Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПОВЫШЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОСТИ НАСОСНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Коренькова Т.В., Алексеева Ю.А

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и

компьютерных технологий

Введение

Гидротранспортные системы (ГТС) представляют собой сложный взаимосвязанный технологический комплекс различного рода оборудования (электромеханического, насосного, трубопроводного), предназначенный для целенаправленного перемещения рабочего продукта в нужном объеме с заданным давлением по гидравлическим магистралям потребителю (промышленному объекту, жилищному комплексу и т.п.).

Анализ особенностей функционирования насосных комплексов (НК) различного предназначения, показал, что турбомашины - энергоемкие потребители с низкой управляемостью технологическими параметрами, в большинстве случаев с групповым характером нагрузки и нерегулируемым электроприводом насосов; большими диапазонами изменения расхода; значительными установленными мощностями электромеханического оборудования, работающего, как правило, в недогруженных режимах. ГТС характеризуются сложными переходными процессами и неустановившимися режимами работы в период запуска/останова насосных агрегатов (НА); при регулировании технологических параметров; при возникновении аварийных ситуаций, обусловленных внезапным отключением электропитания НА, пусками гидромашин зачастую с нарушением технологии запуска, несоблюдением темпа управления трубопроводной арматурой и т.п.

Цель работы. С учетом сказанного, целью работы является анализ коэффициентов загрузки НА и аварийности технологического оборудования НК различных отраслей промышленности и коммунального сектора, а также разработка путей повышения эффективности и надежности работы ГТС.

Материал и результаты исследований. Анализ диаграмм энергопотребления НК (рис.1, 2), выполненный применительно к ГТС городского водоснабжения и водоотведения в условиях коммунальных предприятий (КП) «Кременчугводоканал» и «Херсонводоканал», шахтной водоотливной установки Полтавского горно-обогатительного комбината (ПГОК), показал, что на долю НА приходится до 94% всей электроэнергии, расходуемой предприятием; оставшиеся 6% используются маломощным вспомогательным оборудованием. В большинстве случаев коэффициент загрузки насосов лежит в пределах 30-50%.

а)

б)

Рисунок 1 - Диаграммы энергопотребления основных объектов КП «Кременчугводоканал» (а) и “Херсонводоканал” (б) за 2004 год:

Вл. в-р - Власовский водозабор; ВОС - Водоочистная станция; ПНС - повысительные насосные станции; ГКОС - городские канализационные очистные сооружения; СП-17, СП 1-16,18-23 - станции перекачки стоков;

ВНС-1, ВНС-2 - водопроводные насосные станции; ГНСК - главная насосная станция канализации;

ГОС - городские очистные сооружения; Др. КНС - другие канализационные насосные станции

Для среднемесячного подъема, очистки и транспортировки перекачиваемого продукта в объеме 3672190 м³ КП «Кременчугводоканал» расходует 3112672 кВтч электроэнергии, где на долю НА приходится 2980672 кВтч; прочим оборудованием потребляется - 132000 кВтч, т. е. на перекачку 1 м³ воды необходимо 0.81 кВтч электроэнергии. Анализ диаграммы распределения затрат коммунальным предприятием на подачу воды потребителю (рис.3) показал, что затраты на электроэнергию составляют большую половину всех затрат предприятия. С учетом выше сказанного, даже небольшое повышение энергоэффективности НК различных отраслей народного хозяйства может дать заметный результат, что позволит снизить энергопотребление НА, сэкономить средства на ремонт и обслуживание электромеханических и гидравлических узлов технологического оборудования.

Рисунок 2 - Диаграмма энергопотребления основных объектов шахтной водоотливной установки ПГОК за 2004 год: I, III - общее проектное и фактическое энергопотребление НК; II, IV - общее проектное и фактическое энергопотребление насосного оборудования

Рисунок 3 - Диаграмма распределения затрат КП «Кременчугводоканал» на подачу воды потребителю

В большинстве НК требуемое изменение технологических параметров производится средствами не управляемых электроприводов насосов без соблюдения требуемого темпа управления запорно-регулирующей арматурой и т.п. Ничем не управляемые переходные режимы ГТС приводят к появлению аварийных ситуаций, неисправностям в работе НК и преждевременному износу технологического оборудования. Особо негативные последствия возникают при аварийном отключении электропривода насоса от энергосети без предварительного закрытия напорной задвижки или дискового затвора [1].

Анализ возникающих аварийных ситуаций на предприятиях, имеющих разветвленную трубопроводную гидросистему, показал высокую аварийность электромеханического оборудования НК, а также запорно-регулирующей арматуры. Основные аварийные ситуации в системах водоснабжения, водоотлива обусловлены тяжелыми пусками НА с большой установленной мощностью, несоблюдением технологии управления запорно-регулирующей арматурой и др. Следствием указанного являются: простои насосного оборудования, снижение КПД и разбалансировка НА; возникновение волн повышенного или пониженного давления в напорных магистралях; разрушение запорно-регулирующей и предохранительной арматуры, трубопроводных сетей, повышенная вибрация гидродинамического оборудования, развитие кавитационных явлений и пр.

Оценка работоспособности электромеханического оборудования (рис.4) системы водоснабжения показала следующее: доля выхода из строя статорных обмоток электродвигателя насосов составляет до 5% в год; ремонты кабельных линий, коммутационной аппаратуры - до 12%; замена защитных втулок - до 47%; подшипников - до 24%; задвижек - до 5%; обратных клапанов - до 7%.

Рисунок 4 - Частота появления аварий в системе водоснабжения КП “Кременчугводоканал”: а) аварии в электрооборудовании; б) аварии насосного оборудования

Анализ работоспособности оборудования на участке технического оборотного водоснабжения ПГОК (рис.5) позволил заключить: ремонт статорных и роторных обмоток составил до 8% каждый; перегрев и замена подшипников наблюдается - до 40%; капитальный ремонт электродвигателей - до 8%; текущий ремонт до 16%; устранение течи масла - до 20%.

Рисунок 5 - Частота появления аварий в системе оборотного водоснабжения ПГОКа: а) аварии в электрооборудовании; б) аварии насосного оборудования

Несколько иная ситуация наблюдается в ГТС коммунального водоотведения (рис.6), которые характеризуются взаимным влиянием режимов работы местных (районных) станций перекачки на главные, агрессивным влиянием сточных вод со взвешенными частицами на гидравлическую магистраль, частым возникновением аварийных ситуаций.

Получено, что в насосном оборудовании (рис.6, а)) 55% аварий связаны с пробоем изоляции статорных обмоток электродвигателей, обрывом стержней ротора, разрушением узла крепления рабочего колеса на валу или самого вала, засорением, заклиниванием рабочего колеса; 20% - обусловлены разбалансировкой НА; 11% - выходом из строя коммутационной аппаратуры; 9% - развоздушиванием и нарушением центровки насосов; 5% - выходом из строя устройств автоматики. В трубопроводной арматуре (рис.6, б)) большее количество поломок связано с разбалансировкой запорно-регулирующей арматуры (52%); срывом и спаданием лепестка с оси в обратных клапанах (26%); выходом из строя уплотнителей, износом и деформацией направляющих шара в обратных клапанах и задвижках (13%), реже - разрывом корпуса задвижки, выходом из строя электродвигателя заслонки (9%). Нарушение нормальной работы НА приводит к авариям в трубопроводных сетях (рис.6, в)): к порывам (53,5%), свищам (37,2%), засорению (7%) и вибрации труб и коллекторов (2,3%); частым аварийным простоям НА (свыше 10 раз в месяц).

а)б)в)

Рисунок 6 - Диаграмма аварийности оборудования системы коммунального водоотведения КП «Кременчугводоканал»: а) насосное оборудование, б) трубопроводная арматура, в) трубы и коллекторы

Большая часть перечисленных неисправностей и поломок обусловлены внезапным перерывом в электроснабжении НК, который сопровождается резким остановом насоса, снижением КПД агрегата, противотоком жидкости, срывом запорно-регулирующей арматуры. Отмечено, что чаще такие аварийные ситуации возникают в системах городского водоотведения (рис.7, а)) - до 3-5 раз в месяц, в шахтных водоотливных установках с большой геодезической глубиной шахт при выполнении взрывных работ (рис.7, б)) - до 4-5 раз в месяц; реже - в системах городского водоснабжения (рис. 7, в)) до 1-2 раз в год. Аварийная ситуация подобного рода присутствует и в станциях перекачки пульпы обогатительных фабрик до 1-2 раз в год.

а)б)в)

Рисунок 7 - Частота остановок НК по причине аварийного отключения электроэнергии за календарный год: а) в системе водоотведения КП “Кременчугводоканал”; б) в шахтном водоотливе ПГОКа; в) в системе водоснабжения КП “Кременчугводоканал”

Выполненный анализ эксплуатационных режимов работы НК позволил сформулировать основные причины выхода из строя насосного и электромеханического оборудования (рис. 8), где 1 - аварии при пуске; 2 - истечение срока эксплуатации; 3 - аварийный перерыв в электроснабжении НС; 4 - остальные аварии; 5 - нарушение технологии управления трубопроводной арматурой. Получено, что 40-60% поломок происходит в связи с частыми пусками/остановами НА; 20-30% - в результате истечения срока эксплуатации оборудования; 5-10% - обусловлено аварийным перерывом в электроснабжении НС; около 10% - связано с нарушением технологии управления трубопроводной арматурой.

Рисунок 8 - Причины выхода из строя насосного и электромеханического оборудования: а) в системе водоотведения КП “Кременчугводоканал”; б) в системе водоснабжения КП “Кременчугводоканал”; в) в шахтном водоотливе ПГОКа

Выводы

Обобщая выше изложенное, можно заключить, что большинство насосных комплексов характеризуются низкой управляемостью режимами работы технологического оборудования при возникновении различного рода аварийных ситуаций: помпажных режимов; внезапном отключении электроэнергии насосного агрегата, повышенных пульсациях давления в трубопроводной системе и др. Существующие подходы управления насосным оборудованием в аварийных режимах решают лишь локальные задачи. Так, регулирование положения дроссельной заслонки без соблюдения требуемого темпа управления приводит к броскам давления в напорной магистрали; использование в большинстве технологических установок нерегулируемых электроприводов насосов с отсутствием устройств резервного энергопитания не позволяет управлять параметрами гидротранспортирования в зависимости от возникновения той или иной нештатной ситуации, в особенности при аварийном отключении электропитания; неуправляемые резкие срабатывания обратных клапанов приводят к появлению волн повышенного давления и т.д.

Анализ существующих средств гидрозащиты показал, что трубопроводная арматура (предохранительные клапаны и клапаны-гасители, глухие диафрагмы, водонапорные колонны и пр.) не позволяет качественно и надежно реализовать защиту от гидроударов в виду ряда недостатков: срабатывание аппаратуры происходит, в большинстве случаев, по факту аварии; открывание предохранительного клапана начинается лишь после того, как давление поднимается выше нормального (для пружинных клапанов) и при падении давления ниже статического (для гасителей удара); выпускаемое клапаном количество воды недостаточно для полного гашения удара; поочередное открывание и закрывание устройств защиты способствует поддержанию в системе ударного давления.

В связи с этим, использование одних лишь трубопроводных средств гидрозащиты не решает проблему аварийности и низкой надежности насосных комплексов. Проведенные исследования показали, что одним из вариантов повышения эффективности и надежности насосных станций является использование, как средств регулируемого электропривода, так и одновременного управления запорно-регулирующей арматурой, позволяющее осуществлять плавное изменение режима работы насоса и темпа управления дроссельной заслонкой или гидроклапаном в зависимости от аварийной ситуации. гидротранспортный магистраль запуск потребитель

Заслуживает внимания возможность использования накопленной энергии различного рода (гидравлической, электрической), и разработки, с учетом этого, технических устройств повышения управляемости оборудования в аварийных режимах при провале питающего напряжения.

Так, применение емкостных накопителей в силовом контуре насосного агрегата и электропривода задвижки при аварийном перерыве электропитания позволяет осуществить путем одновременного управления частотой вращения электродвигателя насоса и запорно-регулирующей заслонки плавный останов технологического механизма с одновременным закрытием задвижки на напорном коллекторе без недопустимых пульсаций давления и расхода, что предотвратит возникновение гидравлических ударов, противотока жидкости, повышенных пульсаций давления, помпажных явлений [4]. Причем величина емкостного накопителя для низковольтных насосных установок лежит в пределах 100200мФ, для высоковольтных станций - 3050мФ.

Возможно использование активных регулирующих устройств (маломощных гидротурбинных агрегатов со средствами регулирования мощности), позволяющих эффективно использовать энергию гидропотока при обратном ходе жидкости путем ее преобразования и последующей рекуперации в промышленную энергосеть для питания вспомогательного оборудования насосного комплекса [4].

Литература

1. Карелин В.Я., Новодережкин Р.А. Насосные станции с центробежными насосами. - М.: Стройиздат, 1983. - 224с.

2. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. - М.: Недра, 1972. - 304с.

3. Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Косых С.И., Трубопроводная арматура с автоматическим управлением. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1982. - 320с.

4. Коренькова Т.В., Алексеева Ю.А, Михайличенко Д.А. Система защиты насосной установки от гидроудара с емкостным накопителем в силовом контуре / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 6(35). - Кременчук: КДПУ, 2005.

Размещено на Allbest.ru