CC BY
10
Иванова О. В. Ivanova O. V.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
« Управление и сервис в технических системах», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Халиков Р. М. Khalikov R. И.
кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры
«Управление и сервис в технических системах», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Короткова Л. Н. Korotkova Ь. N.
кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»; г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31: 628.16
РЕЗУЛЬТАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КАЧЕСТВЕННОЙ ВОДЫ
Технологическая схема подготовки питьевой воды охватывает водозабор, предварительную очистку, очистку угольными и другими фильтрами — умягчение, дезинфекцию и т.д. В качестве необходимой аппаратуры технология водоподготовки предусматривает использование водяных насосов. Проанализированы эффективные подходы к управлению функционированием электродвигателей центробежных насосов, перекачивающих объем воды. В работе рассмотрены алгоритмы и методы управления электродвигателем, позволяющие снизить расходы при его использовании, а также сохранить необходимый уровень эксплуатационных характеристик электроприводов и водяных насосов.
Использование регулируемого электропривода в системах водоснабжения позволяет модифицировать производительность насосов в соответствии с графиком водозабора, что, в свою очередь, позволяет получить значительную экономию электроэнергии и воды, уменьшить количество аварий из-за разрывов трубопровода. Использование регулируемого электропривода в водяных насосах позволяет сэкономить электроэнергию от 38 % до 45 %. Результаты анализа нарушений при использовании асинхронных электродвигателей, выявленных в ходе эксплуатации частотно-регулируемого привода (ЧРП) на насосных станциях водоснабжения, позволяют сделать вывод о необходимости ограничения частотных диапазонов регулирования. У ЧРП имеются следующие преимущества: возможность регулирования в широких пределах скорости оборотов двигателя и снижения пускового тока практически до номинального. Основная функция, выполняемая автоматизированной системой управления фильтрами, — управление работой электротехнического оборудования в фильтрующем блоке в соответствии с технологией водоподготовки.
Ключевые слова: питьевая вода, водяные насосы, электротехническое оборудование, электродвигатели, частотно-регулируемый привод, управление водоочисткой, энергосбережение.
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
THE EFFICIENT MANAGEMENT OF ELECTROTECHNICAL EQUIPMENT FOR THE QUALITATIVE WATER PRODUCTION
TECHNOLOGICAL SCHEME
The technological scheme for the preparation of drinking water covers water intake, pre-treat-ment, cleaning with carbon and other filters — softening, disinfection, etc. As a necessary equipment, water treatment technology involves the use of water pumps. Effective approaches to controlling the functioning of electric motors of centrifugal pumps pumping the volume of water are analyzed. In work algorithms and methods of electric motor control are considered, which allow to reduce costs when using it, and also to maintain the required level of performance characteristics of electric drives and water pumps.
Using a regulated electric drive in water supply systems allows you to modify the performance of pumps in accordance with the schedule of water intake, which in turn allows you to obtain significant savings in electricity and water, reduce the number of accidents due to pipeline ruptures. The use of an adjustable electric drive in water pumps saves energy from 38 % to 45 %. The results of the analysis of violations with the use of asynchronous electric motors detected during the operation of a frequency-controlled drive (FCD) at pumping stations of water supply allow us to conclude that it is necessary to limit the frequency ranges of regulation. The FCD has the following advantages: the ability to regulate the engine speed in a wide range and reduce the inrush current to almost nominal. The main function performed by the automated filter management system is the operation of the electrotechnical equipment in the filter unit in accordance with the water treatment technology.
Key words: drinking water, water pumps, electrotechnical equipment, electric motors, frequency-controlled drive, water treatment, energy saving.
Пресная вода — невозобновляемый и уязвимый ресурс, который имеет важнейшее значение для определения уровня качества жизни человека [1]. Обеспечение населения высококачественной питьевой водой, отвечающей санитарно-гигиеническим и эпидемиологическим требованиям, остается актуальной задачей.
Технологическая линия водоподготовки оборудована водяными насосами, которые перемещают потоки жидкости. В центробежных насосах гидравлическое давление создается за счет вращения лопастных колес, которые приводятся в движение электродвигателем. Непосредственный контроль функционирования электротехнического оборудования (электродвигателей, датчиков и т.п.) в процессе перекачки объема жидкости насосами по трубопроводу позволяет существенно повысить энергоэффективность технологии подготовки питьевой воды.
Данная статья нацелена на анализ инновационных подходов управления электродвигателями насосов в технологической линии подготовки очищенной воды.
В технологической линии водоснабжения объем жидкой воды в трубопроводах и аппа-
ратах всасывается и нагнетается центробежными насосами. В центробежных насосах давление перекачиваемой воды создается при вращении лопастных колес электродвигателем. В технологической линии подготовки воды наиболее часто используются трехфазные асинхронные электродвигатели центробежных водяных насосов (рисунок 1).
В зависимости от расположения в системе водоснабжения и назначения различают насосные станции первого (НС I) и второго подъема (НС II) и циркуляционные, подкачивающие насосы и т.д. [2]. Подачу воды на первичную очистку из источника водоснабжения выполняют насосные станции первого подъема. С их же помощью вода подается непосредственно в водонапорные башни, распределительные сети и другие сооружения в том случае, если процесс водоочистки необязателен. Следует отметить, что подкачивающие водяные насосы позволяют увеличить напор в водопроводных сетях.
Насосные станции систем водоснабжения и водоотведения представляют собой многофункциональный комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоснабжение или водоотведение в соответствии с нуж-
дами потребителя. Количество воды, которое потребляется объектами водоснабжения, учитывая режим водопотребления и размеры регулирующих накопительных емкостей (резервуаров), определяет величину производительности насосных станций. При выборе типа насоса и количества рабочих агрегатов учитываются условия согласованной работы насосов и водопроводной сети — это насосы и двигатели различных типов, контрольно-измерительные приборы, трубопроводы, регулирующая и запорная арматура, электрооборудование и т.д. [3].
К приводным электродвигателям водяных насосных агрегатов помимо их высокой мощности предъявляется ряд специфических требований, одним из которых является
необходимость пуска двигателей под нагрузкой. Конструкция электродвигателя должна также допускать довольно продолжительное вращение ротора в обратную сторону, вызываемое сливом воды из напорных трубопроводов после отключения привода от сети при плановой или аварийной остановке электротехнического оборудования.
Компактность конструкций, простота соединений с центробежным водяным насосом, легкая автоматизация управления и относительно низкие эксплуатационные затраты предопределили массовое применение электродвигателей переменного тока в качестве привода для насосов систем водоснабжения при умягчении питьевых вод (рисунок 2).
1 — водозабор; 2 — насосная станция подкачки; 3 — резервуары; 4 — накопительные емкости; 5 — водонапорная башня; 6 — водопроводная распределительная сеть; 7 — подкачивающие насосы Рисунок 1. Насосы для перекачки и подъема воды в системе водоснабжения
1 — мембранный аппарат; 2 — насос высокого давления; 3 — отстойник для сбора промывной воды; 4 — резервуар; 5 — водяной насос; 6 — вентиль; 7 — магнитный клапан; 8 — вентиль регулировки давления; 9 — реактор умягчения
Рисунок 2. Центробежные насосы с электродвигателем в технологической линии умягчения воды
- 23
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 14, 2018
Electrical facilmes and systems
Асинхронные электродвигатели являются наиболее подходящим электроприводом для водяных насосов с различной мощностью [4]. Они значительно дешевле электродвигателей всех других типов, и, что немаловажно, гораздо удобнее их сервисное обслуживание. Пуск этих электродвигателей — прямой асинхронный, при этом не требуется каких-либо дополнительных устройств, что дает возможность значительно упростить схему автоматического управления.
Для водяных насосов с горизонтальным валом отечественной промышленностью в настоящее время выпускаются асинхронные электродвигатели с ротором единой серии 4А мощностью 0,06-400 кВт. Имеются различные модификации асинхронных электродвигателей, в частности:
— с фазным ротором, облегчающим условия пуска;
— с увеличенным пусковым моментом;
— с повышенными энергетическими характеристиками для насосных агрегатов с круглосуточной работой и т. п.
В соответствии с режимом водопотребле-ния приводится управление частотой вращения насоса и рабочими параметрами электропривода.
Электротехнической промышленностью выпускаются также мультискоростные асинхронные электродвигатели, позволяющие изменением частоты вращения регулировать напор водяного насоса. Например, интервалами мощности от 500/315 до 1600/1000 кВт обладают двухскоростные электродвигатели серии ДВДА. Переключение многоскоростных электроприводов с одной частоты вращения на другую совершается отключением части обмотки статора с последующим включением другой [5].
В качестве привода мощных водяных насосов, характеризующихся большой продолжительностью работы, используются синхронные электродвигатели переменного тока. Самым существенным преимуществом синхронного электродвигателя при сопоставлении с асинхронными является то, что электродвигатель может функционировать с коэффициентом мощности, равным единице и выше, что экономит электроэнергию; син-
хронный электродвигатель работает более устойчиво при колебаниях напряжения в сети. Основным недостатком синхронных электродвигателей является то, что момент на валу при пуске равен нулю, вследствие этого их необходимо раскручивать до скорости, близкой синхронной. Поэтому в роторе большинства современных синхронных электродвигателей располагается дополнительная пусковая обмотка.
Энергосбережение при использовании электротехнического оборудования входит в список приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации [6]. Сэкономить энергию от 38 % до 45 % и одновременно уменьшить потери воды до 15 % позволяет использование регулируемого электропривода. Сбережение электроэнергии происходит путем устранения непроизводительных затрат в дросселях и других регулирующих устройствах.
Алгоритмы и методы управления электродвигателем рассматриваются в работе [7]: это позволяет снизить затраты, а также сохранить высокий уровень эксплуатационных характеристик водяного насоса. Результаты анализа дефектов асинхронных двигателей, выявленных в ходе внедрения и эксплуатации частотно-регулируемый привод (ЧРП) на станциях городского водоснабжения, позволяют сделать вывод о необходимости ограничения частотных диапазонов регулирования при использовании серийных электродвигателей. У ЧРП есть две характеристики, которые обусловливают преимущества его использования: потенциал регулирования в широких пределах оборотов электропривода и уменьшение пускового тока до номинального. При замене нерегулируемого привода водяного насоса, функционирующего в режиме циклических включений — остановок, на регулируемый исключаются потери на значительные пусковые токи за счет мягкого пуска электродвигателя.
Для обеспечения поддержания требуемой мощности насосного агрегата обороты электродвигателя водяных насосов могут плавно изменяться. Использование регулируемого электропривода в системах водоснабжения
позволяет изменять производительность насосов в соответствии с графиком водораз-бора, что, в свою очередь, позволяет сэкономить значительно электроэнергию и воду, уменьшить количество аварий из-за разрывов трубопровода.
Технологическая схема подготовки высококачественной питьевой воды включает и водяные электронасосы, которые перекачивают воду с предварительной очисткой (обра-
ботка коагулянтами и др.), очисткой угольными фильтрами и т.д.; обеззараживанием (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое (УФ) излучение и т.п.) для улучшения органолептических характеристик [8-12]. Исходная вода в процессе очистки на инновационных фильтрах и дезинфекции (рисунок 3) приобретает необходимые потребительские качества.
1 — реагентный блок; 2 — исходная вода; 3 — фильтр грубой очистки; 4 — аэратор; 5 — водяной насос; 6 — песчаный фильтр; 7 — угольный фильтр; 8 — резервуар; 9 — промывной электронасос; 10 — установка УФ обеззараживания; 11 — очищенная вода Рисунок 3. Водяные насосы в технологической линии осветления и улучшения органолептических
характеристик питьевой воды
Критерии оценки насосного оборудования определены в работе [13] при проведении инспекции энергоэффективности системы водоснабжения ГОСТ 33969-2016 (ISO/ ASME 14414). Главное назначение шкафа управления электродвигателями и водяными насосами — это включение и отключение компрессора, защита электродвигателей насоса фильтра с использованием микропроцессорного реле защиты типа РЗ-03-07, предохранение от снижения мощности обусловленной «сухим ходом» насоса, защита от включения электропривода водяного насоса при пониженном сопротивлении изоляции (измерение сопротивления изоляции при постоянном напряжении 500 В), сигнализа-
ция срабатывания защиты электродвигателя водяного насоса фильтра. Кроме того, в шкафу управления осуществляются технологический учет расхода электроэнергии и воды, хранение архива параметров и т.п. Основная функция, выполняемая автоматизированной системой управления фильтрами очистки воды, — согласованная работа электронасосов и фильтров в соответствии с технологией водоподготовки (рисунок 4).
В работе [14] для обеспечения безаварийной работы насосной станции при аварийной остановке электронасоса с частотным регулированием рекомендуется систему управления водяного насосом без частотного регулирования перестроить на работу
Electrical facilities and systems
1 — фильтр 1; 2 — фильтр 2; 3 — шкаф управления фильтрами; 4 — управление клапанами фильтра 1;
5 — насосы фильтра 1; 6 — управление клапанами фильтра 2; 7 — насосы фильтра 2; 8 — изменение уровня воды; 9 — измерение на входе фильтра 1; 10 — измерение на входе фильтра 2; 11 — связь со станцией управления насосом первого подъема Рисунок 4. Схема управления водоочистными фильтрами
автоматического поддержания давления с помощью дросселирования. Целесообразно также рассматривать управление техническими средствами и сервисного обслуживания при водоснабжении в качестве фрактальных взаимодействий [15].
Вывод
Эффективное управление электродвигателями центробежных насосов, которые эксплуатируются в технологической линии водопод-готовки питьевой воды, позволяет сэкономить 38-45 % энергии.
Список литературы
1. Аликин В.Н., Анцкайтис А.В., Гори-нов А.П. и др. Современные технологии обработки воды. М.: Недра, 2014. Т. 1: Получение питьевой воды высокого качества «Чистая вода». 207 с.
2. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986. 320 с.
3. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения: справочник / Под ред. Б.Н. Репина. М.: Высшая школа, 1995. 431 с.
4. Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М.: Машиностроение, 2013. 176 с.
5. Сиволов Г.Е., Кармалов А.И., Иван-сон П.Б. и др. Многоуровневая автоматизированная система управления технологическими процессами водоснабжения и водоот-ведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 9-1. С. 47-56.
6. Кольцов А.В., Октябрьский А.М., Хабарова Т.В. Критические технологии и приоритетные направления развития науки и техники в рамках реализации ФЦП развития
научно-технологического комплекса Российской Федерации // Инноватика и экспертиза. 2016. № 3 (18). С. 31-54.
7. Стенякин К.В. «Мегатрон» — современное производство электрощитового оборудования для систем водоочистки, водопод-готовки и водоотведения // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2017. № 6 (114). С. 42-46.
8. Иванова О.В. Словарь основных терминов управления качеством. Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. 68 с.
9. Алексеев Л.С. Контроль качества воды. М.: ИНФРА-М, 2009. 159 с.
10. Халиков Р.М., Иванова О.В. Эффективные мембранные технологии для подготовки качественной питьевой воды // Сб. ст. XIV Междунар. конф. «European Research» Ч. 1. Пенза: МЦНС «Наука и просвещение», 2018. С. 89-92.
11. Иванова О.В., Халиков Р.М. Управление технологической линией подготовки высококачественной питьевой воды // Сб. ст. XVIII Междунар. конф. «World Science:
Электротехнические комплексы и системы
Problems and Innovations» Ч. 1. Пенза: МЦНС «Наука и просвещение», 2018. С. 73-75.
12. Мустафина Д.Ф., Иванова О.В. Роль технических регламентов в безопасности жизнедеятельности человека // Сб. ст. Все-росс. конф. с международным участием «Качество жизнеобеспечения населения». Уфа: БГМУ, 2016. С. 91-94.
13. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Колодин И.Ю. Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода // Силовая электроника. 2006. № 2. С. 20-23.
14. Усачев А.П. Управление параллельной работой центробежных насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 2. С. 55-60.
15. Иванова О.В., Халиков Р.М., Чуди-нов В.В. Технологичные механизмы формирования общепрофессиональных компетенций у бакалавров направления подготовки «Управление качеством» // Успехи современной науки и образования. 2016. № 9-1. С. 73-76.
References
1. Alikin V.N., Antskaitis A.V., Gorinov A.P. e.a. Modern Technologies of Water Treatment. Moscow, Nedra Publ., 2014. Vol. 1: Reception of Drinking Water of High Quality «Pure Water». 207 p. [in Russian].
2. Karelin V.Ya., Minaev A.V. Pumps and Pump Stations. Moscow, Stroiizdat Publ., 1986. 320 p. [in Russian].
3. Water Supply and Water Disposal. External Networks and Facilities: Reference Book / Ed. by B.N. Repin. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1995. 431 p. [in Russian].
4. Leznov B.S. Variable Frequency Electric Drive of Pumping Units. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 2013. 176 p. [in Russian].
5. Sivolov G.E., Karmalov A.I., Ivanson P.B. e.a. Multilevel Automated Control System of Technological Processes of Water Supply and Wastewater Disposal. Water Supply and Sanitary Technique, 2011, No. 9-1, pp. 47-56. [in Russian].
6. Kol'tsov A.V., Oktyabr'skii A.M., Kha-barova T.V. Critical Technologies and Priority Directions for the Development of Science and Technology in the Framework of the Federal Target Program for the Development of the
Scientific and Technological Complex of the Russian Federation. Innovation and Expertise, 2016, No. 3 (18), pp. 31-54. [in Russian].
7. Stenyakin K.V. Megatron is a Modern Production of Switchboard Equipment for Water Purification, Water Treatment and Sanitation Systems. Water Purification. Water Treatment. Water Supply, 2017, No. 6 (114), pp. 42-46. [in Russian].
8. Ivanova O.V. Dictionary of Quality Management Basic Terms. Ufa, RITs BashGU, 2014. 68 p. [in Russian].
9. Alekseev L.S. Water Quality Control. Moscow, INFRA-M Publ., 2009. 159 p. [in Russian].
10. Khalikov R.M., Ivanova O.V. Effective Membrane Technologies for Production of Quality Drinking-Water. Collection of Articles of XIV International conference «European Research»: Ch. 1. Penza, MTsNS «Nauka i prosveshchenie», 2018, pp. 89-92. [in Russian].
11. Ivanova O.V., Khalikov R.M. Management of High-Quality Drinking Water Treatment Technology Line. Collection of Articles of XVIIIInternational Conference «WorldScience: Problems and Innovations». Part 1. Penza, MTsNS «Nauka i prosveshchenie» Publ., 2018, pp. 73-75. [in Russian].
12. Mustafina D.F., Ivanova O.V. The Role of Technical Regulations in Human Life Safety. Collection of Articles of All-Russian Conference with International Participation «Quality of Population Life Support». Ufa, BGMU, 2016, pp. 91-94. [in Russian].
13. Vinogradov A.B., Sibirtsev A.N., Kolodin I.Yu. Automation of a Pumping Station Using a Frequency-Controlled Electric Drive. Power Electronics, 2006, No. 2, pp. 20-23. [in Russian].
14. Usachev A.P. Control of Centrifugal Pump Parallel Operation. Water Supply and Sanitary Technique, 2018, No. 2, pp. 55-60. [in Russian].
15. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Chudi-nov V. V. Technological Mechanisms of General Professional Competencies Formation for Bachelors in the Direction of Training «Quality Management». Achievements in Modern Science and Education, 2016, No. 9-1, pp. 73-76. [in Russian].
