Способ управления установками повышения давления с электроприводными насосами, регулируемыми преобразователями частоты
METHODS OF CONTROLLING PRESSURE BOOSTER SYSTEMS WITH ELECTRICALLY DRIVEN PUMPS REGULATED BY FREQUENCY CONVERTERS

Изобретение относится к способам управления и регулирования насосных установок и может быть использовано для регулирования в установках повышения давления, состоящих из группы электроприводных насосов одинаковой мощности и нескольких преобразователей частоты (ПЧ) в качестве регуляторов.
В настоящее время широкое распространение получили насосные установки повышения давления (насосные станции) с количеством насосов от 2 до 6 с приводом от асинхронных двигателей, работающих от сетей переменного тока и подключенных параллельно между собой. Основными проблемами таких установок являются импульсы электрического тока в сетях питающего напряжения и гидроудары в напорных магистралях при запуске электродвигателей насосов, а также низкая энергоэффективность при регулировании напора (Н). Наиболее эффективными способами решения проблем импульсов питающего напряжения и гидроударов в напорных магистралях являются способы, связанные с использованием частотного управления насосами при их пуске и останове. Одним из таких способов является способ пуска первого и дополнительных насосов с применением преобразователей частоты переменного тока (патент РФ на изобретение №2332588, МПК F04D 15/00).
Известен также способ управления насосной станцией с параллельно работающими насосами, в котором повышение энергоэффективности насосной станции при переменной нагрузке осуществляют за счет использования регулирования каждого насоса от своего ПЧ (стр. 8, рис. 1.5. Преобразователи частотные векторные ОВЕН ПЧВХХ. Руководство по применению в системах каскадного управления насосами. - http://www.owen.ru/uploads/rpr_pchv_kaskad_008.pdf).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ повышения энергоэффективности насосной станции, который включает определение оптимальных параметров регулирования насосов, пуск насосов, контроль параметров регулирования, регулирование напора в пределах заданных значений путем отключения насосов и изменения частоты вращения с помощью преобразователей частоты (ПЧ) (патент РФ на изобретение №2561782, МПК F04D 15/00).
Основным недостатком изложенных выше способов является снижение коэффициента полезного действия (КПД) установки на величину до 25-30% при параллельном снижении частоты вращения насосов в процессе регулирования напора до минимального значения, соответствующего частоте питающего напряжения 20 Гц. Данная частота является минимально допустимой частотой при регулировании центробежных насосов из-за перегрева электродвигателя насоса, вызванного снижением интенсивности его обдува при понижении оборотов крыльчатки вентилятора на валу электродвигателя. При этом перегрев вала электродвигателя вызывает нагрев вала сочлененного с ним насоса, что, в свою очередь, приводит к разрушению торцевых уплотнений насоса из-за температурных деформаций его вала.
Задачей изобретения являются устранение недостатков указанного выше технического решения и достижение технического результата в отношении повышения энергоэффективности за счет повышения КПД установки в процессе регулирования напора (H) в напорной магистрали потребителя.
Достижение указанного технического результата в изобретении достигается за счет осуществления способа управления установками повышения давления с электроприводными насосами, регулируемыми преобразователями частоты, включающего определение первого и дополнительных насосов, определение параметров регулирования, в частности напора в напорной магистрали, контроль параметров регулирования, пуск каждого дополнительного насоса при уровне напора в напорной магистрали ниже заданного значения пуска, регулирование напора в пределах заданных значений пуска и отключения насосов, отключение одного из насосов при уровне напора в напорной магистрали выше заданного значения отключения, отличающегося от указанного выше известного технического решения тем, что дополнительно регулирование частоты питающего насосы напряжения осуществляют по закону ПИД-регулирования, в качестве параметров регулирования дополнительно определяют частоту отключения питающего насосы напряжения и при снижении частоты питающего насосы напряжения ниже этой определенной частоты отключения осуществляют отключение одного из насосов, при этом указанную частоту отключения питающего насосы напряжения определяют формулой
,
Где fмакс=50 Гц - максимальное значение частоты питающего напряжения,
Δf - эмпирическое поправочное значение, которое учитывает дополнительный прирост производительности насосов при повышении частоты их вращения,
N - количество параллельно регулируемых ПЧ насосов,
а команда на отключение формируется при совместном соблюдении условий:
Н<Ноткл, fоткл>0, fрег≤fоткл, где fрег - частота регулирования питающего насосы напряжения на выходе ПЧ, Ноткл - уровень напора отключения в напорной линии, Н - напор в напорной линии.
Для однозначного и более полного понимания описания заявляемого изобретения далее приведены уточнения и раскрытия, использованных выше понятий и терминов, а также описание отдельных этапов способа.
зад
Под ПИД-регулированием в технической литературе понимают способ управления с обратной связью, включающий сумму пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих отклонения определяющего параметра (в данном описании - напора в магистрали потребителей (H) от его заданного значения (H). При ПИД-регулировании насосов повышения давления изменением частоты их вращения выходным сигналом ПИД-регулятора управляющего компьютера является значение частоты регулирования , записываемое в управляющие насосами ПЧ.
Заявляемый способ направлен на повышения энергоэффективности насосных установок за счет повышения КПД насосов, а соответственно, и установок повышения давления в целом, в процессе регулирования напора (H) в напорной магистрали потребителей. При этом КПД установок в первом приближении рассчитывается как среднее арифметическое значение КПД работающих насосов.
пуска
откл
В предлагаемом способе используют насосы, работающие от асинхронных электродвигателей переменного тока, подключенные к промышленным сетям переменного тока частотой 50 Гц. Количество насосов в установке варьируется от 2 до 6. Указанное количество определяет ступень регулирования и закладывается на стадии проектирования установки в зависимости от заданных характеристик потребления. Минимальное количество насосов определяется минимальными условиями осуществления способа, максимальное - количеством ступеней регулирования, а также снижением КПД установки до уровня, когда подключение дополнительного насоса увеличивает ее производительность на величину, меньшую определяемой ступени регулирования для каждого насоса. Регулирование напора осуществляют за счет изменения количества подключаемых насосов и частоты их вращения. Регулирование частоты вращения насосов осуществляют регулированием частоты вращения роторов асинхронных двигателей за счет изменения частоты и амплитуды напряжения переменного тока посредством ПЧ каждого насоса. Выбор очередности пуска или приоритета пуска каждого насоса осуществляют на основании его эксплуатационных характеристик или конструктивной очередности подключения в установке. Каждый очередной по приоритету насос запускают при понижении напора в напорной магистрали ниже заданного значения пуска (Н) путем подачи на ПЧ соответствующей команды с управляющего компьютера в соответствии с программой управления. Выбор очередности останова или приоритета останова каждого насоса осуществляют по признаку - первый в очередности работающих насосов отключается первым. Такая очередность останова насосов обеспечивает равномерную выработку их ресурса, что является обязательным требованием процесса эксплуатации насосных установок. Каждый очередной по приоритету останова насос отключают при превышении напора в напорной магистрали выше заданного уровня отключения (H) путем снятия с ПЧ этого насоса соответствующей команды от управляющего компьютера. При такой схеме управления дополнительными насосами могут считаться только неработающие насосы. При параллельной работе насосов, каждый от ПЧ, нет основных и дополнительных насосов: все насосы равноправны.
Рассматриваемая разновидность установок содержит несколько ПЧ, обеспечивающих регулирование каждым работающим насосом. В общем случае количество ПЧ может быть меньше количества насосов в установке, но не менее двух. Такая конфигурация установок в настоящее время широко распространена и обеспечивает наиболее комфортное регулирование насосами. При этом каждый насос запускается, регулируется и останавливается от своего отдельного ПЧ. При таком управлении отсутствуют гидроудары в напорных магистралях, а также импульсы тока питающего напряжения.
3
1
2
21
12
Производительность каждого регулируемого насоса Q, измеряемая в м/час, линейно определяется его частотой вращения n, об/мин. Частота вращения насоса линейно определяется частотой регулирования  питающего насос напряжения на выходе ПЧ. Таким образом, производительность каждого насоса линейно зависит от частоты питающего напряжения на выходе его ПЧ: Q=Q(n)=Q(). При работе двух насосов общая производительность определяется значением Q=2Q(n)=2Q(). Снижение частоты вращения двух насосов в процессе их регулирования до уровня питающего напряжения =25 Гц вызовет снижение производительности установки до значения Q=2Q(n)=Q(2)=Q(=50 Гц). При принудительном отключении одного насоса путем его плавного останова от ПЧ напор (Н) в магистрали начинает понижаться. При этом ПИД-регулятор управляющего компьютера плавно увеличивает частоту вращения регулируемого насоса до значения, обеспечивающего стабилизацию напора на заданном уровне. В рассматриваемом случае для линейных зависимостей справедливы соотношения: Q=2Q(n)=2Q(=25 Гц) ≤ Q(=50 Гц). За счет того что КПД насосов на частоте вращения, соответствующей частоте питающего напряжения =50 Гц, выше КПД насосов на частоте вращения, соответствующей =25 Гц, примерно на 25-30% в зависимости от типа насоса, один регулируемый насос обеспечит ту же производительность при частоте вращения меньше максимальной =43-48 Гц за счет повышения КПД, что и два насоса на частоте вращения, соответствующей =25 Гц. Таким образом, отключение одного насоса обеспечит экономию электроэнергии на уровне 10-16% для определенного режима водопотребления.
3
Σ
Для трех параллельно регулируемых насосов отключение дополнительного насоса производят на частоте питающего напряжения, равной или ниже =33,3 Гц. При этом два насоса, работающих с производительностью, близкой к максимальной, обеспечат тот же расход при данном напоре, что и три насоса на частоте регулирования =33,3 Гц. При этом для рассматриваемых линейных зависимостей справедливы соотношения: Q=3Q(n)=3Q(=33,3 Гц)≤2Q(=50 Гц)=Q(=l00 Гц), где f - «суммарная» частота вращения насосов, определяющая общую производительность установки.
Из приведенных зависимостей получим условие отключения дополнительного насоса, обеспечивающее работу установки повышения давления в области максимальных значений КПД насосов: N⋅≤, где N - количество параллельно регулируемых ПЧ насосов,  - расчетное значение частоты отключения, определяемое формулой , где =50 Гц - максимальное значение частоты питающего напряжения, для которого определено максимальное значение КПД насоса; =0-10 Гц - некоторое поправочное значение, которое учитывает дополнительный прирост производительности насосов. Этот прирост производительности осуществляется за счет повышения КПД при повышении частоты их вращения после отключения одного насоса и определяется эмпирически отдельно для каждой конкретной установки повышения давления и магистрали потребителя с учетом изменения режимов потребления. При этом команда на отключение формируется при совместном соблюдении условий:
откл
1) Н<Н;
2) >0;
3) ≤;
т.е. для количества параллельно регулируемых насосов два и более только при отсутствии команды отключения дополнительных насосов по уровню напора Ноткл. Условие (3) подразумевает собой отсутствие команды пуска дополнительных насосов по признаку снижения напора ниже уровня пуска, что следует из функционала ПИД-регулирования заданного значения напора.
Заявляемое изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, а именно наличием следующей последовательности действий, которая обеспечивает достижение заявленного технического результата:
- определение первого и дополнительных насосов,
- определение параметров регулирования, в частности напора в напорной магистрали,
- контроль параметров регулирования,
- пуск каждого дополнительного насоса при уровне напора в напорной магистрали ниже заданного значения пуска,
- регулирование напора в пределах заданных значений пуска и отключения насосов,
- отключение одного из насосов насоса при уровне напора в напорной магистрали выше заданного значения отключения,
- регулирование частоты питающего насосы напряжения по закону ПИД-регулирования,
- в качестве параметров регулирования дополнительно определяют частоту отключения питающего насосы напряжения,
- отключение одного из насосов при снижении частоты питающего насосы напряжения ниже частоты отключения,
- определение частоты отключения питающего насосы напряжения по формуле , где
fмакс=50 Гц - максимальное значение частоты питающего напряжения,
Δf - эмпирическое поправочное значение, которое учитывает дополнительный прирост производительности насосов при повышении частоты их вращения,
N - количество параллельно регулируемых ПЧ насосов,
а команда на отключение формируется при совместном соблюдении условий:
Н<Ноткл, fоткл>0, fрег≤fоткл.
Указанная совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет заключить, что по сравнению с указанными выше прототипом и аналогами оно позволяет повысить энергоэффективность работы насосных установок повышения давления с параллельно регулируемыми ПЧ насосами за счет повышения КПД установки в процессе регулирования напора в напорной магистрали потребителя и тем самым реализовать заявленный технический результат.
Подтверждением достижения технического результата заявляемого изобретения является реализация указанного назначения, что следует из перечисленной совокупности существенных признаков и приведенных ниже примеров реализации способа.
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения представляет собой процесс, в котором последовательно во времени осуществляют действия над материальными объектами - насосами, ПЧ, питающими сетями напряжения и напорной магистралью. Этими действиями являются: пуск насосов от ПЧ, регулирование насосов, а также принудительный останов насосов. Указанные действия осуществляют с помощью ПЧ, переключателей, магнитных пускателей, управляющих контроллеров (компьютеров). Все действия над указанными материальными объектами выполняются во времени и в определенной последовательности. При этом выбор очередности или приоритета пуска и условия отключения насосов определяет порядок выполнения действий над материальными объектами и является их характеристикой.
Изобретение может быть применено в промышленности и коммунальном хозяйстве. Применение и использование предлагаемого способа не вызывают трудностей и могут быть осуществлены людьми, имеющими специальную техническую подготовку. При осуществлении способа используются устройства и приборы, выпускаемые промышленностью и находящиеся в открытой продаже. Методами осуществления изобретения являются операторская работа с техническим оборудованием, приборами контроля и регулирования, а также с компьютером. Средствами осуществления являются насосы, компьютеры, преобразователи частоты, магнитные пускатели, переключатели.
Отличительными от прототипа существенными признаками изобретения являются:
- регулирование частоты питающего насосы напряжения по закону ПИД-регулирования,
- в качестве параметров регулирования дополнительно определяют частоту отключения питающего насосы напряжения,
- отключение одного из насосов при снижении частоты питающего насосы напряжения ниже частоты отключения,
- определение частоты отключения питающего насосы напряжения по формуле , где
fмакс=50 Гц - максимальное значение частоты питающего напряжения,
Δf - эмпирическое поправочное значение, которое учитывает дополнительный прирост производительности насосов при повышении частоты их вращения,
N - количество параллельно регулируемых ПЧ насосов,
а команда на отключение формируется при совместном соблюдении условий:
Н<Ноткл, fоткл>0, fpeг≤fоткл.
Приведенные существенные признаки являются отличительными от прототипа, т.к. каждый из них не содержится в совокупности существенных признаков прототипа, т.е. не присутствует в перечне действий, осуществляемых в прототипе, и не является их характеристикой.
Как уже было показано выше, указанные отличительные от прототипа существенные признаки обеспечивают достижение заявленного технического результата при использовании других существенных признаков изобретения, указанных в описании. Другими словами, они позволяют создать новый способ, позволяющий добиться существенного повышения энергоэффективности установок повышения давления с параллельно регулируемыми ПЧ насосами за счет повышения кпд установки.
Таким образом, показано, что совокупность существенных признаков изобретения, позволяющая достичь технического результата, отличается от совокупности существенных признаков аналогов, прототипа, а также и других известных источников.
В ходе изучения уровня техники способов повышения энергоэффективности установок повышения давления с электроприводными насосами, регулируемыми преобразователями частоты за счет повышения КПД установки в процессе регулирования напора, не выявлены технические решения, существенные признаки которых как в совокупности, так и по отдельности совпадают с указанными выше отличительными существенными признаками заявляемого изобретения и позволяют достичь заявляемого технического результата. На практике отключение насосов в процессе регулирования производится только при повышении напора в напорной магистрали, равном или выше заданного уровня отключения насосов. Аналогичные рекомендации приводятся и в научно-технической литературе. Однако при уровне напора ниже уровня отключения регулируемые ПЧ насосы могут длительно работать на низких частотах вращения, соответствующих частотам питающего напряжения 20-30 Гц, при снижении расхода со стороны потребителей, что снижает энергоэффективность установки из-за снижения КПД насосов, а также вызывает перегрев электродвигателей насосов на низких частотах вращения вентиляторов обдува, и, в конечном итоге, приводит к отказам гидравлической части насосов из-за температурной деформации вала, а также к возможным отключениям насосов при срабатывании датчиков температуры электродвигателей. Предлагаемый способ за счет отключения насосов при определенной частоте питающего насосы напряжения, которая ниже определенного допустимого значения, устраняет указанные недостатки и позволяет повысить КПД работающих установок при одновременном повышении ресурса работы насосов.
Следует также обратить внимание на характеристики отличительного признака «определение частоты питающего насосы напряжения по формуле», которые не известны и не следуют также из уровня техники. Также не известно из уровня техники определение в качестве параметров регулирования частоты отключения питающего насосы напряжения для целей отключения насосов при достижении этой характеристики. Кроме того, не известно совместное использование указанных отличительных признаков, а именно отключение каждого насоса при снижении частоты питающего насосы напряжения ниже частоты отключения при регулировании этой частоты по закону ПИД-регулирования.
Таким образом, подтверждено отсутствие известности влияния отличительных существенных признаков заявляемого изобретения на заявленный технический результат.
Использование указанной совокупности существенных признаков, а также совокупности отличительных признаков для получения заявленного технического результата не следует для специалистов явным образом из уровня техники, т.к. не является объединением, изменением или совместным использованием сведений, содержащихся в уровне техники, и/или общих знаний специалиста.
Описание заявленного способа пояснено схемой, на которой приведены следующие обозначения:
1 - Выбор первого насоса,
2 - Пуск первого насоса от ПЧ,
пуска
3 - Проверка условий пуска дополнительных насосов НН,
4 - Определение порядкового номера дополнительного насоса,
5 - Пуск дополнительного насоса от ПЧ,
откл
6 - Проверка условий останова насоса Н≥Н,
7 - Определение порядкового номера отключаемого насоса,
8 - Останов насоса от ПЧ,
9 - ПИД-регулирование напора,
10 - Расчет ,
11 - Проверка условия >0,
12 - Проверка условия ≤.
Предлагаемый способ относится к способам повышения эффективности работы установок повышения давления, состоящих из группы электроприводных насосов в количестве от 2 до 6, регулируемых преобразователями частоты. Кроме того, установки могут содержать дополнительное и вспомогательное оборудование: контроллеры, магнитные пускатели, переключатели, датчики давления, электроизмерительную аппаратуру. В начале осуществления способа осуществляют выбор 1 первого насоса, после чего производят пуск 2 этого насоса, затем, исходя из заданных рабочих параметров установки, определяют параметры регулирования насосов, в частности условия 3 пуска дополнительных насосов. При выполнении условий 3 пуска дополнительных насосов определяют порядковый номер 4 (очередность включения) дополнительных насосов. Для достижения заданного напора или в случае его падения в напорной магистрали потребителя осуществляют пуск 5 дополнительного насоса. После пуска 5 дополнительного(ых) насоса(ов) определяют условия 6 их останова по уровню напора. При соблюдении условий 6 останова определяют порядок 7 отключения насосов. Отключение насоса осуществляют остановом 8 его ПЧ. При невыполнении условий пуска 5 и останова 6 насосов по уровню напора производят ПИД-регулирование 9 уровня напора за счет изменения амплитуды и частоты питающего насосы напряжения, в процессе которого производят расчет частоты отключения по формуле . При выполнении условия 11 отключения fоткл>0 и выполнении условия 12 снижения частоты питающего напряжения ниже частоты отключения fpeг≤fоткл производят определение 7 порядкового номера отключаемого насоса и производят его отключение остановом 8 ПЧ этого насоса.
Пример 1
Применяют насосную установку повышения давления в напорной магистрали потребителя для подачи воды и поддержания напора на заданном уровне. Установка включает 6 насосов, что соответствует их максимально возможному количеству, мощностью 15 кВт, регулируемых шестью ПЧ, а также необходимое коммутационное, защитное и контрольное оборудование. При выходе на режим регулирования шести насосов путем их каскадного пуска от ПЧ определяют условия отключения первого насоса в процессе регулирования напора (H). При выполнении условий отключения выбирают первый отключаемый насос и производят его плавный останов. Оставшиеся в работе пять регулируемых насосов по сигналам ПИД-регулятора компьютера управляющего контроллера переводятся в режим производительности, близкой к максимальной, для обеспечения заданного уровня регулируемого давления. При этом КПД каждого насоса повышается до уровня, близкого к максимальному. Осуществленный таким образом принудительный останов дополнительного насоса снизил потребляемую мощность с 74,9 кВт до 65,9 кВт при поддержании того же уровня напора, тем самым экономия электроэнергии составила 12% для данного режима водопотребления.
Пример 2
Установка повышения давления в напорной магистрали потребителя для подачи воды включает 4 насоса мощностью 90 кВт и два ПЧ в силовой схеме, а также необходимое коммутационное и контрольное оборудование. При параллельной работе только двух регулируемых насосов (это минимальное количество насосов в установках повышения давления) определяют условие отключения дополнительного насоса. При выполнении условий отключения выбирают первый отключаемый насос и производят его плавный останов. Оставшийся в работе регулируемый насос по сигналам ПИД-регулятора компьютера управляющего контроллера переводится в режим производительности, близкой к максимальной, для обеспечения заданного уровня регулируемого напора. При этом КПД насоса повышается до уровня, близкого к максимальному. Осуществленный таким образом принудительный останов дополнительного насоса снизил потребляемую мощность со 100,8 кВт до 85,4 кВт для того же уровня напора, тем самым экономия электроэнергии составила 15,3% для данного режима водопотребления.
Приведенные выше варианты примеров не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения. Напротив, возможны также варианты, модификации и эквиваленты описанных примеров в пределах объема прав, изложенных в формуле изобретения.
Приведенное выше описание осуществления изобретения и примеры его реализации подтверждают достижение заявленного технического результата в процессе осуществлении изобретения. Они также показывают причинно-следственную связь существенных признаков между собой и достигаемым техническим результатом.
Из приведенного выше описания также следует, что достижение технического результата возможно только при осуществлении всей совокупности существенных признаков, что подтверждает также техническое решение задачи осуществления изобретения.