Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Аналитическая часть

1.1 Анализ технологического процесса промышленной установки и формулирование требований к автоматизированному электроприводу

Система технологического водоснабжения неавтоматизированная, нет постоянного контроля давления в сети, включение подкачивающего насоса производится вручную, зачастую насос работает, выдавая излишнее давление, более 3 атм., или недостаточное, менее 3 атм.

Основными параметрами и характеристиками насосного оборудования являются давление, напор, подача, мощность.

Давление, создаваемое насосом,Ї разность удельных энергий рабочей жидкости между всасывающим и нагнетающим патрубками:

где Р_Н и Р_{В -} абсолютные давления на выходе и входе, Па;

V_H и V_{B -} скорость жидкости на выходе и входе, м/c;

Z_H и Z_{B -} высоты точек замера давления от плоскости сравнения, м;

с - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Скорости жидкости на входе V_B выходеV_Hопределятся по формулам: V_H=Q/S_H;

V_B=Q/S_B,

где

Q - подача насоса, м³/с;

S_H и S_BЇ площади проходного сечения в местах измерения давлений P_Н и P_В, м³.

На практике, когда речь идет о динамических насосах, чаще используется понятие напора, которое измеряется в метрах столба жидкости (чаще всегоЇ воды), м.

Напор Н=Р/с?g.

На основании двух последних формул:

.

Подача насоса QЇ объем (масса) рабочей среды, подаваемой машиной в единицу времени. Подача измеряется в м³/с, м³/час, л/с, л/мин. Массовая подача Q_m измеряется в кг/с, т/ч. Если известна массовая подача Q_m, то объемная подача Q определяется из соотношения Q=Q_m/с.

При характеристике насосов различают:

оптимальную подачу Qопт - при оптимальном КПД;

номинальную подачу Qном - определенную по техническим условиям на поставку насоса;

минимальную Q мин и Q макс максимальную подачи - предельные значения подач, которыми ограничивается рабочая область насоса.

Мощность насоса (компрессора) Р - мощность, передаваемая от привода (электродвигателя) на вал насоса (компрессора), измеряется обычно в кВт.

Полезная мощность

Мощность насоса больше полезной мощности на величину потерь в насосе. Эти потери оцениваются коэффициентом полезного (КПД).

КПД равен отношению полезной мощности к мощности Н=Рр/Р.

Значения КПД современный насосов и компрессоров составляют 0,4 - 0,9.

В процессе эксплуатации насосов возможны изменения основных параметров их работы: могут меняться подача, напор и соответственно потребляемая мощность. Поэтому необходимо располагать данными о взаимосвязи основных параметров насоса в достаточно широком диапазоне их изменения.

Зависимости напора, потребляемой мощности, КПД и допустимого кавитационного запаса насоса от подачи называют характеристиками. Они представляются обычно в виде графика H (Q), P (Q), з (Q), Дh_ДОП.

Зависимость напора от подачи H (Q) называется напорной или главной характеристикой. Характеристики насосов необходимы потребителю для подбора оборудования, определения условий монтажа и эксплуатации, согласования параметров насоса с параметрами сети.

2. Технологическая часть

2.1 Общая характеристика объекта водопроводной сети

В здании АБК установлен насос типа КМ 80-50-200, труба на входе в насос ДУ100, на выходе из насоса ДУ 50, стояки по этажам ДУ 40. На каждом этаже имеется своя задвижка, в моечном отделении располагается 10 водоразборных устройств, которые могут использоваться одновременно, в течение часа, три раза в сутки, остальное время практически никто не пользуется, за исключением лиц, уходящих раньше по той или иной причине.

электрооборудование насос автоматизированный

2.2 Описание существующего электрооборудования

На данный момент установлено оборудование, простая схема прямого пуска асинхронного электродвигателя. Она состоит из кнопок <<ПУСК>> и <<СТОП>>, контактора типа КТ 6023, электродвигателя типа……., не имеет никаких регулировок по скорости и давлению воды в системе. Кабель питания ВВГ 4*25, длиной 10 метров.

2.3 Анализ существующих проблем

Традиционно работа повысительных насосов холодного водоснабжения (ХВС) осуществляется напрямую, от сети переменного тока без стабилизации давления на выходе насосного агрегата, с релейно-контакторной схемой управления, которая не обеспечивает отключение насосов на ночное время суток и во время регламентированных перерывов.

Такой режим работы насосов имеет следующие недостатки:

1) Повышенные затраты электроэнергии. Во-первых, это связано с неправильным выбором насосов. Часто насосные агрегаты в системе водоснабжения оказываются с завышенными характеристиками по давлению или расходу. Поэтому эксплуатация системы без постоянно прикрытой задвижки на выходе насосов невозможна, так как вероятны разрывы трубопроводов. На этой задвижке постоянно впустую рассеивается энергия. Во-вторых, это связанно с суточными колебаниями воды. При правильном выборе насосного агрегата, его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды, которое, как известно, приходится на утренние и вечерние часы. В остальное время в системе создается избыточное давление, которое также приводит к дополнительным энергозатратам.

2) Наличие перепадов давления на выходе насосов, что приводит к гидроударам в системе, вследствие чего увеличивается вероятность порыва трубопроводов, особенно на изношенных участках, а также выхода из строя насосов, муфт, запорной арматуры и т.д.

3) Дополнительные потери воды в системе, вызванные течью швов, кранов и т.п. при избыточном выходном давлении (увеличение давления на 1 атм приводит к повышению потери воды на 10%).

4) Существенное сокращение срока службы двигателей насосных агрегатов, вследствие электрического и механического износа, вызванного частыми пускотормозными режимами, сопровождающимися большими пусковыми токами.

5) Отсутствие подачи воды на верхние этажи зданий во время максимального потребления в течение суток.

Устранение этих недостатков, существенное повышение эффективности и экономичности работы, может быть осуществлено, за счет автоматизации и установки частотно-регулируемых электроприводов переменного тока на повысительные насосы ХВС. Применение электроприводов позволит реализовать систему автоматической стабилизации давления на выходе насосов ХВС, за счет регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. При изменении расхода или давления на выходе насоса ХВС частотно-регулируемый электропривод, на основании сравнения значений текущего и заданного выходного давлений автоматически увеличивает или уменьшает частоту вращения двигателя насоса. Тем самым на выходе насоса постоянно поддерживается требуемое давление, значение которого может быть задано на минимально необходимом уровне. Это позволяет избежать вышеперечисленных проблем традиционного ХВС, в том числе обеспечить круглосуточное водоснабжение с заданным уровнем давления на всех этажах зданий независимо от потребления воды. Модернизация в основном требует минимального количества демонтажных и монтажных работ и производится в короткие сроки, с использованием существующего оборудования. После модернизации экономия электроэнергии будет составлять от 40% до 65%. Так же получим следующие достоинства:

1) Увеличится срок службы гидро и электромеханических и механических составляющих насосной установки (муфт, запорной арматуры, трубопроводов и т.д.), т.к. плавный пуск и плавное изменение частоты вращения двигателя позволили исключить резкие перепады давления и гидравлические удары в системе (от электропривода двигатель насоса запускается с нулевой частоты и плавно выходит на режим, определяемый заданным давлением, скоростью, временем разгона и т.д.).

2) Значительно увеличится срок службы электродвигателей, за счет ограничения пусковых токов и снижения рабочих токов, при пониженных режимах загрузки (пониженном расходе).

3) Потери воды, вызванные течью кранов, швов и т.п. должны сократиться, этому способствует устранение избыточного напора на выходе насоса.

4) Уменьшится шум и увеличится механический ресурс насосных агрегатов за счет снижения в среднем рабочих оборотов двигателей и насосов.

5) Примененные электроприводы не требуют регламентных работ, а затраты на их обслуживание минимальны. Но для оценки необходимости применения частотно - регулируемых электроприводов можно утверждать, что экономический эффект будет тем больше, чем больше суточные изменения расхода в системе, и тем больше, чем меньше уровень давления, который необходимо поддерживать. После проведения обследования системы, ее реконструкция с установкой частотно - регулируемых электроприводов дает большой экономический эффект, даже, несмотря на большие капитальные вложения, и срок окупаемости электроприводов обычно лежит в пределах от 4 месяцев до 1,5 лет.

Наряду с оптимальным использованием электродвигателей при автоматической стабилизации выходного давления в системе ХВС, экономии электроэнергии способствует и тот факт, что частотно-регулируемые электроприводы работают, потребляя из сети только активную электрическую мощность, не загружая питающую сеть реактивными токами.

3. Конструкторская часть

3.1 Анализ процесса работы насосной установки

Особенности работы насосной установки водоснабжения:

1. Гидравлическая характеристика сети и напорная характеристика насосов представлена на рис. (Q=80 м³/ч, H=57 м) - рабочая точка системы насос-сеть.

2. Т.к. подача воды осуществляется в одном определенном направлении, то реверс привода недопустим. электропривод насосная станция

3. Запуск насосной установки должен осуществляться при падении давления воды из водопроводной сети ниже 3 атмосфер.

4. Режим работы - непрерывный.

5. Т.к. данный насос предназначен для поддержания необходимого давления в сети водоснабжения, то характер его работы должен зависеть от напора.

6. Расход воды имеет сильные различия в течение смены.

1 - гидравлическая характеристика сети;

2 - характеристика Н=f (Q) насоса КМ 80-50-200

Гидравлическая характеристика сети и характеристика Н=f (Q) насоса КМ 80-50-200

Исходя из вышеизложенных особенностей процесса водоснабжения, управляемой координатой электропривода, выбираем скорость, в зависимости от давления в трубопроводе.

3.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

Выбор системы управления осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электропривода, показатели энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электропривода. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт и затратами энергии. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки, то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. В настоящее время наибольшее распространение получили системы электроприводов переменного тока, т.к. они дешевле и надежнее электроприводов постоянного тока.

Выбираем скалярное управление насосом, так как оно имеет следующие преимущества:

Экономический эффект от внедрения преобразователей частоты: экономия электрической энергии благодаря оптимизации работы насосных агрегатов составляет в среднем по объектам 30 - 60%, снижение расхода воды до 5% и уменьшение скрытых утечек за счет обеспечения постоянства давления в сети и снятия избыточного напора.

Уменьшение напора при стабильной подаче.

Уменьшение механической, а, следовательно, и электрической мощности, потребляемой из сети, вследствие уменьшения скорости вращения.

Уменьшение реактивной мощности, которой обменивается электродвигатель с питающей сетью.

3.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Проектируемый автоматизированный электропривод насоса имеет датчик напора, регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по измеренному значению напора. В схему также введем обратную связь по току двигателя для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора. Данный сигнал обратной связи вычитается из заданного значения ЭДС статора и поступает на блок регулятора напряжения. Поддержание напора в заданных пределах осуществляется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты. В блоке управления силовыми ключами обрабатываются сигналы с регуляторов частоты и напряжения, на основании которых вырабатываются управляющие импульсы, поступающие на транзисторы ПЧИН. Полученная функциональная схема представлена на рисунке.

ЗН - задатчик напора, Н_з - напряжение сигнала задания напора, Н_ос - напряжение сигнала обратной связи по измеренному напору, РД - регулятор давления, ФП - функциональный преобразователь ЭДС, РЧ - регулятор частоты, РН - регулятор напряжения, М - двигатель, Ф - фильтр, L - индуктивность фильтра, С₁ - конденсатор фильтра, Н - насос, ПЧ - преобразователь частоты, ДТ1-ДТ3 - датчики тока, АИН - автономный инвертор напряжения, ДН - датчик напора, НВ - неуправляемый выпрямитель, R₁ - активное сопротивление статора, E_з - заданное значение ЭДС статора, I₁ - ток статора, f - частота, K_дн - коэффициент обратной связи по напору, U - напряжение, БУСК - блок управления силовыми ключами.

3.5 Анализ кинематической схемы механизма. разработка расчетной схемы механической части электропривода и определение ее параметров

В кинематической схеме центробежного насоса КМ 80-50-200 не используются муфты, редукторы и другие передаточные механизмы

1-электродвигатель;

2-рабочее колесо насоса.

Кинематическая схема электропривода

Для анализа механической части электропривода реальный механизм заменяют динамически эквивалентной, приведенной расчетной схемой, состоящей из дискретных (сосредоточенных) инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная система. Здесь под дискретным инерционным элементом понимается тело, обладающее свойствами инерции, податливостью которого можно пренебречь. Под упругой связью понимается упругое звено, массой которого можно пренебречь. В приведенной расчетной схеме все инерционные элементы осуществляют один вид движения - вращательные. При этом они располагаются на какой-нибудь одной упругой связи. Расчетные параметры можно приводить к любому заранее выбранному месту кинематической схемы механизма, к любому упругому ее элементу. Если приведение производится к какому-нибудь валу механизма, то получается расчетная приведенная схема вращательной системы (рис. 3.2), в которой все массы имеют общую геометрическую ось. В такой системе нагрузки характеризуются крутящими моментами М, инерционные моменты - моментами инерции J, упругие элементы - коэффициентами жесткости при кручении (крутильной жесткостью) Скр.

Расчетная приведенная схема вращательной системы

Суммарный момент инерции электропривода определяется как:

.

Момент инерции двигателя дан в каталоге, а момент инерции рабочего колеса насоса:

Где h - толщина стали рабочего колеса насоса (3 мм);

- плотность стали (7,8 т/м³);

R - радиус рабочего колеса насоса (105 мм);

k - коэффициент, учитывающий массу лопаток и других частей механизма.

Библиографический список

Справочник по электрическим машинам: в 2 т. /под общей ред. И.П. Копылова. - Т1. М.: Энергоиздат, 1988. - 456c.

Справочник по электрическим машинам: в 2 т. /под общей ред. И.П. Копылова. - Т2. М.: Энергоиздат, 1989. - 688c.

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982.

Анхимюк В.А., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. - Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

Резисторы, конденсаторы, транзисторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. /Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994. - 591 с.

Силовые полупроводниковые приборы: Справочник/о.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.

Электротехнический справочник. в 3 т. Т.3.: Под общ. ред. Профессоров МЭН: И.Н. Орлова и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616 с.

Электрический справочник. В 3т. Т.2. Электротехнические устройства /Под общ. ред. Проф. МЭН В.Г. Герасимова, Л.А. Кунова и др. - М.: Энергоиздат, 1981. - 640 с.

Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шниянского. Справочник по автоматизированному ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Янковенко В.С. и др. Расчет и конструирование элементов ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Зимин Е.Н. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1981.

Терехов В.М. Элементы автоматизированного ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Руководство по программному обеспечению для преобразователей частоты серии ACS 550. ABB Industry Oy. 2003.

Фираго Б.И. Учебное методическое пособие по теории электропривода. 1993.

Ильинский Н.Ф. Повышение эффективности промышленных установок средствами электропривода. 1987.

Ильинский Н.Ф. Проблемы энергосбережения в проектировании и эксплуатации новых видов электропривода. 1986.

18. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 №354 (ред. от 27.02.2017) «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов» (вместе с «Правилами предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов»)

Размещено на Allbest.ru