Электрооборудование и электроснабжение насосных станций

Электроприводы насосов и насосных станций

Для приведения во вращение рабочего колеса насосов используются электроприводы. В общем случае электропривод насоса состоит из следующих основных блоков:

1. Блок управления, включающий в себя аппаратуру управления и защиты, а иногда систему программного управления.

2. Датчики контроля и регулирования, связанные с блоком управления, но располагаемые в зонах контроля технологических и иных параметров.

3. Преобразователь электрической энергии. При необходимости регулирования подачи и напора насосов требуется изменение частоты вращения электродвигателей. В электроприводах переменного тока при этом чаще всего регулируются напряжение и частота переменного тока, и соответственно используются регуляторы напряжения или преобразователи частоты (как правило, полупроводниковые – тиристорные или транзисторные). Отметим, что регулируемые электроприводы насосов не только обеспечивают необходимые технологические параметры системы водоснабжения, но и позволяют уменьшить затраты электроэнергии.

4. Электродвигатель – основная часть электропривода – обеспечивает преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую энергию на рабочем валу насоса.

В простейших случаях электропривод насосов состоит из аппарата управления, устройств защиты и электродвигателя. При этом для включения и выключения электродвигателей на напряжение до 1000 В используются контакторы, при напряжениях свыше 1000 В – масляные выключатели [1]. Защита электродвигателей от перегрузок (длительное превышение тока на 10-30% выше номинального) осуществляется тепловыми реле. Для управление асинхронными электродвигателями мощностью до 75 кВт выпускаются магнитные пускатели, совмещающие в одном корпусе контактор и тепловое реле. Защита электроприводов от коротких замыканий осуществляется с помощью предохранителей или автоматических выключателей. Выбор аппаратов управления и защиты производится согласно Правилам устройств электроустановок [2] по величине номинального тока электродвигателя.

Как правило, для привода насосов применяются электродвигатели переменного тока: асинхронные с короткозамкнутым ротором или синхронные. При тяжелых условиях пуска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в которых имеется возможность изменения пускового момента. Обозначения указанных двигателей и их механические характеристики приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы и механические характеристики электродвигателей

переменного тока, применяемых в электроприводах насосов:

а) асинхронный короткозамкнутый двигатель;

б) синхронный электродвигатель;

в) асинхронный двигатель с фазным ротором

Наиболее массовыми асинхронными электродвигателями, отличающимися конструктивной простотой и надежностью, являются двигатели серии 4А, имеющие мощности до 400 кВт [3-4]. Пример условного обозначения такого электродвигателя: 4А Н 200 М 4 У3 - где Н – степень зашиты IP23; 200 – высота оси вращения; М – длина станины (варианты S, M, L по нарастанию длины); 4 – четырехполюсный (синхронная частота вращения – 1500 об/мин.); У – климатическое исполнение (для умеренного климата); 3 – категория размещения (в закрытом помещении). Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют обозначение АК (асинхронный с контактными кольцами).

На мощности более 400 кВт для привода насосов выпускаются асинхронные двигатели серий АТД4, ДА304, А4, АК, а также двигатели вертикального исполнения серии ВАН [4].

При мощностях свыше 500 кВт экономически обоснованным становится применение синхронных двигателей, имеющих более высокие, чем у асинхронных, коэффициент мощности (cos j) и к.п.д., а значит отличающиеся меньшим энергопотреблением. Основными синхронными двигателями, применяемыми для привода насосов, являются двигатели серий СДН и СДН3, а также вертикальные двигатели серий ВДС и ВСДН [4]. Пример условного обозначения: ВДС-325/44-16 – вертикальный синхронный двигатель с диаметром расточки статора 325 мм, длиной сердечника статора 44 мм и числом полюсов 16 (частота вращения – 375 об/мин.).

При выборе электродвигателей важное значение имеют указываемые в паспортных данных характеристики конструктивного исполнения машины по способу монтажа и способу защиты от внешних воздействий. Наиболее часто для привода насосов используются электродвигатели с двумя подшипниковыми щитами, с горизонтальным валом, устанавливаемые на лапах или фланцевого исполнения. Их обозначения по ГОСТ 2479-79: IM1001 (на лапах) и IM3001 (фланцевые). Классификация электродвигателей по степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями, находящимися внутри машины, а также степени защиты от попадания посторонних тел или попадания воды внутрь машины устанавливается ГОСТ 17494-72. Например:

IP23 – машина, защищенная от капель воды, прикосновения и попадания посторонних предметов (машина защищенного исполнения для установки в закрытых помещениях);

IP44 – машина, защищенная от брызг, прикосновения и попадания посторонних предметов (закрытая машина для установки на открытом воздухе);

IP55 – машина, защищенная от водяных струй, прикосновения, попадания посторонних предметов и вредной пыли и т.д.

Электродвигатели соединяются с валом насоса эластичной муфтой или клиноременной передачей.

ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Требуемая мощность электродвигателей находится по заданным производительности, напору и частоте вращения насоса. Мощность двигателя центробежного насоса, работающего с равномерной нагрузкой в длительном режиме, определяется по формуле:

, кВт (1)

где r - плотность перекачиваемой жидкости (кг/м³); g = 9,81 м/c² ; Q – производительность насоса (м³ / с); Н – напор, развиваемый насосом с учетом потерь в магистрали (м); h_н и h_п – к.п.д. насоса и механической передачи (при ее наличии); k_з – коэффициент запаса, учитывающий неучтенные нагрузки. Ориентировочно значение k_з можно принять следующим:

Мощность электропривода – Р, к ВТ	< 20	20-60	60-300	>300
Коэффициент запаса - kз	1.25	1.2	1.15	1.1

После определения мощности по (1) из каталогов [3-4] с учетом заданной частоты вращения n₀ выбирается двигатель, номинальная мощность которого соответствует условию:

. (2)

П ри работе насосов с переменной во времени нагрузкой для нахождения требуемой мощности электродвигателей следует использовать нагрузочную диаграмму, пример которой показан на рис. 2. Эквивалентный момент нагрузки, определяемый по условиям допустимого нагрева электродвигателя, рассчитывается при этом по формуле (3)

Рис.2. Нагрузочная диаграмма двигателя при переменной во времени нагрузке

, Н×м , (3)

где t_ц =S t_i – время цикла.

Далее определяется соответствующая эквивалентная мощность нагрузки:

, кВт (4)

Полученное значение эквивалентной мощности подставляется в правую часть (2). Выбранный таким образом двигатель должен удовлетворять двум дополнительным условиям:

1. соответствие по пусковому моменту:

, (5)

где - пусковой момент двигателя, рассчитанный по паспортным данным; M₁ – начальный момент нагрузки по нагрузочной диаграмме;

2. соответствие по перегрузочной способности:

, (6)

где - максимальный момент двигателя, рассчитанный по паспортным данным; М_наиб – наибольший момент нагрузки с нагрузочной диаграммы (например, на рис. 2 М_наиб = М₃).

Выбор электродвигателя заканчивается при выполнении условий (2), (5), (6). Если условия (5) или (6) не выполняются, то следует выбрать по каталогу электродвигатель большей мощности и повторить проверку.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

И АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ НАСОСОВ

Схемы электроснабжения насосных станций зависят от напряжения электродвигателя и категории надежности потребителей. Связь предприятий и жилых районов с электроэнергетической системой осуществляется через главные подстанции предприятий (ГПП) или распределительные трансформаторные подстанции (РТП), мощность которых может составлять 5-25 МВт. Непосредственно потребителям электрическая энергия подается через распределительные сети с напряжением 6-10 кВ. Электроснабжение потребителей низкого напряжения (как правило, 380 В) осуществляется от стандартных трансформаторных подстанций (ТП – 10/0,4 кВ) с трансформаторами мощностью от 100 до 1000 кВА. При этом в зависимости от номинального напряжения электродвигатели насосов могут подключаться либо на высокой, либо на низкой стороне такого трансформатора. Пример схемы электроснабжения и варианты подключения электродвигателей насосов показаны на рис. 3.

Рис. 3. Пример подключения электродвигателей насосов

к электрической сети

В большинстве случаев насосы и насосные станции работают в системах жизнеобеспечения жилых районов и предприятий, поэтому по уровню надежности электроснабжения они относятся к первой категории потребителей, нарушение электроснабжения которых не допускается. Такие потребители должны иметь два независимых источника питания (две подстанции, два трансформатора, две системы распределительных устройств).

Задачи автоматизации насосов заключаются в обеспечении электроприводом насосов автоматического регулирования скорости вращения в зависимости от контролируемых параметров процесса: давления, температуры, уровня воды и т.п. Для контроля указанных параметров применяются датчики – элементы автоматических устройств, преобразующие изменение контролируемой физической величины в электрический сигнал. Сигналы с датчиков поступают в блок управления электроприводом, где по заранее заложенной программе вырабатываются команды для управления электродвигателем. На систему автоматизации возлагаются также защитные функции при аварийных ситуациях: неисправном оборудовании, переполнении водосборников, затоплении помещений и т.д. Система автоматизации насосов неотделима от системы автоматизации вспомогательного оборудования: задвижек, насосов смазки и охлаждения, вспомогательных вентиляторов и аппаратов искусственного климата, системы охранной сигнализации и т.п.

Наиболее экономичным способом регулирования скорости вращения электродвигателей переменного тока, допускающим плавное изменение скорости в широких пределах, является частотное регулирование. В этом случае электродвигатели подключаются к электрической сети через полупроводниковый преобразователь частоты. Использование частотно-регулируемого электропривода насосов взамен нерегулируемого позволяет сэкономить до 30-40 % электроэнергии, сократить потери воды в системе водоснабжения, а также избежать аварий, связанных с ночными пиками давления. В настоящее время в связи с развитием рынка преобразовательной техники применение частотно-регулируемых электроприводов насосов становится типовым инженерным решением.

Проектирование систем электроснабжения и автоматизации насосов и насосных станций должно выполняться в соответствии с требованиями Правил устройств электроустановок [2].

7. БЫТОВЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

При проектировании насосных станций обычно компонуют совместно бытовые, служебные помещения и помещения электpической части. Во всех насосных станциях должны быть: санитаpный узел (унитаз и pаковина) площадью 3 м² и помещение для обслуживающего пеpсонала со шкафами для хpанения одежды (8-25 м²). При расположении насосной станции на pасстоянии не более 50 м от пpоизводственных зданий, имеющих санитаpно-бытовые помещения, санитаpный узел допускается не пpедусматpивать. В отдельно стоящих станциях пpоизводительностью более 40000 м³/сут может пpедусматpиваться механическая мастеpская (10-30 м²), а также следует пpедусматpивать душ (4-6 м²) и гаpдеpоб (6-9 м²). Кpоме того, на насосных станциях могут быть: кабинет начальника (12-15 м²) и кладовые (6-10 м²).

На крупных насосных станциях для помещений распределительных устройств, бытовых и административных выделяют вспомогательный блок, который располагают обычно вдоль машинного зала со стороны напорных трубопроводов или в торце машинного зала. В отдельных случаях на очень мощных насосных станциях все вспомогательные помещения размещают в отдельно стоящем здании.

8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

В насосных станциях следует предусматривать измерение давления в напорных водоводах и у каждого насосного агрегата, расходов воды на напорных водоводах, а также контроль уровня воды в дренажных пpиямках и вакуум-котле, темпеpатуpы подшипников агpегатов (пpи необходимости), аваpийного уpовня затопления (появления воды в машинном зале на уpовне фундаментов электpопpиводов).

Насосные станции всех назначений должны пpоектиpоваться, как пpавило, с упpавлением без постоянного обслуживающего пеpсонала: автоматическим - в зависимости от технологических паpаметpов (уpовня воды в емкостях, давления или pасхода воды в сети); дистанционным (телемеханическим) - из пункта упpавления; местным - пеpиодически пpиходящим пеpсоналом с пеpедачей необходимых сигналов на пункт упpавления или пункт с постоянным пpисутствием обслуживающего пеpсонала. При автоматическом или дистанционном управлении должно пpедусматpиваться также местное упpавление.

В автоматизируемых насосных станциях при аварийном отключении рабочих насосных агрегатов следует осуществлять автоматическое включение резервного агpегата. При установке в насосной станции вакуум-котла для залива насосов должна быть обеспечена автоматическая работа вакуум-насосов в зависимости от уровня воды в котле.

В насосных станциях должна предусматриваться блокировка, исключающая сработку пожарного, а также аварийного объема воды в резервуарах.

В насосных станциях должна предусматриваться автоматизация следующих вспомогательных процессов: промывки вращающихся сеток по заданной программе, регулируемой по времени или перепаду уровней, откачки дренажных вод по уровням воды в приямке, электроотопления по температуре воздуха в помещении, а также вентиляции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СНиП 2.04.02-84^*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/ Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2001. 128 с.

2. Залуцкий Э.В., Петрухно А.И. Насосные станции. Курсовое проектирование. Киев: Вища школа, 1987. 167 с.

3. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: Справ. Пособие. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1984. 116 с.23

4. Карасев Б.В. Насосные и воздуходувные станции. Мн.: Выш. шк., 1990. 326 с.

5. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986. 320 с.

6. Справочник монтажника. Оборудование водопроводно-канализационных сооружений/ Под ред. А.С.Москвитина. М.: Стройиздат, 1979. 460 с.