Энергосберегающее регулирование производительности насосов
Введение
Уменьшить расход электроэнергии в насосных
агрегатах возможно посредством регулирования частоты вращения (числа оборотов в
минуту) насосов в функции расхода воды. Как известно, частота переменного
напряжения f в электрических сетях энергосистем страны постоянна и равна 50 Гц,
что достаточно для вращения электродвигателей насосов с номинальной частотой n
[об/мин]. Если изменить частоту переменного напряжения, подводимого к
электродвигателю насоса, то при f ≤50 Гц частоту вращения можно
определить по формуле
n
где n, nн -
соответственно частоты вращения при частоте переменного напряжения меньше 50 Гц
и частоте f = 50 Гц; f - частота переменного напряжения, подводимого к
электродвигателю насоса.
Чтобы изменить частоту переменного
напряжения, подводимого к электродвигателю насоса, необходимо подключить
электродвигатель к индивидуальному преобразователю частоты, присоединяемому в
свою очередь к электрической сети с частотой переменного напряжения f = 50 Гц.
В зависимости от величины сигнала управления, поступающего от соответствующего
датчика на вход преобразователя частоты, частота переменного напряжения на
выходе (подводимого к электродвигателю насоса) может изменяться в интервале
5-50 Гц, что обеспечивает возможность десятикратного уменьшения частоты
вращения насосного агрегата. Функциональная схема автоматического регулирования
частоты вращения насосного агрегата, работающего на сеть водоснабжения,
представлена на рис.1, а для откачивающего насосного агрегата - на рис.2.
U=380B=const=50Гц=const
Рисунок 1- Функциональная схема
регулирования скорости вращения сетевого насоса
U=380 B=cons t =50Гц=const
Рисунок 2 - Функциональная
схема регулирования скорости вращения откачивающего насоса
При технико-экономическом
обосновании САУ необходимо четко определить, за счет чего первоначальные
капиталовложение в систему окупается. Окупаемость САУ обычно обуславливается
следующим:
1. Снижением расхода энергоресурсов
2. Уменьшение количества
обслуживающего персонала (экономией на заработной плате)
. Повышением
производительности (уменьшение размера заработной платы в расчете на единицу
продукции)
. Повышение надежности
функционирования технологического процесса (снижением ущерба от перерывов
технологического процесса)
. Уменьшением штрафных
выплат за загрязнение окружающей среды
. Повышением качества
продукции и другими факторами, зависящими от вида автоматизируемого
технологического процесса.
вода насос автоматический
электроэнергия
1. Исходные данные
1. Среднесуточное поступление воды Qc=375
м3/ч
2. Статический напор Нс= 8 м
. Гидравлическое сопротивление
трубопровода R=1,841∙ 10-4
. Почасовое суточное поступление воды в
приёмный резервуар принимается по табл.1
. Напорно-расходная характеристика
насоса:
, м (1)
где H0=57,5; a1=2,38 ∙
10-2; b1=1,51 ∙
10-4
Характеристика трубопровода может
быть представлена в виде формулы:
, м (2)
6. Коэффициент вариации значений
поступления воды в приёмный резервуар v=0,2
7. Кпд насоса ŋн=0,8, кпд
электродвигателя ŋэ=0,88,
. кпд преобразователя частоты ŋп=
0,96
Решение
Почасовые значения притока воды в приёмный
резервуар определяются по формуле:
, м3/ч (3)
где zi
- нормализованные отклонения значений часовых поступлений воды в приёмный
резервуар.
Нормализованные отклонения притока воды от
среднего значения.
Таблица №1.
Часы
суток
|
qi=1+zi
∙ v
|
Qi=qi
∙ Qc, м3/ч
|
0-1
|
0,67
|
251,25
|
1-2
|
0,774
|
290,25
|
2-3
|
0,838
|
314,25
|
3-4
|
0,89
|
333,75
|
4-5
|
0,928
|
348
|
5-6
|
0,964
|
361,5
|
6-7
|
1,036
|
388,5
|
7-8
|
1,072
|
402
|
8-9
|
1,11
|
9-10
|
1,162
|
435,75
|
10-11
|
1,192
|
447
|
11-12
|
1,268
|
475,5
|
12-13
|
1,33
|
498,75
|
13-14
|
1,226
|
459,75
|
14-15
|
1,136
|
426
|
15-16
|
1,086
|
407,25
|
16-17
|
1,056
|
396
|
17-18
|
1,016
|
381
|
18-19
|
0,984
|
369
|
19-20
|
0,944
|
354
|
20-21
|
0,914
|
342,75
|
21-22
|
0,864
|
324
|
22-23
|
0,808
|
303
|
23-24
|
0,732
|
274,5
|
Относительные и абсолютные значения притока воды
в резервуар.v=0,15 Qc=400м3/ч
Таблица №2.
Часы
суток
|
Нормализованные
отклонения, zi
|
Часы
суток
|
Нормализованные
отклонения, zi
|
0-1
|
-1,65
|
12-13
|
1,65
|
1-2
|
-1,13
|
13-14
|
1,13
|
2-3
|
-0,81
|
14-15
|
0,68
|
3-4
|
-0,55
|
15-16
|
0,43
|
4-5
|
-0,36
|
16-17
|
5-6
|
-0,18
|
17-18
|
0,08
|
6-7
|
0,18
|
18-19
|
-0,08
|
7-8
|
0,36
|
19-20
|
-0,28
|
8-9
|
0,55
|
20-21
|
-0,43
|
9-10
|
0,81
|
21-22
|
-0,68
|
10-11
|
0,96
|
22-23
|
-0,96
|
11-12
|
1,34
|
23-24
|
-1,34
|
Приток воды в приёмный резервуар в течение суток
представлен на рис 1. максимальное поступление воды Qmax=399
м3/ч.
Рисунок 1- Суточный график притока воды в
приемный резервуар.
Напорно-расходная характеристика насоса и
характеристика трубопровода, определённые по (1) и (2), представлены на рис. 4.
(кривые 1 и 2) соответственно.
Рисунок 2 - Напорно-расходные характеристики
насосов и трубопровода.
Точка А определяет возможную подачу насоса QB1
и
напор H1.
Значение QB1
определяем по формуле:
, м3/ч
где а=а1, b=b1
Так как QB1<Qmax(условие QB1>Qmax не
выполняется), необходимо принять 2 рабочих насоса.
Принимая а=а1/2 = 2,38 ∙
10-2/2=1,19 ∙ 10-2
b=b1/4= 1,51 ∙
10-4/4=0,377 ∙ 10-4,
определяем возможную подачу 2
насосов:
Так как QB2>Qmax(условиеQB1>Qmax
выполняется), необходимо иметь 2 рабочих насоса (характеристика на рис. 4,
кривая 3).
Если регулирование частоты вращения
насосов отсутствует, совместная работа 2 насосов будет иметь место при притоке
воды более 425 м3/ч. Из рис1. видно, что с 11 до 16 ч приток воды
превышает указанную величину.
Суммарный приток за время с 11 до 16
ч составляет:
W2=
416,25+435,75+447+475,5+498,75+459,75+426=3159 м3
Суммарное время работы 2 насосов за
1 сутки:
=3159/544,6=5.8ч
Суммарный приток воды за 1 сутки:
W∑=24∙Qc=24∙375=9000м3
Приток воды за время, в течение
которого Qi<QB1:
W1 =W∑-W2=9000-3159
=5841 м3
Суммарное время работы 1 насоса за 1
сутки:
t1=5841/425=13,7
ч
Расход электроэнергии за 1 сутки:
Третий начальный момент суточного
графика поступления воды:
Расход электроэнергии за 1 сутки при
регулировании частоты вращения насосов в функции притока воды в приёмный
резервуар:
Экономию электроэнергии определяем
по формуле:
Вывод: Экономия электроэнергии при
регулировании частоты вращения составляет 6 %.
Вывод: Приобрели навыки оценки
экономии электроэнергии при регулировании частоты вращения насосов, закрепили
знания алгоритмов автоматического управления насосными агрегатами, приобрели
дополнительный опыт работы с программными модулями автоматизированного
проектирования.
. Условные графические
обозначения элементов схем автоматизации
3. Принципиальная схема
управления насосными агрегатами
Схема предусматривает автоматическое включение
резервного насоса, если по каким-либо причинам уровень воды в приемном
резервуаре превысит отметку, соответствующую уровню включения резервного
насоса, а также автоматическое и местное управление установкой ключа 1SA1 в
соответствующее положение. В частности, при установке ключа 1SA1 в правое
положение А (режим автоматического управления) секция 1-2 ключа в цепи 3 и
секция 3-4 в цепи 8 замкнуты. Выбор номера рабочего насоса осуществляется
ключом 2SA1. При установке рукоятки ключа 2SA1 в левое положение (1 раб)
рабочим является первый насос, и при этом замыкаются секции 5-6 в цепи 3 и 7-8
в цепи 8. Секции 1-2 в цепи 5 и 3-4 в цепи 10 при этом разомкнуты.
Соответственно при установке ключа 2SA1 в правое положение (2 раб) рабочим
будет второй насос. Секции 5-6 в цепи 3 и 7-8 в цепи 8 ключа 2SA1 при этом
разомкнуты, а секции1-2 в цепи 5 и 3-4 в цепи 10 - замкнуты.
Если в качестве рабочего выбран насос 1, при
достижении уровня воды в резервуаре, соответствующего уровню включения рабочего
насоса, замыкаются контакты KSL1 в цепях 3 и 10. Контакты KSL1 после замыкания
разомкнутся только после снижения уровня воды в резервуаре ниже отметки, соответствующей
уровню отключения насосов./
Замыкание KSL1 в цепи 3 обусловит подачу
напряжения на катушку контактора IKM по цепи: фазный провод электрической сети,
включенный автоматический выключатель 1QF, предохранитель 1FU, замкнувшийся
контакт KSL1 в цепи 3, замкнутые секции 5-6 ключа управления 2SA1 и 1-2 ключа
управления 1SA1 в цепи 3, замкнутый контакт теплового реле 1ККв цепи 2, катушка
контактора 1КМ, нулевой провод электрической сети. Контактор 1КМсрабатывает,
его контакты в силовой цепи электродвигателя замыкаются, что обусловливает
подачу напряжения на электродвигатель и включение насоса 1 в работу.
Одновременно замкнутся контакты 1КМ в цепи 4. Отметим, что замыкание контакта
KSL1 в цепи 10 не приведет к включению насоса 2, т.к. секция 3-4 ключа управления
2SA1 в цепи 10 разомкнута, если рабочим является насос 1. Если после включения
насоса 1 уровень воды в резервуаре продолжает повышаться, то по достижении им
отметки, соответствующей уровню включения насоса 2, контакты замыкаются.
Замыкание контактов KSL2 в цепи 8 обусловит подачу напряжения на катушку
контактора 2КМ по цепи: фазный провод электрической сети, включенный
автоматический выключатель 2QF, предохранитель 2FU в цепи 7, замкнувшийся
контакт KSL2 в цепи 8, замкнутые секции 7-8 и 3-4 ключей управления 2SA1 и 1SA1
в цепи 8, замкнутый контакт теплового реле 2КК в цепи 7, катушка контактора
2КМ, нулевой провод электрической сети.
Контактор 2КМ срабатывает, его контакты 2КМ в
силовой цепи электродвигателя замыкаются и, следовательно, включают в работу
насос 2, а также замыкают контакты 2КМ в цепи 9.
После включения насоса 2 уровень воды в
резервуаре понижается, и как только он станет ниже отметки включения резервного
насоса, контакты KSL2 в цепях 5 и 8 разомкнутся. Но отключения насоса 2 при
этом не произойдет, т.к. цепь подачи напряжения на катушку 2КМ сохраняется
вследствие замкнутости контактов KSL1 в цепи 10 и контактов 2КМ в цепи 9. То
есть, если в момент замыкания контактов KSL2 цепь подачи напряжения на катушку
контактора 2КМ формировалась автоматическим выключателем 2QF, предохранителем
2FU, замкнутым контактом KSL2 в цепи 8 и замкнутыми секциями ключей управления
2SA1 и 1SA1 в цепи 8, замкнутым контактом теплового реле 2КК в цепи 7, то после
размыкания контакта KSL2 в цепи 8 цепь подачи напряжения на катушку
2КМформируется автоматическим выключателем 2QF, предохранителем 2FU, ранее
замкнувшимся контактом KSL1 в цепи 10 и контактом 2КМ в цепи 9 (так как на
катушку контактора 2КМ уже подано напряжение), замкнутыми секциями ключей
управления 2SA1 и 1SA1 в цепи 8, замкнутым контактом теплового реле 2КК в цепи
7, катушкой контактора 2КМ, нулевым проводом электрической сети.
Отключение обоих насосов произойдет после
размыкания контактов KSL1 в цепях 3 и 10, т.е. после снижения уровня воды в
резервуаре ниже отметки отключения насосов.
Если в качестве рабочего насоса избран насос 2
(секции 3-4 и 1-2 ключа управления 2SA1 в цепях 5 и 10 замкнуты), то при
замыкании контактов KSL1 в цепях 3 и 10 подается напряжение на катушку
контактора 2КМ и лишь после замыкания KSL2 в цепях 5 и 8 - на катушку
контактора 1KM
Рисунок 5- Схема управления для
двух насосов.
Библиографический список
1. Грудинов Ю.М.,
Тюханов Ю.М. Энергосберегающее регулирование производительности насосов:
Методические указания к расчетно-графической работе для студентов специальности
290800 - «Водоснабжение и водоотведение». Красноярск: КрасГАСА, 2001. 32с.