Основной смысл использования регулируемого электропривода и систем автоматизированного управления (САУ) в насосных установках заключается в том, чтобы привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы водопроводной или канализационной сети. Водопотребление и соответственно сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени по случайно-вероятностным законам. В этом статье рассматриваются методы снижение энергопотребление до минимально возможного значения. При существенном изменении водопотребления система сигнализирует дежурному персоналу о необходимости изменения количества работающих агрегатов. Система решает разнообразные задачи: поддерживает заданное стабильное давление на напорном коллекторе станции или в водопроводной сети (в соответствии с заданием); изменяет подачу воды в соответствии с изменением водопотребления в системе; обеспечивает работу насосных агрегатов в рабочей зоне, препятствуя возникновению перегрузки, помпажа, кавитации, а также работе насосных агрегатов в зоне низких КПД.
Опыт использования регулируемого электропривода показал, что без создания САУ режимами работы насосных и воздуходувных установок получить ожидаемый экономический эффект невозможно. Оператор установки не может ежеминутно отслеживать изменения в режиме работы объекта, не может своевременно изменять соотношение частот вращения нескольких одновременно работающих регулируемых агрегатов, включать и отключать нерегулируемые агрегаты, закрывать и открывать затворы, т. е. выполнять те операции, которые необходимы для обеспечения энергосберегающего режима работы установки. Еще больше усложняется задача управления, если несколько установок работают совместно, обеспечивая общий технологический режим подачи воды или воздуха потребителю, например несколько насосных станций подают воду в общую водопроводную сеть. В этом случае возникает необходимость в создании объединенной САУ этими установками, обеспечивающей наиболее выгодное распределение нагрузки между этими установками.
Для создания энергосберегающих систем управления необходимо сформулировать основные технологические требования, при соблюдении которых будет обеспечено эффективное использование регулируемого привода.
Разработка технологических требований нуждается в системном подходе к решению совокупных задач и проблем, возникающих при построении САУ. Такой подход характеризуется совместным рассмотрением проблем автоматизации и технологических задач. При этом на всех этапах разработки, проектирования и внедрения САУ приоритетное значение имеет технологический процесс перекачки воды и стоков или подачи воздуха.
При разработке энергосберегающих САУ воздуходувных установок следует иметь в виду, что технологический процесс воздухоподачи имеет большее разнообразие, чем процесс водоподачи или водоотведения. Регулирование режима работы вентиляторных установок обусловлено, главным образом, сезонными и суточными изменениями температуры и влажности воздуха, его запыленностью, которая преимущественно зависит от характера производств в вентилируемом помещении (подземная выработка, металлургическое предприятие, зрелищное учреждение и пр.).
Регулирование режима работы воздуходувных агрегатов преимущественно зависит от технологического процесса основного производства (подача воздуха в аэраторы биологических очистных сооружений, подача воздуха в конвертеры металлургических заводов).Режим работы компрессорных установок, подающих сжатый воздух в рудники, цеха промышленных предприятий, и его регулирование определяется преимущественно ритмом производства. На рудничных площадках в подземные выработки наибольшее количество воздуха подается в рабочие смены, а в смены, когда ведутся ремонтные и профилактические работы, потребность в сжатом воздухе резко падает. В цехах промышленных предприятий потребность в сжатом воздухе существенно изменяется в течение рабочего дня (обед, пересменка и пр.).
Реализация технических решений при разработке САУ осуществляется комплексно, затрагивая составные части насосных и воздуходувных установок, участвующих в технологическом процессе воздухоподачи, водоподачи и водоотведения, в том числе: технологическую схему станции, насосное, вентиляционное, гидромеханическое и электроэнергетическое оборудование и пр. При необходимости затрагиваются компоновочные решения и вносятся изменения в строительную часть сооружения. Разработка, проектирование, монтаж, наладка и ввод в эксплуатацию САУ осуществляется под единым научно-техническим руководством организации-разработчика САУ. В соответствии с изложенными принципами создана излагаемая ниже методика, которая охватывает весь процесс построения САУ, начиная с обследования объекта, кончая вводом САУ в эксплуатацию.
В настоящей статье рассматриваются насосные станции, работающие в системах водоподачи, водоотведения и оборотного водоснабжения, а также воздуходувные установки различных производств [3]. В системах водоотведения большая часть насосных станций осуществляет перекачку сточных вод из приемного резервуара, в который сточная вода поступает самотеком или подается другой насосной станцией, расположенной на более низкой геодезической отметке. Здесь основным параметром управления является уровень воды в резервуаре.
При разработке САУ должен учитываться график притока сточных вод в приемный резервуар станции. Системы водоподачи характеризуются большим разнообразием технологических решений, которые необходимо учитывать уже в начальной стадии разработки при выборе принципиальной схемы САУ. Разрабатывая САУ водопроводной станции, необходимо учитывать ее место в общей схеме водоснабжения, назначение водопровода, график водопотребления, количество водоисточников, наличие регулирующих резервуаров, регулирующих насосных станций [3]. Для водопроводных станций обычно регулируемым параметром является давление в напорном коллекторе или в диктующей точке сети. В отдельных случаях параметром регулирования может служить уровень воды в резервуарах. Системы оборотного водоснабжения характеризуются взаимодействием различных контуров охлаждения воды и их отдельных элементов. В качестве параметров регулирования приходится использовать одновременно давление в магистрали и уровень воды в резервуарах. В отдельных случаях могут использоваться значения температуры или расхода охлаждающей воды. При построении САУ необходимо учитывать технологический режим работы производства, обслуживаемого системой оборотного водоснабжения, поскольку от него зависит график водопотребления и водоотведения системы. Если в состав оборотного водоснабжения входят вентиляторные градирни, что характерно для металлургических и химических предприятий, необходимо создание объединенной САУ, обеспечивающей совместное управление насосами и вентиляторами. В таких системах основным параметром может быть температура воды, подаваемой на охлаждение слитков, если это металлургическое производство, или воды, охлаждающей теплообменники химического производства [3]. Во всех случаях должны учитываться цели, положенные в основу управления. К их числу относятся: обеспечение наименьшего потребления энергии насосными и воздуходувными агрегатами; обеспечение наиболее полного устранения избыточных напоров; поддержание заданного давления в диктующих точках сети или в напорном коллекторе станции; стабилизация температуры в заданной точке технологической цепочки; поддержание необходимого содержания кислорода в аэротенках или конверторах металлургических цехов; поддержание определенного уровня в резервуарах; предотвращение неконтролируемых перетоков, перемещаемых сред (воды, воздуха и пр.) в трубопроводных системах и резервуарах (излив, опорожнение и т. д.); предотвращение неэкономичных и опасных режимов работы насосных и воздуходувных агрегатов (кавитации, помпажа, гидравлических ударов) и т. д. Рассмотрим наиболее характерные варианты построения САУ: канализационная насосная станция, перекачивающая сточные воды из приемного резервуара на очистные сооружения или в коллектор. Основной целью управления является стабилизация уровня сточных вод в приемном резервуаре. Таким образом, в каждый момент времени обеспечивается перекачка такого количества воды, которое поступает в приемный резервуар; водопроводная насосная станция, подающая воду непосредственно в сеть. Основной целью управления является поддержание заданного давления в диктующих точках сети или на напорном коллекторе. Таким образом, обеспечивается подача такого количества воды в сеть, которое требуется потребителю; водопроводная насосная станция, подающая воду в промежуточные резервуары, из которых вода забирается насосами II, III подъема. Задача управления усложняется необходимостью учета регулирующей способности резервуаров; несколько насосных станций, подающих воду в общую сеть. В этом варианте наряду с поддержанием заданного давления в сети и учета колебаний уровня в резервуарах возникает задача оптимального распределения нагрузки между станциями, обеспечивающего минимум энергетических затрат на подачу воды. В системах водоподачи и водоотведения насосным установкам малой производительности (до 30 млн м3/год) присущи некоторые особенности. Эти установки расположены, обычно, близко к потребителю воды, поэтому они непосредственно без существенного сглаживания воспринимают все изменения в режиме водопотребления и притока сточных вод. Мощность насосных агрегатов, установленных на такого рода объектах, ограничивается, как правило, 160–250 кВт. На этих объектах обычно используется электропривод на низком напряжении (380 В). Обслуживающий персонал таких станций характеризуется немногочисленным составом и сравнительно невысокой квалификацией. Многие из этих объектов работают на замке, без постоянного оперативного персонала. Технические решения должны предусматривать автоматический ввод резервного оборудования взамен вышедшего из строя и сигнализацию о происшедшем на диспетчерский пункт. Насосные установки производительностью 20÷30 млн м3/год и выше отличаются тем, что они работают в более спокойном режиме водопотребления или притока сточных вод за счет аккумулирующей способности резервуаров, коллекторов и тому подобных сооружений, а также рассредоточения во времени и пространстве изменений в режимах водопотребления различных потребителей [2]. Мощность насосных агрегатов, установленных на этих объектах, обычно находится в пределах 300÷1250 кВт. Электропривод таких насосов, как правило, высоковольтный (6÷10 кВ). Кроме короткозамкнутых асинхронных двигателей, характерных для насосных установок предыдущей группы, на этих объектах довольно часто используются синхронные электродвигатели, особенно при мощностях 630÷1250 кВт. Обслуживающий персонал этих станций, как правило, обладает более высокой квалификацией по сравнению с персоналом насосных установок меньшей производительности. Часто на обслуживающий персонал крупных насосных установок возлагается контроль за работой насосных установок, работающих на замке, осуществляемый по каналам телемеханики. В этой связи, а также из-за более сложного устройства этих объектов и важности места, занимаемого ими в общей схеме водоснабжения или водоотведения, они работают с постоянным оперативным персоналом [3]. Кроме того, сравнительно высокая мощность насосных агрегатов этих объектов и большая их производительность обусловливают высокое абсолютное значение экономии энергии и воды, получаемой за счет применения современных САУ.
Заключением является экономические эффекты при автоматизации электроприводов насосных и вентиляторных установок.
В ходе ТЭО рассматриваются все варианты разработанных решений и сравниваются с существующим. Сравнение осуществляется по следующим основным показателям: эксплуатационным затратам; дополнительным капитальным вложениям; срокам окупаемости разработанных технических решений. С применением современных САУ с регулируемым электроприводом изменяются следующие статьи эксплуатационных расходов: Снижается расход электроэнергии на 5÷15 %, в отдельных случаях на 20÷25 %. Снижается расход чистой воды на 2÷5 % за счет стабилизации напора в водопроводной сети и соответственно уменьшаются утечки и непроизводительные расходы. Снижается расход чистой воды, соответственно, снижается сброс сточных вод в систему водоотведения примерно на ту же величину. Ориентировочно сброс сточных вод оценивается в размере 80 % экономии чистой воды [3].
Уменьшается количество аварийных раскопок и объем ремонтных работ в зависимости от снижения избыточных напоров. Прочие эксплуатационные расходы за исключением амортизационных отчислений существенного влияния на общие показатели, в том числе на срок окупаемости САУ, не оказывают. В отличие от вышеназванных показателей амортизационные отчисления не уменьшают, а увеличивают эксплуатационные отчисления, так как использование дорогостоящего оборудования, в том числе регулируемого электропривода, увеличивает амортизационные отчисления [2].
Заключение
Опыт внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем в насосных установках показал, что они обеспечивают:
– экономию 5÷15 %, а в отдельных случаях до 30 % электроэнергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод;
– снижение расхода чистой воды на 2÷5 % за счет стабилизации давления в водопроводной сети и соответственно уменьшения утечек и нерациональных расходов воды;
– сокращение сброса сточных вод в канализацию на 2÷4 % благодаря снижению утечек и нерациональных расходов воды;
– уменьшение строительных объемов зданий насосных станций на 15÷20 % за счет укрупнения единичной мощности насосных агрегатов и соответственно уменьшения их количества;
– уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования благодаря сокращению количества пусков и остановок насосных агрегатов;
– снижение вероятности возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, благодаря плавному изменению режимов работы насосных установок. Применение регулируемого электропривода в САУ воздуходувных установок существенно зависит от их назначения.
По данным плавное регулирование частоты вращения вентиляторов градирен экономит до 30 % годового потребления энергии. При использовании двухскоростных электродвигателей экономится до 23 % энергии. По тем же данным плавное регулирование частоты вращения вентиляторов градирен в сочетании с плавным регулированием частоты вращения насосных агрегатов, подающих воду на градирни, достигает 55 %, а плавное регулирование насосных агрегатов в сочетании с использованием двухскоростного привода вентиляторов дает 45÷50 % экономии энергии [1].
Литература:
- Пономаренко B. C., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1998.
- Онищенко Г. Б. Регулируемый электропривод главных циркуляционных насосов III блока Белоярской АЭС // Электрические станции. 1982. № 6.
- Лезнов Б. С. Энергосберегающие автоматизированные системы в водоснабжении и водоотведении // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 2.
