Регулируемые приводы. 
Водоснабжение и водоотведение

При определении мощности насоса и подборе электродвигателя руководствуются следующими расчетами. Потребляемая мощность (мощность на валу) насоса (в Вт):

где? — плотность, кг/м3; Q — подача, м3/с; Н — напор, м; ?? — полный коэффициент полезного действия, принимается по паспорту насоса.

Мощность электродвигателя (в Вт) определяют по формуле.

где К — коэффициент запаса мощности двигателя. Его следует принимать при мощности до 4 кВт — 1,3; от 4 до 20 кВт — 1,25; от 20 до 40 кВт — 1,2; свыше 40 кВт — 1,15; для крупных насосов — 1,05…1,15.

Для привода центробежных насосов, устанавливаемых на насосных станциях систем водоснабжения и водоотведения, как правило, применяют асинхронные и реже синхронные электродвигатели переменного трехфазного тока.

При выборе электродвигателей к насосам необходимо определять следующие электромеханические параметры: мощность, напряжение, количество оборотов и исполнение двигателя. Кроме того, должны быть приняты во внимание возможности регулирования и коэффициент мощности cos ?.

Каждый двигатель характеризуется основными номинальными данными. Номинальный режим работы двигателя соответствует данным, указанным в его паспорте.

При работе двигателя в номинальном режиме он имеет максимальный КПД.

Асинхронные двигатели выпускают на разные напряжения: 127, 220, 380, 500, 660, 3000, 6000, 10 000 В.

Расход электроэнергии на перекачку чистых и сточных вод с учетом оборотного водоснабжения в России оценивается в 120… 130 млрд кВт • ч/год. Доля электроэнергии в эксплуатационных затратах водопроводно-канализационных предприятий составляет 40…50% (и до 70…80% при использовании подземных вод). Объяснимы поэтому участившиеся требования эксплуатирующих организаций предусматривать регулируемые электроприводы в проектах по новым и реконструируемым насосным станциям, в том числе канализационным. Однако не всегда подтверждается целесообразность использования частотного регулирования, например на канализационных насосных станциях (КНС). Б. С. Лезнов (ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО») рекомендует использовать системы автоматического управления с регулируемым электроприводом (РЭП) в тех случаях, когда:

• — насосная водопроводная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции II, III подъемов, станции подкачки и т. п.);
• — объем приемных резервуаров канализационных и иных насосных станций не превышает обычных размеров, т. е. их вместимость не превышает 5… 10-минутной подачи наиболее крупного насоса;
• — диапазон колебания водопотребления и притока достаточно большой (не менее 15…20% максимальной подачи);
• — динамическая составляющая водоподачи достаточно большая (не менее 20…30% общей высоты подъема жидкости);
• — в отдельных случаях, например для обеспечения равномерного режима работы очистных сооружений;
• — при использовании насосных агрегатов мощностью 75…100 кВт и выше .

Применение частотного привода для насосов мощностью 300…400 кВт и выше обычно затруднительно, поскольку они оснащаются высоковольтными электродвигателями, а это резко усложняет и удорожает их установку из-за необходимости использовать дополнительно понижающий и повышающий трансформаторы.

Синхронная частота вращения асинхронного двигателя — прежде всего функция количества полюсов и частоты:

При приложении нагружающего момента присутствует скольжение между фактической и синхронной скоростью. Эго скольжение обычно невелико, в среднем оно составляет 1…3% синхронной скорости. Изменить скорость в двигателе можно, изменения частоту тока преобразователем частоты (ПЧТ). Частотные преобразователи, также называемые частотно-регулируемыми приводами, устанавливают, чтобы улучшить управление производственным процессом и сэкономить энергию.

РЭП вызывает потери на гармониках в двигателе. Это происходит из-за несовершенной синусоидальной волны от РЭП, который управляет двигателем. Эти потери заставляют двигатель нагреваться, что ведет к снижению рабочих характеристик двигателя при работе с РЭП. Потери на гармониках, производимые современными РЭП, варьируются в пределах 5… 10%, в результате чего КПД двигателя падает еще на 0,5…1%.

Для сравнения потребления энергии между насосами, управляемыми РЭП, и насосами с дроссельным регулированием подсчитаем, сколько необходимо энергии, чтобы перекачать 1 м³ воды [кВт/м3] в данной системе. Тогда удельная энергия.

где N — мощность, кВт; t — время, ч; V — перекаченный объем воды, м3; Q — подача, м3/ч.

Законы подобия свидетельствуют, что подача пропорциональна скорости рабочего колеса в определенной точке на характеристике насоса. Напор пропорционален квадрату скорости, в то время, как мощность является кубической функцией скорости. Когда скорость уменьшается, гидравлический КПД насоса остается постоянным.

По законам подобия.

где? — гидравлический КПД.

В насосных установках находят применение регулируемые приводы с многоскоростными (двухскоростными) электродвигателями, с индукторными муфтами скольжения, с гидромуфтами, приводы, но схеме асинхронно-вентильного каскада, приводы на базе вентильного электродвигателя и частотные приводы.

Многоскоростные двигатели используют в тех случаях, когда применять плавное регулирование не требуется, например при ступенчатом графике водопотребления, а также при отсутствии плавно регулируемых приводов. Они позволяют увеличить число возможных комбинаций напорных характеристик насосных агрегатов без увеличения числа насосов.

При вод с индукторными муфтами скольжения преимущественно используют в системах автоматизированного управления насосных установок, оборудованных горизонтальными насосными агрегатами сравнительно небольшой мощности (40…250 кВт). Этот привод относится к группе приводов, работающих с потерями скольжения.

Привод с гидромуфтами по своим энергетическим характеристикам аналогичен приводу с индукторными муфтами скольжения. Привод по схеме асинхронно-вентильного каскада получил распространение в горизонтальных насосных агрегатах средней и большой мощности (250…1600 кВт). В отличие от приводов с индукторными муфтами скольжения и гидромуфтами в этом приводе потери скольжения не теряются, а рекуперируются в питающую электросеть.

Привод на базе вентильного двигателя используют в агрегатах большой мощности (1600…5000 кВт), особенно вертикального исполнения.

Частотный привод применяют главным образом в низковольтных агрегатах мощностью 40…250 кВт. Эти приводы работают без потерь скольжения, однако отличаются сравнительно высокой стоимостью и сложностью конструкции.

Применение РЭП в системах автоматического управления (САУ) насосных установок позволяет привести в соответствие режим их работы с водопотреблением или притоком сточных вод. Благодаря этому стабилизируются давление в водопроводной сети и уровень воды в приемных емкостях канализационных насосных станций или резервуарах систем водоснабжения, экономится энергия, сокращаются утечки и непроизводительные расходы воды, появляется возможность увеличить единичную мощность насосных агрегатов и соответственно уменьшить их число.

РЭП используют обычно в насосных установках, оснащенных агрегатами достаточно большой мощности (75…100 кВт и выше), характеризующихся неравномерностью подачи и большой динамической высотой подъема воды, т. е. большой крутизной графических характеристик водоводов и сети.

В САУ водопроводных насосных станций, работающих в безбашенную водопроводную сеть, регулируемым параметром обычно является давление в диктующей точке (точках) водопроводной сети. В тех случаях, когда насосная станция расположена вблизи потребителей или когда падение давления в трубопроводах между диктующей точкой и коллектором насосной станции мало зависит от расхода воды, в качестве параметра регулирования принимают давление на напорном коллекторе станции. В САУ насосных станций, подающих воду в резервуары, в отдельных случаях, в качестве параметра регулирования принимают уровень воды в приемном резервуаре. Из экономических соображений регулируемым электроприводом обычно оборудуют один из агрегатов в группе из двух-трех насосов. В качестве регулируемого принимают наиболее крупный насос с наиболее пологой графической характеристикой, что препятствует образованию мертвых зон в процессе регулирования.

Оснащать все установленные на станции насосные агрегаты регулируемым электроприводом необходимо только в тех случаях, когда изменение угловой скорости вращения регулируемых агрегатов выводит нерегулируемые агрегаты в зону ненормальных режимов работы: низких КПД, кавитации или помпажа. При одновременной работе регулируемых и нерегулируемых насосных агрегатов САУ обеспечивает их взаимодействие: изменяет угловую скорость вращения регулируемых агрегатов, включает или отключает в нужный момент нерегулируемые агрегаты, ограничивает по энергетическим и технологическим показателям допустимый диапазон изменения угловой скорости вращения регулируемых агрегатов. При работе нескольких насосных установок, подающих воду в водопроводную сеть труб целого района, САУ поддерживает оптимальное средневзвешенное значение КПД группы насосных станций.

Системы автоматизации могут быть как локальными, так и входить в состав АСУ технологическими процессами подачи и распределения воды (АСУ ТП ПРВ). В этих системах электронно-вычислительные машины (ЭВМ), с помощью которых производят анализ информации, собираемой по каналам телемеханики от насосных станций, водоводов, резервуаров и распределительных сетей и выполняют расчеты по оптимизации режимов работы системы подачи и распределения воды.

Информация о технологических и электрических параметрах (давление, расход и уровень воды, электрический ток, напряжение) в устройствах телемеханики и автоматики преобразуется в маломощные унифицированные электрические аналоговые и релейные сигналы. Регулируют режим работы насосных установок обычно по пропорциональноинтегральному закону (ПИ-закону). Для задания требуемого значения параметра регулирования в систему автоматизации вводят задающие устройства. Для реализации команд, поступающих из системы автоматизации, агрегаты и другое оборудование оснащают дополнительными механизмами. В насосных установках получили распространение микропроцессорные устройства и промышленные компьютеры, которые позволяют легко и быстро перенастраивать законы регулирования при изменении динамических характеристик управляемого объекта.

Наличие РЭП снижает аварийность в системах водоподачи и водоотведения благодаря уменьшению количества включений и отключений насосного агрегата и более плавного характера изменений подачи воды и напоров в системе. Применение РЭП в насосных установках благоприятно и с экологической точки зрения, так как способствует уменьшению поступления сточных вод в систему водоотведения за счет сокращения утечек и непроизводительных расходов воды. При правильно выбранных объектах внедрения применение РЭП окупается в насосных установках систем водоподачи за 1…2 года, а в системах водоотведения — за 3…4 года.