Характеристика насосной станции и требования, предъявляемые к электроприводу насосов

     Введение 

     Основными потребителями электрической энергии  являются различные отрасли промышленности, транспорта, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство городов и поселков. При этом около 70% потребления электроэнергии приходится на промышленные объекты.

     Электрическая энергия широко применяется во всех отраслях народного хозяйства, особенно для электрического привода различных  механизмов (компрессоров, насосов  и т.д.), для электротехнологических установок (электротермических и электросварочных), а также для электролиза, электроискровой и электрозвуковой обработки материалов, электрокраски и др.

     Для обеспечения подачи электроэнергии в необходимом количестве и соответствующего качества от энергосистем к промышленным объектам, устройствам и механизмам служат системы электроснабжения промышленных предприятий, состоящие из сетей напряжением 1кВ и выше, и трансформаторных, преобразовательных, распределительных подстанций.

     Электроустановки  потребителей электрической энергии  имеют свои специфические особенности; к ним предъявляют определенные требования: надежность питания, качество электроэнергии, резервирование и защита отдельных элементов и др. При проектировании, сооружений и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий необходимо правильно, в технико-экономическом аспекте, осуществлять выбор напряжений, определять электрические нагрузки, выбрать тип, число и мощность трансформаторных подстанций, виды их защиты, системы компенсации электрической мощности и способы ее регулирования напряжения. Это должно решаться с учетом совершенствования технологических процессов производства, роста мощности отдельных электрических приемников и особенности каждого предприятия, цеха, установки, повышения качества и эффективности их работы.

     Передача, распределение и потребление выработанной электроэнергии на промышленных предприятиях должны производится с высокой экономичностью и надежностью.

     В системе цехового распределения  электрической энергии широко используются КРУ, подстанции, силовые и осветительные  шинопроводы. Это создает гибкую и надежную систему распределения, в результате чего экономится большое количество проводов и кабелей.

     Упрощены  схемы подстанций различных напряжений и назначений за счет, например, отказа от выключателей на первичном напряжении с глухим присоединением трансформаторов подстанций к питающим линиям. Широко применяют современные системы автоматики, а также простые и надежные устройства защиты отдельных элементов системы электроснабжения промышленных предприятий. Все это обеспечивает необходимое рациональное и экономическое расходование электроэнергии во всех отраслях промышленности, являющихся основными потребителями огромного количества электроэнергии, которая вырабатывается на электростанциях, оснащенных современным энергетическим оборудованием.

     Для Республики Молдова основными источниками  электрической энергии являются: Дубосарская ГЭС; Костештская ГЭС; Молдавская ГРЭС (Кучурганская) – это  внутренние источники электрической  энергии Республиканского значения. Также Республика Молдова импортирует электрическую энергию из Украины, Румынии и др. Большинство из крупных городов получают электроэнергию от CET-1 и CET-2 г.Кишинев, (CET-Nord) города Бельцы.

     Основными величинами напряжений в Республике Молдова потребляемые электроприемниками являются: 400, 330, 110, 35, 10 кВ – это величины высокого напряжения, и 0,4; 0,23 кВ - это низкие напряжения. Напряжение 6 кВ в Республике Молдова широко не применяется, но на предприятиях еще используются электрические двигатели на такое напряжение.

     Характеристика насосной станции и требования, предъявляемые к электроприводу насосов 

     Насосные  установки широко применяются на электромашиностроительных предприятиях для перекачивания жидких сред, а  также технологической и охлаждающей  воды. Сюда относятся насосы для перекачки охлаждающей эмульсии в металлообработке, насосы в системе водоснабжения и канализации, специальные насосы для химических сред в гальванических цехах, насосы для пропиточных составов, лакокрасочных материалов и т.п.

     Наиболее  широкое распространение получили установки с центробежными насосами. В спиральном корпусе насоса помещается рабочее колесо с лопатками. При вращении колеса двигателем жидкость, поступающая к центру колеса из заборного резервуара через всасывающий трубопровод и открытую задвижку, центробежной силой выбрасывается по лопаткам на периферию корпуса. В результате в центре рабочего колеса создается разряжение, жидкость засасывается в насос, снова выбрасывается и далее подается в напорный трубопровод. Таким образом, в системе при открытой задвижке создается непрерывное течение, и центробежный насос имеет равномерный ход.

     Перед пуском центробежный насос нужно  заполнить жидкостью. Насос может  находиться как ниже, так и выше уровня жидкости. Если он расположен ниже уровня, то для его заливки достаточно открыть вентиль задвижки. Если же насос находится выше уровня перекачиваемой жидкости, то для заливки требуется создать разряжение внутри корпуса при помощи специального вакуум-насоса, в качестве которых обычно применяют поршневые насосы. После заливки насоса может быть включен приводной двигатель. Применяют три способа пуска:

     I. Пуск при закрытой напорной задвижке, при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается Пуск при закрытой напорной задвижке, при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается гидравлический удар в системе. От двигателя не требуется повышенный пусковой момент, так как пуск происходит практически вхолостую, но дополнительно тратится время на последующее открытие задвижки.

     II. Пуск при открытой напорной задвижке удобен, если насос расположен ниже уровня жидкости в заборном резервуаре и имеется обратный клапан. В этом случае не тратится время на открытие задвижки, и общее время агрегата меньше, хотя пуск самого двигателя более длителен из-за увеличение Мс.п.

     III. Пуск с одновременным включением привода открывания напорной задвижки насоса можно рассматривать как частные случаи первого и второго способов в зависимости от соотношения времени открывания задвижки и пуска насоса.

     По  способу действия насосы бывают не только центробежного типа, но и  поршневого.

     Поршневые насосы применяются для перекачивания  воды при больших высотах всасывания (до 5 – 6 м). Ввиду возвратно-поступательного  движения поршня для таких насосов, как и для поршневых компрессоров, характерны неравномерность хода и пульсации нагрузки на валу (при всасывании жидкости имеет место холостой ход, при сжатии – рабочий ход). Поэтому работа поршневых насосов сопровождается неравномерным течением жидкости в напорном трубопроводе. Для сглаживания пульсаций нагрузки и повышения равномерности хода применяют в одном насосе несколько рабочих цилиндров, а на валу устанавливают маховик.

     Поршневые насосы пускаются при открытой задвижке на напорном трубопроводе, иначе может  произойти авария. Если насос работает на магистраль, поддерживается постоянный напор Н, то поршню при каждом ходе приходится преодолевать постоянное среднее усилие независимо от скорости перемещения. Среднее значение мощности на валу насоса Рср = сНQ, но так как Н = const, то Рср = с1Q = с2ω. Следовательно, среднее значение момента на валу насоса при постоянном противодавлении не зависит от угловой скорости вала: 

     Мcp = Рcp /ω = с2 ω/ω = const. 

     Таким образом, поршневой насос пускается  в ход под нагрузкой, и от приводного двигателя требуется повышенный пусковой момент. 

     Выбор системы электропривода насосов 

     Насосы  относятся к числу механизмов с продолжительным режимом работы и постоянной нагрузкой. При отсутствии электрического регулирования скорости в насосных агрегатах небольшой мощности обычно применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от сети 380 В. Для привода насосов мощностью свыше 100кВт устанавливают асинхронные и синхронные двигатели на 6 и 10 кВ с прямым пуском, т.е. с включением на полное напряжение сети.

     Двигатели поршневых насосов соединяются  с валом насоса через замедляющую  передачу (клиноременную или зубчатую), поскольку поршневые насосы являются тихоходными механизмами. Центробежные насосы в большинстве случаев  выполняются быстроходными, поэтому их приводные двигатели имеют высокую угловую скорость (ω0 = 150 – 300 рад/с) и соединяются с валом насоса непосредственно.

     Для центробежного насоса особо важен  правильный выбор угловой скорости двигателя, т. к. производительность насоса (Q), создаваемый им напор (Н), момент (М) и мощность (Р) на валу двигателя зависят от угловой скорости ω. Для одного и того же насоса значение Q1, Н1, М1 и Р1 при скорости ω1 связаны со значением Q2, Н2, М2 и Р2 при скорости ω2 соотношениями:

     Эксплуатационные  свойства механизмов центробежного  типа (насосов, компрессоров, вентиляторов) определяются зависимостью напора Н (давление жидкости или газа на выходе механизмов) от производительности Q при различных угловых скоростях ω механизма. Эти зависимости, называемые Q – H-характеристиками, обычно приводятся в виде графиков в каталогах для каждого механизма.

     Для того, чтобы определить параметры  Н и Q насоса, необходимо знать Q –  Н-характеристику магистрали, на которую будет работать насос. Пересечение характеристик насоса и магистрали дает значение Н и Q, т.е. определяет режим работы механизма при различных скоростях его рабочего колеса. Полный напор в системе складывается из статического Нс и динамического Ндин напоров, при этом вторая составляющая напора пропорциональна квадрату скорости либо квадрату производительности насоса:  

     Н = Нс + Ндин = Нс + сQ2. 

     В системе с преобладанием статического напора при незначительном изменении  скорости двигателя от ω1 = ωном до ω3 характеристика насоса не пересекается с характеристикой системы. Это значит, что насос перестает подавать жидкость в систему. Такое положение может иметь место при асинхронном приводе насоса, когда снижение напряжения сети (Uc) обуславливает уменьшение скорости двигателя. Что может вызвать остановку насоса.

     Если  в системе преобладает динамический напор, то снижение Uc не приводит к остановке  асинхронного двигателя, однако производительность насоса уменьшается. При синхронном приводе насоса снижение Uc не изменяет скорости двигателя, и подача жидкости в систему не прекращается, но оно вызывает увеличение угла отставания θ ротора от статора и уменьшение Ммакс синхронного двигателя; при значительном снижении Uc двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. 

     Расчет  мощности приводных  электродвигателей  насосов 

     Выбираем  асинхронный двигатель типа АИ (асинхронный  интер-электродвигатель) предназначенный  для замены АД серии 4А и 4АМ в соответствии с рекомендацией Международной  Электротехнической Комиссией (МЭК). Двигатель основного исполнения имеет степень защиты 1Р43 (защищенное исполнение). По климатическому исполнению выбираем водостойкий.

     Определяем  мощность электродвигателей: 

     Рдв = kз  

     где ρ – плотность перекачиваемой жидкости кг/м3.

     g – ускорение свободного падения  – 9,81 м/с.

     Q – производительность насоса  – 60 м3/ч (0,0166 м3/с).

     Н – статистический напор, определяемы  как сумма высоты всасывания и  нагнетания: hв + hн = 8+20=28 м.

     ΔН  – потери напора в трубопроводе насосной установки – 1,2 м. 

     КПД – ηном = 0,7, ηП = 0,9

     Кз = 1,2

     И так, мощность электродвигателя составит: 

     Рдв =

     Рдв = 54.5 кВт ≈55 кВт 

     Мощность  одного приводного электродвигателя 55 кВт. На основании расчетов и исходных данных выбираем электродвигатель типа АИР250М6, технические данные которого приведены в таблице (Литература 3 «Справочник электромонтера» В.В. Москоленко, издательство «Академия», Москва 2005). 
 

     Согласно  заданию (где n = 950 об/мин, Р = 1,5 кВт) выбираем электродвигатель напорной задвижки типа АИР90L6 (Литература №3 «Справочник электромонтера» В.В. Москоленко, издательство «Академия», Москва 2005).

     Данные  электродвигателя приводятся в таблице. 
 

     Согласно  заданию (где n = 1420 об/мин, Р = 2,5 кВт), по той же таблице (Литература №3), выбираем электродвигатель вакуум-насосной установки  выбираем типа АИР100S4. Его данные:  
 

     Электросхема управления насосной установкой и описание ее работы 

     Кроме аппаратуры общего назначения – контакторов, пускателей, промежуточных реле, универсальных  переключателе и т.п. в системах автоматизации насосных установок  используют специальные аппараты управления и контроля – реле контроля уровня жидкости, струйные реле, реле давления, реле контроля заливки центробежных насосов. В качестве реле контроля уровня применяют поплавковое реле, электродные реле, манометры различных типов, датчики емкостного типа, радиоактивные датчики.

     Рассмотрим  примеры построения схем управления электроприводами насосных агрегатов, поясняющие основные принципы, используемее при автоматическом управлении работой  указанных механизмов.

     На  рисунке 1.1 приведена схема автоматизации  простейшего насосного агрегата, предусматривающая два режима управления: ручное и автоматическое. Выбор режима производится с помощью ключа КУ. Если рукоятка КУ поставлена в положение Р (ручное), то управление двигателем М насоса осуществляется по обычной схеме – с помощью кнопок SBC (пуск), SBТ (стоп) и магнитного пускателя КМ. Включение или отключение насоса производится оператором, который следит за уровнем жидкости в резервуаре.

     При установке ключа в положение  А, автоматическое управление двигателем производится от датчика уровня. При малом уровне жидкости в резервуаре контакт РУ разомкнут, и насос не включен. Если жидкость достигнет верхнего уровня, контакт РУ замкнется, получит питание катушка пускателя КМ, и включится двигатель М. насос начинает работать и перекачивать жидкость из емкости к потребителю. Контакт РУ остается замкнут до тех пор, пока уровень жидкости в резервуаре не снизится до нижней отметки. Тогда контакт РУ разомкнется, что вызовет отключение пускателя КМ и остановку двигателя насоса.

     Защита двигателя и агрегатов управления от тока к.з. и перегрузки осуществляется автоматическим выключателем QF, имеющим комбинированный расцепитель. Нулевая защита обеспечивается катушкой магнитного пускателя. Датчик уровня ДУ работает без понижающего трансформатора, а импульс управления с ДУ передается в схему непосредственно – без промежуточного реле. Такую схему можно применять при небольшом расстоянии между насосами и резервуаром, когда падение напряжения в проводах, соединяющих катушку КМ с контактами реле РУ, невелико.

     На  рисунке рис. 1.2 приведена схема  автоматического управления двумя  насосными агрегатами Н1 и Н2, эксплуатируемыми без дежурного персонала. Работа схемы основана на принципе пуска  и остановки насосов в зависимости  от уровня жидкости в контролируемом резервуаре, из которого производится откачка. Для контроля заполнения бака жидкостью применяют электронный датчик уровня ДУ. Схема разработана для условий пуска и остановки насосных агрегатов при постоянно открытых задвижках на выходном трубопроводе. Из двух насосных агрегатов один является рабочим, а второй – резервным. Режим работы агрегатов задается переключателем откачки ПО: положение 1 – насос Н1 с двигателем М1 рабочий, насос Н2 с двигателем М2 – резервным, который включается, если производительность насоса Н1 окажется недостаточной. В положении 2 рабочим является насос Н2, а резервным – Н1.

     Рассмотрим  работу схемы при установленном  переключателе откачки в положении 1, а ПУ1 и ПУ2 в положении А - стоит автоматическое управление насосами. Контакты 1 и 3 переключателя ПО замыкают цепи катушек реле РУ1 и РУ2, но реле не включается, т.к. при нормальном уровне жидкости остаются разомкнутыми электроды Э2, Э3 датчика уровня ДУ. При повышении уровня до электрода Э2 замыкается цепь катушки реле РУ1, оно срабатывает, и через замыкающий контакт РУ1 подается питание в катушку пускателя КМ1. Включается двигатель М1 и насос Н1 начинает откачку. Уровень жидкости в емкости понижается, но при разрыве контакта Э2 двигатель не останавливается, т.к. катушка реле РУ1 продолжает получать питание через свой контакт РУ1 и замкнутый контакт электрода Э1. Такая блокировка реле РУ1 применена во избежание частых пусков и остановок насосного агрегата при небольших изменениях уровня жидкости и обеспечивает отключение насоса лишь тогда, когда уровень жидкости спадает ниже нормального и размыкается контакт Э1.

     При аварийном отключении рабочего насоса или недостаточной его производительности, уровень жидкость в резервуаре будет  повышаться. Когда он достигнет электрода ЭЗ датчика ДУ, получит питание катушка реле РУ2. Реле сработает и включит магнитный пускатель ПМ2; включится двигатель М2 резервного насоса. Отключение резервного насоса произойдет при падении уровня жидкости ниже электрода Э1.

     Схема автоматизации работы насоса. Рис.1.1 

     Если  по каким либо причинам будет иметь  место большой приток жидкости, то производительность обоих насосных агрегатов может оказаться недостаточной, и жидкость поднимется до предельно  допустимого уровня, на котором установлен электрод Э4. При этом замкнется цепь катушки реле РА, которое сработает и замкнет цепь аварийной сигнализации, оповещая персонал о ненормальной работе насосных агрегатов. Для подачи предупредительного сигнала при исчезновении напряжения в цепях управления служит реле контроля напряжения РКН. Цепь аварийной сигнализации питается от самостоятельного источника. Белая сигнальная лампа НL служит для оповещения персонала о наличии напряжения в цепях управления при контрольных осмотрах аппаратуры.

     Схема автоматического управления двумя насосами. Рис.1.2

      Переход на ручное (местное) управление насосными агрегатами производится поворотом переключателей ПУ1 и ПУ2 в положение Р. Включение и  отключение двигателей М1 и М2 производится нажатием SB1 и SBС1 или SB2 и SBС2, расположенных непосредственно у насосных агрегатов.

     На  рисунке 1.3 приведена схема управления насосной задвижкой, которая открывается  и закрывается небольшим асинхронным  двигателем через редуктор. При подаче напряжения на схему загорается в  полнакала зеленая лампа HL1. Включение насосного агрегата производится через реле уровня РУ, которое замыкает один контакт в цепи управления двигателем М1 насоса Н, а другой - в цепи катушки реле РП1 двигателя задвижки М2.

     После того как насос будет пущен  и давление повысится до нормального значения, замкнет свой контакт реле давления РД в цепи катушки реле РП1. Это реле включится, закроет свой замыкающий контакт вы цепи катушки контактора открывания задвижки КО и откроет размыкающий контакт в цепи катушки контактора закрывания задвижки К3. Контактор КО сработает и включит двигатель М2 на открывание задвижки. Открывание контролируется конечным выключателем ВК2 и ярко горящей красной сигнальной лампой HL. Выключатель ВК2 разомкнет свой контакт, когда задвижка полностью откроется. При этом контактор КО отключится, двигатель М2остановится,погаснет горящая в полнакала зеленая лампа, а кранная лампа будет гореть тускло.

     Процесс открывания задвижки, кроме того, контролируется аварийным конечным выключателем ВКА. При неисправности открывающих  и закрывающих устройств этот выключатель отключает всю схему управления двигателем задвижки, о чем сигнализирует погасание обеих ламп. Замыкание контакта выключателя ВКА производится оператором при ручном закрывании задвижки.

     Рис. 1.3. Электросхема автоматического управления задвижкой насосного агрегата. 

     Расчет  электрической сети питающих кабелей 

     Спецификация  на оборудование:

     Определяем  ток электродвигателя: 

     Ip = (Pэ.д.103 )/ (1.73xUxcos φxη);

     Ip = (55x103)/(1.73x380x0.86x0.96) = 101.34 A. 

     По  таблице П 4.8 определяем допустимый ток кабельной линии питающей электродвигатель АИР250М6 Iдоп = 19 А. Принимаем сечение 4/х жильного кабеля Б равным 50 мм2. выбираем кабель с алюминиевыми жилами и пластмассовой изоляцией марки АВВГ 4х50.

Охрана  труда при эксплуатации насосной станции. Общее положение 

     Экономические показатели и надежность работы систем водоснабжения во многом зависит  от правильной эксплуатации насосных станций, обслуживающих эти системы. Для нормальной эксплуатации на насосных станциях в зависимости от класса надежности их действия необходимо иметь соответствующий резерв насосного оборудования.

     Расположение  внутренних коммуникационных трубопроводов  станции должно быть удобным для  эксплуатации, осмотра и ремонта, а их пропускная способность рассчитана на возможность подачи насосными агрегатами заданного расхода жидкости, как в нормальных, так и в аварийных режимах работы станции.

     Насосы, их двигатели и трубопроводы должны быть оборудованы необходимой арматурой, регулировочными приспособлениями и контрольно-измерительной аппаратурой.

     Вновь построенные насосные станции включаются в постоянную эксплуатацию после  приемки их приемочными комиссиями, проверяющими качество выполненных работ и соответствие всех элементов сооружений станции утвержденному проекту.

     Управление работой насосной станции организуется в соответствии с инструкциями, утвержденными тем министерством, в ведении которого находится организация, руководящая эксплуатацией данной системы. Режимы работы насосной станции разрабатываются, а оперативное руководство ее эксплуатацией осуществляется диспетчерской службой, начальником насосной станции и утверждается главным инженером предприятия.

Техническая документация 

     На  каждой насосной станции должны имеется  в подлинниках или копиях:

     • генплан участка с нанесением всех сооружений подземного хозяйства;

     • исполнительные чертежи зданий и размещения оборудования и трубопроводов внутри их;