Насосная станция холодного водоснабжения

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….  7

1 Технологические особенности  работы насосной станции холодного  водоснабжения…………………....................................................................     9

1.1 Режимы работы насосной установки………………………………     9

      1.2 Способ регулирования и технико-экономическая эффективность…14

      1.3 Обоснование и  выбор системы электропривода……………………..23

2 Статические характеристики системы ПЧ-АД…………………………….29   

      2.1 Механические характеристики ПЧ-АД ……………………………..31

    2.1.1 Естественная механическая характеристика АД при U/f=const….31

    2.1.2 Искусственные механические характеристики АД при U/f=const..35

3. Расчет параметров  и элементов силовой схемы  преобразователя

частоты……………………………………………...…………………………    40

     3.1 Расчет и выбор силовых элементов выпрямителя и инвертора……     40

     3.2 Аналитический обзор и выбор серийного преобразователя

частоты………………………………………………………………………..     45

….3.3 Оценка влияния преобразователя частоты на питающую сеть……..    50

   3.3.1 Вопросы качества электроэнергии………………………………         50     

4 Математическое  моделирование системы ПЧ-АД……………………...      54

     4.1 Математическое описание системы ПЧ-АД………………………..      54

    4.2 Модель ПЧ-АД в среде MATLAB……………………………………    58

5 Безопасность жизнедеятельности……………………………...………….     62

    5.2 Обслуживающий персонал и охрана труда работников ……………62    

    5.3 Характеристика асинхронного двигателя электропривода…………70

    5.3 Расчет зануления………………………………………………............     71

6 Экономическая часть………………………………………………………     74

6.1 Цели разработки проекта……………………………………………..     74

6.1.1 Анализ рынка сбыта………………………………………………….    74    

  6.1.2 Тариф на электроэнергию………………………………………..       74

6.1.3 Организационный и юридический план…………………………   74

6.1.4 Экологическая информация………………………………………  75

6.2 Определение капитальных затрат  для варианта (система ПЧ-АД)…  75

6.3 Определение текущих годовых  издержек  на эксплуатацию………..   76

6.4 Показатели финансово-экономической эффективности инвестиций.. 82

Заключение……………………………………………………………………...  86

Список литературы…………………………………………………………….   87

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          ВВЕДЕНИЕ

          Наибольшее количество энергии расходуемой электроприводами в промышленной области расходуется насосами и вентиляторами. В области коммунального хозяйства эта тенденция выражена еще более глубоко.

     Функцией насосной станции является поддержание заданного давления, причем расход перекачиваемой жидкости, как правило, может существенно изменятся в зависимости от конкретных условий. Все насосные станции  рассчитываются по максимальному расходу, который может возникнуть в экстремальной ситуации (например: наводнение, пожар и т.д.) Следовательно, в нормальных условиях, необходимо предусматривать средства регулирования, обеспечивающие нормальную работу систему при разных расходах. При снижении расхода (суточном или сезонном), нерегулируемый насос продолжает вращаться на номинальной скорости и впустую расходует энергию на создание избыточного давления в гидросистеме. Давление при этом становится в несколько раз выше номинального. Вследствие избыточного давления возрастают потери воды, тепла, снижается ресурс оборудования.

     Если насос работает при неизменной скорости, то простейшим способом регулирования его подачи является дросселирование, т.е. неполное открытие задвижки на напорном трубопроводе насоса.

     Характерным примером являются станции горячего и холодного водоснабжения и системы отопления зданий. Механизмы этих станций, выбранные исходя из максимальной производительности, значительную часть времени работают с меньшей производительностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет 50…55% максимальной. Существующие системы водоснабжения с нерегулируемым электроприводом не обеспечивает заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода воды, а также обусловливают при этом существенный рост давления (напора) в системе, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения.

     В настоящее время регулирование расхода осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода с помощью заслонки. В этом случае насос, так же как и при отсутствии регулирования, тратит энергию на преодоление противодавления заслонки, а повышенное давление вызывает утечки жидкости и износ оборудования.

     При прерывистом регулировании изменение расхода обеспечивается коммутацией в гидросистему различного числа насосов. Например, если один насос не обеспечивает необходимый расход, в параллель ему включается второй, третий и т.д.

Недостатком такого регулирования  является именно его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным за счет его слишком грубой дискретности, а это потери энергии и перекачиваемой жидкости. Кроме того, включение и выключение насосов приводит к постоянным  гидроударам в системе, что исключительно вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5-7 кратные, относительно номинала, броски тока в электроцепях, что также вредно сказывается на ресурсе электрооборудования.

     Все сказанное говорит о необходимости внедрения на насосных станциях новых технологий регулирования расхода и давления в водопроводной сети, которые могли бы повысить эффективность работы насосных станций, а именно снизить энергопотребление потери воды, увеличить срок службы технологического оборудования. В выпускной работе рассматриваются вопросы решения этой задачи путем плавного регулирования скорости вращения электропривода насоса с помощью современным преобразователем частоты.

 

 

 

Основная часть.

1.Технологические особенности работы насосной станций холодного водоснабжения.

1.1. Режимы работы насосной  установки.

       Режимы работы  насосной установки существенно  зависят от изменения режимов  водопотребления.

       Режим водопотребления  обычно характеризуется суточными,  недельными и т.п. графиками  водопотребления. На рисунке 1 представлен примерный суточный график водопотребления небольшого населенного пункта.

 

 

       

 

                 Рисунок 1.1- Суточный график водопотребления.

 

Кроме того, режим водопотребления  характеризуется кривой распределения подач, которая дает представление о диапазоне изменения водопотребления за тот или иной промежуток времени (месяц, год и т.п.) и длительности работы системы с тем или иным водопотреблением. (рисунок 1.2)

 

 

Рисунок 1.2. Кривая распределения водоподачи за год крупной водопроводной станций.                                                      

Графики водопотребления характеризуются  коэффициентами неравномерности. Максимальный коэффициент неравномерности:               

K_max=Q_max/Q_cp,                                          (1.1)

где Q_max- максимальное водопотребление;

      Q_cp-   среднее значение водопотребления.

             Минимальный коэффициент неравномерности:

                                                        K_min= Q_min/Q_cp,                                             (1.2)

где Q_min-минимальное водопотребление.

 

Диапазон колебания водопотребления  характеризуется отношением

                                                        = Q_min/ Q_max,                                             (1.3)                 

 

которое может быть также  выражено через коэффициенты максимальной и минимальной неравномерности

                                                   = К_min/ К_max                                        (1.4)

Как правило, каждый трубопровод состоит  из собственно самого трубопровода, насосных и наливных станций. В сетях трубопровода применяют следующие  схемы перекачки:

         1) подстанционную (работа на "емкость"), когда головная или промежуточная насосная станция закачивает воду в емкость последующей;

2) через резервуар, устанавливаемый  на каждой насосной станции;  вода в него заканчивается  предыдущей насосной станцией, из  него же и забирается на  перекачку дальше;

3) с подключенным  резервуаром перекачка воды при этом выполняется транзитная, резервуар выполняет роль буфера;

4) из насоса - в насос;  перекачка воды выполняется по  всему трубопроводу транзитной.

Первые две схемы достаточно просты в технологии перекачки воды, в управлении режимами работы магистрального трубопровода; недостаток  - необходимость больших емкостей на каждой станции, дополнительные потери жидкости.

 Третья схема является промежуточной между первой (второй) и четвертой. Она так же, как и четвертая является транзитной, но не позволяет обеспечить режима подпора давления на входе последующей станции за счет насосов предыдущей.

Четвертая схема наиболее прогрессивна, но она и более сложная в  управлении технологическим процессом  перекачки: требует синхронности подачи воды по всей трассе трубопровода, обеспечение необходимых взаимозависимых напоров на всех насосных станциях.

    Подача насосных установок, работающих непосредственно в сеть без промежуточных емкостей в каждый момент времени, равна водопотреблению (при отсутствии утечек и непроизводительных расходов).

          В действительности в любой системе водоподачи имеются утечки и непроизводительные расходы, значения которых достигают во многих случаях 15-20% общей подачи. Следовательно, подача насосной установки должна быть больше водопотребления именно на это значение.

          При стабильном водопотреблении установки работают с постоянными подачей и давлением или напором, которые между собой связаны соотношением:

                           P_пол = H*Q γ g                                          (1.5)            

где     Н-напор, м; Па;

      Q-подача;

     g- ускорение свободного падения, м/с².

     С ростом водопотребления подачу приходится увеличивать. При этом потери давления в трубах увеличиваются. Чтобы компенсировать эти потери, следует увеличить давление, развиваемое насосной установкой. При уменьшении водопотребления подача и давление должны быть уменьшены. Приведение в соответствие водопотребления и подачи осуществляется в настоящее время чаще всего изменением числа работающих насосных агрегатов или степени открытия задвижек (затворов) на напорных линиях насосов и насосных установок.

  Все насосные станции, работающие в системе «Горводоканала» можно разделить на станции, работающие в автоматическом режиме через аккумулирующую емкость и станции, работающие в постоянном режиме из городского водовода в сеть.

    Режим работы насосной установки, подающей воду потребителю через аккумулирующую емкость, характерен тем, что в отдельные периоды времени подача насосной установки отличается от водопотребления. Если подача больше водопотребления, уровень воды в резервуаре поднимается, если меньше, уровень падает. В случае равенства подачи и водопотребления уровень в резервуаре стабилизируется на одной отметке.

    

    Регулирование режима работы насосной установки, состоящей из одного агрегата, осуществляется включением агрегата при снижении уровня воды до заданного нижнего значения и отключением при достижении заданного верхнего значения. Затем цикл повторяется. Данная станция работает в довольно экономичном режиме энергопотребления в том случае, если нагрузка электродвигателей приближается к номинальной, а мощность не превышает десятков кВт. При больших мощностях и частых пусках возникают дополнительные потери, как электроэнергии, так и потери, связанные с преждевременным износом оборудования.

            Сантехническая схема насосной станции Горводоканала, работающей  в постоянном режиме, представлена на рисунке 1.3,

  где:

          1 – городской водовод;

2,3,4,8,12,13– запорные технологические  задвижки;

7– обратный клапан;

5,6– насосы (основной, резервный);

11–  напорный водовод сети;

9-электродвигатель основной;

10- электродвигатель резервный.

1 2                12              5      13 7 8 11

 

 3            9      4

 

           10

                                           

                                              6 

Рисунок 1.3 Сантехническая схема работающей в постоянном режиме.

  Электродвигатель насоса  данной станции пускается прямым включением в сеть  с помощью магнитного пускателя и работает постоянно. Насос 5 (6)  забирает воду из городского водовода 1 и через  обратный клапан 7 и задвижку (8) подает непосредственно в напорный  водовод 11.

  Производительность насоса   выбирается  по предполагаемому расходу воды из водовода 11  и обычно с достаточным запасом. Соответственно с запасом выбирается  и электродвигатель. В течение  суток наблюдается  колебание давления  в водоводе 11  в зависимости  от разбора воды. При  резком снижении разбора воды в ночное время  давление поднимается значительно выше  установленного,  что приводит  не только к потерям электроэнергии, так как электродвигатель работает с постоянной частотой вращения, но и к потерям воды  в результате утечек в вентилях, задвижках, соединениях.

  В данной ситуации однозначно следует рекомендовать регулирование  производительности насоса в зависимости от расхода.

 

1.2 Способы регулирования и технико-экономическая эффективность

Регулирующие воздействия могут  носить конструкторско-технологический  характер или оперативно-эксплуатационный.

К конструкторско-технологическим  воздействиям на характеристики системы  насос-трубопровод следует отнести: 

1. выбор геометрических и технологических параметров самого трубопровода в соответствии с техническим заданием;
2. подбор параметров насоса;
3. обточка колеса насоса с целью изменения его характеристики;
4. замена колеса насоса с той же целью.

Все эти мероприятия выполняются  на стадии проекта, монтажа и наладки трубопровода, они не могут быть использованы оператором в процессе ежедневной эксплуатации трубопровода, поэтому мы рассматривать их далее не будем.

В настоящее время известны четыре метода оперативного регулирования  режимов работы водопроводов: 

1. регулирование методом последовательного (параллельного) включения насосов;
2. регулирование методом  дросселирования трубопровода;
3. регулирование методом перепуска части подачи насоса на его вход;
4. регулирование изменением частоты вращения приводного электродвигателя.

 Преимущества первого метода:

• метод достаточно прост, хотя и требует дополнительного парка насосов;
• позволяет изменять напор    в широком диапазоне его значений;
• высокий коэффициент полезного действия системы насос-трубопровод, если их характеристики согласованы.

 Однако этот метод имеет существенные недостатки: основным недостатком этого метода является дискретность регулирования подачи, напора; при этом дискретность очень грубая; этим недостатком обусловлен и второй - создание в системе насосная станция-трубопровод волн давления (напора), которые распространяются вдоль трубопровода со скоростью распространения звука в воде, что отрицательно сказывается на трубопроводе;  нельзя получить промежуточные значения напора и подачи, в том числе меньше тех, что имеет место при работе одного насоса.

В виду указанных недостатков  в чистом виде этот метод не применяется, он нашел широкое применение в  практике в сочетании с методом  дросселирования, реже - с методом  перепуска.

     Второй метод – дросселирование, осуществляется задвижками на напорной или всасывающей линии.

     Метод регулирования подачи задвижкой на напорном патрубке насоса основан на увеличении сопротивлении в напорной линии. Этот способ наиболее распространен, так как в этом случае не требуется установки дополнительного оборудования.

     При данном способе  регулирования изменяется характеристика  сети. При закрывании задвижки  на напорном трубопроводе увеличивается  сопротивление трубопровода. Характеристика трубопровода (рисунок 1.4) становится более крутой и пересекает характеристику насоса Q-H в точке R₁. КПД насосной установки уменьшается с увеличением разности между напором, развиваемый насосом, и напором, требуемым в сети.

     При этом способе  регулирование возможно только в сторону уменьшения подачи. Для оценки экономичности регулирования с помощью задвижки на напорном патрубке необходимо определить мощность и КПД насосной установки.

     Преднамеренное изменение  подачи и напора насосов в  соответствии с изменяющимся режимом работы системы называется регулированием. Центробежные насосы регулируются путем изменения степени открытия задвижки (затвора) на напорной линии или путем изменения частоты вращения рабочих колес.

     Прикрывая или открывая затвор, изменяют крутизну характеристики Q-H трубопровода (рисунок 1.4), которая зависит от его гидравлического сопротивления. Прикрывая затвор, увеличивают крутизну характеристики трубопровода, при этом рабочая точка насоса А₁ перемещается в положение А₂. В этом случае подача уменьшается до значения Q₂ напор, развиваемый насосом, возрастает до значения H₂, а напор на трубопроводе за затвором снижается до значения H^/₂. Снижение напора за затвором происходит за счет потерь напора ΔH в затворе.

    Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну характеристики трубопровода. Вследствие этого подача увеличивается, напор, развиваемый насосом, уменьшается, а напор в трубопроводе за затвором возрастает. Этот способ регулирования, именуемый дросселированием, считается малоэкономичным, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в затворе требуются дополнительные затраты энергии.

Рисунок 1.4- Характеристики насоса при  регулировании задвижкой на напорной линии.

 

Теряемая при регулировании  мощность

ΔN= Q_R h_д/102 _R,                                                              (1.6)

где  h_д- напор, теряемый за счет регулирования задвижкой;

       _R- КПД насоса, соответствующий подаче Q_R.

      КПД установки определяется по формуле:

  _р.уст=Н_R/ Н_R1* _{R дв},                                                             (1.7)

где Н_R- напор, необходимый для подачи расхода Q_R;

      Н_R1- напор, развиваемый насосом при подаче расхода

      Q_R(Н_R1= Н_R+ h_д);                                                             (1.8)

      _дв- КПД двигателя.

      Как показывают формулы  (1.6) и (1.7), регулирование задвижкой на напорном патрубке невыгодно, особенно в насосных установках при больших подачах и относительно малом напоре.

      Третий метод- регулирование подачи перепуском жидкости применяется для устранения неустойчивой работы насосов и осуществляется перепуском из напорной линии во всасывающую линию части подачи насоса.    При этом происходит увеличение общей подачи насоса и уменьшение подачи в сеть. За счет уменьшения расхода в сети ее характеристика изменяется и становится более пологой. При этом напор, развиваемый насосом, уменьшится. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улучшает кавитационные свойства насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы.

      С точки зрения экономичности указанный способ регулирования приемлем для насосов с коэффициентом быстроходности n_s > 300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшими коэффициентами быстроходности регулирование подачи перепуском приводит к увеличению мощности насоса и перегрузке электродвигателя.

      Для реализации этого способа регулирования требуется устройство циркуляционного трубопровода и установка дополнительной арматуры, что приводит к увеличению габаритов установки. Данный способ не получил широкого распространения в городских системах водоснабжения и водоотведения.

  Четвертый метод-регулирование режимов работы насосных станций трубопроводов изменением частоты вращения электрического привода является наиболее прогрессивным способом из всех известных. При этом методе регулирование  задвижка на трубе остается полностью открытой. Следовательно, нет добавочного гидравлического сопротивления, нет добавочных потерь на гидравлическом сопротивлении. При этом вся гидравлическая мощность насоса используется на перемещение жидкости по трубе. При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q-H насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику Q-H вниз, самой себе (рисунок 1.5). При этом рабочая точка А₁ перемещаясь по характеристике трубопровода, занимает положение А₂ следовательно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развиваемый насосом.

Рисунок 1.5 Регулирование режима работы центробежного насоса.

 

 

1- характеристика Q-H насоса при номинальной частоте вращения;

2- то же при уменьшенной частоте вращения;

A₁- характеристика трубопровода при полном открытии затвора;

H₁, H₂- напор, соответствующей подаче Q₁;

H_ст- статическая составляющая напора.

      

         Увеличение частоты вращения увеличивает подачу и напор насоса, а также напор в сети. Этот способ регулирования более экономичен, но требует применения специального регулируемого электропривода.

 Предварительный расчет показывает, что экономия затрат на электроэнергию  в этом случае может составить  до 4000 тг. на  1 кВт установленной мощности в год.

 

 

 

Производительность насосов водоснабжения  должна изменяться соответственно режиму водоснабжения. Потребляемая насосом мощность определяется, как:

 

где Q_* - подача, о.е.;

       Р_ХХ* - мощности холостого хода, о.е.;

         w - частота вращения рабочего колеса насоса, о.е.

Для обеспечения заданной подачи Q_*З, при применении  регулируемого электропривода, частота вращения насоса определяется по формуле

 

где Н_С* - статическая составляющая напора, определяемая для насосов геодезической разностью уровней потребителя и насоса

       Н_Х* - напор насоса при Q_*=0

       Q*-заданная подача

 

Мощность потребляемая насосом:

 

 

На рисунке 1.6 приведены (в о.е.) зависимости потребляемой насосом мощности Р при нерегулируемом приводе и Р_Н  при регулируемом приводе от подачи (разбора) воды. Кривая _DР, определяемая графической  разностью, характеризует – мощность, сэкономленную в случае установки регулируемого привода. В зависимости от статического напора Н_С* экономия электроэнергии может составлять до 30% от установленной мощности двигателя.

 

 

 

                                

                                                    

                                      

 

 

                                    Рисунок 1.6        

1. Мощность потребляемая нерегулируемыми насосами;
2. Мощность потребляемая регулируемыми насосами;
3. Мощность, сэкономленная при установке регулируемого привода.

        Для предварительной оценки экономии электроэнергии в результате внедрения частотно-регулируемого привода для насосов необходим анализ статистики по данному объекту. Предположим, речь сейчас идет о насосной станции, на которой применяется регулирование производительности насоса мощностью 18,5 кВт с помощъю задвижки. Так как станция обеспечивает жилые дома, то используем типовой усредненный график разбора воды.

В нем можно выделить четыре основных периода: ночь 01:00-06:00, утро 06:00-10:00, день 10:00-18:00, вечер 01:00. Расход воды составляет соответственно 30%, 90%, 70%,100% от номинального значения для имеющегося насосного агрегата.

Воспользовавшись графиками на рисунке 1.7, получаем значения снижения мощности при регулировании с помощью задвижки и с помощью преобразователя частоты соответственно в ночное и дневное время: 65% и 27%, 92% и 64%.

Таким образом, расход электроэнергии при регулировании задвижкой  за сутки составляет:

18,5 кВт*(65%*5ч+92%*8ч+100%*10ч)=400 кВт/ч.

При управлении с помощью преобразователя  частоты получаем:

18,5 кВт*(27%*5ч+64%*8ч+100%*10ч)=323 кВт/ч.

          В данном примере использование преобразователя частоты согласно нашей предварительной оценке, определяющей нижнюю границу экономии, позволяет уменьшить расход электроэнергии приблизительно на 77 кВт/ч в сутки, что в относительном выражении составляет примерно 20%.

В этом расчете допускается, что  расход воды в разные периоды времени  при двух вариантах расчета расхода  электроэнергии остается одинаковым.

Изменения расхода в течение означенных периодов времени при регулировании задвижкой означает колебания давления в трубопроводе, а при управлении преобразователем дополнительную экономию электроэнергии. Также предполагалось, что производительность насоса выбрана оптимально, что также не соответствует обычной практике, а, значит, применение преобразователя частоты еще более предпочтительно.

    К примеру, для насосной станции «Алмагуль» (Р=18,5кВт) экономия мощности при среднем расходе 80% от номинального может составлять 23%, экономия электроэнергии 13800кВт×ч (85560 тг) в год.

  При ориентировочной стоимости преобразователя до 20кВт - 204000тг., и учетом экономии воды установка окупается в течении 1,5 лет.

 

Рисунок 1.7- Суточный график водопотребления.

 

 1.3 Обоснование и выбор системы электропривода.

 В качестве регулируемого электропривода насосной установки можно применить следующие виды электропривода:

привод с многоскоростными электродвигателями – двух- и многоскоростных асинхронных  короткозамкнутых электродвигателей  переменного тока;

привод с индукторными муфтами скольжения – асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;