Базовые и сложные взаимосвязанные режимы систем управляемого водообеспечения

(Часть II – сложные режимы)

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

Если режим формируется в результате взаимодействия двух или нескольких базовых режимов (например, режим формирования регулирующего объема в буферной емкости образуется в результате базового режима подачи насоса и базового режима расхода воды из емкости), то отнесем его к категории сложных взаимосвязанных режимов, таблица 2.

Анализ и систематизация этих режимов проведены по следующей схеме: какими базовыми режимами определяется возникновение сложного режима; на что влияет или что определяет этот режим; в чем суть влияния на экосистемность водопользования.

Режим образования регулирующего объема определяется разностью расхода потребления воды (базовым режимом изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети) и подачи насоса (базовым режимом подачи насоса) и является экологообразующим режимом. Регулирующий объем образуется в любом месте внутри башенного пространства, как только расход в сети превысит подачу насоса.

На практике для определения максимальных часовых расходов обычно применяют метод коэффициентов неравномерности (часового, суточного и т.д.) и получают результат с некоторым коэффициентом запаса. При условии такого запаса регулирующего объема не будет, более того, при малых расходах и отсутствия управления насосом неизбежно будет происходить перелив башни, а в зимнее время - её обледенение.

Регулирующий объем в некоторый момент времени определяется как разность между полным потоком расхода и полным потоком подачи в системе водоснабжения:

, (1.1)

где, - поток расхода в системе водоснабжения имеет переменный случайный характер, а - поток подачи, равный подаче электронасоса, имеет постоянную величину.

Таблица 2 – Режимы сложных взаимосвязанных процессов

технологических схем водообеспечения

Режимы сложных взаимосвязанных процессов технологических систем водообеспечения, требующих согласования с режимами внешних воздействий

Режимы регулирования и управления объемами буферных емкостей

Образования регулирующего объема.

Образования регулируемого объема.

Нарушения образования регулируемого объема в условиях обмерзания электродов ДУ.

Изменения динамического уровня

Контроля давления в условиях отклонений динамического уровня, частоты и напряжения питания.

Контроля давления в условиях действия динамической составляющей напора.

Контроля давления в условиях гидроудара.

Режимы регулирования и управления электронасосами

Износа изоляции электронасоса при пуске.

Подачи насоса в рабочей зоне.

Формирования расхода в насосе с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме.

Формирования характеристик КПД наоса повышенной величины

Формирования минимума потребления электроэнергии.

Режимы возникающие в трубопроводах

Образования избыточных давлений.

Режимы нагрева, энергетических потерь в электронасосах и защиты от аварийных режимов

Нагрева и потерь мощности при частотном регулировании производительности.

Нагрева и потерь мощности при частотном регулировании производительности и разных мощностях насосов.

Нагрева и потерь мощности при частотном регулировании производительности и разных законах управления напряжением.

Контроля асимметрии и обрыва фаз фильтром нулевой последовательности.

Контроля токовых перегрузок суммированием сигналов от ТТ.

Контроля токовых перегрузок R-C цепочкой.

Если поток водопотребления представить в виде математической модели случайного потока (будет обоснована ниже), тогда формула для определения регулирующего объема примет вид:

, (1. 2)

где - подача насоса, - постоянная, детерминированная составляющая случайного потока водопотребления - центрированная составляющая случайного потока водопотребления; t – время.

При существующем потоке водопотребления, как видно из формулы (1.2), выбор электронасоса будет определяться допустимой величиной регулирующего объема, которая носит случайный характер.

В общем случае, если детерминированные потоки (подача насоса и постоянная составляющая расхода водопотребления) равны, можно утверждать, что опорожнение башни наступит в том случае, если дисперсия регулирующего объема будет расти со временем. Если дисперсия регулирующего объема будет со временем уменьшаться, то и регулирующий объем в некоторый момент времени (например, к концу первых суток) сократится до нуля. При постоянстве дисперсии в течение всего времени, и регулирующий объем также будет сохраняться на определенном уровне, определяемом величиной дисперсии [1].

Однако на практике детерминированные потоки не согласованы. Например, поток подачи превышает постоянную составляющую потока водопотребления, но остается ниже величины полного потока, равного .

В этом случае в системе башенного водоснабжения возникают такие ситуации, когда случайные значения потока водопотребления превышают подачу электронасоса, при этом регулирующий объем растет, и такие ситуации, когда эта подача будет выше потока водопотребления, при этом регулирующий объем сокращается. Если поток водопотребления сохранит такую величину длительное время, то произойдет перелив башни и обмерзание её в зимнее время года, что приведет к такому состоянию башен в целом, при котором их использование становится экологически не безопасным. Отсюда возникает задача: выбрать насос с такой подачей, которая, с учетом максимального времени действия малых расходов не наполнит башню. Другими словами выбор производительности насоса должен быть согласован с характеристиками потока потребления воды.

Режим образования регулируемого объема определяется расстоянием между электродами верхнего и нижнего уровня датчика, является результатом действия системы управления насосом, реагирующей на сигналы датчика уровня и управляющей подачей насоса, определяет степень наполнения башни и является экологообразующим режимом.

Режим нарушения образования регулируемого объема в условиях обмерзания электродов ДУ возникает в результате действия базового режима подачи насоса и базового режима обмерзания электродов датчика уровня, смачиваемых водой. То есть, в результате рассогласования температурного режима работы датчика уровня с внешним воздействием отрицательных температур в зимнее время. Это приводит к неработоспособности датчика и нарушению управления электронасосом и, как результат, к переливам воды в башнях, их обмерзанию, нарушению целостности корпуса, к такому состоянию башен в целом, при котором их использование становится экологически не безопасным.

Режим изменения динамического уровня воды в скважине определяется неравномерностью отбора воды и (или) дебита 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.

Режим образования погрешностей контроля давления, вносимых изменениями динамического уровня, частоты и напряжения питания определяется взаимодействием базовых режимов штатных отклонений частоты напряжений фаз, амплитуды напряжений фаз и изменения динамического уровня воды в скважине, определяет погрешность косвенного контроля уровня воды в башне датчиками давления и как следствие - нарушения образования регулируемого объема. Режим возникает в результате штатного изменения динамического уровня в скважине, частоты и напряжения питающей сети. Величина динамического уровня воды в скважине Н_д вместе с напором создаваемым насосом Н_н(q) и динамическими потерями Z₁q² на гидравлическом сопротивлении трубопровода от насоса до места установки датчика определяет величину напора в этой точке:

(1.3)

Поэтому изменение динамического уровня неизбежно приводит к изменению напора в точке установки датчика давления и к изменению измеренного значения уровня воды в башне и образованию погрешности. Аналогично возникает погрешность при штатном изменении частоты и напряжения питающей сети, поскольку эти изменения приведут к изменениям частоты вращения и изменению напорной характеристики насоса Н_н(q), что вызовет изменение напора в точке установки датчика давления и приведет к погрешности измеренного значения уровня воды в башне. Данная погрешность при определенной величине не позволяет отключить электронасос и приводит к переливу и обмерзанию башни, к такому состоянию башен в целом, при котором их использование становится экологически не безопасным. Здесь имеет место рассогласование допустимой величины перепада давлений между нижним и верхним уровнем и возникающей погрешности от изменений динамического уровня, частоты и напряжения сети, которая уже при двадцатиметровой глубине скважины может достигать 1,5 метра.

Режим контроля давления в условиях действия динамической составляющей напора в сети определяется базовыми режимами подачи насоса и влияния динамической составляющей напора и определяет погрешность косвенного контроля уровня воды в башне датчиками давления. Погрешность определяется наличием потерь давления на гидравлическом сопротивлении трубопроводов от места установки датчика до основания башни Z₂q², которые оказывают влияние на измеренное значение давления столба воды в башне при работе насоса и отсутствием этих потерь при остановке насоса. Настройка датчика на отключение насоса при достижении верхнего уровня при таких условиях приведёт к переливам и обледенению башни ввиду того, что насос будет работать в рабочей точке с избыточным давлением на величину Z₂q². Здесь, как и в предыдущем случае, имеет место рассогласование допустимой величины перепада давлений между нижним и верхним уровнем и влиянием возникающей погрешности в результате действия внешних воздействий динамической составляющей давления в сети.

Режим образования погрешностей контроля давления, вносимых влиянием гидроудара, определяется базовыми режимами влияния гидроудара и подачи насоса и определяет погрешность косвенного контроля уровня воды в башне датчиками давления. Погрешность возникает в результате появления гидроудара в трубопроводе при включении или отключении электронасоса, сопровождающихся периодическими пиками и провалами давления, что приводит к периодическим отключениям (на пике давления) и включениям (на спаде давления) электронасоса, появлению часто повторяющихся пусковых токов и ускоренному износу изоляции обмотки статора и выходу из строя электронасоса.

Режим износа изоляции электронасоса при пуске определяется базовыми режимами нагрева электродвигателя и старения изоляции обмотки электродвигателя и определяет ускоренное старение полиэтиленовой изоляции обмоточного провода статора, её пробой и выход из строя электронасоса. Возникает в результате теплового и электростатического воздействия на изоляцию при пусках электронасоса в условиях образования регулируемых объемов приводящих к повышенной частоте коммутации электронасоса при увеличении расхода потребления воды, или при возникновении гидроударов. Имеет место рассогласование допустимых максимальных частот пуска электродвигателя и возникающих максимальных частот пуска в результате внешних воздействий – увеличения расхода потребления или гидроудара.

Пусковые режимы оказывают влияние на электротепловой износ изоляции. Основным следствием воздействия тепловых нагрузок является более интенсивное, чем естественное, старение изоляции. Для оценки старения при воздействии кратковременных перегрузок используют известную методику [2], для чего рассчитывают относительный износ:

, (1.4)

где: - постоянная времени нагрева, с; - степень снижения срока службы изоляции, равная 0,069 ^оС^-1; - температура обмотки двигателя в номинальном режиме, ^оС; - превышение температуры обмотки в номинальном режиме над температурой окружающей среды, ^оС; - кратность перегрузки пускового тока; - длительность перегрузки, с. Расчет износа изоляции приводится в приложении В.

Режим подачи насоса в рабочей зоне определяется базовыми режимами изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети, присоединенной к насосу и подачи насоса. Он определяет положение рабочей точки насоса в рабочей зоне и потери мощности из-за низкого КПД. Эта зона указана на напорной характеристике насоса толстой линией и соответствует окрестности номинальной подачи насоса, где КПД насоса имеет максимальное значение (рисунок 1).

Здесь же показана напорная характеристика сети – 1 для случая номинального режима работы насоса в рабочей зоне и напорная характеристика сети – 2 для случая снижения расходов потребления воды в сети (внешнее воздействие, сопровождающееся отключением сантехнических приборов и повышением гидравлического сопротивления сети). В этом случае режим характеризуется работой насоса вне рабочей зоны, снижением его КПД и повышением давления в трубопроводах, приводящим к утечкам. Следует отметить другой режим, с внешним воздействием противоположного характера, сопровождающегося включением сантехнических приборов и понижением гидравлического сопротивления сети.

Рисунок 1 – Рабочая зона насоса

В этом случае режим характеризуется работой насоса вне рабочей зоны, справа от неё, снижением его КПД, ростом расхода и понижением давления в трубопроводах, приводящим к недостатку воды в верхних точках водоприема. Кроме того, работа насоса в зоне высоких расходов приводит к образованию кавитации в ступенях и повреждению рабочих колес и отводов. Во втором и третьем случае очевиден режим рассогласования эффективной работы насоса (при максимальном КПД) с диктующими внешними воздействиями изменения гидравлического сопротивления сети.

Режим формирования расхода насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме определяется базовым режимом параллельной работы электронасосов в комбинированной компоновочной схеме и базовым режимом формирования характеристик КПД. В такой схеме один из насосов снабжен частотно-регулируемым электроприводом и обеспечивает плавное изменение производительности и стабилизацию давления у потребителя. Остальные насосы работают с постоянной номинальной производительностью, обеспечивая часть требуемого расхода потребления воды, так чтобы расход регулируемого насоса не выходил из рабочей зоны. Эти насосы подобраны так, что их номинальное давление равны этому давлению стабилизации. Определяет возможность работы каждого насоса в зоне максимальных КПД при одновременном согласовании потока водопотребления с потоком подачи воды потребителю, исключающим избыточные давления у потребителя.

Режим формирования характеристик КПД наоса повышенной величины определяется базовыми режимами изменения производительности насоса частотой его вращения и расходом водопотребления, определяет возможность получать повышенные значения КПД электронасоса при согласовании этих двух режимов.

Режим формирования минимума потребления электроэнергии определяется базовыми режимами минимального энергопотребления, изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети. Определяет устранение потерь давления при стабилизации его в диктующей точке у потребителя и снижение энергопотребления за счет снятия избыточных давлений и компенсации потерь напора при переменном водопотреблении. В случае комбинированного регулирования общая потребляемая электроэнергия при условии стабилизации давления будет складываться из минимумов потребляемой электроэнергии регулируемым электронасосом и нерегулируемыми . Причем минимум для РН будет определяться минимумом матожидания случайного потока через РН, а для НН наибольшим КПД.

Режим нагрева при частотном регулировании производительности

Определяется базовым режимом нагрева электронасоса, обусловленным снижением скорости обтекания водой статора электродвигателя погружного электронасоса при частотном уменьшении его производительности и как следствие ухудшения его охлаждения [3] и базовым режимом изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети.

Двигатель охлаждается потоком воды, образующимся между стенкой обсадной трубы скважины и поверхностью двигателя, при всасывании воды насосом и зависит от скорости этого потока.

Поскольку между скоростью потока и расходом прямо пропорциональная зависимость, в режиме регулирования насоса при снижении расхода, например в 2 раза и скорость потока упадет вдвое, что приведет к резкому ухудшению охлаждения двигателя [4].

При частотном регулировании асинхронных двигателей снижение частоты вращения приводит к снижению потери мощности, а, следовательно, к уменьшению нагрева, но не во всем диапазоне изменения частот и расходов.

Потери определяют перегрев электродвигателя и ускоренный износ изоляции обмотки статора. Режим характеризуется рассогласованием охлаждения электродвигателя и его нагрева вследствие электрических потерь.

Режим нагрева и потерь мощности при частотном регулировании производительности и разных мощностях насосов определяется базовым режимом нагрева электронасосов разных мощностей, обусловленным снижением скорости обтекания водой статора электродвигателя погружного электронасоса при частотном уменьшении его производительности и как следствие ухудшения его охлаждения и базовым режимом изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети. Определяет различный режим нагрева и охлаждения в зависимости от мощности электронасоса.

Показано, что количество тепла в единице объема двигателя, образующегося за 1 час при общих потерях, и коэффициенте теплопередачи воде поверхностью статора, зависящий от скорости обтекания водой двигателя, последний растет быстрее у более мощного двигателя ввиду более интенсивного нарастания скорости потока воды и большей площади поверхности охлаждения.

Количество тепла, наоборот, интенсивнее растет у менее мощного двигателя из-за его меньшего объема и массы. Этим и объясняется более значительное превышение температуры корпуса менее мощного двигателя по сравнению с двигателем большей мощности.

Режим нагрева и потерь мощности при частотном регулировании производительности насоса с различными законами управления преобразователем частоты определяется базовыми режимами управления законом U/f преобразователя частоты и изменения гидравлического сопротивления водопроводной сети. То есть оптимальным, по условию минимума потерь, соотношением между амплитудой и частотой напряжения, питающего двигатель в процессе регулирования при переменном расходе [5]. Определяет энергоэкономный режим двигателя и его допустимый нагрев для безаварийной работы.

Известно, что для нормальной работы механизма с электроприводом необходимо чтобы механическая характеристика привода соответствовала механической характеристике механизма, где ω* – нормированная, приведенная к номинальной, частота вращения привода, μ - нормированный, приведенный к номинальному, момент механизма. При этом в практических расчетах используют приближенное равенство , где α – нормированная, приведенная к номинальной, частота питающего электропривод напряжения. Поэтому, когда нагрузкой двигателя является вентилятор или насос, момент сопротивления которого зависит от частоты вращения в функции квадрата, математическое выражение механической характеристики можно записать в виде

, (1.5)

а закон управления напряжением согласно закона оптимального регулирования для частотных приводов [6] будет иметь вид:

, (1.6)

где γ - нормированное, приведенное к номинальной, напряжение частотного привода.

Иначе дело обстоит, если насос работает с противодавлением. Механическая характеристика при этом будет иметь более сложную функциональную зависимость, а закон регулирования напряжения:

. (1.7)

где S_n – номинальное скольжение электродвигателя привода, с и в функциональные коэффициенты.

Сравнительные расчеты потерь при регулировании по квадратичному закону и по (1.7) показали эффективность последнего, так при относительном противодавлении, приведенному к максимальному напору насоса, 0,55 и 0,82 и номинальном расходе полные потери мощности двигателя электронасоса и нагрев статорной обмотки снизятся соответственно на 17% и 61%.

Таким образом, изменение напряжения при частотном регулировании в соответствии с расчетным законом (1.7) позволит обеспечить снижение потерь и нагрева двигателя, а значит его энергоэкономную работу в допустимом тепловом режиме.

Три последних режима, таблица 2, относятся к режимам контроля аварийных ситуаций, которые определяются базовыми режимами нарушения симметрии напряжений фаз и как крайний случай обрыва одной фазы и контроля токовых перегрузок в фазах. Устройства контроля и защиты электродвигателей насосов, использующие фильтры нулевой последовательности, RC цепочки, токовые трансформаторы имеют недостатки, не позволяющие обеспечить надежную защиту: она либо не срабатывает, либо срабатывает ложно.

Литература

1. Гришин А.П. Выбор электронасоса для башенной системы водоснабжения [Текст]/А.П. Гришин // Электрификация сельского хозяйства. Сб. научн. трудов ВИЭСХ. Т. 88. М.: ВИЭСХ, 2002.

2. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей [Текст]/ Сыромятников И.А. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

3. Лачуга Ю.Ф. Ресурсосберегающие тепловые режимы погружного частотно-регулируемого электронасоса [Текст]/Ю.Ф. Лачуга, А.П. Гришин // Техника в сельском хозяйстве, №2, 2005, с.23.

4. Авраменко М.В., Электропотребление частотно-регулируемых насосных агрегатов в системах сельскохозяйственного водоснабжения [Текст]/М.В. Авраменко, А.П. Гришин // Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (59). М.: ВИЭСХ, 1987. С. 3-8.

5. Гришин А.П. Закон регулирования преобразователя частоты при питании погружного электронасоса [Текст]/А.П. Гришин //С.О.К., №7, 2007, с. 20-22.

6. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями [Текст]/А.А. Булгаков. – М.: Наука, 1966, - 300 с.

7. Славин Р.М. Автоматизация процессов в животноводстве и птицеводстве [Текст]/Р.М. Славин. – М.: Агропромиздат, 1991. - 397 с.