ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ОБЪЕКТОВ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

5.2.1. Системы водоснабжения

Традиционная схема холодного водоснабжения выглядит сле­дующим образом. Насосная станция первого подъема, располо­женная у водоема, подает воду в резервуар станции водоподго- товки, расположенной иногда на расстоянии десятков километ­ров от водоема. На станции вода проходит полный цикл очистки и насосной станцией второго подъема подается по водопроводной сети непосредственно потребителям либо в резервуар, располо­женный на господствующей высоте, откуда уже самотеком посту­пает к потребителям. На каждой из этих станций, как правило, устанавливается несколько насосов, в том числе резервных для обеспечения бесперебойного водоснабжения с двигателями мощ­ностью в сотни киловатт. Потребление воды имеет четко выра­женные суточные и недельные циклы, поэтому необходимо регу­лирование подачи воды в соответствии с ее расходом. До недав­него времени регулирование осуществлялось двумя способами: дискретным — изменением количества работающих насосов, плавным — с помощью ручной или электрифицированной зас­лонки. Кроме того, для уменьшения утечек воды напор на стан­циях второго подъема в ночные часы уменьшают, прикрывая зас­лонку.

Водопроводная сеть является очень разветвленной и протяжен­ной, поэтому потребители, расположенные достаточно далеко или высоко по отношению к насосной станции второго подъема, за­частую испытывают недостаток напора воды. В этих случаях ис­пользуют подкачивающие насосные станции небольшой мощно­сти, например квартальные насосные станции, рассчитанные на группу домов, которые поднимают давление в сети до необхо­димого уровня. Эти станции не имеют постоянного обслужи­вающего персонала, и давление на их выходе лишь время от вре­мени подстраивается с помощью заслонок. При этом давление в водопроводной сети в ночные часы из-за снижения расхода мо­жет увеличиваться до недопустимого значения, а в часы наиболь­шего расхода (утро и вечер) падать до чрезмерно низкого. Бо­лее подробное описание существующих схем водоснабжения и способов регулирования подачи и напора насосов можно найти в [34, 35].

В настоящее время очевидным решением проблем в системах водоснабжения является использование частотно-регулируемых асинхронных электроприводов. В качестве примера определения экономической эффективности частотного регулирования насо­сов по сравнению с дроссельным регулированием в табл. 5.1 приве­дены результаты расчета мощности и потребляемой энергии элек­троприводом насоса с номинальной подачей воды 180 м3/ч и но­минальным напором 40 м при разном ее расходе. В табл. 5.1 приве­дены итоговые цифры расхода электроэнергии за год, сравнивая которые, становится очевидным, что экономия энергии при пе­реходе к частотному регулированию составит порядка 63 %.

Рассмотрим несколько проектов модернизации насосных стан­ций, выполненных с участием авторов данного учебника.

Насосная станция второго подъема для водоснабжения небольшого города

Насосный агрегат подает воду из резервуара, в который она попадает после очистки, в водопроводную сеть города. В состав насосной станции входят четыре насоса с асинхронными двига­телями мощностью 200 кВт каждый. Постоянно в работе находит­ся один насос. Давление (напор), которое необходимо поддержи­вать в сети, составляет 45 м, в ночные часы давление снижается до 30 м. Регулирование давления осуществлялось оперативным об­служивающим персоналом изменением положения заслонки. После установки преобразователя частоты, к которому могут поочеред­но подключаться два двигателя из четырех, давление в сети регу­лируется автоматически встроенным в ППЧ ПИД-регулятором по сигналу задания, который корректируется обслуживающим пер­соналом, и сигналу обратной связи с датчика давления, установ­ленного на напорном трубопроводе. В результате такой модерни­зации удалось более четко поддерживать требуемое давление в во­допроводной сети. На рис. 5.3 показаны диаграммы изменения дав­ления воды на выходе насоса станции второго подъема с нерегу­лируемым и регулируемым электроприводами. В результате модер-

низации удалось также снизить потребление электроэнергии: кон­трольные замеры в течение месяца до и после модернизации по­казали, что расход энергии на насосной станции сократился бо­лее чем в два раза. На порядок уменьшилось потребление реактив­ной энергии, существенно смягчился процесс пуска насоса как для питающей электросети, так и для водопроводной сети, сни­зился шум от работающего агрегата и его износ из-за уменьшения средней скорости примерно на '/3, снизилась аварийность водо­проводной сети, улучшились условия работы обслуживающего пер­сонала. Эксплуатация преобразователя частоты в течение пяти лет показала его высокую надежность и эффективность.

Насосная станция второго подъема для холодного водоснабжения одного из районов крупного города

Объектом модернизации являлась насосная станция холодного водоснабжения, предназначенная для подачи питьевой воды на промышленные предприятия и в жилые дома. Насосная станция состояла из четырех насосных агрегатов типа 1Д800-56 с асин­хронными приводными двигателями типа 4AMH315Y3S1, име­ющих РИ0М = 200 кВт, пном = 1470 об/мин, /ном = 363 А. Одновре­менно работают два насоса, два других находятся в резерве. Регу­лирование напора на выходном коллекторе осуществлялось элек­трическими заслонками по сигналам контактных манометров.

Для предварительной оценки эффективности применения ча­стотного регулирования электроприводов насосов выполнены за­меры напряжений, токов, активной и реактивной мощностей, коэффициента мощности одного из двух работающих двигателей с использованием анализатора электропотребления AR5, а также получены почасовые значения давления на выходном коллекторе и подачи воды в течение суток с 16.00 14 декабря до 16.00 15 де­кабря (рабочие дни). Насосы работают параллельно, поэтому загруз­ка их двигателей примерно одинакова. Результаты проведенных замеров сведены в табл. 5.2.

Проведенные замеры показывают, что насосные агрегаты недо­гружены по мощности, особенно в ночные часы. Потребление реак­тивной энергии значительное; коэффициент мощности составляет примерно 0,8. Давление на выходном коллекторе в течение суток изменяется от 40 до 50 м, а подача воды примерно в 2 раза. Регулиро­вание давления в настоящее время осуществляется задвижками на выходном коллекторе, это позволяет предположить, что значитель­ная часть электроэнергии расходуется непроизводительно. Простой расчет по формуле (4.11) позволяет вычислить мощность, необхо­димую для подачи того же количества воды с тем же давлением, но при частотном регулировании. Результаты расчета при общем КПД насоса и двигателя, равном 0,6, приведены в табл. 5.3 и на рис. 5.4.

Вычитая из данных второй колонки табл. 5.3 данные третьей колонки, можно найти непроизводительно расходуемую мощ­ность, т. е. предполагаемую экономию мощности при внедрении частотно-регулируемого электропривода насоса. Считая измене­ние мощности в течение 1 ч незначительным, по данным табл. 5.3 можно вычислить суточное потребление энергии при дроссель­ном и частотном регулировании. Оно составит соответственно 6 642 и 4680 кВт ч. Очевидно, что суточная экономия электроэнергии при частотном регулировании составит 1962 кВтч, а в течение года экономия энергии достигнет 716 130 кВт-ч. Естественно, эта цифра является ориентировочной, так как не учтено увеличение расхода воды в выходные дни, а также сезонные изменения ее расхода.

Таким образом, обследование показало, что существующая схема электрооборудования насосной станции не позволяет с до­статочной точностью поддерживать напор на необходимом уров­не, применяемое регулирование напора дросселированием отно­сится к энергетически неэффективным способам, прямой пуск двигателей насосов связан со значительными пусковыми токами и приводит к гидравлическим ударам в водопроводной сети.

Целью модернизации является перевод электрической части насосной станции на современную элементную базу с плавным и энергетически эффективным регулированием частоты враще­ния двигателей насосов, напора и подачи воды насосной станцией в необходимых пределах, создание развитой и гибкой системы автоматизации, контроля, защиты, сигнализации и диагностики.

Модернизация электрооборудования насосной станции вклю­чает в себя следующие основные технические решения:

• установку преобразователя частоты для плавного пуска и ре­гулирования частоты вращения насосов;

• установку устройства мягкого пуска для безударного запуска нерегулируемых электроприводов насосов;

• установку программируемого контроллера для регулирования давления и подачи воды, управления электрооборудованием на­сосной станции, автоматизации ее работы и диагностики элект­рооборудования;

• модернизацию пульта управления и сигнализации.

При этом после модернизации сохраняется возможность рабо­ты насосной станции по существующей схеме, с питанием двига­телей от электрической сети напрямую.

Переход на частотное управление электроприводами обеспе­чивает следующие преимущества:

• плавное бесступенчатое регулирование скорости двигателей насосов во всем диапазоне, что позволяет поддерживать напор воды на минимально необходимом уровне;

• контролируемые плавный разгон и торможение двигателей существенно повышают надежность механического и электриче­ского оборудования, увеличивают срок его службы;

• повышение коэффициента мощности, так как преобразова­тель частоты практически не потребляет реактивной энергии;

• экономию электроэнергии, связанную с переходом на энер­гетически эффективное управление и отказом от регулирования напора воды путем дросселирования;

• широкие возможности программной настройки параметров электропривода, контроля работы, диагностики неисправностей.

Установка устройства мягкого пуска обеспечивает следующее:

• исключение гидравлических ударов в водопроводной сети и отсутствие значительных пусковых токов за счет плавного конт­ролируемого пуска электродвигателей;

• контроль и диагностику насосного агрегата при работе от ус­тройства мягкого пуска.

Установка программируемого контроллера обеспечивает сле­дующее:

• возможность отказа от релейно-контакторной схемы управ­ления и, следовательно, повышение надежности схемы;

• расширение функций и гибкость управления, т. е. возмож­ность программной перенастройки алгоритма работы, реализа­цию сложных законов управления, в частности регулирование на­пора или подачи насосов по выбору, программное изменение на­пора в течение суток, автоматическое переключение насосов и т. д.;

• контроль и диагностику неисправностей;

• возможность управления преобразователем частоты и устрой­ством мягкого пуска по последовательному интерфейсу, т. е. обес­печение полного контроля работы силового электрооборудования.

На рис. 5.5 приведена упрощенная однолинейная схема элект­рооборудования насосной станции, на которой предусмотрена возможность питания насосов от двух разных фидеров, что обес­печивает более надежную работу станции. Двигатели Ml и М3 пи­таются от преобразователя частоты, а М2 и М4 — от устройства мягкого пуска. Все четыре двигателя при необходимости могут пи­таться напрямую от сети. Следует заметить, что для исключения аварийных ситуаций в схеме должна быть предусмотрена меха-

ническая и/или электрическая блокировка одновременного вклю­чения контакторов КМ1 и КМЗ, КМ2 и КМ4, КМ5 и КМ7, КМ6 и КМ 8.

Работа схемы происходит следующим образом. Сначала запус­кается двигатель Ml или М3 от преобразователя частоты. Если под действием регулятора давления он выходит на номинальную ча­стоту вращения, то запускается двигатель М2 или М4 от устрой­ства мягкого пуска. Регулятор давления при этом постепенно сни­жает частоту вращения двигателя Ml или М3, поддерживая требу­емое давление в системе. После разгона двигателя М2 или М4 он может напрямую подключаться к сети через контактор КМ6. Та­ким образом, постоянно в работе находятся два насоса, один — на номинальной частоте вращения, другой — в регулируемом ре­жиме с питанием от преобразователя частоты. В ночные часы, когда расход воды значительно снижается, в работе остается один дви­гатель, питаемый от преобразователя частоты.