Читайте в N4 (17) 2006:

РЕФОРМА ЖКХ
  • Информационный центр поддержки реформы ЖКХ. Наука преобразования
  • Копырин В.С., Бородацкий Е.Г., Бакута В.П. Повышение эффектив- ности насосной станции бытовых и производственных стоков
  • Безаев В.Г. Международный концерн АББ: гарантия энергобезопасности
  • Лаховский М.Я. Применение регуляторов температуры воды «Комос-УЗЖ» для уменьшения энер- гозатрат и стабилизации гидравли- ческого режима в системах отопле- ния и горячего водоснабжения
  • Золотаревский С.А. О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учета газа
  • Российская Инженерная Академия. Водомазутные эмульсии. Опыт надежного и экологически чистого сжигания в топках котлов высокообводненного мазута
  • Сидорин П.Ф. ООО «Восток-С» – производитель электротехни- ческого оборудования
  • Андреев В.С. Новая разработка: программно-технический комплекс «КАСКАД-ВЕТВЬ» для систем поква- ртирного учета горячей и холодной воды, газа и электрической энергии
  • По материалам Phoenix Contact. Высокопрочные разъемы для жестких промышленных условий
  • ООО «ТАНСИС», ООО «Системы качества». «Информация к управлению»
  • ООО «Предприятие «Ирбис». Системы учета для ЖКХ

    ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ЭКОНОМИКА
  • Литвинов В.Н. Энергоэффектив- ность – основа конкурентоспособ- ного развития экономики

    ЭКОЛОГИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
  • ЗАО «Уралспецтеплоремонт». Комплексный подход к промышленной безопасности
  •  

    ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ БЫТОВЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОКОВ

    Копырин В.С., НПП «Энергия и экология»;
    Бородацкий Е.Г., ОАО «Российская электротехническая компания»;
    Бакута В.П., ОАО «Саратовский НПЗ»

    Насосные станции бытовых и производственных стоков (НСС) являются важными объектами жилищно-коммунального хозяйства городов и различных населенных пунктов, а также примыкающих к ним предприятий и организаций. Они предназначены для аккумулирования стоков от перечисленных поставщиков, грубой предварительной механической очистки и транспортирования на комплекс очистных сооружений. В общем случае комплекс включает сооружения, осуществляющие механический, химический и биологический виды очистки стоков.

    Насосные станции бытовых и производственных стоков (НСС) являются важными объектами жилищно-коммунального хозяйства городов и различных населенных пунктов, а также примыкающих к ним предприятий и организаций. Они предназначены для аккумулирования стоков от перечисленных поставщиков, грубой предварительной механической очистки и транспортирования на комплекс очистных сооружений. В общем случае комплекс включает сооружения, осуществляющие механический, химический и биологический виды очистки стоков.

    К НСС предъявляется ряд требований, наиболее важными из которых являются: высокая надежность функционирования технологического и электрического оборудования во всем диапазоне объема втекающих стоков; достаточная степень резервирования основного оборудования; энергетическая безопасность; бесперебойность в работе; автоматическое и ручное регулирование; возможность увеличения производительности при развитии жилищно-коммунального хозяйства [1, 2].

    В качестве примера, на рис.1, приведена схема НСС одного из районов крупного города. Трубопроводы втекающих стоков приходят от ряда кварталов города, заводского поселка и от двух промышленных предприятий. Жидкость поступает в приемную камеру, проходит механическую очистку и аккумулируется в приемном резервуаре. Из входного резервуара она откачивается насосами и подается в выходной коллектор НСC и далее в магистральный трубопровод, по которому она транспортируется на очистные сооружения. Для отделения насоса от трубопровода служат задвижки, размещенные на входном и напорном патрубках насоса. Дополнительно на выходном патрубке насоса установлен обратный клапан, предотвращающий обратный ток жидкости через насос. В качестве приводов насосов и задвижек применяются электрические двигатели. В правой части рис.1 размещена таблица, в которой для каждого из объектов НСС приведён перечень контролируемых параметров. Данный перечень может изменяться в зависимости от назначения НСС и мощности насосных установок.

    Для получения рационального алгоритма управления НСС должен быть выполнен анализ гидравлического режима работы насосного оборудования. Баланс расходов и давлений жидкости для случая четырех параллельно работающих центробежных насосов (ЦН) описывается математической моделью на основе следующей системы уравнений:

    Приведенная система уравнений может быть легко изменена для любого количества одновременно работающих на НСС ЦН путем исключения уравнений для отключенных агрегатов.

    На НСС применяется ЦН типа СМ 200-150-50. Их номинальные параметры: подача – 400 м3/час; напор – 80 м; частота вращения – 1450 об/мин; КПД – 64 %.

    В качестве приводных электродвигателей используются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором типа АО103-4М-У2. Их номинальные параметры: мощность – 200 кВт; линейное напряжение статора – 380 В; номинальный ток статора – 361 А; частота вращения 1470 об/мин; КПД – 92,5 %; схема соединения обмоток статора – звезда.

    В настоящее время электропривод ЦН не регулируемый. Уровень в приемном резервуаре регулируется ступенчато путем включения одного, двух или трех АД и, соответственно, насосов.

    Объемы перекачиваемых стоков значительно изменяются: месячные, суточные и часовые. Наибольшие объемы присутствуют в зимнее время (с ноября по март), наименьшие – в летнее время (июнь – август). Например, суточный объем стоков в феврале составляет около 552 тыс. м3, а в апреле – уже 240 тыс. м3. Аналогично изменяется потребление активной электроэнергии: в феврале – 170 тыс. кВт*ч, а в июне – 111 тыс. кВт*ч.

    Для обеспечения заданного режима работы НСС при изменении условий работы требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы оборудования НСС.

    Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы регулирования подачи жидкости и давления [1]:
    – дросселированием трубопровода;
    – перепуском части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;
    – отключением или подключением насосов (ступенчатое регулирование);
    – изменением частоты вращения рабочего колеса насоса.

    Дросселирование трубопровода является весьма распространенным способом регулирования давления и подачи жидкости. Регулирующим элементом в этом случае является механическое устройство в виде шибера, дроссель-клапана, задвижки, диафрагмы и т.п., которое располагается на напорном патрубке насоса и, за счёт своего перемещения, изменяет поперечное сечение трубопровода.

    Несмотря на простоту реализации данного способа регулирования, он имеет ряд недостатков. Одним из них является снижение КПД НСС, особенно при глубоком регулировании подачи. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего устройства, преобразуется в тепловые потери, что и определяет низкую энергетическую эффективность данного подхода. Помимо этого, рост давления на выходе насоса при закрытии задвижки приводит к сокращению срока службы уплотнений и запорных устройств, а также к увеличению утечек жидкости через стыки и щели. Другим недостатком этого способа является возможность однозонного регулирования в сторону уменьшения подачи или напора насосной установки.

    Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что снижает КПД установки, особенно сильно при глубоком регулировании. Как и в предыдущем методе, подача НСС регулируется только в сторону уменьшения.

    Ступенчатое регулирование подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако он не позволяет обеспечить непрерывное и качественное поддержание напора при изменении потребления жидкости и вызывает частые пуски двигателей, что уменьшает срок работы оборудования, и требует строительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи НСС. Кроме того, электродвигатели работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей НСС.

    Указанные особенности обуславливают сокращение НСС, на которых применяются рассмотренные выше способы регулирования.

    Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки позволяет осуществить непрерывное регулирование производительности НСС с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах [2-6]. Однако он требует больших затрат на регулирующее оборудование, особенно для установок мощностью выше средней, и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью. Тем не менее снижающаяся стоимость регулируемых электроприводов делает этот способ наиболее перспективным в настоящее время.

    Возможно также сочетание нескольких способов регулирования.

    Одним из широко применяемых вариантов регулирования является сочетание ступенчатого регулирования с изменением частоты вращения рабочего колеса насосной установки, которое достигается с помощью частотно-регулируемого электропривода. Регулируемым электроприводом, как правило, оборудуют один насосный агрегат в группе из 2–3 рабочих агрегатов.

    Для регулирования энергетической эффективности оборудования НСС должен быть выбран оптимальный по минимуму энергопотребления режим работы насосов при их совместной работе. Один из путей решения этой задачи приведен в [3-4].

    В результате технико-экономического обоснования НПП "Энергия и экология" предложила применение для данной НСС двух преобразователей частоты типа FR-A540L-160K-EC с номинальной мощностью для АД 220 кВт применительно к насосам центробежного принципа действия.

    Упрощенная структурная схема автоматизированной НСС с частотно-регулируемым электроприводом приведена на рис.2.

    Электроснабжение НСС осуществляется от трансформаторных подстанций ТП1 и ТП2. Электроэнергия поступает на распределительное устройство РУ, имеющее две секции шин. Здесь же размещены первичные аппараты для средств учета потребляемой электроэнергии.

    В электрощитовой НСС расположено силовое электрооборудование НСС и шкафы местного управления ШУ1, ШУ2. В состав силового электрооборудования входят: силовые шкафы управления СШУ1…СШУ4, преобразователи частоты ПЧ1 и ПЧ2. Силовой шкаф управления содержит коммутационный аппарат, с помощью которого осуществляется коммутация питания электродвигателя М центробежного насоса Н либо к выходу ПЧ, либо к секции РУ.

    В машзале НСС размещено основное и вспомогательное оборудование. Основное оборудование включает насосы ЦН1…ЦН4, приводные электродвигатели М1…М4. В состав вспомогательного оборудования входят: дренажные, пожарные, вакуум насосы; задвижки; вентиляторы; обогреватели и другое оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1…ИМ4.

    Для получения информации о значениях регулируемых параметров служат комплекты датчиков Д1…Д4, размещенные на соответствующих насосных установках.

    Сигналы управления и измерительные сигналы от оборудования НСС собираются в шкафу управления. Здесь же происходит их объединение в одну общую информационную линию связи, которая подключается к технологическому контроллеру ТК.

    Технологический контроллер реализует общий алгоритм управления НСС и обмен информацией с автоматизированной системой управления технологическим комплексом АСУ ТК. Программное обеспечение ТК содержит ряд функциональных блоков, реализованных на программном уровне:
    1. Управление основной насосной установкой.
    2. Управление дополнительной насосной установкой.
    3. Управление дренажными насосами.
    4. Измерение и обработка параметров оборудования НСС.
    5. Управление отоплением и вентиляцией помещений НСС.
    6. Осуществление функций охраны от несанкционированного проникновения посторонних лиц на территорию НСС.
    7. Обслуживание локального терминала.
    8. Передача информации о параметрах и режимах работы оборудования НСС на АСУ ТК и обработка сигналов управления, получаемых от нее.

    Приведенная компоновка оборудования НСС обеспечивает высокую надежность и бесперебойность работы основного оборудования. Это достигается за счет резервирования источников питания и преобразователей частоты.

    Модернизация дала следующие результаты:
    – снижено потребление электроэнергии;
    – появилась возможность плавного регулирования частоты вращения насосов в соответствии с требованиями технологического процесса и обеспечения более высокого уровня автоматизации;
    – обеспечен надежный плавный пуск электропривода при токах ниже номинального значения;
    – снижена аварийность питающей сети и механического передаточного оборудования, и, следовательно, увеличен межремонтный период.

    Литература

    1. Лобачев П.В. Насосы и насосные станции.– М.: Стройиздат, 1990.
    2. Козлов А. Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода на канализационных насосных станциях.– Современные технологии автоматизации, 2005, №3.
    3. Ковалёв В.З., Мельников В.Ю., Бородацкий Е.Г. Энергосберегающие алгоритмы управления взаимосвязанным электроприводом центробежных турбомеханизмов.– Омск: ОмГТУ, 2000.
    4. Копырин В.С., Бородацкий Е.Г., Ткачук А.А. Асинхронный частотный электропривод как регулирующий орган насосной станции системы водооборота глинозёмного производства. Труды двенадцатой науч.-техн. конф. «Электроприводы переменного тока».– Екатеринбург: УГТУ, 2001.
    5. Бакута В.П. Применение преобразователей частоты на насосной фекальной станции Саратовского НПЗ.– Материалы науч.-практ. семинара "Проблемы и достижения в промышленной энергетике".– Екатеринбург: Уральские Выставки, 2001.
    6. Бакута В.П., Копырин В.С., Бородацкий Е.Г., Ткачук А.А. Модернизация электроприводов технологической фекальной насосной станции Саратовского НПЗ. Материалы науч.-практ.о семинара "Энергосберегающие техника и технологии".– Екатеринбург: Уральские Выставки, 2002.