СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ
METHOD TO CONTROL WATER-DRAINAGE PLANT OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к водоотливным установкам с многоступенчатыми (секционными) насосными агрегатами и может найти применение, в частности, на главных водоотливных установках шахт и рудников.
Известен и получил широкое применение в насосных установках промышленного и бытового водо- и теплоснабжения с переменным потреблением перекачиваемой среды способ регулирования режима работы насосного агрегата изменением частоты вращения рабочего колеса насоса, позволяющий экономить до 30-40% электроэнергии и до 12-15% воды и тепла [Ильинский Н.Ф. Электропривод в современном мире. Сб. материалов V международной (XVI Всероссийской) научн. конф., 18-21 сентября 2007, Санкт-Петербург, 2007, с.17-19 или Ремезов А.Н. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода на теплоснабжающих предприятиях ЖКХ. Приводная техника, №3, 2007, с.2-7].
Известны предложения по реализации данного способа применением регулируемого электропривода насосных агрегатов на главных водоотливных установках шахт и рудников с целью повышения энергетических показателей их работы [Бабокин Г.И. Энергосбережение в насосных станциях водоотлива средствами регулируемого электропривода. Горный информационно-аналитический бюллетень, №11, 2005, с.305-306; Тимухин С.А. Математические модели функционирования и оптимизации комплексов главных водоотливных установок. Изв. вузов. Горный журнал, №4, 2002, с.121-122; Черняховский Р.Л. Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков. Автореф. дис. канд. тех. наук. Санкт-Петербург. 2003; RU 2157468 C1, 10.10.2000].
Наиболее близким к изобретению является способ регулирования режима работы водоотливной установки, содержащей секционные насосные агрегаты в комплекте с одноколесными подкачивающими насосами, изменением частоты вращения рабочего колеса насоса (RU 2311563 С1, 27.11.2007).
Недостатками известного способа, как и ранее описанных аналогов, являются следующие:
1. Использование в приводе насосных агрегатов высоковольтных (6 кВ) асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором сравнительно большой мощности (600-1200 кВт и более), требующих для регулирования частоты вращения дорогостоящих преобразователей частоты. Как следствие, применение известного метода регулирования режима работы шахтных водоотливных установок во многих случаях оказывается экономически неоправданным, поскольку дополнительные инвестиции на его реализацию окупаются за неприемлемо длительное время.
Г
С
3
2. Насосный агрегат (или рабочая группа из нескольких агрегатов) должны в течение суток выдать на поверхность шахты (поднять на геодезическую высоту Н, м) объем воды, равный суточному притоку Q, м, т.е., независимо от частоты вращения рабочих колес насоса, выполнить одну и ту же полезную работу
затратив на это из питающей сети количество электрической энергии, определяемое по формуле
2
где g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с;
3
ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м;
0
η - общий кпд водоотливной установки, равный произведению коэффициентов полезного действия насоса, трубопровода, приводного электродвигателя, преобразователя (при наличии такового) и сети.
Из (1) и (2) следует, что минимизировать расход электроэнергии можно только обеспечением работы насосной установки с максимальным значением общего кпд (с минимальным удельным расходом энергии).
Такой режим работы для шахтных водоотливных установок с секционными насосами ЦНС [Попов В.М. Водоотливные установки. Справочное пособие. Москва, Недра, 1990] имеет место при частотах вращения рабочих колес в диапазоне 0,9…0,94 номинальной частоты вращения [Черняховский Р.Л. Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков. Автореф. дис. канд. тех. наук. Санкт-Петербург, 2003]. Однако режим работы насосной установки в процессе ее эксплуатации не остается постоянным из-за постепенного изменения характеристик насосных агрегатов, трубопровода и по ряду других причин. Поэтому априори оптимальная с точки зрения минимальных затрат энергии частота вращения неизвестна.
Г
3. В общем напоре Н, развиваемом насосным агрегатом, преобладающую долю (90…95)% составляет напор, связанный с преодолением геодезической высоты подачи Н, и только (5…10)% напора затрачивается на преодоление потерь напора ΔН в трубопроводе [Попов В.М. Водоотливные установки. Справочное пособие. Москва, Недра, 1990]. Благодаря указанной особенности необходимое изменение подачи ΔQ насосного агрегата обеспечивается изменением его напора ΔН в узком диапазоне, составляющем долю напора, развиваемого одним рабочим колесом.
В этом случае при использовании мощных асинхронных частотно-регулируемых приводов для секционных насосов главных водоотливных установок шахт возникает техническое противоречие: регулирующее воздействие оказывается на все рабочие колеса насоса, тогда как для обеспечения энергоэффективного режима работы установки достаточно было бы регулировать только одно из колес.
Задачей изобретения является разрешение указанного выше технического противоречия и повышение благодаря этому экономической эффективности регулирования режима работы водоотливной установки.
Для достижения технического результата в способе регулирования режима работы водоотливной установки, содержащей секционные насосные агрегаты в комплекте с одноколесными подкачивающими насосами, изменением частоты вращения рабочего колеса насоса согласно изобретению регулирование режима работы осуществляют изменением частоты вращения рабочего колеса подкачивающего насоса при оборудовании его низковольтным асинхронным частотно-регулируемым приводом.
Периодически, после очередного запуска в работу насосного агрегата, измеряют подачу насоса Q и мощность Р, потребляемую приводом основного насосного агрегата, определяют удельный расход электроэнергии E=P/Q и изменением частоты выходного напряжения преобразователя, питающего приводной электродвигатель подкачивающего насоса, устанавливают режим работы насосной установки, соответствующий минимальной величине удельного расхода Е.
T
Г
Т
2
Величину подачи насосного агрегата оценивают по результатам измерения напора Н на выходе насоса с использованием соотношения  где R - постоянная трубопровода, определенная из уравнения трубопроводной сети H=H+R·Q по предварительно измеренным значениям Н и Q.
Предлагаемый способ регулирования поясняется чертежом, на котором изображены характеристики насосной установки и трубопроводной сети в координатах: напор Н - подача Q, где:
1 - напорная характеристика основного насосного агрегата;
1
2
1
2, 3 - напорные характеристики подкачивающего насоса при номинальной частоте вращения n и при частоте вращения n<n, соответственно;
1
2
4, 5 - результирующие характеристики насосной установки при частотах вращения подкачивающего насоса n и n, полученные, соответственно, в результате сложения ординат характеристик 1, 2 и 1, 3;
6 - характеристика трубопроводной сети.
1
2
1
Точки А и В соответствуют режимам работы водоотливной установки при частотах вращения привода подкачивающего насоса n и n<n.
Благодаря жесткой характеристике 6 трубопроводной сети при регулировании характеристики подкачивающего насоса изменением частоты вращения его рабочего колеса происходит соответствующее изменение результирующей характеристики водоотливной установки с изменением в требуемых пределах подачи ΔQ при ограниченном изменении напора ΔН.
Стоимость преобразователя частоты при таком варианте регулирования снижается в десятки раз по сравнению с частотным регулированием привода основного насосного агрегата, поскольку мощность низковольтного асинхронного привода подкачивающего насоса составляет десятки кВт (так, для серийно выпускаемого подкачивающего насоса ВП340-18А 37 или 45 кВт при напряжении 380/660 В [Попов В.М. Водоотливные установки. Справочное пособие. Москва, Недра, 1990]). Соответственно существенно возрастает экономическая эффективность и расширяется область рационального применения предлагаемого способа регулирования.
При этом для обеспечения энергосберегающего режима работы водоотливной установки периодически, после очередного ее запуска в работу, измеряют подачу насоса Q и мощность Р, потребляемую приводом основного насосного агрегата, определяют удельный расход электроэнергии E=P/Q и изменением частоты выходного напряжения преобразователя, питающего приводной электродвигатель подкачивающего насоса, устанавливают режим работы насосной установки, соответствующий минимальной величине удельного расхода Е. Такое подрегулирование может осуществляться непосредственно оператором или же автоматическим устройством управления преобразователем частоты.
Поскольку характеристики насосного агрегата и трубопроводной сети изменяются в процессе эксплуатации шахтной водоотливной установки сравнительно медленно, процедура настройки установки на оптимальный по расходу электроэнергии режим работы может производиться через промежутки времени, уточняемые опытным путем.
Г
Т
T
T
T
2
Учитывая, что к техническим средствам измерения подачи Q при реализации поставленной задачи не предъявляются жесткие требования по точности, с целью существенного упрощения и удешевления технического решения по измерению подачи в сравнении с известными, например, предложенными в RU 2157468 С1, величину подачи можно оценивать косвенно из уравнения характеристики трубопроводной сети Н=Н+Р·Q, где R - постоянная трубопровода. По результатам измерения напора Н на выходе насоса и подачи Q известными методами предварительно определяют величину R, а затем подачу насосного агрегата определяют косвенно по показаниям Н манометра: . По мере необходимости величина постоянной трубопровода R может периодически уточняться.
Применение подкачивающих насосов несколько усложняет и удорожает водоотливную установку, но, помимо обеспечения экономичного энергосберегающего регулирования режима работы насосной установки, позволит дополнительно повысить срок службы насосов благодаря устранению кавитационных явлений, которые, как показывает опыт, в той или иной степени проявляются на большинстве главных водоотливных установок шахт. При этом следует иметь в виду, что ряд центробежных секционных насосов, например ЦНС 300-650…1300, с отрицательной допустимой высотой всасывания предназначены для работы только с подкачивающими насосами [Попов В.М. Водоотливные установки. Справочное пособие. Москва, Недра, 1990].