Базовые и сложные взаимосвязанные режимы систем управляемого водообеспечения

(Часть I – базовые режимы)

Д.т.н. Гришин А.П., к.э.н. Гришин А.А., инж. Гришин В.А.

В настоящее время в народном хозяйстве системы водообеспечения имеют четыре технологические схемы, в которых используется один, два или более центробежных электронасосов:

- наиболее распространенная – башенная схема на основе водонапорной башни;

- схема с гидропневмобаками;

- двухступенчатая технологическая схема: первая ступень осуществляет подъем воды из источника в резервуар, а вторая ступень – обычно насосная станция второго подъема с несколькими насосами – подает воду из резервуара потребителю в режиме ступенчатого регулирования подачи;

- прямоточная, пока мало применяемая, где используется плавное или плавно-ступенчатое регулирование подачи с помощью регулируемых электроприводов.

Упомянутые схемы водообеспечения функционируют совместно с системами водопотребления, которые оказывают диктующее воздействие на режимы элементов этих технологических схем.

Под режимом мы понимаем параметр или совокупность параметров и условий функционирования элемента, обеспечивающие результат функционирования этого элемента, предусмотренный технологией его создания.

Если режим характеризуется одним параметром (например, подача насоса), то отнесем его к категории базовых режимов, таблица 1.

Режим водопотребления имеет особый статус. Он формируется множеством режимов потребителей воды, однако для технологической схемы водообеспечения он воспринимается как единое целое диктующее воздействие, как один параметр – расход воды потребителем, поэтому, по отношению к водообеспечению, будем рассматривать его как базовый режим.

Таблица 1 – Базовые режимы систем водопользования в АПК

Базовые режимы систем водопользования в АПК с центробежными насосами
Режимы водообеспечения						Режимы водопотребления
Режимы по элементам технологических схем водообеспечения
Скважин	Электронасосов			Электросеть	Устройств управления		Трубопроводов			Емкостей
Режимы процессов в скважинах
Поступления воды (дебит)				Отбора воды
Режимы процессов в электронасосах
Гидромеханических				Электрических					Энергетических
Режимы гидромеханических процессов в электронасосах
Образования подачи		Изменения напора		Вращения ротора	Образования подачи группы электронасосов				Формирования характеристик КПД группы электронасосов
Режимы электрических процессов в электронасосах
Старение изоляции			Контроля токов фаз		Контроля напряжения			Управления U/f
Режимы энергетических процессов в электронасосах
Нагрева		Потерь мощности		Формирования характеристик КПД	Обеспечения момента на валу			Энергопотребления
Режимы процессов в электросетях
Нарушения симметрии напряжений фаз				Нарушения амплитуды напряжений фаз					Отклонения частоты напряжений фаз
Режимы процессов в устройствах управления
Управления по сигналу датчика				Слаботочной части					Силовой части
Режимы процессов в датчиках
Обледенения		Гидроудара		Влияния динамического давления	Влияния динамического уровня			Влияния частоты и напряжения
Режимы процессов в слаботочной части
Контроль токовых перегрузок R-C цепочкой				Контроля фазных токов по сигналам ТТ					Контроля асимметрии напряжений фаз
Режимы процессов в силовой части
Контроля фазных токов					Контроля сопротивления изоляции
Режимы процессов в трубопроводах
Потерь давления				Изменения гидравлического сопротивления					Стабилизации давления в диктующей точке

Режимы в технологических схемах категории водообеспечения, разделим поэлементно на режимы в скважинах, электронасосах, питающей электрической сети, электроустройствах, трубопроводах.

Необходимо отметить, что каждый элемент имеет набор базовых режимов, которые воспринимают внешние воздействия так, что в определенной совокупности сложных взаимосвязанных режимов определяют экосистемность, ресурсо- и энергоэффективность водопользования.

Рассмотрим эти режимы и поясним, чем определяется и на что влияет каждый режим.

Базовые режимы для скважин.

Режимы:

- поступления воды (дебит): определяется водообеспеченностью источника воды, то есть подачей воды в источник. Этот режим является диктующим для режима расхода насоса;

- отбора воды: определяется расходом (подачей) насоса и в сочетании с дебитом определяет динамический уровень воды в скважине;

Режимы процессов в электронасосах, при постоянной частоте вращения рабочих колес насоса имеют три группы: гидромеханические, электрические, энергетические.

Гидромеханических процессы и их режимы в электронасосах.

Режимы:

- подачи насоса: определяется гидравлической нагрузкой насоса, то есть рабочей точкой насоса и является основным базовым экологообразующим режимом, так как определяет большинство сложных взаимосвязанных экологообразующих режимов, зависимых от согласованности с внешними воздействиями;

- изменения напора: определяется гидравлической нагрузкой насоса, то есть положением рабочей точки насоса и является основным базовым экологообразующим режимом, поскольку определяет избыточные напоры в трубопроводах;

- частоты вращения вала насоса: определяется частотой питающего электродвигатель напряжения и его величиной, с учетом скольжения электродвигателя, определяет производительность насоса и её эффективность;

- образования подачи группы параллельновключенных электронасосов: определяется суммой подач каждого насоса, определяет максимально возможный КПД группы насосов, а, следовательно, эффективность работы группы электронасосов в зависимости от соотношения подач, количества и очередности включения;

Электрические процессы и их режимы в электронасосах.

Режимы:

- старения изоляции обмотки электродвигателя: определяется токовой перегрузкой и, как следствие, температурой нагрева обмотки статора электродвигателя насоса при повторно-кратковременной его работе и определяет ресурс электродвигателя насоса;

- контроля тока фаз: определяется работой устройства контролирующего этот ток и определяет ресурс электронасоса и его недоиспользование при возникновении аварийных ситуаций, связанных с перегрузками по току;

- контроля напряжения: определяется работой устройства контролирующего скачки напряжения сети и определяет ресурс электронасоса при возникновении аварийных ситуаций, связанных с понижением напряжения сети;

- управления законом U/f преобразователя частоты: определяется соответствием механической характеристике насоса и определяет потери в частотно-регулируемых электронасосах, связанные с рассогласованием механических характеристик насоса и электропривода.

Энергетические процессы и их режимы в электронасосах.

Режимы:

- нагрева электронасоса: определяется током в обмотке электродвигателя насоса и определяет ускоренное старение изоляции статора электродвигателя при токах выше номинального значения, либо при нарушении охлаждения статора;

- потери мощности: определяются низкими значениями КПД при работе вне рабочих зон и определяют низкую эффективность работы электронасоса;

- обеспечения требуемой величины момента на валу насоса: определяется частотой и величиной напряжения питающей сети и определяет условие согласования механических характеристик насоса и электропривода;

- минимального энергопотребления: определяется отсутствием избыточных давлений в трубопроводной сети и определяет условие стабилизации давления у потребителя, является базовым экологообразующим режимом.

Процессы и их режимы в электросетях.

Режимы:

- нарушения симметрии напряжений фаз: определяется неравномерностью нагрузки по фазам и определяет аварийную ситуацию, приводящую к фазным перегрузкам по току в электронасосе;

- отклонения амплитуды напряжений фаз: определяется штатными отклонениями величины напряжения сети от номинального значения и определяет погрешность измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле датчиком давления; при значительных погрешностях приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом;

- отклонения частоты напряжений фаз: определяется штатными отклонениями частоты напряжения сети и определяет погрешность измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле датчиком давления; при значительных погрешностях приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом.

Режимы процессов в устройствах управления можно разделить на режимы схем управления по сигналам датчиков, в том числе в самих датчиках, режимы слаботочной части схем защиты от аварийных ситуаций и режимы силовой части.

Процессы и их режимы в датчиках гидравлических параметров.

Режимы:

- обледенения электродов: определяется низкой температурой окружающего воздуха, приводящего к образованию наледи на электродах и определяет нарушение работоспособности датчика уровня воды в водонапорной башне, что приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом;

- гидроудара: определяется скачком давления в момент подключения либо отключения электродвигателя насоса от электрической сети и определяет неустойчивую работу механизма измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле электроконтактным манометром или датчиком давления, переводя коммутацию насоса в «звонковый» режим, что приводит к выходу из строя электронасоса;

- влияния динамического давления: определяется изменением напора на выходе трубопровода при работающем насосе вследствие образования динамической составляющей потерь давления на местных гидравлических сопротивлениях и гидравлическом сопротивлении трубопровода. Определяет погрешность измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле датчиком давления; при значительных погрешностях приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом;

- влияния динамического уровня: определяется изменением динамического уровня источника вследствие колебаний производительности насоса из-за штатных отклонений частоты и амплитуды питающего напряжения от их номинальных величин, а также изменения дебита. Определяет погрешность измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле датчиком давления; при значительных погрешностях приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом;

влияния частоты и напряжения: определяется изменением частоты вращения из-за штатных отклонений частоты и амплитуды питающего напряжения от их номинальных величин и как следствия производительности насоса. Определяет погрешность измерения уровня воды в водонапорной башне при косвенном его контроле датчиком давления; при значительных погрешностях приводит к переливу башни, является базовым экологообразующим режимом.

Процессы и их режимы в слаботочной части устройств защиты от аварийных ситуаций.

Режимы:

- контроля токовых перегрузок R–C цепочкой: определяется постоянной величиной времени заряда R–C цепочки, отличного от постоянной времени нагрева обмотки электродвигателя. Определяет время выдержки действия защитного отключения, не соответствующее перегрузочной характеристике электродвигателя;

- контроля фазных токов с помощью токовых тепловых реле (РТТ): определяется кинематикой привода контактов коммутации РТТ и пускателя электродвигателя, связанного с тепловыми элементами реле, постоянная времени которых аналогична постоянной времени нагрева обмотки электродвигателя и определяет надежное защитное отключение электронасоса при любых причинах аварийной ситуации;

- контроля асимметрии напряжений фаз: определяется величиной напряжения на выходе фильтра нулевой последовательности и определяет ошибочное аварийное отключение, вызванное не полным учетом всех реальных условий аварийных ситуаций.

Процессы и их режимы в силовой части.

Режимы:

- контроля фазных токов: определяется временем нагрева тепловых элементов токового реле и определяет время выдержки действия защитного отключения, соответствующее перегрузочной характеристике электродвигателя;

- контроля сопротивления изоляции: определяется степенью старения изоляции электродвигателя и определяет предупредительную защиту от ущербов в связи с перебоями подачи воды из-за пробоя изоляции и выхода электронасоса из строя.

Процессы и их режимы в трубопроводах.

Режимы:

- потерь давления: определяется падением давления на местных гидравлических сопротивлениях и гидравлическом сопротивлении трубопровода при работе насоса и определяет необходимость компенсации потерь для обеспечения требуемого давления у потребителя;

- изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети: определяется как результат использования потребителями различных сантехнических приборов и запорной арматуры, то есть диктующим воздействием объектов категории водопользования и определяет необходимость регулирования производительности объектов категории водообеспечения;

- стабилизации давления в диктующей точке: определяется необходимостью компенсировать падение давления на местных гидравлических сопротивлениях и гидравлическом сопротивлении трубопровода при работе насоса за счет его регулирования по определенному закону, учитывающему эти потери, и определяет работу водопроводной сети без потерь давления и утечек воды и является базовым экологообразующим режимом;