Рассмотрим возможности использования современных систем частотного регулирования электроприводов и систем автоматизации на примере работы повысительных насосных станций городских систем водоснабжения. Функция повысительных насосных станций — поддержание заданного графика давления в напорном трубопроводе. Как правило, режимы работы насосных станций отличаются от первоначально заложенных в проект. Насосные агрегаты установлены с учетом максимального расхода, который возникает при пиковых значениях потребления воды в утренние и вечерние часы или в экстремальных случаях (например, пожар).

Если регулирование производительности насосных агрегатов не производится, при минимальном расходе в напорном трубопроводе возникает избыточное давление.

Это вызывает:

• непроизводительные потери электроэнергии на создание избыточного давления;
• потери воды за счет избыточного расхода, утечек на негерметичных стыках;
• большие затраты на ремонт и замену электродвигателей, насосов и контактной аппаратуры в связи с необходимостью прямых пусков;
• затраты на устранение аварий трубопроводов в связи с избыточными напорами и гидроударами;
• низкое качество водоснабжения, которое выражается в неравномерном давлении и высокой вероятности отсутствия воды;
• избыточный расход воды населением за счет создания запаса на случай отключения подачи воды.

Эффективность насосного агрегата в рабочем диапазоне в основном определяется способом регулирования и характеристиками системы. При этом требуется, чтобы в рабочей точке достигался максимальный КПД агрегата. Если изменяется, например, расход или давление, необходимо скорректировать механические параметры насоса или характеристики системы в целом. Рассмотрим с энергетической точки зрения те методы регулирования, которые чаще всего встречаются на практике.

Далеко не всегда можно подобрать насосный агрегат, который сможет обеспечить требуемый расход жидкости при заданном давлении. Лучше отдать предпочтение насосу, который с запасом может выполнить поставленную задачу, а получившиеся «излишки'BB куда-нибудь сбросить. Для этого можно закольцевать выход насоса с его входом и установить перепускной вентиль, который будет регулировать поток обратной воды. Потребление электроэнергии электродвигателем в этом случае совершенно не зависит от производительности насоса.

Недостаток этого способа регулирования — большие непроизводительные затраты электроэнергии.

Возможна периодическая работа насосного агрегата при управлении в стартстопном режиме на демпфирующее устройство, обеспечивающее поддержание требуемого технологического параметра, которое компенсирует броски и провалы потока жидкости при пуске и остановке насоса. Классический пример подобного регулирования — работа водонапорной башни. В связи с тем, что время работы электродвигателя существенно больше времени его пуска, можно считать, что КПД насоса близок к максимальному значению. Таким образом, потребление электроэнергии электродвигателем при работе в этом режиме минимально. Однако не всегда можно использовать демпфирующую емкость достаточного объема, и приходится принимать во внимание пусковой ток, который при прямом пуске электродвигателя превышает номинальное значение в 5–7 раз, что негативно сказывается на ресурсе электрооборудования.

Наибольшее распространение получил способ регулирования давления и расхода воды в напорном трубопроводе, получивший название дросселирование. Он заключается в ограничении поперечного сечения выпускного тракта насоса с помощью дроссельной задвижки. К сожалению, этот способ регулирования оказывает существенное влияние на КПД насоса.

Дроссельная задвижка оказывает сопротивление движущемуся потоку жидкости, таким образом, часть энергии рассеивается на задвижке.

На рис. 1 показана механическая характеристика насоса и изменение характеристики системы.

При дросселировании скорость вращения рабочего колеса насоса остается практически неизменной, при этом асинхронный электродвигатель работает непосредственно от сети и его скорость на 5–7 % отличается от синхронной частоты. Потребление электроэнергии двигателем пропорционально производительности насоса.

Дроссельная задвижка также может быть установлена на входе насоса, ограничивая, таким образом, приток жидкости, при этом насос не может обеспечить требуемый расход, т.к. часть энергии тратится на преодоление сопротивления задвижки.

На рис. 2 показано изменение механической характеристики насоса при разных положениях задвижки.

При работе насоса в условиях, ограничивающих приток жидкости, проявляются такие нелинейные эффекты, как, например, кавитация. При этом уменьшается эффективная площадь поверхности лопаток колеса насоса, участвующих в создании давления. По этой причине этот метод обычно не применяют для перекачивания жидкостей. С энергетической точки зрения он несколько лучше предыдущего, но также оказывает существенное влияние на КПД насоса. Потребление электроэнергии пропорционально квадрату производительности насоса.

Работа насоса на задвижку имеет ряд недостатков, прежде всего, увеличение износа самого насосного агрегата и запорно-регулирующей арматуры, установленной на нем. Проявляется эффект резонанса, перегрев насоса из-за недостаточного теплообмена и т.д.

Этот способ регулирования направлен на решение технологических задач и не учитывает энергетических аспектов транспорта воды. Насосный агрегат тратит электроэнергию на преодоление противодавления, возникающего на задвижке. Дросселирование в некоторой степени снижает аварийность на сетях, но требует присутствия на объекте дежурного персонала, следовательно, характеризуется высокой зависимостью от человеческого фактора.

Все вышесказанное имело отношение к регулированию одного насосного агрегата, однако на практике очень часто встречается совместная работа нескольких насосных агрегатов на один напорный трубопровод. При увеличении разбора жидкости для поддержания заданного давления подключается необходимое число насосных агрегатов.

Этот метод регулирования позволяет снизить непроизводительное потребление электроэнергии, однако требует сложного регулирования нескольких параллельно работающих насосных агрегатов с помощью дроссельной задвижки. Кроме того, частые прямые пуски насосных агрегатов от сети увеличивают вероятность возникновения гидравлических ударов в системе, при этом пусковые токи двигателей насосов, значительно превышающие номинальные значения, также негативно сказываются на ресурсе оборудования.

Наиболее эффективный способ регулирования предусматривает изменение скорости вращения рабочего колеса насоса. Благодаря этому можно обеспечить требуемый напор во всей области регулирования, не ухудшая при этом КПД насоса в сравнении с дросселированием.

На рис. 3 показано, как изменяется механическая характеристика насоса в зависимости от частоты вращения электродвигателя.

Физический принцип действия циркуляционных насосов определяет законы подобия для основных характеристик агрегата: производительность насоса Q линейно зависит от скорости вращения колеса, создаваемый при этом напор H зависит от квадрата скорости, и, соответственно, требуемая при этом механическая мощность P зависит от куба скорости.

Таким образом, потребление электроэнергии при частотном регулировании пропорционально кубу производительности насоса. Регулирование скорости вращения рабочего колеса насоса возможно с помощью электронных преобразователей частоты, которые обеспечивают качественное управление асинхронными электродвигателями в широком диапазоне изменения частоты. При этом с помощью преобразователя частоты по сигналу от датчика давления, установленного в напорном трубопроводе, можно автоматически изменять частоту вращения рабочего колеса насоса, оперативно реагируя на изменение расхода жидкости и обеспечивая поддержание заданного давления с высокой точностью.

Применение преобразователей частоты обеспечивает следующие преимущества по сравнению с другими методами:

• эффективное использование асинхронных электродвигателей, дешевых в эксплуатации и ремонте;
• КПД электродвигателя во всем диапазоне регулирования максимально соответствует КПД электродвигателя в номинальном режиме;
• КПД преобразователя 95–98 %, коэффициент мощности — около 1,0;
• плавный пуск электродвигателя, отсутствие гидравлических ударов;
• снижение уровня шума при пуске и работе;
• автономная безопасная работа, интеграция в АСУ ТП.

На рис. 4 представлено сравнение различных методов регулирования производительности насосов с точки зрения потребления электроэнергии.

Наибольшая эффективность применения преобразователей частоты проявляется на объектах с большой суточной, сезонной переменными нагрузками, расходом, т.е. требует большой глубины регулирования.

При небольшом расходе воды насосный агрегат вращается на малой скорости, обеспечивающей поддержание номинального давления, потребляя при этом только то количество электроэнергии, которое необходимо для выполнения технологической задачи. При работе в энергоэффективном режиме экономится не только электроэнергия и ресурс оборудования, но и, в зависимости от функции автоматизируемого объекта, вода, тепло.

Увеличение ресурса электродвигателя при этом способе регулирования напрямую связано с ресурсом подшипников, который определяется радиальными и осевыми нагрузками, а также частотой вращения. В общем случае можно пренебречь тем фактом, что при снижении частоты энергетическая составляющая вибрации уменьшается пропорционально квадрату, и в расчете ресурса подшипников учитывать только уменьшение скорости вращения. Именно благодаря регулированию скорости — в среднем в 2,5–3 раза — удается увеличить межремонтные интервалы насоса и электродвигателя.

В группе из нескольких насосных агрегатов, обеспечивающих реализацию технологической функции на объекте, осуществляется частотное регулирование работы только одного из них, даже при параллельной работе нескольких насосных агрегатов.

При этом обеспечивается возможность:

• частотного регулирования любого из установленных на объекте насосных агрегатов (автоматический или ручной выбор «основного», «дополнительного» или «резервного»);
• автоматического подключения «дополнительного» насосного агрегата при недостаточной производительности «основного» насосного агрегата;
• автоматического изменения уставки величины поддерживаемого параметра по времени суток;
• защиты работающего оборудования и восстановления штатной работы объекта при кратковременных отключениях питающего напряжения;
• устранения влияния человеческого фактора и необходимости постоянного присутствия оператора.

Реализацию этих и многих других функций позволяет обеспечить станция управления группой насосных агрегатов типа СРН, которая может быть легко интегрирована в АСУ ТП для задач мониторинга и дистанционного управления группой объектов в городской инфраструктуре с применением современных средств информационного обмена.