CC BY
61
УДК 621.65.03-83-531.9 ББК З565.9:З291
А.В. МУРАВЬЕВ, А.Г. КАЛИНИН, Т В. МЯСНИКОВА
УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМИ РЕЖИМАМИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК ПО КРИТЕРИЮ «БАЛАНС МОЩНОСТИ»
Ключевые слова: многоагрегатная насосная установка, регулируемый электропривод, баланс мощности, минимизация избыточных напоров, регулирование по давлению, характеристика магистрального трубопровода.
Приводится теоретическое обоснование адаптивного управления многоагрегатной насосной установкой по критерию «баланс мощности». Цель исследования - создание нового энерго- и ресурсосберегающего алгоритма управления многоагрегатной насосной станцией. При эксплуатации таких насосных станций имеет место выход из рабочей зоны регулируемых насосов при вводе или выводе дополнительных нерегулируемых насосов. Работа регулятора по уставке давления на магистральный трубопровод оправдана при больших статических напорах и противодавлении, однако при крутых расходно-напорных характеристиках, при значительных перепадах нагрузки и сменной конфигурации трубопроводной сети имеет место избыточный напор в зоне малых нагрузок. Повышение эффективности и надежности регулирования центробежных насосов в составе многоагрегатных насосных установок малой и средней мощности особенно актуально в системах водоподачи с переменной составляющей нагрузки, например в оросительных мелиоративных системах и системах с малым статическим напором. Использованы результаты отечественных исследований в данной области техники, применена теория оптимальных и адаптивных систем управления для известных методов и средств регулируемых электроприводов. В статье дается сопоставительная оценка применяющихся способов регулирования подачи центробежных насосов и предлагаемого авторами алгоритма их управления в составе многоагрегатных насосных установок. В основе предлагаемого принципа управления насосов по критерию «баланс мощности» используется впервые введенное В.Г. Николаевым понятие «минимизация избыточных напоров», а также предложенное авторами обязательное автоматическое регулирование давления в напорных патрубках насосов с помощью гидравлических регулирующих клапанов «до себя» вместо использования в этих патрубках стандартной комбинации «обратный клапан-задвижка». Установлено, что скольжение рабочей точки насосов по напорно-расходной характеристике трубопровода - наиболее эффективный метод управления регулируемыми центробежными насосами. Предложены критерии ввода и вывода дополнительных нерегулируемых насосов для обеспечения номинальных режимов их эксплуатации и сохранения критерия энергосбережения.
При регулировании подачи центробежных насосов сформировалось три устойчивых энергосберегающих решения: регулируемый электропривод насосов с уставкой по давлению; регулируемый электропривод насосов с рас-ходометрией в обратной связи; дискретное управление с пневмокомпенсато-ром в напорной магистрали.
Ручное или автоматическое управление дросселированием потока рассматривается как резервное или аварийное управление. Дискретное управление методом плавного пуска с пневмокомпенсатором могло бы быть самым эффективным, но крайне затруднено в магистральных трубопроводных сетях среднего и большого диаметра вследствие сложности конструктивных реше-
ний бака-аккумулятора, обусловленных его габаритами для обеспечения необходимого запаса потенциальной энергии в динамике водоразбора, обслуживания больших емкостей для передвижных насосных станций и установок, а также из-за работы с переменной пульсацией давления.
В напорных оросительных сетях мелиоративных систем часто применяются многоагрегатные насосные установки, состоящие из нескольких насосных агрегатов, часть из которых регулируемые, а часть - нерегулируемые. Задача энергосбережения в таких насосных установках имеет важное значение, особенно при большой их установленной мощности.
Электропривод насосов с преобразователем частоты, ведомый уставкой регулятора давления, наиболее распространенный и надежный метод энергосбережения, доказанный множеством практик со средним водоразбором ниже расчетного на 20-30%. Однако при использовании регулируемого насоса в группе из двух и более нерегулируемых насосов, могут иметь место недопустимые режимы их работы с точки зрения рабочей зоны расходно-напорных характеристик всех или отдельных насосов: помпаж и кавитация. Рациональное решение для обеспечения работы всех насосов в своей рабочей зоне заключается в применении в напорном патрубке каждого насоса специальных гидравлических регулирующих клапанов, например, модели WW-743 фирмы Бегшаё (Израиль) (рис. 1). Данный клапан является автономным регулирующим устройством, выполняющим две функции: классического обратного клапана и клапана регулирования давления «до себя».
КОНТРОЛЛЕР КЛАПАНА ВН-740
Кн
Концевой выключатель «Закрыт»
Рис. 1. Гидравлический регулирующий клапан с контроллером
Общий недостаток всех регулируемых электроприводов насосов с преобразователями частоты - наличие постоянных потерь энергии в данных преобразователях, обусловленных его КПД. При дискретном управлении методом плавного пуска - потери кратковременные и существуют только до выхода двигателя на номинальную частоту вращения.
Второй недостаток заложен в неполном использовании потенциала энергосбережения в силу наличия динамического напора в магистрали, состав-
ляющего величину избыточной мощности при фактическом расходе. Причем форма характеристики магистрали диктует разные правила определения корректной уставки давления для фактического водоразбора (рис. 2).
б
Рис. 2. Понятие избыточного напора с растущей (а) и пологой (б) характеристикой трубопровода: (1Р\ - полезная мощность при фактическом водоразборе; ¿Р2 - избыточная мощность при заданной уставке давления; яР3 - потери мощности в запорной арматуре при управлении методом дросселирования потока; 1 - регулируемый насос при номинальной частоте вращения; 1' - регулируемый насос при частоте вращения ниже номинальной;
2 - характеристика трубопровода при максимальном водоразборе, 2' - характеристика трубопровода в режиме регулирования затвором
В работе В.Г. Николаева введены понятия «избыточный напор» и «минимизация избыточных напоров» [1]. Процесс следует понимать как устранение избыточного напора в магистральном трубопроводе на величину динамического напора при водоразборе ниже максимального (расчетного). Под
избыточным напором понимается значение давления воды в системе, превышающее потребное значение на величину динамического напора dP2 при фактическом водоразборе. Избыточный напор отсутствует при максимуме водоразбора, имеет место при дросселировании в нерегулируемых насосных агрегатах из-за свойств гидравлической характеристики вентиля (регулятора), и в регулируемых насосах, ведомых постоянной уставкой давления, покрывающей переменный водоразбор, из-за свойств характеристики магистрали без влияния регулирующих затворов.
Принцип минимизации избыточных напоров основан на скольжении по траектории расходно-напорной характеристики магистрального трубопровода в функции водоразбора с предустановкой запаса давления для узлов потребителя (рис. 3).
Множество значений водоразбора насосной установки и множество значений соответствующего ему давления объединяет понятие мощность как
[Вт]. При задании управляющей траектории рабочих точек в виде линейного уравнения или таблицы Q = ](И) для конкретного объекта величина потребной мощности может быть сопоставлена с мощностью, фактически потребляемой насосной установкой из электросети. Разница мощностей вводит сигнал управления на регулятор расхода при известных показаниях давления в напорном коллекторе и при рассчитанном водоразборе. Фактически принцип управления означает регулирование подачи насосной установки по потребной мощности.
вф в Рис. 3. Понятие потребной мощности: 1 - характеристика магистрального трубопровода; 2 - характеристика потребления при регулировании по расходу; Иуст - давление, принимаемое датчиком давления в напорном коллекторе; Ипотр - потребное давление (запас по давлению);
Qф - фактический водоразбор (заведомо неизвестен)
Величина фактического водоразбора априори не известна, но может быть оценена по косвенным параметрам, отражающим технологический процесс транспортировки жидкости центробежными насосами:
1) по току статора нерегулируемого асинхронного короткозамкнутого двигателя, питаемого от сети;
2) по мощности на выходе инвертора преобразователя частоты, управляющего асинхронным двигателем в регулируемом режиме.
В первом случае есть ряд исследований, доказывающих однозначную зависимость тока статора нерегулируемого асинхронного короткозамкнутого двигателя от расхода в следующем порядке [2, 3]:
- Известно номинальное напряжение ин двигателя, номинальный ток 1сн, коэффициент мощности со8ф, КПД двигателя Пд, напорная характеристика насоса с кривой мощности и КПД при номинальной частоте вращения пн-
Ток намагничивания с погрешностью до 3% по Г-образной схеме замещения условно-постоянный и связан с номинальным током = /с^Шф =
= 4 н71_СХ05ф2-
- Активный ток (действующее значение), потребляемый двигателем из электросети и определяемый векторной разностью фактического измеренно-
I 2 2
го полного тока и тока намагничивания 1а = 11с .
- Активная мощность, потребляемая двигателем из сети и передаваемая на вал исполнительного механизма, связана с КПД двигателя, принимаемым в диапазоне загрузки от 60 до 100% условно-постоянным и равным номинальному, Ра = ин1ацд^н. Для группы однотипных приводов активная мощность вычисляется суммой токов.
- Величина объемного расхода Q через насосный агрегат определяется
удно
по кривой мощности или из выражения г =-.
^ ^ ЗбООЛн
Во втором случае активная мощность рассчитывается в контроллере на борту преобразователя частоты, исходя из фактического тока в звене постоянного тока и закона управления инвертором преобразователя. Функция расчета мощности имеется на большинстве выпускаемых преобразователей с векторным управлением. Величина вводится в баланс мощности через КПД двигателя, насоса и преобразователя частоты.
Алгоритм управления может быть реализован только по принципу адаптивного управления с критерием адаптации - баланс потребной и фактической мощности (рис. 4):
- Моделью эталонной системы выступает характеристика магистрального трубопровода с запасом по давлению. Диктующей точкой является измеренное давление в напорном коллекторе.
- Объектом управления выступает насосная установка с регулируемым электроприводом.
- Основанием небаланса выступает измеряемый ток статора нерегулируемого привода и измеряемая активная мощность регулируемого привода.
- Сигналом управления является выходная частота инвертора преобразователя частоты.
- Сигналом воздействия выступает аналоговый вход преобразователя частоты, принимающий сигнал рассогласования (небаланса мощности).
Критерием управления нерегулируемыми насосами в многоагрегатных насосных установках могут выступить: недопустимо высокая частота преобразователя частоты, недопустимо высокий ток статора двигателя нерегулируемого насоса, срабатывание концевого выключателя на гидроуправляемом клапане.
а
Уравнение магистрали с запасом по давлению
н н е е
X Потребная мощность
(модель)
О
Ра = ^ном^сн2 - ('сл/1 ~ СОЭф7)
Преобразователь частоты
+
Фактическая мощность
(объект)
пид
I
р
р
б
Рис. 4. Система адаптивного управления по критерию «баланс мощности»: а - алгоритм; б - структура САУ
Выводы. Минимизация избыточных напоров - один из наиболее эффективных методов управления регулируемыми насосными станциями и установками. При использовании гидроуправляемых клапанов метод управления технически реализуем, критерий оптимальности «баланс мощности» выполним. Применимость метода наиболее эффективна в системах с выраженной растущей характеристикой магистрали или при малом статическом напоре. Недостаток: регулируемый электропривод с преобразователем частоты сохраняет постоянные потери энергии, обусловленные его КПД.
Литература
1. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2010. 375 с.
2. Ларионов В.Н., Калинин А.Г. Энергоэффективность и энергосбережение в электроприводах с вентиляторной нагрузкой. 2-е изд., доп. и перераб. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017. 145 с.
3. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.
МУРАВЬЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ - заместитель директора, ФГБНУ ВНИИ «Радуга», п. Радужный (Коломенский район), Московская область, Россия (awm1@mail.ru).
КАЛИНИН АЛЕКСЕЙ ГЕРМАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (humanoid1984@yandex.ru).
МЯСНИКОВА ТАТЬЯНА ВЯЧЕСЛАВОВНА - кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (tatyanamyasnikova@yandex.ru).
A. MURAVYEV, A. KALININ, T. MYASNIKOVA
ENERGY SAVING OF CONTROLLED PUMPS ACCORDING TO POWER BALANCE
Key words: multimodular pumping system, regulated electric driving, balance of power, minimization of overpressure, pressure regulation, characteristic of the main pipeline.
There is a substantiation of the adaptive control of a multi-unit pumping plant according to the criterion "power balance ". The goal is to create a new energy- and resource-saving algorithm control _ for a multi-unit pumping station. During operation of multi-unit pumping stations, there is a _ fall out the working area of adjustable pumps when switching additional unregulated pumps.
The operation of the regulator to set pressure regulator on the main pipeline is justified in case of large static pressures and a back pressure, however, in case of steep flow-pressure characteristics, significant load differences and a replaceable configuration of the pipeline network there is an excess pressure in the area of small loads. Improving the efficiency and reliability of the regulation of centrifugal pumps as part of multi-unit pump installations of low and medium power is especially important in water supply systems with a variable component of the load, for example, in irrigation systems and in systems with a small static head. The results of Russian studies in this _ field of technology are used, the theory of optimal and adaptive control systems is used for known methods and means of adjustable electric drives. The article provides a comparative assessment of the available methods of regulating the flow of centrifugal pumps and of the proposed algorithm of their control as a part of multi-unit pumping units. The proposed principle of pump control according to the "power
balance " criterion is based on the introduced by V.G. Nikolayev concept of "minimizing excess pressure ", as well as the mandatory automatic pressure regulation proposed by the authors in the pressure pipes of pumps using hydraulic control valves "before themselves", instead of using the standard combination "non-return valve - valve" in these pipes. It has been established that sliding the operating point of pumps along the pressure-flow characteristic of the pipeline is the most effective method of controlling adjustable centrifugal pumps. The article proposes criteria for the input and output of additional unregulated pumps from operation to ensure the nominal modes of their operation and to preserve the criterion of energy saving.
References
1. Nikolaev V.G. Energosberegayushchie metody upravleniya rezhimami raboty nasosnykh ustanovok sistem vodosnabzheniya i vodootvedeniya: dis. ... d-ra tekhn. nauk [Energy-saving methods of controlling the operating modes of pumping installations of water supply and wastewater systems. Doct. Diss.]. Moscow, 2010, 375 p.
2. Larionov V.N., Kalinin A.G. Energoeffektivnost' i energosberezhenie v elektroprivodakh s ventilyatornoi nagruzkoi. 2-e izd., dop. i pererab. [Energy efficiency and energy saving in electric drives with fan load. 2nd ed.]. Cheboksary, Chuvash University Publ., 2017, 145 p.
3. Leznov B.S. Energosberezhenie i reguliruemyi privod v nasosnykh i vozdukhoduvnykh ustanovkakh [Energy saving and adjustable drive in pump and blower installations]. Moscow Energoatomizdat Pudl., 2006, 360 p.
MURAVYEV ALEXANDER - Deputy Director, Russian Federal Research Institute «Raduga», Raduzhny Village (Kolomna District), Moscow Region, Russia (awm1@mail.ru).
KALININ ALEKSEI - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrotechnology, Electrical Equipment and Automated Production, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (humanoid1984@yandex.ru).
MYASNIKOVA TATYANA - Candidate of Pedagogical Sciences, Assistant Professor, Department of the Automated Electrotechnological Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (tatyanamyasnikova@yandex.ru).
Формат цитирования: Муравьев А.В., Калинин А.Г., Мясникова Т.В. Управление энергосберегающими режимами насосных установок по критерию «баланс мощности» // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 1. - С. 75-82.
