СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ
PUMP STATION ELECTRIC DRIVE AUTOMATIC CONTROL METHOD

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения и касается способов управления автоматизированных насосных станций с параллельно работающими насосами и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности при транспорте, хранении и переработке нефти и нефтепродуктов.
Известен способ регулирования производительности задвижкой (дросселированием), основанный на увеличении сопротивления напорной линии (Лобачев П.В. «Насосы и насосные станции», Учеб. для техникумов, 3-е изд., перераб. и доп., М., Стройиздат, 1990, с.58).
Способ характеризуется низким коэффициентом полезного действия (КПД), нерациональным увеличением давления в трубопроводе и опасностью возникновения кавитации.
Известен способ регулирования производительности центробежного насоса путем перепуска через байпасную линию с выхода на вход насоса части перекачиваемой жидкости с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии. Регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос (патент РФ №2277645, МПК F04D 15/00, опубл. 10.06.2006).
Недостатком данного изобретения является потеря энергии, затрачиваемая на сообщение неиспользуемого напора перепускаемому количеству жидкости.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ регулировки работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке, заключающийся в том, что проводят диагностику энергопотребления при работе группы параллельно подключенных лопастных нагнетателей в условиях нестационарной нагрузки с учетом возможности регулирования подачи потребителю жидкой среды с дросселированием сети трубопроводов и ступенчатым регулированием путем включения в одновременную работу одной или нескольких групп насосных агрегатов, определяют минимально возможные затраты электроэнергии при условии обеспечения требуемой потребителю подачи во всем возможном диапазоне ее изменения с минимально допустимыми напорами и максимальными значениями КПД и определяют величину минимального избыточного напора во всем диапазоне изменения нагрузки в напорном коллекторе при изменении нагрузки с оптимизацией режима работы. Путем применения частотно-регулируемого электропривода и изменения состава насосного оборудования устанавливают величину минимального избыточного напора в напорном коллекторе. В результате достигается оптимизация работы системы лопастных нагнетателей при переменной нагрузке (патент РФ №2230938, МПК F04D 15/00, опубл. 20.06.2004).
Недостатками данного изобретения являются высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с установкой частотно-регулируемого электропривода и расходомера на каждый насос, невозможностью обеспечить максимальный КПД насосов одновременным регулированием расхода и напора каждого центробежного насоса при регулировании только с помощью частотно-регулируемого электропривода, установленного на каждый насосный агрегат.
Целью изобретения является снижение потерь электроэнергии при автоматическом регулировании режимов работы насосных установок, снижение стоимости и повышение эффективности работы насосной станции, увеличение значения КПД и регулирование режимов работы насосов в наиболее энергоэффективных режимах.
Поставленная цель достигается тем, что способ автоматизированного управления электроприводом насосной станции реализуется посредством системы, состоящей из микропроцессорного контроллера, преобразователя частоты, установленного в цепи управления высоковольтными асинхронными электродвигателями (ВАД) насосов, коммутационной и технологической аппаратуры.
В схему включена система автоматизированного управления режимами работы ВАД (система управления и программный комплекс), обеспечивающая возможность их работы от одного преобразователя частоты в энергоэффективном режиме, дополнительная система датчиков (датчик уровня, установленный в резервуаре, датчики давления на входе и на выходе резервуара, датчик расхода на трубопроводной арматуре, датчики токов и угловых скоростей ВАД), сигналы которых идут в систему управления микропроцессорного контроллера. Дополнительная технологическая ветвь с регулируемыми задвижками, обратным клапаном и насосом, дополнительная электротехническая ветвь автоматизации с выключателем, магнитным пускателем, датчиком тока и угловой скорости, резервная электротехническая ветвь с автоматическим выключателем, введенные в систему, позволяют с помощью сигналов, подаваемых с микропроцессорного контроллера на преобразователь частоты, производить запуск, останов, совместную и поочередную работу ВАД как от преобразователя частоты, так и независимо от него, осуществляя функции плавного пуска и регулирования скорости вращения насосных агрегатов в безаварийном режиме. Предусмотрено построение математической модели в системе управления с целью максимизации энергосбережения на насосной станции, учитывающей расход, уровень и давление на насосной станции (по данным соответствующих датчиков) и совмещенной характеристики насос-трубопровод, что обеспечивает минимизацию потребляемой электроэнергии на насосной станции, защиту высоковольтных асинхронных электродвигателей, их резервирование в случае неисправности в преобразователе частоты и постоянство технологического процесса.
Система управления осуществляет функцию защиты и гибкую настройку работы насосной станции, заключающейся в отключении неисправного электротехнического оборудования (например, преобразователя частоты или высоковольтных асинхронных электродвигателей) и технологического оборудования (например, насосы, трубопроводная арматура), равномерном распределении времени работы насосов, управлении ВАД с учетом механической характеристики и характеристики сопротивления работающего насоса с поддержанием минимального расхода электроэнергии в системе.
Способ автоматизированного управления электроприводом насосной станции поясняется чертежом, на котором представлено реализующее данный способ устройство, состоящее из микропроцессорного контроллера 1, включающего в свой состав систему энергоэффективного управления высоковольтными асинхронными электродвигателями 8 и 9 насосов 10 и 11, автоматических выключателей 2, 4, 5 и 25, преобразователя частоты 3, магнитных пускателей 6 и 7 для пуска ВАД 8 и 9, датчиков токов 26 и 27 и датчиков угловых скоростей 28 и 29 в цепи ВАД 8 и 9, сигналы которых идут на микропроцессорный контроллер 1, резервуара 21, включающего датчик уровня 20, датчик давления на входе 18, датчики давления на выходе 23 резервуара 21, трубопроводной арматуры, включающей обратные клапаны 14 и 15, датчик расхода 24 и регулируемые задвижки 12, 13, 16, 17, 19 и 22, управляемые сигналами микропроцессорного контроллера 1, дополнительную технологическая ветвь (А) с регулируемыми задвижками 13, 16, обратным клапаном 15 и насосом 11, дополнительную электротехническую ветвь автоматизации (Б) с выключателем 5, магнитным пускателем 7, датчиком тока 27 и угловой скорости 29, резервную электротехническую ветвь (В) с автоматическим выключателем 25.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Микропроцессорный контроллер 1 получает информацию о состоянии системы, опрашивая показания датчика уровня 20, датчика давления на входе 18 в резервуар 21, датчиков давления на выходе 23 из резервуара 21, датчика расхода 24, датчиков токов 26 и 27 и датчиков угловых скоростей 28 и 29 ВАД 8 и 9, питаемых от одного преобразователя частоты 3, и выдает управляющие воздействия на преобразователь частоты 3 для управления режимами работы ВАД 8 и 9 и регулируемыми задвижками 12, 13, 16, 17, 19 и 22 с поддержанием минимального уровня потребления электроэнергии.
Управление режимами работы насосов 10 и 11 осуществляется путем подачи управляющих сигналов от микропроцессорного контроллера 1 на магнитные пускатели 6 и 7 ВАД 8 и 9, вводящих их в работу, а регулирование частоты вращения ВАД 8 и 9 насосной станции осуществляется при помощи преобразователя частоты 3, получающего управляющий сигнал от микропроцессорного контроллера 1.
Дополнительная технологическая ветвь (А) насоса 11, приводимого в работу ВАД 9 посредством подачи питания на дополнительную электротехническую ветвь (Б) позволяют микропроцессорному контроллеру 1 управлять режимами работы насосов 10 и 11 на основе сравнения заданных параметров по поддержанию постоянного давления или расхода с данными датчика уровня 20, установленного в резервуаре 21 насосной станции, регулировать режимы работы насосов 10 и 11 на низких угловых скоростях путем дросселирования характеристики трубопроводной сети с помощью управления регулируемыми задвижками 12, 13, 16, 17, 19 и 22, также управляемых микропроцессорным контроллером 1, регулировать режимы работы насосов 10 и 11 в допустимых пределах управления согласно технической характеристике преобразователя частоты 3 и обеспечения минимума потребления электроэнергии ВАД 8 и 9 путем подачи управляющих сигналов в преобразователь частоты 3, который, в свою очередь, регулирует частоту вращения ВАД 8 и 9. Получая данные с датчика уровня 20, датчика давления на входе 18 в резервуар 21, датчиков давления на выходе 23 из резервуара 21, датчика расхода 24, датчиков токов 26, 27 и датчиков угловых скоростей 28 и 29 ВАД 8 и 9, микропроцессорный контроллер 1 сравнивает их с заданными изначально оператором сигналами.
Резервная электротехническая ветвь (В) дает возможность автоматического запуска любого ВАД переключением автоматических выключателей 25, 2, 4 и 5 с подачей соответствующих управляющих сигналов микропроцессорным контроллером 1, включающего программный комплекс, управляющий режимами работы насосов 10 и 11, который формирует управляющее воздействие в зависимости от информации, полученной с датчиков 18, 20, 23, 24, 26, 27, 28 и 29. Преобразователь частоты 3 определяет необходимое значение частоты вращения в соответствии с полученным сигналом от микропроцессорного контроллера 1.
Система работает следующим образом.
В нормальном режиме:
1) Введенные дополнительная технологическая ветвь (А) и дополнительная электротехническаяю ветвь автоматизации (Б) позволяют микропроцессорному контроллеру 1 производить первоначальный анализ номера рабочего насоса (10 или 11) и его пуск. Система управления выбирает ветвь запуска соответствующего насоса в зависимости от значения параметров датчиков. Производится опрос датчиков давления 18 и 23, и если разность давлений на входе и выходе резервуара 21 не превышает заданного предельного значения, запускается в работу насос 10, если разность давлений на входе и выходе резервуара 21 превышает заданное предельное значение, осуществляется совместная работа насосов 10 и 11 с помощью дополнительной технологической ветви (А). В случае недостаточного давления на входе выбранного насоса он не сможет выйти на рабочий режим (анализ математической модели в системе управления выдаст низкую эффективность работы насоса опросом соответствующих датчиков), поэтому с целью минимизации потребляемой электроэнергии микропроцессорный контроллер 1 выдаст управляющий сигнал на останов насоса 11.
2) Если заданное давление на выходе насоса 10 достигнуто, микропроцессорный контроллер 1 открывает регулируемую задвижку 17, соединяющую выход насоса 10 с линией трубопроводной арматуры.
Система представляет резервуар 21, в который поступает нефть. Входная труба системы снабжена входной регулируемой задвижкой 19, выходная труба системы снабжена выходной регулируемой задвижкой 22.
п
о
Математическая модель в системе управления строится на основе дифференциального уравнения, описывающего увеличение или уменьшение «запаса» жидкости согласно соотношению между подводимым в резервуар потоком Q жидкости и отводимым из нее потоком Q и уровнем h жидкости в нем:
Расход жидкости, вытекающей под действием силы тяжести из резервуара, будет равен:
2
где А - площадь сечения резервуара, м;
µ - коэффициент расхода;
п
Q(t) - расход подводимой жидкости;
h(t) - уровень жидкости в резервуаре.
Выражение зависимости уровня жидкости от подводимого потока:
3) Производится последовательный опрос датчиков давления 18 и 23, расхода 24 и угловой скорости 28 и 29 ВАД 8 и 9. Данные сравниваются с заданными значениями контролируемых параметров. В случае их несоответствия подается команда на закрытие или открытие соответствующей регулируемой задвижки дополнительной технологической ветви (А) или на остановку или пуск насоса 11, осуществляемое запуском и остановом ВАД 9 путем подачи и отключения питания дополнительной электротехнической ветви автоматизации (Б).
В случае аварийной ситуации:
1) Если уровень в резервуаре 21 резко возрастает, микропроцессорный контроллер 1 дополнительно включает ВАД 9, питая его по дополнительной электротехнической ветви автоматизации (Б), что позволяет исключить пусковые токи в электрической цепи, ударные моменты и перегрузки (гидроудары) в трубопроводных системах за счет дополнительного введения в схему датчиков тока 26 и 27 ВАД 8 и 9.
2) Если отказывает схема автоматизации, микропроцессорный контроллер 1 автоматически подключает работающий в данный момент высоковольтный асинхронный электродвигатель напрямую в сеть, реализуя прямой пуск с помощью резервной электротехнической ветви (В) через автоматический выключатель 25, а попеременный режим работы осуществляется включением и отключением ВАД 8 и 9.
3) Если пропадает питание в электрической сети, надежность системы комплексной автоматизации любого из включенных ВАД обеспечивается подхватом угловой скорости работающего в данный момент ВАД (8 или 9) с помощью датчиков угловой скорости 28 и 29, установленных на ВАД 8 и 9.
4) Если происходит порыв трубопровода, произойдет понижение давления в системе. Выходом из аварийной ситуации будет останов насоса поврежденного трубопровода и включение второго насоса. Для останова необходимо закрыть поврежденную технологическую ветвь. Микропроцессорный контроллер 1, получив значение сигнала от датчиков давления на выходе 23 из резервуара 21, соответствующее пониженному давлению в системе, обрабатывает его и на основе программных алгоритмов выдает управляющий сигнал на закрытие регулируемых задвижек 12, 17 или 13, 16. После этого с микропроцессорного контроллера 1 выдается управляющий сигнал в преобразователь частоты 3 для останова насоса и ВАД поврежденной технологической ветви, а именно своим контактом автоматического выключателя 4 и магнитного пускателя 6 или автоматического выключателя 5 и магнитного пускателя 7 отключает работающий насос от питания. Логика пуска аналогична логике останова.
Изобретение направлено на повышение качества регулирования, повышение быстродействия и надежности системы, на обеспечение эксплуатации насосной станции в экономичном режиме работы, снижение стоимости и увеличение срока службы оборудования.
Техническим результатом применения изобретения является повышение качества регулирования и быстродействия системы, обусловленных получением непрерывного управления от микропроцессорного контроллера; регулирование угловой скорости рабочего колеса насоса при помощи преобразователя частоты позволяет получить экономию электроэнергии за счет переменного регулирования рабочего колеса; сократить потери воды за счет исключения избытка давления в гидравлической сети. Управление при помощи микропроцессорного контроллера позволяет полностью исключить человеческий фактор, т.е. избежать ошибок со стороны человека.
Таким образом, способ позволяет расширить функциональность автоматической системы, увеличить степень защиты оборудования и надежность насосной станции в целом и реализовать управление насосами в энергоэффективном режиме.
Изобретение осуществимо в промышленных условиях на существующей элементной базе.