Энергосберегающее регулирование производительности насосов

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, n_н - 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 Q_c=375 м³/ч

2.      Статический напор Н_с= 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 ŋ_н=0,8, кпд электродвигателя ŋ_э=0,88,

.        кпд преобразователя частоты ŋ_п= 0,96

Решение

Почасовые значения притока воды в приёмный резервуар определяются по формуле:

, м³/ч   (3)

где z_i - нормализованные отклонения значений часовых поступлений воды в приёмный резервуар.

Нормализованные отклонения притока воды от среднего значения.

Таблица №1.

Относительные и абсолютные значения притока воды в резервуар.v=0,15 Q_c=400м³/ч

Таблица №2.

Приток воды в приёмный резервуар в течение суток представлен на рис 1. максимальное поступление воды Q_max=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 Q_B1 и напор H₁. Значение Q_B1 определяем по формуле:

, м³/ч

где а=а₁, b=b₁

Так как Q_B1<Q_max(условие Q_B1>Q_max 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 Q_B2>Q_max(условиеQ_B1>Q_max 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∙Q_c=24∙375=9000м³

Приток воды за время, в течение которого Q_i<Q_B1:

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.