Спосіб турбінного регулювання параметрів насосної станції

Реферат: Спосіб турбінного регулювання параметрів насосної станції полягає у переведенні одного з паралельно включених насосних агрегатів у турбінний режим електричним шляхом, а саме шляхом зміни частоти обертання двигуна одного з паралельно включених насосних агрегатів, при цьому турбінний режим насосного агрегату використовується як стаціонарний з рекуперацією енергії в електромережу. При проходженні через регульований паралельно включений насос кількості води, яка дорівнює початковому значенню витрати регульованого насосу у турбінному режимі, і досягненні критичного значення витрати, регульований насос переводиться у турбінний режим. Проводиться розрахунок значень напору та частоти обертання регульованого насосу у турбінному режимі при необхідній мінімальній витраті у мережі споживача та для визначення даних турбінного режиму регульованого паралельно включеного насосу будуються напірно-витратні характеристики турбінного режиму. UA 89451 U (54) СПОСІБ ТУРБІННОГО РЕГУЛЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ НАСОСНОЇ СТАНЦІЇ UA 89451 U UA 89451 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем керування і регулювання насосів, насосних установок та систем, і може бути використана для регулювання продуктивності насосних станцій систем комунального та промислового водопостачання. Відомий спосіб регулювання параметрів насосних станцій [Карелин В.Я. Насосные станции с центробежными насосами - М: Стройиздат, 1983. - С. 204; Аршеневский Н.Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулирующих электростанций - М: Энергия, 1977. - С. 239], що полягає у відключенні електродвигуна від мережі, при цьому під дією потоку робоче колесо насосу починає обертатися в зворотному, турбінному, напрямі, момент на валу двигуна збільшується, відбувається зниження частоти обертання та внаслідок чого відбувається зменшення напору та продуктивності. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: переведення насосу в турбінний режим, регулювання продуктивності насосних станцій. Недоліком цього способу є те, що не враховане переведення насосу в турбінний режим при паралельному включенні насосних агрегатів, що дає змогу використовувати один із насосних агрегатів як турбіну для збільшення подачі. Відомий спосіб регулювання параметрів насосної станції з двома паралельно працюючими насосами [Степанов А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Энергия, 1960. С. - 463], який полягає у відключенні приводу від джерела живлення у одного з насосів, при цьому потік рідини, що створюється нормально працюючим насосом піде частково у мережу, а частково через відключений насос. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: переведення в турбінний режим одного з паралельно включених насосів. Недоліком цього способу є те, що відсутні характеристики турбінного режиму, що дають змогу оцінити енергетичні показники турбінного режиму роботи. Відомий спосіб керування паралельно включеними насосами з переведенням одного з них у турбінний режим [Фам Ши Хуан. Совершенствование режимов эксплуатации мелиоративной насосной станции применением турбинного режима: автореф. дисс. на соиск. научн. степеня канд. техн. наук: спец. 06.01.02 "Мелиорация и орошаемое земледелие" - Ташкент, 1992. - С. 22], який використовує алгоритм та програму для розрахунку перехідних процесів, що виникають у відцентровому насосі й трубопроводі при переведенні його у турбінний режим з насосного, включенням привідного електродвигуна, з перемиканням фаз, у мережу при частоті обертання гідроагрегата у турбінному режимі, після його синхронізації з електричною мережею. Для розрахунку гідравлічного удару у напірному трубопроводі застосовується метод, згідно з яким процес гідравлічного удару має хвильовий характер та описується диференційними рівняннями. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: - регулювання при паралельному включенні насосів; - переведення одного з насосів у турбінний режим; - рекуперація енергії в електромережу; - прогнозування характеристик турбінного режиму. Недоліками цього способу є: - необхідність у числових значеннях конструктивних параметрів насоса (геометричні дані робочого колеса, товщина лопатей, коефіцієнт cтиснення, кути між напрямами абсолютної і повздовжньої швидкостей), які не завжди відомі; - не враховуються типові режими водоспоживання (добові, річні); - не розраховані значення початкової витрати та напору у турбінному режимі, при якій потужність дорівнює нулю; - не розраховані значення споживаної потужності у різних режимах. Відомий спосіб регулювання вихідних параметрів турбомеханізму [Спосіб регулювання продуктивності турбомеханізму та пристрій для його реалізації 68238 A, F04D 27/00, Н02Р 5/00] шляхом відкривання засувок на виході турбіни, яка встановлена в обвідному (байпасному) трубопроводі. Вал турбіни з'єднують з електричною машиною, підключеною через перетворювач частоти до мережі змінного струму, вимірюють продуктивність у мережі споживача, регулюють частоту на виході перетворювача, встановлюють швидкість обертання двигуна турбіни, при якій продуктивність на виході турбомеханізму відповідає заданій у споживача, переводять електричну машину та перетворювач у режим рекуперації енергії в електромережу. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: - регулювання при паралельному включенні насосних агрегатів та турбіни; - переведення насосу у турбінний режим; - рекуперація енергії в електромережу; 1 UA 89451 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - регулювання продуктивності перетворювачем частоти. Недоліками цього способу є: - не враховані типові режими водоспоживання (добові, річні); - не розраховані значення початкової витрати та напору у турбінному режимі, при якій потужність рівна нулю; - не розраховані значення споживаної потужності у різних режимах. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі, обраним як прототип до способу, що заявляється, є спосіб [Спосіб управління насосною станцією та пристрій для його реалізації 62490 A, F04D-27/00, Н02Р-7/76], у якому для керування продуктивністю та тиском на виході насосної станції вводять у комунікаційну мережу турбіну та електромеханічний перетворювач енергії, причому як турбіна може бути використана оборотна гідромашина, що може працювати як у насосному, так і в турбінному режимах. Всі операції по регулюванню гідравлічної потужності турбіни здійснюються електричним шляхом, при цьому як система електричного приводу може бути використаний, наприклад, частотно-регульований електропривід з вентильним двигуном. Коли швидкість приводного двигуна другого насосу знижується до нуля, оборотну гідромашину переводять в турбінний режим роботи. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: - переведення оборотної гідромашини у турбінний режим; - паралельне включення гідравлічних машин; - рекуперація енергії в електромережу; - операції по регулюванню гідравлічної потужності турбіни здійснюються електричним впливом на електропривод регульованого насосу; - використання турбінного режиму однієї з гідравлічних машин як стаціонарного. Недоліками цього способу є: - відсутність універсального механізму визначення параметрів турбінного режиму для насосів різних типів; - в алгоритмі роботи пристрою не враховано діапазони витрат насосної станції, що відповідають режимам протитоку та турбінного регульованого насосу; - не обґрунтовано вибір регульованого насосу для використання в турбінному режимі. В основу корисної моделі підвищення енергоефективності функціонування насосної станції, шляхом використання турбінного режиму одного з паралельно включених насосів з рекуперацією електричної енергії в мережу при відпрацюванні необхідних технологічних параметрів. Зазначений технічний результат, при реалізації корисної моделі досягається тим, що на попередньо вибраний з двох паралельно працюючих насосів встановлюється перетворювач частоти, розраховуються режими роботи насосної станції та діапазони регулювання. Тим самим турбінне регулювання дозволяє підвищити енергоефективність функціонування та точно підтримувати вихідні технологічні параметри насосної станції з двома паралельно включеними насосами. При цьому у турбінному режимі також відбувається рекуперація енергії в електромережу, що дозволяє значно покращити економічні показники використання насосної станції. Запропонований спосіб пояснюється наступними кресленнями, де на фіг. 1 зображений технологічний ланцюг насосної станції з турбінним регулювання параметрів, на якій прийняті позначення: 9 та 12 - насосні агрегати, 10 та 13 - двигуни, 14 та 16 - вимикачі, 2, 4, 5, 15, 17 засувки, 3 - колектор, 1, 6, 8 - сенсори виміру витрат, 7 - програмно-керуючий пристрій, 11 перетворювач частоти, 18 та 19 - подачі; на фіг. 2 приведений алгоритм розрахунку режимів роботи насосної станції та діапазонів регулювання; на фіг. 3 приведені напірно-витратні характеристики насосної станції при її роботі у насосному та турбінному режимах, на якій прийняті позначення: HQ1 та HQ2  - напірно-витратні характеристики відповідно регульованого та нерегульованого насосів у насосному режимі; H(Q ) - сумарна характеристика H" тp , "1 - напірно-витратна характеристика регульованого насоса у турбінному режимі при його мінімальній частоті обертання у зворотному напрямку; H'1тp , '1 - напірно-витратна характеристика регульованого 55 роботи насосів у насосному режимі; насоса у турбінному режимі при його максимальній частоті обертання у зворотному напрямку; H0 - напір, створюваний насосом при нульовій витраті; Hcт - статичний напір мережі; H1кp та Q кp - критичні значення напору та витрати при регулюванні у насосному режимі; Q '2 - значення витрати, до якого збільшується витрата нерегульованого насосу у режимі протитоку для 2 UA 89451 U забезпечення переходу регульованого насосу у турбінний режим; H'1тp та Q'кp - значення напору та витрати, при яких відбувається перехід регульованого насосу в турбінний режим; H"1тp - значення напору регульованого насосу у турбінному режимі при максимальній частоті обертання; Q тp0 - початкове значення витрати регульованого насосу у турбінному режимі; 5 Qmin - мінімальне значення витрати, що забезпечується при використанні турбінного режиму; Rc - гідродинамічний опір мережі; Qmax - максимальне значення витрати; на фіг. 4 приведений алгоритм роботи насосної станції у насосному і турбінному режимах, на якій прийняті позначення: ККД - коефіцієнт корисної дії, НС - насосна станція, Q - номінальне значення подачі, Q кр - критичне значення витрати у насосному режимі, Qmin - значення мінімальної 10 витрати у мережі споживача, Qmax - максимальне значення витрати, Q'кр - початкове значення витрати у турбінному режимі з урахуванням значення мінімальної витрати турбінного режиму регульованого насосу, Q кр - критичне значення витрати у насосному режимі; Q1тр0 - початкове 15 20 25 30 значення витрати у турбінному режимі регульованого насосу, Q'кp - значення витрати, при якому відбувається перехід регульованого насосу в турбінний режим, m  ƒ(Q) - діапазон частоти обертання. Спосіб турбінного регулювання параметрів насосної станції (НС) реалізовано наступним чином. Технологічний ланцюг насосної станції з турбінним регулюванням параметрів (фіг. 1) складається з двох паралельно включених насосів 9 та 12, двигунів 10 та 13, які підключаються до трифазної мережі змінного струму за допомогою вимикачів 16 та 14. НС обладнана засувками 31-35 із виконавчими механізмами. Потоки води, що надходять по трубопроводам з насосів об'єднуються в один колектор 3. Для отримання інформації про витрату насосів на мережі встановлені сенсори виміру витрат '1, 6, 8. Керування режимами роботи НС здійснюється програмно-керуючим пристроєм (ПКП). Регулювання 9 здійснюється встановленим перетворювачем частоти (ПЧ). ПКП повністю отримує інформацію з датчиків виміру витрати та згідно з режимами роботи та діапазонами регулювання формує керуючі впливи на ПЧ та засувки. Для знаходження необхідних значень регульованих вихідних технологічних параметрів використовується алгоритм розрахунку режимів роботи НС та діапазонів регулювання (фіг. 2). На першому етапі приведеного алгоритму (фіг. 2) відбувається введення паспортних даних насосів у насосному режимі роботи (напір, витрата, потужність, ККД), характеристики мережі споживача (статичний напір, діапазони витрат, опір мережі), розраховуються коефіцієнти швидкохідності насосів за формулою: 3,65  n  Q , (1) H3 / 4 де n , Q , H - номінальні значення частоти обертання, подачі і напору. На другому етапі з отриманих даних відбувається розрахунок критичних частот обертання насосного режиму і вибирається насос, який буде регулюватися шляхом використання ПЧ. Значення критичної витрати розраховується за формулою (рис. 3): ns  35 Qкр1  40 45 H01  Hcm , (2) Rc  R1 де H01 - напір, що розвивається регульованим насосом при нульовій витраті; Hcm - статичний напір (протитиск); Rc - гідродинамічний опір мережі; R1 - власний внутрішній опір регульованого насосу, визначається з паспортних характеристик насосу. Значення критичного напору розраховується за формулою: Hкр1  H(Qкp1) , (3) де H(Qкp1) - значення напору при критичному значені витрати. Значення критичної частоти обертання розраховується за формулою:  кр1  Hкр1 H01 . (4) 3 UA 89451 U 5 На третьому етапі, після вибору насосу, що буде регульованим за швидкістю, розраховуються напірно-витратні, потужнісні та енергетичні характеристики для насосного режиму, діапазони роботи НС у насосному режимі. На четвертому етапі для регульованого насоса за аналітичними залежностями, що використовують коефіцієнт швидкохідності насоса, будуються характеристики турбінного режиму роботи та визначаються початкові значення напору та витрати у турбінному режимі: - для визначення напірно-витратних характеристик: h t  A(ns ) 2  B(ns )q2 , (5) де n s - коефіцієнт швидкохідності; 10 15 A(ns ) та B(ns ) - аналітичні вирази, що дорівнюють: A(ns )  0,543  0,0093ns , (6) B(ns )  0,459  0,0039ns , (7) де  - відносна частота обертання; q - відносні витрата води; - для визначення початкових точок напору та витрати води турбінного режиму: - початкове значення напору у турбінному режимі: h0 t  0,3  6,82  10 6 n2 , (8) s - початкове значення витрати води у турбінному режимі: 20 25 q0 t  0,481  0,003 ns . (9) Для роботи насосу у турбінному режимі необхідно, щоб напори нерегульованого, регульованого насосів і мережі були рівними. Для цього сумарна витрата збільшується на значення мінімальної витрати турбінного режиму регульованого насосу. Таким чином, отримуємо нове критичне значення витрати: Q'кр  Qкр  Q1тр0 , (10) де Q'кp - початкове значення витрати у турбінному режимі з урахуванням значення мінімальної витрати турбінного режиму регульованого насосу; Q кp - критичне значення витрати у насосному режимі; Q1тр0 - початкове значення витрати у турбінному режимі регульованого насосу. Діапазон ( Q'кр ; Q кр ) відповідає режиму протитоку, у якому регулювання не здійснюється. 30 35 Далі розраховуються координати початку турбінного режиму регульованого насосу. Початковий напір турбінного режиму відповідає значення напору мережі при початковому значенні витрати у турбінному режимі: H'1тр  Нс (Q'кр ) , (11) де Нс (Q'кр ) - значення напору при початковому значенні витрати у турбінному режимі. Початкове значення частоти обертання для турбінного режиму визначають за формулою: '1  H'1тр R 01тp  Q1тp0 2 H01кр , (12) де H'1тр - початкове значення напору у турбінному режимі; R01тр - власний внутрішній опір регульованого насосу у турбінному режимі; Q1тр0 - початкове значення витрати у турбінному режимі регульованого насосу; 40 45 H01кр - значення напору регульованого насосу на межі насосного режиму. Далі проводиться розрахунок значень напору та частоти обертання регульованого насосу у турбінному режимі при необхідній мінімальній витраті у мережі споживача. Напір регульованого насосу, що працює у турбінному режимі відповідає напору мережі при мінімальній витраті та напору нерегульованого насосу: Hc (Qmin )  H'2  H"1тр , (13) де H' 2 - напір нерегульованого насосу; H"1тр - напір регульованого насосу. 4 UA 89451 U Частота обертання регульованого насосу при мінімальній витраті у мережі визначається наступним чином: "1  H"1тр R 01тр  (Q'2 Qmin )2 H01кр , (14) H"1тр - напір регульованого насосу; 5 R01тр - власний внутрішній опір регульованого насосу у турбінному режимі; Q2 - витрата нерегульованого насосу; Qmin - значення мінімальної витрати у мережі споживача: H01кр - значення напору регульованого насосу на межі насосного режиму. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Після визначення даних турбінного режиму для регульованого насосу розраховуються напірно-витратні, потужнісні та енергетичні характеристики для турбінного режиму. Завершальним етапом є об'єднання всіх отриманих і розрахованих даних та побудова напірно-витратних характеристик роботи насосної станції з двома паралельно працюючими насосними агрегатами Д3200-75 та Д1250-125 (фіг. 3). Насос Д3200-75 працює постійно, а насос Д1250-125 переводиться у турбінний режим, в залежності від значення необхідної витрати у мережі споживача. При роботі обох насосів у 3 номінальному насосному режимі максимальна сумарна витрата складає Qmax  1236 м /с, що , забезпечує потреби споживача. Значення критичної витрати, при якій відбувається перехід 3 регульованого агрегату у режим протитоку становить Qкр  106 м /с. Після режиму протитоку, у , якому насосний агрегат не споживає електроенергії, відбувається перехід у турбінний режим з переключенням перетворювача частоти у режим рекуперації енергії, при цьому значення 3 витрати, при якому починається турбінний режим, становить Qкр '  0,91 м /с. Регулювання у турбінному режимі здійснюється поки значення напору насосів та мережі будуть рівними, тому максимальна частота обертання регульованого насоса у турбінному режимі складає  т  0,57 , тобто 57 % від номінального значення частоти обертання у насосному режимі. Мінімальне значення сумарної витрати, при якому використовується турбінний режим регульованого насосного агрегату та забезпечується регулювальний діапазон вихідних технологічних 3 параметрів складає Qmin  0,86 м /с. У процентному відношенні в діапазоні регулювання регульованого насосного агрегату режиму протитоку відповідає 40 %, при цьому електроенергія не споживається, а турбінному режиму з рекуперацією електроенергії у мережу 13,3 %. Для регулювання вихідних технологічних параметрів та режимів роботи насосної станції з частотним регулюванням одного з паралельно включених насосів у насосному та турбінному режимі використовується алгоритм роботи програмно-керуючого пристрою (фіг. 4). Згідно алгоритму (фіг. 4) на першому етапі відбувається введення паспортних даних насосів у насосному режимі роботи, характеристики мережі споживача, розраховуються коефіцієнти швидкохідності насосів, далі за алгоритмом, зображеним на фіг. 2, розраховуються режими роботи НС та діапазони регулювання. Після цього відбувається запуск та робота насосів. У залежності від необхідної витрати у мережі споживача, ПКП, отримуючи інформацію від сенсорів витрат, коректує через перетворювач частоти частоту обертання та режими роботи регульованого насосу. Якщо значення необхідної витрати знаходиться у діапазоні ( Q кр ; Qmax ), то обидва насоси працюють у насосному режимі. З часом значення споживаної мережею витрати змінюється і, якщо її значення менше критичного значення витрати у насосному режимі, то використовується регулювання за допомогою турбінного режиму регульованого насосу. Якщо значення витрати мережі менше Q кр , то регульований насос необхідно перевести у турбінний режим. Регульований насос через ПЧ (фіг. 1) зупиняється і під дією потоку починає обертатися у зворотному напрямку. Турбінне регулювання можливе, коли напори нерегульованого, регульованого насосів та мережі будуть рівними, при значенні витрати, необхідному для переходу у турбінний режим. Для цього відбувається збільшення витрати нерегульованого насосу на величину початкової витрати турбінного режиму регульованого насосу Q1тр0 до досягнення значення витрати Q'кр . Діапазон ( Q'кр ; Q кр ) є перехідним між насосним та турбінним режимами та називається протитік. Після досягнення значення Qкр ' регульований насос починає працювати у турбінному режимі та перетворювач частоти перемикається у режим рекуперації електроенергії у 5 UA 89451 U електромережу. Діапазон регулювання у турбінному режимі залежить від значень напору, які повинні бути рівні значенням напору нерегульованого насосу та мережі. Відповідно зі значень напору визначається діапазон частоти обертання m  ƒ(Q) та витрат ( Qmin ; Q'кр ), при цьому не відбувається регулювання у режимі протитоку ( Q'кр ; Q кр ). 5 При досягненні значення витрати мережі, яке перевищує критичне значення витрати, сигнал з ПКП (фіг. 1) переводить перетворювач частоти у звичайний режим і регульований насос працює у насосному режимі. При досягненні значення необхідної витрати, що не знаходиться у діапазоні регулювання, відбувається зупинка насосів. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Спосіб турбінного регулювання параметрів насосної станції, який полягає у переведенні одного з паралельно включених насосних агрегатів у турбінний режим електричним шляхом, а саме шляхом зміни частоти обертання двигуна одного з паралельно включених насосних агрегатів, при цьому турбінний режим насосного агрегату використовується як стаціонарний з рекуперацією енергії в електромережу, який відрізняється тим, що при проходженні через регульований паралельно включений насос кількості води, яка дорівнює початковому значенню витрати регульованого насосу у турбінному режимі - Q0тp , і досягненні значення витрати: Q'кр  Qкр  Q0тр , де Q'кp - початкове значення витрати у турбінному режимі з урахуванням значення мінімальної витрати турбінного режиму регульованого насосу, Q кp - критичне значення витрати у насосному режимі, Q0тp - початкове значення витрати у турбінному режимі 25 регульованого насосу, то регульований насос переводиться у турбінний режим, проводиться розрахунок значень напору: Hc (Qmin )  H' 2  H"1тр , де Hc (Qmin ) - напір мережі при мінімальній витраті, H' 2 - напір нерегульованого насосу, H"1тр - напір регульованого насосу, та частоти обертання регульованого насосу у турбінному режимі при необхідній мінімальній витраті у мережі споживача: "1  H"1тр R 01тр  (Q' 2 Q min )2 H01кр , де H"1тр - напір регульованого насосу, R01тр Q - витрата 2 - значення мінімальної витрати у мережі споживача, H01кр - власний внутрішній опір регульованого насосу у турбінному режимі, 30 нерегульованого насосу, Qmin значення напору регульованого насосу на межі насосного режиму, та для визначення даних турбінного режиму регульованого паралельно включеного насосу будуються напірно-витратні характеристики турбінного режиму. 6 UA 89451 U 7 UA 89451 U 8 UA 89451 U 9 UA 89451 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10