей воды, находящейся в аэротенке.
На рис. 2.16 представлены газодинамические характеристики воздуходувки (нагнетателя 900-31-1), используемой в конверторном производстве медеплавильного завода (г. Жезказган).
Воздуходувки конверторных цехов литейного производства работают обычно со значительной динамической составляющей давления, система воздухоподачи данного завода состоит из 3-х воздуходувок, обеспечивающих воздухом четыре конвертора медеплавильного завода.
На рис. 2.17 представлены рабочие характеристики одного из компрессоров К500-61-5, обеспечивающих сжатым воздухом рудничную площадку Жезказганских месторождений меди. Система воздухоснабжения состоит из четырех турбокомпрессорных установок и одной установки, оснащенной поршневыми компрессорами.
Каждая из установок укомплектована четырьмя—семью компрессорами. Все компрессоры работают в общую систему возду-
Рис. 2.16. Характеристика воздуходувки (нагнетателя 900-31-1) конверторного цеха
ховодов. По этой причине компрессоры в этой системе работают со значительной динамической составляющей напора, обусловленной потерями давления в воздуховодах, и с противодавлением, обусловленным параллельно работающими компрессорами.
Рассмотрение режимов работы воздуходувных установок различного типа показывает, что воздуходувные машины, так же, как и насосы работают и в одиночку, и параллельно. Так же, как и насосы, воздуходувные машины работают с противодавлением и без противодавления. Так же, как и у насосов, напорные характеристики уподобляются параболическим кривым. Характеристики воздуховодов так же, как и водоводы, описываются уравнениями параболических кривых.
Рис. 2.17. Характеристика компрессора К500-61-5 рудничной площадки:
1 — п = 6600 об/мин; 2 — 6800 об/мин; 3 — 7000 об/мин; 4 — 7200 об/мин;
5 — 7400 об/мин; 6 — 7636 об/мин
На рис. 2.18 представлены характеристики газовых турбонагнетателей типа 650-23-1, используемых для транспорта газа по магистральным газопроводам. Особенность режима работы компрессоров, используемых в качестве газовых турбонагнетателей, заключается в их длительной (многомесячной) работе со сравнительно стабильной подачей.
Турбонагнетатели работают параллельно один с другим (семь—восемь агрегатов). Турбонагнетатели отличаются большой мощностью (6—12 МВт). Ввиду большой мощности агрегатов существенную роль играет процесс их пуска. Эти агрегаты нуждаются в устройствах плавного пуска (УПП). Кроме того, нагрев транспортируемого газа в процессе сжатия требует создания специальной системы охлаждения газа, поэтому в состав газокомпрессорной станции входит система охлаждения газа (АВО-газа), которая состоит из нескольких десятков (24—32) тихоходных (до 250 об/мин) вентиляторов с лопастями большого диаметра (5—6 м). Мощность вентиляторов 37—90 кВт.
Рис. 2.18. Газодинамические характеристики нагнетателей 650-23-1: 1 — нагнетатель №1; 2 — нагнетатель №2
Краткий обзор режимов работы воздуходувных машин и установок указывает на их общность с насосами и насосными установками.
Вместе с тем режимы работы воздуходувных машин существенно отличаются от режимов работы насосов. Эти отличия обусловлены, главным образом, тем, что насосы транспортируют несжимаемые жидкости, а воздуходувные машины — сжимаемые газы, поэтому в воздуходувках имеет место адиабатический процесс, а в компрессорах, имеющих охладители газа, имеет место изотермический процесс. Эти обстоятельства оказывают существенное влияние на энергетику процесса транспорта воздуха и газа.
Глава третья
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
3.1.	ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОСНОВНЫМИ НАСОСНЫМИ АГРЕГАТАМИ
Прогнозирование потребления электроэнергии. Электроэнергия, потребляемая насосными агрегатами, расходуется на подъем жидкости и преодоление гидродинамического сопротивления в трубопроводах. Кроме того, часть электроэнергии расходуется в самих насосных агрегатах: на преодоление сил трения в сальниках и подшипниках насосных агрегатов, на нагрев магнитопровода и обмоток в электродвигателе, на его вентиляцию и пр.
Отношение полезно использованной в насосном агрегате электроэнергии к электроэнергии, полученной из электрической сети, характеризуется КПД агрегата. Для современных насосных агрегатов в зависимости от их мощности, назначения и других факторов значение КПД варьируется в пределах от 0,3 до 0,9.
Мощность, кВт, потребляемая водяным или фекальным насосом, определяется по формуле
М = 9,81—,	(3.1)
Пн
где Q — подача насоса, м3/с; Н — напор насоса, м; т]н — КПД насоса.
Мощность, кВт, потребляемая насосным агрегатом:
N
Р =	(3.2)
ПэдПпр
Здесь т]эд — КПД электродвигателя; т]пр — КПД преобразующе
го устройства (частотного преобразователя, трансмиссии и т.п.).
Мощность агрегатов на современных водопроводных и канализационных насосных станциях достигает 3,5—5 МВт, а в крупных оросительных системах 12 МВт.
Количество электроэнергии, потребляемой агрегатом за время t, ч, при работе с постоянной подачей и неизменным давлением определяется по формуле:
W = Pt.	(3.3)
В реальных установках насосные агрегаты обычно работают с переменной подачей (см. рис. 2.1—2.3) и соответственно, с переменным давлением. Вследствие этого мощность, потребляемая агрегатом в течение некоторого времени, изменяется, поэтому использование формулы (3.3) ограничивается теми случаями, когда насосная установка длительно работает в равномерном режиме.
Для определения количества электроэнергии, потребляемой насосными станциями при работе в неравномерном режиме, разработаны методики, которые позволяют прогнозировать потребление электроэнергии насосными установками систем водоподачи и водоотведения [20,71]. Ниже излагается упрощенная методика прогнозирования потребления энергии, используемая в НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2».
На рис. 3.1 представлен график совместной работы насоса и трубопровода, а также упорядоченная диаграмма (кривая распределения) подачи жидкости. Под упорядоченной диаграммой (понятие заимствовано из [150]) подачи жидкости понимается кривая, соединяющая ординаты графиков подачи жидкости в порядке возрастания или убывания. Диаграмма строится для длительного расчетного периода времени, например года.
Характеристика трубопровода описывается уравнением (2.1), а характеристика насоса — уравнением (1.1). Упорядоченная диаграмма (полностью или частично) может быть аппроксимирована уравнением прямой линии:
Q = Q6
(1-Х)| + Х
(3.4)
Рис. 3.1. График совместной работы насоса с трубопроводом и упорядоченная диаграмма подачи жидкости:
1 — напорная характеристика насоса; 2 — характеристика трубопровода; 3 — диаграмма подач
где Q6 — наибольшая для данной насосной установки подача за расчетный период; QM — наименьшая для данной установки подача за расчетный период; X — относительная минимальная подача для данной установки, Л. = QM/Q6; Т — длительность расчетного периода. В качестве расчетного периода принимается продолжительный отрезок времени, например, технический год, т.е. Т = 8760 ч.
С использованием уравнений (3.1) и (3.4) получена зависимость потребляемой насосами мощности от времени, которая справедлива при условии, что насос работает без излишнего напора, т. е. рабочая точ
ка насоса перемещается по характеристике трубопровода (2.1). При ее выводе приняты некоторые допущения, в частности, что насосы работают в пределах рабочей зоны и, следовательно, КПД в процессе работы изменяются незначительно.
После интегрирования этой зависимости в пределах от 0 до Т и некоторых других преобразований получено выражение для определения количества энергии, потребляемой в расчетный период времени:
= N6r (1+Х) [(1+H*)+X2(1_H*)]J	(35)
ПэД 4
где N6 — мощность, потребляемая насосом при наибольшей подаче, кВт; Нг = Нп/Нб — относительное противодавление. Мощность N6 вычисляется по формуле (3.1) при подстановке в нее значений наибольшей для данной установки подачи Q6 и напора Нб, соответствующего этой подаче (рис. 3.1).
V
Рис. 3.2. Зависимость понижающего коэффициента у от числа работающих насосных агрегатов и относительного статического напора:
а — при Нф = 1,45; б — Нф* = 1,25
Уравнение (3.5) позволяет вычислить потребление энергии 1асосной установкой за расчетный период времени Т при усло-5ии, что ее агрегаты поддерживают минимально необходимый ianop в полном соответствии с уравнением (2.4), т.е. установ-са работает без превышения напора. Погрешность вычислений вставляет ±(10—15)%.
Если зависимость Н = f(Q) выразить уравнением характерис-'ики насоса (1.1), а не трубопровода, аналогичным образом мож-ю получить выражение для определения потребления электро-•нергии насосным агрегатом при работе с превышением напора:
N6T (1 + X)
ПэД 4
[(1+н;т2(1-н;)],
(3.6)
где Нф = Нф/Нб — относительный фиктивный напор насоса при нулевой подаче.
Уравнение (3.6) получено для установки с одним работающим насосным агрегатом. Если одновременно работают несколько насосов, развиваемый ими средний напор несколько ниже, чем напор, развиваемый при тех же условиях одним насосом, поскольку при существенном уменьшении подачи воды количество работающих насосов уменьшается, вследствие чего излишний напор становится ниже. По этой причине в уравнение (3.6) следует ввести понижающий коэффициент \|/, значение которого зависит от числа работающих агрегатов и относительного статического напора Нп (рис. 3.2, а, б).
Фактическое энергопотребление и удельные расходы электроэнергии. Количество электроэнергии, вычисленное по (3.5), соответствует оптимальному режиму работы насосной установки, т.е. работе без превышения напоров, при максимальных значениях КПД и т.д. В действительности реальные режимы работы отличаются от оптимальных. Основное отличие заключается в том, что напор, развиваемый насосными установками, превышает значения, определяемые уравнением (2.1), поэтому реальное энергопотребление в большинстве случаев превышает количество электроэнергии, вычисленное по (3.5).
Обычно энергопотребление насосных установок планируется на основе средних статистических норм, которые выше научно обоснованных. Удельный расход энергии на подачу и отведение 1000 м3 воды в среднем по стране составляет 500— 550 кВт-ч [155]. Приведенная норма относится к полному циклу перемещения воды, т.е. подача воды насосными станциями I подъема на очистные сооружения, подача воды станциями II подъема потребителю, перекачка сточных вод канализационными станциями на очистные сооружения канализации. Для отдельных насосных установок удельный расход на 1000 м3 колеблется в пределах 100—200 кВт-ч.
В зависимости от местных условий для каждой насосной установки норма энергопотребления существенно отличается от
среднего значения и в большую, и в меньшую сторону. Отличие вызвано, главным образом, тем, что высота подъема жидкости разных насосных установок различна. В связи с этим в некоторых хозяйствах удельные нормы расходования электроэнергии планируются не только на единицу объема поданной жидкости, но и на произведение массы поданной жидкости и развиваемого насосами напора. Эта норма потребления энергии обычно колеблется в пределах 3,3—4,0 кВт-ч/(т-м). Такой разброс значений для разных насосных установок обусловлен состоянием насосных агрегатов, а также гидравлическим сопротивлением всасывающих и напорных трубопроводов и арматуры насосных установок. С точки зрения энергетической оценки системы водоподачи (насосной установки, водоводов и сети) использование норм энергопотребления в единицах кВт-ч/м3 предпочтительней, чем в кВт-ч/(т-м).
Объясняется это тем, что во втором случае норма энергопотребления, по сути, является величиной, обратной КПД насоса, поэтому она достаточно объективно характеризует лишь состояние насосного агрегата, но не может характеризовать экономичность работы системы водоподачи в целом.
В §4.1 будет показано, что работа системы водоподачи тем экономичнее, чем ниже напор в системе, поэтому удельная норма расходования энергии должна стимулировать принятие мер по снижению напора в системе водоподачи. К числу таких мер относится: регулирование угловой скорости насосов в соответствии с изменением режима водопотребления или притока сточных вод и т.п., очистка внутренних поверхностей труб, покрытие внутренних поверхностей труб необрастающими составами и др. Принятие же в качестве норматива единицы кВт-ч/(т-м) создает иллюзию снижения расхода энергии в то время, как фактически она используется нерационально.
Таким образом, для оценки состояния системы водоподачи в целом целесообразно использовать норму энергопотребления, выраженную в кВт-ч/м3, а для оценки состояния насосных агрегатов норму, выраженную в кВт-ч/(т-м).
Учет расхода электроэнергии. Электроэнергия, потребляемая насосными агрегатами, измеряется счетчиками активной и реактивной электрической энергии. Для этого или счетчики
устанавливаются на каждом насосном агрегате, или потребляемая ими электроэнергия определяется как разница показаний счетчиков, установленных на питающих линиях насосной станции, и счетчиков собственных нужд станций, учитывающих расход электроэнергии на отопление, освещение, вентиляцию и прочие вспомогательные системы, обеспечивающие жизнеобеспечение насосных станций.
При этом из общего расхода электроэнергии вычитается энергия, израсходованная субабонентами, если таковые получают ее непосредственно через распределительное устройство насосной станции.
Измерение потребляемой электроэнергии с помощью счетчиков дает наиболее достоверную информацию о фактическом потреблении электроэнергии на действующих объектах. Использовать для этих целей косвенную информацию (ток нагрузки агрегатов, количество часов работы агрегатов и номинальную мощность электродвигателей) недопустимо.
Для прогнозирования потребления электроэнергии вновь строящимися и проектируемыми насосными станциями используются расчетные методы. Расчетные методы позволяют, кроме того, сравнить фактические затраты электроэнергии с ее научно обоснованным потреблением и тем самым выявить возможные пути ее экономии.
Для определения фактических удельных расходов электроэнергии на перекачку жидкости необходимо оборудовать насосную станцию расходомерами. Без исправных расходомеров невозможно организовать экономичные режимы работы насосных установок.
В насосных установках до последнего времени наибольшее распространение имели методы измерения расхода жидкости с помощью сужающих устройств в комплекте с дифференциальными манометрами. Сужающее устройство обычно устанавливается в напорных, а иногда и во всасывающих трубопроводах. В качестве сужающих устройств обычно использовались диафрагмы и сопла.
Основным недостатком этого метода измерения является его большая погрешность. Необходимость установки сужающих устройств на прямых участках трубопроводов не позволяет разме-
щать их внутри насосных станций. Чаще всего они устанавливаются на трубопроводах вне насосных станций.
Необходимо иметь в виду, что при широком диапазоне измерений подачи (1:3 и больше) на одном трубопроводе необходимо устанавливать два дифференциальных манометра, один из которых градуирован на большие, а другой на малые расходы насосной установки.
Измерение расходов без сужающих устройств осуществляется индукционными и ультразвуковыми расходомерами (УЗР), обеспечивающими более высокую точность измерения расходов. Наибольшее распространение в настоящее время имеют УЗР. Следует иметь в виду, что УЗР и индукционные расходомеры для своего размещения также требуют прямых участков трубопроводов [101].
Обязательным элементом расходомеров должны быть счетные интегрирующие приставки. Наличие таких приставок в сочетании со счетчиками электроэнергии позволяет достаточно точно определять фактические удельные расходы электроэнергии, кВт-ч/м3, на подачу жидкости:
!¥уд = W/Q,	(3.7)
где W — расход электроэнергии за расчетный период Тр, кВт-ч; Q — подача воды за время Тр, м3.
Для большей объективности расчетные периоды Тр должны быть достаточно представительны. Так, для системы водоподачи и водоотведения таким периодом следует считать неделю, поскольку за это время происходят наиболее характерные изменения в режиме работы насосных установок.
Зная фактический удельный расход электроэнергии, можно объективно оценить целесообразность того или иного мероприятия по экономии электроэнергии в насосной установке. Для этого надо определить удельный расход электроэнергии, вычисленный по результатам измерения до проведения мероприятий по экономии электроэнергии Wyfll, а затем после — 1Ууд2. Тогда фактическая экономия электроэнергии за год будет равна
W3K= (Wyfl]-Wyfl2)Qrofl,	(3.8)
где QrOfl — объем перекачки за год.
Целесообразно корректирующие измерения и расчеты повторять 3-4 раза в год, чтобы учесть сезонные изменения в режимах работы насосных установок. Возможные пути экономии электроэнергии более подробно рассмотрены в гл. 5.
3.2.	ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ТУРБОВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
Как ранее упоминалось, основное отличие воздуходувных машин от насосов заключается в том, что насосы перекачивают несжимаемую жидкость, а воздуходувные машины — сжимаемый газ. В вентиляторах степень сжатия воздуха (газа) незначительна. По этой причине ранее полученные для насосов уравнения справедливы и для вентиляторов. Однако, в вентиляторных установках, как правило, используются иные, чем в насосных установках, единицы измерения, поэтому мощность, кВт, потребляемая вентилятором, имеет вид:
N =-^-в 1000ц’
(3.9)
где Q — подача вентилятора, м3/с; р — полное давление, создаваемое вентилятором, Па; ц — КПД вентилятора;
или
где р — давление, кгс/м2.
При перемещении воздуха с механическими примесями потребляемая вентилятором мощность равна:
JVcm =	+ fcg), кВт	(3.11)
где NB — потребляемая вентилятором мощность при перемещении чистого воздуха; р — концентрация по массе, т.е. отношение массы примесей к массе воздуха; к — постоянный коэффициент (к~ 1).
Характеристика воздухопровода при наличии в воздухе механических примесей строится с использованием формулы:
где Рс — требуемое давление при перемещении воздуха со смесями (пылью и пр.), Па; рв — требуемое давление при перемещении чистого воздуха, Па.
При перемещении вентилятором воздуха с нестандартными параметрами в условиях, когда фактическая температура отличается от стандартной (tCT = 20°C), фактическое барометрическое давление Рфакт отличается от стандартного рст = 101,4 кПа), фактическая плотность воздуха рф отличается от стандартной (рст = 1,2 кг/м2).
Пересчет каталожных характеристик вентиляторов на условия работы, отличающиеся от стандартных, осуществляется с использованием уравнений:
Рфакт _ Рг(373 + (1)Е1 .	13)
Рст	p1(273 + t2)R2,
Мфакт _ p2(273+t1)R1	14)
NCt p1(273+t2)R2
где рг — стандартное барометрическое давление; р2 — фактическое барометрическое давление; — стандартная температура воздуха; t2 — фактическая температура воздуха; Rj — газовая постоянная, соответствующая стандартным условиям: Ri = p1V1/TI; R2 — то же для фактических уловий: R2 = Р-^У^/Т-^, (Pi = 273 + tp Т2 = 273 + t2).
Из приведенных уравнений следует, что при перемещении нагретого выше 20°С воздуха (например, после калорифера) напорная характеристика займет положение ниже каталожной характеристики. Следовательно, чтобы переместить то же количество нагретого воздуха с тем же давлением потребуется увеличить частоту вращения вентилятора и увеличить потребляемую им мощность.
С учетом указанных особенностей ранее выведенные для насосов уравнения (3.3), (3.5) могут использоваться для определения энергопотребления вентиляторами.
В отличие от вентиляторов степень сжатия воздуха в компрессорах и воздуходувках значительно выше. В воздуходувках степень сжатия 2—3, а в компрессорах 5—6 и выше.
В воздуходувках сжатый воздух не охлаждается, поэтому в них имеет место адиабатический процесс. В компрессорах сжатый воздух охлаждается, следовательно, в них имеет место изотермический процесс, т.е. сжатие и перемещение воздуха происходит при одной и той же температуре.
Мощность, кВт, потребляемая турбокомпрессором, согласно [134] определяется выражением
N =-------------(3.15)
102T]H3T]ogT]M
где рнач — начальное давление, кгс/м2; QceK — секундная подача, м3/с; ркон — конечное давление, кгс/м2; т]из = 0,52+0,69 — изотермический КПД; Г)об = 0,98+0,99 — объемный КПД; Г)м = 0,83+0,89 — механический КПД.
В воздуходувках, где охлаждение сжимаемого воздуха (газа) отсутствует, имеет место, как упоминалось выше, адиабатический процесс. Согласно [153] при обычной для турбовоздуходувок степени сжатия ркон/рнач = 2+3 отношение работы адиабатического процесса к работе изотермического процесса равно: 1ад/^из = 1,106 + 1,175. Откуда следует, что для определения мощности, потребляемой воздуходувкой (с учетом перемещения воздуха и его сжатия), может использоваться уравнение (3.15) с введением повышающего коэффициента 1,10—1,17. Следовательно, мощность, потребляемая воздуходувкой, равна:
2,3Plla4Q^Kl^
N = (1,1+1,17)-----------^-,	(3.16)
102т1изт]обПм
Используя значения мощности, потребляемой компрессорами и воздуходувками (3.15), (3.16), и подставляя в них значения наибольшей секундной подачи QceKg и соответствующие этой подаче значения конечного давления ркон б и pHa4g можно най
ти значение наибольшей потребляемой компрессорной или воздуходувной установкой мощности N6.
Подставляя значение N6 в уравнение (3.5), определяем количество потребляемой установкой энергии в расчетное время Т (например, за год):
W=^(l + X)[(l+Hp+X2(l-H;)]v,	(3.17)
Пэд
где X — отношение наименьшей подачи к наибольшей; Н$ — относительное фиктивное давление воздуходувной машины при нулевой подаче, определяемое по характеристикам компрессоров и воздуходувок, согласно указаниям § 1.1; у — понижающий коэффициент, значение которого зависит от количества работающих машин m и относительного противодавления Нп (рис. 3.2).
В воздуходувных установках статическое противодавление, вызванное разностью геодезических отметок, отсутствует. Однако противодавление может быть обусловлено давлением параллельно работающих агрегатов или давлением воздуха (газа) в ресивере.
При пользовании графиком = f(m, Нп) следует иметь в виду, что эти зависимости построены для насосов с Нф = 1,25-5-1,45. В воздуходувных машинахНф = 2 -5-3. В этом случае предлагаемая методика подлежит соответствующей корректировке в соответствии с реальными значениями Нф, определяемыми для конкретных видов и типов воздуходувных машин.
3.3.	ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ
Вспомогательные системы в своем составе содержат разнообразные электроприемники, в том числе электроприводы центробежных, водокольцевых и шестеренчатых насосов, компрессоров, задвижек и затворов, транспортеров, дробилок, граблей и сеток, тельферов и кранов. Обычно даже на крупных насосных станциях мощность каждого из этих механизмов сравнительно невелика — от 1 до 15 кВт. Исключение составляют электроприводы дробилок, мощность которых доходит до 75 кВт,
и электроприводы осушительных насосов, мощность которых в крупных насосных станциях достигает нескольких сотен киловатт.
Аналогичное положение дел имеет место в воздуходувных установках. Вспомогательные системы, например насосы охлаждающей воды турбокомпрессоров, системы охлаждения смазочных систем и другие, имеют сравнительно небольшую мощность (десятки киловатт). В редких случаях на очень крупных газокомпрессорных станциях вспомогательные системы, например, системы охлаждения газа (АВО-газа), на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов имеют суммарную мощность 600—700 кВт. Но в этом случае их следует считать самостоятельными технологическими объектами энергопотребления с вытекающими отсюда последствиями.
Общим для вспомогательных систем является периодический, кратковременный режим работы. Электроприводы таких механизмов, как задвижки, затворы, осушительные насосы и некоторые другие, работают эпизодически и кратковременно.
По этим причинам доля потребления этих систем и механизмов в общем балансе энергопотребления сравнительно невелика и составляет примерно 2—3%. Количество электроэнергии, потребляемой этими системами, зависит от разнообразных причин. Так, например, энергопотребление насосов дренажных систем зависит от общего состояния оборудования и строительных конструкций насосной станции. При хорошем состоянии сальников насосов, задвижек, затворов, при отсутствии течи через стены и другие элементы зданий насосных станций дренажные насосы включаются редко, продолжительность их работы незначительна и, следовательно, энергопотребление невелико.
Насосы осушительных систем включаются при аварийном затоплении помещений насосных станций, а также при плановых проверках состояния оборудования. Отсутствие аварийных ситуаций снижает потребление энергии этими агрегатами до нуля. Сказанное справедливо и для насосов систем пожаротушения.
3.4.	РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫЕ НУЖДЫ
Отопление и вентиляция. Для обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонала в насосных и воздуходувных станциях поддерживается температура не ниже +16°С и влажность 40—60%, а в тех помещениях, где постоянного присутствия персонала не требуется (помещения распределительных устройств, вращающихся сеток и др.) — не ниже +5°С. Верхний предел температуры поддерживается в диапазоне 25—30°С, что требуется не только для обеспечения нормальных условий для обслуживающего персонала, но и для обеспечения работоспособности оборудования.
Необходимый температурно-влажностный режим обеспечивается в помещениях системами отопления и вентиляции.
Системы отопления объектов, расположенных в зоне действия тепловых сетей, присоединяют к этим сетям. В противном сдучае сооружают собственные котельные, которые оборудуют электрическими водогрейными котлами или котлами, работающими на органическом топливе.
В насосных установках получили распространение электрические водогрейные котлы. В котлах этого типа вода используется как проводник, через который пропускают ток. Вода нагревается в зазорах между фазовыми электродами и электродами, соединенными с нулем электрической сети и корпусом котла. Котлы этого типа изготавливаются мощностью 25,60,100,250,400 и 1000 кВт. Регулирование мощности котла осуществляется путем изменени-я площади электродов, погружаемых в воду. Диапазон регулирования мощности котлов этого типа от 10 до 100%.
Кроме электрических водогрейных котлов, для отопления насосных станций используются также электрические печи сопротивления с трубчатыми электронагревателями (ТЭН). Используются ТЭН различной мощности (от 0,3 до 5 кВт).
Доля электроэнергии, потребляемой системой электрического отопления, сравнительно с другими хозяйственно-бытовыми потребителями и вспомогательными системами достигает наибольшего значения и доходит до 6% общего энергопотребления насосных станций.
В насосных установках и на других объектах, оснащенных котлами, работающими на органическом топливе и получающими тепловую энергию из теплосети, потребление электроэнергии незначительно, так как она расходуется преимущественно подпиточными, циркуляционными и другими насосами, мощность которых невелика. Однако в этом случае насосные станции потребляют большие количества тепловой энергии или органического топлива (газа, угля).
Количество потребляемой тепловой энергии в значительной мере зависит от состояния отопительной системы, а также исправности дверных, оконных проемов и других элементов здания.
Системы вентиляции насо'сных станций не относятся к энергоемким потребителям, тем не менее в канализационных насосных станциях, особенно глубокого заложения, расход электроэнергии на вентиляцию достигает 1—2%.
Электроосвещение. В качестве источников света используются лампы накаливания, газоразрядные, в том числе люминесцентные низкого давления и ртутные высокого давления. Электроосвещение насосных станций подразделяется на: рабочее, ремонтное, охранное и аварийное.
Рабочее освещение обеспечивает освещенность в машинных залах 20—50 лк при использовании ламп накаливания и 50— 100 лк — люминесцентных ламп. В помещениях щитов управления и местных диспетчерских пунктов (МДП) освещенность должна быть 50—100 лк при использовании ламп накаливания и 100—150 лк — люминесцентных ламп.
Ремонтное освещение осуществляется переносными ручными светильниками, присоединяемыми к электросети напряжением 12 В.
Охранное освещение размещают вдоль ограждения территории станции, в ряде случаев его совмещают с наружным освещением территории и обеспечивают освещенность до 5 лк.
Аварийное освещение включается в работу автоматически при отключении рабочего освещения. Светильники аварийного освещения питаются от аккумуляторных батарей. При их отсутствии персонал станции обеспечивается переносными фонарями с аккумуляторами. Аварийное освещение обеспечивает на дис
петчерских пунктах и щитах управления примерно 20—30% нормальной освещенности, а в остальных помещениях — до 5%.
На освещение расходуется обычно 1—2% общего потребления электроэнергии.
3.5.	БАЛАНС ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
При рассмотрении режима энергопотребления насосных станций установлено, что на долю основных насосных агрегатов, обеспечивающих перекачку жидкости, расходуется от 75 до 95% всей потребляемой электроэнергии. Причем эта доля тем больше, чем больше насосная установка.
В насосных установках, оборудованных агрегатами мощностью 800—1000 кВт, свыше 90—95% потребляемой электроэнергии расходуется основными агрегатами. В небольших насосных установках (особенно тех, в которых электроэнергия используется для отопления помещений насосной станции и других нужд) с агрегатами мощностью до 160 кВт, эта доля потребляемой электроэнергии снижается до 75% общего потребления станции, а в ряде случаев (в мелких насосных установках) и до 50%.
От 5 до 10% общего потребления электроэнергии расходуется на отопление зданий насосных станций. Вспомогательные системы и механизмы насосных станций потребляют 2—3% общего расхода электроэнергии. Системы вентиляции и электроосвещения обычно потребляют по 1—2% общего расхода электроэнергии. Кроме того, некоторая часть потребляемой электроэнергии расходуется на питание приборов сигнализации, контроля, оперативных устройств (выключателей, реле и т.п.) и устройств автоматики.
Изложенные выше положения, иллюстрируются диаграммой, представленной на рис. 3.3.
В ряде случаев через распределительные устройства насосных станций осуществляется потребление электроэнергии субабонентами, которые к непосредственным потребителям насосных станций не относятся. Следует иметь в виду, что при составлении энергетического баланса станции их учитывать необходимо. Для учета электроэнергии, потребляемой субабонентами, необходимо устанавливать отдельные счетчики.
Рис. 3.3. Диаграмма энергопотребления насосных станций в зависимости от подачи, <2ГОД:
1 — перекачка воды и стоков; 2 — отопление; 3 — вспомогательные механизмы и системы; 4 — вентиляция; 5 — электроосвещение; 6 — оперативные цепи
Из рассмотрения баланса энергопотребления видно, что наиболее энергоемкими потребителями являются основные насосные агрегаты, осуществляющие перекачку жидкости. Потребление электроэнергии основными агрегатами в наибольшей степени зависит от технологического процесса транспортировки воды (см. §3.1). Для обеспечения экономичной работы насосной установки должна быть, прежде всего, обеспечена экономичная работа основных насосных агрегатов. Разумеется, при этом необходимо также уделить внимание вспомогательным системам и механизмам, устройствам вентиляции, отопления и освещения. Однако наибольшее внимание следует уделять режимам работы основных агрегатов.
Воздуходувные установки и станции более разнообразны по своему назначению, компоновке, конструкции. Очень часто они
входят в состав других установок и размещаются в помещениях других производств и цехов, поэтому дать достаточно обоснованный баланс энергопотребления для воздуходувных установок в целом затруднительно. Тем не менее, и для воздуходувных установок и станций можно сделать вывод, что наиболее энергоемкими потребителями в них являются основные воздуходувные агрегаты: компрессоры, воздуходувки и вентиляторы, поэтому для воздуходувных установок в первую очередь должна быть обеспечена экономичная работа основных агрегатов.
Глава четвертая
ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НАСОСНЫХ
И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ
4.1.	ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ, СВЯЗАННЫЕ С НЕРАЦИОНАЛЬНЫМ ПОВЫШЕНИЕМ
НАПОРА
Насосные установки работают с повышенным напором из-за увеличения гидравлического сопротивления системы трубопроводов, колебаний уровня жидкости в приемных и напорных резервуарах, а также из-за несоответствия режиму работы насосов режима притока или потребления жидкости.
Повышение напора в результате изменения гидравлического сопротивления зависит от расхода жидкости и влияет на значение динамической составляющей напора v2/(2g), развиваемого насосной установкой, изменяет крутизну характеристики трубопровода (см. рис. 2.4).
Изменение напора в результате колебаний уровня не зависит от расхода жидкости и влияет только на значение статической составляющей напора Нст, развиваемого насосной установкой. При этом крутизна характеристики Q—Н не меняется, а меняется ее положение в координатах Q и Н. При увеличении статической составляющей характеристика трубопровода перемещается вверх, при уменьшении — вниз (см. рис. 2.7).
Увеличение гидравлического сопротивления системы. Одной из распространенных причин увеличения гидравлического сопротивления труб является их внутренняя коррозия, в результате которой снижается пропускная способность трубопроводов и возникает необходимость в повышении напора, создаваемого насосной станцией, чтобы при повышенном гидравлическом сопротивлении обеспечить подачу того же количества жидкости.
Наряду с коррозией источником дополнительного гидравлического сопротивления является низкое качество труб и небреж
ный монтаж трубопроводов. Трубы, изготовленные со значительными отклонениями от установленных размеров и геометрической формы, при соединении друг с другом образуют уступы, которые увеличивают гидравлическое сопротивление трубопроводов. Такой же отрицательный эффект создают сварочные швы, выполненные с низким качеством.
Источником возникновения дополнительного гидравлического сопротивления является также низкий уровень эксплуатации оборудования насосных установок и системы трубопроводов. Из-за невнимательности эксплуатационного персонала возможно неполное открытие затворов и задвижек. Имеют место случаи, когда после завершения ремонтных работ остаются закрытыми некоторые задвижки и затворы. В результате отдельные участки трубопроводов остаются выведенными из работы, что также является причиной повышения напора в системе транспортировки жидкости и требует дополнительных затрат электроэнергии.
В ряде случаев увеличение гидравлического сопротивления обусловлено неудачной конструкцией трубопроводной арматуры. Например, запорный орган обратных затворов существующей конструкции удерживается в открытом состоянии подъемной силой движущегося потока жидкости. При работе насоса с пониженной подачей уменьшается скорость потока жидкости, вследствие этого уменьшается его подъемная сила. В результате поворотный диск обратного затвора поворачивается на небольшой угол и частично остается в потоке, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления и дополнительным потерям электроэнергии.
Выявить такие и им подобные источники повышения гидравлического сопротивления можно при плановых и выборочных внеплановых испытаниях водоводов, магистралей и отдельных трубопроводов сети. В ходе таких испытаний должны быть построены характеристики трубопроводов и сделано их сравнение с результатами расчетов и предыдущих испытаний.
Увеличение крутизны фактической характеристики трубопровода, по сравнению с расчетной крутизной или построенной по результатам предыдущих испытаний, указывает на то, что в трубопроводе появились дополнительные сопротивления и необходимо принять меры к их обнаружению и устранению. Меры по
снижению гидравлических сопротивлений и вызванных ими изменений напоров рассмотрены в гл. 5.
Однако и при идеальном состоянии труб и трубопроводной арматуры может наблюдаться необоснованное (нерациональное) превышение напора, обусловленное несоответствием режима притока или потребления жидкости режиму работы насосов. В результате несоответствия (несогласованности) режимов работы насосов с режимом работы системы подачи и распределения воды может иметь место превышение динамической составляющей напора или статической составляющей, или обеих составляющих вместе.
Работа насосной установки с превышением динамической составляющей напора. Как известно, динамическая составляющая напора, развиваемого насосной установкой, зависит от расхода жидкости:
h№H = SQP,	(4.1)
где р — коэффициент, зависящий от материала труб, качества монтажа трубопровода и срока его службы, р = 1,8-г-2,0.
При работе насосной установки с подачей меньше расчетной возникает несоответствие между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым для подачи того или иного количества жидкости (имеет место превышение напора насоса). Сравнение характеристик центробежных насосов и трубопроводов показывает, что при уменьшении подачи воды требуемый напор уменьшается, а развиваемый насосом напор увеличивается.
Разность значений этих напоров и есть превышение напора сверх требуемого значения:
АН = Нн-Нс.	(4.2)
Из графика совместной работы насоса и трубопровода (см. рис. 2.4) видно, что значение АН тем больше, чем круче характеристики насоса и трубопровода, и тем больше, чем меньше фактическая подача насоса по сравнению с расчетной.
Подстановкой в (4.2) значений Нн и Нс из (1.1) и (2.1) после некоторых преобразований получена зависимость превышения напора от расхода Q и параметров Нф и Нст, характеризующих крутизну характеристик насоса и трубопровода:
ЛН = АНф[1 - (QM/Q6)2],
(4.3)
где АНф = Нф-Нст; остальные обозначения приняты такие же, как в выражениях (1.1) и (2.1).
Напор АН теряется в затворах и задвижках, дросселирующих напорные коммуникации, в водоразборных кранах и другой арматуре, через которую потребитель отбирает жидкость из системы.
На превышение напора нерационально расходуется дополнительная мощность, кВт:
АМ = 9,81^^,	(4.4)
Пн
где обозначения те же, что ив (3.1).
Если насос работает в течение времени t с превышением напора АН, то количество бесполезно теряемой электроэнергии, кВт-ч, равно:
AW = А№.	(4.5)
В течение расчетного периода подача и, соответственно, превышение напора все время меняются. При этом получаемый перерасход электроэнергии за расчетный период определяется как сумма электроэнергий, расходуемых в разные периоды времени работы установки:
УОг-АШ
AW, =9,81^-^—(4.6)
Пн
где Qf, АН; — подача и превышение напора за промежуток времени t;.
Выражением (4.6) удобно пользоваться в тех случаях, когда установка значительные промежутки времени работает в равномерном режиме. При переменном режиме работы бывает затруднительно определить, сколько времени установка работает с той или иной подачей, и какое превышение напора соответствует этой подаче.
Переменный режим работы характерен для многих насосных установок, в частности, работающих в системах водоподачи и во-
доотведения. Используя в этих случаях тот же прием, что и в § 3.1, представляем зависимость подачи от времени в виде упорядоченной диаграммы [см. уравнение (3.4)], а после некоторых преобразований получаем выражение, определяющее расход электроэнергии на нерациональное превышение напора за время Т:
АИ^
= N6T
^-1
Hl
(1-Х)(1+Х)2
(4.7)

Обозначив выражение в фигурной скобке через и/*, выражение (4.7) приводим к виду:
АИЛ, = N6Tw*,	(4.8)
где N6 — наибольшая потребляемая мощность установки, кВт; w — параметр, характеризующий относительные потери электроэнергии, вызванные превышением напора АН.
Значение w* зависит от фиктивного напора Н$, который характеризует крутизну характеристик насоса, от относительного статического напора Н*, который определяет крутизну характеристики трубопровода, и от относительной минимальной водоподачи X.
Поскольку фиктивная высота подъема воды однотипных насосов примерно одинакова (для чистой воды ~ 1,25, для сточных вод Нф ~ 1,45), могут быть построены расчетные кривые для различных групп насосов, с помощью которых существенно облегчаются вычисления потерь энергии, вызванных превышением напора насоса. На рис. 4.1 представлены расчетные кривые w = /(X, Нп) для водяных и фекальных насосов. С помощью зависимости (4.8) можно построить расчетные кривые для других видов насосов. Ниже приводится пример расчета с использованием расчетных кривых.
Пример 4.1. На водопроводной насосной станции насос типа Д3200-75 подает воду на высоту Нп = 36 м, развивая при максимальной подаче Q6 = 1,0 м3/с, напор Нб = 60 м, минимальная подача QM = 0,5 м3/с. Регулирование режима работы насоса осуществляется дросселированием задвижкой на напорной линии. Время работы установки в расчетный период времени (год) 8760 ч.
Рис. 4.1. Зависимость относительных потерь электроэнергии при дросселировании насосов от параметров X и Нп: а — для чистой воды; б — для сточной жидкости
Решение. Вычисляем относительную минимальную подачу X = QM/Q6 = 0,5/1,0 = 0,5 и относительный статический напор НПЛ = Нп/Нб = 36/60 = 0,6.
Относительные потери электроэнергии, соответствующие этим значениям X и Н*, определяем с помощью расчетных кривых (рис. 4.1,a): w~ = 0,182.
Вычисляем наибольшую потребляемую мощность насосной установки по формуле (3.1): N6 = 9,81-1-60/0,85 ~ 692,5 кВт.
Расход электроэнергии на превышение напора в этой установке определяем по (4.8): AWX = 692,5-8760-0,182 ~ 1104067 кВт-ч.
Работа насосной установки с превышением статической составляющей напора. В ряде насосных установок наблюдается изменение не динамической, а статической составляющей напора. Оно возникает за счет колебаний уровня в приемном или
Рис. 4.2. Схема насосной установки с переменным статическим напором:
УВ — уровень включения; УО — уровень отключения; 1 — насос;
2 — приемный резервуар
Рис. 4.3. График совместной работы насоса, трубопровода и резервуаров с переменным статическим напором:
1 — характеристика трубопровода при нижнем уровне;
2 — то же при верхнем уровне; 3 — характеристика насоса
напорном резервуаре установки, а также при колебании уровня воды в водоеме, из которого забирает воду насосная станция. Такой режим особенно характерен для насосных установок систем водоотведения, в том числе систем осушения, канализации и т.п. Эти установки работают обычно циклически. При наполнении резервуара насосы включаются в работу, при опорожнении отключаются. Схема такой установки представлена на рис. 4.2, а график совместной работы насоса, трубопровода и резервуара — на рис. 4.3. В циклическом режиме работы (рис. 4.3) при включении в работу насоса статический напор равен Нп1, а при отключении соответственно становится равным Нп2. Изменение статического напора определяется разностью отметок уровня включения (УВ) и уровня отключения (УО) насоса.
По этой причине характеристика трубопровода в начальный период откачки занимает положение 1, а в конце — положение 2. При этом рабочая точка насоса, работающего с постоянной частотой вращения, перемещается по напорной характеристике насоса от точки а до точки б, т. е. насос работает с переменным напором от На до Нб.
Необходимо отметить, что такой режим работы связан с многократными включениями-отключениями насосных агрегатов (30—40 включений-отключений в сутки, в отдельных случаях до 100 включений-отключений в сутки), что способствует возникновению гидравлических ударов в напорных трубопроводах, повреждению обратных клапанов и электротехнической пусковой аппаратуры (контакторов, магнитных пускателей).
Если бы удалось обеспечить такой режим работы установки, при котором насос в каждый момент времени откачивает из резервуара столько жидкости, сколько ее туда поступает, то уровень можно было бы стабилизировать на верхней отметке УВ.
Очевидно, что перекачка жидкости с более высокого уровня требует меньших затрат электроэнергии, чем с нижнего. При этом создается более экономичный режим работы насосной установки. Такой режим может быть обеспечен путем изменения частоты вращения насоса. При этом рабочая точка насоса перемещается по характеристике трубопровода от точки а до точки в (рис. 4.3), т. е. насос работает с переменным напором от На до Нв. Нетрудно видеть, что в таком режиме работы развиваемый насосом напор меньше, чем в предыдущем. Следовательно, и расход электроэнергии на перекачку одного и того же объема жидкости меньше при стабилизации уровня в резервуаре на верхней отметке УВ, чем при циклическом режиме работы.
Кроме того, равномерная работа насосных агрегатов исключает их многократные включения и отключения, что благотворно влияет на повышение надежности и долговечности работы технологического и электротехнического оборудования насосных установок, уменьшается количество разрушений напорных трубопроводов из-за гидравлических ударов, уменьшается количество повреждений обратных клапанов и электрических пусковых устройств (контакторов, магнитных пускателей).
В [60, 128] приведен вывод уравнения, позволяющего вычис-
лить перерасход электроэнергии, который имеет место в циклическом режиме работы установки:
AWx=N6T^x
Н>|(1-Н‘)(1 + Х)2 -,
(4.9)
где ЛНф - Нф-Нп1; &НП = Нп2-Нп1; прочие обозначения приняты те же, что и в предыдущих уравнениях.
Уравнение (4.9) громоздко и неудобно для использования при вычислениях, поэтому оно приводится к тому же виду, что и (4.8):
&Wx = N6Tw*. (4.10)
Рис. 4.4. Зависимость относительных потерь электроэнергии при ступенчатом регулировании насосов от параметров X и Н*
Графические зависимости w = /(X, Нп) для рассматриваемого случая представлены на рис. 4.4. Эти расчетные кривые используются аналогично рассмотренным ранее на рис. 4.1.
Анализ режимов работы действующих насосных установок различного назначения показывает, что на превышение динамической составляющей напора в насосных установках в зависимости от местных условий обычно расходуется до 15%, а в отдельных случаях до 25% электроэнергии, затрачиваемой на транспортировку жидкости. На превышение статической составляющей напора расходуется до 5—10%, а в
отдельных случаях до 20% электроэнергии, затрачиваемой на транспортировку жидкости.
Из приведенных выше рассуждений видно, что для устранения потерь электроэнергии в насосных установках, вызванных превышениями напора, необходимо обеспечить такой режим, при котором рабочая точка насоса перемещалась бы по характеристике трубопровода, а уровень в приемном резервуаре стабилизировался бы на верхнем максимально допустимом уровне.
При подаче жидкости насосной установкой в напорный резервуар (например, в водонапорную башню) насосный агрегат включается в работу при опорожненном резервуаре до заданного нижнего уровня, а отключается при достижении заданного верхнего уровня. Затем цикл повторяется.
При таком режиме работы превышение напора в насосной установке возникает при размещении датчика верхнего уровня в резервуаре на слишком высокой отметке, а также при его ненадежной работе. Особенно часто такие случаи имеют место в системах сельскохозяйственного водоснабжения. При низких температурах наружного воздуха датчики уровня в резервуаре, установленные без подогрева, выходят из строя. Из-за этого уровень воды в баке резервуара (водонапорной башни) поднимается до уровня переливной трубы. В результате расходуется электроэнергия не только на подъем воды сверх необходимого уровня, но также на перекачку воды, бесполезно вытекающей из бака башни. В зимнее время такой ненормальный режим работы приводит к образованию сосульки больших размеров и, как следствие, к повреждению водонапорных башен.
Работа насосной установки с превышением динамической и статической составляющих напора. Часто возможна работа насосной установки с превышением как статической, так и динамической составляющих напоров. В этом случае одновременно изменяются и крутизна характеристики трубопровода и ее положение по высоте в координатах Q и Н (рис. 4.5).
Кривые 12—14 показывают зависимость динамических потерь напора в трубопроводе от расхода при различных гидравлических сопротивлениях. Кривые Пг—П4 являются характеристиками трубопровода при разных значениях статической высоты подачи жидкости и гидравлического сопротивления. Этим графи-
Рис. 4.5. График совместной работы насоса при переменных динамической и статической составляющих напора:
I — изменение потерь напора в трубопроводе в зависимости от разных значений гидравлического сопротивления; II — характеристика трубопровода при разных значениях гидравлического сопротивления и статической составляющей напора; III — напорная характеристика нерегулируемого насоса
кам соответствуют рабочие точки насосной установки 1—4. Точкам 2—4 соответствуют свои значения превышения напора, обусловленного как статической, так и динамической составляющими напора. Так, превышение напора, соответствующее рабочей точке 3, равно ДН3 = АНст3 + ДНдин3.
Определение потерь электроэнергии при одновременном превышении статических и динамических составляющих напора осуществляется с помощью уравнения (4.8) и расчетных кривых, представленных на рис. 4.1, поскольку в процессе работы превышения напора последовательно и равновероятно
принимают значения от 0 до ДН4. В этом режиме для определения потерь электроэнергии достаточно определить X = Q4/Q] и Н* = Нп1/Нг и далее по расчетным кривым (см. рис. 4.1) определить значение относительных потерь электроэнергии нА Дальнейший поря-
Рис. 4.6. Дросселирование насоса при максимальной подаче:
1 — характеристика трубопровода при открытой напорной задвижке;
2 — характеристика дросселированного трубопровода; 3 — характеристика нерегулируемого насоса
док расчета аналогичен ранее приведенному примеру 4.1.
Иногда, например при неполном развитии водопроводной сети, насосы дросселируют даже при максимальной подаче для данной насосной уста-
новки (рис. 4.6). В таких условиях насосная установка работает при наибольшей подаче Q6 с превышением напора АНб. Чтобы определить потери электроэнергии, можно также воспользоваться уравнением (4.8) и расчетными кривыми (см. рис. 4.1). Однако в этом случае приходится использовать искусственный прием с введением понятия «фиктивный режим работы». Под фиктивным режимом работы понимается такой режим, при котором насос работает в номинальном режиме, т.е. с номинальной подачей и номинальным напором, а водопотребление в си
стеме совпадает с его номинальной подачей. Следовательно,
дросселирование отсутствует.
Фиктивному режиму работы соответствует подача Qg-ф, напор Нб ф, а продолжительность расчетного периода Тф (рис. 4.7). Из графиков видно, что продолжительность расчетного периода Тф > Тб = 8760 ч, т.е. Тф больше, чем часов в году, поэтому такой режим и именуется фиктивным, т.е. реально не существующим. Тем не менее, путем использования фиктивных параметров (Тф, Q6 ф, Нб ф) можно определить реальные потери энергии в насосной установке, которая дросселируется в режиме наибольшей подачи (Q6).
Делается это следующим образом:
строим график совместной работы насоса и водовода, а так
Рис. 4.7. К расчету потерь энергии по фиктивным параметрам: 1 — напорная характеристика насоса; 2 — характеристика водовода;
3 — упорядоченная диаграмма водоподачи
же упорядоченную диаграмму водоподачи Q = (рис. 4.7);
полагая, что упорядоченная диаграмма водоподачи аппроксимируется прямой линией, продолжаем ее до пересечения с перпендикуляром, опущенным из точки Фг, (рабочая точка фиктивного режима);
из точки Ф2 (пересечение упорядоченной диаграммы с перпендикуляром, опущенным из точки Ф2) проводим горизонтальную линию до оси t, где отсекается значение Т$;
определяется фиктивное значение относительной минимальной водоподачи Хф1 = <2м/<2б.ф;
определяем фиктивное значение относительного противодавления Н*пф = Нп/Нбф;
для найденных значений Хф] и Н* ф по расчетным кривым (см. рис. 4.1) находим фиктивное значение относительных потерь энергии за время Гф: и/ф1 =/(А.ф1; Н*ф);
определяем фиктивное значение наибольшей потребляемой мощности, кВт:
^б.ф ~ 9,81Q6 фНб ф/т|;
вычисляем фиктивное значение потерь энергии АР7ф1 = = ^б.фТфИ'ф! за время Гф;
находим фиктивное значение относительной минимальной водоподачи А.ф2 = Q6/Q6^ за время Гф - Тб;
для значений Хф2 и Н*ф по расчетным кривым (см. рис. 4.1) определяем фиктивное значение относительных потерь энергии wф2 = /СА,ф2; Н*п.ф) за время Гф- Гб;
вычисляем фиктивное значение потерь энергии ДФИф2 = = ^б.фСТ’ф - гб)Ч2за вРемя гф - гб;
находим реальные потери энергии AW = АФИф1 - АУИф2 за время Тб.
Изложенные приемы расчета относятся к насосным установкам, в которых работает один насос. Однако они могут использоваться и для расчета насосных установок, состоящих из группы насосов. В этом случае в расчет потерь электроэнергии вводится снижающий коэффициент (р [128]:
AWj; = N6Tw*q,	(4.11)
где N6 мощность, кВт, потребляемая насосами при их наибольшей суммарной подаче; <р — снижающий коэффициент, значение которого преимущественно зависит от числа работающих насосов в режиме наибольших подач для данной установки (прочие факторы, например, изменение КПД и другие не учитываются). Значения снижающего коэффициента приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Число работающих насосов, т	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Снижающий коэффициент, <р	1,0	0,75	0,66	0,56	0,5	0 47	0,44	0,42	0,4	0,38
При работе нескольких насосов благодаря изменению числа работающих насосов превышение напора уменьшается, а в отдельные моменты отсутствует, что и учитывается введением снижающего коэффициента.
4.2.	ЗАТРАТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПЕРЕКАЧКУ УТЕЧЕК И НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ
Часть воды, подаваемой потребителю, бесполезно вытекает через неплотности в трубопроводной арматуре, в санитарно-тех
нических приборах и других устройствах. Кроме того, за счет превышения напора в сети через водоразборную арматуру потребителю подается воды больше, чем требуется.
Утечки и непроизводительные расходы достигают 20—25% общего расхода воды. На их перекачку расходуется дополнительно 20—25% электроэнергии, затрачиваемой на подачу воды. Кроме того, утечки и непроизводительные расходы воды попадают в канализацию, что также требует дополнительных затрат электроэнергии на их перекачку и обработку в системе водоотведения и очистки сточных вод.
Результатами экспериментальных исследований [130] установлено, что наибольшая доля утечек воды приходится на смывные бачки и составляет примерно 40% всех видов утечек и нерациональных расходов. Превышение напора увеличивает утечки через неплотности в поплавковом клапане, одновременно существенно повышается уровень воды в смывном бачке вплоть до переливного отверстия, через которое вода поступает в канализацию, что дополнительно увеличивает расход электроэнергии на перекачку и обработку сточных вод.
Экспериментальные исследования показали, что для стабилизации уровня воды в смывном бачке ниже переливного отверстия напор в трубопроводе перед бачком должен быть не больше 40 м.
Следующее место по утечкам воды после смывных бачков занимают непроизводительные расходы, составляющие до 23% общих потерь воды. Эти расходы также зависят от превышения напора в сети, а кроме того, и от колебаний температуры горячей воды в системе горячего водоснабжения.
Так, слишком большой напор в системе водоснабжения увеличивает непроизводительные расходы. Выборочное обследование ряда абонентских вводов в Москве показало, что напор на вводе потребителей часто превышает требуемый на 30—45%. Низкая температура горячей воды заставляет потребителя сливать большое количество воды в канализацию до тех пор, пока из системы не пойдет вода более высокой температуры. Минимальные расходы горячей воды имеют место при температуре 55—60°С.
Большое количество рассредоточенных потребителей в системе водоснабжения затрудняет устранение утечек полностью. Во всяком случае, устранение утечек у потребителей мало зависит
от эксплуатационного персонала насосных станций. Однако существует возможность уменьшить их за счет оптимизации режима работы насосных установок.
Оценить потери электроэнергии в насосных установках, вызванные утечками и непроизводительными расходами воды, можно следующим образом. Известно, что количество воды, вытекающей из отверстия, пропорционально корню квадратному из значения напоров:
Q1/Q2=a/h1/H2,	(4.12)
где Qj расход при нормальном напоре HT; Q2 то же при повышенном напоре Н2.
Следовательно, наличие повышенного напора в сети увеличивает утечки и непроизводительные расходы на значение
AQ = Q2-Qi=Qi
(4.13)
Расчеты, выполненные с учетом (4.13), а также экспериментальные исследования показывают, что повышенные напоры увеличивают утечки и непроизводительные расходы на 13— 20%, а общий расход воды — на 2—5% [51]. Соответственно увеличиваются затраты энергии на перекачку чистой воды, которая бесполезно сливается в лучшем случае в канализацию, а в худшем, через отверстия в трубах или в их сочленениях попадает в грунт или в помещения общественных и жилых зданий.
Чистая вода, попавшая в канализацию, смешивается со сточными водами и перекачивается канализационными насосными станциями на очистные сооружения, на что также расходуется электроэнергия. По нашей оценке 65—80% утечек и непроизводительных расходов попадает в канализацию, т.е. количество сточных вод увеличивается на 2—4%. Увеличивая количество сточной жидкости, утечки и непроизводительные расходы увеличивают эксплуатационные расходы очистных сооружений, в том числе расходы на оплату электроэнергии, потребляемой воздуходувками станций аэрации биологических очистных сооружений, поэтому меры, принимаемые к снижению утечек и непроизводительных расходов воды, следует
одновременно относить к энергосберегающим и ресурсосберегающим мероприятиям.
Следует отметить, что сокращение утечек и непроизводительных расходов, при существующих в России тарифах на чистую воду (3—6 руб/м3) и на прием сточных вод в канализации (2—5 руб/м3) и на электроэнергию (0,6—1,2 руб/кВт-ч), экономически более весомо, чем экономия энергии.
Более подробно экономика энерго- и ресурсосбережения будет рассмотрена в §6.1 и 7.3.
4.3.	ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ РАБОТЕ НАСОСОВ В РЕЖИМАХ, ОТЛИЧНЫХ
ОТ НОМИНАЛЬНЫХ
Ограниченная номенклатура насосов, отсутствие точных исходных данных при проектировании насосных установок и сетей, постоянное изменение условий эксплуатации и другие причины приводят к тому, что реальный режим работы насосных установок может существенно отличаться от расчетного. При этом возможны следующие основные варианты.
Работа насоса с подачей меньше расчетной и напором выше расчетного. Этому режиму соответствует график совместной работы насосной установки и трубопровода (рис. 4.8). Согласно графику большую часть времени установка работает с напором, значительно большим, чем это требуется для подачи нужного количества жидкости (рабочая точка б). Такой режим, как показано выше, влечет за собой повышение напора, увеличение утечек и непроизводительных расходов воды и как следствие существенный перерасход электроэнергии. При этом, как видно из графика, насос работает с КПД более низким, чем его номинальные значения Г1б < Г|ном.
Работа насоса с подачей больше расчетной и напором ниже расчетного. Этому режиму соответствует рабочая точка в (рис. 4.8). В этом случае насос также работает с КПД ниже номинального Г]в < Т|ном.
Работа насоса с КПД, отличающимся от номинального, влечет за собой увеличение потребляемой мощности и, как следствие, увеличение затрат электроэнергии на транспортировку жидкос-
Рис. 4.8. Работа насоса при КПД, отличающемся от номинального: А — расчетная характеристика трубопровода; Б — характеристика трубопровода с повышенным гидравлическим сопротивлением;
В — то же с пониженным
ти. При этом следует иметь в виду, что приводной электродвигатель обычно подбирается к насосу таким образом, чтобы номинальным параметрам насоса соответствовали номинальные параметры электродвигателя. Следовательно, при работе насоса в режиме, отличающемся от номинального, электродвигатель также используется не в номинальном режиме. Как известно, работа электродвигателя в режиме, отличающемся от номинального, связана с ухудшением его КПД и коэффициента мощности (costp), что ведет к появлению дополнительных потерь электроэнергии в электродвигателе и элементах электроснабжения.
Основными причинами неудачного подбора насосов и несоответствия его параметров режиму работы сети является отсутствие надежных исходных данных при проектировании системы транспортировки жидкости. Особенно это характерно для систем водоснабжения и водоотведения. Количество энергии,
теряемой из-за работы насосных агрегатов с Т]факт, отличающимся от номинального значения т]ном, определяют по формуле
Ю2Т)НОМ ^Лфакг
(4.14)
4.4.	ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ
В воздуходувных установках основные потери энергии обусловлены так же, как и в насосных установках, несоответствием режимов работы воздуходувных машин режимам работы потребителей, которые определяются изменением, температурного режима зданий, сезонными погодными условиями, потребностями производства в воздухе. Кроме того, потери энергии обусловлены несовершенством элементов, соединяющих воздуходувные агрегаты с воздуховодами. При этом имеют место повышенные потери напора и снижение КПД системы воздухопода-чи, вследствие этого происходит перерасход энергии.
Часто потери сжатого воздуха и, как следствие, потери энергии происходят из-за нецелевого использования сжатого воздуха. Так, в системах снабжения рудников и шахт сжатым воздухом из-за неудовлетворительной работы системы вентиляции имеет место стравливание сжатого воздуха, чтобы компенсировать недостаток воздуха, поступающего из системы вентиляции.
Однако, как и в насосных установках, основные потери энергии в воздуходувных установках имеют место:
при использовании неэкономичных способах регулирования режимов работы воздуходувных агрегатов (дросселирование и т.п.);
при повышении сопротивления воздуховодов;
при завышении мощности приводных электродвигателей воздуходувных машин.
Отсюда следует, что основные мероприятия по энергосбережению в воздуходувных установках аналогичны мероприятиям, проводимым в насосных установках, но с учетом специфики работы воздуходувных установок (см. §3.2).
Глава пятая
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ
5.1.	ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ — ОСНОВА УСТРАНЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Режим работы насосных и воздуходувных установок тесно связан с режимом работы всей системы транспортировки жидкости и воздуха. Одной из основных причин неэкономичной работы насосных и воздуходувных установок является несоответствие рабочих параметров насоса или воздуходувной машины (напор, давление, подача) режиму работы системы. В некоторых условиях могут возникнуть не только неэкономичные, но даже опасные для насосов и системы трубопроводов режимы работы.
Для обеспечения экономичных и безопасных режимов работы насосных и воздуходувных установок, прежде всего, необходимо правильно выбрать состав оборудования, определить наиболее экономичные сочетания совместно работающих разнотипных насосов или воздуходувных машин, устранить несоответствие параметров насосной или воздуходувной установки и сети за счет подбора рабочих колес различного размера или частоты их вращения.
На выбор насосов влияют разнообразные факторы: назначение насоса, схема насосной установки, режим притока и потребления жидкости, гидравлические параметры системы, свойства перекачиваемой жидкости, условия обслуживания насосных агрегатов и др. [44]. Точно также и выбор вентиляторов и других воздуходувных машин должен осуществляться с учетом номенклатуры выпускаемых промышленностью машин, их характеристик, а также режимов работы потребителей воздуха.
Как правило, насос должен использоваться в тех условиях работы, на которые он рассчитан, т.е. должен перекачивать те жидкости, для которых он предназначен. В противном случае
насосы работают в неэкономичном режиме и преждевременно выходят из строя. Например, использование водяных насосов, рассчитанных на подачу чистой воды, для перекачки сточной жидкости ведет к преждевременному износу проточной части насоса, ухудшению КПД, увеличению расхода энергии, усложнению и удорожанию обслуживания агрегата.
Тем не менее, из-за того, что номенклатура насосов, изготавливаемых промышленностью, ограничена, приходится применять насосы не по прямому назначению.
Если насосы перекачивают жидкости, отличающиеся по своим физико-химическим свойствам от расчетных характеристик, следует принимать специальные меры, обеспечивающие приемлемые условия их эксплуатации. Например, при использовании водяных насосов для перекачки загрязненных жидкостей нужно ограничить попадание в насос посторонних включений, увеличить зазоры в проточной части насосов путем обточки рабочих колес. Рекомендуется реконструкция сальниковых уплотнений и подшипниковых узлов, предусматривающая подачу в эти узлы чистой воды из технического водопровода для охлаждения и смазки лигнофолевых и резиновых подшипников и для создания гидравлических затворов в сальниковых уплотнениях.
Необходимы также организационно-технические меры: увеличение числа осмотров, проверок, ревизий и профилактических ремонтов. Целесообразно сократить продолжительность ремонтного цикла, чтобы обеспечить своевременную замену и восстановление изношенных деталей и узлов. Однако эти меры не всегда дают желаемый результат, поэтому более целесообразно применять, если возможно, близкие по своему назначению насосы. Например, для перекачки сточных вод можно использовать грунтовые или подобные им насосы.
Одним из важных требований является использование насосов в режимах, соответствующих их номинальным параметрам. Отклонение рабочих параметров насоса от номинальных влечет за собой снижение КПД и, как следствие, перерасход электроэнергии [см. уравнение (4.14)]. Сказанное не означает, что насосы могут работать только в одной жестко фиксированной рабочей точке. Допускается некоторое отклонение рабочих параметров от значений, указанных в каталогах, но при этом они не должны
выходить за пределы рабочей зоны насоса (на характеристиках насосов Q—Н она ограничена специальными знаками: вертикальными извилистыми или прямыми черточками и т.п.).
Использование насосов за пределами рабочей зоны в значительной мере ухудшает их КПД и в ряде случаев связано с переходом насосов в недопустимый режим работы. При уменьшении подачи может возникнуть помпаж, а при увеличении — кавитация.
При выборе насоса необходимо учитывать возможные изменения в гидравлической схеме насосной установки, поскольку от этого могут меняться условия работы насосных агрегатов. Например, при параллельном соединении насосов изменение числа работающих насосов или режима работы одного из них (изменением частоты вращения или степени дросселирования) влечет за собой изменение нагрузки других. При определенных условиях эти изменения могут привести к неэкономичным или недопустимым условиям работы насосных агрегатов.
Параллельная работа высоконапорных насосов с низконапорными агрегатами может привести к закрытию обратных клапанов низконапорных насосов, переходу их в режим холостого хода и к недопустимому нагреву жидкости в корпусе этих насосов и, как следствие, к нерациональному расходованию энергии.
Параллельная работа нескольких трубопроводов снижает общее гидравлическое сопротивление системы и влечет за собой увеличение подачи насосов, а последовательная повышает сопротивление, влечет за собой увеличение напора и снижает подачу. Вследствие этого выбор типа и марки насосов должен соответствовать возможным изменениям в гидравлической схеме насосной установки и системы в целом.
На выбор насосов влияют также колебания уровня или давления на входе в насосы. Особенное внимание должно быть обращено на обеспечение работы насосов без кавитации. Для этого необходимо, чтобы давление на входе в насос было больше критического, в качестве которого принимается давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости.
В тех случаях, когда насос используется в качестве повышающего (бустерного), возможно снижение давления на его всасывающей линии из-за чрезмерного отбора жидкости из сети низ-
н
Рис. 5.1. Приведение в соответствие расчетного и реального режимов работы насосов:
I — исходная характеристика насоса; II — то же с обточенным колесом; 1 — исходная характеристика трубопровода; 2 — то же дросселированного трубопровода
кого давления или из-за недостаточного сечения всасывающих линий. Необходимо контролировать давление на всасывающих линиях насосов так же, как и уровень в приемных резервуарах насосных станций.
Решающее влияние на режим работы насоса оказывают гидравлические параметры системы. Совместная работа насосной установки и сети трубопроводов возможна, если подача насоса равна расходу в сети, а развиваемый насосами напор равен потерям напора в системе и статической высоте подъема жидкости. Несоответствие параметров насосной установки и системы трубопроводов, выбор насосов с «запасом» по напору и расходу без принятия специальных мер ведут к появлению режимов перегрузки, явлений кавитации, помпажа и др.
При несоответствии расчетных и реальных параметров возникает такой режим работы, при котором или не обеспечивается требуемая подача жидкости потребителю, или подача осуществляется с повышенным энергопотреблением. Существуют различные способы приведения в соответствие реальных и расчетных режимов работы насосных установок.
На рис. 5.1 показана характеристика трубопровода 1, на которой расположена точка г, определяющая расчетные значения подачи QpaC4 и напора Нрасч. Здесь же показана характеристика насоса, который выбран с запасом по напору, его характерис
тика (кривая I) расположена выше, чем это необходимо. В результате реальная подача С2реал и реальный напор Нреал, значения которых определяются координатами точки д, оказываются больше расчетных значений. Для приведения в соответствие этих значений необходимо обточить рабочее колесо так, чтобы характеристика насоса заняла положение кривой II и прошла через расчетную точку г, или дросселировать трубопровод так, чтобы его характеристика заняла более высокое положение (кривая 2), а реальный расход сравнялся с расчетным.
Но при дросселировании развиваемый насосом напор превысит расчетное значение на некоторую величину АН, теряемую в дросселирующем органе затвора. В этом случае имеет смысл использовать обточенное рабочее колесо. Однако, принимая решение об обточке и замене колеса, следует быть уверенным в том, что расчетный режим будет продолжаться достаточно долго, и обратная замена рабочего колеса потребуется не скоро. При замене рабочих колес целесообразно использовать стандартные колеса меньшего диаметра, изготавливаемые промышленностью.
Отечественные насосы с колесами уменьшенного диаметра в своей маркировке содержат в зависимости от размера диаметра рабочего колеса литеру «а» или «б». Например, центробежный насос Д1250-65 с колесом нормального диаметра 460 мм в маркировке дополнительной литеры не содержит. Модификация этого же насоса с рабочим колесом 400 мм имеет маркировку Д1250-656. Если рабочее колесо подходящего диаметра отсутствует или стандартный диаметр не соответствует режиму работы насосного агрегата, рабочее колесо обтачивается по месту.
Размер обточки рабочего колеса согласно [37] определяется с помощью известных формул приведения:
при ns < 200
Q1/Q2 = А/А; HJH2 =(I\/D2Y;	(5.1)
при ns > 200
Q1 /0.2 - 7(A/A)3; A/h2 = (А/А )3,	(5.2)
где Qj и Нг — подача и напор насоса при нормальном диаметре рабочего колеса DA соответственно; Q2 и Н2 — то же при обточенном диаметре D2; ns — коэффициент быстроходности.
Коэффициент быстроходности ns есть частота вращения эталонного (геометрически подобного рассматриваемому) насоса, создающего при работе на воде напор, равный 1 м (Н = 1м), который дает подачу 0,75 м3/с при наибольшем значении КПД насоса. Этот коэффициент определяется по формуле
3,65n^QonT
4/w3
V14 опт
(5.3)
где п — частота вращения рассматриваемого насоса, об/мин; Qoirr— подача того же насоса при оптимальном значении КПД, м3/с; Нопт — напор того же насоса, соответствующий значению QonT, м.
В зависимости от значения ns рекомендуется производить обточки колес в следующих пределах:
Коэффициент быстроходности ns,.	60—120 120—200 200—300
Предел обточки, %................ . . 20—15	15—10	10—5
Превышение рекомендуемых значений пределов обточки рабочего колеса может привести к нарушению геометрического подобия потоков воды в корпусе насоса, вызвать дополнительные потери и ухудшить КПД насоса.
При решении практических задач формулами приведения следует пользоваться с большой осторожностью, поскольку они дают очень приблизительный результат.
Известны случаи, когда насосы с подрезанными колесами, диаметр которых был вычислен по формулам приведения, не обеспечивали требуемых параметров (подачи и напора). Здесь уместно сказать, что в технической литературе приводятся и другие формулы приведения для пересчета диаметров рабочих колес [43, 132].
В частности в [132] указывается, что подача Q пропорциональна диаметру в третьей степени D3, а мощность — диаметру в пятой степени D5. Это обстоятельство еще раз указывает на
Рис. 5.2. Пересчет характеристик насоса на другие диаметры:
I, II — исходные каталожные характеристики Q—Н насоса для диаметров Dj и D2, соответственно; III, IV — пересчитанные характеристики насоса для диаметров D3 и D4, соответственно;
необходимость осторожно пользоваться формулами приведения в практических целях.
Более надежный результат может быть получен при использовании способа расчета, применяемого в НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2». Способ расчета предусматривает использование каталожных характеристик того типа насоса, колесо которого предполагается обточить (рис. 5.2). По этим характеристикам определяются реальные, а не приблизительные значения показателей степени, которые используются в формулах приведения (5.1) и (5.2). Для этого на исходной характеристике насоса Q—Н выбираются две—три наиболее представительные точки, например точка 1, соответствующая номинальному режиму работы насоса, и точки, ограничивающие рабочую зону характеристики (Г, !")• На характеристике Q—Н того же насоса, оснащенного рабочим колесом уменьшенного диаметра, выбираются аналогичные точки: 2, 2', 2".
Уравнения (5.1) и (5.2) представляем в виде:
Q1/Q2 =^/Б2)к; HJH2 =(рг/Б2)1.	(5.4)
Логарифмируя уравнения (5.4), получаем выражения для определения показателей степени к и I для данного конкретного
типа насоса:
k__WJQ2).
lg(^/o2)’
lgpi/O2)’
(5.5)
(5.6)
Подставляя в (5.5) и (5.6), поочередно фактические значения Qi> Q2, D\> D2 для точек 1 и 2, 1' и 2', 1" и 2", получаем три значения к и три значения I. Вычисляем средние арифметические значения к и I, используя уравнения (5.4), пересчитываем параметры исходной характеристики Q—Н для характеристики Q—Н, соответствующей диаметру D3 или О4.
Q3=(D3/D1)fc; H3=(D3/D1)1;	(5.7)
Q4 = (DJDa )fc; H4 =(О4/Ц )г.	(5.8)
Недостаток описанного выше способа расчета заключается в том, что в каталогах не всегда приводятся характеристики насосов для двух значений диаметров. В этом случае может быть использован метод расчета В.Г. Гейнца, изложенный им в [16].
С использованием указанных выше способов расчета может быть решена обратная задача — определение диаметра рабочего колеса по требуемым значениям рабочих параметров.
Если нет уверенности в том, что работа насосных установок с пониженной подачей и напором будет продолжительной, прибегают к дросселированию напорных коммуникаций. Здесь уместно обратить внимание на то обстоятельство, что во многих системах расчетный режим характеризуется не одной, а множеством рабочих точек в широком диапазоне изменения подач и напоров. В этих случаях задача выбора насоса существенно усложняется и при определенных условиях не может быть решена подбором какого-либо одного насоса, работающего с постоянной частотой вращения. Для таких условий задача решается
установкой нескольких насосов с различными характеристиками или применением в насосном агрегате регулируемого привода, с помощью которого изменяется частота вращения одного или нескольких насосов. Совокупностью описанных приемов можно привести в соответствие режим работы насосной установки и сети при изменяющихся внешних воздействиях (изменение водопотребления, колебания уровня воды в источнике водоснабжения и пр.).
При выборе насосов должны учитываться также свойства перекачиваемой жидкости, прежде всего, ее вязкость. Вязкость может изменяться как при изменении температуры окружающей среды, так и под воздействием энергии, сообщаемой жидкости насосом.
Центробежные насосы, относящиеся к классу динамических насосов, предназначены для перекачки маловязких жидкостей. В некоторых случаях они используются для перекачки жидкостей, вязких при нормальных температурах и маловязких при повышенных.
В процессе эксплуатации одни и те же насосы могут использоваться для перекачки жидкостей различной вязкости, например нефтепродуктов. При изменении вязкости перекачиваемой жидкости возникает необходимость в изменении режима работы насосного агрегата.
При выборе насоса необходимо учитывать возможность попадания газообразных включений в перекачиваемую жидкость. Например, попадание воздуха в воду изменяет вид напорных характеристик насоса — их очертания становятся более крутыми. При этом уменьшается подача и развиваемый насосом напор [124].
При слишком большом содержании воздуха в воде (более 5%) применение обычных центробежных насосов недопустимо. Для перекачки водо-воздушных смесей должны применяться специальные типы насосов (водокольцевые и т.п.).
При выборе типа насосного агрегата необходимо также учитывать условия его обслуживания, в том числе тип помещения (закрытые или открытые), периодичность работы насоса, вид привода, способ регулирования, квалификацию персонала, число и тип имеющихся на объекте насосов, технические характе
ристики грузоподъемных механизмов, наличие ремонтной базы и др.
В любом случае выбор насосных агрегатов, кроме технических расчетов, должен сопровождаться экономическими расчетами, обеспечивающими минимизацию приведенных затрат [44, 141].
Особое внимание следует уделять обоснованию возможности совместной работы разнотипных насосов во всем диапазоне изменений режимов работы насосной установки. При параллельной работе насосных агрегатов требуется сохранение примерного равенства номинальных напоров в рабочей зоне характеристики, а при последовательной — равенства подачи. Следует иметь в виду, что насосы, работающие параллельно при максимальных подачах, не всегда смогут работать вместе при минимальных подачах и наоборот.
По этим причинам при выборе насосов необходимо анализировать совместный режим работы насосов и трубопроводов с определением рабочих параметров насосной установки в целом и каждого из агрегатов в отдельности. В ходе анализа необходимо учитывать все возможные режимы работы установки, т. е. во всем диапазоне изменения подач: от максимального до минимального значения, с учетом колебаний уровня жидкости в приемных и напорных резервуарах, а также изменения давления на входе в насосную установку и выходе из нее.
Не меньшее значение имеет правильный выбор оборудования и для воздуходувных установок. Покажем это на примере выбора типа вентилятора. Радиальные вентиляторы оснащаются рабочими колесами с лопастями, загнутыми назад или вперед.
С точки зрения энергосбережения, вентиляторы с лопастями, загнутыми назад, более предпочтительны, поскольку имеют более высокий КПД (от 0,77 до 0,85). Вентиляторы с лопастями, загнутыми назад, по сравнению с вентиляторами, имеющими загнутые вперед лопасти, экономят примерно 20% энергии. Тем не менее, вентиляторы с лопастями, загнутыми вперед, существуют, и в определенных случаях их применение целесообразно несмотря на более низкий КПД. Дело в том, что вентиляторы с лопастями, загнутыми вперед, создают более высокие давления (6000— 7000 Па), чем вентиляторы с лопастями, загнутыми назад.
Следовательно, при работе на одну и ту же сеть вентилятор, оснащенный рабочим колесом с лопастями, загнутыми вперед, при одном и том же диаметре рабочего колеса, т.е. при одних и тех же габаритных размерах обеспечивает большую подачу воздуха, чем вентилятор с лопастями, загнутыми назад, поэтому в ряде случаев оказывается более целесообразным установка вентиляторов с более низким КПД, но меньших габаритных размеров.
Другим важным фактором при выборе типа вентиляторов оказывается частота вращения рабочего колеса.
Для создания высокого давления и получения большого расхода воздуха приходится обеспечивать достаточно высокую частоту вращения рабочего колеса вентилятора. Ограниченный набор стандартных частот вращения электродвигателей (3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, 375 и 300 об/мин) заставляет прибегать к использованию клиноременных передач от электродвигателя к валу вентиляторов. Однако прочность клиноременной передачи ограничена. Поданным Г.Г. Вахвахова [12], предельная мощность, которая может быть передана клиноременной передачей, равна примерно 230 кВт. Кроме того, применение вентиляторов, работающих с высокой частотой вращения, в ряде случаев ограничивается из-за создаваемого ими большого шума.
Следовательно, при определенных условиях повышение частоты вращения рабочего колеса в целях увеличения давления и подачи воздуха невозможно, и приходится прибегать к использованию вентиляторов, оснащенных лопастями, загнутыми вперед.
Более подробно вопросы выбора типов вентиляторов и мощности их приводов рассмотрен в работе Г.Г. Вахвахова [12].
Аналогичные и другие проблемы возникают при выборе воздуходувных машин другого типа (компрессоров, воздуходувок и др.), но в любом случае и насосы, и вентиляторы, и компрессоры, и воздуходувки по своим техническим характеристикам, по конструкции и другим параметрам должны соответствовать условиям использования в конкретных условиях. Это является основой энергосбережения в насосных и воздуходувных установках.
5.2.	СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Если изменение режима водопотребления или притока сточных вод происходит достаточно часто, приходится оперативно регулировать режимы работы насосных установок.
Регулирование режимов работы насосных установок может осуществляться изменением количества работающих агрегатов, изменением гидравлической схемы насосной установки, дросселированием напорных линий, изменением частоты вращения рабочих колес всех или отдельных насосов, сбросом части воды из напорных коммуникаций во всасывающие. Часто регулирование режимов работы насосных установок осуществляется сочетанием упомянутых выше способов регулирования.
Как уже отмечалось, насосные установки могут состоять из нескольких насосных агрегатов, соединенных между собой или параллельно, или последовательно, или смешанным образом. Комбинируя различные способы соединения нескольких насосов и изменяя число работающих насосов, изменяем суммарную напорную характеристику насосной установки. На рис. 5.3,а представлена схема насосной установки, состоящей из двух групп насосов. Каждая группа состоит из двух подпорных и одного магистрального насосов. Подпорные насосы 3 и 4; 5 и 6 соединены между собой параллельно, а магистральные 1 и 2 соединены с подпорными последовательно.
На рис. 5.3,6 представлены графики совместной работы насосной установки и водоводов. Включение насосов в различных комбинациях позволяет получить довольно большое число рабочих точек, каждой из которых соответствуют свои значения подачи и напора. При этом способе регулирования излишние напоры ЛНА полностью не снимаются. Попутно отметим, что впоследствии магистральные насосы этой установки были оснащены регулируемым электроприводом [117].
При выборе насоса или группы насосов, включаемых в работу, необходимо учитывать значение и характер изменения подач, продолжительность работы установки с той или иной подачей, с минимальным числом включений или отключений насосных агрегатов при этом. Следует иметь в виду, что число включений
Рис. 5.3. Совместная работа последовательно-параллельно соединенных насосов и водовода:
а — последовательно-параллельное соединение насосов; б — график совместной работы насосов и водоводов; I — характеристика системы трубопроводов; а — напорная характеристика одного магистрального насоса (1 или 2); б — то же одного подпорного насоса 3 или 4 (5 или 6); в — суммарная характеристика двух магистральных насосов 1 +2; г — то же двух подпорных насосов 3+4; д — то же одного магистрального и двух подпорных насосов 1 +3+4; е — то же всей насосной установки 1+2+3+4+5+6; ж, з — то же трех и четырех подпорных насосов соответственно
крупных насосных агрегатов, не оборудованных устройствами плавного пуска, мощностью 2500—5000 кВт ограничивается 50— 120 включениями в год. Поэтому, если по опыту эксплуатации известно, что продолжительность работы одного из насосных агрегатов невелика и в скором времени предстоит его отключение и включение в работу другого агрегата, следует воздержаться от включения первого агрегата и сразу включать в работу второй, даже если некоторое время режим работы насосной установки не будет оптимальным. Такие решения должны быть заранее выданы оперативному персоналу насосной установки.
Устройства плавного пуска насосных агрегатов и воздуходувных машин рассматриваются в §6.4.
Для обеспечения экономичного использования насосных агрегатов рекомендуется большую часть времени держать в работе те, которые имеют более высокий КПД. Эта рекомендация подтверждается примером, приведенным в [162]. Увеличение времени использования насоса с высоким КПД и низкими удельными расходами электроэнергии (28—43,5 кВт-ч на 1000 м3 воды) с 4500 до 2700 ч в год позволило сократить годовое энергопотребление насосной установки на 264 000 кВт • ч без всяких дополнительных затрат, только за счет организации более экономичного режима работы насосной установки.
При организации режима работы разнотипных насосных агрегатов необходим критерий выбора времени перехода от одного насосного агрегата (или их группы) к другому. Для этого целесообразно построить для каждого насосного агрегата (или их группы) кривые удельных расходов энергии в зависимости от подачи. Точки пересечения этих кривых определяют значения подач, при которых целесообразно один из агрегатов включать в работу, а другой отключать [169].
Правильный подбор состава работающих насосных агрегатов еще не обеспечивает минимальных расходов электроэнергии на перекачку жидкости. При разнотипных насосных агрегатах следует, кроме того, правильно распределить нагрузку между ними и выявить границы их выгодного использования во всем диапазоне изменения подач насосной установки. При работе насосных агрегатов с постоянной частотой вращения для этого необходимо дросселировать в определенной мере тот или иной из
работающих насосов. Если насосный агрегат оборудован регулируемым приводом, чтобы обеспечить наиболее выгодное распределение нагрузок между работающими параллельно насосными агрегатами, необходимо соответствующим образом изменять частоту их вращения.
По этой причине системы автоматизации, предусматривающие использование регулируемого электропривода, осуществляют индивидуальное воздействие на электропривод каждого регулируемого агрегата для того, чтобы обеспечить относительно равномерную загрузку параллельно работающих разнотипных насосных агрегатов и удержание их в зоне оптимальных КПД.
Принцип относительно равномерной загрузки параллельно работающих разнотипных насосных агрегатов сформулирован и реализован В.Б. Чебановым в одной из действующих систем автоматического управления крупной насосной станции II подъема Москвы [152].
Дросселирование центробежного насоса возможно только в том случае, если насос имеет некоторое превышение напора по сравнению с требуемым значением. В пределах этого превышения осуществляется дросселирование насоса.
Критерием правильного распределения нагрузок между насосами является минимум суммарных затрат энергии параллельно работающих насосных агрегатов. Для большинства отечественных насосов, для которых характеристики N = f(Q) имеют вид вогнутых вниз кривых, минимум энергозатрат обеспечивается, если приросты мощности каждого из работающих параллельно насосных агрегатов равны:
_ dN2 _ dN3 _ = dN^_ dQ dQ dQ " dQ '
Это положение обосновано и сформулировано проф. Л.Ф. Мошниным в работах: «Повышение эффективности систем подачи и распределения воды», «Руководство по совершенствованию систем подачи и распределения воды городских водопроводов», «Рекомендации по внедрению в практику проектирования и эксплуатации систем водоподачи прогрессивных технических решений и обосновывающих их методов расчета» [106].
Во всяком случае, в первую очередь следует более полно загружать насосные агрегаты, у которых относительные приросты мощности меньше.
Изложенные принципы распределения нагрузки между работающими параллельно насосными агрегатами обеспечивают до 5% экономии электроэнергии. Оптимальное распределение нагрузок между насосными агрегатами, частота вращения которых может регулироваться, обеспечивает равенство КПД или удельных затрат электроэнергии этих агрегатов, удерживает рабочие точки насосных агрегатов в зоне оптимальных КПД, а удельные затраты энергии в зоне минимальных значений.
В насосных установках, оборудованных осевыми насосами, регулирование режима работы установок осуществляется обычно изменением угла поворота лопастей рабочего колеса. Промышленность изготавливает насосы, оснащенные поворотными лопастями и рассчитанные на подачу до 40м3/с и напор до 27 м [43]. В большинстве случаев насосы этого типа ограничены по напорам до 15 м. Осевые насосы используются в крупных низконапорных насосных установках систем орошения, шлюзов, водопроводных станций первого подъема, а также на водозаборах тепловых и атомных электростанций.
Рабочее колесо осевого насоса состоит из втулки обтекаемой формы, на которой укреплены поворотные лопасти. Расчетному положению лопастей соответствует угол их установки ф = 0. Угол ф может быть уменьшен или увеличен. Механизм поворота лопастей имеет ручной, электрический или гидравлический привод. При ручном приводе угол поворота изменяется только на неработающем двигателе. Наличие привода электрического или гидравлического позволяет регулировать подачу во время работы насоса. Диапазон изменения угла установки лопастей сравнительно широк от -(4-н10)° до +(2н-6)°. Возможность изменения угла установки лопастей позволяет изменять крутизну напорной характеристики насоса, и следовательно, регулировать его подачу и напор. При этом сохраняются сравнительно высокие значения КПД насоса.
Для регулирования режима работы крупных вертикальных насосов, кроме того, используются поворотно-лопастные входные направляющие аппараты (ВНА) [129], устанавливаемые непо-
Рис. 5.4. Схема входного направляющего аппарата (ВНА):
1 — корпус; 2 — обтекатель; 3 — поворотные лопатки; 4 — рабочее колесо регулируемого насоса
Рис. 5.5. Напорные характеристики насоса с ВНА:
1, 2 — при повороте лопаток ВНА на угол а - -10° и при а = +5°, соответственно. Для промежуточных значений а соответствующие характеристики расположены между кривыми 1 и 2
средственно перед входом в насос (рис. 5.4). Конструкция ВНА относительно проста для насосов с односторонним входом. Входной направляющий аппарат состоит из цилиндрического или конического корпуса, в котором размещается обтекатель и 9—12 поворотных лопаток, размещенных на равном расстоянии одна от другой по окружности корпуса. Направляющий аппарат снабжен устройством, обеспечивающим синхронный поворот лопаток на один и тот же угол.
Для автоматизации процесса управления устройство оснащается электроприводом. Отечественная промышленность освоила выпуск насосов типа 2400ВР-25/25 с ВНА. Изготовлено два головных образца насосов типа 1200ВР-6,3/100.
Поворот лопаток ВНА изменяет крутизну напорных характеристик насоса (рис. 5.5), благодаря чему изменение подачи насоса происходит без превышения напоров. Этим и обусловлена энергетическая эффективность такого способа регулирования, которая тем выше, чем ниже расчетный напор. Наиболее целесообразным считается применение этого способа регулирования в насосных установках водопроводных станций первого подъ
ема, оснащенных вертикальными насосами с односторонним входом, например типа В [129].
В [124] описывается также способ регулирования центробежных насосов впуском небольших количеств воздуха во всасывающую линию насоса. Количество впускаемого воздуха не должно превышать 10—14% подачи насоса. Впуск воздуха изменяет положение напорной характеристики насоса. Ввод 10% воздуха аналогичен по своему эффекту снижению частоты вращения насоса примерно на 12%. КПД насоса при этом, по данным [124], изменяется незначительно. Однако этот способ регулирования не получил распространения в практике водоснабжения, так как при этом возможно нарушение нормального водоснабжения из-за попадания воздуха в сеть трубопроводов и образования воздушных пробок.
Упомянутые способы регулирования хотя и снижают расход электроэнергии, но не обеспечивают минимально возможного ее потребления и имеют ограниченную область применения. Более высокую эффективность обеспечивают способы регулирования, основанные на изменении частоты вращения рабочих колес центробежных насосов.
В § 2.2 показано, что работа насоса с частотой вращения, определяемой уравнением (2.20), обеспечивает перемещение рабочей точки насоса по характеристике трубопровода, а не насоса, т.е. в этом случае избыточные напоры отсутствуют. Следовательно, при регулировании насоса путем изменения частоты вращения обеспечивается минимально возможное энергопотребление насоса.
При регулировании частоты вращения в соответствии с уравнением (2.20) снижение энергопотребления по абсолютному значению равно потерям, обусловленным превышением напоров, которое имеет место при работе насосов с постоянной частотой вращения. Откуда следует, что снижение потребления энергии при замене дросселирования регулированием частоты вращения насоса, может быть вычислено с использованием уравнений (4.7), (4.8) и расчетных кривых (см. рис. 4.1).
С использованием тех же уравнений и расчетных кривых вычисляется снижение энергопотребления при замене дросселирования в тех насосных установках, где наряду с изменени
ями расхода в системе происходят колебания напоров на всасывающих линиях насоса. Такой режим характерен для повышающих (бустерных) насосных станций систем городского водоснабжения. При этом одновременно снижаются до нулевого значения статические и динамические составляющие превышения напора.
При замене циклического регулирования насоса изменением частоты его вращения снижение энергопотребления вычисляется с помощью уравнений (4.9),(4.10) и расчетных кривых (см. рис. 4.4).
При выполнении расчетов следует иметь в виду, что уравнения (2.16)—(2.18) и кривые (см. рис. 4.1, 4.4) относятся к режиму работы одиночного насоса. Как отмечалось в §4.1, при параллельной работе нескольких насосов превышение напоров меньше, чем при работе одного большого эквивалентного насоса. Следовательно, потери электроэнергии при использовании нескольких насосов меньше, чем при работе одного большого насоса, поэтому снижение энергопотребления для нескольких параллельно работающих насосов следует вычислять, как для одного эквивалентного насоса с учетом снижающего коэффициента <р [см. (4.11)].
Рассмотрим пример расчета снижения энергопотребления.
Пример 5.1. Режим работы насоса Д1250-65 регулируется изменением частоты вращения его рабочего колеса. Требуется определить, на сколько снизилось его энергопотребление по сравнению с дросселированием напорной линии насоса (регулирование затвором).
Исходные данные для расчета:
наибольшая за расчетный период подача насоса в данной установке Q6 = 1250 м3/ч (0,348 м3/с);
напор, соответствующий наибольшей подаче, Нб = 65 м;
наименьшая за расчетный период подача насоса QM = = 375 м3/ч (0,104 м3/с);
статическая составляющая напора (разница геодезических отметок насосной установки и потребителя плюс свободный напор у потребителя) Нп = 35 м;
КПД насоса т]н = 0,85;
длительность в часах расчетного периода Г = 1 год (8760 ч).
Решение. Мощность, потребляемая насосом, при наибольшей подаче согласно (3.1):
= 9,81QA = 9,81-0,348-65 =
Пн	°-85
относительная минимальная подача
X = QM/Q6 = 375/1250 = 0,3;
относительный статический напор
Н* = Нп/Нб = 35/65 = 0,54.
По расчетным кривым w* = f(X, Н*) (см. рис. 4.1,а), для X =0,3 и И* = 0,5, найдено значение относительной экономии энергии: w = 0,21.
Снижающий коэффициент для одного насосного агрегата <р = 1,0 [см. уравнение (4.11)].
Снижение энергопотребления насоса согласно (4.11) составляет: AW = N6Tw*q = 261-8760-0,21-1,0 = 480136 кВт-ч.
До настоящего времени речь шла о снижении энергопотребления насосов и насосных установок, при этом не употреблялся термин «экономия электроэнергии». Дело в том, что регулирование частоты вращения насоса осуществляется с применением различного рода устройств: электродвигателей, преобразователей и т.п., в которых теряется часть преобразуемой энергии, поэтому результирующая экономия электроэнергии должна определяться с учетом потерь в устройствах, регулирующих частоту вращения насоса.
В современных насосных установках изменение частоты вращения насосов чаще всего осуществляется с применением регулируемого электропривода. Основные виды регулируемого электропривода рассмотрены в гл. 6. Здесь мы остановимся только на его энергетических характеристиках.
По своим энергетическим характеристикам различные виды регулируемого электропривода подразделяются на три основные группы:
приводы с потерями энергии скольжения (электродвигатели с реостатом в цепи ротора, приводы с гидравлическими и электромагнитными муфтами скольжения и т.п.);
приводы с рекуперацией энергии скольжения (электрические, электромеханические и асинхронные вентильные каскады и т.п.);
приводы, регулирующие без потерь энергии скольжения (частотные приводы, вентильные двигатели, многоскоростные двигатели).
Потери в электроприводе в значительной мере определяются потерями энергии скольжения. При рассмотрении энергетических процессов в электроприводе электрическую мощность, потребляемую из сети, а также потери мощности в электроприводе обозначаем Р, в отличие от механической мощности на валу насоса, обозначаемой N.
Потери мощности скольжения в электроприводе насоса существенно зависят от вида механической характеристики механизма и частоты вращения насоса [51].
Рск* = (1 - п)пк	(5.10)
где п — частота вращения насоса в относительных единицах; к — показатель степени в уравнении механической характеристики.
В [52] показано, что максимально возможное значение потерь мощности скольжения
кк
имеет место при частоте вращения
* к
п =—-.	(5.12)
к+1
На рис. 5.6 представлена зависимость потери мощности скольжения от частоты вращения и значения к. При к — 2-;-5 максимальное значение потерь скольжения не превышает 8—15% номинальной мощности насосного агрегата. Этим потерям соответствуют частоты вращения, равные 65—80% номинальных значений, что совпадает с диапазоном регулирования насосов по скорости. При таких условиях потери скольжения в среднем
Рис. 5.6. Изменение потерь скольжения в зависимости от частоты вращения привода:
1 — при к = 1,5; 2 — при к = 2;
3 — при к = 3; 4 — при к = 4
равны 4—8% номинальной мощности насоса. Низкие значения потерь в сочетании с невысокой стоимостью электроприводов первой группы делают целесообразным их применение в насосных установках.
Приведенный выше анализ показывает, что потери энергии скольжения существенно зависят от параметров и режима работы насосных установок. В [54] приводится вывод уравнения, в котором энергия скольжения WCK, теряемая
в регулируемом приводе за расчетный период Т, выражена через технологические параметры:
1-Н
W =NC-.T< гск
Нп 2 1-Н1
Кроме потерь скольжения, в приводах этой группы имеют место потери на вентиляцию, трение в подшипниках, щеточных контактах и другие, которые составляют 1—3% суммарных потерь. С учетом этих потерь суммарные потери составляют:
WnOT =(1,01+1,03) WCK
(5.14)
Для упрощения расчетов выражение в фигурной скобке в (5.13) обозначаем через w*K, тогда (5.14) принимает вид:
WCK=(.l+QN6TwCK
(5.15)
Рис. 5.7. Изменение потерь скольжения в зависимости от параметров X и Н*: а — для насосов чистой воды Нф = 1,25;
б — для насосов сточной жидкости Нф = 1,45
где £ — коэффициент, учитывающий потери, не зависящие от скольжения; wCK — относительные потери скольжения, определяемые с помощью расчетных кривых, представленных на рис. 5.7, а, б в виде зависимостей w*K =/(Х, И*).
Результирующая экономия электроэнергии при применении регулируемых приводов, работающих с потерями скольжения, равна:
N*T *
Wpe3=(l-0-^-w3K(p,	(5.16)
Лэд
где w3K = w - wCK — относительная экономия электроэнергии,
Рис. 5.8. Изменение относительной экономии электроэнергии в зависимости от Хи Н* при замене дросселирования регулированием частоты вращения насоса: а — для насосов чистой воды; б — для насосов сточной жидкости
определяемая с помощью расчетных кривых; т]эд — КПД приводного электродвигателя; ср — снижающий коэффициент.
Расчетные кривые w*K (рис. 5.8) построены для двух значений Нф: 1,25 и 1,45. Первое значение относится к большинству водяных насосов, а второе — к фекальным насосам. При выполнении практических расчетов рекомендуется использовать реальные значения Нф, относящиеся к напорной характеристике Q—Н того насоса, для которого ведется расчет. Для других значений Нф зависимости w“K = /(X, Н*) могут быть получены с использованием уравнений (4.7), (4.9) и (5.13).
В регулируемых электроприводах второй группы, работающих с рекуперацией энергии скольжения, часть энергии возвращается обратно в электрическую сеть, но какая-то часть все-таки теряется в электроприводе:
W ~W (1-п )
ГГПОТ.СК СКv 'Ik-'j
(5.17)
где Т)к — КПД каскадной схемы.
Современные каскадные схемы имеют довольно высокий КПД (0,9—0,95). Благодаря этому электроприводы второй группы характеризуются высокими энергетическими показателями.
Кроме потерь, зависящих от потерь скольжения, в каскадных схемах имеют место постоянные потери, которые составляют примерно 3% потребляемой мощности. Ориентировочно суммарные потери в электроприводе при выполнении экономических расчетов можно принять
WnoT « ^эк,	(5.18)
где £ = 0,02-0,05.
С учетом изложенного результирующая экономия электроэнергии при использовании электроприводов с рекуперацией энергии скольжения
N^Tw %ез=а-д)—-------<Р>	(5.19)
Пэд
где w‘ — относительная экономия электроэнергии, определяемая по графикам (рис. 4.1, а, б; 4.4) в зависимости от того, какой способ регулирования применяется и какими насосами оснащена установка.
Потери в электроприводах третьей группы, работающих без потерь скольжения, обусловлены потерями в частотных преобразователях, а также снижением КПД электродвигателя из-за не-синусоидальноой формы кривой преобразованного тока. Потери в таких приводах согласно [128] равны:
(Упот=ад1 + £-Ппр),	(5.20)
где £ — коэффициент, учитывающий потери за счет несинусо-идальности преобразованного тока, £ = 0,03-0,05; т)пр — КПД частотного преобразователя, Т|пр = 0,9-0,95.
При применении электроприводов, работающих без потерь скольжения, результирующая экономия электроэнергии с учетом потерь в электроприводе определяется по формуле
Чез =^|V -d + g-Ппр)]-	(5.21)
Лэд
В насосных установках применяются не только плавно регулируемые электроприводы, но и приводы с асинхронными многоскоростными электродвигателями, частота вращения которых меняется дискретно (ступенями) в соответствии с зависимостью
п = 60^(1 -$),	(5.22)
Р
где/— частота тока питающей сети. В СНГ и Европе / =50 Гц; в США и Японии / = 60 Гц; р — число пар полюсов электродвигателя^ = 1,2,3 ...; $ = 0,02+0,04.
Регулирование частоты вращения многоскоростных электродвигателей осуществляется изменением числа пар полюсов. Поскольку число пар полюсов не может быть дробным, при / = 50 Гц без учета скольжения частота вращения многоскоростных асинхронных электродвигателей имеет значения: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д.
Изменяя ступенями частоту вращения электродвигателя, можно дискретно менять положения напорной характеристики насоса (рис. 5.9). Благодаря этому существенно уменьшаются превышения напоров в режиме минимальных подач. По своему эффекту оснащение насоса многоскоростным электродвигателем равнозначно установке на станции дополнительно небольшого насоса (так называемого разновеса). Хотя этот способ регулирования не ликвидирует превышения напоров полностью, но несколько их уменьшает, обеспечивая более экономичный режим работы насосной установки.
Эффективность применения многоскоростных электродвигателей можно оценить следующим образом. Применение двухскоростного электродвигателя снимает превышение напоров, ограниченное криволинейным четырехугольником 2—4—5—6 (рис. 5.9). Следовательно, экономия электроэнергии за счет снятия этих напоров может быть определена как разность потерь электроэнергии, затрачиваемой на превышение напоров, ограниченных ординатами криволинейного треугольника 1—3—5 и
Рис. 5.9. Режим работы двухскоростного насосного агрегата:
I — напорная характеристика насоса при работе на высшей скорости; II — то же при работе на низшей скорости;
III — характеристика трубопровода
ординатами криволинейных треугольников 1 —2—6 и 2—3—4. Тогда экономия электроэнергии равна
W3K =(l-g)[NiTw‘ -(ВД1< +N2T2uO],	(5.23)
где N] и N2 — значения мощности, потребляемой при Qp Нг и Q2, Н2 соответственно, кВт; Т = 7\ + Т2 — расчетный период времени, ч; Тг, Т2 — время работы, ч, насоса с частотой вращения электродвигателя и п2 соответственно; iv*, w^, w2 — относительные потери электроэнергии, определяемые по графикам (см. рис. 4.1,4.8) для X — Q3/Qlt = Q2/Qj при Н* = Нп/Н1 ил2 = Q3/Q2 при Н* = Нп/Н2; £ = 0,02+0,03 — снижающий коэффициент, учитывающий, что КПД многоскоростных электродвигателей на 2-3% ниже, чем односкоростных.
Для трех-четырех-скоростных электродвигателей экономия электроэнергии вычисляется аналогичным образом с учетом того, что при этом увеличивается число напорных характеристик, и следовательно, превышение напоров уменьшается еще больше. Естественно, что при этом экономия электроэнергии еще больше увеличивается.
В заключение следует еще раз обратить внимание на то, что рассматриваемая методика определения экономии электроэнергии, более подробно изложенная в [57, 128], является упрощенной, а приведенные формулы являются приближенными, так как при их выводе сделаны некоторые допущения. В частности, не учитывается изменение КПД насоса при изменении частоты его вращения, поскольку при этом экономия электроэнергии, обусловленная снижением напоров, обычно больше, чем потери электроэнергии за счет снижения КПД насоса при изменении его частоты вращения. Учет потерь электроэнергии, обусловленный изменением КПД насосного агрегата, осуществляется с помощью уравнения (4.14).
Тем не менее, эта методика позволяет достаточно быстро и просто оценить прогнозируемую экономию энергии, которая может быть получена при использовании регулируемого электропривода в насосных установках.
Сравнение прогнозируемой экономии электроэнергии, определенной по этой методике, с фактической экономией, полученной при внедрении регулируемого электропривода на действующих объектах, показывает, что погрешность вычисления составляет 10—15%.
Учитывая отсутствие достаточно надежных исходных данных о будущем режиме работы насосных установок, эту погрешность можно считать приемлемой при разработке практических мероприятий по экономии электроэнергии в насосных установках.
Необходимо также отметить, что регулирование частоты вращения требует применения дополнительных устройств, что увеличивает капитальные затраты, в то же время регулирование частоты вращения позволяет увеличить единичную мощность насосных агрегатов и уменьшить их общее число на станции и, следовательно, снизить капитальные затраты, поэтому принятие решения об использовании регулируемого электропривода в насосной установке должно основываться на техникоэкономическом расчете с учетом изменения всех видов затрат (см. §7.4).
5.3.	СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВОЗДУХОДУВНЫХ МАШИН
Из общей теории подобия физических величин, как упоминалось ранее, вытекает принцип подобия всех турбомашин (насосов, вентиляторов, воздуходувок, компрессоров) [132], поэтому способы регулирования режимов работы воздуходувных машин принципиально не отличаются от способов регулирования насосов. Однако конкретные условия работы этих машин различны, режимы потребления воздуха существенно отличаются от режимов водопотребления или режима притока сточных вод или других жидкостей. Кроме того, как уже упоминалось, воздуходувные машины в отличие от насосов перекачивают воздух и другие сжимаемые газы, а не воду и другие несжимаемые жидкости.
Эти обстоятельства необходимо учитывать при выборе способов регулирования режимов работы конкретных воздуходувных установок. Но принципиально режимы работы воздуходувных установок регулируются теми же способами, что и насосы. Чаще всего в воздуходувных установках используются следующие способы:
дросселирование воздушного потока (чаще всего на всасывающей линии машины) с помощью заслонок, задвижек, клапанов;
закручивание входящего в рабочее колесо воздуха с помощью специальных направляющих аппаратов, диффузоров и прочих устройств (см. рис. 1.3);
плавное или ступенчатое регулирование частоты вращения рабочего колеса воздуходувной машины (рис. 5.10).
Используются в воздуходувных установках и комбинированные способы регулирования режимов их работы, например закручивание потока воздуха с помощью ОНА и изменение частоты вращения многоскоростным электродвигателем [12].
Регулирование режимов работы воздуходувных установок так же, как и насосных, осуществляется путем изменения количества совместно работающих воздуходувных машин.
Могут использоваться комбинации и других способов регулирования режимов работы воздуходувных машин и установок в
Рис. 5.10. Характеристики газового центробежного компрессора в относительных единицах
зависимости от местных условий работы. Например, специалистами лаборатории автоматизации НИИ ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2» разработан способ регулирования воздуходувной установки, подающей воздух в аэротенки станции биологической очистки сточных вод. Этот способ предусматривает поочередное дискретное изменение положения запорных органов задвижек на всасывающих линиях воздуходувок в сочетании с изменением количества работающих воздуходувок, включаемых в работу с помощью устройства плавного пуска (УПП). Более подробно этот способ регулирования описан в §7.3.
5.4.	КОНТРОЛЬ И УСТРАНЕНИЕ ИЗНОСА ОБОРУДОВАНИЯ КАК СПОСОБ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В процессе эксплуатации из-за износа материала увеличиваются зазоры между уплотнительным кольцом и рабочим колесом насоса, в результате увеличивается переток жидкости из напорной части насоса во всасывающую часть. Из-за этого снижается КПД насоса и, как следствие, увеличивается потребление электроэнергии на перекачку жидкости, поэтому необходимо своевременно обнаружить увеличение зазоров между рабочим колесом и уплотнительным кольцом.
Проверка зазоров осуществляется в ходе текущих, средних и
капитальных ремонтов. Размер зазора зависит от диаметра рабочего колеса насоса, его типа и приводится в сопроводительной технической документации насосного агрегата. Зазоры измеряют в точках, расположенных в диаметрально противоположных направлениях, при четырех положениях рабочего колеса, поворачиваемого в одном направлении на угол 90°. Несимметричность измеренных зазоров не должна превышать 20% среднего значения размера зазора.
Для обеспечения нормальной и экономичной работы насосов и воздуходувных машин важно соблюдение оптимальных размеров зазоров в подшипниках. Слишком малые зазоры ведут к увеличению потерь на трение, и следовательно, нерационально увеличивают расход электроэнергии, а большие вызывают биение и преждевременный износ оборудования.
Для экономичной работы насосного или воздуходувного агрегата следует обеспечивать предусмотренную для данной конструкции смазку. Подшипники качения и баббитовые подшипники смазываются моторными маслами соответствующей вязкости и других физико-химических свойств. Резиновые и лигнофо-левые подшипники смазываются чистой водой (мутность не более 50 мг/л). Расход воды на смазку одного подшипника зависит от диаметра рабочего колеса насоса:
Диаметр рабочего колеса, мм...до 1100 до 1850 до 2600
Расход воды, л/с...............0,5	1,0	2,0
Во избежание больших потерь на трение в сальниках насосов затяжка нажимной буксы не должна быть излишне большой. Набивка сальника собирается из отдельных колец с косым срезом и размером зазора в стыках 3—5 мм. При установке колец стыки смещают один относительно другого на угол 100—120°. Кольцо водяного затвора устанавливают напротив отверстия, через которое подают в сальник воду, т.е. кольцо делит сальниковую набивку пополам. Нажимная букса входит в сальниковую коробку примерно на 1/3 длины так, чтобы вода, охлаждающая и смазывающая сальник, вытекала отдельными каплями.
Для уменьшения потерь на трение следует также обеспечивать правильную центровку линии валов насоса и электродвигателя или воздуходувной машины и электродвигателя.
После проведения ремонтов необходимо осуществлять балансировку вращающихся частей (роторов) машин (рабочих колес и валов). Для машин с длинными роторами наряду со статической балансировкой необходимо проводить динамическую балансировку роторов на специальных станках.
Поскольку контроль зазоров возможен только в ходе ремонтов и профилактических осмотров, о состоянии насосных и воздуходувных агрегатов в повседневной эксплуатации судят по показаниям контрольно-измерительных приборов (КИП): манометров, расходомеров, амперметров, ваттметров, счетчиков электроэнергии. Увеличение показаний амперметров, ваттметров, счетчиков при постоянной подаче свидетельствует об ухудшении состояния насосного агрегата, повышенном износе рабочего колеса, чрезмерной затяжке сальников, неудовлетворительном состоянии подшипников. Снижение подачи и напора в сочетании с увеличением тока нагрузки и потребляемой мощности указывает на повышенный износ рабочего колеса.
Неэкономичные режимы работы насосных агрегатов имеют место при неисправности гидромеханического оборудования насосной установки. Неисправные обратные клапаны, задвижки, затворы могут находиться в промежуточном положении и создавать дополнительное гидравлическое сопротивление в коммуникациях насосных установок. В этом случае наблюдается увеличение напора, развиваемого насосом, с одновременным снижением напора в сети. Подача насоса при этом уменьшается так же, как ток нагрузки и потребляемая мощность насосного агрегата. Аналогичные явления наблюдаются при обрастании труб, которое вызывает дополнительное потребление электроэнергии.
Царапины и другие мелкие повреждения рабочих колес насосов, вызванные истиранием их поверхности взвешенными абразивными веществами, например песком в воде, кавитационные свищи и каверны при небольшой глубине (до 2 мм) зачищают наждачным камнем. При большей глубине их заваривают электросваркой. Свищи и трещины, расположенные по краям элементов рабочего колеса, рассверливают или разделывают зубилом, а затем заваривают электросваркой.
В крупных насосных агрегатах (рабочее колесо диаметром около 1 м и более) прибегают к шлифовке поверхностей лопа
ток рабочих колес и придают кромкам рабочих колес более выгодный гидродинамический профиль (рис. 5.11). Это мероприятие снижает потребление электроэнергии за счет повышения КПД насоса на 1-2% [15].
В воздуходувных установках большое влияние на потребление энергии оказывает состояние воздуходувной сети, поэтому контроль состояния воздуховодов предотвращает нерациональные потери воздуха и соответственно потери энергии.
Рис. 5.11. Профилирование лопастей рабочих колес и их шлифовка:
7 — рабочее колесо; 2 — профилированная лопасть; 3 — не профилированная лопасть; 4 —удаляемый материал профилированной лопасти; 5 — шлифуемые поверхности лопасти
Известно, что в рудничных системах подачи сжатого воздуха при плохой работе вентиляционных систем работающий под землей персонал вынужден стравливать сжатый воздух для повышения содержания чистого воздуха в шахте, что снижает эффективность работы компрессорных установок. Из этого следует необходимость повышения эффективности работы систем воздухоснабжения в целом.
5.5.	ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Эффективным средством экономии электроэнергии является поддержание в должном состоянии системы трубопроводов и трубопроводной арматуры. По данным [147] 50% всей годовой потребности воды в СССР подавалось по трубам с коррозионными отложениями. Согласно [42, 147] эти отложения уменьшали живое сечение труб до 20% и увеличивали гидравлическое сопротивление труб в 3 раза по сравнению с расчетным. Для труб диаметром 200 мм и выше применяется гидромеханический способ очистки с помощью специального устройства. Описание устройства для гидромеханической очистки труб приводится в [7, 147]. Это устройство обеспечивает очистку всей внутренней поверхности труб диаметром от 200
Рис. 5.12. Оптимальный поворот потока перед вентилятором
до 1400 мм при зарастании живого сечения трубопроводов до 20%. За один рабочий цикл устройство очищает участки трубопровода длиной 2—10 км.
Для предотвращения обрастания труб в мировой и отечественной практике применяются цементно-песчаные, полиэтиленовые, эпоксидные и другие покрытия [147]. Обычно при прокладке новых трубопроводов на внутреннюю поверхность труб защитное
покрытие наносится в заводских условиях, а в действующих трубопроводах — после их очистки в полевых условиях. Цементные покрытия с различными добавками, в том числе полимерными, толщиной 1—3 см препятствуют коррозии материала труб [147]. Несмотря на некоторое уменьшение внутреннего диаметра труб покрытия повышают пропускную способность труб, снижают затраты энергии на по
дачу жидкости.
Получил также распространение метод протяжки внутрь трубопровода полиэтиленовых труб [147]. Пространство между полиэтиленовыми трубами и внутренней поверхностью трубопровода тампонируется цементным раствором низких марок. Восстановление таким способом проржавевших металлических и поврежденных асбестоцементных и железобетонных труб обходится на 70— 40% дешевле стоимости их перекладки.
Разработаны и другие методы восстановления труб (применение покрытий на основе эпоксидных смол, полимеризирующихся полиэфирных смол и др.), но пока они еще практического применения не нашли [147].
Большое влияние на величину потерь энергии в воздуходувных установках, особенно в вентиляторных, оказывает конструкция входных и выходных элементов воздуходувных машин.
Оптимальным элементом (по данным Г.Г. Вахвахова) для по
ворота потока непосредственно перед радиальным вентилятором является отвод или составное колено со средним радиусом
Рис. 5.13. Входная коробка радиального вентилятора
Рис. 5.14. Выходной диффузор радиального вентилятора
закругления R = 1,5О0 (рис. 5.12). В этом случае для вентилятора с лопастями, загнутыми назад, снижение КПД не превышает 1,5%, а для вентилятора с лопастями, загнутыми вперед, может достигнуть 14%. При установке простого колена КПД резко ухудшается. Для вентилятора с лопастями, загнутыми назад, снижение КПД достигает 20%, а для вентилятора с лопастями, загнутыми вперед, до 40%.
При невозможности разместить отвод с радиусом R = 1,5О0 используют входные коробки (рис. 5.13). Использование таких коробок [12] ведет к снижению КПД на 4,5—15%. Еще большее снижение КПД имеет место при использовании прямоугольной коробки и отсутствии наклона задней стенки коробки.
Большое влияние на энергетические характеристики оказывает влияние конфигурация напорных элементов воздуходувных машин.
В напорных элементах вентиляторов диффузорах (рис. 5.14) динамическое давление преобразуется в статическое. Чтобы это преобразование происходило с минимальными потерями, поток воздуха в диффузорах не должен отрываться от его стенок или отрыв должен быть минимален. Для этого диффузорам стараются придать оптимальную форму. Форма диффузора характеризуется углом расширения а.
Основным практическим методом снижения потерь в диффузорах считается использование диффузоров с предотрывным те
чением воздуха по всей длине и колоколообразной формой меридионального сечения или с предотрывным сечением в выходном сечении и прямыми стенками. Для этого в диффузорах (при а > 30°) устанавливают перегородки, которые делят его на несколько каналов с малыми углами расширения. В диффузорах с а = 40-5-45° эффективно оребрение стенок. Благодаря малым поперечным ребрам соответствующего очертания, отрывная зона в потоке заменяется системой мелких вихрей вдоль стенок в межреберных пространствах, что более чем в 2 раза снижает потери. Более подробно проблема энергосбережения в вентиляторных установках освещена в [12].
Глава шестая
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ АГРЕГАТОВ
6.1.	РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК ОСНОВА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ
УСТАНОВОК
В § 5.2, 5.3 показано, что режимы работы центробежных насосов и турбовоздуходувных машин энергетически наиболее эффективно регулировать путем изменения частоты вращения их рабочих колес. Частота вращения рабочих колес может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания или регулируемый электропривод.
Устройство и характеристики газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения в необходимом диапазоне. Однако для САУ режимом работы насосных и воздуходувных установок обычно используются различные виды регулируемого электропривода. Электроприводом называют устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Электропривод — состоит из электродвигателя, передаточного механизма (трансмиссии, муфты, редуктора) и системы управления. В регулируемый электропривод входят также устройства, обеспечивающие изменение частоты вращения агрегата в целом или только насоса или воздуходувной машины. Эти устройства выполняют обычно две функции: являются силовыми преобразователями электроэнергии и в то же время элементами системы управления.
Регулируемый электропривод подразделяется на две основные группы: постоянного и переменного тока.
Процесс регулирования частоты вращения любого механизма удобно анализировать с помощью механических характеристик агрегата. Ниже рассматриваются механические характеристики
Рис. 6.1. Механические характеристики электродвигателей
электродвигателей, которые сопоставляются с механическими характеристиками насосов или воздуходувных машин.
Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его вращающего момента от частоты вращения. Механические характеристики подразделяются на три основных вида:
абсолютно жесткие (кривая 1 на рис. 6.1) — свойственны синхронным электродвигателям, ра
ботающим непосредственно от питающей электрической сети, частота вращения которых остается постоянной при изменении вращающего момента;
жесткие (кривая 2 на рис. 6.1) — свойственны асинхронным электродвигателям (в рабочей части характеристики) и электродвигателям постоянного тока с параллельным возбуждением, частота вращения которых незначительно меняется при изменении вращающего момента;
мягкие (кривая 3 на рис. 6.1) — свойственны электродвигателям постоянного тока с последовательным возбуждением, частота вращения которых существенно изменяется при изменении вращающего момента.
Существуют и другие разновидности механических характеристик. Например, механическая характеристика электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением занимает промежуточное положение между характеристиками электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением.
Механическая характеристика асинхронного электродвигателя с резистором, введенным в роторную цепь, мягче аналогичной характеристики короткозамкнутого электродвигателя и т.д. Механические характеристики регулируемых электроприводов принципиально отличаются от характеристик нерегулируемых тем, что в процессе регулирования они изменяют свое положение, или свою форму, или то и другое одновременно.
Рис. 6.2. Механические характеристики насосного агрегата
Механической характеристикой механизма, в том числе насоса, называется зависимость его момента сопротивления от его частоты вращения.
Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата, состоящего из насоса и электродвигателя. На рис. 6.2 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая J) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2). Разни
ца значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса называется динамическим моментом. Если вращающий момент двигателя больше момента сопротивления насоса, динамический момент считается положительным, если меньше — отрицательным. Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится. При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис. 6.2). Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного резистора в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 6.2), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления. Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 6.2). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента. Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насос
ного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.
В отличие от насосов воздуходувные машины обычно работают без противодавления, поэтому их механические характеристики состоят из одной ветви, описываемой уравнением квадратичной параболы (см. кривую 1 на рис. 2.12).
В отдельных случаях воздуходувные машины могут работать и с противодавлением. Например, воздуходувки, подающие воздух в аэротенки биологических очистных сооружений, преодолевают статическое давление толщи воды, находящейся в аэротенках. Механическая характеристика воздуходувки имеет такой же вид, как и у насоса.
Рассмотрим основные виды регулируемого электропривода, применяемого в насосных и воздуходувных установках. Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.
6.2.	РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Электродвигатели подразделяются на два основных вида: постоянного и переменного тока. В насосных установках используются преимущественно двигатели переменного тока. Однако за рубежом в насосных установках изредка использовались регулируемые электроприводы на основе двигателей постоянного тока.
Регулирование частоты вращения электродвигателей постоянного тока. Существуют электродвигатели постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. В насосных установках применяются электродвигатели параллельного возбуждения, частота вращения которых определяется выражением
п=
U-IaYR«
СФ
(6.1)
где U — напряжение, подводимое к двигателю; 1а — ток якорной цепи; Ф — магнитный поток электродвигателя, пропорциональный току возбуждения; ^Ra — суммарное сопротивление якорной цепи; С — постоянная двигателя.
Согласно (6.1) возможны три способа регулирования частоты вращения электродвигателя: изменением напряжения, подводимого к электродвигателю; введением добавочного резистора в цепь якоря; изменением магнитного потока (тока возбуждения) электродвигателя.
Регулирование введением дополнитель
Рис. 6.3. Схема регулируемого электропривода постоянного тока
ного резистора в якорную цепь применя-
ется редко из-за своей неэкономичности. В добавочном
резисторе теряется мощность:
Ра = IaRa	(6.2)
где 1а — ток якорной цепи, А; Лд — сопротивление добавочного резистора, Ом.
В современном электроприводе постоянного тока питание электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением осуществляется от управляемых полупроводниковых выпрямителей (рис. 6.3). Эти выпрямители характеризуются как надежные и экономичные (КПД = 0,9-ьО, 95). В конструкции электродвигателя постоянного тока имеется коллектор и щеточный аппарат, что усложняет эксплуатацию электропривода, поэтому широкого распространения в насосных установках электроприводы постоянного тока не получили. Тем не менее, за рубежом такие электродвигатели в отдельных случаях использовались в насосных агрегатах мощностью 600—800 кВт.
Частотный электропривод. Более широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получил регулируемый электропривод переменного тока. Частота вращения электродвигателя переменного тока согласно (5.22) зависит от частоты питающего тока f, числа пар полюсов р и скольжения s. Изменив один или несколько параметров, входящих в (5.22),
Рис. 6.4. Схема частотного электропривода с инвертором напряжения
можно изменить частоту вращения электродвигателя и сочлененного с ним насоса.
Основным элементом частотного электропривода является частотный преобразователь. В преобразователе постоянная частота питающей сети Д преобразуется в переменную/2. Пропорционально частоте /2 изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.
Частотные преобразователи подразделяются на два основных вида: с промежуточным звеном постоянного тока и с непосредственной связью. Схемы частотного преобразователя первого вида представлены на рис. 6.4 и 6.5. Преобразователь состоит из выпрямителя В, фильтра Ф и инвертора И.
Посредством частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжение иг и частота Д преобразуются в изменяемые парамет
ры U2 и Д, требуемые для системы управления.
Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, огра-
ничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преоб
разователе должно поддерживаться определенное соотношение
между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования Костенко [11]
Ц=А К
U2 f2\M2
(6.3)
Для насосов, работающих без статического напора, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, должно соблюдаться соотношение
ui/fi =и2/Л2 = const. (6.4)
Для насосов, работающих со статическим напором, должно соблюдаться более сложное соотношение
(6.5)
где к — показатель степени в уравнении механической характеристики насоса.
На практике чаще всего в насосных установках используются преобразователи общего назначения, обеспечивающие соотношение
/fl = ^2 /
Рис. 6.5. Схема частотного электропривода с инвертором тока
= const.	(6.6)
На рис. 6.6 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании и соблюдении соотношения (6.6). При уменьшении частоты/2 механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах п—М, но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя. Обусловлено это тем, что при соблюдении соотношения (6.6) и изменении частоты f1 не учитывается влияние активного сопротивления статора на величину вращающего момента двигателя. При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.
Частотные преобразователи выполняются на базе автономных инверторов тока (АИТ) или на базе автономных инверторов напряжения (АПН). В частотных преобразователях на базе АПН (см. рис. 6.4) в звене постоянного тока выпрямляется напряжение. Сглаживающий фильтр в этих преобразователях состоит из реактора, включенного последовательно с инвертором, и конден-
Рис. 6.6. Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах
сатора, подключаемого параллельно АИН. На выходе преобразователя форма кривой выходного напряжения (обычно прямоугольная) определяется порядком переключения тиристоров, а форма кривой тока (синусоидальная) зависит от характера нагрузки.
В частотных преобразователях на базе АИТ (см. рис. 6.5) в звене постоянного тока выпрямляется ток. Сглаживающий фильтр состоит из
реактора, включаемого последова-
тельно с инвертором. На выходе преобразователя форма кривой
выходного тока определяется порядком переключения тиристоров, а форма кривой напряжения (синусоидальная) — характером нагрузки.
Частотные преобразователи на базе АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют более высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В этих преобразователях, в отличие от описан
ных выше, могут использоваться неуправляемые выпрямители.
В последнее время наибольшее распространение в практике отечественного и зарубежного электромашиностроения получили частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором).
IGBT-модуль является высокоэффективным ключевым элементом. Он обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения.
Преобразователь частоты на базе АИН на IGBT-модулях с ШИМ и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он характеризуется высоким значением коэффициента мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты.
Примером такого преобразователя является «Эратон-4М», разработанный и изготовленный АО «Эрасиб» (г. Новосибирск) [82].
-380 В
Рис. 6.7. Схема частотного преобразователя на IGBT-модулях:
7 — блок вентиляторов; 2 — источник питания; 3 — выпрямитель неуправляемый; 4 — панель управления; 5 — плата пульта управления; 6 — ШИМ; 7 — блок преобразования напряжения; 8 — плата системы регулирования; 9 — драйверы; 10 — предохранители блока инвертора; 11 — датчики тока; 7 2 — асинхронный короткозамкнутый двигатель; QI, Q2, Q3 — выключатели силовой цепи, цепи управления и блока вентиляторов; 7<1, /<2 — контакторы заряда конденсаторов и силовой цепи; С — блок конденсаторов; Rl, R2, R3 — резисторы ограничения тока заряда конденсаторов, разряда конденсаторов и узла слива; VT — силовые ключи инвертора (IGBT-модули)
Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 6.7. Более подробно об использовании этого преобразователя в системе автоматического управления режимом работы насосной установки сказано в гл. 8.
Несинусоидальностг кривых выходного напряжения и тока частотных преобразователей должна учитываться при выборе электродвигателя для частотного электропривода.
Выше отмечено, что на выходе частотного преобразователя формируется кривая напряжения (тока), несколько отличающаяся от синусоиды, содержащая высшие гармонические составля
ющие. Их наличие влечет за собой увеличение потерь в электродвигателе. По этой причине при работе электропривода на частотах вращения, близких к номинальной, происходит перегрузка электродвигателя. При работе на пониженных частотах вращения ухудшаются условия охлаждения самовентилируемых электродвигателей, применяемых в приводе насосов. В обычном диапазоне регулирования насосных агрегатов (1:2 или 1:3) это ухудшение условий вентиляции компенсируется существенным снижением нагрузки за счет уменьшения подачи и напора насоса.
При работе на частотах, близких к номинальному значению (50 Гц), ухудшение условий охлаждения в сочетании с появлением гармоник высших порядков требует снижения допустимой механической мощности на 8—15%. Из-за этого максимальный момент электродвигателя снижается на 1—2%, его КПД — на 1—4%, costp — на 5—7%.
По рекомендациям, изложенным в [26], при применении асинхронного самовентилируемого электродвигателя в приводе механизма, момент которого изменяется пропорционально квадрату частоты вращения, допустимая мощность на валу электродвигателя должна быть снижена до значения
р =р S72^L+pL	(6 7)
доп ном (8,64+р)’	}
где р — число пар полюсов электродвигателя.
Во избежание перегрузки электродвигателя необходимо или ограничить верхнее значение его частоты вращения, или оснастить привод более мощным электродвигателем. Последняя мера обязательна тогда, когда предусматривается работа насосного агрегата с частотой /2 > 50 Гц. Ограничение верхнего значения частоты вращения двигателя осуществляется ограничением частоты f2 до 48 Гц. Увеличение номинальной мощности приводного электродвигателя осуществляется с учетом (6.7) с округлением до ближайшего стандартного значения.
При этом ограничение частоты /2 влечет за собой снижение положения напорной характеристики насоса. Это следует учитывать при совместной работе регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов (см. §7.1, 7.2).
В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает ряд частотных преобразователей мощностью до 400 кВт при напряжении до 380 В и до 1600 кВт при напряжении 660 В. Технические характеристики преобразователей приведены в [31,32,36,38,118,120—122].
Наряду с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока в электроприводе насосов используются частотные преобразователи с непосредственной связью.
Отличительной особенностью частотного преобразователя без промежуточного звена постоянного тока является синусоидальная форма кривой напряжения на выходе, образованная из участков синусоид преобразуемого напряжения. Второй особенностью этого преобразователя является невозможность получить на выходе частоту, равную частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя обычно составляет 25—33 Гц.
Выбор основного оборудования для частотного электропривода осуществляется в следующем порядке:
определяется мощность на валу насоса при работе с номинальной подачей и соответствующим ей напором по формуле (3.1);
из каталога подбирается короткозамкнутый электродвигатель, номинальная мощность которого должна быть на 10—15% больше потребляемой насосом мощности. Номинальная частота вращения электродвигателя должна соответствовать номинальной частоте вращения насоса.
В соответствии с выбранной мощностью приводного электродвигателя подбирается серийный преобразователь частоты, номинальная мощность которого равна или больше номинальной мощности электродвигателя насосного агрегата Рпр > Рэд, а напряжение преобразователя соответствует номинальному напряжению электродвигателя [7пр = Иэд.
Особенностью применения регулируемого частотного электропривода является возможность использования одного частотного преобразователя для привода нескольких агрегатов. От одного преобразователя достаточно большой мощности могут получать питание одновременно несколько одинаковых агрегатов. Возможно также поочередное подключение к одному частотному преобразователю агрегатов, соизмеримых по мощности.
Для этого многие предприятия (ООО «Электротекс», г. Орел,
ООО «Цикл+», Москва, «Drive Electro», Москва и др.) изготавливают станции группового управления [31, 38].
Частотно-регулируемый высоковольтный привод. Современное развитие полупроводниковой техники не позволяет создать силовые управляемые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и др.) на напряжение свыше 1100 В, поэтому высоковольтные частотные преобразователи выполняются в двух вариантах.
Вариант 1. Двухтпансформаторный частотный преобразователь. Преобразовательная часть этого устройства выполняется на низковольтных полупроводниковых приборах. Напряжение к преобразователю со стороны питания подается через понижающий трансформатор. Напряжение преобразованной частоты (f2 — var) подается к высоковольтному электродвигателю через повышающий трансформатор. Существенным элементом двухтрансформаторного преобразователя частоты является синусоидальный фильтр, включаемый между преобразовательной частью и повышающим трансформатором. Схема двухтрансформаторного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода асинхронного короткозамкнутого электродвигателя показана на рис. 6.8.
Такие приводы на мощность до 1600 кВт изготавливаются зарубежными фирмами (АВВ и др.) и отечественными предприятиями (ЗАО «Электротекс», ООО «Веспер» и др.).
Вариант 2. Бестрансформаторный частотный преобразователь. Преобразовательная часть состоит из управляемого выпрямителя и управляемого инвертора, состоящих из цепочки последовательно соединенных низковольтных полупроводниковых приборов. Количество соединенных последовательно полупроводниковых приборов выбирается таким, чтобы оно соответствовало напряжению 6—10 кВ, подаваемому на выпрямительный (инверторный) мост [34].
В качестве примера на рис. 6.9 представлена схема бестран-сформаторного частотного преобразователя ВПЧА, изготавливаемого ОАО «Электровыпрямитель» (г.Саранск). Наряду с выпрямителем и инвертором преобразователь содержит в своем составе соответствующие фильтры, сглаживающие реакторы и другую аппаратуру.
380-660 B,/2=var
Рис. 6.8. Схема двухтрансформаторного высоковольтного частотного регулируемого привода
1 — понижающий трансформатор; 2 — низковольтное коммутационное устройство; 3 — низковольтный частотный преобразователь; 4 — синусоидальный фильтр; 5 — повышающий трансформатор; 6 — высоковольтный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель
Рис. 6.9. Схема бестрансформаторного высоковольтного частотного электропривода
Регулирование частоты вращения электродвигателей путем изменения их скольжения. Регулирование частоты вращения может выполняться несколькими способами.
Введение добавочного резистора. Введение добавочного резистора возможно при использовании электродвигателей с фазным ротором (рис. 6.10). При увеличении активного сопротивления роторной цепи электродвигателя изменяется форма механической характеристики электродвигателя, она становится более мягкой (рис. 6.11). Измененная механическая характеристика электродвигателя пересекается с механической характеристикой насоса в точках —аА и т.д. Каждой из этих точек соответствуют свои значения момента и частоты вращения. Плавное
Рис. 6.10. Схема регулирования частоты вращения электродвигателя введением добавочного сопротивления в цепь ротора:
1 — обмотка статора электродвигателя; 2 — обмотка ротора электродвигателя; 3 — реостат; 4 — насос
Рис. 6.11. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при введении добавочного активного сопротивления:
1 — естественная механическая характеристика электродвигателя Ядо6 = 0; 2—4 — механические характеристики электродвигателя при разных значениях Ядо6; 5 — механическая характеристика насоса
изменение добавочного сопротивления в цепи ротора двигателя позволяет плавно изменять форму механической характеристики электродвигателя и, следовательно, плавно изменять частоту вращения насосного агрегата. Увеличение скольжения электродвигателя за счет увеличения сопротивления цепи ротора связано с увеличением потерь скольжения. Мощность и энергия потерь скольжения в регулируемом электроприводе в этом случае вычисляется с помощью уравнений (5.10), (5.11), (5.15) и расчетных кривых (см. рис. 5.7).
Электропривод по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК). В этом электроприводе регулирование частоты вращения электродвигателя осуществляется путем изменения ЭДС, вводимой в обмотку ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Энергия скольжения ротора рекуперируется в электрическую сеть с помощью преобразователя АВК. Преобразователь АВК состоит из двух основных элементов: неуправляемого выпрямителя и управляемого инвертора. Кроме того, в состав привода входят сглаживающий реактор, согласующий трансформатор и станция управления. Схема электропривода по схеме АВК приведена на рис. 6.12.
Рис. 6.12. Регулируемый электропривод насоса по схеме АВК:
1 — электродвигатель с фазным ротором; 2 — неуправляемый выпрямитель; 3 — управляемый инвертор; 4 — сглаживающий реактор; 5 — согласующий трансформатор; 6 — система импульсно-фазового управления (СИФУ) инвертора; 7 — технологический регулятор; 8 — насос; 9 — датчик технологический (давления); 10 — задатчик технологического параметра
При работе в двигательном режиме ниже синхронной скорости ток ротора асинхронного двигателя выпрямляется, а затем преобразуется в переменный ток частоты сети с помощью управляемых тиристоров, работающих в инверторном режиме. При этом ток в первичной обмотке трансформатора, протекающий под действием выпрямленного напряжения ротора, находится в противофазе с напряжением сети. Благодаря этому имеет место отдача активной электроэнергии в сеть.
Механические характеристики электропривода для разных значений выпрямленного напряжения представлены на рис. 6.13.
Изменяя значения выпрямленного напряжения от нуля до номинального напряжения ротора, регулируем частоту вращения электродвигателя в полном диапазоне от номинального значения до нуля. Но для этого номинальные значения напряжений преобразователя и ротора должны быть равны. Сравнительно высокие значения роторного напряжения электродвигателей (до 1300 В)
Рис. 6.13. Механические характеристики электропривода по схеме АВК:
1 — естественная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором (выпрямленное напряжение (7Д = 0; 2, 3 — механические характеристики электродвигателя при увеличении выпрямленного напряжения
требуют в этом случае применения довольно сложных и громоздких преобразователей АВК. Однако требуемый диапазон регулирования частоты вращения центробежных насосов и воздуходувных машин в ряде систем относительно мал (20—30% номинального значения). В таких условиях регулирование частоты вращения в требуемом диапазоне целесообразно осуществлять по схеме АВК, а разгон ротора до рабочего диапазона регулирования — на пусковых резисторах. После того как ротор наберет требуемую частоту вращения и его напряжение станет меньше, чем номинальное напряжение преобразовате
ля АВК, контакторы станции управления отключают пусковые резисторы и подключают преобразователь АВК к роторной цепи электродвигателя. Далее регулирование осуществляется путем изменения выпрямленного напряжения преобразователя АВК.
Порядок выбора резисторов и расчета пускового режима электропривода по схеме АВК приведен в [128] и приложении 6
к настоящему изданию.
Электропривод по схеме АВК имеет некоторые особенности, определяющие целесообразность использования его в САУ насосных установках:
в каскаде преобразуется не вся мощность, подводимая к насосному агрегату, а только рекуперируемая мощность скольжения, которая в приводе насосных агрегатов (см. рис. 5.6) не превышает 15% номинальной мощности электропривода;
мощность преобразователей АВК существенно зависит от глубины регулирования электропривода по скорости. Ограниченный диапазон регулирования насосов позволяет использовать менее мощные, и следовательно, более простые преобразователи;
зависимость вращающего момента от частоты вращения во второй и более высоких степенях позволяет осуществлять разгон электропривода в одну-две ступени.
Существенным недостатком электропривода по схеме АВК является некомплектная поставка его элементов (электродвигателя, преобразователей, станции управления) и невысокое значение cos ср. Кроме того, при глубоких посадках напряжения, если не принять специальных схемных решений в преобразователе АВК, в роторной цепи электродвигателя возникают перенапряжения, вызывающие повреждения обмотки ротора, контактных колец и щеток.
Выбор основного оборудования для электропривода по схеме АВК осуществляется в следующем порядке.
Определяем мощность на валу насоса при работе с номинальной подачей и соответствующим ей напором по формуле (3.1).
Из каталога подбираем электродвигатель с фазным ротором, номинальная мощность которого должна быть на 5—15% больше потребляемой насосом мощности. Номинальная частота вращения электродвигателя должна соответствовать номинальной частоте вращения насоса.
Из каталога для электродвигателя определяем номинальные параметры роторной цепи выбранного электродвигателя: напряжение Нном р и ток 1ном.р. Задаваясь минимальным значением требуемого статического напора И* и фиктивной высотой подъема воды Нф, вычисляем максимально возможное скольжение электродвигателя в данной насосной установке
5тах=1-^/н;.	(6.8)
Для найденного значения smax определяем максимально возможное напряжение на кольцах ротора асинхронного электродвигателя:
Ц? — ^ном.рАтах-	(6-9)
По значению напряжения Нр выбираем номинальное линейное напряжение питания выпрямителя (номинальное напряжение преобразовательного агрегата АВК) по условию UH0M а > Up.
Определяем номинальный ток преобразовательного агрегата АВК (ток питающей фазы выпрямителя): 1НОМ а ^1Ном.р-
По найденным значениям Пном а и 7ном а выбираем тип преобразователя АВК, технические характеристики которого приведены в каталоге [4].
После выбора преобразователя АВК выбираем согласующие трансформаторы. Они необходимы в том случае, если номинальное напряжение питающей сети отличается от номинального напряжения преобразователя АВК.
Номинальное напряжение преобразователей отечественных электроприводов АВК (ТДП-2 и т.п.) равно 0,4 или 0,66 кВ, поэтому в приводе высоковольтных электродвигателей предусматриваются согласующие трансформаторы. Требуемая мощность трансформатора, кВ.А:
STp =1,1л/зи2т/номр,	(6.10)
где U2m — номинальное линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, кВ; 1НОМ — ток ротора, А.
Число трансформаторов выбирается в соответствии с типом преобразователя. Для одноинверторных преобразователей — один трансформатор, д ля двухинверторных преобразователей — два трансформатора. Тип трансформаторов выбирается по местным условиям в зависимости от способа их размещения: в отдельном помещении или на открытом воздухе устанавливаются масляные трансформаторы, а в помещении насосной станции сухие трансформаторы. Высшее напряжение трансформатора соответствует напряжению питающей сети.
Преобразователи типа АВК с одномостовыми инверторами могут быть присоединены к общей станционной сети 380/220 В при условии достаточной мощности трансформаторов собственных нужд. В этом случае, чтобы исключить искажение напряжения питающей сети, вызванное коммутацией тиристоров инвертора, и ограничить ударный ток, проходящий через тиристоры инвертора, преобразователи должны быть подключены через токоограничивающие реакторы (типа РТСТ и т.п.). Индуктивность реакторов должна быть больше индуктивности рассеяния трансформаторов в 4-5 раз. Система управления
запитывается в этом случае непосредственно от сети, т.е. выше реактора.
Станция управления выбирается по номинальному току ротора двигателя в зависимости от требуемого диапазона регулирования по частоте вращения. Диапазон регулирования определяется требуемой минимальной частотой вращения насоса:
& ~ ^min /^ном — 1— ^тах 	(6.11)
Обычно в системах водоснабжения и водоотведения регулируемые насосы работают в диапазоне 1:2, т.е. со скольжением не более 0,5. Чаще всего максимальное скольжение не превышает 0,25—0,3, поэтому в большинстве случаев могут быть применены станции управления с частичным диапазоном регулирования. Номинальный ток станции управления должен быть больше или равен току ротора 1Н0М а > /ном-р.
Пусковые резисторы электропривода по схеме АВК выбираются в соответствии с методикой, изложенной в [128] и приложении 6. Особенностью этой методики по сравнению с общепринятой [13] является учет реальной конфигурации механической характеристики насоса, построенной в соответствии с уравнениями (2.17) и (2.19). Благодаря этому существенно сокращается число ступеней пуска, количество резисторов, а также предотвращается возникновение больших механических усилий в роторе насосного агрегата за счет ограничения избыточного динамического пускового момента реально необходимыми значениями.
Технические характеристики отечественных преобразователей типа ТДП и станций управления ШДУ, изготавливаемых ПО «Электровыпрямитель» и ЧЭАЗ, приведены в [4]. Преобразователи ТДП и станции ТТТДУ предназначены для регулируемых электроприводов мощностью от 250 до 2000 кВт. Известны примеры использования привода по схеме АВК в вентиляторных установках проветривания подземных выработок мощностью до 6300 кВт.
Так, вентиляционная установка шахты «Анненская-3» г. Жезказган оснащена двухдвигательным приводом по схеме АВК. Привод состоит из двух асинхронных электродвигателей с фазным ротором типа АКС 17-76-12-УХЛ4, 6 кВ, 3150 кВт и агрегата тиристорно-диодного типа ТДП 1250/400-2Т-УХЛ4, 700 В,
Рис. 6.14. Механические характеристики электродвигателя при изменении напряжения:
1 — естественная характеристика; 2, 3 — характеристики при пониженном напряжении; 4 — механическая характеристика насоса
1250 А; согласующего трансформатора ТСЗП-1000/1043, 6000/ 460 В, 1100 А, реакторов ФРОС-2000, 2000 А и ТРОС-160- УХЛ4, 1000 А и быстродействующего автоматического выключателя ВАБ-42-4000/10. Привод разработан НИИ «Электропривод», Москва.
Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением напряжения на его статоре (параметрическое регулирование). Вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, подводимого к электродвигателю [11]:
Мвр = KU2.	(6.12)
По этой причине изменение напряжения на выводах статора изменяет форму механической характеристики электродвигателя. Рассматривая совместно механические характеристики насоса и электродвигателя (рис. 6.14), на статоре которого изменяется напряжение, видим, что каждому изменению напряжения соответствует своя рабочая точка а15 а2, а3, ..., ап, каждой точке соответствует свое скольжение si, s2, s3, ..., sn. При изменении напряжения значение критического скольжения не изменяется, поэтому максимальный момент при любых изменениях напряжения соответствует одному и тому же значению скольжения, равному примерно 0,1—0,2. Этим определяется сравнительно узкий диапазон регулирования по частоте вращения, который может обеспечить этот способ регулирования. Регулирование напряжения на статоре двигателя осуществляется обычно с помощью тиристорного (частотного) регулятора напряжения (рис. 6.15). Для расширения диапазона регулирования в роторную цепь электродвигателя вводится дополнительный резистор. Известны случаи использования этого вида регу-
Рис. 6.15. Электропривод с тиристорным (частотным) регулятором напряжения
лируемого электропривода в насосных установках систем теплоснабжения г. Москвы. Однако широкого распространения в насосных и воздуходувных установках он не получил.
Регулирование частоты вращения путем изменения числа пар полюсов электродвигателя. Этот способ регулирования используется в приводе насосов и воздуходувных машин при применении многоскоростных электродвигателей.
Обмотки статора многоскоростных электродвигателей разделены на части, начала и концы которых выведены на клеммы электродвигателя. Обмотки роторов многоскоростных электродвигателей выполняются короткозамкнутыми. Переключая обмотки и их части в определенном сочетании, изменяем число пар полюсов электродвигателя. При этом в соответствии с уравнением (5.22) частота вращения электродвигателя изменяется ступенчато.
На рис. 6.16,а, б представлена принципиальная схема соединения обмоток статора, позволяющая изменить число пар полюсов в отношении 1:2, и соответствующие этим соединениям механические характеристики электродвигателя. Здесь же приведена механическая характеристика насоса (рис. 6.16,в). Пересечение этих характеристик определяет значения частот вращения и моментов сопротивления, соответствующих работе электродвигателя с разным числом пар полюсов.
Переключение обмоток и их частей выполняется высоковольтными выключателями или низковольтными контакторами с блокировкой, исключающей возможность включения нескольких пар полюсов одновременно. При переключении числа пар полюсов частота вращения электродвигателя возрастает во столько раз, во сколько уменьшается число витков в каждой фазе обмотки статора. Благодаря этому ЭДС, наведенная в фазе, оста-
Рис. 6.16. Двухскоростной электродвигатель:
а — схема соединений обмоток, соответствующая низшей скорости 2р = 4; б — то же при высшей скорости 2р = 2; в — механическая характеристика двигателя; 1 — при 2р = 2; 2 — при 2р = 4; 3 — механическая характеристика насоса
ется неизменной, и поэтому менять напряжение, подводимое к статору, не требуется.
Многоскоростные двигатели изготавливаются в виде низковольтных двух- и четырехскоростных асинхронных короткозамкнутых машин (до 160 кВт) и высоковольтных двухскоростных электродвигателей большой мощности. Для электропривода вертикальных насосов используют электродвигатели серии ДВДА напряжением 6 кВ, мощностью от 500 до 1400 кВт с синхронной частотой вращения 500/300, 500/375, 375/300 об/мин.
Система электропривода на базе вентильного электродвигателя. Эта система занимает особое место в ряду регулируемых электроприводов переменного тока. По принципу действия она аналогична электродвигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и щеточного аппарата выполняет тиристорный инвертор и датчик положения ротора в пространстве, поэтому вентильный электродвигатель в ряде изданий называют также бесколлекторным электродвигателем постоянного тока. В то же время наличие в составе электропривода частотного преобразователя дает основание отнести его к группе частотных электроприводов.
Вентильным электродвигателем называется электромеханическая система, состоящая из преобразователя частоты, синхрон-
Рис. 6.17. Схема вентильного электродвигателя:
1 — управляемый выпрямитель; 2 — управляемый инвертор; 3 — сглаживающий реактор; 4 — синхронный электродвигатель; 5 — датчик положения ротора двигателя; 6 — СИФУ; 7 — насос; 8 — система управления выпрямителем
ного электродвигателя и устройства, указывающего положение его ротора в пространстве. Преобразователь выполнен с явно выраженным звеном постоянного тока и состоит из управляемого выпрямителя и управляемого инвертора. Коммутация тиристоров инвертора в зоне малых частот осуществляется с помощью датчика положения ротора, а в зоне значений частот 3— 5 Гц и более осуществляется по коммутирующей сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на статоре электродвигателя с помощью узла выделения коммутирующей ЭДС.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в цепь постоянного тока включаются сглаживающие реакторы. Принципиальная схема электропривода на базе вентильного электродвигателя представлена на рис. 6.17.
Особенностью этого вида электропривода является возможность использования в качестве приводного электродвигателя
обычного, серийно выпускаемого синхронного электродвигателя. Это особенно ценно при внедрении данного вида электропривода на действующих объектах, так как при этом не требуется замены установленных на насосных станциях электродвигателей. Однако следует иметь в виду, что ограничения по нагрузке насосного агрегата, вызванные наличием высших гармонических составляющих на выходе преобразователя, для этого вида электропривода такие же, как и для частотного.
Преобразователи вентильных электродвигателей изготавливаются в двух модификациях: с низковольтной и высоковольтной преобразовательной частью. Высоковольтные электроприводы (6—10 кВ), содержащие преобразователи с низковольтной частью, комплектуются понижающими трансформаторами, через которые они подключаются к питающей сети напряжением 6—10 кВ, и повышающими трансформаторами, через которые осуществляется питание высоковольтных электродвигателей (6—10 кВ).
Приводы с высоковольтной преобразовательной частью не имеют в своем составе повышающих и понижающих трансформаторов. Однако преобразовательная высоковольтная часть этой модификации выполняется в виде нескольких последовательно соединенных тиристоров. Из-за этого усложняется не только силовая часть, но и система управления выпрямителем и инвертором.
Порядок выбора оборудования для электропривода на базе вентильного электродвигателя аналогичен выше изложенному для частотных приводов, т.е. по номинальным параметрам приводного электродвигателя с учетом дополнительной нагрузки электродвигателей за счет несинусоидальности преобразованного тока.
Привод на базе вентильного электродвигателя является достаточно сложным, крупногабаритным и не самым дешевым (особенно на малых мощностях) видом регулируемого электропривода. Этот вид привода используется преимущественно в высоковольтных (6—10 кВ) агрегатах сравнительно большой мощности (800—3500 кВт) или в групповом приводе, когда к одному мощному преобразователю одновременно подключается несколько агрегатов, которые по своим гидравлическим характе
ристикам равноценны одному большому агрегату с пологой напорной характеристикой.
Так, на Восточной водопроводной станции Москвы к одному преобразователю подключены три агрегата по 1000 кВт каждый. На Северной водопроводной станции к одному преобразователю подключается два-три агрегата. Мощность каждого из них 1600 кВт. На насосной станции II подъема Великого Новгорода к одному преобразователю подключены два агрегата по 630 кВт каждый.
Групповое управление регулируемыми электроприводами агрегатов. Многие насосные и воздуходувные установки состоят из нескольких агрегатов. Как правило, регулируемым электроприводом оборудуются не все агрегаты. Из двух-трех установленных агрегатов регулируемым электроприводом достаточно оснастить один.
Если один преобразователь постоянно подключен к одному из агрегатов, имеет место неравномерное расходование их моторесурса, поскольку агрегат, оснащенный регулируемым приводом, используется в работе значительно большее время. Например, насосный агрегат (800 кВт, 6 кВ) Кунцевской канализационной станции Москвы, оборудованный регулируемым электроприводом по схеме АВК, на протяжении всего срока своей службы (17 лет) работал 5000—6000 ч в год. Тогда, как каждый из остальных пяти нерегулируемых агрегатов работал всего 2000— 2500 ч в год.
Для равномерного распределения нагрузки между всеми агрегатами, установленными на станции, разработаны станции группового управления, с помощью которых агрегаты могут поочередно подключаться к преобразователю. Станции управления изготавливаются обычно для низковольтных (380 В) агрегатов.
Для высоковольтных агрегатов равномерное распределение нагрузки обеспечивается соответствующей схемой высоковольтного распределительного устройства (РУ). Схемы РУ рассматриваются ниже.
Обычно низковольтные станции управления предназначены для управления двумя-тремя агрегатами. В состав низковольтных станций управления входят автоматические выключатели,
обеспечивающие защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю, тепловые реле для защиты агрегатов от перегрузки, а также аппаратура управления (ключи, кнопочные посты и пр.).
Схема коммутации станции управления содержит в своем составе необходимые блокировки, позволяющие произвести подключение преобразователя частоты к любому выбранному агрегату и осуществить замену работающих агрегатов без нарушения технологического режима работы насосной или воздуходувной установки.
Станции управления, как правило, наряду с силовыми элементами (автоматическими выключателями, контакторами и т.п.) содержат в своем составе управляющие и регулирующие устройства (микропроцессорные контроллеры и пр.). По требованию заказчика станции комплектуются устройствами автоматического включения резервного питания (АВР), коммерческого учета потребляемой электроэнергии, управления запорной аппаратурой. При необходимости в состав станции управления вводятся дополнительные аппараты, обеспечивающие использование наряду с частотным преобразователем устройства плавного пуска агрегатов.
Автоматизированные станции управления обеспечивают: поддержание заданного значения технологического параметра (давления, уровня, температуры и др.);
контроль режимов работы электродвигателей регулируемых и нерегулируемых агрегатов (контроль потребляемого тока, мощности) и их защиту;
автоматическое включение в работу резервного агрегата при аварии основного;
переключение агрегатов непосредственно на сеть при выходе из строя частотного преобразователя;
автоматическое включение резервного (АВР) электрического ввода;
автоматическое повторное включение (АПВ) станции после пропажи и глубоких посадок напряжения в питающей электрической сети;
автоматическое изменение режима работы станции с остановкой и запуском агрегатов в работу в заданное время;
-380 В Ввод 1 -380 В Ввод 2
Рис. 6.18. Станция группового управления низковольтными электроприводами
автоматическое включение в работу дополнительно нерегулируемого агрегата, если регулируемый агрегат, выйдя на номинальную частоту вращения, не обеспечивал требуемой подачи воды (воздуха);
автоматическое чередование работающих агрегатов через заданные промежутки времени для обеспечения равномерного расходования моторесурса;
оперативное управление режимом работы насосной (воздуходувной) установки с панели управления или с диспетчерского пульта.
Набор функций станций управления существенно зависит от предприятия изготовителя и требований заказчика. Приведенный выше набор функций соответствует станции АСУР, изготавливаемой ОАО «Электротекс» [38]. Однолинейная схема АСУР представлена на рис. 6.18.
Аналогичные станции изготавливаются и другими предприятиями: ООО «Электро-Драйв», ООО НПП «Цикл+» и пр. Их набор функций может отличаться от вышеприведенного перечня. Обычно при заказе оборудования Заказчик должен согласовать с предприятием изготовителем опросный лист, в котором выполняемые станцией управления функции для конкретного объекта должны быть четко оговорены.
Схемы коммутации группы высоковольтных агрегатов. Основным отличием высоковольтных агрегатов от низковольтных агрегатов, с точки зрения их коммутации, является то, что их включение и отключение осуществляется специальными высоковольтными выключателями (масляными, элегазовыми, вакуумными). Наибольшее распространение в последние годы получили вакуумные выключатели, выгодно отличающиеся от масляных выключателей меньшими размерами, надежностью, простотой обслуживания. Кроме того, в высоковольтных установках предусматриваются разъединители или штекерные разъемы (в комплектных распределительных устройствах — КРУ) для создания видимого разрыва электрических цепей при ремонте элементов РУ или КРУ.
Измерение токов и напряжения в высоковольтных установках не может быть осуществлено непосредственно, поэтому в них используются специальные измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Все это оборудование имеет значительные размеры, требует размещения в специальных электротехнических помещениях, и поэтому для каждого объекта РУ или КРУ проектируется инди-
630 кВт 630 кВт 630 кВт 630 кВт 630 кВт 630 кВт
Рис. 6.19. Схема коммутации высоковольтных частотных преобразователей и агрегатов:
В — высоковольтные выключатели непосредственного присоединения агрегатов к шинам РУ-6 кВ; ВВ — высоковольтные выключатели присоединения агрегатов к шинам РУ-6 кВ через частотные преобразователи
видуально, с учетом конкретных условий эксплуатации насосного, воздуходувного и электротехнического оборудования.
В качестве примера на рис. 6.19 приведена схема РУ-6 кВ насосной установки II подъема Великого Новгорода, обеспечивающая эффективное использование агрегатов, установленных на станции, в различных режимах работы.
Шесть насосных агрегатов оснащены высоковольтными (6 кВ) синхронными электродвигателями мощностью 630 кВт каждый и двумя частотными преобразователями ПЧ-ТТП -200. Номинальный ток каждого преобразователя 200 А, что позволяет одновременно работать всем четырем агрегатам, подключенным к двум преобразователям. Кроме того, схема позволяет дополнительно включить два нерегулируемых агрегата, подключенных непосредственно к основным шинам РУ-6 кВ.
Четыре регулируемых агрегата подключены к двум частотным преобразователям через шины переменной частоты (/2 = var). На каждую секцию шин переменной частоты подключено по два агрегата. Каждый из регулируемых агрегатов при неисправнос
ти частотного преобразователя может быть подключен непосредственно к основным шинам РУ-6 кВ.
Все переключения осуществляются высоковольтными вакуумными выключателями. При выводе в ремонт отдельных элементов схемы видимые разрывы электрической цепи создаются с помощью разъединителей. Чтобы исключить недопустимые варианты соединения элементов схемы, например подачу напряжения 50 Гц на работающие шины переменной частоты (f2 = var) пРе* /усматривается соответствующая система блокировок. На схеме не показаны обязательные элементы высоковольтных распределительных устройств (измерительные трансформаторы тока и напряжения, разрядники и пр.).
Приведенная схема позволяет достаточно гибко изменять состав работающих регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов, осуществлять ремонт оборудования. Управление режимами работы регулируемых и нерегулируемых агрегатов, в том числе изменение частоты вращения регулируемых агрегатов, ограничение диапазонов изменения частоты вращения, формирование команд на включение или отключение агрегатов, осуществляется САУ с использованием микропроцессорных контроллеров и промышленных компьютеров.
6.3.	РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ВАРИАТОРАМИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Существуют регулируемые электроприводы, в которых электродвигатели работают практически с неизменной частотой вращения. Такие электроприводы состоят из нерегулируемого синхронного или асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и устройства, преобразующего постоянную частоту вращения электродвигателя в переменную частоту вращения насоса (рис. 6.20). К таким устройствам относятся механические и гидравлические вариаторы, гидравлические и электромагнитные муфты скольжения различных типов.
Основным преимуществом таких электроприводов является их низкая стоимость и возможность использования наиболее простых и надежных нерегулируемых электродвигателей любого типа (синхронных, асинхронных короткозамкнутых и др.).
Рис. 6.20. Привод с вариатором частоты вращения:
1 — электродвигатель; 2 — вариатор; 3 — насос
Рис. 6.21. Регулируемый электропривод насоса с ИМС:
1 — короткозамкнутый асинхронный электродвигатель; 2 — якорь ИМС; 3 — индуктор ИМС; 4 — обмотка ИМС; 5 — возбудитель ИМС (управляемый выпрямитель); 6 — блок автоматики;
7 — насос; 8 — датчик давления
К недостаткам этой группы электроприводов относится наличие потерь скольжения, а также необходимость компоновки этого регулирующего устройства в один агрегат вместе с двигателем и насосом.
Привод с электромагнитными муфтами скольжения. В приводе насосов чаще всего используются электромагнитные муфты скольжения индукторного типа (ИМС), которые являются основным элементом электропривода. Индукторная муфта скольжения (рис. 6.21) состоит из индуктора с обмоткой возбуждения и якоря. Обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного или выпрямленного тока. Якорь ИМС соединен с асинхронным короткозамкнутым (или синхронным) электродвигателем, а индуктор — с механизмом (насосом, вентилятором). Якорь и индуктор изготавливаются из массивных отливок и поковок. Вращающий момент от двигателя к насосу передается через электромагнитное поле в зазоре между якорем и индуктором. Частота вращения насоса регулируется изменением тока возбуждения ИМС.
Механические характеристики ИМС для разных значения тока возбуждения представлены на рис. 6.22. Характерной особенностью ИМС является наличие потерь скольжения, которые выделяются в виде тепла в якоре ИМС. Это тепло в ИМС с
Рис. 6.22. Механические характеристики ИМС:
1 — при номинальном токе возбуждения; 2—11 — при токе возбуждения, равном 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,05 номинального значения соответственно
передающим моментом до 2кН-м (200 кгс-м) отводится обычно воздушным охлаждением, а при передаваемых моментах больше 5 кН • м (500 кгс • м) устраивается водяное охлаждение.
Потери скольжения вычисляются с помощью уравнений, приведенных в §5.2. Как уже упоминалось, потери скольжения существенно зависят от вида механической характеристики механизма. Момент насоса зависит от его частоты вращения во второй, а в ряде случаев в третьей—пятой степени. Благодаря этому обстоятельству максимальное значение мощности потерь скольжения не превышает 10—15% номинальной мощности электропривода и соответствуют 3/4—2/3 но
минальной частоты вращения. Средние значения мощности по-
терь скольжения оказываются еще меньше. Это и еще сравнительно низкая стоимость ИМС делают экономически выгодны
ми их применение в электроприводе центробежных насосов. Обычно ИМС используются в электроприводе насосных агрегатов мощностью до 250 кВт [98].
Выбор оборудования для систем с ИМС осуществляется в сле
дующем порядке.
Определяется мощность на валу насоса при работе с номинальной подачей и соответствующим ей напором по формуле (3.1).
Определяется момент сопротивления насоса при номинальной загрузке согласно (2.13).
По найденному значению момента сопротивления из каталога, например [151], подбирается ИМС, вращающий момент ко
торой равен или больше момента сопротивления насоса Мвр > Мс.
В соответствии с рекомендациями каталога [151] для возбуждения используются преобразователи тиристорные однофазные. Номинальный ток устройства должен быть равен или больше тока возбуждения ИМС, т.е I > I
ЛНОМ — ЛВ’
В качестве приводного электродвигателя выбирается из каталога серийный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель переменного тока соответствующей мощности (на 5—10% больше номинальной мощности насоса).
Привод с гидромуфтами. Гидравлическая муфта (ГМ) состоит из двух колес: турбинного и насосного, по-
Рис. 6.23. Гидромуфта:
1 — ведущее колесо; 2 — ведомое колесо
мещенных в общую полость, заполненную машинным маслом (рис. 6.23). Турбинное (ведомое) колесо соединяется с насосом,
а насосное (ведущее) колесо — с электродвигателем, частота
вращения которого практически постоянна. Частота вращения
ведомого колеса изменяется в зависимости от степени заполне ния полости муфты рабочей жидкостью (маслом).
На рис. 6.24 показаны механические характеристики ГМ. Обращает на себя внимание наличие неустойчивой зоны работы ГМ (участок, ограниченный линиями а—b и d—с), обусловленной скачкообразными переформированиями потока жидкости в ГМ под действием центробежных сил. Чтобы насос работал устойчиво, механическая характеристика насоса должна располагаться ниже зоны неус
характеристики гидромуфты:
1 — при номинальном расходе жидкости; 2—7 — при пониженном расходе жидкости
тойчивой работы. Это обстоятельство следует учитывать при выборе ГМ для насоса. В процессе регулирования частоты вращения ГМ так же, как и электромагнитная муфта, работает со скольжением, поэтому электроприводы с ГМ по своим энергетическим характеристикам аналогичны приводу с электромагнитной муфтой скольжения или электроприводу с дополнительными резисторами в цепи ротора фазного асинхронного электродвигателя.
Потери скольжения в ГМ определяются с помощью уравнений, приведенных в §5.2. Потери скольжения нагревают рабочую жидкость (масло), поэтому для отвода тепла в состав ГМ включают холодильники. К недостаткам ГМ относится также сложность конструкции, обусловленная необходимостью подавать рабочую жидкость (масло) во вращающиеся полости насосного и турбинного колес.
Наибольшее распространение получили ГМ в электроприводе питательных насосов тепловых электростанций. Отечественная и зарубежная промышленность выпускает ГМ, рассчитанные на электроприводы мощностью 2000—8000 кВт с частотой вращения 3000 об/мин [138]. Поскольку габариты ГМ так же, как и ИМС, зависят от передаваемого момента, а момент обратно пропорционален номинальной частоте вращение электропривода, применение ГМ целесообразно преимущественно в насосных агрегатах с высокими значениями частоты вращения. В этом случае ГМ получаются довольно компактными.
Разновидностью ГМ является гидравлический вариатор скорости с многодисковой муфтой скольжения [166]. Вариатор (рис. 6.25) состоит из корпуса с маслосборником 9, в котором на ведущем 1 и на ведомом 8 валах расположены пакеты стальных дисков. Диски попеременно закреплены на ведущем и ведомом валах. Вращающий момент от дисков ведущего вала передается дискам ведомого вала через вязкую масляную пленку. Диски ведомого вала покрыты пористым материалом. В дисках проточены канавки, по которым непрерывно протекает масло. Толщина масляной пленки между дисками регулируется в зависимости от давления масла в системе управления. При увеличении толщины пленки частота вращения ведомого вала при постоянной частоте вращения ведущего вала снижается, а при уменьшении
Рис. 6.25. Гидравлический вариатор:
7 — ведущий вал; 2 — маслонасос системы управления; 3 — коробка отбора мощности; 4, 14 — фильтры; 5 — маслонасос системы смазки; 6 — стопорный винт; 7 — пакет дисков; 8 — ведомый вал; 9 — маслосборник (корпус); 70 — первичный клапан; 77 — последовательный клапан; 72 — клапан давления в системе маслосмазки; 13 — маслоохладитель; 75 — главный клапан регулирования давления; 76 — поршень муфты; 77 — выходной клапан
увеличивается. Диски соприкасаются при максимальном значении давления масла в системе управления, и вариатор работает без скольжения. В этом случае частота вращения ведомого вала и соответственно рабочего механизма, например насоса, становится равной частоте вращения приводного двигателя.
Расстояние между дисками, и соответственно, толщина пленки регулируются посредством поршня муфты 16. Масло в систему управления подается маслонасосом 2, приводимым в движение от коробки отбора мощности 3. От той же коробки отбора мощности работает насос 5, подающий масло в систему смазки. Масло очищается в фильтрах 4, 14 и охлаждается в маслоохладителе 13. При необходимости диски ведомого и ведущего вала могут быть жестко соединены между собой с помощью стопорного винта б. В этом случае вариатор работает без скольжения, т.е. выполняет функции обычной соединительной муфты.
По энергетическим характеристикам вариатор аналогичен ГМ, электромагнитной муфте скольжения и другим регулируемым приводам, работающим с потерями скольжения.
Основным отличием гидравлического вариатора скорости от ИМС и ГМ является его способность работать без скольжения при соответствующем повышении давления масла в системе управления поршнем муфты.
Для обеспечения надежной работы этого устройства фирма изготовитель «Twin-Disk» (Бельгия) рекомендует 1 раз в год менять масло и фильтры в масляных системах [166]. Гидравлические вариаторы фирмы «Twin-Disk» длительное время эффективно эксплуатируются на нескольких насосных станциях: Москвы, Санкт-Петербурга, Уфы и других городов России. В частности, в насосной установке III подъема Южного водопровода г.Уфы гидравлический вариатор UCD-3000 используется в насосном агрегате мощностью 1700 кВт, а на станции II подъема Северного водопровода г. Уфы в двух агрегатах мощностью 800 и 630 кВт используются вариаторы UCD-1500-1 и UCD-1000-3 [93].
Электропривод с механическими вариаторами. Существуют вариаторы различных типов: лобовые, шаровые, торцовые и т.д.
В насосных агрегатах используются клиноременные вариаторы с раздвижными конусами. Основными элементами вариатора являются ведущий и ведомый шкивы, а также бесконечный
Рис. 6.26. Клиноременный вариатор с раздвижными конусами: А — ведущий шкив; Б — ведомый шкив; В — ремень
клиновой ремень. Каждый из шкивов состоит из пары раздвижных конусов. Когда одну пару раздвигают, другая сдвигается. При этом ремень так перемещается в конусах, что рабочий радиус одной пары уменьшается, а другой — увеличивается. За счет этого изменяется передаточное отношение вариатора и осуществляется регулирование частоты вращения насоса при неизменной частоте вращения электродвигателя.
Частота вращения ведомого шкива
n = n0L,R/r,	(6.13)
где п0 — постоянная частота вращения ведущего шкива; R — рабочий радиус ведущего шкива; г — то же ведомого шкива; £ — коэффициент, учитывающий проскальзывание (до 0,97).
На рис. 6.26 вариатор показан в двух положениях. В нейтраль-
Рис. 6.27. Насосный агрегат с механическим вариатором:
1 — станина; 2 — насос; 3 — электродвигатель; 4 — вариатор; 5 — ведомый шкив;
6 — ведущий шкив; 7 — привод механизма управления вариатором; 8 — блок управления
ном положении I расстояния между конусами одинаковы, = гг, следовательно, пг = п0. Когда конусы ведомого шкива раздвигаются, конусы ведущего сдвигаются (положение II), при этом рабочие радиусы изменяются: R2 > а следовательно п2 > п0. Когда конусы ведущего шкива раздвигаются и сближаются конусы ведомого шкива, то п2 < п0. Передаточное отношение таких вариаторов обеспечивает диапазон изменения частоты вращения механизма в пределах до 1:8—1:12. Передаваемая мощность привода с вариаторами не превышает обычно 100—200 кВт. На рис. 6.27 показана схема вертикального насосного агрегата одной из датских фирм, оснащенного клиноременным вариатором. Мощность привода 150 кВт. Изменение расстояний между конусами шкивов осуществляется с помощью исполнительного механизма, что дает возможность автоматизировать работу электропривода. Агрегат оснащен также блоком управления, куда
поступает сигнал от технологического преобразователя (давления, уровня и т.п.).
Электроприводом с механическим вариатором комплектуются насосные агрегаты мощностью до 150 кВт с подачей до 1500 м3/ч и напором до 70 м. Номинальная частота вращения электродвигателя насоса 1500—1700 об/мин. Потери мощности в вариаторах такого типа составляют 4—7% в зависимости от мощности и глубины регулирования.
Энергетическая эффективность способов регулирования насосных агрегатов, работающих с постоянной и переменной частотой вращения, характеризуется изменением потребляемой насосом мощности в зависимости от его подачи (рис. 6.28).
Значения мощности и подачи для удобства сравнения даны в относительных единицах. Кривые 1 и 2 относятся к насосным агрегатам, работающим с постоянной частотой вращения, регулирование осуществляется сбросом жидкости в приемный резервуар через байпас и дросселированием напорных линий соответственно. Кривая 3 относится к насосам, частота вращения которых меняется ступенчато. Кривые 4—6 характеризуют потребление мощности насосами, частота вращения которых плавно изменяется с использо-
Рис. 6.28. Зависимость потребляемой насосом мощности от подачи при разных способах регулирования
ванием различных видов регулируемого привода: с потерями скольжения, с рекуперацией потерь скольжения и без потерь скольжения соответственно.
Представленные на рис. 6.28 зависимости показывают, что регулирование подачи при переменной частоте вращения осуществляется с меньшими затратами энергии, чем при постоянной частоте вращения.
Необходимо обратить внимание, что любой вид регулируемого электропривода содержит в своем составе то или иное устройство, преобразующее энергию (преобразователи, муфты и др.). В любом из этих устройств имеют место те или иные потери электроэнергии, поэтому КПД любого насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, всегда ниже, чем нерегулируемого, разумеется, при прочих равных условиях.
Энергетическая эффективность регулируемого привода обеспечивается главным образом тем, что с его помощью поддерживается более выгодный с энергетической точки зрения технологический процесс перекачки жидкости насосными установками. Необходимый режим работы насосных установок создается с помощью соответствующих систем управления. Современные системы управления режимами работы насосных установок
различного назначения, содержащих в своем составе автоматизированный регулируемый электропривод, рассмотрены в гл. 7. Рекомендации по выбору вида регулируемого электропривода для различных условий их применения в САУ насосных установок даны в §7.4.
6.4.	УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА
Наряду с регулируемым электроприводом в энергосберегающих системах автоматизированного управления режимами работы насосных и воздуходувных установок находят применение устройства плавного пуска. В технической литературе эти устройства носят также названия: устройства мягкого пуска, софт-стартеры.
Устройства плавного пуска (УПП) в отличие от регулируемого электропривода не рассчитаны на длительную работу. После завершения пуска они отключаются от механизма, пущенного в работу, после чего используются для включения в работу других механизмов. Существуют УПП высокого (6—10 кВ) и низкого (0,4 кВ) напряжения.
На рис. 6.29 представлена принципиальная схема устройства плавного пуска серии УПП-ТТ для асинхронных короткозамкнутых электродвигателей мощностью 18,5—315 кВт, напряжением 380 В. Устройство разработано и изготавливается ЗАО «Электротекс», г. Орел [38].
Устройство по существу является трехфазным тиристорным преобразователем напряжения с микропроцессорной системой управления. В составе УПП имеется пульт управления, содержащий клавиатуру, с помощью которой устанавливаются различные режимы работы, осуществляется их программирование и задание рабочих параметров. В состав УПП также входят элементы индикации и сигнализации для отображения значений рабочих параметров и диагностирования неисправностей.
Плавный пуск и остановка электродвигателей насосных и воздуходувных агрегатов обеспечивается плавным изменением напряжения на выходе УПП. Напряжение на выходе УПП пропорционально углу открытия тиристоров. Тиристоры включены, как это показано на рис. 6.29, попарно и встречно-параллельно в каж-
Рис. 6.29. Схема низковольтного устройства плавного пуска
1 — тиристоры; 2 — драйверы тиристоров; 3 — датчики температуры; 4 — датчик тока; 5 — датчик напряжения; б — гальваническая развязка; 7 — блок питания системы управления; 8 — шунтирующий контактор; 9 — блок включения шунтирующего контактора; ТГ — трансформаторы тока
дую фазу преобразователя. Частота на выходе преобразователя остается постоянной и соответствует частоте питающей сети.
Предусматривается четыре режима работы УПП: ручной, суточный, недельный и режим «сухой контакт».
В ручном режиме пуск и остановка электродвигателя производятся нажатием кнопок «плавный пуск» и «плавный останов». Устройство обеспечивает также самозапуск электродвигателей после пропадания напряжения на одной или на нескольких фазах со стороны питающей сети.
При установлении недельного или суточного режима УПП обеспечивает автоматическое включение и отключение агрегата в заданное время в зависимости от дня недели или времени суток.
В режиме «сухой контакт» обеспечивается автоматическое включение и отключение насосного агрегата по состоянию датчика «сухой ход», т. е. насос включается в работу при достижении определенного уровня воды в скважине (резервуаре) и отключается, когда уровень снижается ниже допустимого.
Устройство снабжено защитой от исчезновения напряжения или снижения напряжения более чем на 10% номинального значения, а также от превышения напряжения более чем на 10% номинального значения. В устройстве, кроме того, предусмотрена защита от несимметричности токов в фазах электродвигателя, от перегрева и недопустимых перегрузок электродвигателя при пуске, остановке и в номинальном режиме работы.
На рис. 6.30 представлена схема плавного пуска высоковольтных насосных или воздуходувных агрегатов с использованием устройства УБПВД, разработанного ЗАО «НТЦ Электропривод», г. Чебоксары [35].
Устройство УБПВД предназначено для плавного безударного пуска насосов, вентиляторов, компрессоров, укомплектованных высоковольтными электродвигателями мощностью до 4000 кВт. Оно обеспечивает плавное повышение напряжения, подаваемого на электродвигатель от 0 до номинального значения в заданное время. Благодаря этому пусковой ток уменьшается в 4-5 раз, исключаются ударные нагрузки на подшипники агрегатов и лобовые части обмоток статоров электродвигателей. Кроме того, улучшаются условия эксплуатации токоподводящего электро-
173
Рис. 6.30. Схема плавного пуска высоковольтных насосных (воздуходувных) агрегатов:
QF1 — секционный высоковольтный выключатель; QF — рабочие высоковольтные выключатели; QF2, QF3 — пусковые высоковольтные выключатели; М — запускаемые электродвигатели насосных (воздуходувных) выключателей; УПП — устройство плавного пуска типа УБПВД
оборудования: трансформаторов, высоковольтных выключателей, ошиновки, кабелей и пр. Наличие такого устройства позволяет экономично и рационально эксплуатировать насосы и воздуходувные агрегаты в соответствии с технологическими условиями их эксплуатации.
Устройство выполнено в конструктивах комплектных распределительных устройств серии КРУ-210-20 и может быть легко встроено в существующие РУ. После пуска насосного или воздуходувного агрегата устройство УБПВД шунтируется, и электродвигатель агрегата оказывается подключенным напрямую к электрической сети. Пуск осуществляется вручную или автоматически под управлением компьютера, выполняющего роль пульта управления и контроллера. Пуск осуществляется следующим образом. Выбирается запускаемый агрегат и включается соответствующий ему пусковой выключатель QF2, а затем выключатель QF3 подключает к питающей сети пусковое устройство УБПВД. После этого производится автоматическая проверка исправности тиристоров. В случае положительного результата на тиристоры подаются отпирающие импульсы, и начинается плавный рост напряжения на статорных обмотках электродвигателя агрегата. Требуемый закон нарастания напряжения и разгона агрегата обеспечивается компьютером по заранее заданной программе. На дисплей компьютера выводится мнемосхема, отражающая текущее состояние выключателей и двигателей, а также совет оперативному персоналу, осуществляющему пуск агрегатов.
После завершения разгона включается рабочий выключатель пускаемого агрегата, т.е. его электродвигатель оказывается подключенным непосредственно к сети, после чего выключатели QF2 и QF3 отключаются, и устройство оказывается готовым к пуску следующего агрегата.
При пуске синхронных электродвигателей после достижения подсинхронной частоты вращения включается рабочий выключатель QF, и отключаются выключатели QF2 и QF3, после чего подается возбуждение, и двигатель втягивается в синхронизм.
Если запускаемые электродвигатели отличаются по мощности, то одновременно с выбором пускаемого агрегата, соответственно мощности его электродвигателя, изменяются уставки за
щиты расположенной в релейном шкафу ячейки выключателя QF3 и программируемые параметры разгона электродвигателя. Одно из таких устройств эксплуатируется на Южной КНС, г. Чебоксары.
Устройства плавного пуска позволяют создать энергосберегающие системы автоматизированного управления технологическими режимами работы насосных и воздуходувных установок в тех случаях, когда применение регулируемого электропривода оказывается нецелесообразным.
В частности специалистами лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2» разработана система автоматизированного управления режимами работы воздуходувной установки, подающей воздух в аэротенки крупной станции аэрации. В этой системе предусматривается использование высоковольтных УПП, поскольку воздуходувки (турбонагнетатели типа 750-23-4), установленные на этих станциях, оснащены высоковольтными (6 кВ) электродвигателями ДСП-116-49-4 мощностью 1300 кВт. Описание разработки приведено в § 7.3.
6.5.	ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КАСКАД — АЛЬТЕРНАТИВА РЕГУЛИРУЕМОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
Регулируемый электропривод несмотря на все свои достоинства не всегда может решить проблемы, возникающие в ходе эксплуатации насосных установок. В частности, серьезные проблемы возникают при регулировании режимов работы центробежных насосов, обладающих лабильными (помпажными) характеристиками Q—Н. Значительная часть насосов, используемых в системах водоснабжения и водоотведения, обладает именно такими характеристиками (см. рис. 2.7). Из приведенного рисунка видно, что насос не может устойчиво работать с малыми подачами, так как при этом он попадает в режим «помпажа». Кроме того, при малых подачах насос, как это видно из рис. 2.7, работает с очень низкими значениями КПД.
Применение дросселирования в этом случае недопустимо, так как рабочая точка насоса при этом способе регулирования, перемещаясь по напорной характеристике Q—Н насоса, все равно попадает в неустойчивую зону работы насоса.
Регулирование частоты вращения насоса также не улучшает ситуацию. При уменьшении частоты вращения характеристика центробежного насоса, как бы сжимается, и становится более крутой, но принципиально конфигурация ее остается прежней с сохранением помпажной зоны.
Эксперименты, проведенные на действующем объекте (насосная станция «Южное Тушино», Москва), с насосом 14НДС показали, что при регулировании частоты вращения и уменьшении подачи насос входит в режим помпажа. Режим помпажа сопровождается не только ударами в гидравлическом тракте агрегата, но и бросками тока в его электрической цепи, в том числе, в частотном преобразователе, поскольку изменение подачи насоса при помпаже сопровождается изменением потребляемой мощности и тока.
Названные обстоятельства заставляют эксплуатационный персонал прибегать к самому неэкономичному способу регулирования — сбросу части воды из напорных коммуникаций во всасывающие коммуникации (см. кривую 1 на рис. 6.28).
В связи с таким положением вещей специалистами лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2» разработан способ регулирования режимов работы насосных установок с использованием гидравлического каскада [96, 97].
Гидравлический каскад (рис. 6.31) позволяет рекуперировать энергию сбрасываемой воды в систему энергоснабжения насосной установки и делает этот способ регулирования при определенных условиях технически возможным и экономически целесообразным.
В состав гидравлического каскада входит гидрогенератор для преобразования энергии потока сбрасываемой воды сначала в механическую, а затем электрическую энергию. Поскольку в процессе регулирования режима работы насосной станции, количество сбрасываемой воды все время изменяется, гидрогенератор работает с переменной частотой вращения. Вследствие этого частота электрического тока на выходе из генератора меняется в широких пределах. Для того, чтобы выработанную гидрогенератором энергию можно было рекуперировать в сеть, необходимо ток переменной частоты преобразовать в ток стандартной частоты 50 Гц. С этой целью в состав гидравлического
Рис. 6.31. Принципиальная схема гидравлического каскада
1 — всасывающая линия насоса; 2 — центробежный насос; 3 — приводной электродвигатель насоса; 4 — напорная линия насоса; 5 — сбросная линия насоса; 6 — регулирующий затвор; 7 — гидротурбина; 8 — направляющий аппарат гидротурбины; 9 — генератор электрической энергии; 10 — частотный преобразователь; 11 — согласующий трансформатор
каскада включен частотный преобразователь. Для приведения в соответствие напряжения гидрогенератора с напряжением питающей электрической сети устанавливается согласующий трансформатор.
Выполненные расчеты показали, что использование гидравлического каскада экономически целесообразно в установках достаточно большой мощности (насосных станциях, укомплектованных насосными агрегатами мощностью 500—630 кВт и выше).
Хотя гидравлический каскад разработан для регулирования режимов работы насосов, обладающих лабильными характеристиками, впоследствии выявились и другие области его применения благодаря некоторым его особенностям.
Гидравлический каскад применим, когда номенклатура регулируемых электроприводов не соответствует условиям их использования в насосной установке по мощности, напряжению, габаритным размерам, конструкции и другим параметрам. Выход из строя каскада не нарушает работы установки в целом, в то время как выход из строя регулируемого электропривода выводит из строя один или несколько насосных агрегатов.
Оснащение насосной установки гидравлическим каскадом в отличие от оснащения регулируемым электроприводом не связано с выводом из резерва основных насосных агрегатов на время монтажа.
Гидравлический каскад обеспечивает стабильную работу насосных агрегатов в оптимальном режиме (по КПД, подаче, напорам), предотвращает резкое и значительное повышение давления в трубопроводах при возникновении гидравлических ударов из-за исчезновения напряжения в сети электропитания, так как часть воды из напорных линий может быть сброшена во всасывающие линии или в приемные резервуары. К сожалению, гидравлический каскад до настоящего времени из-за отсутствия финансирования не прошел экспериментальной проверки.
Глава седьмая
РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
7.1.	СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПОРА В СИСТЕМЕ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ
Для значительной группы насосных установок экономичный режим обеспечивается стабилизацией напора (давления) в системе подачи жидкости. К таким установкам относятся насосные станции II и III подъемов промышленных и городских водопроводов, насосные станции подкачки, станции закрытых систем орошения и им подобные.
Необходимость стабилизации напора в сети этих станций обусловлена переменным характером режима водопотребления. Вероятностный характер водопотребления требует непрерывных изменений в режиме работы насосной установки. Изменения должны выполняться так, чтобы поддерживались требуемые значения технологических параметров (подач, напоров) в системе в целом и одновременно обеспечивалось минимально возможное энергопотребление насосной установки.
Эта задача решается САУ насосной установки, стабилизирующей напор в сети по заданному значению. Стабилизировать напор во всех точках сложной разветвленной сети практически невозможно, поэтому речь может идти о стабилизации напоров в некоторых отдельных точках сети, называемых диктующими. В качестве диктующих выбирают точки, обеспечение нормального напора в которых гарантирует подержание таких же или более высоких напоров в остальных точках сети. В качестве диктующей точки выбирается участок водопроводной сети, расположенный на наиболее высоких геодезических отметках и наиболее удаленный от насосной станции в гидравлическом отношении, т. е. тот до которого потери напора в трубопроводе имеют наибольшие значения.
Рис. 7.1. Принципиальная схема стабилизации напора в диктующей точке водопроводной сети:
1 — центробежный насос; 2 — регулируемый электропривод; 3 — датчик давления; 4 — ПИ-регулятор; 5 — задающее устройство; 6 — канал связи; 7 — водоразборные устройства; 8 — водовод
Местоположение диктующих точек определяется гидравлическим расчетом сети или опытным путем, а также по результатам длительных эксплуатационных наблюдений. При существенном перераспределении потоков воды в сети, вызванном локальными изменениями водопотребления отдельными потребителями, диктующая точка может менять свое местоположение.
При работе сети совместно с насосными станциями, близко выдвинутыми к потребителям, например станциями подкачки, диктующая точка может располагаться на напорном коллекторе станции.
Основным параметром регулирования в системах, стабилизирующих давление в сети, является напор в диктующей точке (точках). Стабилизация напора в диктующей точке обеспечивает необходимый минимум напора в сети и снижает потребление энергии, расходуемой насосной станцией на подачу воды.
Рассмотрим процесс стабилизации напора в диктующей точке сети на примере простой неразветвленной сети. Предположим, что на станции работает один насос (рис. 7.1).
Для нормального водоснабжения потребителей в диктующей точке Л должен поддерживаться так называемый свободный напор Нсв. Точка Л расположена на отметке Z2 выше уровня воды в резервуаре. Потери напоров в водоводе зависят от значений
Рис. 7.2. Графики суточных изменений напоров, развиваемых насосной установкой:
1 — характеристика трубопровода; 2 — напорная характеристика насоса;
3 — график водопотребления; 4 — требуемый напор на выходе насосной станции; 5 — фактический напор на выходе насосной станции; 6 — изменения во времени избыточного напора
расхода во второй степени. Следовательно, насос, чтобы поднять воду с отметки Z2 на отметку Z2, преодолеть гидравлическое сопротивление в трубопроводе и обеспечить заданный свободный напор, должен развить напор
H = (Z2-Z1)+HCB+SQ2.	(7.1)
Графически зависимость требуемого напора на выходе из насосной станции от расхода изображена кривой 1 на рис. 7.2. Если эта зависимость соблюдается, в диктующей точке поддер
живается стабильный требуемый напор Нсв. Однако этот напор при работе насоса с постоянной частотой вращения поддерживается только в режиме максимальной подачи. В остальное время, когда насос работает с пониженной подачей, например в 7 ч, система работает с повышенным напором. На рис. 7.2 показано, как изменяется напор в различное время суток в зависимости от изменения подачи насосной установки.
Чтобы насосная установка работала без превышения напора при любом водопотреблении, необходимо оснастить ее соответствующей САУ, имеющей в своем составе регулируемый электропривод [18]. Такая САУ укомплектована регулируемым электроприводом, датчиком давления, пропорционально-интегральным регулятором (ПИ-регулятором), задающим устройством и каналом связи между преобразователем и регулятором (см. рис. 7.1). Задающее устройство (задатчик значения регулируемого параметра) определяет требуемое значение напора в диктующей точке водопроводной сети.
Сигналы от преобразователя давления, установленного в диктующей точке сети, и от задающего устройства поступают в ПИ-регулятор, где они сравниваются между собой, соответствующим образом обрабатываются и передаются в систему управления регулируемого электропривода насосного агрегата.
Если напор в диктующей точке выше заданного значения, в привод поступает команда на уменьшение частоты вращения электродвигателя насоса, и наоборот. При соответствии напора в диктующей точке заданному значению изменение частоты вращения насоса прекращается.
Процесс регулирования осуществляется следующим образом. В некоторый момент времени tx насос работает с частотой вращения пг, подачей Qn и напором Нг (рис. 7.3). Этому режиму соответствуют потери напора йдин1. Тогда напор в диктующей точке А равен НА1 =	- Лдин1. Будем считать, что этот напор в
начале процесса соответствует заданному значению напора в диктующей точке Нзад.
Предположим, что в следующий момент времени t2 потребитель, закрывая один из водоразборных кранов, уменьшает отбор воды из системы. Уменьшенной подаче насоса Q2 соответствуют возросший напор Н2 и пониженные потери напора йдин2.
Рис. 7.3. Процесс стабилизации напора в диктующей точке А:
Кгц), 1(п2), 1(п3) — характеристики регулируемого насоса при п1г п2, п3 соответственно; Пт, П2, П3 — характеристики водовода в разные моменты времени t1; t2, t3 соответственно; Ш — график водопотребления
Вследствие происшедших изменений в режиме работы системы напор в точке А становится равным НА2 = Н2- Ьдин2- Как видно из рис. 7.3, НА2 больше заданного значения напора Нзад = НА1. Сигнал преобразователя давления, установленного в точке А, сравнивается с сигналом задающего устройства. Преобразованный сигнал рассогласования поступает в систему управления регулирующего привода. Под его воздействием частота вращения начнет уменьшаться до тех пор, пока напор в диктующей точке не примет опять заданного значения Нзад = НА1.
При изменении частоты вращения напорная характеристика займет положение, соответствующее частоте вращения п2, а на коллекторе насосной станции установится новое значение напора Н2'. Таким образом, рабочая точка насоса на графике последовательно занимает положение 1, затем 2 и; наконец, 2' (рис. 7.3).
Если вследствие закрытия другого водоразборного крана произойдет дальнейшее уменьшение водопотребления до значения Q3, рабочая точка насоса последовательно переместится из точки 2' в точку 3, а затем 3'. В этом случае в результате действия САУ напорная характеристика насоса перемещается в положение, соответствующее частоте вращения п3.
Система управления настраивается так, чтобы изменения частоты вращения происходили при малых отклонениях значений напора в диктующей точке от заданных значений. По этой причине криволинейные треугольники 1, 2, 2' и 2', 3, 3' на графике имеют небольшие размеры. Вследствие этого рабочая точка насоса практически плавно перемещается по характеристике трубопровода, и следовательно, система работает без превышения напоров, т.е. в экономичном режиме.
Процесс стабилизации напора в диктующей точке сети при работе нескольких насосных агрегатов происходит сложнее. Если все работающие агрегаты оборудованы регулируемым приводом, процесс регулирования идет аналогично тому, как это описано выше, с тем отличием, что команда об изменении частоты вращения поступает одновременно на все работающие насосные агрегаты. Тогда частота вращения работающих агрегатов изменяется синхронно, и вследствие этого одновременно и единообразно изменяют свое положение напорные характеристики всех насосов. Благодаря этому рабочие параметры регулируемых насосов (подача, напор, КПД и др.) изменяются одинаково, и следовательно, распределение нагрузок между работающими насосными агрегатами происходит равномерно.
Более сложно решается задача, когда работают одновременно регулируемые и нерегулируемые насосные агрегаты. В этом случае процесс регулирования осуществляется изменением частоты вращения регулируемых агрегатов и последовательным изменением числа работающих нерегулируемых насосов.
Рис. 7.4. График совместной работы сети и насосов (регулируемого и нерегулируемого):
/(nJ — напорная характеристика регулируемого насоса при частоте вращения п^, 7(п2) — то же при п2; II — напорная характеристика нерегулируемого насоса; /(nj) + II, Г(п2) + II — суммарные напорные характеристики обоих насосов при nj и п2 соответственно; III — характеристика трубопровода
На рис. 7.4 представлен график совместной работы сети и двух насосов: регулируемого и нерегулируемого. Как и в предыдущем случае, при изменении водопотребления и увеличении напора в диктующей точке частота вращения регулируемого насоса уменьшается, а при снижении напора возрастает. Но при этом характеристика регулируемого насоса изменяет свое положение, а нерегулируемого остается неизменной. По этой причине, хотя насосы работают с одним и тем же напором, подача у них разная.
При уменьшении частоты вращения регулируемый насос работает с меньшей подачей, а подача нерегулируемого увеличивается. Другие рабочие параметры регулируемого и нерегулируемого насосных агрегатов (КПД, мощности и т.д.) тоже различаются. При существенном изменении водопотребления наступает момент, когда подача регулируемого насоса снижается до нуля, а подача нерегулируемого насоса увеличивается до некоторого значения IIQ3 (точка 3, рис. 7.4). В это время напор нерегулируемого насоса становится больше, чем регулируемого. Обратный клапан регулируемого насоса закрывается, а если он отсутствует, вода идет через насос в обратном направлении.
Ввиду бессмысленности такого режима САУ в этот момент времени отключает нерегулируемый насос и форсирует частоту вращения регулируемого насоса до максимального значения. При отсутствии обратного клапана одновременно должна быть закрыта напорная задвижка. Как правило, при оснащении насосного агрегата регулируемым приводом наличие обратного клапана обязательно. При дальнейшем уменьшении водопотребления процесс регулирования осуществляется только путем изменения частоты вращения регулируемого насоса.
Если регулируемый насос, вследствие увеличения водопотребления, выйдет на максимально возможную частоту вращения и несмотря на это не сможет обеспечить подачу воды в требуемом количестве, и напор на выходе насосной станции начнет резко снижаться, САУ должна дать импульс на включение нерегулируемого насоса и уменьшить частоту вращения регулируемого насоса до нужного значения.
Следует иметь в виду, что процесс изменения водопотребления не всегда идет монотонно. Часто при достижении граничного значения подачи Q3 процесс может остановиться и пойти в обратную сторону. При этом возникает ситуация, в которой нерегулируемый насос будет многократно включаться и отключаться. Во избежание таких явлений САУ должна содержать блокировочное устройство, позволяющее отключать или включать нерегулируемый насос только при наличии устойчивой тенденции изменения водопотребления. В ряде случаев, например, если водопотребление длительное время колеблется около граничного значения Q3, целесообразно оснащение обоих насосов регулируемыми электроприводами, чтобы в этом режиме они оба работали с пониженной частотой вращения.
При установке на насосной станции разнотипных насосов во избежание образования так называемых мертвых зон регулируемым электроприводом целесообразно оснащать наиболее крупные насосы с наиболее пологой характеристикой [128].
Мертвая зона возникает, если регулируемым электроприводом оборудуется насос, напорная характеристика которого лежит ниже характеристики нерегулируемого насоса. В этих условиях при достижении граничного значения подачи Q3 нерегулируемый насос отключать нельзя, поскольку регулируемый
Рис. 7.5. Образование мертвых зон (М3) в процессе регулирования насосной установки:
I(Hj) — напорная характеристика регулируемого насоса при частоте вращения Пр /(щ) — то же при п2; II — то же нерегулируемого насоса; III — характеристика трубопровода
насос, работая даже с максимальной частотой вращения, не обеспечит нужную подачу IQnl < IIQ3. В то же время на процесс регулирования он уже не может влиять, поскольку развиваемый им напор меньше напора IIН3, создаваемого нерегулируемым насосом (рис. 7.5).
Если регулируемым электроприводом оборудуется более крупный насос, САУ может дать импульс на отключение нерегулируемого насоса с некоторым упреждением, пока водопотребле-ние еще не снизилось до граничного значения водоподачи Q3.
Импульс на включение нерегулируемого насоса может быть дан также заблаговременно, пока водопотребление не увеличится до граничного значения Q3. Благодаря этому ограничивается работа насосного агрегата в зоне низких значений КПД, что улучшает процесс регулирования.
Задача стабилизации напора еще больше осложняется, если вода в сеть подается несколькими насосными установками, например двумя. Для обеспечения оптимального распределения подач между насосными установками и минимального энергопотребления в системе следует поддерживать определенное
Рис. 7.6. Автоматизированная система подачи воды в общую сеть двумя насосными станциями
соотношение между технологическими параметрами обеих насосных установок.
Как показано в [19,143], минимум энергетических затрат при работе двух насосных станций в общую сеть обеспечивается при соблюдении соотношения:
(	1 Л (	1)2
1^1-3^1 1- Н2~зЛ2 =з(21-72),	(7.2)
где Нг, Н2 — напор на выходе из первой и второй насосных установок, соответственно; h1} h2 — напор на входе тех же установок; Z1; Z2 — геодезические отметки осей насосов тех же установок.
Аналогичное соотношение может быть получено для систем с большим количеством насосных станций, работающих в общую сеть.
Здесь следует сказать, что соотношение (7.2) получено Я.Н. Гинзбургом для некоторой упрощенной, идеализированной системы трубопроводов. Для реальных систем в соотношение (7.2) приходится вводить некоторые корректирующие коэффициенты (см. гл. 8). Тем не менее, соотношение (7.2) является удачным алгоритмом, позволяющим проектировать САУ для сложных систем подачи и распределения воды (СПРВ).
На рис. 7.6 представлена схема САУ режимами работы двух насосных установок, реализующая соотношение (7.2), схема САУ разработана В.Б. Чебановым [143]. Особо следует подчерк
нуть, что соблюдение соотношения (7.2) обеспечивает минимизацию энергетических затрат в системе в целом. При этом КПД отдельных элементов системы, например насосных агрегатов, могут быть меньше, чем их максимальные значения.
Два регулируемых насосных агрегата 1 и 2 объединены общей водопроводной сетью 8, в диктующей точке А которой установлен датчик давления 7. Аналогичные датчики установлены на входе и выходе обоих насосов. Электрический сигнал от датчика давления 7, пропорциональный напору в точке А, поступает на вход ПИ-регулятора 4 насосного агрегата 1. Сигнал, пропорциональный давлению в точке А, сравнивается с сигналом задатчика 3. При расхождении значений этих сигналов из-за изменений напора в точке А, вызванных колебаниями водопотребления в сети, с помощью частотного преобразователя 5 изменяется частота вращения асинхронного электродвигателя 6 насосного агрегата 1. При этом изменяется напор на его входе и выходе. Сигналы, пропорциональные этим напорам, поступают в ПИ-регулятор 4 насосного агрегата 2. В этот же регулятор поступают сигналы от датчиков давления, установленных на входе и выходе агрегата 2, а также сигнал, пропорциональный разности геодезических отметок насосов 1 и 2, и от задатчика 3. В ПИ-регуляторе 4 поступившие сигналы обрабатываются и в результате выдается сигнал на изменение частоты вращения асинхронного электродвигателя 6 насосного агрегата 2. Частота вращения агрегата 2 подстраивается с помощью частотного преобразователя 5 к частоте вращения агрегата 1 таким образом, чтобы удовлетворялось соотношение (7.2). При этом достигается экономия электроэнергии за счет правильного распределения нагрузки между насосными станциями и обеспечения минимума суммарных затрат энергии для данной системы подачи жидкости в данном режиме работы. Схема реализована на действующем водопроводе г. Северска (см. гл. 8).
7.2.	СТАБИЛИЗАЦИЯ УРОВНЯ В РЕЗЕРВУАРАХ
Работа канализационных и им подобных насосных установок с циклическим регулированием работы насосных агрегатов и переменным уровнем жидкости в приемных резервуарах связана
с потерями электроэнергии (см. §4.1). Откуда возникает необходимость стабилизации уровня жидкости на высоких отметках.
В современных отечественных и зарубежных системах регулирование режимов работы насосных установок осуществляется посредством автоматизированного регулируемого электропривода. В таких системах регулируемым параметром является уровень жидкости в резервуаре, значение которого выбирается исходя из следующих соображений. С энергетической точки зрения уровень следует поддерживать на самой высокой отметке, так как это уменьшает статическую высоту подъема жидкости. Однако для того чтобы жидкость не выливалась из резервуара, уровень должен быть ниже отметки пола помещения резервуаров или отметки низа переливной трубы на 30—50 см. Это расстояние позволяет своевременно включить резервный насосный агрегат при выходе из строя системы регулирования. Одновременно должны быть приняты меры, исключающие опорожнение резервуара до такой степени, чтобы насос не попал в режим кавитации. Обычно заданный уровень поддерживается с точностью ±50 мм. Современное развитие техники позволяет поддерживать заданный уровень и с большей точностью до ±10 мм. Однако такая высокая точность влечет за собой непрерывное изменение частоты вращения электродвигателя насосного агрегата и вследствие этого способствует возникновению знакопеременных нагрузок на отдельных элементах насосного агрегата (эластичных муфтах, соединяющих насос с двигателем и др.), ведущих к преждевременному износу этих элементов, поэтому в ряде случаев приходится устанавливать повышенную зону нечувствительности системы регулирования, что понижает точность стабилизации уровня (до ±100 мм).
Процесс стабилизации уровня в приемном резервуаре рассмотрен на примере системы, изображенной на рис. 7.7. Согласно [142] насосная станция, работающая совместно с резервуаром, как объект автоматического регулирования, не обладает свойством самовыравнивания.
Статическая погрешность регулирования уровня при использовании регулятора, реализующего пропорциональный закон регулирования, достигает 1,5 м. При использовании интегрирующего регулятора возникают незатухающие колебания уровня до 1 м,
Рис. 7.7. Система транспорта жидкости с резервуарами:
1 — насос; 2 — приемный резервуар; 3 — напорный резервуар; 4 — самотечные водоводы; 5 — напорный водовод; 6 — щитовой затвор; 7 — напорная задвижка; 8 — датчик уровня; 9 — преобразователь датчика уровня; 10 — регулятор; 11 — задатчик
что соизмеримо с геометрическими размерами резервуара. В [142] показано, что качество регулирования может быть улучшено за счет применения регулятора, реализующего пропорционально-интегральный закон регулирования, т.е. ПИ-регулятора.
Разработанная в лаборатории автоматизации ВНИИ ВОДГЕО схема стабилизации уровня [62,142] содержит: уровнемер с аналоговым электрическим сигналом, пропорциональным уровню, ПИ-регулятор, насосный агрегат с регулируемым приводом (рис. 7.7).
Система реализована на нескольких канализационных станциях Москвы. В качестве уровнемера использованы в одних случаях ультразвуковые акустические приборы, в других — система измерения уровня в резервуаре 1 с воздушны колоколом 2, дифференциальным манометром 4 и эжектором 3 (рис. 7.8).
Воздушный колокол представляет собой отрезок трубы, заваренный сверху, с прорезями для поступления жидкости в его полость. В верхнюю часть трубы вварены два штуцера, к которым подведены две импульсные трубки. По одной из них подается водовоздушная смесь от эжектора. Вода к эжектору поступает из системы технического водоснабжения насосной станции под давлением 0,1—0,2 МПа. Воздух, подаваемый эжектором, обеспечивает компенсацию растворяющегося в сточной воде кислорода, препятствует засорению импульсных трубок и внутренней
Рис. 7.8. Схема измерения уровня жидкости в резервуаре
полости колокола. По второй импульсной трубке через воздушную подушку передается давление столба жидкости в одну из камер дифференциального манометра. Вторая камера дифференциального манометра сообщается с атмосферой. Это давление пропорционально уровню жидкости в резервуаре.
В качестве преобразователя давления в электрический сигнал, прямо пропорциональный перепаду давления, используется дифференциальный манометр любого типа со стандартным выходом 0—5 мА и 4—20 мА. Опыт эксплуатации показал, что в условиях канализационных насосных станций, перекачивающих загрязненные воды, эта система измерения уровня более надежна, чем акустический уровнемер.
В качестве ПИ-регуляторов могут быть использованы аналоговые регуляторы с непрерывным выходным сигналом 0—5 мА и А—20 мА, осуществляющие алгебраическое суммирование и масштабирование унифицированных сигналов постоянного тока. В настоящее время такие регуляторы входят в состав различного рода микропроцессорных контроллеров и промышленных компьютеров, используемых в САУ технологическими процессами.
В качестве регулируемого электропривода в системе предусматривается использование различных видов регулируемых эле-
Рис. 7.9. Процесс стабилизации уровня жидкости в резервуаре:
А — напорная характеристика насоса при щ; Б — то же при п2; В — то же при п3; I — характеристика трубопровода при заданном уровне в резервуаре; II — то же при пониженном уровне в резервуаре; III — график изменения притока
ктроприводов: с ИМС; частотными преобразователями; по схеме АВК; на базе вентильных электродвигателей и др. Процесс регулирования в системе водоотведения идет следующим образом (рис. 7.9). Предположим, что в некоторый момент времени t] насос работает с частотой вращения пг и обеспечивает подачу Qp напор НР Этому режиму соответствует уровень жидкости в резервуаре и приток
Предположим, что этот уровень соответствует заданному, т.е. в этот момент времени Qj = q1; ahT = h^. Предположим также, что в следующий момент времени t2 приток изменится в сторону уменьшения и станет равным д2- Тогда из-за несоответствия притока и откачки q2 < Qj, уровень воды в резервуаре снизится на некоторое значение Ай. Следовательно, возрастает статическая составляющая напора, и характеристика трубопровода займет по
ложение II. При этом подача насоса тоже несколько уменьшится до точки 1'. Однако это не компенсирует уменьшение притока. Подача насоса за счет того, что характеристики насоса и трубопроводов криволинейны, снижается в гораздо меньшей степени, чем уменьшится приток. При этом произойдет рассогласование задающего сигнала системы регулирования и сигнала, поступающего от преобразователя уровня. В результате этого регулятор выдает обработанный по ПИ-закону импульс в систему управления регулируемого электропривода, снижающий частоту вращения электродвигателя насосного агрегата. При снижении частоты вращения характеристика насоса переместится в положение Б, соответствующее частоте вращения п2,новому значению притока q2 и заданному уровню сточной жидкости в резервуаре, рабочая точка насоса переместится в точку 2'. Система регулирования сработает аналогичным образом, и характеристика насоса переместится в положение В, а рабочая точка — в положение 3. Ввиду высокой чувствительности системы регулирования ее реагирование происходит при малых отклонениях уровня от заданного значения, и вследствие этого криволинейные треугольники 1, Г, 2 и 2, 2', 3 имеют малые размеры, поэтому рабочая точка практически плавно перемещается по характеристике водовода.
При увеличении притока система регулирования действует аналогично, но в противоположном направлении. В результате процесс регулирования поддерживает заданный уровень жидкости в приемном резервуаре, обеспечивая равенство подачи насоса и притока Q = q и стабильность заданного уровня. Таким образом обеспечивается работа насосной установки в экономичном режиме, без превышения статических напоров. Опыт применения систем стабилизации в канализационных насосных установках подтвердил их работоспособность и эффективность [8, 62].
Стабилизация уровня жидкости в напорных резервуарах несколько отличается от стабилизации уровня в приемных резервуарах. При уменьшении разбора воды уровень в напорных резервуарах поднимается. При этом статическая составляющая напора увеличивается, а частота вращения электродвигателя насоса в результате действия системы регулирования должна уменьшаться. При увеличении водопотребления, наоборот, уровень жидкости в резервуаре падает, статическая составляющая напора уменьшается, а час
тота вращения электродвигателя насоса в результате действия системы регулирования увеличивается. Основная цель системы стабилизации уровня жидкости в напорном резервуаре заключается в поддержании уровня на заданной минимальной отметке.
В системах стабилизации уровня так же, как и в системах стабилизации напоров в сети (см. §7.1), необходимо предусматривать включение дополнительных нерегулируемых насосов при существенных увеличениях притока или водопотребления и отключение их при уменьшении.
Регулируемым приводом должны оснащаться наиболее крупные насосные агрегаты с наиболее пологой характеристикой. При использования однотипных насосов во избежание образования мертвых зон рабочие колеса нерегулируемых насосов должны иметь диаметры меньше регулируемых. При равенстве диаметров и работе регулируемого насоса в режиме максимальных подач с повышенной частотой вращения (в случае применения частотного электропривода) он должен быть укомплектован двигателем повышенной мощности в соответствии с рекомендациями (см. §6.2).
В САУ насосной установки, откачивающей жидкость из резервуара, следует предусматривать блокировку, исключающую работу насоса при недопустимо низких уровнях жидкости в резервуаре, что бывает при минимальных притоках сточных вод.
7.3.	РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ ВОЗДУХА В АЭРОТЕНКИ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
КАНАЛИЗАЦИИ
Изменения расхода сточных вод, поступающих на очистные сооружения (рис. 7.10), и органической нагрузки на аэротенки требуют регулирования подачи воздуха в аэротенки в широком диапазоне (от 1:2 до 1:6) [154]. Воздуходувные установки крупных станций аэрации оснащаются, как правило, значительным (6—10 агрегатов) количеством воздуходувок (турбонагнетателей).
Регулирование режимов работы воздуходувных установок осуществляется, обычно, изменением количества работающих агрегатов. Этот способ регулирования имеет ряд недостатков:
регулирование неэкономично, связано с потерей 15—20% энергии, расходуемой на подачу воздуха в аэротенки;
Рис. 7.10. Режим притока (поступления) сточных вод на Курьяновскую станцию аэрации как характерное многообразие «режима загрузки» любого сооружения канализации:
1, 2, 3 — расчетные значения: максимум, среднее, минимум
значительное количество включений-отключений воздуходувок в соответствии с технологическими потребностями ведет к преждевременному износу воздуходувок. Особенно это важно для мощных турбонагнетателей, например типа 750-23-4 с приводом от синхронных двигателей мощностью 1200—1300 кВт. Для них допускается 50—55 включений-отключений в год.
Более экономично регулирование осуществляется дросселированием всасывающих линий. Однако этот способ связан с непрерывным изменением положения диска затвора в соответствии с изменением притока стоков и их состава, и следовательно, с повышенным износом движущихся деталей затворов и ускоренным выходом их из строя.
Применение регулируемого электропривода для воздуходувных агрегатов станций аэрации, как показали наши исследования, нецелесообразно, потому что они работают с низкой динамической и с большой статической составляющими напора, обусловленными уровнем сточной жидкости в аэротенках. Анализ целесообразности использования регулируемого электропривода в воздуходувных установках станций аэрации был выполнен на примере такой установки Люберецкой станции аэрации Москвы.
Воздуходувная установка состоит из 10 воздуходувок типа 750-23-4, подающих воздух в 15 аэротенков. Регулирование режима работы воздуходувной установки осуществляется изменением количества работающих воздуходувок. На рис. 7.11 показана зависимость мощности, потребляемой воздуходувками, от количества воздуха, подаваемого в аэротенки.
Рис. 7.11. Зависимость мощности, потребляемой воздуходувной установкой, от ее подачи:
1 — при изменении количества работающих воздуходувок; 2 — при поочередном дискретном изменении положения дисков затворов в сочетании с изменением количества работающих воздуходувок
Расчеты по приведенной выше методике (см. §5.3), модифицированной для воздуходувных установок, показали, что использование регулируемого электропривода в таких установках нецелесообразно по следующим причинам:
характеристика воздуховодов из-за большого диаметра и малой протяженности идет параллельно оси абсцисс, т.е. статическая составляющая напора достигает почти 100%, а динамическая практически равна нулю. В этих условиях экономия энергии, получаемая при изменении частоты вращения ротора турбовоздуходувки, незначительна (4—5%), а затраты на оснащение мощных (1250—1300 кВт) агрегатов высоковольтным (6— 10 кВ) регулируемым электроприводом существенны. Из-за этого регулируемый электропривод в воздуходувных установках станций аэрации не окупается в приемлемые сроки;
снижение частоты вращения воздуходувки требует переделки системы смазки агрегата, поскольку при понижении частоты вращения агрегата, главный масляный насос, приводимый во вращение от коробки отбора мощности турбовоздуходувки, будет тоже работать с пониженной частотой вращения и не обеспечит требуемую подачу масла в отдельные узлы агрегата. Использование же пускового масляного насоса, оснащенного независимым электроприводом, продолжительном режиме работы не предусмотрено техническими условиями на данный тип воздуходувки.
Регулирование воздуходувной установки плавным дросселированием потока воздуха задвижками, установленными на всасывающих линиях, также следует признать нецелесообразным. Задвижки являются запорными устройствами и не предназначены для использования в режиме автоматического постоянного изменения своего положения в следящем режиме.
Нами разработан «комбинированный» способ регулирования режимов работы воздуходувных установок. Способ предусматривает поочередное дискретное изменение положения дисков затворов, установленных на всасывающих линиях воздуходувок, участвующих в работе. Затвор прикрывается на некоторый постоянный угол 35—40°.
При необходимости существенно изменить подачу воздуха дросселирование дополняется изменением количества работаю
щих агрегатов, что осуществляется с помощью устройства плавного пуска (см. §6.4).
Применение УПП позволяет увеличить количество включений-отключений воздуходувок до значений, требуемых условиями технологического процесса очистки сточных вод. Применение УПП не требует значительных капитальных затрат, поскольку для поочередного плавного пуска 8-10 агрегатов воздуходувной установки достаточно иметь один УПП (см. рис. 6.30).
Эксперименты, проведенные на Люберецкой станции аэрации Москвы, оснащенной 10 воздуходувками 750-23-4, показали следующее:
затвор на всасывающей линии может быть прикрыт на угол 45° без угрозы возникновения помпажа;
прикрытие затвора на угол 45 ° уменьшает подачу воздуха на 4000 м3/ч и снижает потребляемую мощность на 140 кВт;
поочередным прикрытием затвора на 40° можно практически плавно уменьшать подачу воздуха в аэротенки на 20—23% и снизить потребляемую мощность на 15—16%;
поочередным прикрытием затворов на угол 40° в сочетании с отключением одного агрегата диапазон регулирования увеличивается до 30%, а потребляемая мощность уменьшается на 22— 23%.
При необходимости за счет увеличения количества отключаемых агрегатов диапазон регулируемой подачи воздуха может быть значительно увеличен и соответственно снижена потребляемая мощность.
По результатам эксперимента на рис. 7.11 показано, как изменяется потребляемая воздуходувками электрическая мощность при этом способе регулирования. Предлагаемый способ регулирования снижает потребляемую мощность в зависимости от подачи на 50—250 кВт.
На рис. 7.12 показано, как изменяется поступление воздуха в аэротенки при поочередном прикрытии затворов воздуходувок на угол 40°. Каждая ступень изменения поступления воздуха равна приблизительно 1,5—2,0% общего поступления воздуха, т.е. регулирование практически осуществляется плавно.
В свое время этот способ не был реализован из-за отсутствия УПП. В настоящее время в связи с промышленным освоением про-
Время, ч
Рис. 7.12. График изменения поступления воздуха в аэротенки при изменении положения дисков затворов воздуходувок на всасывающих линиях
изводства высоковольтных УПП для агрегатов такого рода описанный способ регулирования может найти место в воздуходувных установках станций аэрации. С использованием этого способа может быть осуществлено автоматическое регулирование подачи воздуха пропорционально количеству сточных вод, поступающих на очистные сооружения с учетом потребности в кислороде, которая зависит от степени загрязненности сточных вод и других технологических параметров.
7.4.	ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В САУ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
Применение регулируемого электропривода в САУ насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой — требует дополнительных капитальных затрат, поэто
му целесообразность применения регулируемого электропривода в САУ насосных установок определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового.
За новый вариант принимается насосная установка, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый — установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения.
В соответствии с методикой [128] приведенные затраты определяются выражением
3 = С + ЕК,	(7.3)
где 3 — приведенные затраты на единицу продукции, руб.; С — себестоимость единицы продукции, руб.; К — удельные капитальные вложения в производственные фонды, руб.; Е — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
В насосных установках за единицу продукции принимается объем жидкости, перекачиваемый за год.
Разница в приведенных затратах по вариантам равна:
АЗ = Сб + ЕКб - Сн - ЕКН = АС + ЕАЕ, (7.4) здесь индексом «б» обозначены затраты по базовому варианту, а «н» — по новому варианту.
Разница в себестоимости продукции определяется выражением
АС = ACW + ACq + ACg - АА,	(7.5)
где ACW — стоимость электроэнергии, сэкономленной в течение года за счет применения регулируемого электропривода; ACq — стоимость утечек и непроизводительных расходов воды, уменьшенных за счет применения регулируемого электропривода; АСц — стоимость транспорта и обработки утечек и непроизводительных расходов сточной воды в системе водоотведения; АА — изменение амортизационных отчислений, обусловленное изменением капитальных вложений в связи с применением регулируемого электропривода.
Стоимость сэкономленной электроэнергии
ACW = AWI[ff,	(7.6)
где AW — экономия электроэнергии, кВт-ч; Цы — тариф на электроэнергию, руб/(кВт • ч).
При двухставочном тарифе берется ставка только за израсходованную электроэнергию, так как обычно применение регулируемого электропривода не влияет на максимум заявленной мощности. Здесь следует обратить внимание читателя на следующие обстоятельства. При двухставочных тарифах ставка за 1 кВт-ч (0,4—0,5 руб/(кВт-ч)) израсходованной электроэнергии примерно в 2 раза ниже, чем при одноставочном тарифе (0,8— 1,0 руб/(кВт-ч)). В этих условиях общие расходы крупного предприятия водопроводно-канализационного хозяйства по оплате электроэнергии распределяются примерно поровну: 52—54% на оплату израсходованной энергии (кВт-ч.) и 48—46% на оплату заявленной мощности (кВт), совпадающей с пиковой нагрузкой энергосистемы.
Из-за этих обстоятельств, сопряженных с высокой стоимостью высоковольтных регулируемых электроприводов, существенно увеличиваются сроки окупаемости энергосберегающих систем и формально делается невыгодным проведение энергосберегающих мероприятий. Возникают парадоксальные ситуации, когда экономия 170—200 тыс. кВт-ч электроэнергии на небольшой насосной станции, где действует одноставочный тариф, в денежном выражении экономит столько же средств, как экономия 500—600 кВт-ч на крупной станции, для которой используется двухставочный тариф.
Выполненные расчеты показывают, что замена двухставочного тарифа на одноставочный, если не проводить энергосберегающие мероприятия, увеличивает общие расходы по оплате электроэнергии всего на 8—9%. При проведении энергосберегающих мероприятий с экономией 20% энергии переход на одноставочный тариф снижает расходы по оплате на 9—10%. Отсюда следует важный вывод о целесообразности использования одноставочного тарифа в тех случаях, когда предприятие ведет энергосберегающую политику. К этому следует добавить, что Постановление СМ РФ №109 от 28.02.2004г. «О ценообразовании в отношении электрической и тепловой энергии в Российской Федерации», п. 58 предусматривает право потребителя на самостоятельный выбор того варианта тарифа, который наилуч
шим образом соответствует его экономическим интересам, с уведомлением об этом энергосберегающей организации в установленном порядке.
Заметим, что многие водоканалы (водоканал г. Орла и др.), ведущие энергосберегающую политику, воспользовались этим правом и перешли на одноставочный тариф. Переход на одноставочный тариф, кроме того, обеспечивает лучшие возможности по возврату кредитов, полученных для проведения энергосберегающих мероприятий.
Стоимость сэкономленной воды
ACq = AQKq,	(7.7)
где AQ — экономия воды (см. §3.4), м3; I(q — стоимость воды, руб/м3.
Затраты на перекачку и обработку утечек и непроизводительных расходов сточной воды в системе водоотведения
ACq = AQKq,	(7.8)
где Цд — стоимость перекачки и обработки 1 м3 сточной воды. Амортизационные отчисления зависят от капитальных затрат.
Изменение амортизационных отчислений АА, %, равно:
АА = ААКЭ,	(7,9)
здесь А — норма амортизационных отчислений от капитальных вложений, %; ДКЭ — дополнительные капитальные вложения, обусловленные применением регулируемого электропривода, руб.
Дополнительные капитальные вложения, связанные с применением регулируемого электропривода в САУ насосных установок, зависят, прежде всего, от вида электропривода и его мощности. На рис. 7.13 представлены зависимости дополнительных капитальных вложений от мощности для наиболее распространенных в нашей стране регулируемых электроприводов.
Прямая 1 построена по усредненным показателям ряда фирм и предприятий, поставляющих низковольтные частотные преобразователи; 2 — по усредненным показателям фирм «Электротекса», «Веспера», «Триола» и др.; прямые 3 и 4 — по данным ОАО «Электровыпрямитель», а прямая 5 — по данным фирмы «Twin-Disk» 2003 г. Разумеется, этими графиками следует поль-
Рис. 7.13. Дополнительные затраты, связанные с использованием преобразователей и устройств управления регулируемым электроприводом различного вида:
1 — низковольтные частотные преобразователи; 2 — высоковольтные частотные преобразователи с двойной трансформацией напряжения; 3 — высоковольтные бестрансформаторные частотные преобразователи; 4 — высоковольтные бес-трансформаторные преобразователи по системе вентильного электродвигателя; 5 — гидравлический вариатор «Twin-Disk»
зоваться для расчетов общего характера, поскольку реальная стоимость оборудования у всех поставщиков меняется каждый год. Для конкретных установок ЛК следует определять по действующим прейскурантам и ценникам.
На рис. 7.14 представлены зависимости удельной стоимости различных видов регулируемых приводов от их мощности. Они также могут быть использованы для предварительной оценки принимаемых технических решений.
Следует иметь в виду, что применение регулируемого электропривода увеличивает капитальные вложения только в том случае, если он применяется в действующей насосной установке. При строительстве новой или реконструкции существующей ус-
Рис. 7.14. Удельная стоимость преобразователей и устройств управления регулируемым электроприводом различного вида: 1—5 — то же, что и на рис. 7.13
тановки применение регулируемого электропривода может снизить суммарные капитальные вложения благодаря укрупнению единичной мощности насосных агрегатов и уменьшению их числа [65, 69, 128]. При отсутствии регулируемого электропривода на станциях устанавливают большое число агрегатов (до 12) относительно небольшой мощности. Часто берут разнотипные насосы или насосы одного типа, но с различными диаметрами рабочих колес. Такое решение сопряжено с большими габаритными размерами здания насосной станции, усложнением ее гидравлической схемы и установкой большого количества гидромеханической аппаратуры (задвижек, затворов, обратных клапанов).
Применение в насосных агрегатах регулируемого электропривода дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач. Благодаря этому можно, увеличив единичную мощность агрегатов, уменьшить их общее число, и следовательно, уменьшить габаритные размеры зданий, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить число трубо
проводной арматуры и число ячеек в электрическом РУ и т. д. В результате применение регулируемого электропривода не только не увеличивает капитальные вложения, но при определенных условиях даже уменьшает их на величину ДКС — снижение стоимости строительной части.
Выполненные расчеты показали, что применение регулируемого электропривода в сочетании с укрупнением единичной мощности позволяет уменьшить приведенные затраты до 50% [69].
На рис. 7.15 показаны гидравлическая схема и схема размещения оборудования двух вариантов водопроводной насосной станции. Номинальная подача станции (260—270)-103 тыс. м3/сут, номинальный напор 70—75 м.
В первом варианте предусматривается установка восьми насосов Д3200-75 мощностью 800 кВт с электроприводом от синхронных нерегулируемых электродвигателей.
Во втором варианте предусматривается установка пяти насосов Д6300-80, в том числе два из них оборудуются регулируемым электроприводом по схеме АВК. Здесь уместно отметить, что КПД более мощных насосных агрегатов выше КПД менее мощных. Так, КПД насоса Д6300-80 равен 88%, а насоса Д3200-75 — 87%.
Сравнением двух вариантов компоновки насосных станций установлено, что размеры здания станции по второму варианту меньше на 15%, чем по первому. При этом существенно упростилась гидравлическая схема, а электрические схемы по обоим вариантам незначительно отличаются одна от другой. Результаты расчета [69] показывают, что капиталовложения по электрической части из-за применения регулируемого электропривода возросли в 1,7—1,8 раз, по гидромеханической части остались без изменений, по строительной части уменьшились на 20%. Приведенные затраты по второму варианту с учетом экономии электроэнергии, воды и капиталовложений уменьшились на 42%.
Таким образом, применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вто-
Рис. 7.15. Укрупнение единичной мощности насосных агрегатов: а — гидравлическая схема водопроводной насосной станции с восьмью насосными агрегатами мощностью 800 кВт; б — то же с пятью агрегатами мощностью 1600 кВт, в том числе два с электроприводом по схеме АВК; в — размещение восьми агрегатов мощностью по 800 кВт; г — то же пяти агрегатов мощностью по 1600 кВт
ричные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания, приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20—50%.
Особое внимание следует обратить на целесообразность укрупнения единичной мощности насосных агрегатов в реконструируемых установках при увеличении их производительности. Расчеты, выполненные для ряда объектов, показали, что таким образом может быть увеличена производительность насосных станций без расширения их производственных площадей.
Из изложенного следует, что срок окупаемости САУ, оснащенной регулируемым электроприводом, определяется выражением:
т =___________ЖЭ-АКС___________
ок АСЭН + АСЧ Б + АСст Б - АЭАЯЭ + АСАКС
(7.10)
ст.в.
где АСЭН — стоимость сэкономленной за год энергии, руб.; АСЧ Б — то же чистой воды, руб.; АССТ в — стоимость уменьшения сбросов сточной воды в систему воотседения, руб.; АКС — снижение стоимости строительной части; Ас — норма амортизационных отчислений для строительной части.
Вместе с тем расчеты и анализ эффективности регулируемого электропривода в действующих насосных установках показывает, что в небольших насосных установках с агрегатами мощностью до 75 кВт, особенно тогда, когда они работают с большой статической составляющей напора, оказывается нецелесообразным применение регулируемых электроприводов. В этих случаях можно использовать более простые системы регулирования с применением дросселирования, изменения числа работающих насосных агрегатов, сброса воды в приемный резервуар или во всасывающие линии. Последний способ является единственно возможным для насосов с лабильной напорной характеристикой, т.е. имеющих возрастающий участок напорной характеристики и работающих с большой глубиной регулирования, так как этот способ позволяет избежать помпажа. В §6.5 рассмотрена возможность повышения экономичности этого спо соба регулирования.
Более подробное изложение методики определения целесообразности применения регулируемого электропривода в САУ насосных установок содержится в [128].
Считаем необходимым обратить внимание специалистов водопроводно-канализационного хозяйства на то, что в рекламных проспектах ряда отечественных и зарубежных фирм завышается энергетическая эффективность регулируемого электропривода. В частности указывается, что применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод, а сроки окупаемости составляют три—девять месяцев [119 и др.].
Расчеты автора и сорокалетний опыт внедрения регулируемого электропривода в энергосберегающие САУ насосными установками более чем на 50 объектах показывают, что такие значения экономии энергии явно завышены, а сроки окупаемости занижены. Использовав изложенные в § 5.2 положения и методики, покажем реально возможные значения экономии энергии и сроки окупаемости регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения.
Количество энергии, которая может быть сэкономлена в насосных установках, зависит от основных технологических параметров: крутизны характеристик трубопроводов и центробежных насосов; глубины регулирования подачи насосных установок; количества насосных агрегатов, участвующих в работе, и других факторов.
Крутизна характеристики трубопроводов, существенно зависящая от соотношения динамической и статической составляющих напора, требуемого для подачи воды потребителю, может быть определена параметром Н* = Нп/Н6.
В системах водоснабжения и водоотведения в зависимости от местных условий относительное противодавление Н* может изменяться от 0 до 1. Если насосная станция расположена выше потребителя, то Н* может приобретать отрицательные значения: -(0,1—0,3).
Крутизна характеристики центробежного насоса может быть определена параметром Нф = Нф/Нб.
Для центробежных насосов, используемых в системах водоснабжения и водоотведения, обычно Нф = 1,1—1,45.
a) w*	6)
XI 0,6	0,2	2000 4000	6000 к/Ц
Рис. 7.16. Окупаемость энергосберегающих САУ насосных установок: а — значения относительной экономии энергии, которые могут быть получены в насосной установке при различных параметрах X и Н*: 1 — w* = f(X) при Н* = 0; 2 — то же при Н* = 0,2; 3 — то же при Н* = 0,4; 4 — то же при Н* = 0,6; 5 — то же при Н* = 0,8; 6 — то же при Н* = 1,0;
б — значения относительной экономии энергии, при которой САУ окупается в разные сроки: 7 — w* = ((к/Ц) при Ток = 2,0 года; 8 — то же при = 2,5 года; 9 — то же при Ток = 3,0 года
Глубина регулирования подачи воды характеризуется параметром X = QM/Q6.
В системах водоснабжения и водоотведения X, как правило, не бывает менее 0,25—0,33. Относительная экономия электроэнергии w* в зависимости от параметров И*, Нф и X определяется с помощью расчетных кривых. На рис. 7.16 в качестве примера представлены кривые для определения относительной экономии энергии при замене дросселирования водяных насосов регулированием их частоты вращения с помощью регулируемого привода. Из графиков рис. 7.16 видно, что при приведенных выше значениях И*, Нф и X относительная экономия энергии w* не может превышать 0,35—0,4. Наименьшие значения относительной экономии 0,08—0,12, а средние 0,2—0,25.
При параллельной работе нескольких агрегатов средние значения избыточных напоров существенно меньше, чем при ра
боте одного насоса. По этой причине результирующая экономия энергии, получаемая при использовании регулируемого электропривода и работе нескольких насосов, значительно снижается. Снижение экономии энергии при расчетах учитывается коэффициентом <р, значение которого зависит от количества параллельно работающих насосов. Снижающий коэффициент (р = 0,38^-0,75 (см. §4.1). Кроме того, использование регулируемого электропривода связано с возникновением потерь в частотных преобразователях, трансформаторах, электродвигателях и со снижением КПД насосов, работающих на пониженных частотах вращения. Таким образом, применение регулируемого привода позволяет экономить в среднем 5—15 % энергии, расходуемой на подачу воды.
В отдельных случаях при очень крутых характеристиках трубопроводов, достаточно крутых характеристиках насосов и при большой глубине регулирования подачи воды экономия энергии может достигать 25—30 %. Эти расчеты подтверждаются многолетней практикой внедрения регулируемого электропривода в энергосберегающие САУ насосными станциями систем водоснабжения и водоотведения. Как правило, использование регулируемого электропривода в САУ канализационными насосными станциями (например, в Москве) обеспечивало экономию энергии 5—10 %.
На водопроводных станциях (в Москве, Уфе, Стерлитамаке, Чебоксарах) обычно экономилось 10—20 % энергии. Аналогичные результаты получены в системах технического и оборотного водоснабжения промышленных предприятий (Белокалитвин-ский металлургический завод и др.). На Восточной водопроводной станции Москвы экономия энергии достигала 20—25 %. Но эта станция находится на более высоких отметках, чем район водоснабжения, и поэтому работает практически без статического противодавления, т.е. характеристики ее водоводов имеют очень большую крутизну.
На насосной станции III подъема г. Чебоксар экономия энергии доходила до 29 % за счет большой длины и сравнительно небольшого сечения всасывающих водоводов. На насосной станции II подъема г. Северска экономия энергии составила 55— 58 % общего энергопотребления. Однако анализ показал, что
только 20—25 % экономии обеспечивалось за счет применения регулируемого электроприовода, а остальные 30—35 % за счет приведения в соответствие характеристик насоса и водопроводной сети, что позволило большую часть времени работать с одним насосом вместо двух.
Количество сэкономленной энергии само по себе не определяет целесообразность использования регулируемого электропривода в насосной установке. Следует знать, какой ценой эта экономия достигается. На сроки окупаемости энергосберегающих систем, оснащаемых регулируемым электроприводом, существенное влияние оказывает соотношение стоимости энергии и энергосберегающего оборудования к/Ц (к — удельная стоимость оборудования САУ, в том числе регулируемого электропривода; Ц — тариф на электроэнергию).
Под удельной стоимостью САУ понимается отношение к = АК/Р, где АК — стоимость аппаратуры и оборудования САУ, в том числе регулируемого электропривода, а также стоимость проектных, монтажно-наладочных и прочих работ, необходимых для создания САУ, руб.; Р — мощность регулируемого привода, кВт, равная (1,05—1,15)N6; N6 — наибольшая мощность, потребляемая насосом в данной насосной установке, кВт.
Поскольку тариф на электроэнергию Ц установлен в руб/(кВт • ч), отношение к/Ц выражается в часах.
Согласно [128] условие окупаемости систем, оснащаемых регулируемым электроприводом, работающим с потерями скольжения (гидромуфтами, ИМС и т. п.) или с рекуперацией потерь скольжения (АВК и т. п.), имеет вид неравенства
* (Е-А)АК w >-------,
(1-ОВД
(7.11)
где w* — относительная экономия энергии; Е = 1/Гок — коэффициент эффективности капитальных вложений; Гок — срок окупаемости, год; А = 1/Тд, ед — норма амортизационных отчислений; Гср -сл — срок службы основного оборудования САУ (преобразователей, регуляторов), год; £ — коэффициент, учитывающий дополнительные потери в регулируемом приводе, равный 0,02—0,03; Т — длительность расчетного периода, ч.
Условие окупаемости САУ, оснащенной регулируемым электроприводом, работающим без потерь скольжения (частотный привод, привод на базе вентильного двигателя), имеет вид неравенства
и/*>£ + ЛА£-т] +(! + £),	(7.12)
ГЦТЦ пр
где т]пр — КПД преобразователя.
Заменяя в неравенствах (7.11) и (7.12) Е, А, ЛК, N6 их значениями, указанными выше, приводим неравенство (7.11) к виду
и/> 11(1'/Гок+1/Гср.сл)/с/£( d-О Г
а неравенство (7.12) — к виду
w >1,1(1/Ток +1/Тср.сл)И-Ппр +(1+0-	(7.14)
Полученные неравенства являются критериями целесообразности использования регулируемого электропривода в насосных установках по условию экономии энергии, расходуемой на подачу чистой воды и перекачку стоков. В настоящее время приемлемыми сроками окупаемости энергосберегающих мероприятий считаются два—три года, принимаем Ток = 2,5 года. Сроки службы оборудования САУ (в том числе преобразователей, средств автоматики и пр.) составляют 12—15 лет, принимаем Тср сд = 12 лет. Длительность расчетного периода для определения эффективности энергосберегающих мероприятий обычно принимается равной длительности технического года, т.е. 8760 ч.
Для удобства пользования этим критерием предлагается графический способ. На рис. 7.16 совмещены расчетные кривые для определения w* по значениям X и Нп и зависимости w = f(k/E() для различных вариантов применения регулируемого электропривода в водяных и канализационных насосных агрегатах. Над зависимостью w* — f/k/Ц) расположена область целесообразного использования регулируемого электропривода в энергосберегающих САУ насосными станциями.
Пример 7.1.
Исходные данные. Требуется решить вопрос о целесообразности применения регулируемого электропривода в САУ водяным насосным агрегатом, мощность которого 250 кВт. Стоимость аппаратуры САУ, в том числе частотного преобразователя, а также проектных, монтажных и наладочных работ — 500 000 руб. Тариф на электроэнергию Ц = 0,5 руб/(кВт-ч). Глубина регулирования по подаче воды X = 0,4. Относительное противодавление Н* = 0,2. Требуемый срок окупаемости 2,5 года.
Решение. С использованием расчетных кривых для водяных насосов (рис. 7.16) по значениям X = 0,4 и Н* = 0,2 определяем Wpe3 = 0,31. Вычисляем к= 500 000/250 = 2000 руб/кВт. Зная Ц = 0,5 руб/(кВт-ч), находим к/Ц = 4000 ч. Восстанавливая перпендикуляр от этого значения на рис. 7.16 до пересечения с графической зависимостью w* =f(k/U,~) (для Т0К =2,5 года), видим, что w* = 0,28. Следовательно, оно меньше ранее найденного значения w*e3 = 0,31, и поэтому применение регулируемого электропривода в данной установке вполне оправданно.
Предлагаемая методика может быть использована для других задач, например при определении стоимости энергосберегающей САУ насосной установки, а также для оценки целесообразности использования регулируемого привода в воздуходувных установках. Изложенные выше соображения позволяют сделать следующие выводы:
1.	Реальная экономия электроэнергии, обусловленная применением регулируемого электропривода в энергосберегающих системах автоматизированного управления насосными установками, составляет 5—15%, в отдельных случаях — 20—30%.
2.	Сроки окупаемости регулируемого электропривода в водопроводных насосных установках при существующем соотношении цен на электроэнергию и на энергосберегающее оборудование с учетом снижения расхода чистой воды и уменьшения сброса стоков в систему водоотведения составляют, как правило, один-два года.
Для канализационных насосных станций, где отсутствует экономия воды, срок окупаемости возрастает до трех-четырех лет. Эти значения приведены, как средние для России, и справедли
вы при существующем соотношении цен на электроэнергию, воду и оборудование, изготовленное на отечественных предприятиях.
Для отдельных регионов страны, где тарифы на электроэнергию ниже средних, а также для тех, где велики транспортные расходы, сроки окупаемости могут вырасти до 10—15 лет и выше, т.е. превысить срок службы оборудования САУ. Разумеется, в этих случаях использование САУ становится невыгодным.
3.	Для определения реальной экономии энергии и сроков окупаемости регулируемого электропривода в конкретных установках целесообразно использовать методики, изложенные в [128] и в настоящем издании.
4.	Для стимулирования энергосберегающих мероприятий в водопроводно-канализационном хозяйстве более целесообразно использовать одноставочный, а не двухставочный тариф на электроэнергию.
Рис. 8.1. Рабочие характеристики регулируемого насоса:
1 — напорная характеристика насоса при п = 980 об/мин; 2 — то же при 916 об/мин; 3 — то же при 875 об/мин; 4 — то же при 800 об/мин; 5 — то же при 750 об/мин; А — характеристика потребляемой мощности при п = 980 об/мин; Б — то же при 916 об/мин; В — то же при 875 об/мин; Г — то же при 800 об/мин; Д — то же при 750 об/мин; I — КПД насоса при п = 980 об/мин; II — то же при 916 об/мин; III — то же при 875 об/мин; IV — то же при 800 об/мин
Рис. 8.2. Зависимость КПД (а) и потребляемой мощности насоса (б) от подачи:
1 — КПД электродвигателя; 2 — КПД ИМС; 3 — КПД электропривода; 4 — КПД насоса; 5 — КПД агрегата; 6 — потребляемая мощность при дросселировании; 7 — тоже при регулировании частоты вращения; 8 — экономия мощности
О 250	500	750	1000 n, об/мин
Рис. 8.3. Зависимость потерь скольжения в ИМС от частоты вращения
полученные при испытаниях и в ходе эксплуатации этой установки. На рис. 8.1 представлены характеристики регулируемого насоса при разных значениях частоты вращения (от 980 до 750 об/мин).
Зависимость КПД насосного агрегата в целом и отдельных его элементов от подачи представлена на рис. 8.2, о. На рис. 8.2,6 приведены зависимости потребляемой мощности от подачи насоса. Совместное рассмотрение этих зависимостей показывает, что несмотря на ухудшение КПД насосного агрегата из-за нали
чия потерь скольжения в ИМС потребление электроэнергии при регулировании частоты вращения оказывается ниже, чем при работе насоса с постоянной частотой вращения.
Зависимость потерь скольжения в ИМС от частоты вращения насоса показана на рис. 8.3, механическая характеристика насоса представлена на рис. 2.14.
На рис. 8.4 показана суточная диаграмма напоров в диктующей точке сети, расположенной на расстоянии 1,5—2,0 км от насосной станции. В это время на на
р=6 ат
Рис. 8.4. Суточная диаграмма напоров в диктующей точке сети:
1 — регулируемый агрегат не работает; 2 — регулируемый агрегат работает
порном коллекторе насосной станции поддерживался стабильный напор, равный 30 м, за исключением промежутка времени от 21 ч до 24 ч, когда напор в отдельные моменты времени поднимался до 38 м.
Соответственно в диктующей точке напор был 21-22 м (участок 2 диаграммы), а в период от 21 ч до 24 ч поднимался до 30 м (участок 1 диаграммы), т. е. когда установка работала без регулирования, так как в это время регулируемый агрегат был отключен из-за возникновения мертвой зоны (см. § 7.1).
Результаты испытаний и год опытной эксплуатации описанной установки показали, что ИМС индукторного типа при условии изготовления их в соответствии с техническими условиями являются простым и надежным средством регулирования насосных агрегатов систем водоснабжения мощностью до 250 кВт. Несмотря на потери скольжения, энергосберегающая САУ, оснащенная ИМС, при определенных режимах работы насосных установок обеспечивает значительную экономию электроэнергии (до 20% общего энергопотребления).
Эта разработка была премирована в 1965 г. на XX Всесоюзном конкурсе по экономии электрической и тепловой энергии [116].
8.3.	ВОДОПРОВОДНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
ПО СХЕМЕ АВК
На одной из насосных станций III подъема Чебоксарского гор-водоканала по инициативе и при непосредственном участии главного энергетика Г.А.Васьтикова установлен электропривод по схеме асинхронно-вентильный каскад (АВК) мощностью 250 кВт [68]. В приводе использован агрегат ТДП2-630-400-1Т, разработанный ВНИИР и изготовленный ПО «Электровыпрямитель» [4].
Энергетическая эффективность применения этого привода по часам суток характеризуется данными, приведенными в табл. 8.1.
Согласно табл. 8.1 среднесуточная экономия электроэнергии достигает 29%. Столь большая экономия обусловлена специфическим технологическим режимом работы установки (большая неравномерность подачи X = Qmin/Qmax = 0,354; значительная
Таблица 8.1. Эффективность применения электропривода по схеме АВК в насосной установке
Время суток, ч	Подача воды, м3/ч	Потребление энергии, кВт-ч		Экономия электроэнергии, кВт-ч.
		с регулируемым электроприводом	без регулируемого электропривода	
0—1	205	28,5	83,5	55
1—2	190	28	85,5	57,5
2—3	180	27	84,5	57,5
3—4	170	25	85,5	60,5
4—5	168	27,5	87	59,5
5—6	200	46	83	37
6—7	215	68,5	96,5	28
7—8	255	50,5	78	27,5
8—9	390	86	107	21
9—10	406	92,5	108	15,5
10—11	400	89,5	108	18,5
11—12	393	89,5	106,5	17
12—13	380	90,5	106,5	16
13—14	366	87,5	103	15,5
14—15	360	88	104,5	16,5
15—16	355	88	106,5	18,5
16—17	358	89,5	107	17,5
17—18	374	97	107	10
18—19	402	99,5	109	9,5
19—20	430	100,5	108	7,5
20—21	440	82	108	26
21—22	456	111	110	-1
22—23	390	43,5	101	57
23—24	260	32	94	62
Итого: 0—24	7745	1667,5	2377,5	710
Примечание: Экономия электроэнергии, %:
Э = 100(2377,5 - 1667,5)72377,5 = 29,86%
динамическая составляющая напора и т.д.).
Удельные расходы электроэнергии на подачу 1000 м3 воды при регулировании составляют в среднем 200—210 кВт-ч, а при работе без регулируемого электропривода — 300—310 кВт-ч. Аналогичными системами с насосными агрегатами мощностью До 800 кВт оборудованы еще пять установок в г. Чебоксары.
Рис. 8.5. Суточная диаграмма напоров в диктующей точке сети района водоснабжения Новая Вилия до внедрения САУ (а) и после (б)
Кроме серийных преобразователей общего назначения, в электроприводах по схеме АВК использовались также преобразователи собственной разработки эксплуатирующих организаций [40, 41, 68].
В г. Вильнюсе на водопроводной насосной станции Новая Вилия установлен один из таких электроприводов, разработанный Р.К. Контаутасом. Его мощность составляет 150 кВт. В электроприводе применен принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Благодаря этому привод отличается от приводов общего назначения более высоким коэффициентом мощности (cosср). На базе электропривода создана САУ режимом работы насосной станции. Характерной особенностью САУ является то, что в ней впервые в практике водоснабжения использован радиоканал для передачи информации об изменениях напора в диктующей точке сети.
Разработанная Р.К. Контаутасом САУ с автоматизированным регулируемым электроприводом по схеме АВК позволила стабилизировать напор в диктующей точке (рис. 8.5) и благодаря этому снизить энергопотребление насосной установки на 6%. Сравнительно небольшая экономия электроэнергии объясняется тем, что район водоснабжения расположен на довольно высоких отметках по отношению к насосной станции, поэтому станция работает с большой статической и малой дина
мической составляющими напора и соответственно с небольшой экономией энергии. Аналогичные автоматизированные электроприводы мощностью от 150 до 630 кВт были внедрены более чем в десяти насосных установках Литвы [41], экономия электроэнергии в которых составляла 5—15%, достигая в отдельных случаях 20—30%.
Примером использования мощного привода по схеме АВК является САУ режимом работы насосной установки II подъема Восточной водопроводной станции Москвы.
Режим работы этой установки характеризуется широким диапазоном изменения водоподачи — от 8—10 до 20—25 м3/с. При этом на напорном коллекторе давление изменяется в диапазоне от 8—10 до 40 м.
Технико-экономические расчеты показали, что применение регулируемого электропривода в САУ этой установки должно обеспечить экономию электроэнергии 12-13%, т.е. свыше 10 млн кВт-ч (при полном развитии САУ).
В качестве регулируемого электропривода для насосной установки II подъема Восточной водопроводной станции в соответствии с тогдашним уровнем развития преобразовательной техники по результатам технико-экономического обоснования, с учетом состава оборудования и режимов работы насосной установки был выбран привод по схеме АВК с частичным диапазоном регулирования. Использование на этом объекте в то время (90-е годы прошлого века) регулируемых частотных электроприводов, приводов по системе вентильного двигателя было затруднено отсутствием достаточно надежных серийно изготавливаемых высоковольтных регулируемых электроприводов.
Длительный опыт внедрения и эксплуатации приводов по схеме АВК на других объектах водопроводно-канализационного хозяйства показал, что приводы общего назначения обладают излишними функциональными возможностями, которые не используются в насосных установках. Вместе с тем в них отсутствуют некоторые элементы, необходимые для эффективного его использования в насосных установках, поэтому было принято решение о разработке и изготовлении специализированного объектно-ориентированного для насосных установок электропривода по схеме АВК.
Разработанный привод отличался от привода общего назначения следующими особенностями: станция управления привода обеспечивала двухступенчатый пуск вместо пятиступенчатого, что упростило станцию управления и повысило ее надежность; преобразователь выполнен на напряжение 660 В вместо 350 В, что значительно расширило диапазон регулирования без увеличения габаритных размеров привода и без установки дополнительного согласующего трансформатора; привод оснащен блоком взаимодействия регулируемых и нерегулируемых агрегатов, что исключает работу регулируемых насосов в зоне низких КПД при работе на малых частотах вращения.
Два таких привода были изготовлены для Восточной водопроводной станции Москвы на заводах ПО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) и ПО «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары). Учитывая особенности эксплуатационного режима станции, внедрение САУ осуществляли поэтапно. Первая очередь САУ включала в себя два регулируемых агрегата и локальную систему управления, построенную с использованием микропроцессорных регулирующих устройств ПРОТАР-100, датчиков давления, датчиков тока нагрузки регулируемых агрегатов и других приборов и средств автоматизации. САУ первой очереди предназначена для поддержания заданного давления на напорном коллекторе насосной установки при изменении водоподачи преимущественно в диапазоне от 8 до 14 м3/с. САУ второй очереди предполагалось оснастить четырьмя регулируемыми агрегатами, что обеспечивало регулирование режима работы насосной установки в диапазоне изменений водоподачи от 8 до 20 м3/с.
Для регулирования режимов работы насосной установки в полном диапазоне от 8 до 25 м3/с САУ третьей очереди предполагалось оснастить шестью регулируемыми агрегатами. При этом намечалась замена устаревших микропроцессорных регулирующих устройств ПРОТАР-100 на промышленный компьютер, обладающий более широкими функциональными возможностями. Кроме того, предполагалось использовать в качестве регулируемого параметра давление в диктующей точке (точках) вместо давления на напорном коллекторе.
В какой мере намечаемые технические решения были реализованы в действительности, сказано далее (§ 8.5).
Таблица 8.2. Состав оборудования САУ Восточной водопроводной станции
Наименование и тип оборудования	Технические данные
Два спаренных насоса Д6300-80	Рабочие колеса обоих насосов обточены до 840 мм
Электродвигатель асинхронный с фазным ротором АКД-16-76-8УХЛ4	Мощность 1600 кВт, напряжение 10 кВ, номинальная частота вращения 740 об/мин
Специализированный тиристорный диодный преобразователь однотрансформаторный ТДП2-М-1250-660-1Т	Ток 1250 А, напряжение 660 В
Специализированная станция управления Ш-6103	Ток 1250 А, число ступеней пуска 2
Согласующий трансформатор ТМ-630	Мощность 630 кВА, напряжение первичное 10 кВ, вторичное 660 В
Сглаживающий реактор СРОС-2000	Ток 2000 А, индуктивность 0,8 мГн
При создании САУ насосной установки II подъема Восточной водопроводной станции использован системный подход, предусматривающий комплексное решение задач, возникающих в ходе разработки САУ. В соответствии с таким подходом было решено отказаться от комплектации регулируемым приводом уже установленных на станции устаревших насосов. Вместо этого созданы новые регулируемые агрегаты с характеристиками, соответствующими существующим и перспективным режимам работы насосной установки. С учетом широкого диапазона изменений технологических параметров объекта созданы насосные агрегаты с изменяемой сравнительно низкой пологой напорной характеристикой Q—Н.
Агрегаты выполнены с использованием серийно изготавливаемого на отечественных предприятиях оборудования, технические данные которого приведены в табл. 8.2.
Принципиальная схема САУ первой очереди представлена на рис. 8.6.
Ниже приводятся результаты испытаний первой очереди САУ, проводившихся в 1995—1996 гг.
На рис. 8.7 представлены рабочие характеристики регулируемого агрегата №9 при различных значениях частоты вращения, в том числе Н	Р = /2(0» Л =/зЮ)-
Рис. 8.6. Принципиальная схема САУ первой очереди:
1 — спаренные регулируемые насосы Д6300-80-2; 2 — электродвигатели регулируемые с фазным ротором; 3 — преобразователи тиристорные диодные; 4 — станции управления; 5 — трансформаторы согласующие; 6 — реакторы сглаживающие; 7 — резисторы пусковые; 8 — датчик давления; 9 — микропроцессорное регулирующее устройство; 10 — задающее устройство; 11 — блок взаимодействия регулируемых и нерегулируемых агрегатов; 12 — диспетчер; 13 — нерегулируемые насосы; 14 — электродвигатели синхронные нерегулируемые; 15 — водоводы напорные; 16 — район водоснабжения города
При рассмотрении графиков, представленных на рис. 8.7, следует иметь в виду, что рабочие характеристики относятся к агрегату в целом, а не к одному насосу, т. е. водоподача Q является суммарной водоподачей двух насосов, входящих в состав регулируемого агрегата. Мощность Р определена как разность между мощностью, потребляемой электродвигателем из сети, и мощностью, рекуперируемой приводом обратно в электрическую сеть. КПД агрегата является произведением КПД насоса, электродвигателя и преобразовательной части привода.
На рис. 8.8 представлены суточные графики водоподачи и изменения давления на напорном коллекторе за период 8—12 февраля 1996 г. За этот же период определены удельные расходы электроэнергии, в том числе с разбивкой на шестичасовые отрезки времени (за 9 февраля 1996 г.).
Рис. 8.7. Рабочие характеристики регулируемого агрегата:
а — напорные характеристики регулируемого насосного агрегата; б — зависимость потребляемой мощности регулируемым агрегатом от подачи; в — зависимость КПД регулируемого агрегата от подачи; 1 — п = 605 об/мин; 2 — п — 550 об/мин; 3 — п = 520 об/мин; 4 — п = 500 об/мин
Из графиков, представленных на рис. 8.8, видно, что напор на напорном коллекторе поддерживался в диапазоне 10—50 м, а во-доподача изменялась в пределах 36—80 тыс. м3/ч (10,0—22,2 м3/с). Сравнение графиков изменения удельных расходов с графиками водоподачи и давления показывает, что минимальные значения удельных расходов электроэнергии совпадают с диапазоном изменения водоподачи 8—14 м3/с и напора 10—40 м.
В табл. 8.3 представлены значения удельных расходов электроэнергии при работе САУ в период 8—12 февраля 1996 г.
Рис. 8.8. Зависимость удельных расходов электроэнергии от технологического режима работы насосной установки:
1 — суточные графики изменения давления на напорном коллекторе за 8—12 февраля 1996 г.; 2 — суточные графики водоподачи за 8—12 февраля 1996 г.; 3 — удельные расходы электроэнергии за 9 февраля 1996 г. (по шестичасовым отрезкам); 4 — среднее значение удельных расходов электроэнергии за 9 февраля 1996 г.; 5 — среднее значение удельных расходов электроэнергии за 8—12 февраля 1996 г.; 6 — среднее значение удельных расходов электроэнергии при работе объекта без САУ
Значения удельных расходов электроэнергии при работе без САУ приведены в табл. 8.4.
Экономия электроэнергии за время работы САУ по сравнению с обычным режимом составила:
Таблица 8.3. Удельные расходы энергии при работе САУ насосной Восточной водопроводной станции
Дата (февраль 1996 г.)	Период времени, ч	Расход энергии на подачу воды, кВт-ч	Подача воды в город, м	Удельный расход электроэнергии, кВт-ч на подачу 1000 м3 воды
8	0—24	218 640	1 464 700	149,3
9	0—6	26 700	270 200	98,8
	6—12	61 380	404 400	151,8
	12—18	57 780	414 700	139,3
	18—24	62 640	424 100	139,3
	0—24	208 500	1 513 400	137,8
10	0—24	220 920	1 505 100	146,8
11	0—24	234 120	1 571 400	149,0
12	0—24	203 080	1 463 700	139,3
9—11	0—24	663 540	4 589 900	144,56
8—12	0—24	1 086 060	7 518 300	144,46
Примечание: Среднее значение удельного расхода электроэнергии на подачу 1000 м3 воды 144,5 кВт-ч
Таблица 8.4. Удельные расходы энергии насосной Восточной водопроводной станции без САУ
Дата	Удельный расход электроэнергии на подачу 1000 м3 воды, кВт-ч
13.02.1996 г. 14.02.1996 г. 21.12.1995 г. 27.12.1995 г. 30.12.1995 г. 31.12.1995 г.	151,8 152,3 152,3 154,8 153,0 152,1
Примечание: Среднее значение удельного расхода электроэнергии на подачу 1000 м3 воды 152,6 кВт-ч
152 1-144 5 AVV =---’---. юо% = 5,3%.
152,1
Для сравнения укажем, что экономия электроэнергии при работе САУ с одним регулируемым агрегатом составила 4%, т.е. увеличение количества регулируемых агрегатов существенно повысило эффективность САУ [127].
Дальнейшее развитие энергосберегающая САУ получила благодаря использованию в ней привода по системе вентильного двигателя. Описание САУ, оснащенной разнотипными регулируемыми электроприводами (по схеме АВК и по системе вентильного двигателя), приводится в §8.5.
8.4.	ВОДОПРОВОДНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПО СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Насосная установка II подъема Северной водопроводной станции Москвы. Она состоит из трех отдельно стоящих станций, в которых размещено 22 насосных агрегата. Агрегаты укомплектованы вертикальными насосами типа 32 В-12М, 800 В-2,5/100 и 1000 В-4/40. Насосы оснащены высоковольтными (6 кВ) синхронными электродвигателями ВДС-213-34-12, СДВ2-173/39-12 и СДВ16-51-12 (мощность 1600-1700 кВт, частота вращения 600 об/мин).
В 1986 г. один из вертикальных насосов марки 32В-12М был оснащен регулируемым электроприводом по системе вентильный двигатель с использованием преобразователя ПЧВН-4, разработанного НИИ ХЭМЗ. Мощность электропривода 1600 кВт, напряжение двигателя 10 кВ. Преобразователь подключен к питающей электросети через понижающий сухой трансформатор мощностью 4000 кВ - А, а двигатель — к преобразователю через такой же повышающий трансформатор. В состав преобразователя входит также тиристорный возбудитель для питания системы возбуждения синхронного электродвигателя.
Система управления насосным агрегатом Северной водопроводной станции обеспечивает стабилизацию напора на напорном коллекторе станции.
Ввиду того, что в дневное время общее число насосных агрегатов, работающих на II подъеме Северной водопроводной станции, достигает 12—15, один регулируемый насосный агрегат не мог оказать влияние на дневной режим работы объекта, поэтому регулируемый насосный агрегат Северной водопроводной станции эффективно работал только в ночное время, когда в работе участвуют четыре-пять агрегатов.
Экономия электроэнергии за счет применения САУ с регулируемым электроприводом для этого объекта составила примерно 2,2 млн кВт-ч в год. Расчеты, выполненные в институте ВОДГЕО, показали, что для того, чтобы САУ могла эффективно использоваться круглосуточно, регулируемым электроприводом должно быть оснащено пять—семь агрегатов. При этом на группу из двух— трех нерегулируемых насосных агрегатов должен приходиться один регулируемый. В этих условиях экономия электроэнергии может быть увеличена до 15 млн кВт-ч в год, поэтому эксплуатационным персоналом СВС на насосной установке II подъема с участием специалистов ПОО «Радин» А.М. Колоколкина и А.С. Дрож-жина была осуществлена установка еще двух преобразователей (ПЧ-ТЕ-1600 и ПЧТ-ТП-500, изготовитель ОАО «Электровыпрямитель»), а ранее установленный преобразователь ПЧВН-4 был модернизирован. Преобразователи размещены в каждой из трех станций, входящих в состав насосной установки II подъема.
В результате этих мероприятий появилась возможность одновременно регулировать частоту вращения семи насосных агрегатов. В настоящее время на этой основе предполагается создание объединенной САУ насосной установки II подъема СВС, стабилизирующей давление в контрольных точках района питания станции.
Каскад насосных станций Харьковского водопровода. Мощные электроприводы (5 МВт) на базе вентильного электродвигателя применены в каскаде насосных станций Харьковского водопровода. Гидравлическая схема этой установки представлена на рис. 4.1,0. Регулируемым приводом с использованием преобразователей ПЧВС (изготовитель ПО «ХЭМЗ», г. Харьков) оснащены насосы 1 и 2.
Применение на этом объекте регулируемых электроприводов позволило сэкономить свыше 30,0 млн кВт-ч/год [117].
Левобережная насосная станция II подъема Великого Новгорода. С использованием опыта создания объединенной САУ Москвы [152] и обобщения опыта эксплуатации этой системы сотрудниками ООО «Ягорба 2» совместно со специалистами ПОО «Радин» и ОАО «Электровыпрямитель» разработана и введена в эксплуатацию в 2005 г. САУ Левобережной насосной станции II подъема Великого Новгорода.
На станции установлено 12 насосных агрегатов, в том числе: пять насосов Д2000-100 с обточенными рабочими колесами (780—810 мм) и один насос 18НДС, укомплектованные синхронными электродвигателями СД 85-45-8УЗ (напряжение 6 кВ, мощность 630 кВт, номинальная частота вращения 1000 об/мин);
шесть насосов 12 НДС и Д 1250-63, укомплектованные асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями ДАВ-315-4УЗ и других типов (напряжение 6 кВ, мощность 500, 315 и 250 кВт, частота вращения 1500 об/мин).
В работе насосной станции обычно участвует до трех агрегатов мощностью 630 кВт и один—три насосных агрегата мощностью 250—315 кВт. На напорном коллекторе днем поддерживается напор 60 м, ночью напор снижается до 50 м.
Регулирование режима работы станции до установки регулируемого электропривода и создания САУ осуществлялось изменением количества работающих агрегатов и дросселированием напорных линий. При создании САУ в качестве регулируемых были выбраны четыре агрегата, оснащенные насосами Д2000-100. При этом агрегаты №2 и №3 подключены к преобразователю №1, а №4 и №5 — к преобразователю № 2 по схеме, представленной на рис. 6.19.
Схема подключения позволяет работать всем четырем регулируемым агрегатам с переменной частотой вращения. При необходимости каждый из четырех регулируемых агрегатов может быть подключен непосредственно к шинам 6 кВ, 50 Гц, т. е. агрегаты при неисправности преобразователей могут работать как обычные нерегулируемые агрегаты с постоянной частотой вращения.
Регулирование частоты вращения агрегатов №2—№5 осуществляется преобразователями ПЧ-ТТП-200-6к (изготовитель ОАО «Электровыпрямитель»). Каждый преобразователь способен регулировать при 6 кВ частоту вращения нескольких агрегатов с общей нагрузкой до 1800 кВт.
Система управления режимами работы насосной станции построена с использованием промышленного компьютера. На экран монитора выведена принципиальная гидравлическая схема станции, на которой отображается состояние агрегатов (рабо
тают, не работают), основные технологические и электрические параметры (давление на коллекторе, давление на всасывающих линиях насосов, ток нагрузки регулируемых агрегатов, частота тока на выходе преобразователей и др.).
САУ обеспечивает автоматическое поддержание заданного давления на коллекторе, способна изменять по временной программе значение заданного давления, выдает сигнал дежурному оператору станции о необходимости изменения количества работающих агрегатов.
По предварительным эксплуатационным наблюдениям САУ обеспечивает экономию энергии в количестве 1,2—1,5 млн кВт-ч/год.
В перспективе после создания контрольных точек на водопроводной сети САУ может обеспечить стабилизацию давления в городской водопроводной сети. В этом случае экономия энергии увеличится примерно в 2 раза. Кроме того, за счет снижения утечек и непроизводительных расходов ожидается сокращение годового расхода воды примерно на 1,5 млн м3.
8.5.	ВОДОПРОВОДНАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ С РАЗНОТИПНЫМИ РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Примером использования мощных разнотипных электроприводов стали последующие этапы внедрения САУ на насосной установке II подъема Восточной водопроводной станции Москвы. Как уже упоминалось в §8.3, общее количество регулируемых насосных агрегатов на этой станции следовало довести до шести. Осуществлено это было следующим образом. Для станции был приобретен мощный (10000 кВ-А) преобразователь СПЧРС-10000/700 (разработчик ОАО «ЭНИН», изготовитель Таллиннский электрозавод). На его основе был создан групповой регулируемый электропривод по схеме вентильный двигатель для трех одновременно работающих насосных агрегатов из пяти подключенных. Агрегаты укомплектованы насосами 24НДС (Dp к = 990 мм, п = 600 об/мин, QH0M = 1,445 м3/с, Нном = 51 м) и синхронными электродвигателями СДН15-49-10 (номинальная мощность 1000 кВт, напряжение 6 кВ, номинальная частота вращения 600 об/мин.).
Рис. 8.9. Структурная схема группового регулируемого электропривода насосной станции II подъема Восточной водопроводной станции, Москва: УВ — управляемый выпрямитель; УИ — управляемый инвертор
Создание группового привода, в том числе наладка и ввод преобразователя СПЧРС-10000/700, было осуществлено специалистами ПОО «Радин», кандидатами техн, наук А.М. Колоколки-ным и А.С. Дрожжиным.
На рис. 8.9 представлена структурная схема группового частотно-регулируемого электропривода насосной станции II подъема Восточной водопроводной станции. Привод обеспечивает одновременный плавный пуск и регулирование трех насосных агрегатов из пяти к нему подключенных [1]. Из представленной схемы видно, что агрегаты могут работать и через преобразователь, и непосредственно от сети 10 кВ.
Подключение насосных агрегатов к частотному преобразователю осуществляется через выключатель Q3 при отключенном выключателе Q4. При неисправности преобразователя насосные агрегаты работают непосредственно от сети 10 кВ через выключатель Q4 при отключенном выключателе Q3. Выключатели Q5—Q6 являются штатными выключателями распределительного устройства 10 кВ.
Разделительный трансформатор на входе преобразователя является повышающим (6/10 кВ), питается от сети 6 кВ. Его наличие уменьшает влияние работы преобразователя на сеть и снимает перенапряжение в статорных обмотках синхронных двигателей СД1—СД5 [1].
Рис. 8.10. Структурная схема индивидуального регулируемого электропривода агрегата №6 насосной станции II подъема Восточной водопроводной станции, Москва:
УВ — управляемый выпрямитель; УИ — управляемый инвертор
Создание такого привода не требовало замены уже установленных на станции синхронных электродвигателей. Кроме того, к этому времени выявилась недостаточно высокая надежность привода по схеме АВК, эксплуатирующегося в условиях глубоких посадок напряжения и исчезновения напряжения в питающей электрической сети. В таких условиях в роторной цепи асинхронных электродвигателей с фазным ротором возникают перенапряжения, пробой изоляции и даже выгорание роторных обмоток, щеточных контактов и контактных колец.
По совокупности этих обстоятельств было принято решение по укомплектованию шестого регулируемого насосного агрегата индивидуальным приводом по схеме вентильного двигателя на основе преобразователя ПЧТТП-200-10к-50, изготовленного Саранским заводом «Электровыпрямитель».
На рис. 8.10 представлена структурная схема индивидуального регулируемого электропривода.
В состав регулируемого агрегата вошел существующий сдвоенный насос 2х22НДС (QHOM = 0,89 м3/с; Нном = 52 м), укомплектованный синхронным электродвигателем СДН 15-39-8 (Рном = 1250кВт; п = 750 об/мин; Пном = 6кВ).
Преобразователь включен в рассечку между существующим выключателем Q2 распределительного устройства 6 кВ и ранее установленным на станции агрегатом №6 через токоограничи-
Рис. 8.11. Фрагмент схемы высоковольтного тиристорного преобразователя ПЧТТП-200-ЮК-50
LI, L2 — реактор насыщения; R1—R16, С1—С16 — маломощные КС-цепи; VD1— VD16 — лавинные ограничители; БФ1—БФ4 — блоки формирования имульсов; БК1—БК4 — блоки контроля импульсов
вающий реактор L1, входящий в состав преобразователя ПЧ-ТТП-200-10к-50.
В состав преобразователя наряду с управляемым выпрямителем УВ и управляемым инвертором УИ входит также сглаживающий реактор звена постоянного тока с двумя симметричными
обмотками, расположенными на разомкнутом железном магнитопроводе.
Фрагмент силовой части преобразователя показан на рис. 8.11. Последовательно соединенные тиристоры шунтированы лавинными ограничителями VD и ЯС-цепями. Преобразователь работает без специального датчика положения ротора двигателя в пространстве.
Схема и конструкция преобразователя содержат ряд технических решений, обеспечивших достаточно надежную и эффективную работу привода в течение 6 лет. Более подробно опыт эксплуатации этого преобразователя изложен в [1].
Наличие в одной насосной установке разнотипных регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов, укомплектованных различными приводами, электродвигателями и насосами, потребовало создания объединенной САУ насосной установкой. Такая система создана ООО «Ягорба 2» (главный конструктор САУ канд. техн, наук В.Б. Чебанов, ведущий разработчик Ю.Б. Исхаков). Система способна обеспечить поддержание заданного стабильного давления в одной из шести контрольных точек, три из которых расположены на напорном коллекторе насосной установки, а три на водопроводной сети в районе водоснабжения данной станции [152].
В объединенной САУ осуществлен принцип относительной равномерной загрузки работающих параллельно насосов. Объединенная САУ обеспечивает удержание рабочих точек параллельно работающих насосов в зоне наибольших КПД, не допускает перехода насосов в недопустимые режимы: перегрузки, помпажа, кавитации. Объединенная САУ сигнализирует оперативному персоналу о необходимости изменения общего количества работающих агрегатов при увеличении водопотребления и выходе насосных агрегатов на максимальную частоту вращения; выдает сигнал о необходимости уменьшения количества работающих агрегатов при уменьшении водопотребления и выходе насосных агрегатов на частоту вращения, при которой за счет ухудшения КПД, насос работает с потерями энергии большими, чем та энергия, которая экономится за счет регулирования частоты вращения насоса.
Принципиально изменение количества работающих насосных
агрегатов может быть осуществлено автоматически, что и делается при небольшой мощности агрегатов (до 250 кВт). Однако крупные насосы (мощность сотни и тысячи киловатт) эксплуатационный персонал предпочитает включать и отключать вручную после проверки отсутствия воздуха в корпусе насоса, положения затворов, задвижек, клапанов и пр. Поэтому на данном объекте объединенная САУ формирует звуковые и световые сигналы дежурному оператору: «включить дополнительный агрегат», «отключить дополнительный агрегат».
Увеличение количества регулируемых насосных агрегатов и создание объединенной САУ режимом работы позволило обеспечить расчетную экономию энергии. По результатам длительных эксплуатационных наблюдений удельный расход энергии на подачу 1000 м3 воды снизился со 150—155 кВт-ч до 115— 120 кВт-ч. Таким образом, фактическая экономия энергии за счет создания объединенной САУ и внедрения регулируемого электропривода на данном объекте составила 22,5—23,3%.
8.6.	ВОДОПРОВОДНЫЕ СТАНЦИИ С ЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Еще 10—15 лет назад использование частотно-регулируемого электропривода в водопроводных насосных станциях носило экспериментальный характер.
В 1986—88 гг. частотно-регулируемым приводом были оснащены две московские насосные станции подкачки, подающие воду в общую сеть. На каждой станции были установлены преобразователи «SAMI» фирмы «Stromberg» мощностью 200 кВт. Преобразователи были включены в состав опытного образца объединенной САУ режимом работы обеих станций. Применение регулируемого электропривода на этом объекте снизило потребление электроэнергии на 10—12% и позволило стабилизировать напор в диктующей точке в заданном пределе (32± 1) м [18].
Однако по ряду причин (изменение режима водопотребления в районе питания, несовершенство тогдашних приборов и средств автоматизации) не удалось довести объединенную САУ до уровня промышленного использования.
Интересным оказался опыт создания энергосберегающих САУ на основе использования частотных преобразователей в насосных установках г. Северска. Технико-экономические расчеты показали техническую возможность и экономическую целесообразность использования регулируемого электропривода в САУ режимами работы насосных установок г. Северска.
В качестве объекта первоочередного внедрения была выбрана насосная станция II подъема водозабора № 2, но проектирование САУ проводилось для насосных станций II подъема обоих водозаборов города одновременно, чтобы эти локальные САУ могли в перспективе войти в объединенную САУ режимом подачи воды в город.
Разработку САУ выполняли комплексно, затрагивая вопросы не только автоматизации, но и технологии водоподачи. В частности, на регулируемом агрегате высоконапорный насос 8НДВ заменен на насос Д1250-63, имеющий большую подачу и более низкую пологую напорную характеристику. Питание эжекторов хлораторной установки переведено с напорных линий основных агрегатов на питание от высоконапорных маломощных насосов собственных нужд. В настоящее время на станции работает ги-похлоритная установка, и надобность в хлораторной установке отпала. Тем не менее, этот факт позволил сделать важный вывод: при использовании регулируемого электропривода в САУ насосной установки все потребители собственных нужд (хлора-торные установки, хозяйственно-питьевой водопровод станции или жилого поселка при водопроводной станции и пр.) должны получать воду от вспомогательных насосных установок. Питание водой потребителей собственных нужд с напорного коллектора основных агрегатов препятствует поддержанию тех значений давления, которые требуются по условиям работы водопроводной сети, являющейся главным объектом водоснабжения. Отключение потребителей собственных нужд от напорного коллектора насосной станции позволяет наиболее эффективно организовать режим работы основных насосных агрегатов и привести его в соответствие с режимом работы водопроводной сети города.
Особое внимание было уделено выбору регулируемого электропривода как одному из основных элементов САУ. Выбор сде
лан по результатам сравнения технико-экономических показателей регулируемых приводов, изготавливаемых различными отечественными предприятиями и зарубежными фирмами с учетом режимов работы и состава основного оборудования объекта. Было решено разработать и изготовить на отечественном предприятии новый, относительно дешевый частотно-регулируемый привод, соответствующий мировому уровню того времени. В 1995—96 гг. АО «Эрасиб» (г. Новосибирск) по техническому заданию Инженерной конторы «Ягорба» и заказу администрации г. Северска разработало (главный конструктор канд. техн, наук В.М. Берестов) и изготовило частотный преобразователь «Эратон-4М» с использованием комплектующих изделий, приобретенных у ведущих зарубежных фирм. Краткое описание этого преобразователя дано в §6.2.
Преобразователь имеет семь видов защиты, обеспечивающих сохранность преобразователя при возникновении аварийных режимов и неисправностей. Преобразователь снабжен световой индексацией, сигнализирующей о различных видах повреждений. Предусмотрено управление работой преобразователя с места или от внешних сигналов. Технические данные преобразователя «Эратон-4М» приведены ниже:
Напряжение питания преобразователя, В..........................380
Частота питания преобразователя, Гц .......... .	.50
Мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя, кВт .	. .250
Номинальный ток нагрузки, А ..... .	.	.........440
Диапазон регулирования частоты на выходе преобразователя, Гц . .0,5—50
Климатическое исполнение ......... .......	.УХЛ-4
Степень защиты преобразователя ...	. . .IP20
С использованием преобразователя «Эратон-4М» Инженерная контора «Ягорба» разработала САУ режимом работы насосной установки, которая обеспечивает:
регулирование водоподачи насосной установки в соответствии с изменением водопотребления в районе питания. Регулирование осуществляется изменением частоты вращения одного из агрегатов (№ 3), а при существенном изменении водоподачи, когда изменение частоты вращения не оказывает влияния на рабочие параметры насосной станции, регулирование дополняется изменением числа работающих агрегатов;
поддержание заданного давления на напорном коллекторе насосной станции, а в перспективе — в диктующей точке сети. Предусматривается возможность изменения уставки заданного давления с главного диспетчерского пункта (ГДП) сооружений водозабора №2;
плавный пуск насосного агрегата с заданным ускорением;
удержание технологических и электрических параметров насосного агрегата в рабочем диапазоне, что исключает перегрузку агрегата и предотвращает вхождение его в режим помпажа, кавитации и зону низких КПД;
выдачу сигнала оперативному персоналу о необходимости включения или отключения нерегулируемых насосных агрегатов. При необходимости сигнал может быть заменен командой на автоматическое включение или отключение нерегулируемых агрегатов;
переход с автоматического управления регулируемым агрегатом на ручное управление двух видов: местное из насосной станции или дистанционное из помещения ГДП.
Сигнал-совет диспетчеру на ГДП о необходимости включения или отключения нерегулируемых агрегатов выдается системой управления в виде светового сигнала. Увеличение числа работающих агрегатов имеет место в том случае, когда давление на коллекторе падает, а частота вращения регулируемого агрегата достигает максимального значения. Уменьшение числа работающих агрегатов имеет место, когда давление на коллекторе продолжает расти, а подача регулируемого агрегата приблизилась к нулю.
Система управления режимом работы построена с использованием микропроцессорного контроллера «Ремиконт Р-130» (завод «Промприбор», г. Чебоксары). В качестве регулируемого параметра использовано давление на напорном коллекторе станции. Была предусмотрена возможность использования в качестве параметра регулирования давления в диктующей точке водопроводной сети.
На рис. 8.12 показана принципиальная схема измерений на испытуемом агрегате №3. Результаты испытаний, проведенных при вводе САУ в эксплуатацию, а также наблюдений за период опытно-промышленной эксплуатации в 1997 г. приведены на
В город
КТНХК
Рис. 8.12. Схема измерений при испытаниях регулируемого агрегата №3: 1 — насос Д1250-63; 2 — электродвигатель АН 1-4; 3 — частотный преобразователь «Эратон-4М»; 4 — напорный коллектор; 5 — напорные водоводы; 6 — резервуар чистой воды; 7 — расходомер; М — манометр
рис. 8.13 и в табл. 8.5. На рис. 8.13 представлены рабочие характеристики регулируемого насосного агрегата №3, снятые экспериментально для разных значений частоты вращения. Рассмотрение рабочих характеристик агрегата №3 показывает, что он может обеспечить водоснабжение своего района питания в широком диапазоне изменения подач (300—1300 м3/ч) и напоров (20—60 м).
Благодаря этому большую часть времени подача воды в сеть может осуществляться только одним регулируемым агрегатом. Лишь при увеличении водопотребления до 1500 м3/ч требуется дополнительное включение еще одного агрегата.
В ходе испытаний определены потери напора во внутристан-ционных коммуникациях (кривая I на рис. 8.13,а). Проведение некоторых мероприятий по снижению этих потерь расширит диапазон водоподачи регулируемого насосного агрегата до 1500 м3/ч, т.е. практически исключит необходимость подключения второго агрегата.
Р, кВт
Рис. 8.13. Рабочие характеристики регулируемого насосного агрегата №3: а — напорные характеристики Q—Н', б — зависимости потребляемой мощности от подачи; в — зависимости КПД от подачи; г — зависимости cosip от подачи; 1 — п = 1350 об/мин; 2 — п = 1200 об/мин; 3 — п = 1050 об/мин; I — зависимость потерь напора во внутристанционных коммуникациях
График 3 на рис. 8.13,6 показывает, что работа регулируемого агрегата на пониженных частотах существенно уменьшает потребляемую им мощность.
Кривые, представленные на рис. 8.13,е,г, иллюстрируют высокие энергетические показатели регулируемого агрегата. Значения КПД агрегата в рабочем диапазоне водоподач с учетом потерь в насосе, электродвигателе и преобразователе лежат в пределах 0,7—0,75, а коэффициент мощности cosrp = 0,88—0,93.
В табл. 8.5 представлены сравнительные результаты работы насосной станции при включении САУ и при работе станции в исходном режиме, т.е. без САУ. По данным таблицы определена экономия энергии, полученная в результате применения САУ и замены насоса 8НДВ на насос Д1250-63:
= 283,2-117/2 г00%	6%
283,2
Таблица 8.5. Удельные расходы энергии насосной станции г. Северска
Режим работы насосной стации	Период работы (1997 г.)	Объем перекачки, з тыс. м	Потребление энергии, кВтч	Удельный расход энергии на подачу 1000 м3 воды, кВт-ч
С САУ и работающим через «Эратон» насосом Д1250-63	10—17 июля 24 июля 1 августа 7—14 августа 21—28 августа	824,4	96 600	117,2
Без САУ и с работающим непосредственно от сети насосом 8 ВДВ	17—24 июля 1—8 августа 14—21 августа	607	171 900	283,2
Анализ режимов работы станции до и после внедрения САУ показал, что 20—25% экономии энергии обеспечивается за счет использования регулируемого привода в САУ, а 30—35% — за счет замены насоса и приведения в соответствие его рабочих характеристик режиму работы водопроводной сети [82].
Впоследствии (2000 г.) аналогичная система была создана на станции II подъема водозабора № 1. В настоящее время преобразователь «Эратон-4М» водозабора № 2, вышедший из строя, заменен новым преобразователем фирмы «Триол». На основе локальных САУ обеих станций создана объединенная САУ режимами работы двух станций II подъема, подающих воду в общую сеть. Описание объединенной САУ насосных станций II подъема г. Северска приведено в §8.12.
В последнее десятилетие ситуация с использованием частотно-регулируемого электропривода резко изменилась. Появление на отечественном рынке серьезных зарубежных фирм — поставщиков преобразовательной техники: «Siemens», ABB, «General Electric», «Mitsubishi Electric», «Hitachi», KEB, «Danfoss» и других, а также освоение производства современных частотных преобразователей отечественными предприятиями («Электротекс», ВЭМЗ-спектр, «Ижевский радиозавод», «Драйв-электро», «Приводная техника», «Цикл+» и др.) с использованием импортных комплектующих изделий обеспечило насосные установки достаточно надежными и приемлемыми по цене низковольтными
преобразователями мощностью 200—250 кВт. На основе этих преобразователей созданы сотни энергосберегающих САУ в различных регионах России.
Особенно широкое распространение получили низковольтные частотно-регулируемые электроприводы мощностью до 200 кВт.
С 2001 г. в Ярославском водоканале успешно эксплуатируются три частотных преобразователя ЗАО «Электротекс» (г. Орел) мощностью 15, 22 и 37 кВт. В 2002 г. Ярославский водоканал приобрел еще 15 преобразователей для подкачивающих насосных станций. Эксплуатация 18 преобразователей показала, что экономия электроэнергии составила (в среднем по всем станциям) — 30,5%. Срок окупаемости 1,7 года. Отмечено, что текущий ремонт оборудования выполнялся до установки преобразователей 4 раза в год, после ввода преобразователей в эксплуатацию насосные агрегаты работали весь год без ухудшения технического состояния.
С августа 2000 г. на одной из станций III подъема эксплуатируется частотный преобразователь мощностью 355 кВт датской фирмы «Danfoss». В первый период его эксплуатации экономия энергии не превышала 14%. Анализ режима работы насосной установки, проведенный работниками «Ярославльводоканала», показал, что в режиме максимального водопотребления работа одного регулируемого агрегата параллельно с таким же нерегулируемым агрегатом не обеспечивала экономичного режима работы установки. После замены нерегулируемого агрегата другим с меньшей подачей эффективность работы станции увеличилась. По данным эксплуатации экономия энергии возросла до 45%, а срок окупаемости снизился до 1,75 года [6].
С 1997 г. на повысительных насосных станциях Владимирского водоканала «ВЭМЗ-спектр» установил 50 частотных преобразователей мощностью от 5,5 до 110 кВт, общей мощностью 1000 кВт. По данным [148] экономия энергии составляет 25%, воды более 12%, затраты на обслуживание водопроводных сетей сократились на 32%. Срок окупаемости оборудования на разных повысительных станциях составляет 6—18 мес.
«ВЭМЗ-спектр» поставляет для водоканалов частотные преобразователи фирм «Hitachi» (Япония) и КЕВ (Германия), осуществляет их обслуживание.
В г. Орле в 1999г. на насосной станции Пролетарского водозаборного узла был установлен преобразователь частоты на агрегате мощностью 200 кВт, укомплектованном насосом Д630-90. Положительный опыт эксплуатации частотно-регулируемого электропривода на этом объекте побудил руководство Орловского водоканала к более широкому внедрению энергосберегающих САУ в насосных установках города.
В настоящее время по данным А.Н. Климова [39] 27 водопроводных насосных станций оборудованы частотными преобразователями мощностью до 630 кВт, изготовленными ЗАО «Электротекс». Суммарная мощность частотных преобразователей 4800 кВт. Внедрены семь измерительных комплексов, контролирующих давление в диктующих точках водопроводной сети с передачей информации по радиоканалам на частоте 152,2 МГц.
Наряду с низковольтными частотными преобразователями с 2002 г. в насосных установках г. Орла используются высоковольтные двухтрансформаторные частотные преобразователи мощностью 500 и 630 кВт, разработанные и изготовленные ОАО «Электротекс». Частотные преобразователи выполнены в контейнерном исполнении с подогревом и укомплектованы масляными трансформаторами, что позволило установить их на открытых площадках на территории насосных станций.
Относительно широкое внедрение частотно-регулируемого электропривода в Орловском водоканале (не только на водопроводных, но и на канализационных насосных станциях) в сочетании с другими энергосберегающими мероприятиями позволило существенно снизить энергопотребление.
По данным [39] экономия энергии, обусловленная применениями частотно-регулируемого электропривода, в различных насосных установках в зависимости от местных условий варьируется в пределах 10,5—27,0%, что вполне соответствует теоретическим представлениям, изложенным в §7.4.
Следует отметить, что статья А.Н. Климова [39] содержит ряд ценных наблюдений, которые совпадают с нашими представлениями об использовании регулируемых электроприводов в насосных установках. Автор отмечает необходимость проведения полного обследования насосных станций и водоводов до принятия решения об установке на них частотных преобразо
вателей. Приобретение частотных преобразователей под существующий тип насосов следует считать ошибочным решением. Правильно подобранная пара насосный агрегат — преобразователь частоты существенно повышает экономическую эффективность капитальных затрат. Дополнительные затраты, связанные с приобретением нового насосного агрегата компенсируются более высоким процентом экономии энергии и меньшей ценой преобразователя за счет снижения его номинальной мощности, например за счет замены двигателя 250 кВт на двигатель 160 кВт.
В [39] также отмечались преимущества электродвигателей серии 5А и 4АСР при использовании частотно-регулируемого электропривода, так как эти электродвигатели специально предназначены для работы с частотными преобразователями и лучше себя ведут в условиях повышенного нагрева статора, обусловленного несинусоидадьностью напряжения на выходе преобразователя.
Следует указать на необходимость своевременного изменения количества параллельно работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов, чтобы обеспечить требуемое давление на напорном коллекторе станции и предотвратить нештатное отключение частотного преобразователя.
8.7.	КАНАЛИЗАЦИОННАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ ПЕРЕКАЧКИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА ОСНОВЕ ИМС
Целесообразность применения САУ с регулируемым электроприводом в канализационных насосных станциях с учетом существующего соотношения цен на оборудование и электроэнергию и других факторов обоснована в работах ВНИИ ВОДГЕО [60, 128]. Экспериментальная проверка этих предположений была осуществлена на Ивановской канализационной насосной станции (КНС) Москвы в 1982—1984 гг. [62]. Насколько нам известно, это был первый опыт использования регулируемого электропривода в отечественном водоотведении.
На Ивановской КНС два насосных агрегата из шести установленных были оснащены ИМС, изготовленными на предприятии
Рис. 8.14. Регулируемая канализационная насосная установка:
1 — приемный резервуар; 2 — преобразователь уровня; 3 — ПИ-регулятор; 4 — блок взаимодействия регулируемых и нерегулируемых агрегатов; 5 — тиристорный возбудитель (выпрямитель); 6 — переключатель; 7 — ИМС; 8 — электродвигатель; 9 — насос; 10 — в схему управления нерегулируемых агрегатов; 11 — к нерегулируемым агрегатам
«Киргизкабельмаш» [151]. Номинальные параметры агрегатов: подача 800 м3/ч (0,22 м3/с), напор 33 м (0,33 МПа), мощность 160 кВт, частота вращения 960 об/мин, вращающий момент ИМС 1,60 кН-м (160 кгс-м).
Регулирование режима работы установки до внедрения регулируемого электропривода осуществлялось периодическим включением—отключением насосных агрегатов. Число включений составляло 30—40 в сутки, а число работающих агрегатов в зависимости от притока сточных вод изменялось от одного до трех.
Принципиальная схема САУ насосной установки приведена на рис. 8.14. Система автоматического регулирования изменяла частоту вращения одного или двух регулируемых агрегатов и общее
число работающих агрегатов в соответствии с изменением притока. Частота вращения изменялась по сигналу отклонения, формирующемуся при выходе уровня из заданных пределов. Сигнал отклонения, обработанный по ПИ-закону, поступал на вход СИФУ тиристорного возбудителя ИМС. Таким образом регулировался ток возбуждения ИМС и соответственно частота вращения насоса.
При существенных изменениях притока, когда изменение частоты вращения регулируемого насоса не обеспечивает требуемого изменения подачи насосной установки, возникает необходимость в изменении общего числа работающих на станции агрегатов. Для этого служит блок взаимодействия регулируемых и нерегулируемых агрегатов. Теоретически при уменьшении притока сточных вод отключение одного из нерегулируемых агрегатов и форсировка возбуждения ИМС должны происходить в тот момент времени, когда частота вращения регулируемого насоса уменьшается настолько, что его обратный клапан закрывается, и насос переходит в режим холостого хода.
Однако при малых частотах вращения и соответственно малых подачах насос работает с таким низким КПД, что потери в насосе оказываются больше экономии энергии, получаемой благодаря снятию избыточного давления, поэтому в разработанной лабораторией автоматизации института ВОДГЕО системе управления предусмотрена выдача команды на изменение количества работающих насосов до того, как регулируемый насос войдет в зону низких КПД, что существенно повышает эффективность САУ.
При увеличении притока сточных вод частота вращения насоса должна расти. Когда частота вращения регулируемого насоса достигает максимального значения, а приток продолжает увеличиваться, и установка не справляется с откачкой сточных вод из резервуара, блок включает дополнительно один из нерегулируемых агрегатов и уменьшает возбуждение ИМС до минимума.
Система обеспечивает стабилизацию уровня в резервуаре насосной станции с точностью ±50 мм и кратковременными отклонениями (до 350 мм) при подключении или отключении нерегулируемого насосного агрегата.
Система позволяет регулировать частоту вращения одновременно нескольких, в данном случае двух агрегатов. Необходимость в таком режиме работы возникает при незначительном
превышении притока над подачей одного насоса. В таких условиях параллельная работа регулируемого и нерегулируемого агрегатов неустойчива, так как нагрузка регулируемого агрегата составляет всего 5—10% номинальной. Возникающие при этом незначительные изменения притока влекут за собой включение и отключение нерегулируемого агрегата. Вследствие этого создаются значительные возмущающие воздействия, которые не всегда могут быть сняты системой регулирования. Синхронная работа двух регулируемых агрегатов, эквивалентная работе одного агрегата большой мощности, предотвращает возникновение неустойчивых режимов работы.
Внедрение системы регулирования позволило сократить потребление электроэнергии примерно на 10%, т.е. на 170 тыс кВт-ч в год (табл. 8.6), а также число включений насосных агрегатов с 30—40 до 3 в сутки.
Одновременно опыт эксплуатации выявил чрезвычайно низкую надежность ИМС, изготавливаемых предприятием «Киргиз-кабельмаш», что не позволило рекомендовать их для широкого внедрения до приведения их в соответствие с лучшими образцами ИМС, изготавливаемых зарубежными фирмами. В [128]
Таблица 8.6. Расход электроэнергии при разных способах регулирования режима работы Ивановской канализационной насосной станции
Способ регулирования	Продолжительность работы, сут	Общий расход электроэнергии, кВт-ч.	Расход электроэнергии, кВт-ч.		Объем перекачи-ваемых стоков, 1000 м3	Удельный расход электроэнергии на перекачку 1000 м3 ВОДЫ, кВт-ч
			на собственные нужды	на перекачку стоков		
Плавное с переменной частотой вращения	7	41700	6294	35405	227	156
Ступенчатое с постоянной частотой вращения	7	42000	4074	37926	218	173
Примечание: Экономия электроэнергии Э = 100(173 - 156)/173 = 9,8%.
изложены рекомендации по подготовке ИМС для использования в регулируемом приводе насосных агрегатов.
На объекте испытывались несколько систем регулирования: с дискретными и аналоговыми датчиками уровня различных типов. В условиях канализационных насосных станций, перекачивающих загрязненные стоки, наиболее надежной оказалась система измерения уровня с воздушным колоколом и эжектором (см. §7.2).
8.8.	КАНАЛИЗАЦИОННАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
ПО СХЕМЕ АВК
В Москве длительное время, с 1985 по 2000 г., работала САУ Кунцевской КНС [68]. На станции было установлено шесть насосных агрегатов мощностью 800 кВт, в том числе три-четыре рабочих. В систему автоматизированного управления входил один высоковольтный (6 кВ) асинхронный электродвигатель с фазным ротором мощностью 800 кВт и частотой вращения 740 об/мин.
Частота вращения двигателя регулировалась преобразователем АВК, функции которого выполнял агрегат ТДП2-630-400-1Т, состоящий из выпрямителя й инвертора, сглаживающего реактора ФРОС-800, согласующего трансформатора ТС-400, станции управления ШДУ-6902-48А и пусковых резисторов; датчика уровня, состоящего из воздушного колокола и дифференциального манометра; ПИ-регулятора Р-17.
В настоящее время САУ прекратила существование в связи с вводом в эксплуатацию Ново-Кунцевской КНС и ликвидацией Кунцевской КНС, на которой была смонтирована описываемая САУ.
Длительный опыт эксплуатации подтвердил надежность и эффективность описываемой системы. Система стабилизировала уровень жидкости в резервуаре с точностью ± 10 см. Более высокая точность стабилизации уровня влекла за собой повышенный износ пальцев эластичной муфты, соединяющей электродвигатель с насосом. Повышенный износ обусловлен волнением жидкости в резервуаре (высота волны до 20 см), что потре
бовало увеличить зону нечувствительности САУ и снизить точность стабилизации уровня. Принцип действия системы регулирования аналогичен описанному в §8.7. Изменение числа работающих на станции насосных агрегатов осуществлялось оперативным персоналом.
Использование этой системы в насосной установке ежегодно экономило 600—700 тыс кВт-ч электроэнергии, т.е. примерно 4-5% общего энергопотребления насосной установки.
Дополнительные капитальные затраты, обусловленные применением системы регулирования в насосной установке, составили 15,0 тыс руб. (в ценах 1985 г). Регулируемый насосный агрегат использовался 5000—6000 ч в течение года. Нерегулируемые агрегаты работали по 2000—2500 ч в году.
Интересно привести оценку этого привода, сделанную эксплуатационным персоналом Производственного управления насосных станций (ПУНС) Московской канализации: «В 1985 г. на Кунцевской канализационной насосной станции впервые было осуществлено регулирование отечественным высоковольтным приводом с помощью АВК, в создании которого принимали участие Саранский завод «Электровыпрямитель» и Чебоксарский элект-роаппаратный завод. Качество изготовления АВК, несмотря на его длительную эксплуатацию, является лучшим среди всех отечественных преобразователей. Подтверждение тому — работа АВК на Кунцевской насосной станции, где он эксплуатируется более 10 лет и обеспечивает эффективную работу станции» [157].
8.9.	КАНАЛИЗАЦИОННАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПО СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
На Филевской канализационной насосной станции Москвы в 1986 г. была внедрена САУ с использованием электропривода на базе вентильного электродвигателя [18]. Из шести насосов марки ЗО-ФВ-17, установленных на станции, один был оснащен таким электроприводом с применением преобразователя ПЧВН-4, разработанного НИИ ХЭМЗ. Мощность электропривода 1600 кВт, напряжение двигателя 10 кВ. Преобразователь подключен к питающей электросети через понижающий сухой
трансформатор мощностью 4000 кВ-А, а двигатель — к преобразователю через такой же повышающий трансформатор.
В состав преобразователя ПЧВН-4 входит также тиристорный преобразователь для питания системы возбуждения синхронного электродвигателя, который при внедрении электропривода не заменялся. На объекте была смонтирована такая же система управления, какая используется в КНС, оснащаемых низковольтными агрегатами.
В качестве датчика уровня использован воздушный колокол и дифманометр с выходом 0-5 мА. В системе управления использован ПИ-регулятор типа Р-17. Применение САУ с регулируемым электроприводом снизило потребление электроэнергии примерно на 1200 тыс кВт-ч. в год, облегчило условия работы оперативного персонала, улучшило условия эксплуатации насосного оборудования.
В частности, замечено, что использование регулируемого электропривода вместо дросселирования напорных линий существенно увеличило межремонтный цикл напорных задвижек (Dy = 1200 мм). При использовании их в качестве дросселирующего органа они ремонтировались 1 раз в полгода. После внедрения регулируемого электропривода межремонтный цикл увеличился до 2 лет.
Анализ работы САУ и выполненные расчеты показывают, что оборудование аналогичным электроприводом второго насосного агрегата позволило бы увеличить экономию электроэнергии почти вдвое. На станции прошло проверку устройство, исключающее работу регулируемого насоса в зоне низких КПД. Система находилась в эксплуатации 8 лет. Была демонтирована в связи с затруднениями, возникшими в 1994 г. с комплектацией преобразователя запасными частями, поставляемыми с Украины.
8.10.	КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ С ЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Первый опыт использования частотных преобразователей в регулируемом электроприводе КНС относится к середине 80-х годов прошлого века [8]. В насосной станции «Мосвокстрой»
(Москва) короткозамкнутый асинхронный электродвигатель насоса мощностью 110 кВт был включен через преобразователь ПЧТ, разработанный в НИИ ХЭМЗ. Система управления электроприводом построена аналогично ранее описанным, за исключением того, что в качестве датчика уровня в системе использован ультразвуковой уровнемер ЭХО-3.
Опыт эксплуатации ультразвуковых уровнемеров показал, что они малопригодны для использования в приемных резервуарах канализационных станций. Гораздо более высокую надежность в этих условиях показала схема измерения уровня, описанная в § 7.2. Применение частотного электропривода в этой установке уменьшило потребление электроэнергии на 60 тыс. кВт • ч. в год, т.е. примерно на 5%.
К сожалению, эксплуатационные качества преобразователя ПЧТ оказались невысокими (низкая надежность), поэтому эти преобразователи в дальнейшем не использовались в САУ насосных установок.
Гораздо более удачным оказался опыт использования в канализационных станциях частотных преобразователей фирмы «Stromberg», которые длительное время используются в канализационных насосных станциях Москвы. На их основе созданы и работают свыше 10 систем автоматизированного регулирования режима работы канализационных станций с агрегатами мощностью от 75 до 160 кВт.
Системы регулирования с применением частотных преобразователей типа SAM1 фирмы «Str0mberg» длительное время эксплуатируются на Ново-Нагатинской станции и других станциях Мосводоканала, обеспечивая экономию электроэнергии на 7—12%.
Частотные преобразователи фирмы «Stromberg» зарекомендовали себя как высоконадежные и достаточно компактные средства регулирования насосных агрегатов. В настоящее время фирма «Stromberg» вошла в состав крупнейшей фирмы АВВ и продолжает выпуск преобразователей на современном уровне, с использованием IGBT-модулей, с векторным управлением и встроенными регуляторами [158].
8.11.	ПУЛЬПОНАСОСНАЯ СТАНЦИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПО СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Пульпонасосная станция обогатительной фабрики (г. Жезказган) оборудована шестью грунтовыми насосами 2ГрТ8000/71 с номинальными параметрами: подача 8000м3/ч, напор 71 м, частота вращения 375 об/мин. Насосы укомплектованы синхронными электродвигателями 2СД215-3150-16 с номинальными параметрами: мощность 3150 кВт, напряжение 6 кВ, частота вращения 375 об/мин.
По инициативе и при непосредственном участии специалистов предприятия на станции установлен регулируемый электропривод по системе вентильного двигателя. Используются три преобразователя в том числе два преобразователя ПЧВС (изготовитель ПО «ХЭМЗ», г. Харьков) и один КПЧС (изготовитель «Уралэлектромаш»).
Схема коммутации обеспечивает возможность регулирования частоты вращения любого из участвующих в работе насосных агрегатов. Обычно работает один или два агрегата, подающих пульпу в хвостохранилище.
Агрегаты рассматриваемой станции работают последовательно с агрегатами пульпонасосной станции I подъема, которые подают пульпу во всасывающие линии рассматриваемой станции по схеме «труба в трубу» из зумпфа, куда пульпа поступает самотеком с обогатительной фабрики.
Регулирование режима работы каскада обеих насосных станций осуществляется вручную изменением частоты вращения агрегатов насосной станции II подъема в зависимости от уровня пульпы в зумпфе станции I подъема. Уровень пульпы в зумпфе колеблется в пределах 1,5 м. Статическая составляющая напора обеих станций равна 55 м, динамическая составляющая колеблется в пределах 37—57 м. Диапазон изменения подачи 3,0— 3,8 м3/с.
Использование регулируемого электропривода в данной установке прежде всего улучшает технологический режим работы системы транспортировки пульпы, предотвращает переполнение зумпфа, снижает вероятность возникновения гидравлических
ударов, а также экономит примерно 1,6—2,0 млн кВт-ч. электроэнергии в год.
Переход с ручного на автоматическое регулирование частоты вращения насосов, по нашим подсчетам, позволит увеличить экономию энергии еще на 3—5%, т.е. на 100—150 тыс кВт-ч/год.
8.12.	ОБЪЕДИНЕННАЯ САУ РЕЖИМОМ РАБОТЫ НЕСКОЛЬКИХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ, ПОДАЮЩИХ ВОДУ В ОБЩУЮ СЕТЬ
В апреле 2005 г. в г. Северске введена в опытно-промышленную эксплуатацию объединенная САУ двумя насосными станциями II подъема, подающими воду в общую сеть [170].
Система разработана ООО «Ягорба 2» с использованием авторского свидетельства № 1366704 [143]. Смонтирована и эксплуатируется объединенная САУ специалистами Северского водоканала. Аналогов разработанной системе в отечественном и, насколько нам известно, в зарубежном водоснабжении не существует.
Система предназначена для обеспечения устойчивой работы насосных станций и водопроводной сети и поддержания в ней требуемого давления при наименьших затратах энергии насосными станциями, участвующими в работе.
Система создана на базе двух локальных САУ насосных станций № 1 и №2, подающих воду в городскую водопроводную сеть. Локальные САУ обеих насосных станций оснащены частотными регулируемыми электроприводами [82], что позволяет плавно и экономично изменять подачу и напор обеих станций с учетом изменения водопотребления в городе и уровня воды в резервуарах чистой воды станций II подъема. Более подробное описание локальных САУ дано в §8.9 настоящего издания.
Создание локальных САУ на обеих станциях II подъема в сочетании с заменой высоконапорных и малопроизводительных насосов 8НДВ (Q = 450м3/ч, Н = 90 м) насосами 1Д1250-63а (Q = 1100м3/ч, Н = 55 м) позволяет снизить расход электроэнергии на подачу воды до 2,0 млн кВт-ч/год.
Однако каждая локальная САУ стабилизирует напор только на своем напорном коллекторе. Наличие двух САУ в одной системе подачи и распределения воды (СПРВ), каждая из которых ис
пользует в качестве параметра регулирования напор на своем коллекторе, может привести к неконтролируемым перетокам воды в водопроводной сети города. Кроме того, поддержание заданного напора на напорных коллекторах насосных станций не избавляет водопроводную сеть от избыточных напоров в контрольных точках сети и не обеспечивает минимизацию суммарного потребления энергии обеими насосными станциями. Это обстоятельство обусловило необходимость создания объединенной САУ режимами работы обеих насосных станции II подъема, водопроводной сети и резервуаров чистой воды городского водопровода.
Объединенная САУ состоит из трех подсистем: подсистемы объединенной САУ насосной станции № 1, подсистемы объединенной САУ насосной станции № 2 и подсистемы объединенной САУ центрального диспетчерского пункта (ЦДП).
Разработанная объединенная САУ обладает некоторой функциональной избыточностью, которая позволяет при дальнейшем развитии городского водопровода управлять режимом работы трех насосных станций, подающих воду в общую сеть.
С учетом того, что в различные периоды времени водопотреб-ление в городе может изменяться не только во времени, но и по территории города, на водопроводной сети обустроены четыре контрольные точки: по две точки в зоне действия каждой станции. Информация о напоре в контрольных точках по выделенным телефонным парам подается на ЦДП.
Кроме того, на ЦДП по выделенным телефонным парам и каналам оптоволоконной связи подается информация о напоре на выходе из обеих насосных станций и об уровне воды в резервуарах обеих станций II подъема. Также на ЦДП выведены показания тока нагрузки насосных агрегатов, оснащенных регулируемым электроприводом.
В системе предусматривается возможность использования по выбору одной из насосных станций в качестве ведущей и одной из контрольных точек в качестве диктующей.
Полученные электрические сигналы из сети и с насосных станций, пропорциональные технологическим параметрам, обрабатываются в промышленном компьютере подсистемы объединенной САУ ЦДП.
По результатам обработки с одного из регуляторов промышлен-^>го компьютера ЦДП выдается управляющий сигнал на измене-^ie частоты вращения регулируемого насосного агрегата ведущей насосной станции, обеспечивающий поддержание заданно-напора в выбранной диктующей точке водопроводной сети.
Со второго регулятора промышленного компьютера форми-уется сигнал, обеспечивающий изменение частоты вращения Регулируемого насосного агрегата ведомой насосной станции, Рдким образом, чтобы удовлетворялось заданное соотношение значений напора на выходе из обеих насосных станций.
При необходимости, если увеличение частоты вращения регу-л/РУеМого агрегата не может удовлетворить потребности города роде ц поддержать требуемый напор в диктующей точке, формируется управляющий сигнал на увеличение общего количест-д работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов.
Если снижение частоты вращения регулируемого агрегата не ^еспечивает снижение напора в диктующей точке сети до за-нного значения из-за очень малого водопотребления, форми-уется управляющий сигнал на уменьшение общего количества Работающих агрегатов.
Р Соотношение значений напора на выходе из насосных станки ориентировочно устанавливается в соответствии с уравне-н11ем (7.2) и при необходимости корректируется оператором ^П в соответствии с реальными условиями эксплуатации во-^проводной сети, насосных станций и резервуаров.
д Изменение соотношений напора на выходе насосных станций н^зволяет принудительно изменять соотношение подач воды на-с^сных станций. Например, при нехватке воды в резервуаре чис-т^й воды (РЧВ) одной из станций и избытке воды в РЧВ другой, путем изменения заданного значения АН = Нведущ - Нведом можно Уменьшить подачу насосной станции, в резервуарах которой не-^стает воды, и увеличить подачу станции, имеющей избыток во-в своих резервуарах.
На рис. 8.15 показан основной экран монитора ЦДП, отображающего упрощенную схему СПРВ г. Северска с указанием консольных точек сети: «АДС» (аварийная диспетчерская служба), ^£НС-4», «ПНС-3» (подкачивающая насосная станция), «ПНС-6» Двух насосных станций II подъема. Над каждым изображени-
ем станции присутствует окно с краткой информацией о параметрах соответствующей станции: давление, уровень в РЧВ, ток нагрузки регулируемого агрегата.
На верхней панели основного экрана отображается текущая дата и текущее время с названием подсистемы (ЦДП). В левой части нижней панели расположены семь кнопок, предназначенных для перехода на другие экраны (состояние насосной станции №1 и №2, на экран графиков или экран отчета событий или настроек).
В правой части нижней панели отображается состояние связи с насосными станциями №1 и №2 и с регуляторами локальных САУ этих станций. В центре нижней панели отображается фактическое значение напора в диктующей точке и высвечивается задание напора в диктующей точке. Изменение значения заданного напора осуществляется с помощью «мыши». Для увеличения задания курсор устанавливается на кнопку «+» и нажимается левая клавиша «мыши». Каждое нажатие изменяет задание на 0,5 м. Для уменьшения задания используется кнопка «-».
Выбор диктующей точки осуществляется установкой курсора на соответствующую кнопку панели, расположенной в нижнем правом углу рабочего поля экрана, и нажатием на левую клавишу «мыши». Аналогичным образом выбираются ведущая и ведомая насосные станции. Для этого используется панель в верхней центральной части рабочего поля экрана.
При необходимости уточнить состояние дел на станции №1 или №2 на монитор ЦДП вызывается экран соответствующей насосной станции: №1 (рис. 8.16) или №2 (рис. 8.17). На экранах насосной станции изображена гидравлическая схема станции с ее основными элементами: насосными агрегатами, РЧВ и отображены основные параметры, характеризующие режим работы станции.
На экране отображаются графики изменения напоров на напорных коллекторах обеих станций и в четырех контрольных точках сети, ток нагрузки регулируемых агрегатов.
В период 26—29 апреля 2005 г. проведены приемо-сдаточные испытания объединенной САУ. В течение 72 ч насосная станция испытывалась в различных режимах работы:
Центральный диспетчерский пункт
Станция № 1
Местное
Станция N° 2
Местное
Давление 0.0
Ток агр. №4 |	0.0
| Уровень в РЧВ Г 0'00
Выбор ведущей станции
О Станция №1| О Станция №21
Давление СО
Ток агр. №4	0.0
Уровень в РЧВ [ 0.00
N3 O' О
| Н= | 0.0 м О Выбрать |
КНС-4
^ПНС-З
Выбор диктующей точки
АДС _____| КНС-4 | ПНС-3 i ПНС-6
Н= 0.0 м Н= 0.0 м Н= 0.0 м
О Выбрать | С) Выбрать J О Выбрать |

Давление в ДТ	0.0 м	(Связь с HCN'l отсутствует
Задание в ДТ	0.0 м +] - J | Связь с Р-130 отсутствует
ООО “Ягорба 2” (Связь с НС N1 2 отсутствует | Связь с Р-130 отсутствует '
Рис. 8.15. Основной экран объединенной САУ ЦДП г. Северска
Режим 1. Ведущая станция № 1, ведомая № 2, диктующая точка «АДС», заданное значение напора в диктующей точке 30 м.
Режим 2. Ведущая станция №1, ведомая № 2, диктующая точка «КНС-4», заданное значение напора в диктующей точке 28 м.
Режим 3. Ведущая станция №2, ведомая №1, диктующая точка «ПНС-3», заданное значение напора в диктующей точке 21 м.
Режим 4. Ведущая станция №2, ведомая №1, диктующая точка «ПНС-6», заданное значение напора в диктующей точке 24 м.
В каждом режиме изменялось заданное значение разницы напоров на напорных коллекторах обеих насосных станций АН в диапазоне от 4 м до 6 м с интервалом в 0,5 м.
В результате проведения испытаний была подтверждена работоспособность системы, устранены некоторые выявленные неисправности и внесены отдельные изменения, улучшающие условия ее эксплуатации.
Во время проведения испытаний подача воды насосной станции № 1 изменялась от 400 до 1480 м3/ч, а насосной станции №2 от 690 до 1274 м3/ч. Суммарная подача обеих станций изменялась в ходе эксперимента от 1150 до 2840 м3/ч.
Соотношение подач воды Qj/Q2 обеих станций изменялось в диапазоне от 1,27 до 0,55 . В этих условиях осуществлялось перераспределение потоков воды с обеих станций путем изменения АН с 4 м до 6 м.
По результатам испытаний был выявлен основной рекомендуемый режим работы объединенной САУ на период ее опытно-промышленной эксплуатации:
ведущая станция №1, ведомая №2, диктующая точка «АДС», заданный напор в диктующей точке 30 м (в дневное время), разница значений напоров на напорных коллекторах насосных станций АН = 4 м.
В ночное время из-за снижения водопотребления в городе количество работающих агрегатов на насосной станции № 1 уменьшалось с двух-трех до одного и на станции №2 с одного-двух до одного. Кроме того, в ночное время по команде с ЦДП осуществлялось снижение заданного напора в диктующей точке «АДС» с 30 до 27 м.
Контроль фактического напора в диктующих точках сети пока-
Насосная станция №1
262
| Давление на колл I 0.0
| Задание на колл. | Сво" [
Нет святи с ЦДП
Р Нет связи с Ретиконтом
Статус
Вдомая
Рис, 8.16. Экран объединенной САУ насосной станции II подъема №1, г. Северск
Насосная станция №2
263
l
i
Минимум |~ 0.0 +JJ Максимум [ 0.0 +JJ
ООО «Ягорба 2»
| Давление на колл. | 0.0
| Задание на колл | 0.0	[
Статус
Ведомая
Нет связи с ЦДП
Нет связи с Ремиконтом
Рис. 8,17. Экран объединенной САУ насосной станции II подъема №2, г. Северск
зал, что при возможных изменениях водопотребления напор в диктующих точках сети поддерживался с точностью ±(0,1—0,3) м.
Поддержание стабильного напора 30 ±(0,1—0,3) м в диктующей точке «АДС» обеспечивало поддержание приемлемого напора в других контрольных точках водопроводной сети с незначительными отклонениями (не более 1 м) от заданного значе
ния:
Контрольная точка	Напор, м
«КНС-4»	......28,1—29,0
«ПНС-3» .............................20,0—21,2
«ПНС-6»	. .	..................23,0—24,3
В ходе проведения испытаний периодически контролировалось наличие воды у жильцов верхних этажей зданий, находящихся в зонах проблемного водообеспечения. Проверка показала, что в период действия объединенной САУ нарушения нормального водоснабжения потребителей не было.
Возможность плавно изменять соотношение подач воды обеих станций позволило контролировать с ЦДП уровни воды в резервуарах чистой воды обеих станций и задавать такие режимы работы, которые обеспечивали надежное, без нарушения вакуума, действие насосов, что особенно важно для насосных агрегатов незаглубленной станции №1.
После завершения испытаний объединенная САУ была оставлена в опытно-промышленной эксплуатации и продолжает работать в этом статусе до настоящего времени. Эксплуатационные наблюдения показали, что в условиях функционирования объединенной САУ объемы поданной воды по насосной станции №1, по сравнению с тем же периодом прошлого года, уменьшились на 12,8%, а по насосной станции №2 объемы поданной воды увеличились на 5,3%. Таким образом, применение объединенной САУ позволило сократить общий расход воды на 4,1%.
Суммарное энергопотребление обеих насосных станций по предварительным данным сократилось за счет более правильного распределения нагрузки между обеими насосными станциями и более точного поддержания заданного давления в сети на 180—200 тыс кВт-ч/год.
Глава девятая
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
РЕЖИМАМИ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
9.1.	ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Опыт использования регулируемого электропривода показал, что без создания САУ режимами работы насосных и воздуходувных установок получить ожидаемый экономический эффект невозможно. Оператор установки не может ежеминутно отслеживать изменения в режиме работы объекта, не может своевременно изменять соотношение частот вращения нескольких одновременно работающих регулируемых агрегатов, включать и отключать нерегулируемые агрегаты, закрывать и открывать затворы, т.е. выполнять те операции, которые необходимы для обеспечения энергосберегающего режима работы установки. Еще больше усложняется задача управления, если несколько установок работают совместно, обеспечивая общий технологический режим подачи воды или воздуха потребителю, например несколько насосных станций подают воду в общую водопроводную сеть. В этом случае возникает необходимость в создании объединенной САУ этими установками, обеспечивающей наиболее выгодное распределение нагрузки между этими установками.
Для создания энергосберегающих систем управления необходимо сформулировать основные технологические требования, при соблюдении которых будет обеспечено эффективное использование регулируемого привода.
Разработка технологических требований нуждается в системном подходе к решению совокупных задач и проблем, возникающих при построении САУ. Такой подход характеризуется совместным рассмотрением проблем автоматизации и технологических задач. При этом на всех этапах разработки, про
ектирования и внедрения САУ приоритетное значение имеет технологический процесс перекачки воды и стоков или подачи воздуха.
При разработке энергосберегающих САУ воздуходувных установок следует иметь в виду, что технологический процесс воз-духоподачи имеет большее разнообразие, чем процесс водоподачи или водоотведения.
Регулирование режима работы вентиляторных установок обусловлено, главным образом, сезонными и суточными изменениями температуры и влажности воздуха, его запыленностью, которая преимущественно зависит от характера производств в вентилируемом помещении (подземная выработка, металлургическое предприятие, зрелищное учреждение и пр.).
Регулирование режима работы воздуходувных агрегатов преимущественно зависит от технологического процесса основного производства (подача воздуха в аэраторы биологических очистных сооружений, подача воздуха в конвертеры металлургических заводов).
Режим работы компрессорных установок, подающих сжатый воздух в рудники, цеха промышленных предприятий, и его регулирование определяется преимущественно ритмом производства. На рудничных площадках в подземные выработки наибольшее количество воздуха подается в рабочие смены, а в смены, когда ведутся ремонтные и профилактические работы, потребность в сжатом воздухе резко падает. В цехах промышленных предприятий потребность в сжатом воздухе существенно изменяется в течение рабочего дня (обед, пересменка и пр.).
Реализация технических решений при разработке САУ осуществляется комплексно, затрагивая составные части насосных и воздуходувных установок, участвующих в технологическом процессе воздухоподачи, водоподачи и водоотведения, в том числе: технологическую схему станции, насосное, вентиляционное, гидромеханическое и электроэнергетическое оборудование и пр. При необходимости затрагиваются компоновочные решения и вносятся изменения в строительную часть сооружения.
Решение о построении САУ на объекте принимается на основании технико-экономического обоснования (ТЭО) и подготовленных технических предложений.
Разработка, проектирование, монтаж, наладка и ввод в эксплуатацию САУ осуществляется под единым научно-техническим руководством организации-разработчика САУ.
В соответствии с изложенными принципами создана излагаемая ниже методика, которая охватывает весь процесс построения САУ, начиная с обследования объекта, кончая вводом САУ в эксплуатацию.
9.2.	ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
В настоящей методике рассматриваются насосные станции, работающие в системах водоподачи, водоотведения и оборотного водоснабжения, а также воздуходувные установки различных производств.
В системах водоотведения большая часть насосных станций осуществляет перекачку сточных вод из приемного резервуара, в который сточная вода поступает самотеком или подается другой насосной станцией, расположенной на более низкой геодезической отметке. Здесь основным параметром управления является уровень воды в резервуаре. При разработке САУ должен учитываться график притока сточных вод в приемный резервуар станции.
Системы водоподачи характеризуются большим разнообразием технологических решений, которые необходимо учитывать уже в начальной стадии разработки при выборе принципиальной схемы САУ. Разрабатывая САУ водопроводной станции, необходимо учитывать ее место в общей схеме водоснабжения, назначение водопровода, график водопотребления, количество водоисточников, наличие регулирующих резервуаров, регулирующих насосных станций. Для водопроводных станций обычно регулируемым параметром является давление в напорном коллекторе или в диктующей точке сети. В отдельных случаях параметром регулирования может служить уровень воды в резервуарах.
Системы оборотного водоснабжения характеризуются взаимодействием различных контуров охлаждения воды и их отдельных элементов. В качестве параметров регулирования приходится использовать одновременно давление в магистрали и уровень воды в резервуарах. В отдельных случаях могут использоваться значения температуры или расхода охлаждающей воды. При по
строении САУ необходимо учитывать технологический режим работы производства, обслуживаемого системой оборотного водоснабжения, поскольку от него зависит график водопотребления и водоотведения системы.
Если в состав оборотного водоснабжения входят вентиляторные градирни, что характерно для металлургических и химических предприятий, необходимо создание объединенной САУ, обеспечивающей совместное управление насосами и вентиляторами. В таких системах основным параметром может быть температура воды, подаваемой на охлаждение слитков, если это металлургическое производство, или воды, охлаждающей теплообменники химического производства.
Во всех случаях должны учитываться цели, положенные в основу управления. К их числу относятся:
обеспечение наименьшего потребления энергии насосными и воздуходувными агрегатами;
обеспечение наиболее полного устранения избыточных напоров;
поддержание заданного давления в диктующих точках сети или в напорном коллекторе станции;
стабилизация температуры в заданной точке технологической цепочки;
поддержание необходимого содержания кислорода в аэротенках или конверторах металлургических цехов;
поддержание определенного уровня в резервуарах;
предотвращение неконтролируемых перетоков, перемещаемых сред (воды, воздуха и пр.) в трубопроводных системах и резервуарах (излив, опорожнение и т.д.);
предотвращение неэкономичных и опасных режимов работы насосных и воздуходувных агрегатов (кавитации, помпажа, гидравлических ударов) и т.д.
Рассмотрим наиболее характерные варианты построения САУ: канализационная насосная станция, перекачивающая сточные воды из приемного резервуара на очистные сооружения или в коллектор. Основной целью управления является стабилизация уровня сточных вод в приемном резервуаре. Таким образом, в каждый момент времени обеспечивается перекачка такого количества воды, которое поступает в приемный резервуар;
водопроводная насосная станция, подающая воду непосредственно в сеть. Основной целью управления является поддержание заданного давления в диктующих точках сети или на напорном коллекторе. Таким образом, обеспечивается подача такого количества воды в сеть, которое требуется потребителю;
водопроводная насосная станция, подающая воду в промежуточные резервуары, из которых вода забирается насосами II, III подъема. Задача управления усложняется необходимостью учета регулирующей способности резервуаров;
несколько насосных станций, подающих воду в общую сеть. В этом варианте наряду с поддержанием заданного давления в сети и учета колебаний уровня в резервуарах возникает задача оптимального распределения нагрузки между станциями, обеспечивающего минимум энергетических затрат на подачу воды.
Во всех случаях следует иметь в виду, что в каждой насосной установке работает обычно несколько насосов параллельно, а иногда и последовательно. При этом изменение режима работы одного из насосов оказывает влияние на режим работы других насосов, поэтому общей задачей для всех видов САУ является обеспечение работы насосов в зоне нормальной работы, т.е. без перегрузки, без помпажа и кавитации, вне зоны низких КПД. Эти условия влекут за собой требования к САУ по относительно равному распределению нагрузок между совместно работающими насосами.
В системах водоподачи и водоотведения насосным установкам малой производительности (до 30 млн м3/год) присущи некоторые особенности. Эти установки расположены, обычно, близко к потребителю воды, поэтому они непосредственно без существенного сглаживания воспринимают все изменения в режиме водопотребления и притока сточных вод. Мощность насосных агрегатов, установленных на такого рода объектах, ограничивается, как правило, 160—250 кВт. На этих объектах обычно используется электропривод на низком напряжении (380 В). Обслуживающий персонал таких станций характеризуется немногочисленным составом и сравнительно невысокой квалификацией. Многие из этих объектов работают на замке, без постоянного оперативного персонала. Вследствие сравнительно небольших мощностей основных насосных агрегатов аб
солютное значение экономии энергии и воды на этих станциях относительно невелико. Откуда следует, что технические решения, разрабатываемые для таких объектов, не должны предусматривать использования сложных и дорогих устройств, требующих постоянного и непосредственного наблюдения за их работой со стороны высококвалифицированного персонала. Обслуживание аппаратуры САУ целесообразно осуществлять периодически оперативно-выездными бригадами (ОВБ) с заменой вышедшей из строя аппаратуры резервной и последующим ее ремонтом в централизованных мастерских.
Технические решения должны предусматривать автоматический ввод резервного оборудования взамен вышедшего из строя и сигнализацию о происшедшем на диспетчерский пункт.
Насосные установки производительностью 20—30 млн м3/год и выше отличаются тем, что они работают в более спокойном режиме водопотребления или притока сточных вод за счет аккумулирующей способности резервуаров, коллекторов и тому подобных сооружений, а также рассредоточения во времени и пространстве изменений в режимах водопотребления различных потребителей.
Мощность насосных агрегатов, установленных на этих объектах, обычно находится в пределах 300—1250 кВт. Электропривод таких насосов, как правило, высоковольтный (6—10 кВ). Кроме короткозамкнутых асинхронных двигателей, характерных для насосных установок предыдущей группы, на этих объектах довольно часто используются синхронные электродвигатели, особенно при мощностях 630—1250 кВт.
Обслуживающий персонал этих станций, как правило, обладает более высокой квалификацией по сравнению с персоналом насосных установок меньшей производительности. Часто на обслуживающий персонал крупных насосных установок возлагается контроль за работой насосных установок, работающих на замке, осуществляемый по каналам телемеханики. В этой связи, а также из-за более сложного устройства этих объектов и важности места, занимаемого ими в общей схеме водоснабжения или водоотведения, они работают с постоянным оперативным персоналом.
Кроме того, сравнительно высокая мощность насосных агре
гатов этих объектов и большая их производительность обусловливают высокое абсолютное значение экономии энергии и воды, получаемой за счет применения современных САУ. Отсюда следует, что технические решения, разрабатываемые для таких объектов, могут предусматривать довольно сложные и относительно дорогие устройства, требующие наблюдения за их работой квалифицированного персонала. Технические решения могут предусматривать периодическое вмешательство оперативного персонала в работу САУ, например для изменения уставок значений регулируемых параметров, включения и отключения регулируемых и нерегулируемых агрегатов по сигналам, получаемым из САУ. При необходимости дежурный персонал должен иметь возможность вывести управление теми или иными агрегатами из САУ и взять его на себя.
Наиболее крупные насосные станции большой производительности (100 млн м3/год и выше) играют особую роль в обеспечении жизнеспособности крупнейших центров страны (Москвы, Санкт-Петербурга и др.). Многие из этих объектов развиваются в течение нескольких десятилетий. На них установлено разнотипное оборудование, изготовленное в разные периоды их развития. Единичная мощность насосного оборудования этих объектов достигает 2500—5000 кВт. Количество насосных агрегатов доходит до 30, причем расположены они часто в разных удаленных один от другого зданиях. Из сказанного следует, что разработка САУ, обеспечивающей согласованную и эффективную работу большого числа крупных насосных агрегатов, является задачей непростой и требует индивидуального подхода. При этом возникает задача избирательного регулирующего воздействия на разные насосные агрегаты, входящие в состав одной и той же насосной установки.
Воздуходувные установки, подающие воздух в аэротенки, в силу особенности процесса подачи воздуха (большая статическая и небольшая динамическая составляющие напора), как правило, не требуют применения дорогостоящих регулируемых электроприводов. Режим работы этих установок целесообразно регулировать путем дискретного изменения положения диска затвора на всасывающих линиях воздуходувок в сочетании с использованием групповых УПП воздуходувных агрегатов.
Режим работы компрессорных установок промышленных предприятий и рудничных площадок, по тем же причинам, особенно при достаточно большом количестве агрегатов (10—15 единиц и больше), целесообразно регулировать изменением количества компрессоров, подающих сжатый воздух в систему воз-духоснабжения, с использованием групповых УПП.
Для качественной работы вентиляторных и воздуходувных установок, в том числе тягодутьевых установок котельных, подающих воздух в конвертеры, котлы и другие устройства, работающие в переменном режиме (загрузка, продувка и пр.), при соответствующем технико-экономическом обосновании требуется применения регулируемого электропривода и соответствующей САУ.
9.3.	ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В САУ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
Выбор электропривода для конкретной установки осуществляется с учетом различных факторов: соотношения стоимости оборудования и электроэнергии, условий эксплуатации, удобства размещения оборудования, типа установленных насосов и электродвигателей, числа насосных агрегатов и их мощности, квалификации обслуживающего персонала, возможности уменьшения числа установленных насосов за счет укрупнения единичной мощности агрегатов и т.д. Различен подход к выбору электропривода для существующих (действующих), вновь проектируемых и реконструируемых объектов. Вследствие этого не существует какого-либо одного вида электропривода, который должен применяться во всех насосных или воздуходувных установках при любых условиях эксплуатации.
Применение САУ с регулируемым электроприводом целесообразно, когда:
насосная водопроводная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции II, III подъемов, станции подкачки и т.п.);
объем приемных резервуаров канализационных и подобных им насосных станций не превышает обычных размеров, т.е.
не превышает 5—10-минутной подачи наиболее крупного насоса;
диапазон колебания водопотребления или притока достаточно большой (не менее 15—20% максимальной подачи);
динамическая составляющая водоподачи достаточно большая (не менее 20—30% общей высоты подъема жидкости).
В отдельных случаях, например для обеспечения равномерного режима работы очистных сооружений, целесообразно применение регулируемого электропривода в насосных установках I подъема водопроводных станций.
Применение САУ с регулируемым электроприводом экономически целесообразно, обычно, при мощности насосных агрегатов 55—100 кВт и выше.
Для агрегатов мощностью 250—320 кВт, оснащенных низковольтными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями, наиболее целесообразно применение регулируемого электропривода с частотными преобразователями. Для этих агрегатов возможен вариант использования гидравлических или электромагнитных муфт скольжения при условии достаточно высокого качества их изготовления, а также вариаторов типа «Twin-Disk». Вариаторы типа «Twin-Disk» используются в горизонтальных насосных агрегатах мощностью до 2000 кВт.
Для агрегатов мощностью 250—1600 кВт, оснащенных низковольтными и высоковольтными асинхронными электродвигателями с фазным ротором, следует применять электропривод по схеме АВК. При этом следует обращать внимание на то, чтобы в схеме привода были предусмотрены устройства, предотвращающие возникновение перенапряжений в роторной цепи электродвигателей, а также технические решения, обеспечивающие работу привода с достаточно высоким значением cos ф.
Для агрегатов мощностью 800—5000 кВт, оснащенных синхронными высоковольтными электродвигателями, наиболее целесообразно применение регулируемого электропривода по системе вентильный двигатель.
Для агрегатов мощностью 400—1600 кВт, оснащенных высоковольтными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями, применяются регулируемые электроприводы с двойной трансформацией напряжения. Этот привод предусматривает ис
пользование понижающего и повышающего трансформаторов. Хотя это решение достаточно громоздко, тем не менее, существуют условия, в которых применение этого вида привода эффективно.
В частности, ООО «Электротекс» (г. Орел) разработал и изготавливает преобразователи для этого вида привода в контейнерном исполнении с подогревом, что позволяет устанавливать их на открытом воздухе также, как и масляные трансформаторы. Что при определенных условиях делает использование двухтрансформаторного преобразователя экономически выгодным.
Для агрегатов мощностью 400—1600 кВт возможно использование других средств регулирования: гидравлических или электромагнитных муфт скольжения, гидравлических вариаторов типа «Twin-Disk». Возможен также вариант замены короткозамкнутого электродвигателя на двигатель с фазным ротором и применения схемы АВК.
В последние годы появился бестрансформаторный высоковольтный частотный привод, например типа ВПЧА, изготавливаемый ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). В любом случае выбор привода должен осуществляется на основании технико-экономических расчетов по сопоставимым показателям.
Приведенные рекомендации носят общий характер и справедливы при существующем соотношении цен на электроэнергию и оборудование, используемое в электроприводе, а также при действующих нормах амортизации (8—9%) и сроках окупаемости (до трех лет).
Здесь необходимо еще раз подчеркнуть, что применение регулируемого электропривода в энергосберегающих САУ наиболее эффективно (по экономическим показателям) при использовании одноставочного тарифа на оплату электроэнергии. Особенно важен этот фактор для канализационных станций, в которых применение регулируемого электропривода не влияет на сокращение утечек и непроизводительных расходов воды, и следовательно, не уменьшает сброса сточных вод в канализацию.
С учетом конкретных условий или при изменении исходных данных границы области целесообразного применения САУ с регулируемым электроприводом могут изменяться в ту или иную сторону. Так, для агрегатов 250—1600 кВт отмечалась возмож
ность применения регулируемых электроприводов по схеме АВК. Однако этот вид электропривода может быть использован только в горизонтальных агрегатах, так как электродвигатели с фазным ротором, необходимые для этого привода, в настоящее время в вертикальном исполнении промышленностью не изготавливаются, поэтому в вертикальных насосных агрегатах мощностью 800—1600 кВт применение электропривода по схеме АВК невозможно, и в этих условиях применяется частотно-регулируемый привод или привод на основе вентильных электродвигателей.
В насосных установках мощностью 75—250 кВт конкурентоспособны частотный электропривод и приводы с муфтами скольжения. Для насосных агрегатов, работающих с частотой вращения 600—750 об/мин и менее, передаваемый момент существенно возрастает, из-за этого габариты муфт значительно увеличиваются и, следовательно, возрастает их стоимость. В таких условиях применение частотного электропривода становится предпочтительней электропривода с муфтами скольжения.
Из приведенных примеров следует вывод: выбор регулируемого электропривода для конкретных объектов должен делаться не из общих соображений, а на основе технико-экономических расчетов и сравнения сопоставимых вариантов. Методики выполнения технико-экономических расчетов приведены в настоящем издании и других публикациях [57, 128].
Если применяется САУ с регулируемым электроприводом, то целесообразно свести число насосных агрегатов до разумного минимума. Для насосных установок первой категории надежности минимальным числом насосных агрегатов следует считать четыре (два рабочих, два резервных). Если два рабочих агрегата не могут обеспечить требуемую максимальную подачу, их число увеличивают до пяти-шести. В этом случае общее число насосных агрегатов будет семь-восемь, в том числе два резервных.
Регулируемым электроприводом рекомендуется оборудовать два-три насосных агрегата, если на станции установлено четыре-шесть агрегатов, и три-четыре, если на станции установлено семь-восемь агрегатов. Для ориентировочной оценки следует считать, что 1/3—1/2 часть установленных на станции агрегатов надо оборудовать регулируемым электроприводом.
Максимальное количество параллельно работающих насосов, как правило, 10—12 единиц. Включение на параллельную работу большего количества насосов бессмысленно, так как включение каждого последующего агрегата незначительно (менее, чем на 4—5%) увеличивает общую подачу насосной установки. В то же время включение лишнего насоса существенно увеличивает энергопотребление, так как насос даже вхолостую потребляет 20—25% своей номинальной мощности.
Из приведенных выше рассуждений следует, что максимальным числом насосных агрегатов (с учетом резервных) следует считать 12—15 агрегатов. В этом случае количество регулируемых агрегатов должно быть не менее четырех-пяти.
Во избежание образования так называемых мертвых зон в процессе регулирования напорная характеристика регулируемого насоса должна располагаться несколько выше характеристики нерегулируемого насоса, поэтому регулируемым электроприводом следует оборудовать наиболее крупные насосы с наиболее пологой характеристикой Q—Н.
Если предполагается установка однотипных насосов, следует иметь в виду, что максимальная частота вращения регулируемого насоса примерно на 5% ниже нерегулируемого, поэтому надо принимать дополнительные меры, обеспечивающие работу установки без мертвых зон. Такой мерой является обточка рабочих колес нерегулируемых насосов так, чтобы их напорные характеристики располагались несколько ниже напорных характеристик регулируемого насоса, работающего с максимальной частотой вращения.
Определяя число регулируемых насосов, следует иметь в виду, что понижение частоты вращения одного из насосов может вызвать перегрузку нерегулируемых насосов, вывести рабочие точки нерегулируемых насосов за пределы рабочей зоны, снизить их КПД и в особо неблагоприятных условиях вызвать кавитацию. Если такие условия имеют место, регулируемый электропривод должен быть установлен на всех насосных агрегатах, а изменение частоты вращения насосов, работающих параллельно, должно осуществляться синхронно, т. е. одновременно и на одно и то же значение. Синхронное изменение частоты вращения обеспечивается управлением всех насосов от общей системы управления.
Если параллельно работают разнотипные насосы (с разными характеристиками Q—Н), система управления должна обеспечивать индивидуальное воздействие на каждый регулируемый привод. Это нужно для того, чтобы соблюдался принцип относительно одинаковой загрузки каждого из регулируемых агрегатов, т.е. при изменении частоты вращения каждый агрегат должен быть загружен по мощности в процентном отношении одинаково.
При установке регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов, работающих параллельно, САУ должна предусматривать не только изменение частоты вращения регулируемых насосов, но и изменение числа работающих нерегулируемых агрегатов. При этом включение или отключение нерегулируемых агрегатов должно осуществляться заблаговременно, до того как подача регулируемого насоса уменьшится до нулевого значения, чтобы исключить работу насоса в зоне низких КПД. Включение и отключение нерегулируемых агрегатов при сравнительно небольшой мощности (до 160 кВт) может осуществляться автоматически. При больших мощностях (400—630 кВт и выше) включение и отключение осуществляется обычно вручную оператором по сигналу «Совет диспетчеру», выдаваемому САУ.
Применение в насосных установках САУ с регулируемым электроприводом предъявляет специфические требования к гидравлической схеме насосной установки. Обязательным элементом гидравлической схемы являются обратные клапаны (затворы) на напорных линиях регулируемых насосов, так как при работе на малых частотах вращения возможно обратное движение жидкости. Обратные клапаны рекомендуется устанавливать на горизонтальных участках трубопроводов во избежание возникновения дополнительных потерь электроэнергии из-за промежуточного положения диска обратного клапана в потоке в режиме малых подач.
Выбор регулируемого электропривода для воздуходувных агрегатов принципиально не отличается от выбора привода для насосов. Для вентиляторов, оснащенных электродвигателями мощностью до 250 кВт, используется преимущественно частотно-регулируемый привод, для мощных (1000—2000 кВт) вентиляторов и воздуходувок, оснащаемых синхронными электродви
гателями, используется привод по системе вентильного двигателя. Если воздуходувные агрегаты укомплектованы асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями, используются трансформаторные и бестрансформаторные частотно-регулируемые электроприводы.
В компрессорных установках, как было сказано выше, регулирование подачи сжатого воздуха осуществляется с использованием УПП без применения регулируемого электропривода.
При разработке САУ вновь строящихся насосных станций вместо обследования объекта изучается проектная документация и материалы предпроектной подготовки. В этих материалах дается характеристика предполагаемых режимов работы, приводится состав основного оборудования, даются технологические схемы станций, приводятся характеристики района водоснабжения и водоотведения, в том числе, предполагаемые графики водопотребления и притока сточных вод. При изучении технической документации вновь строящихся объектов также удобно использовать опросные листы (приложения 1 и 2).
Разработка САУ реконструируемых и модернизируемых объектов начинается с изучения проектной документации и натурного обследования действующего объекта с учетом перспективы его развития.
Анализ режимов работы насосных установок выполняется для определения основных параметров, необходимых для построения САУ и выполнения ТЭО. К числу этих параметров относятся:
наибольшая подача за расчетный период Q6, м3/с;
наименьшая подача за расчетный период QM, м3/с;
напор, соответствующий наибольшей подаче, Н6, м;
противодавление в системе Нп, м;
диапазон колебаний уровня в резервуарах АН, м
В ходе анализа с использованием данных, внесенных в опросные листы, строятся суточные графики подачи насосных установок в дни максимальных и минимальных подач, соответствующие этим графикам зависимости напора на всасывающих и напорных линиях насосов и на напорном коллекторе установки.
9.4.	ИЗУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
Для получения достоверной информации о режимах работы действующих насосных и воздуходувных установок проводится их натурное обследование. В ходе обследования изучаются состав оборудования объекта, его технологическая и электрическая схемы, собираются технико-экономические показатели (стоимость энергии, воды и т.п.). Одновременно происходит ознакомление с квалификацией обслуживающего персонала, состоянием контрольно-измерительной аппаратуры и условиями эксплуатации объекта. Выясняется состояние ремонтной базы. Обследование проводится по специальной программе.
В процессе обследования заполняются опросные листы (см. приложения 1 и 2), содержание которых используется для составления сводных таблиц состава основного оборудования, технико-экономических показателей, технологических и электрических схем объекта, построения графиков совместной работы насосных установок, водоводов и сети или воздуходувных машин и воздуховодов. Кроме того, по компьютерной базе данных технологических параметров установки, а при ее отсутствии по записям в эксплуатационных журналах и суточным ведомостям строятся суточные графики подачи воды или воздуха и напоров на напорном коллекторе насосной установки или на выходе из воздуходувной станции. Кроме того, определяется время работы каждого агрегата отдельно и совместно с другими агрегатами.
Определяемые технологические параметры и другие исходные данные, используемые при построении САУ, должны в наибольшей степени соответствовать их фактическим значениям. Значительная часть исходных данных определяется путем построения графиков совместной работы насосов, водоводов и сети. Для воздуходувных установок строятся графики совместной работы воздуходувных машин и воздуховодов. При этом используются напорные характеристики насосов (воздуходувных машин), характеристики водоводов (воздуховодов), а при работе насосов на водопроводную сеть — так называемые эквивалентные характеристики сети. При построении графиков совместной рабо
ты обычно используют паспортные напорные характеристики насосов, приведенные в каталогах и других справочных изданиях. Результаты построения графиков совместной работы во многом зависят от степени соответствия этих характеристик фактическому состоянию насосов, воздуходувных машин и трубопроводов, что особенно важно для агрегатов большой мощности.
Экспериментальное определение рабочих характеристик Q—Н насосов 22НДС, 24НДС показало, что только при закрытой задвижке развиваемый напор насосов соответствует напорной характеристике. С увеличением расхода увеличивается разрыв между развиваемым напором и напором паспортным. Сравнение паспортной характеристики Q—Н с экспериментальной показывает, что экспериментальная характеристика Q—Н всех испытанных насосных агрегатов проходит ниже паспортной характеристики. Отклонение в рабочей зоне составляет 15—25% по расходу и 9—12% по напору. Отсюда следует, что при определении исходных данных, необходимых для построения САУ насосных станций, укомплектованных агрегатами большой мощности, желательно экспериментальное определение характеристик Q—Н насоса.
Определенные трудности возникают при построении характеристик водопроводной сети. Дело в том, что в отличие от водоводов, характеристики которых определяются известной зависимостью Н = Нст + SQ2, характеристика сети не может быть однозначно описана математическими зависимостями. Эта зависимость с некоторой степенью достоверности может быть определена экспериментально путем синхронного измерения расхода и давления на напорном коллекторе при непрерывном поддержании требуемого напора в диктующей точке сети или определена в ходе эксплуатации по значениям Q и Н, содержащимся в суточных ведомостях.
Следует иметь в виду, что в этом случае данные эксперимента образуют не параболическую кривую, как это имеет место, когда испытывается водовод, а некоторое пятно, вытянутое вдоль кривой, именуемой нами эквивалентной характеристикой сети (см. рис. 2.6).
Для наиболее крупных и ответственных объектов второй категории надежности (насосных станций производительностью свы
ше 20 млн м3/год) рекомендуется построение упорядоченных диаграмм (кривой распределения) водоподачи. Под упорядоченной диаграммой понимается кривая, соединяющая ординаты графиков водоподачи в порядке возрастания или убывания. Упорядоченная диаграмма строится для длительного расчетного периода времени, например года, на основании суточных диаграмм расходомеров или суточных записей в оперативном журнале объекта. Упорядоченная диаграмма позволяет уточнить значения Q6 и QM, проверить возможность аппроксимации графика упорядоченной диаграммы уравнением прямой линии, проверить необходимость введения в программу расчета поправочных коэффициентов а и b [128].
При необходимости упорядоченная диаграмма разбивается на отдельные прямолинейные отрезки (линейно-кусочная аппроксимация) . В этом случае расчет экономии энергии и других показателей осуществляется отдельно для каждого прямолинейного отрезка, а затем эти показатели суммируются.
При выполнении анализа режимов работы насосных установок систематизируются данные о годовом потреблении электроэнергии и годовой производительности станции, об удельных расходах энергии, затрачиваемой на подачу воды и перекачку стоков, о стоимости потребляемой энергии и подаваемой воды, а также перекачки и обработки сточных вод.
Определяется наибольшее и наименьшее число насосов, участвующих в процессе водоподачи и водоотведения в течение расчетного периода, а также типы этих насосов. Выявляются группы насосов, работающие в обособленном режиме. Определяется степень взаимодействия рассматриваемой станции с другими станциями, участвующими в водоснабжении (водоотведении) прилегающих районов.
Полученные в ходе анализа сведения обобщаются в виде таблиц, графиков, диаграмм, схем. Из обобщенных материалов отбираются исходные данные, необходимые для выполнения технико-экономических расчетов и построения САУ. Отобранные данные вводятся в программу ПЭВМ, выполняющей техникоэкономические расчеты для ТЭО.
Аналогичным образом должен проводиться анализ работы воздуходувных установок с учетом специфики их работы.
9.5.	РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ САУ НАСС СНЫХ
И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
С использованием результатов анализа намечаются основные варианты принципиальных технических решений. Во-первых, оценивается соответствие гидравлической схемы станции, состава основного насосного, гидромеханического и электротехнического оборудования существующим и перспективным технологическим режимам работы объекта. Во-вторых, оценивается соответствие уровня и объема автоматизации насосной станции технологическому режиму водоподачи. В соответствии с этими оценками необходимо наметить принципиальные технические решения, которые будут сравниваться между собой и с действующей на станции технологией водоподачи и существующим уровнем автоматизации.
При этом целесообразно рассмотреть следующие варианты технических решений:
1.	Использование в САУ регулируемого электропривода и сравнение его с другими средствами регулирования (дросселирующими и входными направляющими устройствами для насосов, осевыми или радиальными направляющих аппаратами для воздуходувных агрегатов, сбросом воды из напорных линий во всасывающие и т.п.).
2.	Укрупнение единичной мощности насосных или воздуходувных агрегатов и уменьшение их количества.
3.	Замена состава насосного, гидромеханического и электротехнического оборудования объекта в соответствии с условиями его использования. В воздуходувных установках должно быть проверено соответствие типа воздуходувного агрегата условиям его использования в системе вентиляции или воздухоснабжения.
4.	Изменение схемы водоподачи или водоотведения, в том числе с учетом зонирования водопроводных и канализационных сетей, обеспечения взаимодействия с другими насосными станциями и т.п.
5.	Сочетание упомянутых в предыдущих пунктах технических решений.
При подготовке технических решений следует иметь в виду,
что при существующих соотношениях цен на электроэнергию, воду, оборудование, приборы и средства автоматизации регулируемый электропривод целесообразно использовать в насосных агрегатах мощностью 55—75 кВт и выше. Для низковольтных агрегатов (380—660 В) мощностью 55—250 кВт, которыми обычно оснащаются насосные установки малой производительности, рекомендуется применение частотно-регулируемого привода. В ряде случаев для низковольтных (380—660 В) и высоковольтных (6—10 кВ) агрегатов мощностью 250—400 кВт может применяться привод по схеме АВК. Применение регулируемого привода на базе вентильного двигателя для этого класса насосных станций, как правило, не рекомендуется.
В крупных насосных установках насосные агрегаты мощностью 300—400 кВт и выше обычно оснащаются высоковольтными (6, 10 кВ) электродвигателями: асинхронными и синхронными.
При использовании асинхронных короткозамкнутых электродвигателей чаще всего применяется частотный привод с двойной трансформацией напряжения, т.е. сначала питающее напряжение снижается с 6, 10 кВ до 380 или 660 В, затем осуществляется преобразование постоянной частоты 50 Гц в переменную частоту (5—50 Гц), затем происходит повышение напряжения с 380, 660 В до 6 или 10 кВ.
Таким образом, кроме частотного преобразователя в состав привода входят два трансформатора: повышающий и понижающий, что усложняет и удорожает систему регулирования (см. рис. 7.13), снижает ее надежность, требует дополнительных производственных площадей.
Наряду с двухтрансформаторными частотными преобразователями в настоящее время появились безтрансформаторные высоковольтные частотные преобразователи, например ВПЧА (завод-изготовитель «Электровыпрямитель», г. Саранск) и др. Однако безтрансформаторные преобразователи частоты (типа ВПЧА и др.) пока еще не успели зарекомендовать себя достаточно надежными устройствами, и стоимость их достаточно высокая (см. рис. 7.13).
В то же время ряд фирм («Электротекс», «Vacon» и др.) изготавливают двухтрансформаторные преобразователи в контей
нерном исполнении, что позволяет устанавливать их на открытом воздухе, использовать более дешевые масляные трансформаторы и не увеличивать площади закрытых производственных помещений.
Совокупность этих обстоятельств делает двухтрансформаторный высоковольтный частотный привод вполне конкурентно способным по отношению к другим видам регулируемого электропривода. Тем не менее, его применение, как и других видов регулируемого электропривода, требует соответствующего ТЭО.
Наряду с частотным приводом в насосных установках, оснащенных агрегатами 250—2000 кВт, в свое время получили распространение приводы по схеме АВК. Привод по схеме АВК может применяться для всех горизонтальных насосных агрегатов, начиная с мощности 250 кВт до 2000 кВт как низковольтных (380 В), так и высоковольтных (6, 10 кВ). Известны случаи использования этого вида привода в вентиляторах мощностью до 6000 кВт. Однако этот вид привода требует применения в качестве приводного двигателя асинхронного электродвигателя с фазным ротором, поэтому в вертикальных насосных агрегатах этот вид привода, обычно, не применяется, так как электродвигатели с фазным ротором в вертикальном исполнении промышленность, как правило, не изготавливает. Хотя для вертикальных насосов Белоярской АЭС такой привод был создан [109]. Одновременно следует учесть недостаточно надежную работу этого вида привода при существенных колебаниях напряжения в энергосистеме.
Вертикальные насосные агрегаты большой мощности 1250— 5000 кВт обычно оснащаются регулируемым электроприводом по системе вентильного двигателя. Этому благоприятствует и то обстоятельство, что эти насосные агрегаты оснащаются, как правило, синхронными электродвигателями, т. е. теми, которые входят в состав привода по системе вентильного двигателя. Необходимо указать, что применение этого привода на действующих объектах позволяет обойтись без замены установленных на них синхронных двигателей, что в известной мере компенсирует высокую стоимость этой системы регулирования. Этот же привод успешно используется и для горизонтальных агрегатов большой мощности (2000—5000 кВт).
Количество регулируемых агрегатов в составе САУ определяется из следующих соображений. Оснащать регулируемым приводом все агрегаты экономически нецелесообразно. Достаточно иметь один регулируемый агрегат на группу из двух-трех нерегулируемых. Регулируемым приводом оборудуется наиболее мощный агрегат с наиболее пологой напорной характеристикой Q—Н. Необходимость в оснащении регулируемым приводом всех насосов возникает только в том случае, если изменение частоты вращения регулируемых насосов выводит нерегулируемые агрегаты в зону ненормальных режимов (помпажа, кавитации и т.п.).
При подготовке технических решений необходимо обеспечить возможность параллельной работы регулируемых и нерегулируемых насосов. Для этого характеристики этих насосов должны быть приведены в соответствие, что достигается заменой насосов, изменением диаметров рабочих колес, спариванием отдельных насосов, заменой приводных электродвигателей и т.д.
При использовании частотного регулируемого электропривода следует исключить перегрев приводных электродвигателей, обусловленный несинусоидальной формой электрического тока на выходе частотного преобразователя. Для этого следует или установить приводной электродвигатель с завышенной номинальной мощностью или ограничить частоту тока на выходе преобразователя 417—48 Гц, что исключает перегрузку приводного электродвигателя при работе с частотой вращения, близкой к номинальной.
При ограниченных финансовых возможностях заказчика на станции устанавливается минимальное количество (один-два) преобразователей. В этих случаях целесообразно предусматривать устройства, дающие возможность шунтировать преобразователи и включать насосный агрегат напрямую, а также подключать к преобразователю поочередно один из двух-трех установленных на станции насосных агрегатов. Стоимость таких устройств должна включаться в дополнительные капитальные затраты, связанные с использованием регулируемого электропривода.
Изложенное в настоящем параграфе в равной мере относится и к насосным, и воздуходувным агрегатам.
9.6.	ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Цель ТЭО выявить целесообразность или нецелесообразность реализации того или иного технического решения и определить сравнительные достоинства рассматриваемых технических решений. Таким образом, в результате выполнения ТЭО может быть получен как положительный, так и отрицательный результат.
В ходе ТЭО рассматриваются все варианты разработанных решений и сравниваются с существующим. Сравнение осуществляется по следующим основным показателям: эксплуатационным затратам; дополнительным капитальным вложениям; срокам окупаемости разработанных технических решений.
С применением современных САУ с регулируемым электроприводом изменяются следующие статьи эксплуатационных расходов:
1.	Снижается расход электроэнергии на 5—15%, в отдельных случаях на 20—25%. Методика определения экономии электроэнергии изложена в [57, 71, 128].
2.	Снижается расход чистой воды на 2—5% за счет стабилизации напора в водопроводной сети и соответственно уменьшаются утечки и непроизводительные расходы. Методика определения экономии воды изложена в [50, 51, 128].
3.	Снижается расход чистой воды, соответственно, снижается сброс сточных вод в систему водоотведения примерно на ту же величину. Ориентировочно сброс сточных вод оценивается в размере 80% экономии чистой воды.
4.	Уменьшается количество аварийных раскопок и объем ремонтных работ в зависимости от снижения избыточных напоров.
Прочие эксплуатационные расходы за исключением амортизационных отчислений существенного влияния на общие показатели, в том числе на срок окупаемости САУ, не оказывают.
В отличие от вышеназванных показателей амортизационные отчисления не уменьшают, а увеличивают эксплуатационные отчисления, так как использование дорогостоящего оборудования, в том числе регулируемого электропривода, увеличивает амортизационные отчисления. Амортизационные отчисления для
электрооборудования, приборов и средств автоматизации составляют А = 8-ь10%.
Таким образом, изменение эксплуатационных расходов складывается из следующих составляющих:
АС — АСЭН + АСЧ в + АССТ в — АА,	(9.1)
где АСЭН — стоимость сэкономленной за год энергии, руб.; АСЧ в — то же чистой воды, руб.; АССТ в — стоимость уменьшения сбросов стоков в систему водоотведения за год, руб.; АА — годовые амортизационные отчисления АА = ААКЭ, (АКЭ — дополнительные капитальные вложения, обусловленные созданием САУ).
Величина дополнительных капитальных вложений зависит преимущественно от вида регулируемого электропривода. Для проведения ТЭО дополнительные капитальные вложения могут быть определены по укрупненным показателям [57, 128] с учетом инфляционных коэффициентов.
В ходе ТЭО целесообразно уделять особое внимание переходу с двухставочного тарифа оплаты электроэнергии на одноставочный, имея ввиду, что это мероприятие стимулирует проведение энергосберегающих мероприятий.
Для проектирования конкретных объектов стоимость оборудования определяется в соответствии с данными поставщиков оборудования.
Особого рассмотрения заслуживает случай, когда расчеты выполняются для вновь проектируемых и реконструируемых объектов. Появляется возможность за счет применения регулируемого электропривода укрупнить единичную мощность насосных агрегатов, уменьшить общее количество насосных агрегатов, упростить гидравлическую и электрическую схемы объекта.
В результате уменьшаются строительные объемы зданий насосных станций (на 15—20%). Соответственно снижаются капитальные вложения. В ряде случаев это снижение АКС компенсирует дополнительные капитальные вложения, обусловленные применением регулируемого электропривода, АКЭ.
9.7.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К САУ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ
НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ
Важным этапом создания САУ является формулирование технологических требований к САУ, в которых следует указать:
общее количество, а также типы и номера агрегатов, которые должны быть оснащены регулируемым электроприводом;
необходимые изменения в гидравлической схеме насосной или воздуходувной установки;
изменения, которые необходимо внести в состав насосного или воздуходувного оборудования установки: замена насосов или воздуходувных агрегатов на другие типы, изменения диаметров рабочих колес, замена арматуры (затворов, клапанов и т.п.);
параметры регулирования с допускаемыми отклонениями от заданного значения, в том числе место установки датчиков давления, уровня, температуры и др.;
возможные варианты работы насосных и воздуходувных установок, в том числе работа отдельных насосов и групп насосов в различные зоны сети, совместная работа нескольких насосных установок в общую сеть, параллельная работа воздуходувных устройств в общую систему воздухоснабжения и т.д.;
характер обслуживания объекта: с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, работа объекта на замке, возможность и необходимость дистанционного управления объекта с головного объекта или с ЦДП и т.п.;
требуемую систему сигнализации, перспективы вхождения объекта в АСУ ТП водоснабжения, водоотведения города или воздухоснабжения промышленного предприятия.
В технологических требованиях особо должны быть оговорены требования к КИП и системам, обеспечивающим возможность определения фактической эффективности САУ, в том числе об инструментальном измерении расходов воды и электроэнергии, потраченной на ее перекачку. Расходомеры должны быть оснащены счетными приставками и учитывать общий расход воды с выделением расхода на собственные нужды (промывку фильтров, подачу воды к эжекторам хлорного хозяйства и пр.). Счетчики электроэнергии должны учитывать только ту энергию, которая
расходуется на перекачку воды данной станцией с выделением потребления энергии на собственные нужды (отопление, освещение, вентиляцию) и энергии, потребляемой субабонентами.
Технологические требования должны быть согласованы с руководством объекта, а в отдельных случаях с вышестоящей организацией. На основе согласованных технологических требований составляется техническое задание (ТЗ) на проектирование САУ.
Образец ТЗ с соответствующими пояснениями дан в приложении 2. Техническое задание согласовывается с заказчиком и является основным документом, в соответствии с которым осуществляется приемка и оценка проекта САУ.
9.8.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК
Проектирование САУ насосных установок производительностью до 20 млн м3/год при достаточно тщательно разработанных технологических требованиях и ТЗ допустимо вести в одну стадию.
Проектирование САУ насосных установок производительностью 20 млн м3/год и выше с учетом их большой сложности и более высокой стоимости, чтобы избежать ненужного ущерба от непродуманных решений, следует вести в две стадии.
Аналогичным образом проектирование САУ небольших вентиляторных и тому подобных установок допустимо вести в одну стадию. Проектирование САУ крупных воздуходувных установок (станций аэрации, металлургических цехов, систем воздухоснаб-жения рудничных площадок и пр.) необходимо вести в две стадии.
В процессе проектирования в первую очередь разрабатывается функциональная схема САУ, определяющая набор функций, выполняемых проектируемой САУ, а именно:
плавное регулирование подачи насосных и воздуходувных установок путем изменения частоты вращения регулируемых агрегатов в сочетании с изменением количества работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов по выбранному параметру управления;
синхронное изменение частоты вращения регулируемых насосных или воздуходувных агрегатов;
предотвращение работы регулируемых агрегатов в зоне перегрузок и низких КПД;
возможность автоматического включения-отключения нерегулируемых агрегатов при достижении регулируемыми агрегатами граничной частоты вращения, при которой требуется изменение количества работающих насосных агрегатов;
изменение при необходимости канала поступления сигнала параметра управления, например из диктующей точки или с напорного коллектора насосной станции, или температуры охлаждающей воды в системе оборотного водоснабжения;
обеспечение возможности формирования управляющих воздействий САУ к любому из работающих в данный момент времени регулируемых насосных агрегатов;
размножение сигналов управления частотой вращения и выдача их на все регулируемые агрегаты;
осуществление ручного управления частотой вращения любого из регулируемых насосов;
изменение структурной схемы управления программным путем.
Пример функциональной схемы САУ крупной насосной установки приведен на рис. 9.1.
Важным является выбор регулируемых параметров.
Для водопроводных насосных станций, подающих воду непосредственно в сеть, в качестве регулируемого параметра принимается давление в диктующей точке (диктующих точках) водопроводной сети. Если насосная станция расположена в непосредственной близости к потребителю воды, в качестве регулируемого параметра принимается давление на напорном коллекторе насосной станции. Допустимо использовать этот же параметр, когда может быть установлена четкая корреляционная связь между давлениями в диктующей точке и на напорном коллекторе. Точность поддержания заданного давления ±1,0 м вод. ст.
Для канализационных насосных станций в качестве параметра регулирования принимается максимально высокий допустимый уровень сточных вод в приемном резервуаре насосной станции. Точность поддержания заданного уровня ± (5—10) см.
В качестве дополнительного параметра регулирования водопроводных и канализационных насосных станций используется ток нагрузки приводных электродвигателей регулируемых насосных агрегатов.
Напорный коллектор
5
Рис. 9.1. Функциональная схема САУ насосной станции II подъема, г. Великий Новгород
Для насосных установок систем водоснабжения, кроме давления в диктующей точке, в качестве дополнительного параметра используется также уровень воды в РЧВ, в напорных резервуарах и контррезервуарах.
Для воздуходувных установок выбор параметра регулирования определяется характером технологического процесса. Так, для воздуходувок станций аэрации основным параметром регулирования является расход сточных вод, поступающих на очистные сооружения, и корректирующим параметром — содержание кислорода в сточных водах.
Для воздуходувок конверторных цехов количество воздуха, подаваемого в цех, зависит от количества работающих конверторов и от режима их работы (плавки, загрузки). Для этих агрегатов в качестве параметра регулирования может быть использовано давление на подводе к конверторам (0,9—1,0 ат.).
Для компрессорных станций, подающих сжатый воздух в систему воздухоснабжения промышленных предприятий (металлургических заводов, рудничных площадок), в качестве основного параметра регулирования следует использовать давление в системе воздухоснабжения.
Построение САУ насосной установки осуществляется с соблюдением следующих основных положений:
1.	Управление режимом работы насосных и воздуходувных установок осуществляется путем изменения частоты вращения агрегатов, оснащенных регулируемым приводом. Регулируемые агрегаты работают круглосуточно.
2.	При существенных изменениях воздухопотребления, водопотребления или притока сточных вод изменение частоты вращения дополняется изменением количества работающих агрегатов.
3.	В отдельных случаях для обеспечения нормальной работы насосных агрегатов, для исключения опасных режимов работы (кавитации и помпажа) процесс регулирования дополняется частичным дросселированием напорных линий насосов и частичным сбросом воды из напорных линий во всасывающие коммуникации или резервуары.
Для обеспечения экономичной работы установки САУ должна содержать в своем составе блок взаимодействия регулируемых и нерегулируемых агрегатов, исключающих работу регули
руемых агрегатов в зоне низких КПД и предотвращающих длительную работу агрегатов в режиме холостого хода.
Функциональная схема строится с учетом использования серийно изготавливаемой промышленной аппаратуры, в частности программируемых микропроцессорных регулирующих устройств. Для крупных объектов с большим количеством насосных агрегатов и сложной схемой гидравлических коммуникаций предпочтительней использование промышленных компьютеров.
На основе функциональной схемы САУ выбирается основное оборудование (частотные преобразователи и т.п.), аппаратура управления (приборы и средства автоматизации) и схемы их соединения. В соответствии с выбранной аппаратурой составляются принципиальные электрические схемы, выбирается конфигурация микропроцессорных управляющих устройств и промышленных компьютеров. Разрабатываются схемы внешних соединений, размещается оборудование и аппаратура, выполняются чертежи кабельных трасс, составляются кабельные журналы для силовых и контрольных кабелей.
Разрабатываются конструктивные чертежи и монтажные схемы шкафов управления, а также чертежи нестандартного оборудования.
При необходимости в состав проекта вводятся чертежи строительной части (фундаменты для насосных агрегатов, чертежи площадок, предназначенных для размещения оборудования САУ, и т.п.).
При компоновке и размещении оборудования особое внимание следует обращать на характер помещения, не допуская размещения частотных преобразователей и тому подобного оборудования в затопляемых зонах насосных станций, в помещениях с агрессивной средой (в грабельных и тому подобных помещениях).
Завершается проектирование составлением спецификаций, пояснительной записки и других текстовых материалов.
9.9. МОНТАЖ, НАЛАДКА, НАСТРОЙКА И ВВОД САУ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ
Монтаж и наладка САУ в установках, укомплектованных низковольтными (380 В) агрегатами мощностью до 250 кВт, особых трудностей не вызывают. Обычно имеют место осложнения
в связи с отсутствием того или иного оборудования или аппаратуры, предусмотренных проектом. При этом желательно оказание научно-технической помощи со стороны организации-разработчика САУ для квалифицированной замены отдельных элементов САУ равноценными.
Особое внимание следует уделить прокладке экранированных кабелей. Замена экранированных контрольных кабелей обычными влечет за собой появление помех, что оказывает вредное влияние на работу САУ, поэтому при отсутствии экранированных кабелей рекомендуется прокладка обычных кабелей в стальных трубах или замена экранированных кабелей на кабели, бронированные стальной лентой.
В процессе монтажа и наладки САУ насосных установок, оснащенных высоковольтными (6,10 кВ) мощными агрегатами (630— 2000 кВт), наряду с теми проблемами, которые имеют место в установках предыдущей группы, возникают вопросы, обусловленные применением более мощного и более сложного оборудования. В частности, при размещении оборудования привода по схеме АВК следует учитывать, что магнитные поля, образующиеся вокруг сглаживающего реактора (СРОС, ФРОС и т.п.) влияют на работу станции управления ТТТДУ, поэтому сглаживающие реакторы должны отстоять от станции управления на расстояние не менее 1 м.
Электрические кабели, идущие от щеточного аппарата электродвигателей с фазным ротором, должны заводиться сначала на станцию управления, а со станции управления к пусковым резисторам, а не наоборот. Этот прием позволяет существенно уменьшить сечение кабелей, идущих к пусковым резисторам, и облегчить их разводку.
Кабели, идущие от щеточного аппарата к станции управления, особенно для мощных двигателей, желательно брать с медными жилами. Это позволяет облегчить монтаж за счет уменьшения сечения кабеля и уменьшения радиусов его изгиба.
При монтаже оборудования привода на базе вентильного двигателя необходимо обратить внимание на соответствие нагрузочной способности элементов строительных конструкций весу комплектующих изделий привода (реакторов, трансформаторов и пр.).
При выборе места расположения мощных преобразователей следует иметь в виду, что в пространстве вокруг них образуют
ся достаточно мощные электромагнитные поля, которые могут влиять на обслуживающий персонал. Поэтому следует размещать их на достаточно большом расстоянии от мест размещения персонала (МДП, ЦДП и пр.) или обеспечивать специальную защиту от электромагнитных излучений. Для исключения влияний электромагнитных излучений на мониторы компьютеров рекомендуется использовать мониторы с жидкокристаллическими экранами. Кроме того, следует иметь в виду, что мощные преобразователи выделяют достаточно большое количество тепла, поэтому помещения, в которых они располагаются, должны быть оснащены системой вентиляции, обеспечивающей необходимый температурно-влажностный режим.
Размещение комплектующих изделий приводов любого типа должно соответствовать их конструкции: сухие трансформаторы и реакторы должны размещаться в сухих отапливаемых помещениях станции, а масляные — или в специальных изолированных камерах, или снаружи на огороженных специально оборудованных площадках, как это предусмотрено правилами устройства электроустановок (ПУЭ).
Следует иметь в виду, что применение регулируемого привода, особенно привода по схеме АВК, в известной мере ухудшает cos<p, что требует принятия соответствующих мер (перевозбуждения параллельно работающих синхронных двигателей, установки статических компенсаторов и т.д.).
К выполнению монтажных и наладочных работ следует привлекать монтажно-наладочные организации, имеющие опыт монтажа и наладки полупроводниковой техники, имеющие лицензии на проведение такого рода работ. При этом следует иметь в виду, что монтажно-наладочные организации могут достаточно квалифицированно осуществить монтаж и наладку оборудования и аппаратуры САУ, обеспечив их работоспособность. Однако, как правило, у них отсутствует опыт настройки режимов работы и ввода в эксплуатацию САУ в целом. К проведению этих работ целесообразно привлекать организацию-разработчика САУ, которая осуществляет снятие статических и динамических характеристик объекта в целом, определяет и выставляет соответствующие настроечные параметры САУ, вводит САУ в опытно-промышленную эксплуатацию, обучает обслужи
вающий персонал, составляет техническое описание и инструкцию по эксплуатации (ТО и ИЭ) САУ, а также определяет фактическую эффективность САУ.
Определение фактической эффективности САУ осуществляется следующим образом.
Сравниваются недельные режимы работы установки, следующие один за другим. В первую и третью недели установка работает без использования САУ, а во вторую и четвертую — с ее использованием. При этом еженедельно фиксируется количество энергии, израсходованной на подачу воды (Wb W2, W3, W4), и количество воды, поданной за те же промежутки времени (Q1, 0.2’ О3, Q4)- После этого вычисляются удельные расходы за периоды работы без САУ (w6p) и с САУ (wp):
W2+W4 j ——£--— 
р Q2+Q4’
(9.2)
(9.3)
и экономия энергии, %
W3K =-^--------100%.
^б.р
(9.4)
Такие эксперименты повторяются 4 раза в год (зимой, весной, летом и осенью) и определяется средняя годовая экономия энергии, %:
w +w +ш +w
w = (9 5)
4
и годовая экономия, кВт-ч.
г 'эк.год
ИД W г гфактггс.г
1-W1
(9.6)
где Ифакт — фактический годовой расход энергии при работе с САУ, кВт-ч; Wc*r — средняя годовая экономия энергии, отн. ед.
* IV
wcr=——
•г 100%
(9.7)
Если насосная станция в расчетный период работала с САУ не весь год, экономия энергии соответственно пересчитывается:
Т
W , = VV	-2-	(9 8)
КУэк.год.факт гэк.год
*б.р
где Тр и Тб р — соответственно время работы установки с САУ и без САУ.
Оценка экономии воды, обусловленная использованием САУ, осуществляется следующим образом.
В установившемся режиме работы насосной установки изменяется частота вращения насоса таким образом, чтобы изменение напора ЛН соответствовало примерно значению избыточного напора, снимаемого с помощью САУ.
При этом фиксируется подача Q, м3/ч; изменение напора ЛН, м, и подачи AQ, м3/ч. Этот эксперимент повторяется 5-6 раз. После этого вычисляется среднее значение отношения:
АН—= УДН^1,	(9.9)
Q	Q,n
где п число экспериментов.
Фактическая экономия воды за год вычисляется по формуле:
^Офакт
>акт^^факт
(9.10)
где <2факг — фактическая годовая подача насосной установки, м3; ДНфакт — фактическое снижение напора, м.
При оценке экономической эффективности энергосберегающих САУ воздуходувных установок используется такая же методика с учетом специфики этих установок (вместо подачи воды используется подача воздуха и т.д.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Опыт внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем в насосных установках показал, что они обеспечивают:
экономию 5—15%, а в отдельных случаях до 30% электроэнергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод;
снижение расхода чистой воды на 2—5% за счет стабилизации давления в водопроводной сети и соответственно уменьшения утечек и нерациональных расходов воды;
сокращение сброса сточных вод в канализацию на 2—4% благодаря снижению утечек и нерациональных расходов воды;
уменьшение строительных объемов зданий насосных станций на 15—20% за счет укрупнения единичной мощности насосных агрегатов и соответственно уменьшения их количества;
уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования благодаря сокращению количества пусков и остановок насосных агрегатов;
снижение вероятности возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, благодаря плавному изменению режимов работы насосных установок.
Применение регулируемого электропривода в САУ воздуходувных установок существенно зависит от их назначения.
По данным [112] плавное регулирование частоты вращения вентиляторов градирен экономит до 30 % годового потребления энергии. При использовании двухскоростных электродвигателей экономится до 23% энергии. По тем же данным плавное регулирование частоты вращения вентиляторов градирен в сочетании с плавным регулированием частоты вращения насосных агрегатов, подающих воду на градирни, достигает 55%, а плавное
регулирование насосных агрегатов в сочетании с использованием двухскоростного привода вентиляторов дает 45—50 % экономии энергии.
Применение регулируемого электропривода в тягодутьевых механизмах котельных установок (дутьевые вентиляторы, дымососы) по данным научно-производственной фирмы «Эксперт» [14] экономит до 50% электроэнергии, расходуемой на подачу воздуха. Кроме того, создание САУ на основе использования регулируемого электропривода улучшает процесс горения топлива в топках котла, что экономит общий расход топлива не менее, чем на 2 %, что с экономической точки зрения, еще более эффективно, чем сокращение расхода энергии на подачу воздуха.
Плавное регулирование частоты вращения вентиляторов систем вентиляции промышленных и общественных зданий по данным [12] в зависимости от глубины регулирования обеспечивает экономию энергии до 50%, а в некоторых случаях до 70%.
Применение регулируемого электропривода для воздуходувок конверторных цехов в соответствии с результатами наших расчетов для медеплавильного завода (г. Жезказган) экономит 30— 32% расходуемой энергии.
Применение регулируемого электропривода в энергосберегающих САУ названных выше установок целесообразно, если сроки окупаемости укладываются в разумные пределы (3-4 года).
Аналогичные расчеты, выполненные для компрессорных станций металлургических цехов и рудничных площадок, а также для воздуходувок станций аэрации очистных сооружений, показали, что экономия энергии в таких установках незначительна (1—4%).
Для этих установок применение регулируемого электропривода, как правило, экономически не оправдано. В таких установках более целесообразно дискретное регулирование подачи воздуха с использованием затворов на всасывающих линиях в сочетании с групповыми устройствами УПП.
Приведенные выше рекомендации носят общий характер. Для конкретных установок решение о создании энергосберегающих САУ и об использовании в них регулируемого электропривода следует принимать по результатам ТЭО, выполненного с использованием изложенных выше методик.
Обобщение опыта разработки, внедрения и эксплуатации таких систем, позволило сформулировать основные положения, обеспечивающие эффективное использование регулируемого электропривода в насосных и воздуходувных установках:
1.	Регулируемый электропривод сам по себе не может обеспечить эффективной работы установки. Эффективная работа насосной или воздуходувной установки обеспечивается надлежащим технологическим режимом перекачки чистых или сточных вод или подачи воздуха. Надлежащий технологический режим перекачки создается специально для этого разработанной системой управления, в которой регулируемый привод является одним из элементов, хотя и очень важным.
2.	Не существует идеального, пригодного для всех насосных и воздуходувных установок единственного вида регулируемого электропривода. Для использования в насосных и воздуходувных установках пригодны различные виды привода. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Выбор привода для конкретных установок осуществляется на основании расчетов по сопоставимым техническим и экономическим показателям.
3.	Разработке САУ с регулируемым электроприводом должно предшествовать глубокое изучение технологического режима работы объекта. На этой основе принимаются основные технические решения и разрабатывается ТЭО, подтверждающее техническую возможность и экономическую целесообразность применения регулируемого электропривода в САУ насосной или воздуходувной установки.
На этом этапе решаются основные задачи: выбирается насосная установка, на которой выгодно применение регулируемого электропривода, и определяется его тип. Решается вопрос о целесообразности использования наряду с регулируемым приводом или вместо него других способов и средств регулирования. Определяется количество агрегатов, которые следует оснастить регулируемым приводом. Выявляются изменения, которые нужно внести в гидравлическую и электрическую схемы объекта, а также в состав основного насосного, воздуходувного, гидромеханического и электрического оборудования. Выбираются параметры регулирования системы управления. Решаются вопросы,
связанные с размещением вновь устанавливаемого оборудования. Определяется возможная экономия энергии, чистой воды и снижение эксплуатационных расходов, а также капитальные вложения, связанные с применением регулируемого привода. Дается обоснование наиболее выгодному для предприятия тарифу на оплату электроэнергии. С учетом этих показателей определяются сроки окупаемости принимаемых технических решений.
4.	Названные выше задачи решаются на основе информации, получаемой при проведении натурного обследования действующих объектов и при изучении проектной и эксплуатационной документации, а также по результатам анализа режимов работы установки в увязке с режимами работы водопроводных или канализационных сетей, а воздуходувной установки с режимами работы системы воздухоснабжения. При этом выполняются необходимые гидравлические, аэрогидродинамические, энергетические и экономические расчеты. Для вновь сооружаемых объектов основным источником информации является проектная документация, а также материалы натурного обследования аналогичных объектов.
5.	Технико-экономическое обоснование служит основой для выявления объектов первоочередного внедрения, для подготовки предложений по корректировке проектной документации вновь сооружаемых объектов, для подготовки технологических требований к САУ и ТЗ на разработку и проектирование САУ.
6.	При разработке САУ необходимо соблюдать системный подход к ее созданию. Такой подход характеризуется согласованным, взаимно увязанным решением проблем технологического, энергетического, экономического и эксплуатационного характера, а также задач автоматизации.
7.	Реализация технических решений осуществляется комплексно, затрагивая все составные части насосной установки: технологическую схему и схему энергоснабжения, состав насосного, воздуходувного, гидромеханического и электроэнергетического оборудования.
При необходимости вносятся изменения в компоновочные решения, поскольку применение регулируемого привода позволя
ет укрупнить единичную мощность насосных и воздуходувных агрегатов и уменьшить их количество. Благодаря этому упрощается технологическая схема установки, сокращается количество задвижек, затворов и клапанов. В результате этого уменьшаются строительные габаритные размеры зданий вновь сооружаемых станций, а при модернизации действующих объектов появляется возможность на тех же производственных площадях разместить более мощные насосные агрегаты. Вследствие этого появляется необходимость корректировать строительную часть объекта.
8.	При разработке и проектировании собственно САУ особое внимание должно быть уделено выбору параметров регулирования и взаимодействию регулируемых и нерегулируемых агрегатов, входящих в состав одной установки, а также взаимодействию нескольких установок, подающих воду или воздух в общую сеть. Пренебрежение этим положением может существенно уменьшить эффективность САУ, так как создание благоприятных условий работы для одного агрегата или одной установки может создать невыгодные условия для других агрегатов и установок.
Специалистами ООО «Ягорба 2» и лаборатории автоматизации института ВОДГЕО разработаны алгоритмы и технические решения, которые обеспечивают оптимальное распределение нагрузок между совместно работающими насосами и насосными установками [19]. Благодаря этому обеспечивается минимально возможное суммарное энергопотребление этих насосов и насосных установок.
9.	Важным условием эффективного использования регулируемого электропривода в насосных и воздуходувных установках является участие предприятия-разработчика во всех этапах построения САУ, начиная с ТЭО и кончая вводом системы в эксплуатацию, и участие в ее опытно-промышленной эксплуатации.
Опыт использования этих положений в разработках лаборатории автоматизации института ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2» дал положительный эффект на многих промышленных и коммунальных объектах (см. приложение 4).
ОПРОСНЫЙ ЛИСТ ДЛЯ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
1.	Наименование станции.
2.	Схема основных коммуникаций с указанием № и марок нг сосов (приложить схему).
3.	Общее число насосных агрегатов, рабочих, резервных.
4.	Паспортные данные насосного агрегата:
4-1. Тип насоса.
4.2.	Подача, м3/ч.
4.3.	Давление, м вод. ст.
4.4.	Частота вращения насоса, об/мин.
4.5.	Коэффициент полезного действия насоса, %.
4.6.	Диаметр рабочего колеса (фактический), мм.
4.7.	Тип электродвигателя.
4.8.	Мощность электродвигателя, кВт.
4.9.	Напряжение двигателя, кВ.
4.10.	Ток статора двигателя, А.
4.11.	Кратность пускового тока.
4.12.	Частота вращения двигателя, об/мин.
4.13.	Коэффициент полезного действия двигателя, %.
4-14. Коэффициент мощности (coscp).
4.15.	Маховой момент, т-м2.
4.16.	Пусковой момент двигателя.
4.17.	Входной момент.
4.18.	Максимальный момент.
5.	Режим работы насосной установки:
5.1.	Число часов работы в году с одним агрегатом,
с двумя агрегатами,
с тремя агрегатами, с четырьмя агрегатами и т.д.
(при этом указать номера и марки совместно работающих насосов).
5.2.	Максимальная в году подача, м3/с.
Соответствующее этой подаче давление, м вод. ст.
5.3.	Минимальная в году подача, м3/с.
Соответствующее этой подаче давление, м вод. ст.
5.4.	Отметка уровня в приемном резервуаре станции (max, min).
5.5.	Отметка оси насосов.
5.6.	Отметка пьезометра в диктующей точке (требуемая).
5.7.	Статическое противодавление, м вод. ст.
5.8.	Количество воды, подаваемой за год, м3.
5.9.	Расход электроэнергии за год, кВт-ч.
5.10.	Тариф за электроэнергию, стоимость 1 м3 воды, руб.
5.11.	Удельный расход электроэнергии на подачу 1000 м3 воды, кВт-ч.
5.12.	Заявленная электрическая мощность, кВт.
5.13.	Способ регулирования режима работы станции.
5.14.	Суточные графики водоподачи для наиболее характерных периодов.
6.	Для канализационной насосной станции дополнительно указать:
6.1.	Уровни, при которых происходит включение-отключение насосных агрегатов.
6.2.	Среднее число включений-отключений подключаемых агрегатов.
6.3.	Число работающих в постоянном режиме агрегатов
6.4.	Средняя продолжительность работы подключаемых агрегатов, сут.
7.	График совместной работы насосов и напорных трубопроводов с указанием длины и диаметра напорного водовода и геометрической высоты подачи.
ОПРОСНЫЙ ЛИСТ ДЛЯ ВОЗДУХОДУВНЫХ, ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ И КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
1.	Наименование и назначение установки.
2.	Схема основных коммуникаций установки с указанием № и марок агрегатов (приложить схему, указав общее число агрегатов, в том числе рабочих, резервных), фильтрующих, охлаждающих, запорных и регулирующих устройств (затворов, заслонок и пр.).
3.	Схема трубопроводной сети с указанием длин основных участков, диаметров труб, задвижек, затворов и других элементов (колена, компенсаторы).
4.	Паспортные данные каждого агрегата:
4.1.	Тип воздуходувки, вентилятора, компрессора.
4.2.	Подача, м3/мин.
4.3.	Давление, кгс/ м2.
4.4.	Частота вращения рабочего колеса, об/мин.
4.5.	Коэффициент полезного действия воздуходувной машины, %.
4.6.	Диаметр рабочего колеса (фактический), мм.
4.7.	Тип электродвигателя.
4.8.	Мощность электродвигателя, кВт.
4.9.	Напряжение двигателя, кВ.
4.10.	Ток статора двигателя, А.
4.11.	Кратность пускового тока.
4.12.	Частота вращения двигателя, об/мин.
4.13.	Коэффициент полезного действия двигателя, %.
4.14.	Коэффициент мощности (costp).
4.15.	Маховой момент двигателя, т-м2.
4.16.	Пусковой момент двигателя.
4.17.	Выходной момент.
4.18.	Максимальный момент.
4.19.	Тип соединения электродвигателя с воздуходувной машиной (через эластичную муфту, через редуктор и пр.) При наличии редуктора указать его тип.
4.20.	Характеристика вспомогательных устройств (масля-
ных насосов, краткое описание системы масляной смазки, охлаждающих устройств).
4.21.	Графическое изображение газодинамической характеристики воздуходувной машины (компрессора, воздуходувки, вентилятора).
5.	Режим работы установки:
5.1.	Число часов работы в году с одним агрегатом,
с двумя агрегатами,
с тремя агрегатами и т.д. (при этом указать номера и марки совместно работающих агрегатов).
5.2.	Максимальная в году подача установки, м3/мин. Соответствующее этой подаче давление, кгс/ м2.
5.3.	Минимальная в году подача, м3/мин, соответствующее этой подаче давление, кгс/ м2.
5.4.	Давление воздуха на всасывающем патрубке кгс/ м2.
5.5.	Максимальная и минимальная подача воздуха за рабочий цикл, с указанием продолжительности и повторяемости циклов во времени.
5.6.	Способ регулирования режима работы установки станции (дросселирование на всасывающей линии, дросселирование на напорной линии, выпуск воздуха в атмосферу и пр.).
Отразить технологический смысл регулирования. Указать параметры регулирования (давление в контрольной точке сети, поддержание стабильной подачи и т.д.). Дать краткое описание регулирующего устройства.
5.7.	Суточные графики воздухоподачи для наиболее характерных периодов (рабочая смена, ремонтный период, выходные дни).
Если возможно, приложить график совместной работы воздуходувных машин и трубопроводов.
6.	Дополнительные сведения (указать в зависимости от специфики работы установки).
6.1.	Прочие параметры, влияющие на режим работы установки (температура воздуха и пр.).
6.2.	Среднее число включений-отключений агрегатов за единицу времени, смену и пр.
6.3.	Число работающих в постоянном режиме агрегатов
6.4.	Средняя продолжительность работы подключаемых регатов в сутки, в смену и пр.
6.5.	Прочие сведения, не учтённые в опросном листе.
7.	Экономические показатели:
7.1.	Количество воздуха подаваемого за год, м3.
7.2.	Расход электроэнергии за год, кВт-ч.
7.3.	Удельный расход электроэнергии на 1 м3 сжатого в> духа, кВт-ч/м3.
7.4.	Заявленная электрическая мощность, кВт.
7.5.	Тариф за электроэнергию.
7.6.	Стоимость сжатого воздуха.
ОБРАЗЕЦ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
1.	Назначение САУ
Система автоматического управления предназначена для улучшения технологического режима работы насосной установки, снижения расхода энергии на подачу воды, снижения расхода воды за счет уменьшения утечек и непроизводительных расходов воды.
Достижение поставленной цели осуществляется плавным изменением частоты вращения регулируемых насосных агрегатов в сочетании с изменением количества работающих нерегулируемых агрегатов.
При построении САУ следует использовать новейшую информационную, вычислительную и регулирующую технику, а также пакет специализированных прикладных программ расчетов оптимального алгоритма управления, учитывающего характеристики насосного оборудования, трубопроводной сети, фактический режим работы насосной установки, число работающих регулируемых агрегатов и другие параметры. Информационная и вычислительная техника обеспечивают сбор и первичную обработку информации, необходимые расчеты и выполняет функции «советчика» оператора, а регулирующее микропроцессорное устройство принимает на себя непосредственное управление частотой вращения регулируемых насосов, а также включением-отключением нерегулируемых насосов по соответствующему алгоритму управления.
На действующих насосных станциях САУ строится с максимально возможным сохранением существующей технологической схемы и состава оборудования. Для проектируемых САУ насосных станций реализуется системный подход к выбору технологической схемы, основного технологического оборудования, а также алгоритма работы САУ и средств автоматики.
2.	Условия работы системы
2.1.	Система работает в помещении при температуре окружающей среды (воздуха) + (5—40)°С с относительной влажностью
до 80% (при температуре +20 °C) и запыленностью до 0,2 мг/м3. Отдельные аппараты (маслозаполненные реакторы и т.п.) работают на открытых площадках или в неотапливаемых закрытых камерах.
Примечание. Приведенные в и. 2.1. значения параметров уточняются при привязке задания к конкретному объекту.
2.2.	Окружающая среда не содержит взрывоопасных и агрессивных паров и газов в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию.
Примечание. В случае, если такие пары и газы содержатся в окружающей среде, указать их концентрацию.
2.3.	Температура перекачиваемой жидкости +(5—30)°С (или указать другие значения для проектируемого объекта).
3.	Качественные показатели технологического процесса
3.1.	Изменение водопотребления или притока сточных вод в резервуар носит случайный, заранее неизвестный характер.
Примечание. Если характер водопотребления или притока иной, указать, какой именно.
3.2.	Водопроводная насосная установка должна подавать в каждый момент времени в сеть столько воды, сколько забирает из сети потребитель.
Канализационная насосная установка должна подавать в каждый момент времени в напорный коллектор такое количество воды, которое поступает в приемный резервуар насосной станции.
Примечание. Оставить в задании для конкретной установки нужный абзац.
3.3.	В качестве параметра регулирования принимается:
для водопроводных насосных станций — давление в диктующей точке сети или в напорном коллекторе;
для канализационной насосной станции — наиболее высокий уровень сточной жидкости в приемном резервуаре.
Примечание. Для конкретной установки оставить нужный абзац. Должна быть предусмотрена возможность изменения в ходе эксплуатации уставки заданного уровня.
3.4.	Регулирование режима работы осуществить одним из указанных ниже способом:
изменением количества работающих агрегатов;
дросселированием напорных линий установки (задвижками или затворами на напорных патрубках насосов или на водоводах);
изменением количества работающих агрегатов в сочетании с дросселированием напорных линий установки;
изменением частоты вращения насосных агрегатов;
изменением частоты вращения насосов в сочетании с изменением количества работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов;
изменением частоты вращения насосов в сочетании с изменением количества работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов и дросселированием напорных линий.
Примечание. Оставить в ТЗ принятый способ регулирования.
3.5.	Регулирующим устройством (регулируемым электроприводом, регулирующим затвором и т.п.) оснастить следующие насосные агрегаты и элементы гидравлической схемы насосной установки (напорную линию насоса, водовод, байпас задвижки и т.п.).
Примечание. Указать номера агрегатов, водоводов и задвижек.
З.б.	Номинальные параметры регулируемых агрегатов, водоводов, задвижек приводятся ниже.
Примечание.
1.	Указать тип насоса, его подачу и напор, КПД, частоту вращения, диаметр рабочего колеса;
2.	Указать тип электродвигателя, мощность, напряжение, частоту вращения, КПД и cos<p;
3.	Указать диаметры патрубков насосов, водоводов, байпасов задвижек, тип задвижек или затворов.
4.	Технико-экономические требования
4.1.	В качестве регулируемого электропривода насоса должен быть применен электродвигатель (указать тип, мощность, частоту вращения, напряжение, ток ротора и статора, напряжение ротора).
Примечание. Оставить в п 4.1 при регулировании частоты вращения насоса.
4.2.	В качестве регулирующего устройства использовать регулируемый затвор (задвижку).
Примечание: Указать тип устройства и его технические характеристики.
4.3.	Для комплектации регулируемого электропривода использовать ниже перечисленное основное оборудование.
Примечание. Дать в приложении перечень преобразователей, трансформаторов, реакторов, станций управления и других основных аппаратов, указав их
тип и технические данные (мощность, напряжение, ток, заводы-изготовители и пр.). Перечень оборудования прилагается к ТЗ.
4.4.	Прочее оборудование выбирается проектирующей организацией с учетом прилагаемого перечня (перечень оборудования прилагается к техническому заданию).
4.5.	Привод должен обеспечить регулирование частоты вращения рабочих колес насоса в диапазоне не менее 1:2.
Примечание. Указывается при применении регулируемого привода. Диапазон регулирования частоты вращения уточняется путем расчета технологического режима работы насосной установки.
4.6.	Информационная часть САУ должна обеспечить:
1)	непрерывный контроль аналоговых технологических параметров, необходимых для функционирования САУ: давления на напорном коллекторе; уровня воды в приемном резервуаре; тока нагрузки регулируемого насосного агрегата; частоты вращения насосных агрегатов, оборудованных регулируемым электроприводом;
2)	непрерывный контроль дискретных сигналов, необходимых для функционирования САУ: положение задвижек и высоковольтных выключателей, сигналы готовности к работе, неисправности и аварии насосных агрегатов.
4.7.	Вычислительная техника и аппаратура автоматического контроля и регулирования выбирается проектной организацией, поставляется по элементам и монтируется на пульте автоматики.
4.8.	Система автоматического управления насосной установкой должна обеспечивать:
1)	оперативное отображение на дисплее ПЭВМ значений технологических параметров по п. 4.6 (по вызову);
2)	автоматизированный пуск и остановку насосных агрегатов из диспетчерского пункта;
3)	аварийный «Стоп» агрегата из машинного зала;
4)	автоматическое регулирование подачи насосной установки в зависимости от уровня в резервуаре или давления в диктующей точке или в напорном коллекторе.
Примечание. Параметр регулирования уточняется при разработке ТЗ для конкретного объекта.
5)	отключение регулируемого агрегата при возникновении аварий.
4.9.	Автоматическое регулирование должно осуществляться таким образом, чтобы:
для водопроводных насосных станций — давление в контрольной точке стабилизировалось с отклонением от заданного около 1м вод. ст.;
для канализационных насосных станций — уровень в приемном резервуаре стабилизировался на заданной отметке с точностью ± (0,05—0,10) м и допустимыми кратковременными отклонениями в переходных режимах до 0,30 м.
Примечание. Оставить в ТЗ для конкретной установки нужный абзац.
4.10.	Изменение режима работы насосной установки осуществляется в первую очередь путем изменения частоты вращения регулируемых агрегатов.
4.11.	При существенном изменении водоподачи, когда изменение частоты вращения регулируемых агрегатов не может оказывать влияния на рабочие параметры насосной установки, регулирование дополняется изменением числа работающих насосных агрегатов.
4.12.	Увеличение числа работающих агрегатов должно иметь место в том случае, когда:
для водопроводных насосных станций — давление в контрольной точке падает, а частота вращения регулируемого агрегата достигает максимального значения;
для канализационных насосных станций — уровень сточных вод в резервуаре продолжает расти, а частота вращения регулируемых агрегатов достигла максимального значения.
Примечание. Оставить в ТЗ для конкретной установки нужный абзац.
4.13.	Уменьшение числа работающих агрегатов должно иметь место в том случае, когда:
для водопроводных насосных станций — давление в контрольной точке продолжает расти, а подача регулируемого агрегата приблизилась к нулю;
для канализационных насосных станций — уровень сточных вод в резервуаре продолжает падать, а частота вращения регулируемых агрегатов снизилась до определенного значения.
Примечание. Оставить в ТЗ для конкретной установки нужный абзац.
4.14.	Выбор насосного агрегата (регулируемого или нерегулируемого), подключаемого и отключаемого в переходных ре
жимах по п. 4.12—4.13, и выбор момента отключения работающего агрегата производится в соответствии с алгоритмом оптимальной работы насосной установки.
4.15.	Алгоритм оптимального управления насосной установкой рассчитывается на стадии проектирования структурной схемы САУ с учетом особенностей характеристик насосного оборудования и трубопроводной сети, соотношения числа регулируемых и нерегулируемых насосов, а также фактического режима работы действующей насосной установки.
4.16.	Критерий оптимального управления насосной установкой задается или выбирается оперативным персоналом станции в ходе эксплуатации из перечня:
получение максимально возможной экономии электроэнергии при существующем соотношении числа регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов;
получение максимально возможной экономии электроэнергии при использовании части имеющихся на насосной станции регулируемых агрегатов (при выходе из строя или ремонте одного из них);
получение заданной экономии электроэнергии в практически возможном (расчетном) диапазоне при минимальном временном коэффициенте использования регулируемых агрегатов и др.
4.17.	Библиотека алгоритмов, объем памяти и устройства ввода-вывода информации регулирующего блока САУ должны обеспечить оптимальное управление насосной станцией по одному или нескольким критериям по выбору оператора.
4.18.	При резких изменениях давления и подачи, вызванных разрывом напорных трубопроводов, регулируемые агрегаты должны быть отключены.
5.	Размещение оборудования
Указывается в зависимости от конкретных условий (в машинном зале, на балконе, в помещении распредустройства, на территории станции, в местном диспетчерском пульте и т.д.).
Примечание. Решается при разработке ТЗ дая конкретной установки.
Настоящее задание служит основой для подготовки ТЗ на проектирование САУ для конкретного объекта и может видоизменяться в соответствии с реальными условиями.
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В САУ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК*
Наименование объекта	Количество и технические данные агрегатов	Годы эксплуатации	Эффективность
Водопроводная насосная станция подкачки №1, Москва	Один регулируемый насосный агрегат. Мощность 160 кВт. Напряжение 380 В. Привод на основе электромагнитной муфты скольжения типа ИМС-160, изготовленной Московским заводом «Водоприбор» по чертежам ГПИ «Тяжпромэлектропроект»	1962— 1965 гг.	Стабилизация давления в районе водоснабжения. Экономия энергии 255 тыс. кВт-ч в год
Ивановская канализационная насосная станция, Москва	Два регулируемых агрегата. Мощность каждого 160 кВт. Напряжение 380 В. Привод на основе электромагнитных муфт скольжения типа ИМС-160, изготовленных заводом «Киргиз-кабельмаш» (Киргизия)	С 1985г.	Стабилизация уровня в приемном резервуаре. Экономия	энергии 170 тыс. кВт-ч в год, сокращение количества пусков с 30—40 до 3—4 в сутки. Уменьшение износа оборудования
Кунцевская канализационная насосная станция, Москва	Один регулируемый агрегат. Мощность 800 кВт. Напряжение 6 кВ. Привод по схеме АВК с преобразователями ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	1985— 2002 гг	Стабилизация уровня в резервуаре. Уменьшение износа затворов и задвижек. Экономия энергии 600—700 тыс. кВт-ч в год
14 канализационных насосных станций перекачки, Москва	14 регулируемых агрегатов. Мощность 55—160 кВт. Напряжение 380 В. Частотный тиристорный привод с преобразователями фирмы «Stromberg» (Финляндия)	С 1986 г.	Стабилизация уровня в резервуарах. Сокращение количества пусков с 30—40 до 3-4 в сутки. Экономия	энергии 900—1000 тыс. кВт-ч в год
* По разработкам института ВОДГЕО и ООО «Ягорба 2»
Наименование объекта	Количество и технические данные агрегатов	Годы эксплуатации	Эффективность
Филевская канализационная насосная станция, Москва	Один регулируемый агрегат. Мощность 1600 кВт. Напряжение 10 кВ. Привод на базе вентильного двигателя с преобразователем ПО «ХЭМЗ», г. Харьков	1986— 1994 гг.	Стабилизация уровня в резервуарах. Уменьшение износа затворов, задвижек. Экономия энергии 1100— 1200 тыс. кВт-ч в год
Фекальная насосная станция, г. Белая Калитва	Один регулируемый агрегат ФГ-800-33. Мощность 250 кВт. Напряжение 380 В. Привод по схеме АВК с преобразователями ТДП2 ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	С 1990 г.	Стабилизация уровня в приемном резервуаре сокращение количества пусков. Экономия энергии 180— 200 тыс. кВт-ч в год
Насосная станция технического водоснабжения Белокалит-винского металлургического завода	Один регулируемый агрегат. Мощность 630 кВт. Напряжение 6 кВ. Привод по схеме АВК с преобразователями ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	С 1993 г.	Стабилизация давления в сети. Уменьшение утечек. Экономия электроэнергии 500 тыс. кВт-ч в год
Система оборотного водоснабжения Белокалит-винского металлургического завода	Три регулируемых насосных агрегата. Мощность каждого 250 кВт. Напряжение 380 В. Привод по схеме АВК с преобразователями ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	С 1994 г.	Оптимизация технологического процесса основного производства (охлаждение алюминиевых отливок)
Насосная установка II подъема ГКНС г. Зеленограда	Один насосный агрегат. Мощность 800 кВт. Напряжение 6 кВ. Привод по схеме АВК с преобразователями ТДП2-М ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	1995— 2000 гг.	Оптимизация технологического процесса. Стабилизация уровня в резервуарах. Экономия электроэнергии 800— 900 тыс. кВт-ч в год
Наименование объекта	Количество и технические данные агрегатов	Годы эксплуатации	Эффективность
Насосная станция II подъема Восточной водопроводной станции, Москва	Объединенная САУ насосной установкой из 6 регулируемых и 11 нерегулируемых агрегатов. Мощность каждого 1000— 1600 кВт. Напряжение 6,10 кВ. Регулируемые приводы: по схеме АВК, групповой и индивидуальный частотные, ПО «Электровыпрямитель», г. Саранск	с 1994 г.	Поддержание заданного давления в сети или на напорном коллекторе. Удержание рабочих точек насосов в зоне оптимальных КПД, исключение помпажа и кавитации. Экономия энергии 10— 12 млн кВт-ч в год
Насосные станции II подъема №1 и №2, г. Северск	Две локальные САУ по одному регулируемому агрегату на каждой насосной станции. Мощность каждого 250 кВт. Напряжение 380 В. Частотные приводы с преобразователями «Эратон-4М», АО «Эрасиб», г. Новосибирск	№2 с 1996 г. №1 с 2001 г.	Стабилизация давления. Экономия энергии 800—900 тыс. кВт-ч в год на каждой станции. Замена насосов 8НДв на 1Д1250-63 с большей подачей и меньшим напором
Насосная станция II подъема Северного ковшового водозабора, г. Уфа	Два регулируемых агрегата. Мощность каждого 1600 кВт, регулируемый электропривод по схеме АВК	С 1994 г.	Поддержание заданного давления на коллекторе насосной станции. Экономия 1300 тыс. кВт-ч в год
Насосная станция хозяйственно-питьевого водоснабжения Газоперерабатывающего завода «Орен-бурггазпром»	Энергосбрегающая САУ насосной станции. Два поочерёдно подключаемых к одному частотному преобразователю насосных агрегата. Мощность 75 кВт	С 2001 г.	Экономия электроэнергии 220 тыс. кВт-ч за полгода (январь-июнь 2002 г.)
Насосная станция II подъема, г. Радужный	Две группы насосов по три агрегата с двумя частотными преобразователями по 75кВт и станцией переключения	С 2003 г.	Стабилизация давления. Автоматическое изменение количества работающих агрегатов через преобразователи и непосредственно от сети
Наименование объекта	Количество и технические данные агрегатов	Годы эксплуатации	Эффективность
Две насосные станции II подъема, подающие воду в общую сеть, г. Северск	Объединённая САУ двух станций, подающих воду в общую сеть. Агрегаты станций оборудованы частотными регулируемыми приводами. Мощность каждого 250 кВт, изготовители «Эрасиб» и «Триол»	с 2005 г.	Оптимальное распределение нагрузки между двумя станциями. Минимизация суммарных энергетических затрат обеих станций. Экономия воды 4 %
Насосная станция II подъема, г. Великий Новгород	Энергосберегающая САУ с двумя высоковольтными преобразователями ПЧ-ТТП-200-6к (изготовитель ПО «Электровыпрямитель»), подключаемыми к четырем электродвигателям. Мощность каждого 630 кВт	С 2005 г.	Стабилизация давления в водопроводной сети. Ожидаемая экономия энергии 2000 тыс. кВт-ч. в год
Примечание.
1. В перечне приведены только наиболее характерные объекты различного назначения, оснащенные разными видами регулируемого электропривода.
2. Управление режимами работы объектов осуществлено комбинированно за счет изменения частоты вращения регулируемых агрегатов, изменения общего количества работающих агрегатов (регулируемых и нерегулируемых). В отдельных случаях дополнительно регулируется степень открытия напорных затворов.
ВЫВОД УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ В НАСОСНОМ АГРЕГАТЕ, ОСНАЩЕННОМ РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ
Настоящее приложение является частично переработанным вариантом статьи автора, опубликованной в [54], и методики, изложенной в [57].
Основные положения и допущения
Наличие регулируемого привода в САУ режимом работы центробежного насоса уменьшает расход электроэнергии за счет снятия излишнего давления и одновременно требует дополнительного расхода электроэнергии на компенсацию потерь в самом приводе
W = W - W
*г рез эк * пот ’
(П5.1)
где Wpe3 — результирующая экономия электроэнергии; W3K — уменьшение расхода электроэнергии за счет снятия излишнего давления; Wn0T — потери в регулируемом приводе.
При выводе уравнений, определяющих W3K и Wn0T, приняты следующие допущения:
1.	Напорная характеристика центробежного насоса описывается уравнением
Нн=Нф
п
^ном
А2
-5ф02
где Q — подача; Нф — фиктивная высота водоподъема насоса при нулевой подаче; 8ф — фиктивное гидравлическое сопротивление насоса; пном, п — номинальная и переменная частоты вращения насоса.
Методика определения фиктивных параметров насосов и их значения для основных типов отечественных насосов приводятся в [9,30].
2.	Характеристика трубопровода описывается общеизвестным уравнением
Нс = Нп + SQ2,
здесь Нп — статическая высота водоподъема; S — гидравлическое сопротивление трубопровода.
3.	Упорядоченная диаграмма подачи воды аппроксимируется уравнением прямой линией [57]. Это допущение принято на основании рассмотрения и анализа графиков подачи воды нескольких десятков систем водоснабжения и водоотведения. Аппроксимация диаграмм прямыми линиями означает, что в системе имеет место равновероятное распределение по времени всех возможных значений подачи воды. Такое предположение считается правомерным для экономического анализа режимов работы регулируемых электроприводов насосов [171].
В ряде случаев прямой линией приходится аппроксимировать отдельные участки упорядоченных диаграмм.
Метод упорядоченных диаграмм заимствован из [150], где он используется для расчета электрических нагрузок промышленных предприятий.
Применительно к системам водоснабжения и водоотведения под упорядоченной диаграммой понимается: кривая, соединяющая расположенные в порядке возрастания (или убывания) ординаты суточных графиков подачи воды за длительный период времени (например, за год).
4.	Коэффициент полезного действия насоса не изменяется при регулировании его частоты вращения. Это допущение принято на основании экспериментов [53] и анализа рабочих характеристик центробежных насосов, приведенных в каталогах [25, 40].
Результаты анализа и эксперименты показывают, что восходящая ветвь характеристики ц = /(Q) при уменьшении частоты вращения смещается влево. Благодаря этому КПД насоса в процессе регулирования изменяется при обычной глубине регулирования по частоте вращения (30—35%) не больше, чем на 5— 10% номинального значения.
5.	Суммарные потери в приводах, работающих с потерями скольжения (гидромуфты, электромагнитные муфты и т.п.), при
нимаются равными потерям скольжения. Прочие потери при выводе уравнений во внимание не принимаются и учитываются путем уменьшения на 1—3% результирующей экономии энергии [48,53].
6.	Не учитывается влияние на экономию электроэнергии снижение утечки воды за счет ликвидации излишнего давления, что уменьшает расчетную экономию энергии всего на 1—2% [50].
7.	Предполагается, что частота вращения насоса регулируется таким образом, что излишнее давление отсутствует. Это допущение принято из следующих соображений. Регулируемый электропривод в системах водоснабжения и водоотведе-нияиспользуется, главным образом, для обеспечения экономичного режима работы насосов, т.е. без избыточного давления, в периоды пониженного водоразбора. Такой режим работы может быть обеспечен с помощью САУ работой насосной установки в зависимости от технологических параметров, например, давления в диктующих точках водопроводной сети или уровня стоков в приемном резервуаре канализационных насосных станций.
Если САУ водопроводной станции построена так, что давление стабилизируется на напорном коллекторе, а не в диктующей точке, т.е. оно снимается частично, то при выполнении расчетов по ниже приведенной методике относительное противодавление (Н*) следует принимать за единицу.
Выбор места установки датчика давления (коллектор или диктующая точка), т.е. выбор параметра регулирования, производят, руководствуясь следующими положениями: если экономия энергии за счет установки датчика давления в диктующей точке окупает затраты на устройство каналов связи, необходимых для передачи информации о давлении в сети, то датчик следует устанавливать в диктующей точке. В противном случае датчик следует устанавливать на напорном коллекторе, изменяя уставку давления на коллекторе в зависимости от режима водопотребления (ночного, дневного и т.п.).
8.	Предполагается, что номинальная подача насоса соответствует наибольшей подаче в данной установке.
Вывод уравнения для определения уменьшения расхода электроэнергии за счет ликвидации излишнего напора
1.	Потребляемая насосом мощность, кВт, на основании допущений 4 и 6 уменьшается на величину
AV
102т|
(П5.2)
где Q — подача, м3/с; АН — излишнее давление, м вод. ст.; т| — КПД насоса; у — плотность воды, кг/м3.
2.	Излишнее давление на основании допущений 1 и 2 при частоте вращения насоса, равной номинальной (и = пном):
ЛН = Нф -5ф<22 -Нп-SQ2 = Н$-НП -($ф +S)Q2.	(П5.3)
Обозначим: ДНф = Нф -Нп.
Сумму гидравлических сопротивлений насоса и трубопровода выразим через фиктивную высоту водоподъема насоса и его наибольшую для данной установки подачу:
Тогда
(П5.4)
3.	На основании допущения 3 выразим зависимость подачи насоса от времени. Из подобия треугольников 1, 2, 3 и 1, 2', 3' (рис. П5.1) находим отношение:
Q Qm _ 9б 9м t “ т
Рис. П5.1 Упорядоченная диаграмма подачи воды насосной установкой
Из этого отношения определяем подачу
<2 = (9б-<?м)у + 9м
Обозначив
а=—; Ь=—; к = ^~, Об Qm Об
получим:
о=об
(a-bk)^+bk
(П5.6)
4.	Подставив в формулы (П5.2) и (П5.4) значение подачи из (П5.6), а затем значение излишнего давления из (П5.4) в (П5.2), найдем:
102т|
 (a-bk)^+bk
(a-bk)^+bk .
(П5.7)
5.	Выполнив некоторые алгебраические преобразования, получим выражение:
ДН=
~~То2г^Ф
о	О
(П5.8)
6.	Правую и левую части (П5.8) умножим на dt, затем проинтегрируем их в пределах от 0 до Т.
Полученное уравнение определяет уменьшение расхода электроэнергии за время Т, если насос будет работать без излишнего давления
iVs'‘=i4A,d[='!i^rT?{(‘,+f’’‘)[2“(“2+i’2x2)]}-
(П5.9)
После некоторых преобразований получим:
W3K
—*-----11^|(а+ЬА,)Г2-(а2+Ь2А,2)]1 (П5.10)
Ю2т] нб нп/нф RV 'L
или
(П5.11)
где N6 — мощность, потребляемая насосом при наибольшей подаче Q6; Н* — относительное противодавление; Нф — относительная фиктивная высота водоподъема.
Обозначив выражение в фигурных скобках в уравнении (П5.11) через w*K, получим:
W = N6Tw
Ji\	kJ	cJtk J
(П5.12)
где w*3K — относительное значение экономии энергии, определяемое относительными параметрами: X, Н*п, Нф, а, Ъ.
Вывод уравнения для определения дополнительного расхода электроэнергии на покрытие потерь скольжения в приводе*
1.	Мощность потерь скольжения
Рек =	(П5.13)
здесь Рг — мощность на входном валу муфты; s — скольжение муфты, определяемое из равенства
s = (nj - п2)/пг,	(П5.14)
где п2 — частота вращения электродвигателя (входного вала муфты); п2 — частота вращения насоса (выходного вала муфты).
2.	На основании допущения 5 запишем:
Р} = N + Рск.	(П5.15)
3.	Подставив из (П5.15) значение Р2 в формулу (П5.13), а из (П5.14) значение s в (П5.13), получим:
Рск=(Н + Рск)^К	(П5.16)
П1
4.	Из (П5.16) выразим мощность скольжения, при этом положим, что Пу = пном, а п2 = п. Тогда
Рск=(^—1W	(П5.17)
( п J
5.	Определим частоту вращения насоса через его подачу. Из допущения 7 следует, что Нп = Нс.
Справедливо для всех видов приводов, работающих с потерями скольжения.
В этом случае имеет место равенство:
2
---S^Q2=Hn+SQ2.
^ном
(П5.18)
Учитывая, что S + 5ф = (Нф-HJ/Qq, получаем:
1-^п.Х ч НфД
Я ном
Нп
Нф
(П5.19)
6.	Мощность, потребляемую насосом, выразим через его подачу. Для этого в общеизвестное выражение мощности подставим значение Нс из уравнения характеристики трубопровода (см. допущение 2).
Так как S = (Н6 - Hn)/Qg, получим
102т]
О2 Нп+(Нб-Нп)^ .
Уб
(П5.20)
7.	Подставив в (П5.17) значение частоты вращения из (П5.19), значение мощности из (П5.20), предварительно заменив в этих уравнениях подачу на ее значение из (П5.6), найдем:
р
хск
tQ6h6 1-нп/нб Ю2т] 71-Н„/Н6
(П5.21)
8.	Умножив правую и левую части уравнения (П5.21) на dt, а затем, проинтегрировав обе половины полученного выражения в пределах от 0 до Т, получим уравнение:
WCK - JPCKdt=T ——L2W^===X Jo 102т] 3(a-bX)Vl-Hn/H6
, о Нп/Нб _ 2 Нп/Нф 2 L,2 . Нп/Нф _ |1-Нп/Н6 1-Нп/Нф	1-нп/нф
3 Нп/Нб--2 Нп/-НФ-+Ь2Х2>| lb2X2 + Нп/Нф2
к 1-Нп/Нб 1-нп/нф	1—Нп/Нф
3(a2_b2x2) /1_jkC2+b2x2+2_gn/H6_>i 4v ’у нф{	l-Hn/H6J
(П5.22)
С помощью уравнения (П5.22) можно определить количество электроэнергии, расходуемой на возмещение потерь скольжения в приводе за время Т.
По аналогии с уравнением (П5.11) вводим обозначения N6, Н^, Нф и получаем уравнение
Обозначив выражение в фигурных скобках уравнения (П5.23) через iv*к, получим выражение
W =N*Tw* ”ск 14 б1 СК'
(П5.24)
где w*K — относительное значение энергии потерь скольжения, зависящее от параметров X, Н*п, Нф, а, Ъ.
Полные потери в регулируемых приводах
Наряду с потерями скольжения в регулируемых приводах существуют другие виды потерь, которые рассматриваются ниже.
Приводы, работающие с потерями скольжения. Потери в таких приводах (с реостатом в цепи ротора, ЭМС, гидромуфтой) определяются главным образом потерями скольжения WCK. Прочие потери (на вентиляцию, трение в подшипниках, щеточных контактах и т.п.) составляют всего 1—3% суммарных потерь [48], и поэтому их можно учитывать ориентировочно:
WnoT=WCK +(0,014-0,03) WnoT;	(П5.25)
Wn0T =l,02WCK.
(П5.26)
Приводы с рекуперацией энергии скольжения. Потери в таких приводах (электрических, электромеханических, асинхронновентильных каскадах и т.п.) также зависят от скольжения:
^ПОТ.СК ^СК (1 Дк)>
(П5.27)
где т]к — КПД каскадной схемы преобразования.
Применение каскадных схем, кроме того, увеличивает постоянные потери в приводе (примерно на 5%), которые в свою очередь составляют около 3% потребляемой мощности, поэтому
WnOT =(1-Пк)^ск +0,03 1,05N6T.	(П5.28)
С учетом того, что т]к = 0,9-5-0,95, и/*к = (0,2 7-5-0,32) W*K, a w*K изменяется в пределах от 0 до 0,4, можно считать, что Wn0T = (0,02-5-0,05) W3K.
Приводы, работающие без потерь скольжения. Для агрегатов с частотным преобразователем дополнительные потери обусловлены потерями в нем и некоторым снижением КПД двигателя из-за несинусоидальности преобразованного тока
Wjtot -N6T(l-nT.n.4) + W6r
0,03
Пэд .
(П5.29)
где Т]т.п.ч — КПД тиристорного преобразователя частоты.
Так как т]чл = 0,8-5-0,92, то
WnoT = СО,02-5-0,03)Н6Т,	(П5.30)
Результирующая экономия электроэнергии
Если известны значения W3K и WnoT, можно определить результирующую экономию энергии, для этого надо значения W3K и WnoT подставить в (П5.1).
Приводы, работающие с потерями скольжения. Подставляя в (П5.1) значения W3K из (П5.10) и WCK из (П5.22), принимая во внимание допущение 5, WnoT = WCK, с учетом выражений (П5.26) и N = yQ6H6/(102t]), получаем уравнение для определения значения результирующей экономии электроэнергии:
Wpe3 = (0,97+0,99)Н6Т
i нп/нб g нп/нб 2 нп/нф । д2 121 Нп/Нф 3(а-Ы.)ф-НП/Нб Ц 1-Нп/Нб 1-Нп/Нф	1-НП/Нф
3 нп/нб _2 нп/Нф +&2 J К2+ нп/нф ' 1-Нп/Нб 1-Нп/Нф W 1-Нп/Нф
- (a2-bV) ll-^-fQ2+b2X2+2-^H6 "I
(П5.31)
Вводя ранее принятые обозначения Н*, Нф, приводим уравнение (П5.31) к виду
Н 1
нп Д -1 ;(а+ьх)(2-°2
Wpe3=0,98N6T
1-Нп 3(а-ЬХ)Д^лп/пф
п ;
\ нп 2 н*ф i-н; 1-нп/н;
Н* ЕЕ/Нл. Э ? ) I ) )	^п/^л
3-^-2—Ч-^+Ь2Х2 в272 +—Ч~Л-1-Яп 1-Яп/Яф	1-нп/нф
^a2-bV) П-Д-fa2 +b2X2 +2—•
4 НД 1-hJJI
(П5.32)
Обозначив выражение в фигурных скобках уравнения (П5.32) через м/рез, приведем его к виду:
Wpe3 =0,98N67wpe3,	(П5.33)
где wpe3 — относительное значение результирующей экономии энергии для привода, работающего с потерями скольжения. Значение м/рез зависит от параметров А, Я*, Нф, а, Ь.
При небольших глубинах регулирования (А, = 0,8-^0,9), а также в больших системах водоснабжения а и b принимают значения, близкие к единице. Если а и b равны единице, уравнение (П5.32) несколько упрощается:
1-^п/^б з ^п/^б	2 ^П/^Ф । ] L । ^П/^Ф
3(1-А)71-Нп/Нб Ц 1-Нп/Н6 1-Нп/Нф 1-нп/яф
3 ^п/^б	2 ^П/^Ф | ^2 L 2 | ^п/^ф
1-Нп/Нб 1-Нп/Нф	1-нп/нф
нп/нб 1-нп/н6
(П5.34)
Вводя обозначения Нп и Нф, приводим уравнение (П5.34) к виду
Wpe3=0,98H6T Н,
НА 1	2
-^-1 |(1 + А)2(1-А) -
4
i-н:
_ 3 Ч 2 ^и/ i-н; i-н^/н;
нп,нФ
i-w*/h;
- 3—~Ч~~2 ^n(*fe\+A,2
1-Нп 1-Нп/Нф
Нп 1-Н‘
--(i-x2l i-^й- l+X2+2
41 'У М
'^2 ! Лп/Пф i-н^'н;
(П5.35)
Уравнение (П5.35) так же, как и уравнение (П5.32), приводится к такому же виду, как уравнение (П5.33).
Графические зависимости w*e3 от А и Н* для некоторых характерных значений X и Нп при а = 1 и b = 1 приведены в основном тексте настоящего издания.
Приводы с рекуперацией энергии. Для приводов, рекуперирующих энергию скольжения (приводы по схеме АВК и другие каскады), результирующая экономия энергии вычисляется по формуле
Чез = Чк -^Чк = (14)Чк,
(П5.36)
где S, - снижающий коэффициент, равный 0,02-5-0,05.
Приводы, работающие без потерь скольжения. Для приводов, регулируемых с помощью преобразователей статорной цепи (частотные, по системе вентильного двигателя и т.п.)
Чез =Чк -ЧТ[(1,02^1,05)-цтп.ч],	(П5.37)
где 1,02-5-1,05 — коэффициент, учитывающий дополнительные потери в приводе.
Рис. П5.2 Графики изменения результирующей относительной экономии энергии и’р’Е.. от значения относительной минимальной подачи X при а=0,9; Ъ=1,1; Нп/Н6 =0,5; Нп/Нф=0,4
Для приводов с многоскоростными двигателями дополнительные потери возникают в связи с тем, что их КПД на 2-3% ниже, чем у односкоростных:
%e3=(0,97-0,98)W3K,	(П5.38)
На рис. П5.2 графически представлена зависимость результирующей относительной экономии энергии ivpc3 от А при а = 0,9; b = 1,1; Нп/Н6 = 0,5; Нп/Н$ = 0,4. Аналогичные зависимости могут быть построены для различных параметров, характеризующих технологический режим работы насосной установки.
Пользуясь зависимостью м/рез = /(А) можно определить результирующую экономию энергии за время Т.
Пример. Требуется определить годовую экономию энергии, если мощность, потребляемая насосом при наибольшей подаче, равна 1000 кВт, а = 0,9; Ъ = 1,1; Нп/Нб = 0,5; Нп/Нф = 0,4; А = 0,7. По кривой на рис. П5.2 определяем wpe3 = 0,1. Тогда
Wpe3 = 0,98-1000-8760-0,1 = 860 000 кВт-ч,
где 8760 — продолжительность технического года в часах.
Пользуясь приведенными выше уравнениями, можно вычислить отдельные значения W3K, IVCK, Wpe3 для любых значений А и построить соответствующие графические зависимости (рис. П5.3). Аналогичные зависимости для относительных значений: w"к, м/“к, wpe3 приведены в тексте книги.
Рис. П5.3. Зависимость сэкономленной энергии (кривая 7), энергии потерь скольжения IVCK (кривая 2) и результирующей экономии энергии 1Урез (кривая 3) от относительной минимальной подачи А. при а = 0,9; b = 1,1; Нп/Нб = 0,5; Нп/Нф = 0,4
Приложение б
РАСЧЕТ И ВЫБОР ПУСКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ПО СХЕМЕ АВК
Общая часть
Требуемый диапазон регулирования центробежных насосов в системах водоснабжения и канализации сравнительно мал. Это позволяет использовать каскадные схемы, обеспечивающие изменение частоты вращения насосов в сравнительно небольших пределах (0,25—0,30 номинальной частоты вращения), поэтому, прежде чем подключить к ротору двигателя преобразующее устройство, необходимо разогнать ротор двигателя до такой частоты вращения, чтобы напряжение на роторе не превышало напряжения преобразующего устройства (например, агрегата ТДП). Этот разгон осуществляется с помощью резисторов, включаемых в роторную цепь двигателя на период пуска.
После того, как ротор наберет требуемую частоту вращения и его напряжение станет меньше, чем номинальное напряжение агрегата ТДП, контакторы станции управления отключают пусковые резисторы и подключают агрегат ТДП к роторной цепи двигателя.
Выбор резисторов и расчет их параметров рекомендуется осуществлять по методике, изложенной в [13] и принятой ведущими электромашиностроительными предприятиями («Электросилой» и др.), с учетом специфики работы центробежных насосов в системах водоснабжения, что и сделано ниже.
Порядок расчета и выбор пусковых резисторов на примере одной из насосных станций
Исходные данные: тип насоса СД2400-75,5; тип приводного электродвигателя АКН-15-57-8УХЛ4; мощность двигателя Р = 800 кВт; номинальная частота вращения пном = 790 об/мин; КПД = 94,8%; сопротивление ротора гр = 0,012 Ом; ток ротора
/ном.р = 480А; напряжение ротора UH0M p = 965 В; кратность максимального момента	= 2,5.
Порядок расчета:
1.	Вычисляем номинальное скольжение:
«ном = (По - Пном)/п0 = (750 - 740)/750 = 0,0133,
где п0 — синхронная частота вращения, об/мин; пном — номинальная частота вращения, об/мин.
2.	Находим номинальный вращающий момент двигателя:
Мном = 975Р/пном = 975-800/740 = 1054 кгс-м;
Мном - 9564Р/пН0М = 9564-800/740 = 10 300 Н-м.
3.	Вычисляем критическое скольжение двигателя:
«к «ном Англахном "'"J( ^тах /^ном )	1
= 0,0133(2,5+л/2,52-1) = 0,06.
4.	Определяем момент инерции ротора двигателя:
Лл = mD2/4 = 470/4 = 117,5 кг-м2, •’А
где mD2 — маховой момент, кг-м2 (по каталожным данным).
Если в каталоге маховой момент задан в кгс • м2, момент инерции равен:
7ЭД = GD2/4g,
где G = mg; g= 9,81 м/с2.
5.	Находим момент инерции насосного агрегата, приведенный к валу двигателя. При непосредственном соединении насоса и двигателя
Лгп = Лл + 4 = 117,5 + 23,5 - 141,0 кг-м2,
где JH принимается по данным завода или ориентировочно равным: JH ~ 0,27эд = 0,2-117,5 = 23,5 кг-м2.
6.	Строим механическую характеристику электродвигателя, т.е. зависимость его вращающего момента от скольжения или
частоты вращения. Значения момента вычисляем по общеизвестной формуле Клосса:
мвр
м
2 max
М
JHOM
S SK — + — sK s
Результаты расчетов вносим в табл. П6.1:
Таблица П6.1. Зависимость вращающего момента двигателя от его скольжения
Скольжение	Вращающий момент,		
	отн. ед.	Н-м	кгс-м
1,0	0,30	3140	314
0,9	0,32	3400	340
0,8	0,37	3950	395
0,6	0,50	5240	524
0,5	0,59	6250	625
0,4	0,74	7900	790
0,2	1,38	14800	1480
0,1	2,20	23 200	2320
0,08	2,40	25400	2540
0,06	2,50	26500	2650
0,03	2,00	21200	2120
0,0133	1,06	11100	1110
По данным табл. П6.1 на рис. П6.1 построена механическая характеристика двигателя.
7.	Строим механическую характеристику насоса, которая состоит из двух ветвей: рабочей ветви и ветви холостого хода. Для построения рабочей ветви сначала строим характеристики Q—Н насоса при нескольких (5-6) значениях частоты вращения в диапазоне от пном до nmin, значение nmin определяется по формуле:
Дтп ^ном
Д/%
М, отн. ед
М, отн. ед
Рис. П6.1 Механические характеристики центробежного насоса и его привода:
1 — естественная характеристика электродвигателя; 2 — искусственная характеристика двигателя при работе на первой ступени резисторов; 3 — то же при работе на второй ступени; 4 — линия переключающих моментов; 5 — линия пиковых моментов; 6 — рабочие ветви механической характеристики насоса в различных режимах работы; 7 — ветвь холостого хода механической характеристики насоса.
Точки пересечения этих характеристик с характеристикой трубопровода определяют координаты рабочих точек насоса. Подставляем значения этих координат (Q и Н) в уравнение:
М=9564—.
ПТ|
По найденным значениям момента сопротивления Мс строим
зависимость Мс = f(ri). Эта кривая и есть рабочая ветвь механической характеристики насоса.
Ветвь холостого хода механической характеристики строим по уравнению:
Мс = Мхх(п/пном)2,
где Мх х — момент сопротивления насоса, соответствующий холостому ходу насоса при номинальной частоте вращения, вычисляется с помощью выражения:
Мх.х — 975 JVx.x/nHOM,
где Nx х — мощность, потребляемая насосом при холостом ходе (берется по каталожным данным), кВт.
Момент трогания Мтр принимается равным 10—15% номинального значения момента.
Поскольку значения рабочих параметров насоса, работающего в одной и той же установке, зависят от его режима работы (работает в одиночку или параллельно с другими насосами, работает на один или несколько водоводов), для одного насоса может быть построено несколько характеристик. В табл. П6.2 приведены значения, вычисленные для насоса СД2400-75,5 , работающего в одной из насосных установок московской канализации. По этим данным построено семейство механических характеристик этого насоса для данной установки (кривые 6 на рис. П6.1).
Для удобства выполнения дальнейших расчетов на оси абсцисс рис. П6.1 отложены значения частоты вращения п и скольжения $.
Огибающая семейства этих характеристик рассматривается как расчетная механическая характеристика насоса в данной установке.
8.	Строим искусственные механические характеристики электродвигателя, т.е. механические характеристики двигателя при введенных в цепь ротора пусковых резисторах.
Предварительно строим линию переключающих моментов. Для этого вычисляем значения переключающего момента: для s = 0 М2 = 1,1Мном = 1,1-1054 = 1160 кгс-м (11600 Н-м); для s = 1 м'2 = 1,1Мтр = 1,1-Мном = 0,22-1054 =
= 232кгс-м (2320 Н-м),
Таблица П6.2. Зависимость момента сопротивления насоса от его частоты вращения
И, об/мин	S				Режим работы
		Н-м	кгс-м	отн. ед.	
750	0	6700	670	0,64	Работает один регулируемый
700	0,0667	6670	667	0,62	агрегат на второй водовод
650	0,1330	6570	657	0,615	
600	0,2000	6540	654 •	0,613	
550	0,2670	5730	573	0,540	
750	0	8530	853	0,81	Работает один регулируемый
700	0,0667	8340	834	0,79	агрегат на первый водовод
650	0,1330	7740	774	0,734	
600	0,2000	6420	642	0,61	
750	0	10880	1088	1,032	Работает один регулируемый
700	0,0667	8370	837	0,794	и два нерегулируемых агрега-
600	0,1330	3200	320	0,303	та на первый водовод
750	0	10340	1034	0,981	Работает один регулируемый
700	0,0667	8230	823	0,875	и один нерегулируемый агре-
650	0,1330	7560	756	0,717	гат на первый водовод
600	0,2000	3810	381	0,361	
откладываем эти моменты в относительных единицах на перпендикулярах, восстановленных из точек, соответствующих s = 0 и s = 1 (оси М). Концы этих отрезков соединяем прямой, которая и будет линией переключающих моментов (ad), определяющей расчетные моменты сопротивления Мс.
Затем строим линию пиковых моментов. Согласно рекомендациям [13] пиковые моменты не должны превышать 0,85 максимального момента. Эта рекомендация относится к приводу механизмов, работающих с постоянным моментом, примерно равным номинальному моменту.
Учитывая, что максимальный момент примерно равен 2,0— 2,5 номинального момента, полагаем, что пиковые моменты должны быть примерно равными сумме номинального момента и момента сопротивления. Поэтому определяем значения пиковых моментов для скольжений, равных s — 0 и s = 1:
для s = 0 М'г = 2Мном; для s = 1 М" = 1,2Мном
Откладываем на осях М рис. П6.1 пиковые моменты в относительных единицах и соединяем их прямой линией eh, которая и будет линией пиковых моментов.
Соединяем начало координат 0 с точкой h. Эта прямая является искусственной механической характеристикой двигателя при работе на первой пусковой ступени резисторов. Пересечение этой характеристики с линией переключающих моментов (точка с) определяет значения скольжения и момента, соответствующие переключению с первой ступени резисторов на вторую. Проводим через эту точку перпендикуляр до пересечения с линией пиковых моментов (точка/). Соединяем эту точку с началом координат 0. Эта прямая является искусственной механической характеристикой двигателя при работе на второй ступени резисторов.
Определяем графически скольжение, соответствующее точке пересечения этой характеристики с линией переключающих моментов (точка Z) 5 = 0,28. Сравниваем это скольжение со значением скольжения, соответствующим напряжению агрегата ТДП: s = Нном.агр/1/ном.р = 350/965 = 0,33 > 0,28.
В данном случае достаточно разгона на двух ступенях, так как скольжению 0,28 соответствует напряжение ротора
Up = HHOM ps = 965-0,28 = 270В < 350В.
В противном случае следует построить еще одну механическую характеристику, соединив точку пересечения линии пиковых моментов с перпендикуляром, проведенным через точку I пересечения второй механической характеристики с линией переключающих моментов.
9.	Определим номинальное сопротивление роторной цепи двигателя:
R
UjJOM.p
ном.р /-
1 НОМ.р
965
™	=1,138 Ом.
3-490
Этому сопротивлению соответствует расстояние между вертикальными осями М на рис. П6.1, равное 100 мм. Определим масштаб сопротивления для графика: г = 1,138/100 = = 0,001138 Ом/мм.
10.	Вычислим значения сопротивлений ступеней пусковых резисторов:
R] = qir = 50-0,001138 = 0,569 Ом;
R2 = kqr = 31-0,001138 = 0,353 Ом.
11.	Найдем время нахождения ступеней резисторов под током по формуле:
f = Jarp Пу ~Пх , Мх 4,15Мном
где Jarp — момент инерции насосного агрегата, кг-м; Мном — номинальный момент, Н-м; пх — частота вращения начальная, об/мин; пу — частота вращения в конце разгона на данной ступени пуска, об/мин; — избыточный момент в начале разгона на данной ступени пуска, отн.ед; Му - избыточный момент в конце разгона на той же ступени пуска, отн. ед.
Избыточный динамический момент вычисляется по формулам:
М*=(м?-Мс1)/мном;
м«=(м2д-мс2)/мН0М.
Значения Mf, М2, Мс1 и Мс2 определены по рис. П6.1.
Для первой ступени пуска: Mf — расстояние от точки h до оси абсцисс; М2 — то же от точки с. Для второй ступени пуска: Mf — расстояние от точки f до оси абсцисс; М2 — то же от точки I.
Для первой ступени пуска: Мс1 — Мтр; Мс2 — ордината точки на характеристике 7 при п = 360 об/мин. Для второй ступени пуска: Мс1 — ордината точки на характеристике 7 при п = 360 об/мин; Мс2 — ордината точки на кривой 6 при п — = 540 об/мин;
Вычислим время разгона на первой и второй ступенях:
141	360-0	1,0
4,15 10300 1,0-0,54 80,54
= 0,689 с;
141	540-360, 1,5
t2 =------------------1g----
4,15-10300 1,5-0,35 0,35
= 0,325 с.
Суммарное время разгона на обеих ступенях: + t2 = = 0,689 + 0,325 = 1,01с.
12.	Определяем эквивалентный ток при разгоне на отдельных ступенях резисторов. Принимая допущение о пропорциональности токов и моментов, развиваемых двигателем, вычисление ведем по формуле:
Д>кв Люм.р
(м£ )2 + (м^)2 + 3~
Для первой ступени:
4кв1 - 490
1,22+0,622+1,2-0,62 _ А
—----------------— = 453 А.
3
Для второй ступени:
Дкв2
1,62 + 0,842 +1,6-0,84
490. —------------------—
V	3
= 607 А.
При выполнении расчетов и подборе резисторов следует иметь в виду, что при разгоне на предыдущих ступенях резисторов последующие ступени находятся под напряжением. По этой причине, если ток первой ступени окажется больше, чем второй, его следует брать в качестве расчетного при выборе обеих ступеней резисторов. В нашем случае этого не требуется. Время нахождения под напряжением второй ступени равно полному времени разгона двигателя.
С учетом этих замечаний и полагая, что допустимое количество пусков агрегата из холодного состояния не превышает трех,
определяем расчетное время нахождения резисторов под напряжением:
tpacHi = 3с2 = 3 0,689 = 2,067 с;
fpac42 = 3(ti + t2) = 31,01 = 3,03c.
13.	Зная расчетные значения времени нахождения резисторов под напряжением, сопротивления резисторов (R1 = = 0,569 Ом и R2 = 0,353 Ом) и эквивалентных токов (1экв1 = = 453 А, 1экв2 = 607 А), приступаем к расчету резисторов по нагреву и выбору их типа.
Вычисляем отношения Срасч1/Т и tpac42/T; где Т — постоянная времени нагрева блоков резисторов (берется из каталогов или информации заводов изготовителей, например «Блоки резисторов крановые. ТО и ИЭ ТИБЛ.434.330.002ТО» Информация завода «Электроаппаратура», г. Бендеры):
Грасч1/Т = 2,067/350 = 0,006;
tpac42]T = 3(ti +t2) = 3,03/250 = 0,012.
По графику 1экв.п/4кв = /(tp/T), построенному по данным завода (рис. П6.2), находим:
для первой ступени резисторов при Срасч1/Т = 0,006
/экв.п^Дкв 0,1,
для второй ступени при СрасЧ2/Т = 0,012 ^ЭКВ.п/^ЭКВ 0,12.
Определяем расчетный ток резисторов первой ступени:
Дтасч1 = 4kbi УэквпДжв) = 453’0,1 = 45,3 А.
Определяем расчетный ток резисторов второй ступени: ^расчг = Джвг ^экв.п/^экв) = 607'0,12 = 72,8 А.
По каталожным данным выбираем из каталога «Блоки резисторов крановые. ТО и ИЭ ТИБЛ.434.330.002ТО» резистор первой ступени ИРАК.434.332.004-06-У2 по условиям:
Люм.рез! 102 А > 1расчр 45,3 А,
Кном.рез1 = 0,58 Ом > Красч1 = 0,569 Ом.
Аналогично выбираем резистор второй ступени
ИРАК.434.332.004-04-У2 по условиям:
1|юм.рез2 = 128Д > /расч2 = 72,8 А;
Rном.рез2 — 0,3 7 Ом > R расч2— 0,353Ом.
14.	Формулируем условия заказа.
Обозначение резисторов по данным каталога: ИРАК.434.332. 004-06-У2, количество блоков: три блока (по одному на фазу); ИРАК.434.332.004-04-У2, количество блоков: три блока (по одному на фазу).
Приложение 7
ВЫБОР ТАРИФА НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ДЛЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
До последнего времени существовал порядок, по которому крупные потребители энергии (с присоединенной мощностью 750 кВ А и выше) должны были пользоваться двухставочным тарифом, а более мелкие потребители (до 750 кВ А) пользовались одноставочным тарифом. В результате имела место парадоксальная ситуация, когда небольшая экономия электроэнергии на малом предприятии, оплачивающем электроэнергию по одноставочному тарифу, оказывалась в денежном выражении равноценной, а в некоторых случаях более значимой, чем экономия больших количеств электроэнергии на крупном предприятии, оплачивающем электроэнергию по двуставочному тарифу.
В настоящее время, в связи с постановлением Совета Министров РФ № 109 от 28.02.2004 г. «О ценообразовании в отношении электрической и тепловой энергии в Российской Федерации» сложились благоприятные условия для выбора более выгодного варианта оплаты электроэнергии. Пунктом 58 Постановления № 109 потребителю предоставлено право самостоятельного выбора тарифа с уведомлением о своем выборе поставщика электроэнергии.
При одноставочном тарифе оплата производится за каждый киловатт-час израсходованной электроэнергии. При двуставочном тарифе оплата производится по двум ставкам: ставка за 1 кВт-ч израсходованной энергии и ставка за 1 кВт заявленной мощности, совпадающей с пиком нагрузки в энергосистеме. Предоставленная возможность самостоятельного выбора варианта оплаты электроэнергии вызвала необходимость обосновать целесообразность перехода крупных предприятий водопроводно-канализационного хозяйства с двуставочного на одноставочный вариант тарифа, что и сделано на примере одного из крупных водоканалов России по показателям 2003 г.
Большая часть наиболее энергоемких предприятий данного водоканала оплачивает электроэнергию по двуставочному тари
фу, который включает в себя ставку за 1 кВт  ч израсходованной энергии (примерно 0,4 руб/кВт  ч) и ставку за 1 кВт заявленной мощности (примерно 195,5 руб/кВт).
Часть предприятий, преимущественно небольшие насосные станции, оплачивают электроэнергию по одноставочному тарифу (0,8255 руб/кВт ч). Стоимость энергии указана без НДС.
Суммарно по всем предприятиям водоканала доля оплаты за израсходованную энергию составляет около 52%, а доля оплаты заявленной мощности около 48%.
При существующей системе оплаты электроэнергии окупаемость энергосберегающих мероприятий, разработанных для крупных предприятий, оснащенных высоковольтными электродвигателями, без учета экономии воды и уменьшения сброса сточных вод, превысила 3-4 года. Окупаемость сравнительно небольших предприятий оказалась меньше трех лет.
Таким образом, разработанные энергосберегающие мероприятия оказались выгодными для небольших предприятий и невыгодными для крупных станций.
При решении вопроса о переходе на одноставочный тариф возникли опасения, что экономия энергии не компенсирует расходов, обусловленных увеличением стоимости 1 кВт • ч с 0,4 руб до 0,8255 руб.
Результаты расчетов, приведенные в таблице показали, что эти опасения неосновательны.
Результаты расчетов показали, что переход на одноставочный тариф, не сопровождающийся внедрением энергосберегающих технологий, увеличивает расходы по оплате электроэнергии на 8,8%, (14,7 млн руб в год).
Переход на одноставочный тариф, сопровождающийся реализацией разработанных энергосберегающих мероприятий (расчетная экономия электроэнергии для данного водоканала около 38,0 млн кВт ч), снижает расходы по оплате электроэнергии 9,0—9,5% (16,8 млн руб в год).
При этих условиях сроки окупаемости энергосберегающих систем крупных станций, оснащенных регулируемыми электроприводами снижаются в 1,5—2 раза и не выходят за пределы трех-четырех лет.
346
Таблица. Расходы на электроэнергию при использовании различных тарифов
Объекты	Заявленная, мощность, кВт	Оплата заявленной мощности, руб	Расход активной энергии, кВт	Оплата активной энергии, руб	Оплата за превышение реактивной мощности и энергии, руб	Суммарная оплата, руб
С одноставочным тарифом	Вариант	оплаты по одь (исход	вставочному ный вариант с 7569775 (отопление) 27080	двухставочнс платы) 6248832 26322 (отопление)	>му тарифу	6275154
С двуставочным тарифом	426446	83388342	228698342 (отопление) 27080	228698746 29743 (отопление)	90671113	174445318
Всего	426446	83388342	236268521	96975010	357119	180720471
Вариант оплаты С одноставочным тарифом, в том числе имеющие ранее двуставочные тарифы	всех объектов	по одноставочн	ому тарифу ((. 236268521 (отопление) 52158	>ез использоваг 195039125 55065 (отопление)	шя энергосберегающй 357119	х технологий) 193451309
	Перерасход по оплате электроэнергии					14730838 (8,8%)
Вариант оплаты всех объектов по одноставочному тарифу (с использованием энергосберегающих технологий,
С одноставочным тарифом, в том числе имеющие ранее двуставочные тарифы	—	экономия	энергии 38184( 1980084521 (отопление) 52158	)00 кВт  ч) 163518320 55065 (отопление)	357119	163875439
	Экономия расходов по оплате электроэнергии					16845032 (9,3%)
Выводы
1.	Переход на одноставочный тариф оплаты электроэнергии вместо двуставочного существенно увеличивает экономическую эффективность энергосберегающих мероприятий.
2.	Одноставочный тариф целесообразен для предприятий, ведущих активную энергосберегающую политику и внедряющих энергосберегающие технологии на большинстве объектов.
3.	Для предприятий, внедряющих энергосберегающие мероприятия эпизодически,наотдельныхобъектах,предпочтительней-сохранить двуставочный тариф для крупных объектов и одноставочный для небольших объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Частотно-управляемые электроприводы на базе высоковольтных преобразователей / Б.И. Абрамов, А.С. Дрожжин, А.С. Дронов и др.// Электротехника. 2001. №1.
2.	Абрамов Б.И., Иванов Г.М., Лезнов Б.С. Энергосбережение средствами электропривода в коммунальном хозяйстве города // Электротехника. 2001. №1.
3.	Расчет водопроводных сетей / Н.Н. Абрамов, М.М. Поспелова, В.Н. Вара-паев и др. М.: Стройиздат, 1976.
4.	Агрегаты тиристорные диодные серии ТДП-2 и станции управления пуском типа ШДУ для электроприводов по схеме асинхронно-вентильного каскада. М.: Информэлектро, 1982.
5.	Александров Н.А., Краснов В.Е., Роговой В.И. Асинхронные двигатели частотно-регулируемых электроприводов // Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1983.
6.	Андреев В.Н. Энергосбережение на МП «Ярославльводоканал» // Водоснабжение и санитарная техника. 2003. №4. Ч. 2.
7.	Балтаханов А.М., Балтаханов Р.Х. Технологии очистки и восстановления напорных трубопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №4, 4.1
8.	Бару А.Ю., Эпштейн И.И., Пак В.Н. Преобразователи частоты для канализационных насосных станций // Водоснабжение и санитарная техника. 1986. №3.
9.	Белозоров Н.П., Луговской М.В. Расчет систем водоснабжения с применением вычислительной техники. М.: Колос, 1973.
10.	Брежнев В.И. Эксплуатация водопроводных сетей. М.: МКХ РСФСР, 1963.
11.	Брускин Д.Э., Зохорович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины.
Ч. 1, 2. М.: Высшая школа. 1987.
12.	Вахвахов Г.Г. Энергосбережение и надежность вентиляторных установок. М.: Стройиздат, 1989.
13.	Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977.
14.	Вайнер И.Г., Крылов Ю.А., Паньшин А.С. Регулирование тепловой мощности котлоагрегатов типа ПТВМ // Промышленная энергетика. 2001. №4.
15.	Гейнц В.Г. Затыловка лопаток рабочих колес центробежных насосов эффективна // Водоснабжение и санитарная техника. 1990. № 6.
16.	Гейнц В.Г. Как определить величину обточки рабочего колеса центробежного насоса // Водоснабжение и санитарная техника. 1990. №6.
17.	Гинзбург Я.Н., Лезнов Б.С. Современные методы регулирования режимов работы систем водоснабжения крупных городов. М.: Энергия, 1976.
18.	Гинзбург Я.Н., Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Внедрение автоматизированных систем регулируемого электропривода в насосные установки // Автоматизация и управление системами водоснабжения и водоотведения. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1986.
19.	Гинзбург Я.Н., Чебанов В.Б. Система оптимального управления насосными станциями подкачки // Автоматизация и управление процессами очистки и транспорта воды. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1988.
20.	Глезер А.Л. Определение величины электроэнергии, расходуемой насосом, подающим воду в сеть // Водоснабжение и санитарная техника. 1978. №4.
21.	Совершенствование систем подачи и распределения воды / В.С. Гордиенко, Л.И. Кантор, Ю.В. Новожилов и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 4. Ч. 2.
22.	Гордин И.В. Резервы экономии электроэнергии в системах оборотного водоснабжения // Промышленная энергетика. 1983. №4.
23.	Гордин И.В. Технологические системы водообработки. Л.: Химия, 1987.
24.	Гудков И.И., Емельянов Н.И., Палий Е.П. Система автоматического управления режимом работы КНС // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №9.
25.	Динамические насосы для сточных жидкостей: Каталог. М.: ЦИНТИхим-нефтемаш, 1986.
26.	Дмитриенко Ю.А. Регулируемый электропривод насосных агрегатов. Кишинев: Штиинца, 1985.
27.	Евдокимов Б.Ф. Исследование и разработка системы автоматического регулирования производительности насосной станции закрытой оросительной сети с применением асинхронного вентильного каскада: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: 1978.
28.	Загорский А.Е. Электродвигатели переменной частоты. М.: Энергия, 1975.
29.	Зоркин Е.М. Технические требования к насосным станциям водоподачи закрытых оросительных систем // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
30.	Ильин В.Г. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. Киев: Госстройиздат УССР, 1963.
31.	Информационные материалы: Энергосберегающее комплектное оборудование в составе блоков «Универсал» и станций группового управления на два двигателя СГУ 2 или на три двигателя СГУ 3, управляемых от микроконтроллера блока «Универсал». М.: ООО НПП ЦИКЛ+, 2004.
32.	Информационные материалы ОАО «Ижевский радиозавод», 2004.
33.	Информационные материалы фирмы «Atlas Сорсо», Газовые центробежные компрессоры серии GT и Т. Бельгия, 1999.
34.	Информационный лист ЛМ Электро-ВЭИ. ВПЧА-Высоковольтный преобразователь частоты асинхронного электропривода.
35.	Информация ЗАО «НТЦ Электропривод». Устройство типа УПВД для плавного безударного пуска высоковольтных электродвигателей переменного тока. Чебоксары, 2000.
36.	Информация. СМ 400. Новая серия преобразователей частоты для асинхронных двигателей. ООО «Сибирь-мехатроника».
37.	Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986.
38.	Каталог продукции 2005 г. ЗАО «Электротекс». Орел.
39.	Климов А.Н. Опыт эксплуатации частотно-регулируемого электропривода на насосных станциях водоснабжения и водоотведения г.Орла // Водоснабжение и санитарная техника. 2003. №7.
40.	Контаутас Р.К. Исследование и разработка методов регулирования систем городского водоснабжения: Автореф. дис.... канд. техн. наук. М.: 1982.
41.	Контаутас Р.К. Электропривод для насосных станций // Жилищное и коммунальное хозяйство. 1985. № 8.
42.	Корноплев В.А., Казарян В.Л., Яновский Ю.Г. Восстановление и защита трубопроводов от коррозионных обрастаний как средство интенсификации работы сети // Интенсификация действующих систем водоснабжения на основе внедрения новой техники и технологии. М.: МДНТП, 1986.
43.	Крупные центробежные и осевые насосы / И.И. Киселев, А.Л. Герман, Л.М. Лебедев и др. М.: Машиностроение, 1977.
44.	Кузнецов О.В., Цыборовский Л.Н. Подбор насосного оборудования // Экспресс-информация. Серия ХМ-4. № 6. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1981.
45.	Лазебников Ю.З. Насосный агрегат как составная часть системы частотного регулирования // Теоретические выводы автоматизации и телемеханизации отраслей коммунального хозяйства. М.: ОНТИ АКХ. 1975. Вып. 122.
46.	Лазебников Ю.З. Оптимизация регулирования производительности насосного агрегата водоснабжения: Автореф. дис. канд. техн. наук. Томск, 1976.
47.	Лезнов А.С., Пчелкин В.В. Регулирование систем воздушного охлаждения масла газотурбинных установок // Транспорт и хранение газа. 1972. №12.
48.	Лезнов Б.С. Регулирование насосных агрегатов с помощью электромагнитной муфты// Водоснабжение и санитарная техника. 1962. №1.
49.	Лезнов Б.С. Электромагнитные муфты в регулируемом приводе механизмов с вентиляторным моментом// Сб. технической информации ЦВП № 10 (22). М.: ЦВП МО СССР, 1964
50.	Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в приводе центробежного насоса, регулируемого электромагнитной муфтой скольжения // Сб. технической информации ЦВП № 11 (23). М.: ЦВП МО СССР, 1964
51.	Лезнов Б.С. Результаты исследования индукторных муфт скольжения в системе регулирования центробежных насосов // Сб. кратких докладов и сообщений на совещании 22—25 февраля 1965 г. М.: СоюзводоканалНИИ-проект. 1965.
52.	Лезнов Б.С. Электромагнитные муфты скольжения в приводе центробежных насосов // Материалы совещания молодых специалистов, ноябрь 1965 г. М.: ВНИИ ВОДГЕО. 1965.
53.	Лезнов Б.С. Опыт регулирования центробежного насоса электромагнитной муфтой // Водоснабжение и санитарная техника. 1965. №5.
54.	Лезнов Б.С. Вывод уравнений для приближенного определения экономии электроэнергии в регулируемом приводе центробежного насоса // Сб. технической информации ЦВП №3 (75). М.: ЦВП МО СССР, 1969.
55.	Лезнов Б.С., Попов В.С. Регулирование центробежных насосов систем водоснабжения и канализации // Материалы научно-технической конференции «Прогрессивные методы очистки природных и сточных вод. Сб. 3 «Автоматизация процессов». М.: МВССО СССР. 1971.
56.	Лезнов Б.С. Упрощенная методика определения технико-экономической эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения// Электрический привод поточных линий в сельскохозяйственном производстве. Сб. научных трудов ВИЭСХ, т. 48. М.: ВИЭСХ ВАСХНИЛ. 1979.
57.	Лезнов Б.С. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения. М.: ВИЭСХ, 1980.
58.	Лезнов Б.С. Определение эффективности применения центробежных насосов с регулируемой частотой вращения // Сб. «Эксплуатация водопроводных сетей и сооружений на них». М.: МДНТП. 1980.
59.	Лезнов Б.С., Гинзбург Я.Н. Экономия энергии в водном хозяйстве.// Водоснабжение и санитарная техника. 1983. №4.
60.	Лезнов Б.С. Экономичное регулирование режимов работы канализационных насосных станций / Ред. журн. Водоснабжение и санитарная техника. М.: 1983. Деп. в ВНИИС, №4651.
61.	Применение регулируемого электропривода в канализационных насосных установках / Б.С. Лезнов, Я.Н. Гинзбург, В.В. Иванов и др. // Совершенствование систем водоотведения: Сб. научных трудов. М.: Мосводоканал-НИИпроект, 1984.
62.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б., Курганов А.В. Регулирование режимов работы канализационной насосной установки // Водоснабжение и санитарная техника. 1985. №4.
63.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Применение регулируемых электроприводов в коммунальном водоснабжении и водоотведении // Сб. тезисов докладов «Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном водном хозяйстве». М.: Центральное НТО Коммунального хозяйства и бытового обслуживания, 1985.
64.	Лезнов Б.С., Лезнов С.И. Справочник молодого машиниста насосных станций. М.: Агропромиздат, 1985.
65.	Лезнов Б.С. Укрупнение единичной мощности насосных агрегатов // Сб. «Интенсификация действующих систем водоснабжения на основе внедрения новой техники и технологии». МДНТП, М.: 1986.
66.	Регулируемый электропривод как средство интенсификации работы канализационных насосных установок // Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, В.Д. Болотов, В.Н. Пак // Сб. «Интенсификация действующих сооружений систем отведения, очистки сточных вод и переработки осадков». М.: МДНТП, 1986.
67.	Лезнов Б.С. Энергетические и экономические аспекты автоматизации насосных установок // Автоматизация и управление системами водоснабжения и водоотведения. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1986.
68.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б., Контаутас Р.К. Регулирование насосных агрегатов с рекуперацией энергии скольжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1986. №9.
69.	Лезнов Б.С., Воробьева Н.П. Снижение материалоемкости и стоимости насосных станций // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №1.
70.	Лезнов Б.С. Пуск насосов с приводом по схеме асинхронно-вентильного каскада // Автоматизация и управление процессами очистки и транспорта воды. М.: Труды ВНИИ ВОДГЕО, 1988.
71.	Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энер-гоатомиздат, 1991.
72.	Лезнов Б.С., Воробьева Н.П., Гинзбург Я.Н. Технико-экономическое обоснование применения регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок // Автоматизация технологических процессов водоснабжения и водоотведения. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1991-
73.	Лезнов Б.С. Автоматизация насосных установок водоснабжения и канализации // Энциклопедия. Инженерное оборудование зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1994
74.	Лезнов Б.С. Регулируемый электропривод насосов // Энциклопедия. Инженерное оборудование зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1994.
75.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б., Зверева Л.Н. Условия эффективного использования регулируемого электропривода // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. №10.
76.	Лезнов Б.С. Энергосбережение в насосных установках систем водоснабжения и канализации // Научно-технический семинар «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов в промышленности и коммунальном хозяйстве». М.: Издательство МЭИ, 1995.
77.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Применение регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения // Электротехника. 1995. №7.
78.	Лезнов Б.С. Регулируемый электропривод в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения // 1-я Международная (XII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, СПб.: ТЭТУ (ЛЭТИ), 1995.
79.	Регулируемый электропривод мощных насосных агрегатов / Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, Я.Н. Гинзбург и др.// Водоснабжение и санитарная техника. 1995. №11.
80.	Лезнов Б.С., Воробьева Н.П. Энергоснабжение насосных станций // Водоснабжение и санитарная техника. 1997. №10.
81.	Лезнов Б.С. Экологические аспекты автоматизации насосных станций // Международный конгресс «Вода: экология и технология». М.: ЭКВАТЭК-96, 1997.
82.	Частотный преобразователь на IGBT-транзисторах в системе автоматизированного управления насосной установкой / Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, Н.Т. Агеева и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. №3.
83.	Лезнов Б.С. Автономное энергоснабжение насосных установок // 3-й международный конгресс «Вода: экология и технология». М.: ЭКВАТЭК-98, 1998.
84.	Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М.: ПК «Ягорба-Биоинформсервис», 1998.
85.	Лезнов Б.С. Энергосберегающие технологии перекачки чистых и сточных вод: Дис. ... докт. техн. наук. М.: 1999.
86.	Лезнов Б.С. Энергосберегающие технологии перекачки чистых и сточных вод // Трубопроводы и экология. 2000. №3.
87.	Лезнов Б.С. Электромагнитные муфты скольжения в насосных установках // Бюллетень «Энергоменеджер». 2001. Вып. 21.
88.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Применение регулируемого электропривода в насосных установках городских водопроводных сетей // Бюллетень «Энергоменеджер». 2001. Вып. 22.
89.	Лезнов Б.С. Комментарии к статье Полякова Г.П. «Расчет экономии электроэнергии в насосных установках при введении частотно-регулируемого электропривода»// Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №1.
90.	Окупаемость регулируемого электропривода в насосных установках / Б.С. Лезнов, Н.П. Воробьева, С.В. Воробьев и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. №12. Ч. 2.
91.	Лезнов Б.С., Воробьев С.В., Лезнов Н.Б. Определение экономии энергии при регулировании частоты вращения воздуходувных машин // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. №7. Ч. 2.
92.	Лезнов Б.С. Энергосберегающие автоматизированные системы в водоснабжении и водоотведении // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №2.
93.	Энергосбережение и регулируемый электропривод в МУП «Уфаводока-нал» / Б.С. Лезнов, С.В. Воробьев, А.Г. Гильманов, С.В. Пинчук // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №4. Ч. 2.
94.	Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Технологические основы энергосбережения в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
95.	Лезнов Б.С., Дмитриев А.С. Диспетчеризация и автоматизация систем водоснабжения // Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений». Т.З / Под ред. М.Г. Журбы. М.: Изд. АСВ, 2004.
96.	Свидетельство на полезную модель № 14258, МКИ 7F04D15/00. Устройство для регулирования режимов работы центробежных насосов / Б.С. Лезнов // Изобретения. Полезные модели. 2000 г. №19.
97-	Свидетельство на полезную модель. № 32215, МКИ 7F04D15/00, «Устройство для регулирования режимов работы центробежных насосов / Лезнов Б.С. , Воробьев С.В., Лезнов Н.Б. // Изобретения. Полезные модели. 2003 г. №25.
98.	Лейбзон Я.И. Монтаж и эксплуатация контактных и бесконтактных муфт скольжения. М.: Энергия, 1-978.
99.	Леонов Г.В., Рахлин В.П. Энергосбережение и управление регулируемым приводом на канализационных насосных станциях // Водоснабжение и санитарная техника. 2003. №7.
100.	Ливанова О.В. Исследование синхронного электропривода питательного насоса сверх высокого давления // Электрические станции. 1961. №5.
101.	Лобачев П.В. Современные средства измерения расхода жидкости // Интенсификация действующих систем водоснабжения на основе внедрения новой техники и технологии. М.: МДНТП, 1986.
102.	Лучкина С.Н., Сабуров В.А. КПД насоса — путь, ведущий к минимальным энергозатратам // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №4- 4.1.
103.	Маранец Е.А. Разработка и исследование замкнутого по давлению частотно-регулируемого электропривода насосных агрегатов. Дис... канд. техн. наук. Кишинев, 1983.
104.	Методические рекомендации по применению систем планого автоматического регулирования производительности насосных станций, работающих на закрытую сеть. Киев: УкрНИИ ГИМ, 1976.
105.	Мошнин Л.Ф. Методы технико-экономического расчета водопроводных сетей. М.: Стройиздат, 1950.
106.	Мошнин Л.Ф., Каримов Р.Х. Рекомендации по внедрению в практику проектирования и эксплуатации систем водоподачи прогрессивных технических решений и обоснование их методов расчета. М.: Архив НИИ ВОДГЕО, 2001.
107.	Найман З.Б., Пекне В.З., Моз Л.С. Крупные вертикальные электродвигатели переменного тока, М.: Энергия, 1972.
108.	Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979.
109.	Онищенко Г.Б. Регулируемый электропривод главных циркуляционных насосов III блока Белоярской АЭС // Электрические станции. 1982. №6.
110.	Регулируемый электропривод циркуляционных насосов атомных электростанций / Г.Б. Онищенко, В.М. Пономарев, Е.Ю. Анищев и др. // Электропривод. 1976. №4 (48).
111.	Поляков Г.П. Расчет экономии электроэнергии в насосных установках при введении частотно-регулируемого электропривода. //Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №1.
112.	Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1998.
113.	Попов В.С., Лезнов Б.С. Регулирование производительности центробежных насосов путем изменения скорости вращения // Изыскания и проектирование водоснабжения и канализации. М.: Госстрой СССР. 1963. №1(15).
114.	Попов В.С., Кузьмина Т.А. Автоматическое регулирование производительности насосных агрегатов в системах водоснабжения и очистки сточных вод нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1972.
115.	Пособие по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения (к СниП 2.04.02-84). М.: ЦИТП, 1985.
116.	Предложения, премированные на XX Всесоюзном конкурсе по экономии электрической и тепловой энергии // Промышленная энергетика. 1966. №1.
117.	Предложения, премированные на 42-м Всесоюзном конкурсе по экономии электрической и тепловой энергии // Промышленная энергетика. 1988. №1.
118.	Преобразователи частоты VLT® серия 3000/ Технические данные: Каталог фирмы “Danfoss”. Дания, 1994.
119.	Преобразователи частоты в современном электроприводе: Доклады научно-практического семирнара. М.: Издательство МЭИ, 1998.
120.	Преобразователи частоты Altivar: Каталог фирмы ’’Schneider Electric”, Франция, 2003.
121.	Преобразователи частоты для нагрузки насосного типа Е1-Р7002. Руководство по эксплуатации. Компания «Веспер».
122.	Преобразователи частоты Fuji Electric, серии “Frenic 5000GIIS” FVR-EIIS, FVR-ECIIS.
123.	Определение газодинамических характеристик нагнетателей на КС / А.М. Проскуряков, А.И. Черников, В.И. Лысюк, М.Б. Письман // Газовая промышленность. 2000. №5.
124.	Пфлейдерер К. Центробежные и пропеллерные насосы. М.: ОНТИ, 1937.
125.	Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном хозяйстве // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара. М.: НТО коммунального хозяйства и бытового обслуживания, 1985.
126.	Регулируемый электропривод в САУ Восточной водопроводной станции / Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, Н.П. Воробьева и др.//Водоснабжение и санитарная техника. 1996. №8.
127.	Регулируемый электропривод мощных насосных установок / Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, Я.Н. Гинзбург и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 1995. № 11.
128.	Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987.
129.	Руднев С.С., Гейнц В.Г., Жуковский Р.И. Регулирование лопастных насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №7.
130.	Свинцов А.П., Скотников Ю.А. Пути устранения потерь воды в жилых зданиях // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №1.
131.	Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы // М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1960.
132.	Струве Э.Э., Дик И.П., Старцев Г.С. Вентиляторы и насосы. М.: Машгиз, 1955.
133.	Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. М.: Госэнергоиздат, 1963.
134.	Компрессоры / Техническая энциклопедия. Т. 10. М.: ОНТИ, 1938.
135.	Дмитренко Ю.А., Чуру Ф.Ф. Технические указания по проектированию, монтажу, наладке и эксплуатации автоматизированных тиристорных электроприводов подкачивающих насосных станций. Кишинев: «Штинница», 1988.
136.	Товстолес Фл.П. Гидравлика и насосы // М.: ОНТИ, 1938. Ч. III.
137.	Трухин Ю.А., Луптаков В.И. Снижение энергозатрат при эксплуатации центробежных компрессорных машин // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
138.	Туркин А.Н. Гидромуфты питательных насосов тепловых электростанций. М.: Энергия, 1974.
139.	Хоружий П.Д. Расчет гидравлического взаимодействия водопроводных сооружений. Львов: Вища школа, 1984.
140.	Центробежные насосы двустороннего входа: Каталог. М.: ЦИНТИхимнеф-темаш, 1982.
141.	Цыпина Г.С., Чичеров В.В. Методика определения затрат на электроэнергию систем водоснабжения и канализации на предпроектных стадиях // Строительство и архитектура. Инженерное обеспечение объектов строительства. Серия 9. Экспресс-информация. М.: ВНИИС. 1986. Вып. 5.
142.	Чебанов В.Б. Стабилизация уровня в приемных резервуарах канализационных насосных станций // Автоматизация и управление систем водоснабжения и водоотведения. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1986.
143.	А.с. 1366704. Система управления насосами / В.Б. Чебанов, Я.Н. Гинзбург, Б.С. Лезнов // Открытия. Изобретения. 1988. №2.
144.	А.с. 1497388. Устройство управления приводом насосного агрегата / В.Б. Чебанов, А.С. Дмитриев, Б.С. Лезнов, И.И Гудков // Открытия. Изобретения. 1989. №28.
145.	Воробьев С.В., Исхаков Ю.Б., Лезнов Б.С. Энергосбережения в системах водоснабжения и водоотведения / Труды II Международной научно-практической конференции: Экология в энергетике — 2005. М.: Издательство МЭИ, 2005.
146.	Чупрасов В В. Опыт применения преобразователей частоты серии VLT 3500 HV-AC в электроприводах вентиляторов теплоснабжающей станции // Информационный бюллетень «Энергосбережение». 1996. №6.
147.	Шевелев А.Ф., Яновский Ю.Г. Методы защиты от коррозии действующих водопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №1.
148.	Шихов А.А., Андрианов В.А. Применение частотно регулируемого привода в энергосберегающих системах управления насосными установками // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
149.	Шкердин Д.Г. Преобразователи частоты в энергосберегающем приводе насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.
150.	Электрические нагрузки промышленных предприятий / С.Д, Волобрин-ский, Г.М. Каялов, П.Н. Клейн и др. Л.: Энергия, 1971.
151.	Электропривод переменного тока с индукторной муфтой скольжения: М.: Информэлектро, 1969.
152.	Энергосберегающая система управления режимом работы насосной станции / С.В. Храменков, Е.Н. Гаврилин, Ю.В. Афанасьев и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 1999. №6.
153.	Центробежные компрессоры: Энциклопедический справочник «Машиностроение». М.: Машгиз, 1949.
154.	Регулируемые канализационные системы / С.В. Яковлев, В.А. Загорский, А.Н. Пахомов, В.И. Милачев // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. №9.
155.	60 лет ленинского плана ГОЭЛРО: Сб. статей / Под ред. П.С. Непорожнего, М.: Энергия, 1980.
156.	80 лет отечественной школы электропривода: Труды научно-технического семинара. СПб.: СПб ТЭТУ (ЛЭТИ). 2002.
157.	100 лет канализации Москвы: М.: Прима-Пресс, 1998.
158.	ABB AC Drives / Drive Products and Systems. ABB Industry Oy. Finland. Helsinki. 22.10.1997.
159.	Kubic A.W., McEwan K.H. Adjustable speed Pumps for Utilities // Jornal American Water Works Association. 1961. Vol. 53. No 2. P. 146-154.
160.	Meeker H.J. First magnetic-drives for sewage pumps // Water and sewage Works. 1949. October.
161.	O’Brien. A Booster station that «floats» on a country Wide Water System.// Water Works Engineerings. 1959. №3.
162.	Power Controls, VAN // ASTAT, 2001.
163.	Reheis H.F. Energy conservation in municipal water systems. OpFlow, Denver. USA. 1984.
164.	Scharpenberg H., Strreck A. Die untersynchrone Stromrichterkaskade fur grosse Kreiselpumpen // Brown Boveri Mitteilungen. 1982. Bd. 69. No 4/5.
165.	Simovert Master Drives / Voltage Source Converters for 3-Phase Drive Systems 6SE71 Cabinet Units 37 kW to 1500 kW. Catalog DA 65.2. Germany. 1997.
166.	Universal Control Drive / Twin Disk International S.A. Belgium. Brussels. 10.1996.
167.	Vacon Frequency Converters / Vaasa Control Oy. Finland. 1996.
168.	Watts J.L. Speed control of polyphase a.c. electric motors // Water and Water Engineering. 1958. Vol. 62. No 743. January.
169.	Старинский В.П. Выбор рациональных режимов работы насосов и насосных станций систем водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1966. №4.
170.	Объединенная система управления режимом работы насосных станций, подающих воду в общую сеть / Б.С. Лезнов, Я.Н. Гинзбург, В.Б. Чебанов и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2005. №11.
171.	Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., «Энергия», 1972.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................   .	. .	. 3
ВВЕДЕНИЕ .....................................................   .	7
Глава первая. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ ................................................. .	. 18
1.1. Насосы и насосные установки ....	....... 18
1.2. Воздуходувные машины и установки ....	.27
Глава вторая. РЕЖИМЫ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК .....................................................30
2.1.	Режимы работы насосов и насосных	установок...30
2.2.	Особенности работы насосов при переменной частоте вращения.........................................42
2.3.	Режимы работы воздуходувных машин........... 51
Глава третья. ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК .....................................................58
3.1.	Потребление электроэнергии основными насосными агрегатами.........................................58
3.2.	Особенности энергопотребления турбовоздуходувных установок .	................ ........ . . . 66
3.3.	Потребление электроэнергии вспомогательными  системами ...	. .	. . ................. .	. . 69
3.4.	Расход электроэнергии на хозяйственно-бытовые нужды................................ . ......... 71
3.5.	Баланс энергопотребления.....................73
Глава четвертая. ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ...................................... 76
4.1.	Потери энергии в насосных установках, связанные с нерациональным повышением напора .............. 76
4.2.	Затраты электроэнергии на перекачку утечек и непроизводительных расходов воды..................89
4.3.	Потери электроэнергии при работе насосов в режимах, отличных от номинальных .... .....................92
4.4.	Потери энергии в воздуходувных установках ...94
357
Глава пятая. СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВКАХ..................................... . 95
5.1.	Правильный выбор оборудования — основа устранения потерь электроэнергии......	.............. ... 95
5.2.	Способы регулирования режимов работы
насосных установок................... . 106
5.3.	Способы регулирования режимов работы воздуходувных машин	........ .	.123
5.4.	Контроль и устранение износа оборудования как способ экономии электроэнергии ...	.........124
5.5.	Техническое состояние трубопроводов и энергосбережение................ . . .	. 127
Глава шестая. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ АГРЕГАТОВ ........................................131
6.1.	Регулируемый электропривод как основа энергосберегающих систем управления режимом работы насосных и воздуходувных установок.........131
6.2.	Регулирование частоты вращения электродвигателей . 134 6.3. Регулируемые электроприводы с вариаторами частоты вращения...........................................160
6.4.	Устройства плавного пуска................... .170
6.5.	Гидравлический каскад — альтернатива регулируемому электроприводу	.	 175
Глава седьмая. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК................................... ...	179
7.1.	Стабилизация напора в системе подачи жидкости .179
7.2.	Стабилизация уровня в резервуарах.............189
7.3.	Регулирование подачи воздуха в аэротенки очистных сооружений канализации.............................195
7.4.	Эффективность применения регулируемого электропривода в САУ насосных и воздуходувных установок ... 200
Глава восьмая. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ.........................................  216
8.1.	Общие сведения ...............................216
8.2.	Водопроводная насосная станция подкачки
с регулируемым электроприводом на основе ИМС .... 217 8.3. Водопроводные насосные станции с регулируемым электроприводом по схеме АВК.....................  220
8.4.	Водопроводные насосные станции с регулируемым электроприводом по системе вентильного двигателя ......................................  230
8.5.	Водопроводная насосная станция с разнотипными регулируемыми электроприводами .................. 233
8.6.	Водопроводные станции с частотным электроприводом................................   238
8.7.	Канализационная насосная станция перекачки с регулируемым электроприводом на основе ИМС ...................247
8.8.	Канализационная насосная станция с регулируемым электроприводом по схеме АВК......................251
8.9.	Канализационная насосная станция с регулируемым электроприводом по системе вентильного двигателя . . 252
8.10.	Канализационные насосные станции с частотным электроприводом ..................................253
8.11.	Пульпонасосная станция с регулируемым электроприводом по системе вентильного двигателя ........255
8.12.	Объединенная система управления режимом работы нескольких насосных станций, подающих воду в общую сеть .................. ........................... . 256
Глава девятая. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ НАСОСНЫХ И ВОЗДУХОДУВНЫХ УСТАНОВОК . . 265
9.1.	Общие положения...............................265
9.2.	Характеристика объектов управления............267
9.3.	Применение регулируемого электропривода в САУ насосных и воздуходувных установок................272
9.4.	Изучение и анализ режимов работы насосных и воздуходувных установок.......................  279
9.5.	Разработка принципиальных технических решений при
создании САУ насосных и воздуходувных установок .	. . 282
9.6.	Технико-экономическое обоснование разработанных технических решений............................. . 286
9.7.	Технологические требования к САУ и разработка технических заданий на проектирование САУ ........288
9.8.	Проектирование САУ насосных и воздуходувных установок.........................................289
9.9.	Монтаж, наладка, настройка и ввод САУ в эксплуатацию....................................293
Заключение	..................................................298
Приложение 1.	Опросный лист для насосных установок..............303
Приложение 2.	Опросный лист для воздуходувных установок.........305
Приложение 3. Образец технического задания на проектирование САУ насосных установок............................................  308
Приложение 4. Примеры использования регулируемого электропривода
в САУ насосных установок ........................  314
Приложение 5. Вывод уравнений для вычисления экономии энергии в насосном агрегате, оснащенном регулируемым приводом......................	...... ....................318
Приложение 6. Расчет и выоор пусковых резисторов для привода центробежного насоса по схеме АВК.............................. 333
Приложение 7. Выбор тарифа на электроэнергию для насосных станций . . 344
Список литературы ............................................  348
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ
>	<	ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ
(^) * ЯГОРБА 2'
Общество с ограниченной ответственностью «Ягорба 2» осуществляет автоматизацию насосных и воздуходувных станции, систем подачи и распределения воды промышленных предприятий и населенных пунктов. Разрабатывает энергосберегающие технологии перекачки и очистки чистых и сточных вод, подачи воздуха. Выполняет технико-экономическое обоснование и проектирование. Оказывает научно-техническую помощь при монтаже и наладке, вводе систем в эксплуатацию. Обучает обслуживающий персонал. Осуществляет сервисное обслуживание разработанных систем.
Разработки ООО «Ягорба» внедрены более чем на 50 объектах с низковольтными и высоковольтными агрегатами мощностью от 40 до 1600 кВт, в том числе в насосных установках, оборудованных разнотипными насосными агрегатами, и в системах с несколькими станциями, подающими воду в общую водопроводную сеть. В разработанных системах использованы современные регулируемые электроприводы различного типа (частотные, по схеме вентильного двигателя и др.), микропроцессорные контроллеры и промышленные компьютеры.
Эффективность разработанных и внедренных систем: экономия энергии 10—25%; сокращение расхода чистой воды 3—5%; уменьшение сброса сточных вод в канализацию 2—4%;
уменьшение строительных объемов зданий насосных станций при новом строительстве на 15—20%; увеличение производительности насосных станций на существующих производственных площадях при реконструкции объектов;
снижение вероятности возникновения гидравлических ударов; повышение надежности работы систем водоподачи и водоотведения;
сокращение количества ремонтов гидромеханического и электротехнического оборудования; облегчение условий работы оперативного персонала.
Сотрудники ООО «Ягорба» дают рекомендации и консультации по проблемам использований электропривода в энергосберегающих системах автоматического управления режимами работы насосных и воздуходувных установок; выполняют энергетические обследование (энергооаудит) объектов промышленного и коммунального назначения с выдачей энергетического паспорта.
Контактные телефоны: (495) 245-98-35, 367-23-29; факс: (495) 245-98-35.
E-mail: yagorba@yandex.ru