АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНО-ТРУБОПРОВОДНЫМ КОМПЛЕКСОМ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ ДЛЯ ОТКАЧКИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
AUTOMATED INFORMATION SYSTEM FOR CONTROL OF INDUSTRIAL PUMPING COMPLEX WITH VERTICAL ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMPS FOR PUMPING OF SEWAGE DRAIN WATER

Изобретение относится к области отведения канализационных сточных вод, содержащих различные примеси, с помощью насосно-трубопроводных комплексов с вертикальными электроцентробежными насосами, на насосных станциях водоканала городов и промышленных объектов с измерением и учетом количества откаченных канализационных сточных вод.
Современные системы откачки канализационных сточных вод являются сложными инженерными сооружениями, которые характеризуются следующими тенденциями своего развития: увеличение мощности установок для откачки канализационных вод, повышение надежности работающих установок, своевременное обнаружение возможных поломок установок.
Все эти особенности современных систем водоотведения канализационных вод усложняют режим их работы и требуют иного подхода к управлению ими. Дальнейшее совершенствование систем отведения канализационных сточных вод связано 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 для получения и анализа в реальном масштабе времени, на диспетчерском пункте, основных показателей в работе вертикальных электроцентробежных насосов с целью поддержания их работы в оптимальном режиме. Основным параметром, характеризующим работу вертикальных электроцентробежных насосов, является: расход. Все известные устройства для измерения расхода жидкости, в которой находятся различные вещества, эту задачу не решают.
Известно устройство, включающее измерение массового расхода и плотности жидкости, содержащей различные примеси. Устройство состоит из датчиков давления на входе и выходе насоса и датчика для измерения активной мощности, потребляемой вертикальным насосом / 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. Однако в этом устройстве не рассматривается автоматизированная информационная система для измерения расхода вертикальным электронасосом жидкости, содержащей различные примеси.
Сущностью изобретения является оптимизация работы вертикальных электронасосов при перекачке жидкости с различными механическими примесями с получением и анализом в реальном масштабе времени основных показателей работы вертикальных электроцентробежных насосов с целью поддержания их работы в оптимальном режиме.
Технический результат - упрощение процесса измерения и анализа в реальном масштабе времени параметров вертикального электроцентробежного насоса и предусмотренных параметров насосной системы.
с
эд
н
н
вых
вх
01
01
эк
уд
Технический результат достигается тем, что в известной автоматизированной информационной системе для управления насосно-трубопроводным комплексом с вертикальными электроцентробежными насосами для откачки канализационных сточных вод, содержащей насосные станции с приборами для измерения давления, создаваемого электроцентробежными насосами, приборами для измерения электрической мощности, потребляемой электродвигателями привода электроцентробежных насосов, особенностью является то, что она дополнительно снабжена блоком управления для переключения частоты вращения вала работы вертикального электроцентробежного насоса, приборами для измерения температуры корпуса работающих электроцентробежных насосов, приборами для измерения вибрации корпусов электроцентробежных насосов и системой передачи данных от всех приборов на информационный центр, содержащий ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам, используя которые измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости в приямке электроцентробежного насоса, при этом блок управления включается в зависимости от уровня жидкости в яме, из которой электроцентробежный насос берет жидкость, далее включается соответствующая производительность и вычисляется мощность, действующая на валу насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р на коэффициент полезного действия электродвигателя η и η электроцентробежного насоса, вычисляется давление, создаваемое электроцентробежным насосом р, путем вычитания из давления на выходе электроцентробежного насоса р давления на его входе р, по паспортным данным вычисляется значение расходного коэффициента Мо при нулевом расходе в начале рабочей характеристики при работе электроцентробежного насоса на закрытую задвижку, взятых из рабочей характеристики насоса, результат деления давления p на мощность M, полученный экспериментально на момент расчета, по эксплуатационному коэффициенту η определяются отклонения мощности N и давления p от номинальных значений и во всем диапазоне паспортной характеристики полученные отклонения по мощности и давлению учитываются в характеристике электроцентробежного насоса и определяется эксплуатационный коэффициент по характеристике определяется объемный расход, а по нему напор Н, а по напору плотность перекачиваемой жидкости, путем деления действующего давления, создаваемого электроцентробежным насосом, на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса путем умножения давления на результат деления расхода на мощность, удельный расход электроэнергии W путем деления плотности на коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса и электродвигателя с соответствующим коэффициентом, по приборам измеряется температура и вибрация корпуса электроцентробежного насоса, 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 насосной станции.
с
эд
н
н
вых
вх
01
01
эк
эк
н
н
н
уд
н
Предлагаемая автоматизированная информационная система для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей в работе насосной станции с вертикальными электроцентробежными насосами при перекачке канализационных сточных вод, содержащая насосные агрегаты с датчиками давления и датчиками мощности, дополнительно снабжена блоком управления электродвигателем электроцентробежного насоса, датчиками температуры для измерения температуры подшипников и корпуса электроцентробежного насоса, 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 измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости в приямке электроцентробежного насоса, чем выше уровень, тем с большим расходом необходимо качать жидкость, включается блок управления и в зависимости от уровня жидкости в яме, из которой насос берет жидкость, включается соответствующая скорость вращения вала насоса, а следовательно, и его производительность и вычисляется мощность, действующая на валу насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р, на коэффициент полезного действия электродвигателя η и η насоса, 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 Мо при нулевом расходе в начале рабочей характеристики при работе насоса на закрытую задвижку, взятых из рабочей характеристики насоса, результат деления давления p на мощность M полученный экспериментально на момент расчета, по эксплуатационному коэффициенту η определяются отклонения мощности N и давления p от номинальных значений и во всем диапазоне паспортной характеристики полученные отклонения по мощности N и давлению p учитываются в характеристике насоса и определяется эксплуатационный коэффициент η. Определяется объемный расход Q, а по нему напор Н и плотность p перекачиваемой жидкости путем деления действующего давления создаваемого насосом р, на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия насоса КПД путем умножения давления р на результат деления расхода Q на мощность N, удельный расход электроэнергии W путем деления плотности p на коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса η и электродвигателя с соответствующим коэффициентом, по приборам измеряется температура Т и вибрация корпуса электроцентробежного насоса, 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 насосной станции.
На чертежах представлены:
Фиг.1 Общий вид вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5.
Фиг.2 Паспортные рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5.
Фиг.3 Пересчитанные рабочие характеристики насоса для его максимальной скорости вращения вала СДВ 2700/26,5 740 об/мин для графика.
Фиг.4. Увеличенные пересчитанные характеристики насоса для его максимальной скорости вращения вала насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин для графика.
Фиг.5. Новая расходная характеристика насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин M-Q.
Фиг.6 Новая расходная характеристика насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин Q-M.
Фиг.7 Схемы измерения давления p, температуры Т, мощности Е и вибрации В насосной установки с вертикальным электроцентробежным насосом: а) - с помощью переносных приборов или приборов, находящихся на трубопроводе, б) - схема измерения при наличии системы телемеханики, БУ - блок управления электродвигателем привода насоса для перевода на одну из трех скоростей с синхронным числом оборотов вала электроцентробежного насоса.
Общий вид вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 показан на фиг.1
Конструктивно насос состоит из центробежного электронасоса 1, который помещается в яме 2, из которой выкачивается жидкость, электродвигателя 3, находящегося на поверхности на опорах 4, который связан с электроцентробежным насосом валом 5. Всасывание жидкости производится через патрубок 6, а подача жидкости идет через патрубок 7. Давление на входе насоса измеряется на входе патрубка 6, а выходное давление измеряется на выходе патрубка 7. Электродвигатель электроцентробежного насоса работает как синхронный электродвигатель с возможностью переключения на три синхронные скорости. При переключении скоростей необходимо снимать, при пуске насоса при его закрытой задвижке, значения давления и мощности и по ним вычислять эксплуатационный коэффициент и построить три рабочие характеристики с соответствующими оборотами вала электроцентробежного насоса.
На фиг.2 дана заводская рабочая характеристика вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5, по которой в дальнейшем были сделаны все остальные характеристики. Пересчитанная рабочая характеристика электроцентробежного насоса для максимальной скорости вращения вала дана на фиг.3 и с увеличенным параметром - на фиг.4.
Рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин
Расход, Q м<sup>3</sup>/ч
Мощность, N кВт
Напор, Н м
Давление, р кГ/см<sup>2</sup>
КПД насоса, %
0
75,1
37,3
36,7
0
500
125
38
37,3
40
1000
167
37
36,3
60
1500
204
36
35,3
70
2000
241
32
31,4
75
2500
265
28
27,5
76
3000
271
24
25
75
3500
272
19,5
19,5
70
4000
271
17
16,7
64
Рабочие характеристики вертикального насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин и расходным коэффициентом М
Расход, Q м<sup>3</sup>/ч
Мощность, N кВт
Напор, Н м
Давление, р кГ/см<sup>2</sup>
Расходный коэффициент, М кВт/кГ/см<sup>2</sup>
КПД насоса, %
0
75,1
37,3
36,7
2,04-2,04
0
500
125
38
37,3
1,31
40
1000
167
37
36,3
2,56
60
1500
204
36
35,3
3,66
70
2000
241
32
31,4
5,63
75
2500
265
28
27,5
7,63
76
3000
271
24
25
9,45
75
3500
272
19,5
19,5
12,26
70
4000
271
17
16,7
16,23
64
Данные для построения расходных характеристик
Расход, Q м<sup>3</sup>/ч
Расходный коэф, М кВт/кГ/см<sup>2</sup>
Расход, Q м<sup>3</sup>/ч
0
2,04-2,04 0
0
500
1,31
500
1000
2,56
1000
1500
3,66
1500
2000
5,63
2000
2500
7,63
2500
3000
9,45
3000
3500
12,26
3500
4000
16,23
4000
Рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин и расходным коэффициентом М с коэффициентами для графического построения информационной системы
Расход, Q м<sup>3</sup>/ч
Мощность, N кВт
Напор, Нм
Давление, кГ/см<sup>2</sup>
Расходный коэф, М кВт/ кГ/см<sup>2</sup>
КПД насоса, %
0
37,5
186,5
183,5
0
0
500
60
190
186,5
13,1
80
1000
84,8
188,8
182,7
25,6
120
1500
102,6
181,4
176,5
36,6
140
2004
120,5
163,6
157
56,3
155
2500
132,5
140
135,6
76,3
153,2
3000
135,5
120
113,8
94,5
150
3500
136
96,5
92
122,6
140
4000
135,5
85
81
162,3
128
Организация работы рассматриваемой автоматизированной информационной системы.
1. Иметь паспортную рабочую характеристику рассматриваемого насосного агрегата. Фиг.2.
2. Произвести вычисление новой расходной характеристики М - Q, используя паспортные характеристикам по мощности и давлению,
эк
0
о
эк
0
0
2
фиг.3, фиг.4 М=(N/р)η-N/р. кВт/ кГ/см и по вычисленным данным построить на общей характеристике графики M-Q и Q-M фиг.5, фиг.6 и дать их математическое описание. В этой формуле N/р действующие значения мощности и давления по всему диапазону характеристик, η - эксплуатационный коэффициент, N/р - параметры мощности и давления в начале рабочей характеристики насоса.
3. Произвести вычисление и построить графики по давлению по параметрам паспортной напорной характеристики, фиг.5 и фиг.6.
эк
4. Определяется эксплуатационный коэффициент η
эк
0
0
01
01
01
01
η=(N/р).(p/N), где (p/N) - соответственно экспериментальные данные по давлению и мощности в данный момент при работе электроцентробежного насоса на закрытую задвижку в течение одной минуты при его пуске.
н
5. По экспериментальным данным определяем давление р, создаваемое электроцентробежным насосом,
н
вых
вх
2
р=р-р, кГ/см
6. Измеряем мощность, потребляемую электроцентробежным насосом из сети, по датчикам мощности или расчетным путем, по линейному току 1,А и линейному напряжению U, В в трехфазной сети
эд
н
N=√3 I U cos φ η η кВт
эд
н
эд
н
7. С учетом коэффициента полезного действия электродвигателя η и электроцентробежного насоса η, cos φ=0,88, η=0,97, η=0,9.
8. По полученным данным измеряем мощность действующую на валу электроцентробежного насоса
N=1,73. 40.6000. 0,88.0,97. 0,9=292,46 кВт
н
н
вых
вх
2
9. Вычисляется давление, создаваемое электроцентробежным насосом р, р=р-р=66,7-36,7=30 кГ/см
01
01
10. При пуске электроцентробежного насоса при закрытой задвижке так же вычисляются давление р и мощность N0 они равны
01
01
2
р=37 кГ/см, N=76 кВт
11. Вычисляется эксплуатационный коэффициент
э
η=(75,1/36,7). (37/76)=0.98%.
12. Вычисляется расходный коэффициент М, который равен
0
0
2
M=((N/p)0,98-N/p), кВт/(кГ/см), где
2
М=((292/30)0,98-69,69/35,44)=8, кВт/(кГ/см),
13. Определяется объемный расход Q по графику или расчетным путем по уравнению, показанному на графике этой фигуры.
3
По графику Q=2700 м/ч
н
14. Определяем кпд η электроцентробежного насоса
н
H
H
6
2
η=(р Q 10)/102. 3600 N%, где p - давление, создаваемое электроцентробежным насосом кГ/см, N- номинальная мощность из паспортной характеристики кВт, Q - измеренный расход
н
ном
5
2
η=р. Q 10/ 102 3600 N, %, здесь давление p - в кГ/см
н
5
η=(30.2700 10/102 3600 270=81,2%
15. Определяем плотность перекачиваемой жидкости
-6
3
p=p g H=1000 9,81.26,5 10=261 кг/м
м
16. Определяем массовый расход Q
м
-3
-3
Q=Р Q 10 т/ч=261 2700 10=704,7 т/ч
уд
17. Определяем удельный расход электроэнергии, полагая напор Н=1 м, расход Q=1000 т, а мощность, потребляемую электродвигателем привода из сети N, получаем удельный расход электроэнергии насосной установкой W
уд
Н
эл.дв.
W=2,724/ηη кВт.ч//1000 т.м, где g/3,6=2,724, и
н
эл.дв
н
η и η - соответственно η электроцентробежного насоса и кпд
эл.дв
уд
η электродвигателя W=2,724/0,812 0,97=3,44 кВт.ч/1000 т.м
18. При перекачке жидкости с различным удельным весом удельный расход электроэнергии равен
уд
н
эл.дв
-3
W=2,724 р. 10/η η кВт·ч /1000 т.м.
Электроцентробежный насос может работать на одной из трех паспортных характеристик. При этом по каждой характеристике проводится свой расчет аналогичный тому, который делается по первой характеристике. При переходе работы насоса на новую характеристику необходимо соблюдать высокую точность в оборотах вала насоса в соответствии с паспортными значениями.
Знание удельного расхода электроэнергии позволяет объективно оценивать состояние работы насосного агрегата и своевременно принимать меры по устроению возможных неисправностей в его работе.
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.