Характеристика насосной станции и требования, предъявляемые к электроприводу насосов

     Введение 

     Основными потребителями электрической энергии  являются различные отрасли промышленности, транспорта, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство городов и поселков. При этом около 70% потребления электроэнергии приходится на промышленные объекты.

     Электрическая энергия широко применяется во всех отраслях народного хозяйства, особенно для электрического привода различных  механизмов (компрессоров, насосов  и т.д.), для электротехнологических установок (электротермических и электросварочных), а также для электролиза, электроискровой и электрозвуковой обработки материалов, электрокраски и др.

     Для обеспечения подачи электроэнергии в необходимом количестве и соответствующего качества от энергосистем к промышленным объектам, устройствам и механизмам служат системы электроснабжения промышленных предприятий, состоящие из сетей напряжением 1кВ и выше, и трансформаторных, преобразовательных, распределительных подстанций.

     Электроустановки  потребителей электрической энергии  имеют свои специфические особенности; к ним предъявляют определенные требования: надежность питания, качество электроэнергии, резервирование и защита отдельных элементов и др. При проектировании, сооружений и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий необходимо правильно, в технико-экономическом аспекте, осуществлять выбор напряжений, определять электрические нагрузки, выбрать тип, число и мощность трансформаторных подстанций, виды их защиты, системы компенсации электрической мощности и способы ее регулирования напряжения. Это должно решаться с учетом совершенствования технологических процессов производства, роста мощности отдельных электрических приемников и особенности каждого предприятия, цеха, установки, повышения качества и эффективности их работы.

     Передача, распределение и потребление выработанной электроэнергии на промышленных предприятиях должны производится с высокой экономичностью и надежностью.

     В системе цехового распределения  электрической энергии широко используются КРУ, подстанции, силовые и осветительные  шинопроводы. Это создает гибкую и надежную систему распределения, в результате чего экономится большое количество проводов и кабелей.

     Упрощены  схемы подстанций различных напряжений и назначений за счет, например, отказа от выключателей на первичном напряжении с глухим присоединением трансформаторов подстанций к питающим линиям. Широко применяют современные системы автоматики, а также простые и надежные устройства защиты отдельных элементов системы электроснабжения промышленных предприятий. Все это обеспечивает необходимое рациональное и экономическое расходование электроэнергии во всех отраслях промышленности, являющихся основными потребителями огромного количества электроэнергии, которая вырабатывается на электростанциях, оснащенных современным энергетическим оборудованием.

     Для Республики Молдова основными источниками  электрической энергии являются: Дубосарская ГЭС; Костештская ГЭС; Молдавская ГРЭС (Кучурганская) – это  внутренние источники электрической  энергии Республиканского значения. Также Республика Молдова импортирует электрическую энергию из Украины, Румынии и др. Большинство из крупных городов получают электроэнергию от CET-1 и CET-2 г.Кишинев, (CET-Nord) города Бельцы.

     Основными величинами напряжений в Республике Молдова потребляемые электроприемниками являются: 400, 330, 110, 35, 10 кВ – это величины высокого напряжения, и 0,4; 0,23 кВ - это низкие напряжения. Напряжение 6 кВ в Республике Молдова широко не применяется, но на предприятиях еще используются электрические двигатели на такое напряжение.

     Характеристика насосной станции и требования, предъявляемые к электроприводу насосов 

     Насосные  установки широко применяются на электромашиностроительных предприятиях для перекачивания жидких сред, а  также технологической и охлаждающей  воды. Сюда относятся насосы для перекачки охлаждающей эмульсии в металлообработке, насосы в системе водоснабжения и канализации, специальные насосы для химических сред в гальванических цехах, насосы для пропиточных составов, лакокрасочных материалов и т.п.

     Наиболее  широкое распространение получили установки с центробежными насосами. В спиральном корпусе насоса помещается рабочее колесо с лопатками. При вращении колеса двигателем жидкость, поступающая к центру колеса из заборного резервуара через всасывающий трубопровод и открытую задвижку, центробежной силой выбрасывается по лопаткам на периферию корпуса. В результате в центре рабочего колеса создается разряжение, жидкость засасывается в насос, снова выбрасывается и далее подается в напорный трубопровод. Таким образом, в системе при открытой задвижке создается непрерывное течение, и центробежный насос имеет равномерный ход.

     Перед пуском центробежный насос нужно  заполнить жидкостью. Насос может  находиться как ниже, так и выше уровня жидкости. Если он расположен ниже уровня, то для его заливки достаточно открыть вентиль задвижки. Если же насос находится выше уровня перекачиваемой жидкости, то для заливки требуется создать разряжение внутри корпуса при помощи специального вакуум-насоса, в качестве которых обычно применяют поршневые насосы. После заливки насоса может быть включен приводной двигатель. Применяют три способа пуска:

     I. Пуск при закрытой напорной задвижке, при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается Пуск при закрытой напорной задвижке, при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается гидравлический удар в системе. От двигателя не требуется повышенный пусковой момент, так как пуск происходит практически вхолостую, но дополнительно тратится время на последующее открытие задвижки.

     II. Пуск при открытой напорной задвижке удобен, если насос расположен ниже уровня жидкости в заборном резервуаре и имеется обратный клапан. В этом случае не тратится время на открытие задвижки, и общее время агрегата меньше, хотя пуск самого двигателя более длителен из-за увеличение Мс.п.

     III. Пуск с одновременным включением привода открывания напорной задвижки насоса можно рассматривать как частные случаи первого и второго способов в зависимости от соотношения времени открывания задвижки и пуска насоса.

     По  способу действия насосы бывают не только центробежного типа, но и  поршневого.

     Поршневые насосы применяются для перекачивания  воды при больших высотах всасывания (до 5 – 6 м). Ввиду возвратно-поступательного  движения поршня для таких насосов, как и для поршневых компрессоров, характерны неравномерность хода и пульсации нагрузки на валу (при всасывании жидкости имеет место холостой ход, при сжатии – рабочий ход). Поэтому работа поршневых насосов сопровождается неравномерным течением жидкости в напорном трубопроводе. Для сглаживания пульсаций нагрузки и повышения равномерности хода применяют в одном насосе несколько рабочих цилиндров, а на валу устанавливают маховик.

     Поршневые насосы пускаются при открытой задвижке на напорном трубопроводе, иначе может  произойти авария. Если насос работает на магистраль, поддерживается постоянный напор Н, то поршню при каждом ходе приходится преодолевать постоянное среднее усилие независимо от скорости перемещения. Среднее значение мощности на валу насоса Рср = сНQ, но так как Н = const, то Рср = с1Q = с2ω. Следовательно, среднее значение момента на валу насоса при постоянном противодавлении не зависит от угловой скорости вала: 

     Мcp = Рcp /ω = с2 ω/ω = const. 

     Таким образом, поршневой насос пускается  в ход под нагрузкой, и от приводного двигателя требуется повышенный пусковой момент. 

     Выбор системы электропривода насосов 

     Насосы  относятся к числу механизмов с продолжительным режимом работы и постоянной нагрузкой. При отсутствии электрического регулирования скорости в насосных агрегатах небольшой мощности обычно применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от сети 380 В. Для привода насосов мощностью свыше 100кВт устанавливают асинхронные и синхронные двигатели на 6 и 10 кВ с прямым пуском, т.е. с включением на полное напряжение сети.

     Двигатели поршневых насосов соединяются  с валом насоса через замедляющую  передачу (клиноременную или зубчатую), поскольку поршневые насосы являются тихоходными механизмами. Центробежные насосы в большинстве случаев  выполняются быстроходными, поэтому их приводные двигатели имеют высокую угловую скорость (ω0 = 150 – 300 рад/с) и соединяются с валом насоса непосредственно.

     Для центробежного насоса особо важен  правильный выбор угловой скорости двигателя, т. к. производительность насоса (Q), создаваемый им напор (Н), момент (М) и мощность (Р) на валу двигателя зависят от угловой скорости ω. Для одного и того же насоса значение Q1, Н1, М1 и Р1 при скорости ω1 связаны со значением Q2, Н2, М2 и Р2 при скорости ω2 соотношениями:

       

     

       

     Эксплуатационные  свойства механизмов центробежного  типа (насосов, компрессоров, вентиляторов) определяются зависимостью напора Н (давление жидкости или газа на выходе механизмов) от производительности Q при различных угловых скоростях ω механизма. Эти зависимости, называемые Q – H-характеристиками, обычно приводятся в виде графиков в каталогах для каждого механизма.

     Для того, чтобы определить параметры  Н и Q насоса, необходимо знать Q –  Н-характеристику магистрали, на которую будет работать насос. Пересечение характеристик насоса и магистрали дает значение Н и Q, т.е. определяет режим работы механизма при различных скоростях его рабочего колеса. Полный напор в системе складывается из статического Нс и динамического Ндин напоров, при этом вторая составляющая напора пропорциональна квадрату скорости либо квадрату производительности насоса:  

     Н = Нс + Ндин = Нс + сQ2. 

     В системе с преобладанием статического напора при незначительном изменении  скорости двигателя от ω1 = ωном до ω3 характеристика насоса не пересекается с характеристикой системы. Это значит, что насос перестает подавать жидкость в систему. Такое положение может иметь место при асинхронном приводе насоса, когда снижение напряжения сети (Uc) обуславливает уменьшение скорости двигателя. Что может вызвать остановку насоса.

     Если  в системе преобладает динамический напор, то снижение Uc не приводит к остановке  асинхронного двигателя, однако производительность насоса уменьшается. При синхронном приводе насоса снижение Uc не изменяет скорости двигателя, и подача жидкости в систему не прекращается, но оно вызывает увеличение угла отставания θ ротора от статора и уменьшение Ммакс синхронного двигателя; при значительном снижении Uc двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. 

     Расчет  мощности приводных  электродвигателей  насосов 

     Выбираем  асинхронный двигатель типа АИ (асинхронный  интер-электродвигатель) предназначенный  для замены АД серии 4А и 4АМ в соответствии с рекомендацией Международной  Электротехнической Комиссией (МЭК). Двигатель основного исполнения имеет степень защиты 1Р43 (защищенное исполнение). По климатическому исполнению выбираем водостойкий.

     Определяем  мощность электродвигателей: 

     Рдв = kз  

     где ρ – плотность перекачиваемой жидкости кг/м3.

     g – ускорение свободного падения  – 9,81 м/с.

     Q – производительность насоса  – 60 м3/ч (0,0166 м3/с).

     Н – статистический напор, определяемы  как сумма высоты всасывания и  нагнетания: hв + hн = 8+20=28 м.

     ΔН  – потери напора в трубопроводе насосной установки – 1,2 м. 

     КПД – ηном = 0,7, ηП = 0,9

     Кз = 1,2

     И так, мощность электродвигателя составит: 

     Рдв =

     Рдв = 54.5 кВт ≈55 кВт 

     Мощность  одного приводного электродвигателя 55 кВт. На основании расчетов и исходных данных выбираем электродвигатель типа АИР250М6, технические данные которого приведены в таблице (Литература 3 «Справочник электромонтера» В.В. Москоленко, издательство «Академия», Москва 2005).