Автоматизированные системы управления насосными агрегатами

   В рамках Промышленной Группы «ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА» образуются и стремительно развиваются новые компании, должным образом обеспечивая поддержку новых перспективных проектов и направлений деятельности в области приводной техники и автоматизации.

   Одной из таких компаний является ЗАО «СП ИНВЕРТЕР», организованная в 2000 г. Фирма специализируется на производстве частотно-регулируемых приводов специального и многоцелевого назначения, а также систем управления производственными циклами, связанными с необходимостью регулирования скоростей вращения электромеханических приводных механизмов (мотор-редукторы, насосы и т.п.).

   Успешный рост компании обусловлен несколькими причинами. Это и колоссальный опыт, накопленный специалистами НТЦ «Приводная Техника» более чем за 8 лет кропотливой работы в области теоретических изысканий и практических разработок. Это и серьезная прикладная поддержка ведущих профессоров МГТУ им Баумана, МЭИ, НИИЭМ, с которыми ведется постоянное сотрудничество и обмен опытом. Нельзя не учесть и тот факт, что довольно молодое руководство Промышленной Группы, отчетливо осознавая, насколько важными для страны являются продвижения новейших российских решений, скорейшее воплощение идей и отработанных технологий в готовые изделия, обеспечивает всеми доступными средствами и ресурсами производственную компанию «Инвертер». Важным аспектом так же является то, что большинство специалистов являются выпускниками вышеуказанных учебных заведений.

   Остановимся более подробно на системах управления насосными агрегатами — СУН (второе общепринятое название — станции регулирования насосными (СРН) агрегатами). 

   Проектирование и разработка модифицированных насосных станций нового поколения ведется группой опытных конструкторов и схемотехников с применением самых современных систем трехмерного проектирования, позволяющих учесть все проблемы стыковки узлов станции, осуществлять выпуск спецификаций, чертежей, схем и технологической документации на основе построения трехмерных моделей. Все это позволяет избежать ошибок при проектировании и запуске в производство, а также дает возможность принять оптимальные для данного варианта технические решения.

   Накопленная электронная база данных и электронный архив позволяют быстро переработать документацию на базовую станцию по желанию заказчика, применить различные комплектующие изделия отечественного или импортного изготовления, а также учесть нестандартные требования эксплуатации.

   При разработке был учтен богатый опыт эксплуатации станций, уже установленных и запущенных в работу на различных объектах.

   Существенным изменениям и переработке подверглись алгоритм и схема работы станции, усилен контроль за работой агрегатов, улучшены тепловые режимы. Принятые меры позволили значительно повысить надежность и эксплуатационные характеристики разработанных станций.

   Специалисты предприятия постарались максимально удовлетворить потребности будущих заказчиков. Разработанный ими базовый комплект станции позволяет без каких-либо переделок легко подключать дополнительные устройства, в частности блок с устройством плавного пуска (УПП) двигателей. Благодаря этому стало возможно по первому требованию заказчика дооснас-тить любою выпущенную насосную станцию отдельным блоком с устройством плавного пуска.

  ЗАО «СП ИНВЕРТЕР» разработало и производит станции регулирования насосными агрегатами «СРН» различных модификаций. В номенклатуре предприятия существуют насосные станции для управления любым количеством насосных агрегатов на широкий диапазон мощностей от 0,37 до 500 кВт включительно.

   На территории Республики Беларусь данную продукцию представляет компания ОДО «Энергопривод».

  Станции «СРН» обеспечивают управление группой насосных агрегатов и поддержание с высокой точностью регулируемого технологического параметра (давление, разность давлений, температура и т.д.). Поддержание параметра на заданном уровне производится посредством комплексного регулирования с использованием трех основных методов:

• Частотное регулирование — изменение частоты вращения двигателя насосного агрегата, подключенного к преобразователю частоты (ПЧ), в зависимости от разницы между заданной и реальной технологической переменной.
• Каскадное регулирование — изменение числа одновременно включенных насосных агрегатов в зависимости от напора. Подключение дополнительного насоса в зависимости от мощности электродвигателя происходит либо напрямую от сети, либо через устройство плавного пуска. Рекомендованная мощность, при которой желательно использовать УПП — выше 55 кВт.
• Оперативное изменение алгоритма работы станции при получении аварийных сигналов с ПЧ, насосных агрегатов и т.д. Количество датчиков, участвующих в формировании алгоритма работы станции управления может быть любое.

   Разумная комбинация этих трех методов позволяет полностью исключить гидравлические удары в системе и обезопасить двигатель от отрицательного влияния пусковых токов (электродинамическое разрушение обмоток вследствие бросков тока), падения напряжения в питающей сети, выход на ненормированный режим работы станции, в результате возникновения аварийных ситуаций. Использование преобразователя частоты в станциях управления позволяет достичь точного поддержания технологического параметра в независимости от его потребления.

   Стандартные СРН изготавливаются в нескольких модификациях в зависимости от типа насосных станций. На сегодняшний момент существует четыре типа насосных станций:

• Станции 1-го подъема

Наполнение аккумулирующей емкости из скважины или открытого водоема.

Состав:

Система управления состоит из:
1. Управляющего контроллера, обеспечивающего необходимый алгоритм управления.
2. Силовой коммутирующей аппаратуры.
3. Устройств защиты силовых цепей и цепей управления.
4. Устройства защиты глубинных насосов.

Алгоритм работы:

В процессе работы контролируются следующие величины:
1. Наличие воды в скважине.
2. Исправность насосов и переключение на резервный комплект.
3. Уровень воды в резервной емкости.
4. Одинаковая загруженность насосных агрегатов.
5. Заиливание скважины.

Сигнализация режимов и диспетчеризация:

   Сообщения обо всех событиях происходящих в насосной станции выводятся на светосигнальную арматуру, расположенную на щите станции и на (срабатывание защит, неисправность насосов, уровни и т.д.). Хотя станция управления полностью автономна и может работать длительное время в автоматическом режиме, возможна работа и в ручном режиме при опробовании и пуско-наладке.
Станция легко состыковывается с действующими станциями управления насосов 2-го и 3-го подъема, так как имеет входа для подачи внешних команд и выдачи команд на внешние устройства (например, выдачи команд на открывание, закрытие электрических задвижек и электромагнитных клапанов). В случае наличия системы АСУТП возможно сопряжение насосной станции с ней.
При достаточном удалении насосной станции от диспетчерского пункта возможна подача сигнала аварии по выделенной, коммутируемой телефонной линии или через радиоканал.
Станция имеет вход для сопряжения с системами пожарной сигнализации. При подаче сигнала на данный вход, станция переходит в режим, предусмотренный пожарными нормами.

 

• Станции 2-го подъема

Создание давления в водопроводной сети, с забором воды из аккумулирующей емкости Давление создается из расчета обеспечения застройки малой и средней этажности.

 

Состав:

Система управления состоит из:
1. Контроллера - обеспечивающего выполнение управляющего алгоритма.
2. Преобразователя частоты - включенного в контур регулирования давления.
3. Пускозащитной аппаратуры, обеспечивающей защиту насосных агрегатов и элементов, входящих в состав станции.
4. Светосигнальной арматуры, регистрирующей состояние станции.
5. Дополнительного оборудования, вынесенного на щит станции и позволяющего задавать необходимые режимы работы.
6. Выносного датчика давления (по согласованию - датчиков уровня).

Основные функции:

1. Поддержание заданного давления на выходе группы насосов в автоматическом режиме.

   Осуществляется с помощью автоматического подключения основных и резервных насосов в контур регулирования давления.
- При малых расходах:
давление поддерживает один насос, управляемый преобразователем частоты в контуре регулирования давления.
- Если этого недостаточно:
в поддержку основному насосу подключается дополнительный насос напрямую от сети или через устройство плавного пуска.
- При падении расхода:
дополнительный насос отключается от сети и в контуре регулирования остается только основной насос, управляемый от частотного преобразователя. Частотный преобразователь получает заданное давление и реальное давление и в зависимости от ошибки между двумя этими величинами изменяет скорость вращения основного насоса, тем самым косвенно влияя на давление в напорном трубопроводе. Весь этот процесс заложен в частотный преобразователь в виде функции ПИД регулирования.

2. Контроль над работой насосов

   После запуска насоса в автоматическом режиме ведется контроль над перепадом давления на насосе с помощью сигнала с релейного датчика перепада давления. Данный датчик должен быть установлен в насосной станции на каждом насосе. Если в течение заданного промежутка времени (заводская уставка 20 сек) после запуска насоса не будет получен сигнал о наличии давления, или сигнал исчезнет в процессе работы на это время, насос будет считаться в состоянии "Авария". Состояние индицируется лампой "Авария насоса". При этом станция будет работать следующим образом: при аварии насоса, работающего от преобразователя частоты, будет запущен второй насос от преобразователя частоты (а при аварии второго - и третий и т.д.). При невозможности запуска этого насоса или его аварии будет запущен основной насос напрямую от сети, если при этом он снова не создаст перепад давления, то будет запущен второй насос от сети (а при аварии второго - третий и т.д.).
Состояние "Авария насоса" сбрасывается только переключением насоса в режим "Отключен" или "Ручной".

3. Контроль над работой преобразователя частоты

   Если после запуска насоса преобразователь частоты выдаст сигнал "Авария" и будет удерживать его больше заданного промежутка времени (заводская уставка 10 с), насос будет остановлен. Будет предпринята попытка запустить второй, а в случае повторной аварии - третий насос. Если при этом также будет получен сигнал об аварии, то преобразователь считается в состоянии "Авария", которое индицируется лампой "Авария ПЧ", и будет запущен от сети основной насос.
Если во время аварии ПЧ станция находилась в состоянии ожидания включения дополнительного насоса (выдержка времени на включение), то включение дополнительного насоса будет заблокировано до успешного сброса аварии ПЧ или переключения на другой насос. Если дополнительный насос работал на момент аварии, то его работа остается без изменений.
Состояние "Авария ПЧ" сбрасывается только переключением всех насосов в режим "Ручной" или "Отключен".

4. Подключение дополнительного насоса.

   Если в процессе работы регулируемый насос достигнет максимальных оборотов и, будет работать на них в течение установленного времени, то произойдет подключение дополнительного напрямую от сети. Отключение дополнительного насоса происходит при уменьшении оборотов регулируемого насоса ниже установленного предела.

5. Режим работы насоса и автоматическое чередование насосов.

   В станции управления имеется возможность выбора режима работы каждого насоса - "Ручной", "Автомат" и "Отключен" переключателем "Выбор режима" каждого насоса. При отсутствии аварийных ситуаций в регулируемом режиме работают насосы, переключатель которых установлен в положение "Автомат".
Основной насос назначается поворотным переключателем, расположенным на щите станции. Если положение данного переключателя выставлено в положение "0", то станция будет автоматически менять насос, работающий от ПЧ, через заданный интервал времени (заводская уставка 1 сутки). Из режима автоматического чередования исключается насос, на котором была какая-либо авария. При отключении электроэнергии работа счетчика часов приостанавливается и будет продолжена при возобновлении электропитания.

6. Контролирование уровней воды в аккумулирующей емкости.

   При установке дискретных датчиков уровня в емкости, станция управления имеет возможность контролировать их. Контролируется рабочий и пожарный запас воды в резервуаре. При срабатывании датчика нижнего уровня, станция управления отключает все подключенные насосы.

7. Индикация аварийных состояний.

   При аварии основного насоса, работающего от преобразователя частоты, будет включен индикатор "Авария" соответствующего насоса и поочередно запущены резервные насосы от преобразователя частоты. При аварии этих насосов будет включен индикатор "Авария ПЧ", а индикатор аварии основного насоса погашен и этот насос запущен на работу от сети. Если этот насос снова перейдет в состояние авария, то индикатор "Авария" этого насоса снова включится, будут поочередно запущены резервные насосы от сети. При их аварии будут включены индикаторы их аварии, и станция будет полностью остановлена.

8. Внешняя сигнализация.

   В станции управления предусмотрено подключение внешних устройств сигнализации. На внешнюю сигнализацию выдаются следующие сигналы: "Авария насоса 1", "Авария насоса 2", "Авария насоса 3", Авария насоса N", "Авария ПЧ", сигнал работы станции (работает, по крайней мере, один насос), минимальный уровень в резервуаре, максимальный уровень в резервуаре. Выходной сигнал - типа "сухой контакт".

 

• Станции 3-го подъема

Повышение давления в водопроводной сети, с забором воды из трубопровода после насосной 2-го подъема. Давление создается из расчета обеспечения застройки высокой этажности.

Состав:

Система состоит из:
1. Контроллера - обеспечивающего выполнение управляющего алгоритма.
2. Преобразователя частоты - включенного в контур регулирования давления.
3. Пускозащитной аппаратуры, обеспечивающей защиту насосных агрегатов и элементов, входящих в состав станции.
4. Светосигнальной арматуры, регистрирующей состояние станции.
5. Дополнительного оборудования, вынесенного на щит станции и позволяющего задавать необходимые режимы работы.
6. Выносного датчика давления

Основные функции, помимо указанных в функциях станций 2-го подъема:

• Контролирование уровней воды в аккумулирующей емкости:
при установке дискретных датчиков уровня в емкости, станция управления имеет возможность контролировать их. Контролируется рабочий и пожарный запас воды в резервуаре. При срабатывании датчика нижнего уровня, станция управления отключает все подключенные насосы.

 

• Дренажные станции

Осушение или снижение уровня искусственных и природных резервуаров, путем перекачивания жидкости в приемные емкости или на рельеф.

 

Состав:

Система управления расположена в щите и состоит из:
1. Управляющего контроллера, обеспечивающего необходимый алгоритм управления.
2. Силовой коммутирующей аппаратуры.
3. Устройств защиты силовых цепей и цепей управления.
4. Светосигнальной арматуры, регистрирующей состояние станции.
5. Дополнительного оборудования, вынесенного на щит станции и позволяющего задавать необходимые режимы работы.

Алгоритм работы:

В процессе работы контролируются следующие величины:
1. Наличие воды в емкости.
2. Исправность насосов и переключение на резервный комплект.
3. Уровень воды в резервной емкости.
4. Одинаковая загруженность насосных агрегатов.
5. Засорение насосов.
6. Переполнение дренажной емкости.

Сигнализация режимов и диспетчеризация

   Сообщения обо всех событиях происходящих в насосной станции выводятся на щит станции управления (срабатывание защит, неисправность насосов, уровни и т.д.). Хотя станция управления полностью автономна и может работать длительное время в автоматическом режиме, возможна работа и в ручном режиме при опробовании и пуско-наладке.
Станция легко состыковывается с действующими станциями управления насосов 2-го и 3-го подъема, так как имеет входа для подачи внешних команд и выдачи команд на внешние устройства (например, выдачи команд на открывание, закрытие электрических задвижек и электромагнитных клапанов). В случае наличия системы АСУТП возможно сопряжение насосной станции с ней.
При достаточном удалении насосной станции от диспетчерского пункта возможна подача сигнала аварии по выделенной, коммутируемой телефонной линии или через радиоканал.

 

     Предприятие также производит нестандартные СРН, включающие в себя комбинацию из 4-х предыдущих, либо работающих по индивидуальному алгоритму, прописанному в техническом задании на изготовление станции.

     Особо востребована СРН для станций 3-го подъема ввиду их универсальности и возможности использования в смежных отраслях промышленности.

     Использование данных СРН позволяет существенно сэкономить на электроэнергии и ремонте магистралей, электродвигателей, насосов и т.д., в результате чего СРН окупается в течение 1—2 лет.

Оценка экономического эффекта от внедрения

   Предприятия ЖКХ характеризуются сложной инженерной инфраструктурой, привязанной к конкретной территории (сетей водопровода, канализации), что требует индивидуального подхода к каждому объекту и ограничениям в возможности полной унификации устанавливаемого оборудования. Повышение качества предоставляемых услуг, снижение уровня себестоимости, повышение надёжности и безопасности при предоставлении услуг позволяет оказывать влияние на потребителей для их своевременной и полной оплате услуг.

   В реализации этих аспектов водоснабжения и водоотведения важное значение имеют:

• бесперебойное водоснабжение
• стабильное давление в трубопроводах
• высокая надёжность водоснабжения (безаварийность)
• качество воды
• предотвращение возможности загрязнений поверхностных вод
• доступный по ценам сервис для населения.

   Каждый из перечисленных аспектов в той или иной степени связан с необходимостью использования энерго- ресурсосберегающего оборудования, ведущего к многофакторному положительному влиянию на весь комплекс предоставляемых предприятием услуг.

   При управлении инвестиционными проектами по энергосбережению в отрасли ЖКХ и для привлечения внешних источников финансирования, необходимо использование современных методов и технологий бизнес-планирования, обоснование эффективности инвестиций, активность и качество управления проектом на всех этапах его жизненного цикла. Бизнес-план должен продемонстрировать, что проект технически жизнеспособен, управленчески осуществим, финансово выгоден и не наносит ущерба окружающей среде. При подготовке бизнес-плана удаётся выявить из многих возможных вариантов оптимальное решение.

На первом этапе подготовки бизнес-плана совместно с работниками предприятия – заказчика проводится обследование включающего в себя следующие этапы:

• Сбор документальной информации.
• Инструментальное обследование.
• Обработка и анализ полученной информации.
• Разработка технических рекомендаций по энергосбережению.

Сбор документальной информации проводится в 2 этапа: предварительный и основной.

   На предварительном этапе определяются наиболее энергоемкие подразделения, технологические циклы и места наиболее вероятных потерь энергоресурсов, порядок и приоритетность проведения работ на различных объектах. Затем по определённым объектам производится сбор технической и статистической информации с помощью специально разработанных опросных листов. При отсутствии требуемых данных необходимо проведение инструментального обследования. Вся информация, полученная из опросных листов или путем инструментального обследования, подвергается анализу по эффективности энергоиспользования. Для каждого объекта определяются факторы, влияющие на потребление энергии.

   При реализации модернизации объектов ЖКХ и определении её экономической и технической целесообразности требуется проведение корректной теоретической оценки экономической эффективности, коррелирующей с фактическими результатами внедрения.

Предварительная оценка экономии электроэнергии

   Для предварительной оценки экономии электроэнергии в результате внедрения частотно-регулируемого привода для насосов необходим анализ статистики по данному объекту.

   Предположим, речь сейчас идет о типовой станции третьего подъема, на которой применяется регулирование производительности насоса мощностью 11 кВт с помощью задвижки. Так как станция обеспечивает жилые дома, то используем типовой усредненный график разбора воды. В нем можно выделить четыре основных периода: ночь 01:00-06:00, утро 06:00-10:00, день 10:00-18:00, вечер 18:00-01:00. Расход воды составляет соответственно 20 %, 100 %, 80 %, 100 % от номинального значения для имеющегося насосного агрегата.

   Воспользовавшись данными значения снижения мощности при регулировании с помощью задвижки и с помощью преобразователя частоты соответственно в ночное и дневное время: 60% и 26%, 90% и 63%.

Таким образом, расход электроэнергии при регулировании задвижкой за сутки составляет:

11 кВт * (60% * 4 ч + 90% * 8 ч + 100% * 11 ч) = 227 кВтч

При управлении с помощью преобразователя частоты получаем:

11 кВт * (26% * 4 ч + 63% * 8 ч + 100% * 11 ч) = 188 кВтч

   В данном примере использование преобразователя частоты согласно нашей предварительной оценки, определяющей нижнюю границу экономии, позволяет уменьшить расход электроэнергии приблизительно на 40 кВтч в сутки, что в относительном выражении составляет примерно 17%. В этом расчете допускается, что расход воды в разные периоды времени при двух вариантах расчёта расхода электроэнергии остается одинаковым. Изменения расхода в течение означенных периодов времени при регулировании задвижкой означает колебания давления в трубопроводе, а при управлении преобразователем дополнительную экономию электроэнергии. Также предполагалось, что производительность насоса выбрана оптимально, что также не соответствует обычной практике, а, значит, применение преобразователя частоты ещё более предпочтительно.

Источники экономии ресурсов при внедрении СРН

   При применении преобразователей частоты в составе СРН можно выделить прямые и косвенные источники экономии.

   К прямому источнику экономии относится:

• экономия электроэнергии за счет оптимизации энергопотребления работы электропривода при поддержании требуемого значения технологического параметра и имеющейся глубине регулирования.
  

   К косвенным источникам экономии относятся следующие:

• снижение непроизводительных потерь воды в системе горячего и холодного водоснабжения, связанных с избыточным давлением (увеличение давления в трубопроводе на 1 кг/см2 обеспечивает увеличение утечек на 2-7 %);
• снижение расходов за счёт увеличения ресурса и снижение затрат, направленных на аварийный, профилактический и капитальный ремонт сетей и оборудования (как электродвигателей и насосов, так и запорной арматуры, пускозащитной аппаратуры)
• автоматический учёт времени наработки оборудования, что позволяет автоматизировать контроль при ППР.

   Точный размер косвенных источников экономии не может быть корректно определен до момента внедрения преобразователя, т.к. это связано с различными факторами, оказывающими воздействие на систему водоснабжения (водопотребление в конкретные периоды, общее давление в системе и т.д.) и может быть оценено только после начала его работы.

Расчёт экономии электроэнергии для насосных агрегатов

   Чтобы получить более точную оценку экономии электроэнергии необходимо провести либо инструментальное обследование объекта, либо использовать статистические данные их журналов, ведущихся на объекте дежурным персоналом. Минимально достаточные данные для повеления расчетов можно получить, заполнив опросный лист. Для расчётов необходимо знание потребления электроэнергии за сутки и почасовых значений следующих величин: давление на выходе насосного агрегата и расход воды. Для получения ещё более точных результатов необходимы данные по выходным дням и в различные сезоны.

  Информация о потреблении электроэнергии используется в расчете экономического эффекта. Механическая мощность, необходимая для создания заданного давления при существующем расходе, определяется формулой:

Pмех = Q·ΔH, (1)

где Q – расход жидкости, м³/с;

ΔH – разность давления на входе и выходе насоса, Па.

Обычно этой формулой пользоваться не удобно, так как расход принято измерять в кубометрах в час, разность давлений в метрах, а мощность в киловаттах. Для воды формула (1) принимает вид:

Pмех = 2.725·Q·ΔH (2)

Чтобы от полученной по формуле (2) механической мощности перейти к потреблению электроэнергии в сутки, необходимо также учесть КПД насоса, приводного электродвигателя и преобразователя частоты: 
, (3)
 

где t – интервал времени, в часах.

Если предположить, что КПД насоса, двигателя и преобразователя частоты постоянные величины, тогда их можно вынести за сумму.

Измеренные данные суточного потребления необходимо сопоставить с расчетными значениями. Если измеренное значение меньше чем вычисленное, тогда нужно искать ошибку или в расчетах, или в измерениях. Разность измеренного и расчетного потребления электроэнергии определяет экономический эффект.

Экономический эффект при внедрении системы АСУ ТП

   Экономический эффект от внедрения станций управления, оснащённых преобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединения станций управления в единую систему АСУ ТП основан на следующих факторах:

• Прямая экономия от снижения потребления электроэнергии при регулировании производительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%).
• Прямая экономия за счёт снижения непроизводительных утечек воды при оптимизации давления в напорном трубопроводе (не менее 25 – 30 % от общего объёма утечек).
• Экономия фонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала.
• Резкого снижения аварийности на сетях (не менее чем в 5 – 10 раз).
• Увеличение не менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей, коммутационного оборудования.
• Снижение затрат на электрическое отопление на объектах, бытовое обеспечение дежурного персонала.
• Резкого увеличения надёжности системы в целом, за счет устранения «человеческого фактора» и автоматической диагностики системой всех её элементов и своевременного устранения возможных аварийных ситуаций.

   Немаловажными факторами являются также социальный – увеличение качества водоснабжения и экологический - снижения потребления электроэнергии обеспечивает снижение выброса СО2, что является требованием Статьи 2 Киотского протокола к «РАМОЧНОЙ КОНВЕНЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ ОБЪЕДИНЕННЫХ НАЦИЙ ОБ ИЗМЕНЕНИИ КЛИМАТА»

Каталог продукции

 

Назад