Спосіб захисту насосної установки від гідроудару та пристрій для його реалізації

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний в системах автоматичного контролю і захисту насосних агрегатів (НА) систем комунального і промислового водопостачання, водовідведення, у водовідливних установках. Змінний характер водоспоживання, притоку стічних і кар'єрних вод приводить до необхідності зміни режимів функціонування НА протягом часу. При пуску, зупинці НА, різкому закритті (відкритті) засувки в мережі споживача або на виході насосної станції (НС), при раптовій перерві в електропостачанні НА виникають нестаціонарні перехідні процеси, що приводять до підвищених динамічних навантажень в гідросистемі, і як наслідок, до гідравлічних ударів. Особливо негативні наслідки виникають при аварійному відключенні електроприводу (ЕП) насоса від енергомережі без попереднього закриття напірної засувки або дискового затвора. Водопровідні насосні комплекси (НК) характеризуються великим діапазоном зміни продуктивності, одночасною роботою декількох паралельно включених агрегатів, значною протяжністю і складною конфігурацією комунікаційних мереж. Режими роботи НА відрізняються частими пусками (остановами) з періодичним керуванням запірно-регулюючою арматурою. Аналіз аварійності в НУ систем комунального і промислового водопостачання, міського водовідведення, показав, що раптове відключення електроживлення НА відбувається 1 - 2 рази на місяць; кількість пусків турбомеханізмів часто з порушенням технології запуску до 3-4 разів на добу у водопровідних НУ і до 15 - 20 разів на добу в станціях перекачки стоків; недотримання темпу керування трубопровідною арматурою (різке спрацьовування зворотного клапана, швидке закриття запірного органу в кінці водоводу або тупика водопровідної мережі, швидке відкриття (закриття) засувок на виході НС або на лінії водоводу) - до 5 - 10 годин на добу. У водовідливних установках з великою геодезичною глибиною шахт, збільшенням довжин нагнітальних трубопроводів великого діаметра, швидкостей потоків в трубах небезпека виникнення гідроударів значно підвищується (гідроудар відбувається кожного разу при пуску (останові) працюючого основного насоса або включенні/виключенні додаткових агрегатів). Аналіз експлуатаційних режимів роботи НК показав, що наслідками гідравлічних ударів є тривалі простої насосного обладнання, зниження ККД і розбалансування НА; виникнення хвиль підвищеного або зниженого тиску в напірних магістралях (для НС водопостачання і водовідведення перевищення допустимого значення тиску складає 7 - 10 раз номінального, для водовідливних установок - десятки разів); руйнування запірнорегулюючої і запобіжної арматури, трубопровідних мереж, підвищена вібрація гідродинамічного обладнання, розвиток кавітаційних явищ. У зв'язку з цим є актуальним розробка способів і пристроїв для попередження і захисту НУ від виникнення гідравлічних ударів в системі як при раптовій перерві в електропостачанні, так і у разі порушення технології керування насосним обладнанням і запірно-регулюючою арматурою. Відомий спосіб захисту насосної установки від гідроудару із застосуванням запобіжних клапанів на базі запобіжних пружинних клапанів і гасителів гідравлічних ударів [Москвитин А.С, Мосягин Н.Ф. Справочник по трубам, арматуре и оборудованию водопроводно-канализационных сооружений. - Μ.: Гос. изд. лит. по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1958. с.180-187]. При підвищенні у водоводі тиску вище допустимого стискується пружина і клапан відкривається, скидаючи частину води, що зменшує дію гідроудару. Припинення випуску води після закриття клапана викликає новий гідроудар, але меншої сили. При цьому клапан може повторно відкритися і скинути зайву частину води. Гаситель гідравлічного удару спрацьовує після раптового вимкнення насосів і закриття зворотного клапана, коли тиск у водоводі падає нижче статичного, який передує гідроудару. До початку ударної хвилі гаситель відкривається і відбувається скидання частини води, що перекачується з трубопроводу. Час закриття клапана розраховується так, щоб викликане закриттям клапана наростання тиску не перевищувало допустимої межі. Запобіжні клапани мають наступні недоліки: відкривання запобіжного клапана починається лише після того, як тиск підіймається вище нормального (для пружинних клапанів) і при падінні тиску нижче статичного (для гасителів удару); кількість води, що випускається клапаном, недостатня для повного гасіння удару; почергове відкриття і закриття клапана сприяє підтримці ударного тиску; велика різниця тиску відкриття і закриття клапана викликає генерацію додаткового удару у момент підходу негативної хвилі тиску і необхідність пробних спрацьовувань. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб гідродинамічного захисту насосної установки, що включає насосний агрегат, перетворювач частоти, датчики вимірювання технологічних і електричних параметрів [Деклараційний патент України на винахід 71355 A F04D27/00, Н0237/00, 15.11.2004р., Бюл. №11], де вимірюють поточні величини напору і продуктивності на виході турбомеханізму, визначають похідні цих величин в заданий момент часу і при виникненні в трубопровідній мережі перевантаження по тиску (напору) або різкому зниженні продуктивності обчислюють час досягнення на виході насоса максимально допустимої величини напору, трохи меншої аварійного значення, і мінімально допустимої величини продуктивності, що трохи перевищує значення, при якому наступає помпаж. По закінченню цього інтервалу часу формується сигнал в систему керування перетворювачем для зміни швидкості обертання валу електродвигуна насоса. При цьому за допомогою датчика потужності здійснюється вимірювання споживаної потужності на затискачах статора асинхронного двигуна і визначення значення потужності неробочого ходу, яка має місце при величині продуктивності на виході насоса, рівної нулю, і залежить від частоти обертання турбомашини, її конструктивних особливостей, щільності і температури робочого середовища, що перекачується. У разі подальшого зниження продуктивності на виході НА до нуля для виключення протитечії рідини і небезпеки зворотного ходу турбомашини система керування формує сигнал, що поступає на закриття зворотного клапана насоса. Проте, такий спосіб захисту дозволяє лише запобігти аварійним режимам, що виникають збоку гідродинамічної мережі (різке закриття/відкриття засувок, яке приводить до пульсацій тиску, помпажним і кавітаційним явищам), але не передбачає захист НУ при раптовій перерві в електропостачанні НА, що може привести до різкого останову турбомашини, протитечії рідини, відсутності можливості керування запірнорегулюючою арматурою і переходу НА в турбінний режим роботи. Відомий пристрій захисту насосної установки від гідроудару із застосуванням запобіжних клапанів на базі запобіжних пружинних клапанів і гасителів гідравлічного удару [Москвитин А.С, Мосягин Н.Ф. Справочник по трубам, арматуре и оборудованию водопроводно-канализационных сооружений. - Μ.: Гос. изд. лит. по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1958. с.180-187]. Запобіжні пружинні клапани можуть бути встановлені в будь-якій точці водопровідної мережі, а також на НС. Гасителі удару встановлюються відразу ж за зворотним клапаном, вважаючи по ходу води і захищають від гідроудару весь водовід і НС. При підвищенні тиску у водоводі вище допустимого вода піднімає запобіжний клапан, з'єднаний з ним шток стискає пружину і вода викидається в отвір, що відкрився, через патрубок назовні. Після зниження тиску в трубопроводі клапан під дією пружини сідає на місце, і викид води припиняється. Гаситель гідравлічного удару містить клапан, групу вентилів, поршні, розподільник. При раптовому вимкненні насосів тиск у водоводі падає і зворотний клапан закривається, тиск на насосі і в циліндрі гасителя продовжує знижуватися, а у водоводі - починає підвищуватися. При відкритті гасителя вода з його циліндра через розподільник видавлюється у водовід до зворотного клапана. При підйомі води у водоводі під дією різниці зусиль на поршні розподільника відбувається їх повільне перемикання в нижнє положення, після чого гаситель починає поволі закриватися, не викликаючи додатковий удар. Проте, разом з простотою керування і відносною дешевизною запобіжні клапани характеризуються значним гідравлічним опором; ускладненнями при експлуатації через корозію і знос, при настройці пружини і слабшанні її з часом (для пружинного клапана), що вимагає систематичної перевірки пружин. Найбільш близьким технічним рішенням є пристрій гідродинамічного захисту насосної установки [Деклараційний патент України на винахід 71355 A, F04D27/00, H0237/00, 15.11.2004р., Бюл. №11], що містить відцентровий насос з асинхронним електродвигуном, перетворювач частоти, вимикач, датчики тиску і продуктивності на виході насоса, зворотний клапан з виконавчим механізмом, датчики споживаної потужності, швидкості, температури рідини, блок визначення потужності неробочого ходу, задатчики конструктивного коефіцієнта насоса, щільності рідини, відповідної стандартній температурі, максимально допустимої величини напору і мінімально допустимої величини продуктивності, перший і другий обчислювальні блоки, суматор, пристрій програмного керування. Обчислювальні блоки призначені для формування сигналу керування перетворювачем частоти згідно з результатами порівняння заданих допустимих значень напору і подачі з поточними значеннями цих параметрів на виході НУ. Блок визначення потужності неробочого ходу по сигналах, що поступають з датчиків швидкості, температури, задатчиків параметрів середовища, що перекачується, і насоса, визначає фактичне значення потужності неробочого ходу, яке порівнюється з поточним значенням споживаної потужності насоса, і у разі їх рівності, пристрій програмного керування виробляє сигнал на закриття виконавчого механізму зворотного клапана. До недоліків відомого пристрою потрібно віднести відсутність пристроїв вимірювання параметрів електричної мережі і засобів захисту НА від раптового відключення електроенергії без попереднього закриття напірної засувки або дискового затвора, що приводить до виникнення гідравлічних ударів, протитечії рідини і небезпеки зворотного ходу турбомашини, зниження ККД насосних агрегатів. Метою винаходу є підвищення надійності й ефективності функціонування насосного комплексу. Поставлена мета досягається тим, що запропонований спосіб захисту НУ від гідроудару при раптовій перерві в електропостачанні полягає в перемиканні живлення електродвигунів насоса і запірно-регулюючої засувки на ємнісні накопичувачі, які встановлені в силових контурах відповідних електроприводів, і одночасному плавному зниженні частоти обертання електродвигуна турбомеханізму і прикритті запірнорегулюючої засувки на виході НА без неприпустимих пульсацій тиску і продуктивності в гідросистемі. Розглянемо режим роботи такої насосної установки. При раптовій перерві в електропостачанні НК, що фіксується датчиком напруги, пристрій керування з вбудованим джерелом резервного живлення формує сигнали керування на відповідні блоки керування зарядом/розрядом ємнісного накопичувача в силовому контурі перетворювачів частоти ЕП насоса і ЕП запірно-регулюючої засувки, і переводить живлення асинхронних електродвигунів насоса та запірно-регулюючої засувки на відповідні ємнісні накопичувачі, величина яких вибирається з розрахунку підтримки мінімально допустимої частоти обертання насоса, що виключає режим протитечії рідини, і такого темпу керування запірно-регулюючою засувкою, при якому час закриття повинен бути не менше фази удару з метою запобігання виникнення гідравлічного удару в системі, що фіксується датчиками тиску і продуктивності в напірному колекторі після запірно-регулюючої засувки. При цьому шляхом одночасного зниження частоти обертання електродвигуна насоса і прикриття запірнорегулюючої засувки здійснюється плавний останов агрегату і зниження тиску і продуктивності в гідромережі без неприпустимих пульсацій цих величин. Другий варіант способу захисту НУ від гідроудару застосовується при появі надмірного тиску в гідросистемі збоку комунікаційної мережі внаслідок різкого закриття/відкриття запірно-регулюючої арматури у споживача або аварійного відключення електроенергії НУ. З цією метою в обвідному трубопроводі НА встановлюють гідротурбінний агрегат, який виконує роль активного опору, на якому гаситься енергія зворотної хвилі гідропотоку з подальшим її перетворенням в електричну енергію, яка використовується для живлення допоміжного електрообладнання НУ або на додатковий заряд ємнісного накопичувача, що дозволяє керувати темпом закриття запірно-регулюючої засувки. Винахід пояснюється кресленнями: Фіг.1 - Блок-схема пристрою захисту НУ з ємнісним накопичувачем в силовому контурі; Фіг.2 - Блок-схема пристрою захисту НУ з ємнісним накопичувачем в силовому контурі і гасителем енергії гідравлічного потоку; Фіг.3 - Характеристики роботи НУ; Фіг.4 - Часові діаграми зміни параметрів при аварійній перерві в електроживленні НУ з нерегульованим ЕП; Фіг.5 - Часові діаграми зміни параметрів при аварійній перерві в електроживленні НУ з ємнісним накопичувачем в силовому контурі; Фіг.6 - Алгоритм роботи пристрою керування системи захисту НУ з ємнісним накопичувачем; Фіг.7 - Алгоритм роботи пристрою керування системи захисту НУ з гасителем енергії гідропотоку. Запропонований спосіб захисту насосної установки від гідроудару (Фіг.1), що включає відцентровий насос1 з першим асинхронним електродвигуном 2, перший перетворювач частоти 3 з проміжною ланкою постійного струму, що складається з першого випрямляча 4 з першим ємнісним фільтром постійної напруги С н і першого автономного інвертора напруги 5, перший вимикач 6, напірний колектор 7, запірно-регулюючу засувку 8 з другим асинхронним електродвигуном 9, пристрій керування І 10 з першим і другим обчислювальними блоками 11, 12 визначення похідних напору, продуктивності і часу досягнення максимально допустимої величини напору та мінімально допустимої величини продуктивності на виході насоса відповідно, перший і другий блоки завдання 13, 14 максимально допустимої величини напору та мінімально допустимої величини продуктивності відповідно, датчики тиску 15 та продуктивності в напірному колекторі після запірно-регулюючої засувки, що полягає в контролі неприпустимих змін тиску та продуктивності, обумовлених аварійними режимами збоку гідромережі і гідродинамічному захисту насосного агрегату шляхом плавного останову першого асинхронного електродвигуна насоса і закриття запірно-регулюючої засувки, відрізняється тим, що у момент відключення електроенергії насосної установки, який фіксують датчиком напруги 17, за допомогою пристрою керування 10 з вбудованим джерелом резервного живлення 18 формують сигнали керування U1 і U2, відповідно, на перший блок керування зарядом/розрядом 20 першого ємнісного накопичувача 19 в силовому контурі першого перетворювача частоти електроприводу насоса і на другий блок керування зарядом/розрядом 27 другого ємнісного накопичувача 26 в силовому контурі другого перетворювача частоти електроприводу запірно-регулюючої засувки, що складається з другого випрямляча 22 з другим ємнісним фільтром постійної напруги Сз і другим автономним інвертором напруги 23; переводять живлення електроприводів насоса і запірно-регулюючої засувки, відповідно, на перший і другий ємнісні накопичувачі 19, 26, величину яких вибирають з умови підтримки мінімально допустимої частоти обертання насоса, чим виключають режим протитечії рідини, і такого темпу керування запірно-регулюючою засувкою, при якому час закриття повинен бути не менше фази удару з метою запобігання виникнення гідравлічного удару в системі; виробляють сигнал керування U3 на перший автономний інвертор напруги 5 для плавного зниження частоти обертання електродвигуна насоса і сигнал керування U4 на другий автономний інвертор напруги 23 для плавного закриття запірно-регулюючої засувки без неприпустимих пульсацій тиску та продуктивності, що фіксують, відповідно, датчиками тиску 15 та продуктивності 16. Другий варіант способу захисту насосної установки від гідроудару (Фіг.2), відрізняється від наведеного на Фіг.1 тим, що в обвідному трубопроводі 28 паралельно запірно-регулюючій засувці 8 і відцентровому насосу 1 встановлюють гідротурбіну 29 з асинхронним генератором 30 на валу, потужність якої розраховують з умови максимально можливого перевищення напору в трубопроводі при виникненні гідроудару в системі через різке відкриття/закриття трубопровідної арматури в мережі споживача або аварійного відключення електроенергії; вимірюють значення поточного напору Нпот в напірному колекторі після запірно-регулюючої засувки, порівнюють з максимально допустимим напором Нmах доп, і за наявності надмірного напору в гідросистемі ΔΗ= Нпот-Нmах доп, обумовленого виникненням гідроудару і рухом зворотної хвилі підвищеного тиску, спрацьовують регулюючий гідроклапан 35, робочий орган якого налаштований на тиск, більший максимально допустимого тиску (напору) в гідромережі, та зворотний гідроклапан 36, які встановлюють в обвідний трубопровід на вході і виході гідротурбіни відповідно; формують сигнал керування U5 на пристрій установки лопатей 38 напрямного апарату 37 для завдання відносного відкриття напрямного апарату гідротурбіни a= - A × Qпот + A 2 × Q2 - 4 × Rвт × Q2 (В × Qпот + Н0 т - DН) пот пот 2 2 × Rвт × Qпот де А, В - коефіцієнти апроксимації, що залежать від типу гідротурбіни та її конструктивних особливостей; Qпот - поточне значення продуктивності; Rвт - внутрішній опір гідротурбіни; Н0т - напір при нульовій продуктивності, відповідного необхідному гасінню надмірного напору ΔΗ в гідросистемі для подальшого перетворення енергії гідропотоку в електричну енергію на валу асинхронного генератора, направлену на живлення допоміжного електрообладнання насосної установки або на додатковий заряд другого ємнісного накопичувача, що дозволяє керувати темпом закриття запірно-регулюючої засувки; формують сигнал керування U6 для завдання необхідних кутів керування вентилів блоку узгодження вихідних параметрів асинхронного генератора з мережею електропостачання 33 для отримання на його виході стандартних параметрів силової (промислової) енергомережі. Розглянемо напірно-витратні й енергетичні характеристики спільної роботи НУ і гідромережі при зниженні частоти обертання робочого колеса насоса у разі аварійного відключення електроенергії НУ. Напірно-витратна H(Q) характеристика насоса: (1) H=A2n 2+B2nQ+C2Q2 де Η - напір насоса, м; А2, В2, С2 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей турбомеханізма і визначаються з паспортних характеристик насосів; n=ni/nн - відносна частота обертання робочого колеса насоса; ni, nн - поточна і номінальна частоти обертання насоса відповідно, об./хв.; Q - продуктивність насоса, м3/с. Потужність, що підводиться до валу відцентрової машини: (2) P=A3n 2Q+B3nQ2+D3n 3 де А3, В3, D3 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей турбомеханізма і визначаються з паспортних характеристик насосів. При раптовому відключенні електроенергії, коли продуктивність насоса різко падає до нуля, відносна частота обертання НА дорівнює мінімально допустимій частоті обертання електродвигуна регульованого агрегату: Нст (3) Н0 де Нст· - статичний напір; Н0 - напір, що розвивається насосом при нульовій продуктивності. Тоді величина споживаної потужності відповідає потужності неробочого ходу турбомеханізму, яка обумовлена створенням напору Н0 при нульовій продуктивності, втратами на тертя в підшипниках, робочому колесі насоса: (4) P0=D3nmin доп3 Час закриття запірно-регулюючої засувки, що виключає виникнення гідроудару: tзакр³Тф, де Тф=2L/Cn - фаза удару; L - довжина трубопроводу; сж Сn = e 1+ y Е - швидкість розповсюдження хвилі удару по трубопроводу при постійних по довжині діаметрі і товщині стінки; сж - швидкість звуку в рідині (для води сж=1425м/сек); ε - модуль об'ємної пружності рідини (для холодної води ε=2.1´104кгс/см2); Ε - модуль пружності матеріалу стінки трубопроводу (для сталі Е=2.1´106кгс/см2, для чавуна Е=1´106кгс/см2); d y= d - безрозмірний коефіцієнт, що враховує деформативність стінки водоводу; d - діаметр трубопроводу; d - товщина стінки трубопроводу. Енергія, що необхідна для плавного останову НА: W н=P0Тф (5) Величина першого ємнісного накопичувана С1н в силовому контурі першого перетворювача частоти ЕП насоса: C1н=2W н/Ud2 (6) де Ud=Ku·Uф - напруга, що підводиться до інвертора напруги; nmin доп = Ku - коефіцієнт схеми (для трифазної мостової схеми Ku= 3 6 p = 2,34 ; Uф= Uн 3 - діюче значення напруги на навантаженні; Uн - напруга мережі живлення (номінальна напруга ЕП насоса). Величина другого ємнісного накопичувача в силовому контурі другого перетворювача частоти ЕП запірнорегулюючої засувки: C2з=2W з/Ud2 (7) де W 3=РЭДз·Тф - енергія, що необхідна для плавного закриття запірно-регулюючої засувки; РЭДз - потужність електродвигуна запірно-регулюючої засувки. Графіки спільної роботи НУ і гідромережі при відключенні електроенергії НУ показані на Фіг.3, де: 1 – 1v напірно-витратні характеристики НА при різній частоті обертання; 2 – 2/v - характеристики гідромережі при різних ступенях закриття запірно-регулюючої засувки; 3 – 3/v - криві потужності. При різкому зниженні частоти обертання НА (крива 1///) без зміни ступеня відкриття запірно-регулюючої засувки робочий режим насоса змінюється за кривою А1-А2/-А6 і супроводжується різкими скачками зміни тиску з Нном до Н1/ та продуктивності з Qном до Q1/ в гідросистемі; при цьому споживана насосом потужність буде змінюватися за кривою В1-В2/-В5. При одночасному зниженні частоти обертання (криві 1 – 1v) і зміні положення запірно-регулюючої засувки (криві 2 – 2/v) робочий режим описується кривою А1-А2-А3-А4-А5-А6, що дозволяє знизити кидки тиску та продуктивності на виході НА, при цьому споживана насосом потужність буде змінюватися за кривою В 1-В2-В3В4-В5, де нижнє значення відповідає потужності неробочого ходу НА при мінімально допустимій частоті обертання механізму nmіn доп. Розглянемо роботу пристрою захисту НУ, використовуючи часові діаграми зміни моменту електродвигуна насоса M(t), продуктивності Q(t), частоти обертання n(t), напору H(t) і опору запірно-регулюючої засувки Rz(t) при аварійній перерві в електроживленні НУ в системі нерегульованого ЕП (Фіг.4) і в системі з ємнісним накопичувачем в силовому контурі перетворювача частоти (Фіг.5). При сталому режимі роботи (Фіг.4, 5, І-ша ділянка) параметри на виході насоса рівні номінальним, момент опору насоса дорівнює рушійному моменту електродвигуна. У момент часу t1 відбувається раптове відключення електроживлення НУ. В системі з нерегульованим ЕП насоса практично миттєво падає до нуля електромагнітний момент, при цьому гідравлічний момент на робочому колесі зберігається, що приводить до зниження частоти обертання ротора, продуктивності та напору насоса (Фіг.4, ІІ-га ділянка). У момент часу t2, що відповідає нульовій продуктивності, відбувається зміна напряму руху рідини в трубопроводі і в НА. В режимі протитечії (Фіг.4, ІІІ-тя ділянка) робоче колесо гальмується потоком зворотного напряму, тиск в напірному трубопроводі росте. У момент часу t3 частота обертання ротора знижується до нуля, і після миттєвої зупинки ротор починає розганятися у зворотному напрямі, насос переходить в турбінний режим (Фіг.4, IV-та ділянка). На початку цього режиму гідравлічний момент стає максимальним, а потім зменшується. В системі з ємнісним накопичувачем при раптовій перерві в електропостачанні у момент часу t1 відбувається плавне зниження швидкості насоса до мінімально допустимої, що виключає протитечію рідини, з одночасним закриттям запірно-регулюючої засувки (Фіг.5, ІІ-га ділянка). При цьому спостерігається поступове зниження продуктивності до нуля і зменшення напору до величини, рівної статичному напору, що відповідає моменту часу t2 (Фіг.5). В подальший момент часу, коли запірно-регулююча засувка повністю закрита Rz=¥, відбувається подальший плавний останов НА без неприпустимих пульсацій напору та продуктивності (Фіг.5, III-тя ділянка). Виконаний аналіз показав, що, наприклад, для НС системи водопостачання з насосом типу Д3200-75 потужністю Рном=800кВт, продуктивністю Qном=3200м3/год, напором Нном=75м, номінальною напругою 6кВ, номінальною частотою обертання nном=980об./хв., коефіцієнтом апроксимації D3=420, мінімально допустимою відносною частотою обертання насоса n mm доп=0,667; гідромережею з протитиском Нст=40м, L=5000м, d=0,8м, Cv=1015м/с, Тф=9,855с; паралельною запірно-регулюючою засувкою з потужністю електродвигуна Р ЭДз=5,5кВт розрахункове значення ємнісного накопичувача в регульованому ЕП насоса С1н склало 37мФ, в силовому контурі ЕП засувки - С23=1,65мФ. У випадку низьковольтної НУ (знижувальний трансформатор 24 на Фіг.2 відсутній), наприклад, для НС комунального водовідведення з насосом типу 8ФН потужністю Рном=132кВт, продуктивністю Qном=800м3/год, напором Нном=32м, номінальною напругою 380В, номінальною частотою обертання nном=980об./хв., коефіцієнтом апроксимації D3=37,5, мінімально допустимою відносною частотою обертання насоса nmin доп=0,596; гідромережею з протитиском Нст=16м, L=1500м, d=0,8м, Cv=1215м/с, Т ф=2,469с; паралельною запірно-регулюючою засувкою з потужністю електродвигуна РЭДз=1,3кВт розрахункове значення ємнісного накопичувача в регульованому ЕП насоса С1н склало 150мФ, в силовому контурі ЕП засувки - С2з=24мФ. Для аналізу режимів роботи насосної станції з гасителем енергії гідропотоку в обвідному трубопроводі розглянемо напірно-витратну (H-Q) характеристику гідротурбіни: R æА ö Нт = Н0 т × n2 + ç + В ÷ × n × Qт + вт Q2 (8) т èa ø a2 де Н0т - напір при нульовій продуктивності; n=n/nопт - відносна частота обертання турбіни; а, n, аопт., nопт. - поточні й оптимальні значення відкриття напрямного апарату й частоти обертання колеса турбіни відповідно; А, В - коефіцієнти апроксимації, що залежать від типу гідротурбіни та її конструктивних особливостей; α=а/аопт. - відносне відкриття напрямного апарату турбіни; Qт - подача турбіни; Rвт - внутрішній опір гідротурбіни. Потужність на валу турбіни: (9) Pт=r×g×Hт×Qт×hт де r - щільність робочого середовища; g=9.81м/с2 - прискорення вільного падіння; Нт - напір турбіни; hт - ККД турбіни. Напір турбіни приймається з умови максимально можливого перевищення напору ΔΗ в трубопроводі при виникненні гідроудару в системі через різке відкриття/закриття трубопровідної арматури в мережі споживача або аварійного відключення електроенергії Нт=ΔΗ ; продуктивність турбіни дорівнює значенню поточної продуктивності в напірному колекторі НУ, яка вимірюється датчиком продуктивності Qт=Qпот. Регулювання параметрів і, відповідно, потужності гідротурбіни здійснюється зміною відносного відкриття напрямного апарату a, при цьому частота обертання турбіни залишається незмінною (n=1.0). Тоді рівняння (8) приймає вигляд: R ö æА 2 DН = Н0т + ç + В ÷ × Qпот + вт Qпот (10) 2 a a è ø Розв'язуючи рівняння (10) відносно a, отримуємо: a= 2 - А × Qпот + А 2 × Q2 - 4 × Rвт × Qпот (В × Qпот + Н0т - DН) пот 2 × Rвт × Q2 пот (11) Так, у випадку, якщо перевищення напору в магістралі складає ΔΗ=45¸50м вибирається радіально-осева гідротурбіна потужністю Рт=180кВт, продуктивністю Qт=1,48м3/с, частотою обертання nт=255об./хв., коефіцієнтом корисної дії ηт=0,934, діаметром Dт=1м, оптимальним значенням відкриття напрямного апарату аопт=38мм. Запропонований спосіб захисту насосної установки від гідроудару, що включає відцентровий насос 1 з першим асинхронним електродвигуном 2, перший перетворювач частоти 3 з проміжною ланкою постійного струму, що складається з першого випрямляча 4 з першим ємнісним фільтром постійної напруги С н і першого автономного інвертора напруги 5, вихід якого підключений до статорних затискачів першого асинхронного електродвигуна насоса, а вхід першого перетворювача частоти з'єднаний з високовольтною енергомережею через перший вимикач 6; напірний трубопровід 7, запірно-регулюючу засувку 8 з другим асинхронним електродвигуном 9; пристрій керування 10 з першим і другим обчислювальними блоками 11, 12 визначення похідних напору, продуктивності і часу досягнення максимально допустимої величини напору та мінімально допустимої величини продуктивності на виході насоса відповідно; перший і другий блоки завдання 13, 14 максимально допустимої величини напору та мінімально допустимої величини продуктивності, з'єднані з першим і другим входами пристрою керування відповідно, датчики тиску 15 та продуктивності 16 в напірному колекторі після запірно-регулюючої засувки, виходи яких підключені, відповідно, до третього і четвертого входів пристрою керування може бути реалізований за допомогою пристрою (Фіг.1), відрізняється тим, що він оснащений датчиком напруги 17, вихід якого підключений до п'ятого входу пристрою керування з вбудованим джерелом резервного живлення 18; першим ємнісним накопичувачем 19, включеним паралельно першому ємнісному фільтру Сн в силовому контурі першого перетворювача частоти електроприводу насоса; першим блоком керування зарядом/розрядом 20 першого ємнісного накопичувача, керуючий вхід якого з'єднаний з першим виходом пристрою керування; другим перетворювачем частоти 21 з проміжною ланкою постійного струму, що складається з другого випрямляча 22 з другим ємнісним фільтром постійної напруги Сз і другого автономного інвертора напруги 23, вихід якого підключений до статорних затискачів другого асинхронного електродвигуна запірно-регулюючої засувки, а вхід другого перетворювача частоти підключений до високовольтної енергомережі через знижувальний трансформатор 24 і другий вимикач 25; другим ємнісним накопичувачем 26, включеним паралельно другому ємнісному фільтру Сз в силовому контурі другого перетворювача частоти електроприводу запірно-регулюючої засувки; другим блоком керування зарядом/розрядом 27 другого ємнісного накопичувана, керуючий вхід якого з'єднаний з другим виходом пристрою керування; причому керуючі входи першого і другого автономних інверторів напруги з'єднані, відповідно, з третім і четвертим виходами пристрою керування. Другий варіант пристрою, що реалізує другий спосіб з використанням гідротурбінного агрегату в обвідному трубопроводі, приведений на фиг.2. Пристрій відрізняється від наведеного на Фіг.1 тим, що він оснащений обвідним трубопроводом 28 зі встановленим в ньому гідротурбіною 29 з асинхронним генератором 30 на одному валу, статорні обмотки якого підключені через третій вимикач 31 до блоку збудження асинхронного генератора 32 і через блок узгодження вихідних параметрів (напруги і частоти) асинхронного генератора з мережею електропостачання 33 і четвертий вимикач 34 до низьковольтної мережі; регулюючим 35 і зворотним 36 гідроклапанами, встановленими в обвідному трубопроводі на вході і виході гідротурбіни відповідно; напрямним апаратом 37 на вході гідротурбіни з пристроєм установки лопатей напрямного апарату 38, керуючий вхід якого з'єднаний з п'ятим виходом пристрою керування, шостий вихід якого підключений до блоку узгодження вихідних параметрів асинхронного генератора з мережею електропостачання. Алгоритм роботи пристрою керування системи захисту НУ з ємнісними накопичувачами наведений на Фіг.6. Алгоритм роботи пристрою керування системи захисту НУ з гасителем енергії гідропотоку наведений на Фіг.7. Причому в якості датчика напруги можуть бути використані типові датчики напруги фірми LEM, наприклад, серії LV 100; ємнісний накопичувач може бути реалізований на базі іоністорів, наприклад, фірми Maxwell Technologies; автономні інвертори напруги можуть бути побудовані на силових транзисторах типу IGBT з використанням для формування основної гармоніки вихідної напруги методу широтно-імпульсної модуляції. Пристрій керування може бути реалізований на базі типових контролерів, наприклад, серії PIC16FXX, Motorolla HC08. В якості гідротурбіни можливе застосування малопотужних радіально-осевих гідравлічних турбін, які серійно випускаються, серії РО. Блок узгодження вихідних параметрів (напруги і частоти) асинхронного генератора з мережею електропостачання може бути представлений типовим перетворювачем частоти. Блок збудження асинхронного генератора представляє собою конденсаторні батареї. Запропонований спосіб захисту насосної установки від гідроудару на базі ємнісного накопичувача в силовому контурі та гасителя енергії гідропотоку з використанням гідротурбінного агрегату дозволяє виключити неприпустимі перевищення тиску в трубопроводі і ефективно використовувати енергію гідропотоку шляхом подальшої її рекуперації в промислову енергомережу; подовжити строк служби технологічного обладнання; підвищити надійність і ефективність функціонування всього насосного комплексу.