10.3. Автоматический пуск и остановка центробежных насосов

Запускать и останавливать центробежные насосы с открытой задвижкой на напорном трубопроводе начали сравнительно недавно. Благодаря ряду преимуществ этот способ находит широкое применение в ме­лиоративных системах, установках горнорудного водоотлива, водоснабжения и на электростанциях.

В литературе описана эксплуатация насосов с открытой задвижкой производительностью 1500 - 2000 м³/ч с электроприводом от асинхронного двигателя мощ­ностью 1000 - 1200 кет. В большинстве случаев имеется в виду работа при наличии в напорном трубопроводе обратного клапана. Однако насос с постоянно открытой задвижкой может работать и без обратного клапана. Условия пуска и остановки в этом случае принци­пиально меняются, и пуск не всегда возможен.

Для мелиоративных систем последний режим — пуск и остановка без задвижек и обратных клапанов — представляет большой интерес. Однако выбору этой системы должен предшествовать анализ возможностей и усло­вий его применения. Качественный процесс пуска на­соса с открытой задвижкой при отсутствии обратного клапана может быть показан на кривой Q—Н, на кото­рой нанесены зависимости производительности насоса, потребляемой им мощности и коэффициента полезного действия от напора при постоянных оборотах (рис. 10.4)

При подборе насоса полная высота подъема воды определяется по формуле:

H_п = H_г + Lh,

где Н_п — полная высота подъема воды;

Н_т — общая геометрическая высота подъема, равная сумме геометрических высот всасывания и нагнетания;

∑h = SQ² — сумма всех гидравлических потерь в трубопроводах;

S — сопротивления в трубопроводах заданных длин и диаметров;

Q — производительность насоса.

На рисунке10.4 прямая СД проведена параллельно оси Q на расстоянии Н_г, равном геометрической высоте подъема.

Параболическая кривая СЕ является кривой потерь в трубопроводе (характеристика трубопровода). Она пересекает рабочую характеристику в точке А, называемой предельной рабочей точкой насоса, работающего в данных конкретных условиях. Точкой А определяются параметры рабочей точки насоса Q_A; Я_А; N_A и к)_А при установившемся режиме

При подборе насоса стремятся к тому, чтобы:

а) заданный режим работы лежал в области наивыгоднейшего значения к. п. д. насоса (η_А);

б) высота всасывания насоса не превышала предела, установленного для данной конструкции.

После пуска насоса особенно большой производительности при открытой задвижке и незаполненном водой трубопроводе происходит постепенное заполнение водой нагнетательного трубопровода и возрастание геодезической высоты всасывания.

Разгон насосного агрегата до номинальных оборотов и главным образом его работа в неустановившемся ре­жиме характеризуются кривой OA'А. Кривая СЕ как бы перемещается по характеристике Q—H от точки А' периода разгона ,и начала заполнения трубопровода к точке А установившейся нормальной работы.

В точке А' производительность насоса Q'_a значительно превышает нормальную.

Работа насоса происходит в правой неустойчивой зоне характеристики Q—Н. Насос здесь имеет наименьшую всасывающую способность и до определенного на­полнения трубопровода может кавитировать. Начиная от точки А', как это следует из кривой N, электродвигатель будет работать с перегрузкой. Время такой работы определяется временем работы агрегата на участке А'А, то есть зависит от характеристики насоса, конфигурации и размеров напорного трубопровода. Этот период можно установить расчетом.

Очевидно, что работа насосного агрегата с открытой задвижкой допускается лишь при условии, что перегрузка электродвигателя и ее продолжительность лежат в допустимых пределах. Кроме того, эта временная перегрузка должна быть учтена при построении токовой защиты схемы автоматического управления насосным агрегатом.

В мелиоративных системах большинство насосных станций работают в открытую сеть. Поэтому при отсутствии задвижек и обратных клапанов в напорных трубопроводах особое внимание следует уделять недопущению слива воды через отключенный агрегат из общего водоприемного устройства напорного бассейна, являющегося головной частью отводящего канала. Этот про­цесс должен быть автоматизирован. Для этого в конце трубопровода предусматривают хлопушки, быстропадающие щиты, полигональные водосливы и сифонные водовыпуски с различными устройствами для срыва вакуума в сифоне.

В настоящее время применяются преимущественно сифонные водовыпуски, считающиеся более надежными и экономичными. На рисунке 10.5 в качестве иллюстра­ции приведены два типа устройств, применяемых для автоматического срыва вакуума в сифоне при обратном токе воды в трубопроводе.

Гидравлический затвор, разработанный Укргипроводхозом (рис. 10.5) состоит из трубки 8 и вертикального стакана 9. Трубка сечением, равным приблизительно 1,5% живого сечения горловины сифона, ввари­вается открытым концом в сифон. Второй конец трубки помещают в металлический стакан диаметром, большим диаметра трубки на 100 мм. Соединенный трубкой с полостью сифона, стакан заполняется водой одновременно с наполнением канала.

При прохождении воды через сифон уровень ее в стакане устанавливается выше нижней грани трубки на величину скоростного напора, которая может быть доведена до 50-60 см при скорости движения воды порядка 3-3,5 м/сек.

При прекращении тока воды в сифоне или ее движении в обратную сторону уровень воды в стакане падает, обнажая нижний конец трубки. Воздух входит в полость сифона, вакуум срывается и движение воды из отводящего канала в трубопровод прекращается.

Клапан срыва вакуума конструкции Гипроводхоза (рис. 10.5, б) имеет рычаг с лопаткой 1, опущенной в трубопровод. При прямом потоке под давлением воды на лопатку, входные отверстия перекрываются тарельчатыми клапанами 5. При отключении насоса и изменении направления потока вода давит на лопатку в обратную сторону, тарельчатые клапаны открывают входные отверстия и впускают воздух, прекращая поступление воды в трубопровод. Этот клапан имеет подвижные механические детали и менее надежен в эксплуатации.

Институт Узгипроводхоз для клапана срыва вакуума применяет грузовой или пружинный привод масляного выключателя. При отключении работающего насосного агрегата или пропаже напряжения привод срабатывает и клапан срывает вакуум.

Каждая конструкция клапана срыва вакуума имеет свою область применения и выбирается при разработке гидромеханической схемы.

В схемах автоматического управления насосными агрегатами работа клапана срыва вакуума должна отражаться сигнализацией его состояния и блокировкой, не допускающей включения насосного агрегата при неисправности клапана.

При любой остановке насосного агрегата вся вода из напорного трубопровода будет сливаться в нижний бьеф через насос, который в этом случае работает в турбинном режиме. Поэтому реверс агрегата должен быть предварительно согласован с заводом — поставщиком оборудования. Как правило, насосные агрегаты могут допускать возможность кратковременного (в пределах часа) обратного вращения с разгонным числом оборотов n_р = 1,2-1,3 n_и, где n_а — номинальное число оборотов.

Как время работы в реверсивном режиме, так и n_р обусловливаются параметрами напорного трубопровода. Зачастую, при очень длинных трубопроводах и большой высоте подачи воды, допустимые параметры работы агрегата в реверсивном режиме не выдерживаются, и в этом случае эксплуатация такого агрегата недопустима.

Нельзя также повторно запускать выключенный агрегат во время его работы в турбинном режиме. Такой пуск может вызвать аварийное отключение электродвигателя вследствие его перегрузки, а также механические повреждения агрегата. Поэтому в схемах автоматического управления 1-й группы должны предусматриваться либо блокировка, предотвращающая возможность такого пуска, либо, в крайнем случае, сигнализация, предупреждающая персонал об опасности такого пуска.

Датчиком для блокировки или сигнала может быть струйное реле, реле обратного вращения и т. п.

Управление насосным агрегатом с электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе

2-я группа схем предназначается для управления насосными агрегатами, имеющими индивидуальные элек­трифицированные задвижки на напорных трубопроводах. В связи с этим данная группа схем более сложна.

Пуск насосного агрегата происходит при закрытой напорной задвижке. Она начинает открываться после окончания разгона двигателя и установления соответствующего давления. Такой способ создает условия для плавного и спокойного нарастания мощности в период пуска.

Допускается также пуск при одновременном включении двигателя насоса и напорной задвижки. Этот спо­соб по существу мало отличается от первого, так как обычно время пуска двигателя значительно меньше времени, необходимого для открытия задвижки, и к моменту окончания разгона насоса задвижка открывается на весьма малую величину, которая незначительно изменяет характер пуска с полностью закрытой задвижкой. Однако при последовательном пуске насоса и задвижки схема автоматики получается более четкой. Задвижка должна закрываться перед отключением основного насоса и после аварийного отключения электродвигателя.

Обычно применяются электрифицированные задвижки с реверсивным асинхронным короткозамкнутым двигателем. Основной недостаток такого привода на переменном токе в насосных станциях, работающих без обслуживающего персонала, заключается в том, что при аварийном исчезновении напряжения на шинах насосных станций задвижка не закроется и, следовательно, не будет предотвращен реверс агрегата и обратный ток воды.

Таким образом, возможность реверса насосного агрегата при аварийном исчезновении напряжения должна быть предусмотрена для всех рассматриваемых гидромеханических схем: как без задвижки, так и с электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе. В отдельных случаях для предотвращения реверса на напорных трубопроводах устанавливают обратные клапаны, электрифицированные задвижки с независимым источником питания или задвижки с гидравлическим приводом.

Управление насосным агрегатом с вакуум-насосом и электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе

3-я и 4-я группы схем обеспечивают автоматизацию агрегата с центробежным насосом, ось которого расположена выше горизонта воды в водоисточнике. Пуск этого агрегата может быть осуществлен лишь с предварительным заливом его водой при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, а схема управления агрегата должна в этом случае обеспечить взаимодействие ряда вспомогательных механизмов и аппаратуры.

Помимо управления электроприводами основного насоса и электрифицированной задвижки, возникает необходимость в предварительном заливе насоса водой. Эту операцию на автоматизированных мелиоративных насосных станциях выполняют преимущественно с помощью водокольцевых. вакуум-насосов типа КВ.

На рисунке 10.6 приведена схема соединения вакуум-установки 2 с основным насосом/. Требуемая для нормальной работы вакуум-насоса постоянная циркуляция воды обеспечивается при помощи бачка 3, из которого вода поступает во всасывающий трубопровод 5 и вместе с воздухом попадает в корпус насоса. Затем, по мере вращения рабочего колеса, воздух и излишняя вода через нагнетательный трубопровод 6 выбрасываются обратно в бачок.

Автоматизация этого процесса требует наличия устройства 4, контролирующего уровень или проток воды (для фиксации окончания процесса залива насоса), а также дистанционно управляемого запорного вентиля для разобщения трубопровода, соединяющего вакуум-насос с центробежным (чтобы вода из камеры насоса не поступала в вакуум-насос и бачок). Приводом вакуум-насоса обычно служит асинхронный короткозамкнутый двигатель мощностью 1,5 или 2,2 квт соответственно для насосов марок КВН-4 и КВН-8.

Приведенный процесс залива насоса водой относится к насосной станции с одним агрегатом. Автоматизация процесса залива нескольких агрегатов может быть построена по принципу, при котором каждый насосный агрегат снабжается индивидуальным вакуум-насосом. Можно также, учитывая однотипность процесса залива всех насосов станции, устанавливать два вакуум-насоса для обслуживания всех агрегатов.

Схема залива насосов с индивидуальными вакуум-насосами позволяет построить всю автоматизацию по принципу, при котором каждый насосный агрегат имеет независимый от других полный комплект вспомогательных механизмов и аппаратуры, электросиловые цепи и цепи управления. При этой схеме выход из строя одного из агрегатов не влияет на работу других.

Вторая схема залива предусматривает общую вакуум-установку для насосной станции в целом. В этом случае выход из строя вакуум-установки выводит из строя всю станцию. Преимуществом первой схемы по сравнению со второй является также отсутствие дистанционно управляемых вентилей в гидромеханической системе и более короткие всасывающий и нагнетательный трубопроводы вакуум-установки. Однако при первой схеме для каждого агрегата, если их больше двух, требуется дополнительный вакуум-насос с электродвигателем и пусковой аппаратурой.

Учитывая технические преимущества и недостатки приведенных вариантов залива насоса, для насосных станций с количеством агрегатов до 3-4 целесообразно принять индивидуальные вакуум-насосы (3-я группа схем). На насосных станциях, где больше четырех агрегатов, должна применяться схема 4-й группы как более экономичная.