Демонстраційна модель насосної установки

Демонстраційна модель насосної установки, що включає перший і другий насосні агрегати, з'єднані паралельно, перший і другий привідні двигуни однойменних насосних агрегатів, першу засувку на вході і другу засувку на подачі першого насоса, першу засувку на вході і другу засувку на подачі другого насоса, датчики тиску і продуктивності першого і другого насоса, яка відрізняється тим, що вона додатково обладнана третім насосним агрегатом, включеним між вхідними і вихідними патрубками по обидві сторони другої засувки на подачі першого насоса, третім привідним двигуном, першою засувкою на вході і другою засувкою на подачі третього насоса, датчиками тиску і продуктивності третього насоса, першим, другим і третім датчиками швидкості однойменних двигунів насосних агрегатів, першим, другим і третім датчи ками потужності двигунів насосів, першим, другим і третім регуляторами швидкості двигунів однойменних агрегатів, блоком зв'язку виходів датчиків з обчислювальним блоком, обчислювальним блоком, блоком відображення інформації, причому датчики тиску і продуктивності турбомеханізмів установлені на вихідних патрубках однойменних насосних агрегатів, датчики потужності першого, другого і третього двигунів насосів установлені на виході першого, другого і третього регуляторів швидкості, виходи першого, другого і третього датчиків тиску з'єднані з третім, десятим і сьомим входами блока зв'язку з обчислювальним блоком, виходи першого, другого і третього датчиків продуктивності зв'язані з четвертим, дев'ятим і восьмим входами блока зв'язку, виходи першого, другого і третього датчиків потужності з'єднані з другим, одинадцятим і шостим входами згаданого блока, виходи першого, другого і третього датчиків швидкості обертання двигунів з'єднані з першим, дванадцятим і п'ятим входами блока зв'язку з обчислювальним блоком, перший, другий і третій керуючі виходи блока зв'язку з'єднані з керуючими входами першого, другого і третього регуляторів швидкості обертання двигунів, причому другий і третій насосні агрегати виконані у вигляді оборотних гідромашин - насосів-турбін 00 (О Запропонований винахід відноситься до електротехніки, зокрема, до електрообладнання турбомеханізмів, включаючи електропривод і системи управління насосними агрегатами і станціями Насосні установки є одними з найбільш енергоємних споживачів, причому показники енергоспоживання залежать від ряду факторів характеристик насосних агрегатів, схеми їх з'єднання, параметрів гідравлічної мережі, протитиску Ефективність функціонування насосних установок визначається також технологічними особливостями споживача Оцінка цих характеристик найбільш якісно може бути здійснена з використанням лабораторних демонстраційних установок, що реалізують фізичні дрібномасштабні моделі реальних пдротранспортних систем Відомий пристрій контролю і управління параметрами насосної установки, що включає робочий і резервний насоси, датчики тиску, електрокомутуючу апаратуру керування робочим і резервним насосними агрегатами [Попкович ГС , Гордеев М А Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения - М "Высшая школа", 1986г, с 264] При збільшенні (зниженні) витрати води в мережі споживача, регулювання продуктивності здійснюється шляхом додаткового включення (вимикання) резервного насосного агрегату До недоліків такого пристрою відносяться відсутність інформації про електричні параметри і характеристики електрообладнання, а також візуальний контроль технологічних параметрів Крім того, установка заданого значення тиску 62489 здійснюється вручну оператором У результаті неминуча перевитрата електроенергії, відхилення вихідного тиску від заданого при ЗМІНІ параметрів пдромережі, що приводить до підвищення аварійності та зниження надійності роботи системи в цілому Відомий пристрій для автоматичного контролю і управління насосною установкою [АС СССР №735825 кл F04D13/06 1977г], що містить органи пуску й останову привода насоса, керуючий пристрій привода, реле верхнього і нижнього рівнів тиску, підключені до керуючого пристрою привода, індикатор тиску, виконаний у виді оснащеного сигналізатором запам'ятовуючого пристрою У випадку зниження тиску в системі нижче величини уставки реле нижнього рівня сигналізатор індикатора відключається, а керуючий пристрій включає насос, що забезпечує збільшення тиску в мережі При досягненні тиском величини уставки реле верхнього рівня робочого тиску насос відключається, на вхід запам'ятовуючого пристрою надходить сигнал від реле, змушуючи включатися сигналізатор Однак, ступінчасте регулювання продуктивності насосної установки шляхом включення-відключення насосного агрегату, реалізоване даним пристроєм, є енергетично невигідним через створення зайвих напорів у мережі, а часті пуски приводять до зниження надійності роботи електрообладнання Відомий пристрій управління режимом роботи насосної установки [Лезнов Б С Экономия электроэнергии в насосных установках - М «Энергоатомиздат», 1991г, с 98], що включає регульований електропривод того чи іншого типу, насос, задаючий пристрій, регулятор, датчик тиску в мережі споживача і суматор, що зв'язує вихід датчика тиску і вихід задаючого пристрою, причому вихід суматору підключений до входу регулятора Якщо напір у диктуючій точці мережі виявляється вище заданого, у привод надходить команда на зменшення частоти обертання електродвигуна насоса, і навпаки Однак, у більшості випадків сучасні технологічні установки (пневматичні, насосні) містять турбомеханізми, які включені паралельно чи послідовно на загальну трубопровідну систему з протитиском Регульованим електроприводом доцільно обладнати один із працюючих агрегатів При груповому характері навантаження необхідний діапазон регулювання частоти обертання регульованого турбомеханізму складає всього 7-10% униз від номінальної швидкості, а при збільшенні числа одночасно включених агрегатів - звужується до 3% Тому, у зв'язку з високою вартістю перетворювальних пристроїв, а також з урахуванням того, що застосування регульованого електропривода є не завжди доцільним через недовикористання його по своїх регулювальних можливостях, у деяких випадках більш альтернативним варіантом є застосування регулювання продуктивності насосних установок активним впливом на комунікації з використанням турбіни й електромеханічного перетворювача, що здійснюють регулювання в необхідному діапазоні зміни подачі і відрізняються більш високими енергетичними й економічними показниками Крім того, зазначені вище пристрої управління режимами роботи насосної установки відрізняє низька інформативність про процеси, що спостерігаються в електромеханічній системі Метою винаходу є підвищення достовірності результатів при аналізі енергетичних режимів роботи насосної установки Зазначена мета досягається тим, що запропонована демонстраційна модель для дослідження режимів роботи насосної установки, що включає перший і другий насосні агрегати, включені паралельно в загальну гідравлічну магістраль і оснащені засувками на втязі і на подачі, приводні двигуни насосних агрегатів, датчики тиску і продуктивності на виході насосних агрегатів, додатково обладнана третім насосним агрегатом із системою датчиків і регулятором швидкості, із засувками на втязі і на подачі, включеним у гідравлічну мережу паралельно засувці на подачі першого насосного агрегату, датчиками потужності приводних двигунів насосів, датчиками швидкості обертання двигунів насосів, регуляторами швидкості приводних двигунів, блоком зв'язку датчиків насосних агрегатів з обчислювальним блоком, обчислювальним блоком (ЕОМ), блоком відображення інформації Другий і третій насосні агрегати виконані у виді оборотних гідромашин Контроль електричних та технологічних параметрів насосної установки здійснюється з використанням обчислювального блоку Введення вимірювальних датчиків дозволяє автоматизувати процес одержання й обробки інформації, з можливістю здійснення місцевого й дистанційного управління регуляторами швидкості Демонстраційна модель дозволяє досліджувати енергетичну ефективність роботи насосної установки при використанні трьох методів регулювання продуктивності регулюванні засувкою, установленої на виході першого насоса, регулюванні зміною частоти обертання робочого колеса першого турбомеханізму і регулюванні подачі шляхом корекції режимів гідравлічної мережі за допомогою активних регулювальних пристроїв Сутність останнього методу полягає у тому, що необхідний ефект збільшення гідравлічного опору створюється не за рахунок системи засувок, а за допомогою спеціального пристрою, що включає в себе гідравлічну турбіну, установлену паралельно засувці на втязі першого насоса, і електромеханічного перетворювача енергії Турбінний пристрій виконує роль активної засувки, де енергія повертається в мережу з деякими втратами, обумовленими внутрішніми втратами в самій турбіні й у перетворювальному пристрої, при цьому к к д турбіни досить високий і лежить у межах 0,92-ь0,95 Регулювання потужності, що віддається турбіною, здійснюється з використанням системи регульованого електропривода турбіни, як основної бази для пристрою зв'язку з мережею живлення Винахід пояснюється кресленнями фіг 1 - Блок-схема демонстраційної моделі насосної установки, фіг 2 - Напірно-витратні й енергетичні характеристики насоса при регулюванні продуктивності дроселюванням, 62489 фіг 3 - Напірно-витратні й енергетичні характеристики насоса при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання вала першого електродвигуна, фіг 4 - Напірно-витратні й енергетичні характеристики оборотної гідромашини при ПОСТІЙНІЙ ШВИДКОСТІ обертання Запропонована демонстраційна модель насосної установки (фиг 1), що включає перший і другий насосні агрегати 1 і 2, з'єднані паралельно, перший і другий приводні двигуни 4, 5 однойменних насосних агрегатів, першу засувку на втязі 7 і другу засувку на подачі 8 першого насоса, першу засувку на втязі 9 і другу засувку на подачі 10 другого насоса, датчики тиску 13 і продуктивності 14 першого насоса, датчики тиску 15 і продуктивності 16 другого насоса, відрізняється від відомих тим, що з метою підвищення достовірності результатів при аналізі енергетичних режимів роботи насосної установки, вона додатково обладнана третім насосним агрегатом 3, включеним між вхідними і вихідними патрубками з обох сторін другої засувки на подачі першого насоса, третім приводним двигуном 6 однойменного насоса, першою засувкою на втязі 11 і другою засувкою на подачі 12 третього насоса, датчиками тиску 17 і продуктивності 18 третього насоса, першим, другим і третім датчиками швидкості 19-21 двигунів насосних агрегатів, першим, другим і третім датчиками потужності 22-24 однойменних двигунів насосів, першим, другим і третім регуляторами швидкості 25-27 двигунів однойменних агрегатів, блоком зв'язків виходів датчиків з обчислювальним блоком 28, обчислювальним блоком (ЕОМ) 29 і блоком відображення інформації ЗО У якості першого насосного агрегату використовується серійний насос з типовими характеристиками, другий і третій насосні агрегати - оборотні гідромашини, що працюють як у насосному, так і турбінному режимах, та представляють собою типові насоси-турбіни [Кривченко Г И Гидравлические машины Турбины и насосы Учебник для вузов - М Энергоатомиздат, 1983 с 144-147] Датчики технологічних параметрів турбомеханізмів 13-18 установлені на вихідних патрубках однойменних насосних агрегатів і являють собою типові датчики з електричним виходом, що широко використовуються на практиці, наприклад датчик тиску серії «Сапфір-22М-ДА», датчик витрати води «Сапфір-22М-ДД» Як датчики швидкості, установлених жорстко на одному валу з ВІДПОВІДНИМИ електродвигунами, використовуються типові датчики систем привода, наприклад тахогенератори Датчики потужності першого, другого і третього двигунів насосів, що представляють собою стандартні датчики, наприклад серії ДІМ200 (м Істра-2, НИЄМ) чи МХ1 220/220 фірми ІТТ установлюються на виході першого, другого і третього регуляторів швидкості, що являють собою транзисторні перетворювачі частоти з інверторами напруги, що дозволяють реалізовувати рухові і гальмові режими роботи приводних двигунів Виходи першого, другого і третього датчиків тиску з'єднані з третім 3-13, десятим 10-15, сьомим 7-17 входами блоку зв'язку з ЕОМ, виходи першого, другого і третього датчиків продуктив ності зв'язані з четвертим 4-14, дев'ятим 9-16 і восьмим 8-18 входами блоку 28, виходи першого, другого і третього датчиків потужності з'єднані з другим 2-22, одинадцятим 11-23 і шостим 6-24 входами згаданого блоку, виходи першого, другого і третього датчиків швидкості обертання двигунів з'єднані з першим 1-19, дванадцятим 12-20 і п'ятим 5-21 входами блоку зв'язку з ЕОМ Перший, другий і третій керуючі виходи 1-3 блоку 28 зв'язані з керуючими входами першого, другого і третього регуляторів швидкості обертання двигунів Блок зв'язку з ЕОМ містить у собі аналоговоцифровий та цифро-аналоговий перетворювач, наприклад серії L-card, L780 з характеристиками розрядність 14біт, час дискретизації - 1мкс, вхідна аналогова напруга ±5В Опитування датчиків, обробка даних ВІДПОВІДНО ДО визначеного алгоритму функціонування і командами оператора, а також вироблення керуючих сигналів, що надходять через цифро-аналоговий перетворювач на вхід регулятора швидкості, здійснюється ЕОМ, що представляє собою стандартний ПК класу Pentium Розглянемо роботу демонстраційної насосної установки при різних законах управління продуктивності насосних агрегатів При регулюванні вихідних технологічних параметрів насосної установки дроселюванням, перша засувка 7 першого насоса, перша і друга засувки 9, 10 другого насоса відкриті, перша і друга засувки 11, 12 третього насоса закриті, положення другої засувки 8 першого насоса, що є регулювальною, міняється в залежності від підтримки необхідної величини продуктивності на виході першого насоса Другий насосний агрегат, включений паралельно першому насосу, призначений для створення в трубопровідній системі протитиску (статичного напору) шляхом завдання необхідної величини швидкості обертання другого електродвигуна Причому враховуюче те, що другий насосний агрегат являє собою насосотурбіну з регульованим приводом, є можливість створювати різний по величині протитиск із різним напрямком руху води Для аналізу режимів роботи насосної установки розглянемо математичний опис напірновитратних та енергетичних характеристик турбомеханізма Напірно-витратну характеристику насоса з достатнім ступенем точності можна представити у виді апроксимованої аналітичної залежності H=A2v2+B2vQ+C2Q2 (1) P = A3v 2 Q + B3VQ 2 + D3V 3 (3) Гідравлічна мережа з протитиском описується рівнянням виду H=HC+RCQ2 (2) Потужність, що підводиться до вала відцентрової машини, дорівнює Корисна потужність насоса має вид п _ рд 1000 C2Q' Коефіцієнт корисної дії турбомеханізма (4) 62489 Лтм = _pg_ юоо 2 A 2 v Q+B 2 vQ 2 (5) де у вираженнях (1)-(5) Q - подача насоса, м3/с, Н - напір насоса, м, v=co/coH - відносна швидкість обертання робочого колеса насоса, ю н - номінальна швидкість обертання насоса, с \ Аг, Вг, Сг, Аз, Вз, D3 - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей турбомеханізма й визначаються за паспортними характеристиками насосів, Нс - статичний напір мережі, м, Rc - гідродинамічний опір мережі, с2/м , р - ЩІЛЬНІСТЬ рідини, 1000кг/м3, g - прискорення 2 ВІЛЬНОГО падіння, д=9,81м/с Зміна продуктивності насосної установки за рахунок регулювання гідравлічного опору мережі Rc=var - достатньо простий метод, однак, супроводжується ростом втрат RCQ2, що включають крім втрат на подолання власного опору пдромережі, непродуктивні втрати в дроселюючому органі Напірно-витратні й енергетичні характеристики насоса при регулюванні дроселюванням приведені на фіг 2, де криві 1, 2, 3 показують, як змінюється положення характеристики мережі споживача при збільшенні гідравлічного опору При цьому точка робочого режиму переміщується вверх по характеристиці турбомеханізму 4, продуктивність насоса зменшується, супроводжуючись значним зниженням к к д 3 фіг 2 видно, що дроселювання зменшує потужність на валу насоса і разом з тим підвищує частку енергії, що витрачається при регулюванні, тому такий метод неекономічний Так, при регулюванні до подачі, рівної Qc, напір, непродуктивно затрачуваний у дроселі, визначається відрізком Нзд, а потужність, що втрачається при цьому дорівнює 8 достатній, щоб перебороти статичний напір у мережі Потужність і к к д можуть бути визначені з кривих потужності і к к д за наявним значенням подачі QA, Q B , QC Робота насоса на гідравлічну мережу з протитиском при перемінній швидкості обертання описується системою рівнянь виду . . л 2 г, ^ ^ ^2 1 Н = A2v +B2vQ + ZC2Q , ... H = H C +R C Q , JГ ,2 (6) Рішення системи (6) дозволило одержати залежність продуктивності насоса від зміни швидкості його обертання -B2VQ= 2(C2-RC) Потужність, споживана насосом 2(C2-RC) Bqv -Bov-jBivz-4Co-Rr AV-Hr U) (8) Залежність к к д турбомеханізма від зміни швидкості обертання з урахуванням гідродинамічних параметрів мережі має вид 9,8 A ,v' 2C9-2Rr 2C2-2RC (2C9-2Rr (9) 2C2-2RC (2C9-2Rr У точці D фіг З справедливо рівняння A 2 v 2 +B2vKQ + C2Q2 =HC +RCQ2 (10) З урахуванням того, що в цьому режимі Q=0, одержимо Ніж більш глибоко здійснюється процес регулювання дроселюванням, тим більше непродуктивна витрата потужності При регулюванні параметрів насосної установки шляхом зміни частоти обертання першого електродвигуна першого насоса перша і друга засувки 7, 8 першого насоса, перша і друга засувки 9, 10 другого насоса відкриті, перша і друга засувки 11,12 третього насоса закриті На фіг З показане положення напірних характеристик при регулюванні подачі зміною частоти обертання робочого колеса насоса при пі>П2>пз>П4 Із-за того, що положення другої засувки 8 першого насоса залишається незмінним, загальний опір трубопроводу не міняється, положення його характеристики буде колишнім При зменшенні частоти обертання робочого колеса точка робочого режиму А буде переміщатися по характеристиці Q-Ннережа, подача і напір насоса будуть зменшуватися Зменшення швидкості обертання з метою регулювання продуктивності має сенс тільки до визначеної величини, при якій напір турбомеханізма дорівнює статичному (точка D фіг 3) Продуктивність насоса при цьому знижується до нуля При подальшому зменшенні продуктивності напір, що розвивається турбомеханізмом, буде не де Vk - відносна критична швидкість обертання двигуна регульованого насоса, що визначає нижню границю діапазону регулювання швидкості насоса при роботі на пдромережу з протитиском Як випливає з вираження (11), діапазон регулювання швидкості регульованого насоса не залежить від опору гідравлічної мережі, а визначається лише статичною складовою напору При регулюванні продуктивності насосної установки шляхом корекції режимів гідравлічної мережі з використанням активного регулювального пристрою, у якості якого виступає третій насосний агрегат, що є оборотною гідромашиною з регульованим електроприводом, перша засувка 7 першого насоса, перша і друга засувки 9, 10 другого насоса, перша і друга засувки 11,12 третього насоса відкриті, друга засувка 8 першого насоса закрита Величина гідравлічної потужності турбіни, що йде на вал двигуна, регулюється КІЛЬКІСТЮ минаючої через неї води електричним шляхом, при цьому в якості системи електричного приводу може бути використаний, наприклад, частотно-регульований електропривод Напірновитратна характеристика турбіни має вид 62489 +R B T Q 2 ] (12) де Но - напір турбіни при подачі, рівної нулю, RBT - внутрішній опір турбіни, vT - відносна швидкість обертання робочого колеса турбіни На фіг 4 приведені напірно-витратні й енергетичні характеристики оборотної гідромашини при ВІДНОСНІЙ швидкості обертання, рівної v = 1,0 Регулюючи швидкість обертання приводного двигуна турбіни v T =var , домагаються зміни напору, створюваного турбіною, зміни КІЛЬКОСТІ ВОДИ, що проходить через турбіну, і, отже, зміни потужності на валу двигуна Втрати енергії при цьому можуть бути мінімальними Метод регулювання продуктивності активним впливом на комунікації є енергетично й економічно ефективним 10 засобом, оскільки відсутня непродуктивна втрата енергії на дроселюючому органі, а також відбувається рекуперація енергії в мережу При цьому вартість такої системи нижче вартості частотнорегульованого електропривода, де потужність перетворювального пристрою повинна дорівнювати потужності двигуна турбомеханізма Запропонована демонстраційна модель насосної установки дозволить визначити технологічні й електричні параметри в електромеханічній системі при використанні різних методів регулювання продуктивності насосних агрегатів і різних параметрах гідравлічної мережі, що, у свою чергу, підвищить точність та інформативність при аналізі напірно-витратних й енергетичних характеристик турбомеханізмів N, кВт Н,м Q, м'/с Ріг 2 Нашрно-витратні и енергетичні характеристики насоса при регушвзвні продуктивності дроселюванням Н,Р H=f(Q) H=f(Q) Н, Р 0 , MJ/I Е>іг 3 Нашрно витраті й еыергэтичт характерні.гики наиішіїри регуіюванш 4 Нашрно-витратш и енері етичні характеристики оборотної гідромашини продуктивності ІЧШОЮ час готи обертання вала тершого електродвиі>на Комп'ютерна верстка Л Литвиненко ггри постійній швидкості обергания Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119