АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ ЭЛЕКТРОНАСОСАМИ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ
AUTOMATED INFORMATION SYSTEM FOR REAL-TIME MEASUREMENT AND ANALYSIS OF MAIN PROPERTIES OF OPERATION OF PUMP STATIONS WITH CENTRIFUGAL ELECTRIC PUMPS IN WATER SUPPLY AND WATER DISCHARGE SYSTEMS

Изобретение относится к области водоснабжения и водоотведения городов и промышленных объектов и может быть использовано для измерения и учета расхода воды с целью регулирования системы водоснабжения и водоотведения.
Современные системы водоснабжения и водоотведения являются сложными инженерными сооружениями, которые характеризуются следующими тенденциями своего развития:
- увеличением мощности насосных установок для перекачки жидкости;
- повышение требований к качеству питьевой воды;
- использование насосных установок большой давности с изменением их рабочих характеристик;
- повышение надежности работающих установок;
- своевременное обнаружение возможных поломок насосных установок с недопущением развития аварии;
- повышение экономичности работы насосных установок путем своевременного определения падения КПД;
- своевременное определение повышения удельного расхода электроэнергии;
- своевременное определение повышения температуры в подшипниках и корпусе насоса, что предотвратит развитие аварии.
Все эти особенности развития современных систем водоснабжения и водоотведения усложняют режим их работы и требуют иного подхода к управлению ими.
Дальнейшая оптимизация работы систем водоснабжения и водоотведения связана с решением ряда крупных проблем, требующих новых научно-обоснованных технических, экономических и технологических решений. Важнейшей из этих проблем является внедрение в сетях автоматизированной информационной системы, служащей для получения и анализа в реальном масштабе времени, на диспетчерском пункте, основных показателей работы насосных станций с целью поддержания их работы в оптимальном режиме. Основным параметром, характеризующим работу насосной установки, является расход. Все известные устройства для измерения расхода содержат первичные датчики, которые непосредственно находятся в контакте с измеряемой жидкостью и требуют периодического осмотра и тарировки на стендах, что усложняет их эксплуатацию.
Известно устройство, включающее измерение массового расхода и плотности жидкости, состоящее из датчиков давления на входе-выходе насоса, датчик для измерения активной мощности, потребляемой приводным электродвигателем насоса, и устройство для вычисления измеряемого параметра расхода / Патент 2119148 РФ Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. от 20.11.97 / [1].
Однако в этом патенте не рассматривается автоматизированная информационная система для насосных станций водоканала.
Сущностью изобретения является оптимизация работы системы водоснабжения и водоотведения путем получения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосных станций с целью поддержания их работы в оптимальном режиме.
Технический результат - упрощение процесса измерения и анализа в реальном масштабе времени параметров насосных установок и всей автоматизированной информационной системы.
с
эд
вых
вх
0
0
0
эк
o
о
о1
o1
эк
р
эк
0
р
p
р
Технический результат достигается тем, что известная автоматизированная информационная система для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосных станций с центробежными электронасосами в системах водоснабжения и водоотведения, содержащая насосные станции с датчиками давления и датчиками мощности, дополнительно снабжена датчиками температуры, для измерения температуры подшипников и корпуса насоса и датчиком для измерения вибрации насосной установки, системой передачи данных, объединяющей выходы всех датчиков и сообщений с информационным центром, содержащим ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам, используя которые вычисляется мощность, действующая на валу каждого насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р на коэффициент полезного действия электродвигателя η, вычисляется давление, создаваемое насосом р, путем вычитания из давления на выходе насоса р давления на его входе р, по паспортным данным вычисляется значение расходного коэффициента М при нулевом расходе в начале рабочих характеристик, путем деления мощности N на давление р, экспериментально определяется эксплуатационный коэффициент η при работе насоса на закрытую задвижку, путем умножения результата деления мощности N на давление р, при работе насоса на закрытую задвижку, взятые из рабочих характеристик насоса, результат деления измеренного значения давления р на измеренное значение мощности на валу насоса N, по эксплуатационному коэффициенту η определяются отклонения мощности ±ΔN и давления ±Δр, от номинальных значений и во всем диапазоне паспортных характеристик, полученные отклонения по мощности и давлению добавляются к рабочим характеристикам насоса по мощности N±ΔN и давлению р±Δр, вычисляются во всем диапазоне по паспортным данным расчетный расходный коэффициент М, без коэффициента сходимости К, путем умножения результата деления мощности N±ΔN на значение давления р±Δр, на эксплуатационный коэффициент η, минус значение расходного коэффициент М, строится график зависимости паспортного расходного коэффициента М от расчетного М расходного коэффициента М=f(M), в период измерения, по вычисленному значению М по характеристике
p
р
р
р
р
уд
М=f(M) определяется действительный расходный коэффициент М, а по графику Q=f(М) определяется объемный расход Q, при определении расхода с использованием коэффициента сходимости К, который определяется во всем диапазоне характеристик, путем деления паспортного расходного коэффициента М на расчетный расходный коэффициент М, и стоятся графики К=f(М) или К=М/М, по найденному значению К вычисляется расходный коэффициент М по формуле, путем деления коэффициента сходимости К на расчетный расходный коэффициент М, по вычисленному значению расходного коэффициента по расходной характеристике Q=f(М) вычисляется объемный расход Q, по напорной характеристике H-Q вычисляется при вычисленном значении расхода, действующий напор Н, а по нему плотность p перекачиваемой жидкости, путем деления действующего давления, создаваемого насосом на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия насоса путем умножения давления на результат деления расхода на мощность, удельный расход электроэнергии W, путем деления плотности на коэффициенты полезного действия насоса и электродвигателя с соответствующими коэффициентами, по приборам измеряется температура на подшипниках насоса и температура корпуса насоса, а по датчику, измеряющему вибрацию, - амплитуду вибрации, вычисленные данные по системе передачи поступают на диспетчерский пункт в ЭВМ, содержащую соответствующую базу данных, с помощью которой производится вычисление всей необходимой информации для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосных станций.
В предлагаемой автоматизированной системе производится текущее измерение параметров насосных установок с передачей данных на диспетчерский пункт в ЭВМ, содержащую соответствующую базу данных, с помощью которой производится вычисление всей необходимой информации для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосных станций, что позволяет своевременно принять меры по ликвидации возможных отклонений в работе насосных установок от заданных режимов, которые могут привести к авариям насосных агрегатов и нарушению работы всей автоматизированной информационной системы.
Автоматизированная информационная система обеспечивает непрерывный контроль и анализ каждой насосной установки путем измерения объемного и массового расхода перекачиваемой жидкости, давления, создаваемого насосом, потребляемой мощности, коэффициента полезного действия, удельного расхода электроэнергии, наработку на отказ, температуры подшипников у насосов, температуры корпуса насоса, уровня вибрации. Для этого система содержит: датчики давления на входе и выходе из насоса, статический преобразователь мощности в электрической сети, датчики температуры и датчики замера вибрации. Система снабжена системой передачи данных по всем контролируемым параметрам на диспетчерский пункт с ЭВМ, содержащей базу данных по всем контролируемым параметрам, с помощью которых вычисляются все необходимые данные.
На чертежах представлены:
Фиг.1 Общий вид насосной станции 2 НФС «Самараводоканал».
Фиг.2 Схема насосной станции 2 НФС «Самараводоканал».
Фиг.3 Рабочие характеристики сетевого насоса 18 НДС.
Фиг.4 Расходная характеристика Q-M насоса 18 НДС.
Фиг.5 Расходная характеристика М-Q насоса 18 НДС.
Фиг.6 Рабочие характеристики сетевого насоса 14 НДС.
Фиг.7 Расходная характеристика Q-M насоса 14 НДС.
Фиг.8 Расходная характеристика M-Q насоса 14 НДС.
р
Фиг.9 Характеристика зависимости паспортного расходного коэффициента М от расчетного М.
р
Фиг.10 Характеристика зависимости коэффициента сходимости К от расчетного расходного коэффициента М.
т
д
е
в
Фиг.11 Функциональная схема автоматизации одного насоса, где приняты следующие обозначения: ТТ - 1, 2, 3 - бесшкальные датчики температуры; К - контроллер датчиков температуры; рТ - 4, 5 - датчики давления; К - контроллер датчиков давления; ЕТ - 6 - статический преобразователь мощности; К - контроллер датчиков мощности; вТ - 7 - датчик вибрации; К - контроллер датчиков вибрации; ЭВМ ИП - ЭВМ информационного пункта в насосной; ЭВМ ДП - ЭВМ на центральном диспетчерском пункте.
Фиг.12 Экспериментальные графики по измерению расхода воды в течение двух суток, подаваемой насосами 14 НДС и 18 НДС на насосной станции 2 НФС «Самараводоканал» и расход по счетчику воды.
Фиг.13 Экспериментальные графики по измерению расхода воды в течение двух суток, подаваемой насосами 14 НДС и 18 НДС на насосной станции 2 НФС «Самараводоканал».
Современные системы водоснабжения и водоотведения состоят из насосных станций, источников воды, насосных установок, магистральных линий и потребителей. На насосной станции 2НФС1, общий вид которой показан на фиг.1, а в схеме на фиг.2, работает 6 насосных агрегатов с приводом от электродвигателей, параметры насосных установок даны в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Паспортные данные насосов на насосной станции 2НФС1
Марка насоса
Подача, м<sup>3</sup>/час
Напор, м
Число об/мин
Мощность, кВт
КПД, %
D рабоч. колеса, мм
№ подшип
18НДС
2500
62
985
450
87
700
318
14НДС
2307
62
1450
420
88
510
312
18НДС
2500
62
985
450
87
700
319
14НДС
2307
62
1450
420
88
510
312
14НДС
2307
62
1450
420
88
510
312
14НДС
2307
62
1450
420
88
510
312
Таблица 2
Паспортные данные по электродвигателям насосов 2НФС1
Эл. двигатели
Тип электродвигателя
Мощность, кВт
Число оборотов Об/мин
Напряжение, В
Рабоч. ток, А
КПД, %
Cosφ
Асинхр.
А4-4005-8У3
250
750
6000
36,7
93,5
0,88
Асинхр.
А355Х-4
315
1585
6000
46,2
93
0,88
Асинхр.
А4-4005-8У3
250
750
6000
36,7
93,5
0,88
Асинхр.
А4-4005-8У3
315
750
6000
46,2
93
0,88
Асинхр.
А4-4005-8У3
315
750
6000
46,2
93
0,88
Асинхр.
А133-4М
250
1480
6000
36,7
93
0,88
На насосной станции применяются насосы двух типов 14 НДС и 18 НДС. Рабочие характеристики насосов показаны на фиг.3 и фиг.8. В этих характеристиках даны новые расходные характеристики в соответствии с патентом РФ №2119148. Расходная характеристика строится на базе паспортных характеристик данного насоса. В качестве приводных электродвигателей у насосов могут быть синхронные, у которых число оборотов не зависит от нагрузки, и асинхронные, у которых число оборотов зависит от нагрузки. При использовании синхронного электродвигателя паспортная характеристика насоса остается неизменной. Если же применяются асинхронные электродвигатели, то паспортную характеристику необходимо пересчитывать в соответствии с частотой вращения вала электродвигателя. В процессе эксплуатации параметры насосной установки могут принимать значения, отличные от паспортных, в этих случаях рабочие характеристики необходимо пересчитать. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться такими понятиями, как паспортная и базовая характеристика. Под базовой будем понимать характеристику, полученную экспериментально или пересчитанную паспортную с учетом действующих параметров насоса, влияющих на характеристику, например изменение частоты вращения, диаметра рабочих колес. В зависимости от нагрузки электродвигателя привода насоса. Так, пересчет характеристики насоса при приводе от асинхронного электродвигателя производится по формулам приведения:
1
0
1
0
1
0
1
0
для расхода: Q/Q=(n/n) или Q=Q(n/n);
для напора:  или
для мощности:  или
1
1
1
1
0
0
0
0
где Q, H, N, n - текущие значения расхода, напора, мощности, частоты вращения вала насоса, a Q, Н, N, n - соответственно их паспортные значения.
-6
2
-5
2
Построение новой характеристики делается следующим образом. При приводе от синхронного электродвигателя все первичные данные берутся из паспортной характеристики. При приводе от асинхронного электродвигателя вначале паспортные характеристики пересчитываются по формулам приведения, рассмотренным выше. Вначале строится по данным напора Н характеристика по давлению p-Q. Для этого по известной плотности жидкости р, по которой строились паспортные характеристики, вычисляется и строится по всему диапазону характеристика p-Q по давлению с расчетом по формуле р=ρgH, Па, р=ρgH10, МПа, где Н, м - напор, g=9,81 м/с или р=ρgH10/102, кГ/см.
0
0
0
Затем вычисляются по базовой характеристике расходный коэффициент M постоянной составляющей расходной характеристики насоса путем деления мощности N на валу насоса на давление р, создаваемое насосом, при работе насоса на закрытую задвижку на его выходе
0
o
o
2
M=N/p, кВт/(кГ/см),
расходный коэффициент М вычисляется по формуле и включается в общие рабочие характеристики насоса.
эк
o
o
2
М=((N/p)η-(N/p))К, кВт/(кГ/см),
эк
где η - эксплуатационный коэффициент, характеризующий отклонение действующей рабочей характеристики насоса от паспортного значения, К - коэффициент сходимости расчетной характеристики насоса с паспортной.
эк
0
Если паспортная характеристика не изменилась, то коэффициенты К и η принимаются равными единице. Затем по расходной характеристике Q-М при вычисленном расходном коэффициенте М определяется объемный расход Q.
у
На фиг.3 даны рабочие характеристики насоса 18 НДС. Основными характеристиками насоса являются зависимость мощности N-Q, напора Н-Q и коэффициент полезного действия насоса η - Q от производительности Q насоса. К этим характеристикам добавляется новая расходная характеристика М-Q. Расходная характеристика может быть построена в функции Q-М (фиг.4) или в функции M-Q (фиг.5). Для математического описания расхода используется зависимость Q-М. На фиг.6, 7, 8 даны аналогичные характеристики насоса 14 НДС.
уд
с
эд
вых
вх
0
0
0
эк
o
о
o1
o1
эк
o
о
эк
p
Для получения необходимой информации по управлению системой водоснабжения и водоотведения имеются информационные пункты (фиг.11), которые через сети связи соединены с центральным информационным пунктом, на котором находятся ЭВМ с базой данных. При этом для получения нужной информации необходимо иметь данные по каждому насосному агрегату - расход Q, давление р, мощность N, КПД насосов, удельный расход электроэнергии W, наработка на отказ и уровень вибрации насосного оборудования. Из этих данных важнейшим параметром является расход Q каждого насосного агрегата. В рассматриваемой системе подача измеряется непосредственно работающей установкой. Система снабжена системой передачи данных, по всем контролируемым параметрам, на диспетчерский пункт с ЭВМ, который содержит необходимую базу данных по всем контролируемым параметрам. С помощью ЭВМ вычисляется: мощность путем умножения измеренной мощности Р на коэффициент полезного действия электродвигателя η, давление р, создаваемое насосом, путем вычитания из давления на выходе насоса р давления на его входе р измеряется вибрация и температура подшипников и корпуса насоса, по паспортной характеристике вычисляется расходный коэффициент М, путем деления действующей на валу насоса мощности N на давление р в начале рабочей характеристики при нулевом расходе, по экспериментальным данным при работе насоса на закрытую задвижку в период его пуска определяется эксплуатационный коэффициент η, путем умножения результата деления мощности N на р, при работе насоса на закрытую задвижку, взятые из рабочих характеристик насоса, результат деления измеренного значения давления p на значение мощности на валу насоса N, вычисляют расходный коэффициент М путем умножения результата деления действующего значения мощности на валу насоса на развиваемое им давление, на эксплуатационный коэффициент η, минус результат деления мощности, действующей на валу насоса N, на создаваемое им давление р, при закрытой задвижке на выходе насоса и умножают результат вычитания на коэффициент сходимости К, который предварительно вычисляют по рабочим характеристикам насосной установки, для чего по вычисленному значению эксплуатационного коэффициента η определяют отклонения от номинальных значений мощности ±ΔN, действующей на валу насоса при его работе на закрытую задвижку с нулевым расходом и развиваемого им давления ±Δр, и добавляют их в паспортной характеристике к значениям мощности N±ΔN, давления, развиваемого насосом р±Δр, во всем диапазоне характеристики насоса вычисляют расчетные расходные коэффициенты M при коэффициентах сходимости К, равных единице, по формуле:
эк
o
о
2
М=((N/p)η-(N/р))К, кВт/(кГ/см),
эк
р
р
р
р
р
р
р
р
o
уд
вычисляют коэффициент сходимости К путем деления паспортного значения расходного коэффициента М, с учетом данного эксплуатационного коэффициента η, на вычисленный расчетный расходный коэффициент М, строят график зависимости М от М, вычисляют коэффициенты сходимости К, путем деления паспортных расходных коэффициентов М на расчетные расходные коэффициенты М и строят характеристику К-М зависимости коэффициента сходимости К от расчетного эксплуатационного коэффициента М, вычисляют текущий расходный коэффициент М, путем умножения текущего расходного коэффициента М на коэффициент сходимости К, или по характеристике М-М, при известном текущем расходном коэффициенте М находят значение расходного коэффициента М, а по нему, используя характеристику Q-М, вычисляют значение объемного расхода Q, по напорной характеристике H-Q вычисляют при вычисленном значении расхода действующий напор H, а по нему плотность р перекачиваемой жидкости, удельный расход электроэнергии W, расчет ведут по формулам:
мощность N, действующая на валу насоса
c
эд
N=Pη, кВт;
давление, создаваемое насосом р
вых
вх
2
р=р-р, кГ/см;
0
расходный коэффициент М постоянной составляющей расходной характеристики насоса
0
0
0
2
М=N/р, кВт/(кГ/см)
эк
эксплуатационный коэффициент η
эк
0
0
01
01
η=(N/p).(p/N)
действующий расходный коэффициент М равен
эк
0
0
2
М=((N/р)η-N/p)К, кВт/(кГ/см),
o
о
o1
о1
0
0
01
01
где N, р, N, р, N, р - соответственно паспортные значения мощности N и давления р при работе насоса на закрытую задвижку, при экспериментальном измерении параметров насоса на закрытую задвижку N, р и мощность и давление при текущей работе насоса N, p.
р
эк
Расходные коэффициенты М при известных эксплуатационных коэффициентах η и К вычисляются из уравнений с паспортными значениями соответствующих коэффициентов
р
эк
0
0
М=((N±ΔN/(р±Δр))η-N/р) кВт/МПа
при этом коэффициент сходимости К равен
п
п
п
эк
o
o
К=М/(((N±ΔN)/(р±Δp))η-N/p,
р
р
р
р
p
где К, М, р и N берутся во всем диапазоне паспортных характеристик, по вычисленным значениям К и М строится характеристика К-М (фиг.10), текущее значение расходного коэффициента М с учетом коэффициента сходимости К вычисляют по уравнению или по характеристике К-M
эк
0
0
2
M=((N/p)η-N/p))К, кВт/(кГ/см),
р
o
по вычисленному значению расходного коэффициента М по расходной характеристике M-Q вычисляется объемный расход Q:
o
мин
р
мин
макс
мин
макс
мин
Q=Q+(М-М)(Q-Q)/(М-М), объем/время;
или по полиноминальному уравнению графической зависимости Q от М, например, для расходной характеристики, показанной на фиг.4 для насоса 18 НДС или на (фиг.7) для насоса 14 НДС.
3
, м/час (18 НДС),
3
, м/час (14 НДС);
р
плотность перекачиваемой жидкости ρ
3
, кг/м
где р - давление, развиваемое насосом, МПа;
р
Н - расчетный напор, м.
Определяется КПД каждого насоса по формуле
, %
удельного расхода электроэнергии
, кВт·ч/100 т.м,
уровень вибрации насосной установки
Расход насоса будет равен:
3
, м/ч.
н
При известной мощности на валу насоса N расход Q равен
3
, м/ч
3
c
н
где Q - расход, м/ч; P - мощность, потребляемая электродвигателем из сети, кВт; N - мощность на валу насоса, кВт;
р - давление, развиваемое насосом, МПа;
н
η - коэффициент полезного действия насоса, %;
эл.дв
η - коэффициент полезного действия электродвигателя, %.
Система снабжена системой передачи данных, по всем контролируемым параметрам, на диспетчерский пункт с ЭВМ, содержащей базу данных по всем контролируемым параметрам, с помощью которых производится вычисление всех необходимых данных.
Пример расчета параметров насосной установки
3
Исходные данные, полученные в период измерения на насосной установке 18 НДС с приводом от асинхронного электродвигателя при работе на воде с р=998 кг/м:
Пересчитанные рабочие характеристики насоса №6 18 НДС на насосной станции 2НФС
При расчете используем таблицу 3 и графики, данные на фиг.3, 4, 5
Таблица 3
Рабочие характеристики насоса 18НДС
Q
Н
N
ηн
р
М
м<sup>3</sup>/час
М
кВт
%
кГ/см<sup>2</sup>
кВт/(кГ/см<sup>2</sup>)
0
41,63
78,96
0
4,155
0,01
302,9
41,23
105,1
30
4,115
6,54
602,14
40,16
127,7
50
4,08
12,3
900,4
39,5
145
67
3,94
17,8
1193,1
37,77
157,27
78
3,77
22,71
1487,8
37,07
170
85
3,7
26,94
1773,6
33,86
181,33
90
3,38
34,65
2066,8
31,06
184,6
91
3,1
40,55
2356,1
23,1
188
84
2,724
50,0
2500,1
24,6
194
82
2,45
61,18
Расходная характеристика
4
3
2
Q=0.0001 М-0.0258 М+1.1267 М+39.012 М+0.5779
0
Определяем по базовым данным значение расходного коэффициента М постоянной составляющей расходной характеристики насоса при работе насоса на закрытую задвижку
0
2
М=78,96/4,155=19 кВт/(кГ/см)
Определяем эксплуатационный коэффициент при работе насоса во время пуска на закрытую задвижку на его выходе
Данные при эксперименте
01
Мощность N=78,96 кВт
01
2
Давление р=4,155 кГ/см
Расходный коэффициент М равен
эк
0
0
2
M=((N/p)η-N/p)К, кВт/(кГ/см)
эк
Эксплуатационный коэффициент η равен
эк
0
0
01
01
η=(N/p).(p/N)
Параметры при рабочем режиме:
давление на выходе насоса
р<sub>вых</sub> - 2,824 кГ/см<sup>2</sup>
давление на входе в насос
р<sub>вх</sub> - 0,1 кГ/см<sup>2</sup>
мощность, измеренная прибором
Р - 201.07 кВт
КПД электродвигателя
η<sub>эд</sub> - 93,5%
температура подшипников
Т<sub>п</sub> - 80°С
температура корпуса насоса
Т<sub>к</sub> - 60°С
Расчет
эд
Мощность на валу электродвигателя N=201,07·0,935=188 кВт
н
Мощность на валу насоса N=188 кВт
вых
вх
2
Давление, создаваемое насосом р-р=2,824-0,1=2,724 кГ/см
Расходный коэффициент М равен
эк
0
0
2
M=(N/p)η-N/p)К=((188/2,724)1-19)1=50,0 кВт/(кГ/см)
эк
Расход Q при η=1 и К=1 будет равен
4
3
2
Q=0.0001 М-0.0258 М+1.1267 М+39.012 М+0.5779
4
3
2
3
Q=0.0001 50-0.0258 50+1.1267 50+39,012 50+0.5779=2368 м/час
3
Данные по таблице Q=2356,1 м/час
Разница в расчете составляет 0,5%.
Если эксплуатационный коэффициент не равен единице
эк
р
η≠1, то определяем отклонение мощности и давления от паспортных значений и вычисляем расходный коэффициент М и коэффициент сходимости К по всему диапазону характеристик.
Расчет по насосу 14 НДС для одного расхода
При расчете используем таблицу 4 и графики, показанные на фиг.6, 7, 8, 9, 10
Таблица 4
Пересчитанные рабочие характеристики насоса 14 НДС
Рабочие пересчитанные характеристики насоса
14 НДС 1
М<sub>0</sub>=N<sub>0</sub>/p<sub>0</sub>=145,77/9,05=16,107
Q м<sup>3</sup>/сут
Н м
N кВт
р кГ/см<sup>2</sup>
КПД %
М кВт/(кГ/см<sup>2</sup>)
0
91,06
145,77
9,05
0
0
226,84
91,06
176,69
9,05
30
3,41
453,3
91,06
213,21
9,05
54
7,45
679
91,06
237,84
9,05
65
10,17
905
87,06
268,55
8,61
76,5
15,08
1130
85,79
296
8,56
83,5
18,47
1354,73
81,73
325,92
8,15
89
23,88
1578,93
75,52
350,11
7,54
88,5
30,32
1800,8
71,4
384,5
7,12
87
37,9
2023,86
66,07
416,22
6,59
82
47,05
2135,9
59,27
421,77
5,9
80
55,38
Определение параметров насоса №6 14 НДС на насосной, 2НФС при пуске насоса на закрытую задвижку
Экспериментальные данные:
электрический ток
I<sub>01</sub>
- 17,5 А
давление на входе насоса
р<sub>вх o1</sub>
- 0
давление на выходе насоса
р<sub>вых 01</sub>
- 6 кг/см<sup>2</sup>
напряжение сети
U<sub>01</sub>
- 6 кВ
Cosφ электродвигателя
Cosφ<sub>01</sub>
- 0,9
КПД электродвигателя
η<sub>эд01</sub>
- 0,92
Базовые значения при пуске насоса на закрытую задвижку
мощность
N<sub>0</sub>
- 145,77 кВт
давление, создаваемое насосом
p<sub>0</sub>
- 9,05 кГ/см<sup>2</sup>
эк
Вычисляем эксплуатационный коэффициент η
эк
0
0
01
01
η=(N/р)(p/N)
01
вых 01
вх o1
2
p=р-р=6-0=6 кГ/см
01
01
01
01
эд 01
N=√3UICosφη
01
N=1,73 6 17,5 0,9 0,92=150,4 кВт
эк
η=(145,77/9,05)(6/150,4)=0,643
Отклонения от паспортных значений:
мощности ΔN=150,4-145,77=4,63 кВт,
2
давления Δp=6-9,05=-3,05 кГ/см
Вычисляем коэффициент сходимости К
Берем из таблицы базовое значение расхода, равное
3
2
Q=2135,9 м/час, при этом М=55,38, р=5,9 кГ/см, N=421,77 кВт.
Тогда К равно
эк
0
0
K=M/(((N+ΔN/(p-Δр))η-N/p)
К=55,38/(((421,77+4,63)/(5,9-3,05))0,643-16,107)=0,69
Вычисляем расходный коэффициент М по имеющимся данным по N и p.
2
N=384,5 кВт, р=7,12 кГ/см,
М=(((N/p)+4,63))/(р-3,05))·0,643-16,107)К
2
М=(((384,5+4,63)/(7,12-3,05))·0,643-16,107)0,69=39,2 кВт/кГ/см
Расход вычисляется по формуле:
4
3
2
Q=9Е-05 М-0,0076 М-0,4059 М+69,522 М-6,27
4
3
2
3
Q=9Е-05·39,2-0,0076·39,2-0,4059·39,2+69,522·39,2=1849,73 м/час
3
Разница 1849,73-1800,8=48,93 м/час или 2,7%
Проведем вычисление для насоса 14 НДС во всем диапазоне характеристик, используя таблицу 5.
Таблица 5
Параметры насоса 14 НДС
Q м<sup>3</sup>/час
N, кВт
p, кГ/см<sup>2</sup>
М, кВт/кГ/см<sup>2</sup>
N, кВт ±ΔN=N<sub>p</sub>+ΔN=4,63
р, кГ/см<sup>2</sup>±Δр=р<sub>р</sub> Δр=-3,05
М<sub>р</sub>=(N<sub>p</sub>/p<sub>p</sub>)×η<sub>эк</sub>-(N<sub>0</sub>/p<sub>0</sub>) η<sub>эк</sub>=0,643 N<sub>0</sub>/p<sub>0</sub>=16,107
Коэф. сход. К
М=К Мр
0
145,77
9,05
0
145,77+4,63
9,05-3,05
0
1
0
226,4
176,89
9,05
3,41
176,89+4,63
9,05-3,05
3,35
1,0179
3,47
453,3
213,21
9,05
7,45
213,21+4,63
9,05-3,05
6,74
1,105
7,45
679
237,84
9,05
10,17
237,84+4,63
9,05-3,05
9,878
1,0295
10,17
905
268,55
8,61
15,08
268,25+4,63
8,61-3,05
15,45
0,976
15,08
1130
296
8,56
18,47
296+4,63
8,56-3,05
18,976
0,973
18,47
1354,73
325,92
8,15
23,88
325,92+4,63
8,15-3,05
25,568
0,934
23,88
1578,93
350,11
7,54
30,32
350,11+4,63
7,54-3,05
34,694
0,874
30,32
1800,8
384,5
7,12
37,9
384,5+4,63
7,12-3,05
45,37
0,835
37,9
2023,86
416,22
6,59
47,05
416,22+4,63
6,59-3,05
60,33
0,78
47,05
2135,9
431,77
5,9
55,38
421,77+4,63
5,9-3,05
80,09
0,69
55,38
Последовательность вычисления. Насос 14НДС
Вычисление параметров насоса можно делать двумя методами
0
Вычисляем по паспортным данным значение расходного коэффициента М при нулевом расходе в начале рабочих характеристик
0
0
0
2
М=N/р=145,77/9,05=16,107 кВт/(кГ/см)
эк
Вычисляем эксплуатационный коэффициент η
эк
o
о
о1
01
η=(N/р)(р/N)=16,107·6/150,4=0,643,
0
0
01
01
где N, р, N, р - соответственно мощность и давление, взятые из паспортной характеристики насоса, и мощность и давление, полученные при работе насоса на закрытую задвижку.
Определяем отклонение мощности и давления от номинальных значений во всем диапазоне характеристик
0
01
0
01
2
ΔN=N-N кВт, Δр=р-p, кГ/см
Полученные отклонения по мощности и давлению добавляем во всем диапазоне к рабочим характеристикам насоса.
р
Вычисляем во всем диапазоне по паспортным данным расчетный расходный коэффициент М, при коэффициенте сходимости К=1, по формуле
р
эк
0
0
М=((N±ΔN/(р±Δp))η-N/p),
р
р
и по вычисленному М и паспортному значению М вычисляем коэффициент сходимости К=M/М
р
p
р
Строим графики зависимости паспортного расходного коэффициента М от расчетного расходного коэффициента М=f(М) и К=f(M) или вычисляем по формуле К=М/М
р
В процессе измерения вычисляется расчетный расходный коэффициент М по формуле
р
эк
0
0
р
М=(N/р)η-N/р), и по вычисленному значению М
p
по характеристике М=f(M) (фиг.9), или по формуле
эк
0
0
М=(N/p)η-N/р)К
0
3
По действительному расходному коэффициенту М, по графику Q=f (М) (фиг.7) определяется объемный расход Q м/час.
Ниже приводятся расчетные формулы для вычисления необходимых величин, полученные по выше перечисленным графикам.
Расчетные формулы:
4
3
2
3
Q=9Е-05 М-0,0076 М-0,4059 М+69,522 М-6,27 м/час
эк
M=((N/p)η-16,107)К
р
эк
М=(((N±ΔN)/(р±Δр))η-16,107)К, где К=1
эк
0
0
01
01
η=(N/p).(p/N)
0
01
о
о1
N-N=±ΔN, р-р=±Δp
эк
K=55,38/((N+ΔN/(p-Δp))η-16.107
эк
К=55,38/((421.77+ΔN)/(5,9-Δp))η-16,107
Коэффициент сходимости в пределе рабочего диапазона работы насоса меняется незначительно и составляет 1,5%. Разница в К зависит и от точности пересчета паспортной характеристики насоса.
Функциональная схема автоматизации одного насоса дана на фиг.11.
На фиг.12 показаны экспериментальные графики по измерению расхода воды в течение двух суток, подаваемой насосами 14НДС и 18 НДС на насосной станции 2НФС «Самараводоканал» с дополнительным измерением по имеющемуся счетчику расхода воды.
На фиг.13 показаны экспериментальные графики по измерению расхода воды в течение двух суток, подаваемой насосами 14 НДС и 18 НДС на насосной станции 2 НФС «Самараводоканал».
На этих характеристиках имеются обозначения: 1 - характеристики одного работающего насоса 18 НДС; 2 и 3 - характеристики двух параллельно работающих насосов 14 НДС и 18 НДС; 4 - суммарный расход при работе двух насосов 14 НДС и 18 НДС; 5 - характеристика расхода ультразвукового расходомера.
Рассматриваемая автоматизированная информационная система для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосных станций с центробежными электронасосами в системах водоснабжения и водоотведения ведет непрерывный анализ работы насосного оборудования на насосных станциях. Эти данные несут информацию о расходе, давлении, мощности температуре, КПД, удельном расходе электроэнергии, наработке на отказ, которые в виде графиков и таблиц даются для анализа и принятия решения по поддержанию оптимальных режимов работы насосной станции. В настоящее время эта система работает на одной насосной станции «Самараводоканал». Планируется внедрение этой системы на всех насосных станциях, которые подключены к центральному диспетчерскому пункту.
Источники информации
1. Патент 2119148 РФ. Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. от 20.11.97.