Лабораторна робота № 9 Вивчення автоматизованої насосної станції «каскад»

Мета роботи:отримати навички в дослідженні, розрахунку та використанні автоматизованої насосної станції "Каскад".

Прилади та обладнання:

1. Вольтметри ~ 300 В.

2. Амперметри ~ 30 А (3 шт.).

3.Універсальний лабораторний стенд з джерелами напруг змінного струму 0-220В промислової частоти 50Гц.

7.З’єднувальні провідники.

Основні теоретичні положення:

У сільському господарстві воду використовують для комунально-побутових (водопостачання жилих і громадських будинків поливання зелених насаджень і квітників тощо) та виробничих потреб (напування тварин і птиці, приготування рідких і вологих кормів, обробки і переробки сільсько-господарської продукції і т. ін.).

Середньодобові витрати води в господарстві, м³,

Q_ср.д = ,(1)

де: q_i- добова норма витрат води одним споживачем і-го виду, м³;m_i — кількість споживачів і-го виду;n— кількість видів споживачів.

Система водопостачанняскладається з джерела води, водоза­бірної споруди, насосної установки та водопровідної мережі.

Джерелами водиможуть бутивідкриті водойми(ріки, озера, водосховища, канали, ставки) тапідземні води(ґрунтові, міжпластові), якість води в яких відповідає вимогам водоспоживачів. Для господарсько-питних водопроводів треба максимально використо­вувати підземні води, що задовольняють санітарно-гігієнічні вимоги. Використання підземних вод питної якості для потреб, не зв'язаних з господарсько-питним водопостачанням, як правило, не допускається .

Для забирання води з джерел використовують спеціальні водозабірні споруди. З відкритих водойм воду забирають за допомогою берегових незатоплюваних водоприймачів, руслових затоплюваних водоприймачів та нестаціонарних водоприймальних пристроїв фунікулерного і плавучого типів, а з підземних джерел — за допомогою шахтних і бурових (трубчастих) колодязів.

Піднімають воду з водозабірних споруд і подають її у водопро­відну мережу за допомогою насосної установки, що складається з насоса, електропривода, всмоктувальної і напірної труб та на­пірно-регулювальної ємкості.

З водозабірних споруд усіх видів, динамічний рівень води в яких не глибше 5...7 м від поверхні землі, воду піднімають пе­реважно насосними установками з відцентровими насосами типів К і КМ та вихровими насосами типів В і ВК, а глибоких шахтних і бурових колодязів — насосними установками з заглибними від­центровими насосами типів ЭЦВ і ЭПН.

Відцентровий насос типу К (консольний)складається з корпуса, горизонтального вала з підшипниками та лопатевого робочого колеса, насадженого на кінець вала. Електропривод насоса — індивідуальний, здійснюється від трифазного асинхронного короткозамкненого двигуна вологоморозостійкого або сільськогосподарського виконання. Конструктивне виконання і спосіб монтажу двигуна — ІМ1001 (з двома підшипниковими щитами, на лапах). Передавальний пристрій — пружна муфта.

Відцентровий насос типу КМ (консольний моноблок-насос)конструктивно відрізняється від насоса типу К тим, що його робоче колесо не має свого вала, а насаджується без­посередньо на подовжений кінець вала приводного електродвигуна. Конструктивне виконання і спосіб монтажу двигуна — ІМ2001 (на лапах з фланцем на одному підшипниковому щиту), корпус насоса кріпиться до фланця двигуна.

Перед пуском відцентрового насоса його корпус і всмоктувальну трубу треба заповнити водою. Для того щоб при заповненні вода не витікала, на кінці всмоктувальної труби встановлюють зворотний клапан.

Вихрові насоси типів В і ВК є різновидністю відцентрових. Робоче колесо вихрового насоса має вигляд диска, на якому по колу в радіальному напрямі вифрезеровані пази. При цьому перемички, що утворилися між пазами, виконують функції лопатей робочого колеса. Всмоктувальний і напірний патрубки кор­пуса насоса розміщені у верхній його частині, тому під час зупинки насоса вода з корпуса не витікає і заливати її в корпус перед по­вторним пуском не потрібно. На початку роботи насоса повітря із всмоктувальної труби усувається самим насосом, внаслідок чого в ній створюється розрідження і вода під дією атмосферного тиску надходить в корпус насоса і далі за допомогою робочого колеса подається в напірну трубу.

Вихрові насосипорівняно звідцентровимимають низький к. к. д. (25...35% проти 50...70 % у відцентрових) і порівняно малу подачу. Напір, створюваний цими насосами, в 3...4 рази пе­ревищує напір відцентрових насосів.

Електроприводвихрових насосів такий самий, як і відцентро­вих насосів типу К.

Заглибний електронасос типу ЭЦВ— це насосний агрегат, який складається з вертикального багатоступін­частого відцентрового насоса і заглибного трифазного асинхронного короткозамкненого двигуна типу ПЭДВ, співвісно з'єднаних між собою жорсткою муфтою. Агрегат утримується у свердловині в під­вішеному стані за допомогою водопідйомної труби. Насос має кілька окремих секцій. Кожна секція складається з робочого колеса, напрямного апарата (лопатевого відводу), перегородки та зовнішньої обойми. Електродвигун розміщений в нижній частині агрегату. Від електромережі він живиться по кабелю, прикріпленому вздовж водопідйомної труби. Вхідний отвір насоса розташований між дви­гуном і насосом і закритий сітчастим фільтром. Всмоктувальний патрубок насоса з'єднаний з корпусом верхнього підшипника дви­гуна, а напірний — з водопідйомною трубою.

Електродвигун типу ПЭДВмає водостійку ізоляцію з полівініл-хлоридного пластикату і призначений для роботи у воді. Робота двигуна в повітряному середовищі недопустима навіть коротко­часно.

У водопровідну мережу насос може подавати воду безпосередньо, через напірно-регулювальну ємкість або комбіновано. Спосіб подачі залежить від територіального розташування водоспоживачів, нерівномірності водопостачання тощо. При дуже нерівномірному використанні води насос не можна приєднувати безпосередньо до водопровідної мережі, тому що при такому приєднанні разом із зміною витрат води в широких межах змінюватимуться подача насоса і напір у водопровідній системі, внаслідок чого порушуватиметься дія елементів автоматики та виникатимуть незручності в користуванні водопроводом. При різкому скороченні витрат води напір може збільшитись настільки, що виникне небезпека серйозних аварій у системі розподілу води, розрахованій на певний напір.

Щоб забезпечити більш надійний і економічно вигідний, рівномірний режим роботи насоса з незмінною подачею і постійним напором у водопровідній мережі, в насосних установках обладнують напірно-регулювальну ємкість. Такою ємкістю може бути бак водонапірної башти (баштові водонасосні установки) або герметичний повітряно-водяний котел (безбаштові водонасосні установки). Промисловість випускає комплекти обладнання автоматизованих водонасосних установок із збірно-блочними водонапірними баштами БР-15У, БР-25У, БР-50У тощо і безбаштові автоматизовані водо­підйомні установки ВУ-7-65, ВУ-10-80, ВУ-16-28 та ін.

Баштові насосні установкинайбільш поширені. Докомплекту обладнання баштової насосноїустановки входять: насос, електродвигун, станція (комплектний пристрій) керування, водонапірна башта, датчики рівня води в її баку тощо.

Водонапірну башту вибирають так, щоб об'єм її бака v_Бі висота від землі до дна бакаН_Ббули не меншими від розрахункових значень цих параметрівv_Б,РіН_Б.Ртобто щоб виконувалися умови:

v_Б ≥ v_Б,Р і Н_Б ≥ Н_Б.Р .

Розрахунковий об'єм бака водонапірної башти, м³,

v_Б,Р = v_РЕГ + v_АВ + v_ПОЖ , (2)

де: v_РЕГ— регулювальний об'єм води в баку водонапірної башти, м³;v_АВ— аварійний запас води, м³;v_ПОЖ — протипожежний запас води, м³.

Регулювальний об'єм води в баку водонапірної башти автомати­зованої насосної установки, м³, орієнтовно можна визначити за формулою

v_РЕГ = , (3)

де: і— коефіцієнти добової і годинної нерівномірності витрат води (приймають за даними будівельних норм і правил);n— кіль­кість вмикань насоса за годину (приймають до 6).

Аварійний запас води, м³,

v_АВ = Q_МАКС.Г t_АВ (4)

де: t_АВ— час, потрібний для усунення можливої аварії (здебільшого приймаютьt_АВ= 2 ... З год).

Протипожежний запас води, м³,

V_ПОЖ = 3,6 Q_ПОЖn_ПОЖ t_ПОЖ , (5)

де: Q_ПОЖ— витрати води на гасіння пожежі, л/с (приймають за да­ними будівельних норм і правил);n_ПОЖ— розрахункова кіль­кість одночасних пожеж (для сільськогосподарських виробничих комплексів приймають залежно від площі, яку вони займають - одна пожежа при площі 150 га, дві пожежі - понад 150 га);t_ПОЖ- три­валість гасіння пожежі (бак водонапірної башти повинен мати протипожежний запас води, розрахований на 10-хвилинну тривалість гасіння пожежі), год.

Розрахункову висоту водонапірної башти, м, визначають за формулою

Н_Б.Р = Н_В + h + (Z_Д – Z_Б), (6)

де: Н_В— потрібний вільний напір вихідного струменя води у точці розрахункового (найбільш невигідного) водорозбору (у диктуючій точці), м;h— втрати напору у водопроводі від бака водонапірної башти до диктуючої точки, м;(Z_Д – Z_Б) - різниця геодезичних відміток землі біля диктуючої точки і біля башти, м.

Мінімальний вільний напір у водопровідній мережі населеного пункту при господарсько-питному водоспоживанні потрібно при­ймати: на вводі в будинок (над поверхнею землі) при одноповерховій забудові не менше 10 м, при більшій кількості поверхів на кожний поверх треба додавати 4 м, біля водорозбірних колонок —не менше 10 м.

Втрати напору у водопроводі від бака до диктуючої точки, м,

h = ,(7)

де: — сума втрат напору на подолання тертя вздовж труб на всіх ділянках водопроводу, м;— сума втрат напору в місце­вих опорах (коліна, вентилі, крани тощо), м.

Втрати напору на подолання тертя вздовж труби на заданій ді­лянці водопроводу h_Т, м, та в кожному з місцевих опорівh_М,м, визначають за формулами:

h_Т =, (8)

h_М = ,(9)

де:— коефіцієнт гідравлічного опору;l— довжина труби, м;d—діаметр труби, м;V— швидкість руху води в трубі, м/с;g— прискорення вільного падіння, м/с2;— коефіцієнт місцевого опору.

Насос баштової водонасосної установки вибирають так, щоб його номінальна подача Q_Н.НОМбула не меншою від максимальних годинних витрат води в господарстві Q_МАКС,Г, а номінальний напірН_Н.НОМбув не меншим від розрахункового напору Н_Р , потрібного для подачі води в бак водонапірної башти, тобто, виходячи з умов,

Q_Н.НОМ ≥ Q_МАКС,Г і Н_Н.НОМ ≥ Н_Р .

Максимальні годинні втрати води, м³/год, визначають за формулою

Q_МАКС,Г = , (10)

де: Q_СР,Д — середньодобові витрати води в господарстві, м³;і — коефіцієнт добової і годинної нерівномірності витрат води (приймають за даними будівельних норм і правил).

Розрахунковий напір, м (Рис.1),

Н_Р = Н_ВС + Н_НАГ + h_В,Н = (Z_Б – Z_В) + Н_Б + Н_БК + h_В,Н , (11)

де: Н_ВС— висота всмоктування (відстань від рівня води у водозабірній споруді до осі насоса), м;Н_НАГ— висота нагнітання (відстань від осі насоса до максимального рівня води в баку водона­пірної башти); м; h_В,Н — втрати напору у всмоктувальній і напір­ній трубах, м;(Z_Б – Z_В)— різниця геодезичних відміток землі біля водонапірної башти та мінімального рівня води у водозабірній споруді, м; Н_Б— висота башти (від землі до дна бака), м;Н_БК— висота максимального рівня води в баку, м.

Рис.1. Технологічна схема баштової водокачки.

Висоту максимального рівня води в баку з плоским дном визна­чають за формулою

Н_БК = ,(12)

де: S— площа дна бака, м².

Втрати напору у всмоктувальній і напірній трубах визначають :іа формулами (7)...(9).

Електродвигун, потрібний для привода насоса, вибирають за загальною методикою, наведеною вище.

Номінальна потужність двигуна Рдв.номповинна дорівнювати або бути трохи більшою від його розрахункової потужностіРдв.р, тобто мусить виконуватись умова:Рдв.ном ≥ Рдв.р .

Розрахункова потужність двигуна, кВт,

Рдв.р = (Q_Н.НОМ Н_Н.НОМg K_ЗАП)/(η_Н,НОМ η_ПЕР) , (13)

де: Q_Н.НОМ — номінальна подача насоса, м³/с; Н_Н.НОМ— номінальний напір, м; — густина води, кг/м³; g—прискорення вільного падін­ня, м/с²; η_Н,НОМ — номінальний к. к. д. насоса;η_ПЕР— к. к. д. передачі;Кзап— коефіцієнт запасу потужності (беруть при потуж­ності: до 0,75 кВт —2; від 0,75 до 1,5 кВт —1,5; від 1,5 до 3,5 кВт —1,2; від 3,5 до 35 кВт —1,15і при потужностіпонад 35 кВт—1,1).

Важливою особливістю відцентрових насосів є те, що їх об'ємна подача пропорціональна першому степеню, напір і момент статич­них опорів — другому, а споживана потужність — третьому сте­пеню частоти обертання. Тому при визначенні потужності двигуна, необхідного для привода насоса, треба враховувати розбіжність між номінальною і фактичною частотами його обертання.

Перерахування основних параметрів відцентрових насосів мож­на виконати за формулами:

Q_Н.ФАК = Q_Н.НОМ( n_Н,ФАК/ n_Н,НОМ); H_Н.ФАК = H_Н.НОМ( n_Н,ФАК/ n_Н,НОМ)² ; (14)

M_Н.ФАК = M_Н.НОМ( n_Н,ФАК/ n_Н,НОМ)²; P_Н.ФАК = P_Н.НОМ( n_Н,ФАК/ n_Н,НОМ)³ , (15)

де: n_Н,ФАК і n_Н,НОМ — фактична і номінальна частоти обертання насоса; Q_Н.ФАК , H_Н.ФАК , Мн.фак і P_Н.ФАК — подача, напір, момент статичних опорів і споживана потужність насоса при фактичній частоті обертання; Q_Н.НОМ , H_Н.НОМ , M_Н.НОМ і P_Н.НОМ — те саме, при номінальній частоті обертання.

Режим роботи електропривода баштової автоматизованої водо-насосної установки залежить від номінальної подачі насоса Q_Н.НОМ, витрат води в системі водопостачанняQ_ста регульованого об'єму води в баку водонапірної баштиV_РЕГ.

Тривалість роботи приводного електродвигуна насосної установки

t_Р = V_РЕГ/( Q_Н.НОМ - Q_с) . (16)

Тривалість паузи в роботі двигуна

t_П = V_РЕГ/Q_с . (17)

Тривалість одного циклу

t_Ц = t_Р + t_П = V_РЕГ/( Q_Н.НОМ - Q_с) + V_РЕГ/Q_с =

=( Q_Н.НОМ V_РЕГ)/( Q_Н.НОМ Q_с - Q_с²) . (18)

Відносна тривалість вмикання

= t_Р /t_Ц = (V_РЕГ ( Q_Н.НОМ Q_с - Q_с² )) / (( Q_Н.НОМ - Q_с)Q_Н.НОМ V_РЕГ)) = = Q_с/ Q_Н.НОМ . (19)

Частота вмикання двигуна

Z = 1/t_Ц =( Q_Н.НОМ Q_с - Q_с²)/( Q_Н.НОМ V_РЕГ) . (20)

Для визначення витрат води в системі, при яких частота вмикання двигуна максимальна, треба від виразу (20)взяти першу похідну поQ_сі прирівняти її до нуля:

dZ/dQ_с = ( Q_Н.НОМ - 2Q_с)/( Q_Н.НОМ V_РЕГ) = 0. (21)

Розв'язавши рівняння (20)відносноQ_с , матимемо

Q_с = Q_Н.НОМ /2. (22)

Після підстановки в рівняння (20)замість Q_сйого значенняQ_Н.НОМ /2 , одержимо формулу для визначення максимальної частоти вмикання двигуна.

Z_макс = (Q_Н.НОМ((Q_Н.НОМ/2)– (Q_Н.НОМ/2)²))/( Q_Н.НОМV_РЕГ) = Q_Н.НОМ/(4V_РЕГ). (23)

Аналіз рівнянь (19)і(20)показує, що при зменшенні витрат води в системі водопостачання (Q_с< 0,5Q_Н.НОМ) відносна трива­лість і частотаZвмикання електродвигуна баштової насосної шовки також зменшуються. При певних значеннях і Zрежим роботи двигуна стаєкороткочасним, а його нагрівання — наймен­шим. При збільшенні витрат води в системі (Q_с> 0,5Q_Н.НОМ) відносна тривалість вмикання збільшується, а частота вмикання змен­шується. При певних значеннях цих величин режим роботи двигуна є повторно-короткочасним. Нагрівання двигуна вище, ніж у корот­кочасному режимі. Коли (Q_с=Q_Н.НОМ), відносна тривалість вмикан­ня = 1, а частота вмиканняZ= 0. Режим роботи двигуна стаєтривалим, а його нагрівання — найбільшим. Тому електродвигун, потрібний для привода насоса, вибирають із серії машин, призначених для тривалого режиму роботи.

Автоматичне керування сучасними баштовими водонасосними установками з заглибними електронасосамиздійснюється за допомогою систем керування серіїСАУНАі комплектних пристроїв"КАСКАД. Впроваджуються у виробництво Універсаль­ні станція керування і захисту для заглибних електродвигунів УСУЗ та інші сучасні станція керування і захисту.

До комплектного пристрою «Каскад»входять: ящик керування типу ЯНН, електродні датчики нижнього і верхнього рівнів (у пристроях з автоматичним керуванням за рівнем води в баку водонапірної башти) або електроконтактний манометр (у пристроях з автоматичним керуванням за тиском води у водонапірній трубі) та електродний датчик сухого ходу.

Основними складовими частинами ящика керування є силова апаратура і блок керування E1FQтипуБОН9200, який має чарунку керування і захисту, що забезпе­чує живлення логічної частини і захист електронасоса від аварійних режимів, та чарунку автоматичного керування за рівнемЯУУабо чарунку автоматичного керування за тискомЯУД. ЧарункиЯУУіЯУДвзаємозамінні.

Рис.2. Принципіальна електрична схема керування електронасосом за допомогою пристрою «Каскад»

Принципіальну електричну схему автоматичного керування електронасосом баштової насосної установки за допомогою комплектного пристрою «Каскад»зображено наРис.2.

Автоматичне керуванняелектронасосом за рівнем води в баку водонапірної башти здійснюється так.

Для керування в режимі водопідйомуперемикач, розташований в чарунціЯУУблока керуванняE1FQ(на схемі не показаний), ставлять в положення«Водоподьем», а перемикачS1— в положенняАУ («Автоматическое управление»)і вмикають автоматичний вимикачQF. Якщо при цьому води в баку водонапірної башти немає, то контактиSLЗіSL2датчика рівня води в баку не обмива­ються водою і вмикається електронасос. Вода подається в бак. Коли рівень її досягне контактуSLЗ, електронасос вимкнеться, подача води припиниться. При витраті води і опусканні її рівня нижче контактуSL2електронасос вмикається.

Для керування в режимі дренажуперемикач, розташований в чарунціЯУУ, ставлять в положення«Дренаж», а перемикачS1— в положенняДУі вмикають автоматичний вимикачQF. Якщо при цьому рівень дренажних вод у свердловині підніметься вище контактуSLЗ, то електронасос ввімкнеться, а при зниженні рівня дренажних вод нижче контактуSL2— вимкнеться.

Для автоматичного керування електронасосом за допомогою електроконтактного манометраспочатку в чарунціЯУДблока керуванняE1FQна розбірному з'єднанні«Время работы насоса»встановлюють перемичку в положення, що відповідає тривалості роботи насоса, необхідній для заповнення бака водонапірної башти водою (до 90 хв.). Потім перемикачS1ставлять у положенняАУ, вмикають автоматичний вимикачQFі встановлюють рухомий контакт електроконтактного манометра так, щоб при рівні води в баку нижче контрольованого рівня відбувалось надійне автома­тичне вмикання електронасоса. Після закінчення часу уставки, за який бак заповнюється водою, електронасос вимикається. Вода подається споживачам завдяки напору, створюваному водонапір­ною баштою. При цьому рівень води в баку знижується і зменшується статичний тиск у напірній трубі. При зниженні тиску нижче від контрольованого електроконтактним манометром значення елек­тронасос автоматично вмикається.

Дистанційне керуванняздійснюється подаванням команд від пристроїв телемеханіки на реле вмиканняКL2і вимиканняКLІ. Воно дає можливість диспетчеру, який знаходиться на значній відстані від насосної установки, вмикати і вимикати електронасос незалежно від рівня води в баку водонапірної башти.

Місцеве керуванняелектронасосом здійснюється перемикачемS1. У положенні"1" — насос ввімкнений, в положенні"0"— вимкнений.

При аварійних режимах(коротке замикання, перевантаження, робота на двох фазах, сухий хід) електронасос вимикається. Наступне вмикання насоса можливе лише після усунення причини спрацювання захисту.