Большинство схем автоматического управления насосными агрегатами в зависимости от степени их сложности и количества применяемой аппаратуры - может быть разделено на четыре группы, приведенные в таблице.
Каждая группа схем управления выполняет идентичные операции, обусловливаемые типом насосной станции и гидромеханическими схемами насосных агрегатов.
Схемы управления в зависимости от типа насосной станции и гидромеханических схем насосных агрегатов
Группа сложности
Тип насосной станции
Принципиальная схема
Состав оборудования
I группа
а) Камерный с индивидуальным трубопроводом для с каждого агретата
б) Водопроводный с баком-аккумулятором на всасываюшем трубопроводе для каждого агрегата
Насосный агрегат без вспомогательного оборудования
а) Камерный с объединенным напорным трубопроводом для нескольких насосных станетций
б) Водопроводный с баком-аккумулятором и объединенным напорным трубопроводом
Насосный агрегат с индивидуальной электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе
Водопроводный независимо от количества напорных а трубопроводов
Насосный агрегат с индивидуальными вакуум-насосом и электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе
Водопроводный независимо от количества напорных, трубопроводов.
Насосный агрегат с индивидуальной электрифицированной задвижкой на напорном трубопроводе и общая вакуумустановка (два вакуумнасоса: рабочий и резервный)
Первая, наиболее простая группа схем применяется для насосных агрегатов, состоящих из основного насоса с электродвигателем ОНА и не имеющих в своем составе управляемых электрифицированных задвижек ЭЗ и вакуум-насосной установки АНВ.
Управление таким агрегатом по существу сводится к управлению двигателем основного насоса. Вспомогательные устройства и технологические реле также сводятся к минимуму. Благодаря этому схема автоматического управления получается весьма простой: она требует для своего выполнения минимального количества аппаратуры и обеспечивает высокую надежность работы агрегата.
Схемы первой группы непосредственно применяются для гидромеханических установок с осевыми насосами. Работа горизонтальных центробежных насосов по этой схеме, то есть без использования вакуум-насосов и управляемых задвижек, возможна лишь при специальных конструктивных решениях насосной станции, применении специальных способов заливки насосов и использовании индивидуальных напорных трубопроводов.
Специфические особенности приобретают режимы пуска и остановки.
Рассмотрим основные гидромеханические схемы таких насосных станций и требования, предъявляемые ими к схемам автоматического управления.
В мелиоративных насосных станциях с центробежными насосами без управляемых задвижек необходимость в вакуум-насосах исключается различными способами:
1) установкой насосов в заглубленных камерах с отрицательной высотой всасывания;
2) применением баков-аккумуляторов БА;
3) использованием приподнятой всасывающей трубы и пр.
Корпус насоса при этих способах заливки постоянно заполнен водой, что облегчает пуск и сокращает его продолжительность.
Заливка насосов водой
1. Установка насосов в заглубленных камерах. Оси насосов устанавливаются, ниже минимального уровня водозабора; при этом они всегда находятся под заливом (камерный тип станции).
Создание таких станций обычно связано с увеличенным объемом строительных работ и требует их высокого качества, особенно гидроизоляции.
Для ряда конкретных насосных станций, несмотря на некоторое увеличение объема строительных работ, применение установок с заглубленными камерами дает существенный технико-экономический эффект, а именно:
а) устраняются явления срыва вакуума при пуске насосов; повышается надежность работы вследствие устранения кавитации;
б) отпадает необходимость в установке обратного клапана во всасывающей линии насосов, благодаря чему упрощается ее конфигурация и снижаются гидравлические потери;
в) повышается надежность работы сальниковых уплотнений за счет создания в них избыточного давления вместо вакуума;
г) отрицательная высота всасывания позволяет применять насосы с малой высотой всасывания и высоким к. п. д., благодаря чему повышается производительность насосов и снижается расход электроэнергии по сравнению с аналогичными условиями при положительной высоте всасывания;
д) упрощается схема автоматического управления и существенно уменьшается общее количество аппаратуры управления; в частности, исключаются приборы контроля заливки насосов.
2. Заливка горизонтальных центробежных насосов при помощи баков-аккумуляторов. Для насосов небольшой производительности некоторое применение находят специальные баки-аккумуляторы.
Бак-аккумулятор представляет собой герметический закрытый сосуд с двумя патрубками, из которых нижний соединяется с всасывающими патрубками насоса, а верхний — с всасывающим трубопроводом.
При включении электродвигателя насос начинает подавать воду в нагнетательный трубопровод из бака-аккумулятора, в котором соответственно понижается уровень и создается необходимое разрежение для подcoca воды в бак-аккумулятор из приемного бассейна по всасывающей трубе.
Размеры бака-аккумулятора должны быть такими, чтобы объем между нижней отметкой верхнего патрубка и верхней отметкой нижнего патрубка в 3 - 3,5 раза превышал объем всасывающего трубопровода.
Конструкция бака-аккумулятора должна быть рассчитана на работу в условиях вакуума и должна обеспечивать герметичность, при которой исключается подсос воздуха через трубные соединения и сальниковые уплотнения.
К недостаткам этого способа заливки относится возможность опорожнения бака при остановке насоса вследствие повышенного давления в верхней части бака. Для устранения этого явления принимаются специальные меры
В частности, для этой цели служит показанная на рисунке уравнительная трубка, назначение которой удалять воздух повышенного давления из верхней части бака.
Гидромеханические схемы с использованием бака-аккумулятора, по конструктивным и экономическим соображениям, рекомендуется применять для центробежных насосов сравнительно небольшой производительности (расход до 40—50 л/сек, насосы 6К-8, 6К-12 и т. д.). При больших расходах размеры баков становятся чрезмерно громоздкими.
Рис.10.1. Схема заливки
насоса при помощи
бака-аккумулятора
3. Заливка горизонтальных центробежных насосов при помощи приподнятой всасывающей трубы. Как показано на рисунке 10.2. всасывающая труба устраивается с приподнятым коленом, что позволяет первоначально залить водой внутреннюю полость насоса и прилегающие части всасывающего и напорного трубопроводов до уровня нижней кромки приподнятого колена.
При пуске насоса имевшийся объем воды из всасывающей трубы перекачивается в напорный трубопровод, благодаря чему во всасывающей трубе создается разрежение.
Вследствие разности атмосферного и создавшегося во всасывающей трубе пониженного давлений вода из водозаборной камеры поступает во всасывающую трубу и насос. При дальнейшей работе насоса вакуум во всасывающей трубе возрастает, эта труба полностью заполняется водой и начинается нормальная работа.
После остановки насоса во всасывающей трубе вода должна оставаться на уровне нижней кромки приподнятого колена, и каждый последующий пуск будет происходить без дополнительной заливки.
Однако при остановках насоса без задвижки и обратного клапана начинается сифонное действие всасывающей трубы, и в трубе остается мало воды.
Чтобы исключить образование сифона, остановку насосного агрегата нужно сочетать с одновременным автоматическим срывом вакуума во всасывающей трубе. Следовательно, схема управления должна в этом случае обеспечивать срабатывание клапана срыва вакуума.
Пуск горизонтальных центробежных насосов с приподнятой всасывающей трубой рекомендуется для насосов с геометрической высотой всасывания не более 2 — 3 м
Применение эжекторного устройства позволяет значительно сократить длину приподнятой всасывающей трубы (рис. 10.3). При этом обеспечивается пуск насоса практически при любой геометрической высоте всасывания.
Воздушная труба присоединяется одним концом к колену всасывающей трубы, а другим — к корпусу насоса, куда вводится эжекторное сопло, соединенное с нагнетательной полостью насоса при помощи напорной трубки.
Разрежение во всасывающей трубе при пуске насоса создается как действием эжектора, так и вследствие удаления из всасывающей трубы имевшейся в ней воды.
Воздушная смесь из эжектора может сбрасываться по сбросной трубке в водозаборную камеру или в напорный трубопровод за задвижкой. Сбросная трубка может быть использована и для срыва вакуума во всасывающей трубе после остановки насоса. Применение приподнятой всасывающей трубы в комбинации с эжектирующим устройством уже невозможно без задвижки или, в крайнем случае, без обратного клапана в напорном трубопроводе.
10.3. Автоматический пуск и остановка центробежных насосов
Запускать и останавливать центробежные насосы с открытой задвижкой на напорном трубопроводе начали сравнительно недавно. Благодаря ряду преимуществ этот способ находит широкое применение в мелиоративных системах, установках горнорудного водоотлива, водоснабжения и на электростанциях.
В литературе описана эксплуатация насосов с открытой задвижкой производительностью 1500 - 2000 м3/ч с электроприводом от асинхронного двигателя мощностью 1000 - 1200 кет. В большинстве случаев имеется в виду работа при наличии в напорном трубопроводе обратного клапана. Однако насос с постоянно открытой задвижкой может работать и без обратного клапана. Условия пуска и остановки в этом случае принципиально меняются, и пуск не всегда возможен.
Для мелиоративных систем последний режим — пуск и остановка без задвижек и обратных клапанов — представляет большой интерес. Однако выбору этой системы должен предшествовать анализ возможностей и условий его применения. Качественный процесс пуска насоса с открытой задвижкой при отсутствии обратного клапана может быть показан на кривой Q—Н, на которой нанесены зависимости производительности насоса, потребляемой им мощности и коэффициента полезного действия от напора при постоянных оборотах (рис. 10.4)
При подборе насоса полная высота подъема воды определяется по формуле:
Hп = Hг + Lh,
где Нп — полная высота подъема воды;
Нт — общая геометрическая высота подъема, равная сумме геометрических высот всасывания и нагнетания;
∑h = SQ2 — сумма всех гидравлических потерь в трубопроводах;
S — сопротивления в трубопроводах заданных длин и диаметров;
Q — производительность насоса.
На рисунке 10.4 прямая СД проведена параллельно оси Q на расстоянии Нг, равном геометрической высоте подъема.
Параболическая кривая СЕ является кривой потерь в трубопроводе (характеристика трубопровода). Она пересекает рабочую характеристику в точке А, называемой предельной рабочей точкой насоса, работающего в данных конкретных условиях. Точкой А определяются параметры рабочей точки насоса QA; ЯА; NA и к)А при установившемся режиме
При подборе насоса стремятся к тому, чтобы:
а) заданный режим работы лежал в области наивыгоднейшего значения к. п. д. насоса (ηА);
б) высота всасывания насоса не превышала предела, установленного для данной конструкции.
После пуска насоса особенно большой производительности при открытой задвижке и незаполненном водой трубопроводе происходит постепенное заполнение водой нагнетательного трубопровода и возрастание геодезической высоты всасывания.
Разгон насосного агрегата до номинальных оборотов и главным образом его работа в неустановившемся режиме характеризуются кривой OA'А. Кривая СЕ как бы перемещается по характеристике Q—H от точки А' периода разгона ,и начала заполнения трубопровода к точке А установившейся нормальной работы.
В точке А' производительность насоса Q'a значительно превышает нормальную.
Работа насоса происходит в правой неустойчивой зоне характеристики Q—Н. Насос здесь имеет наименьшую всасывающую способность и до определенного наполнения трубопровода может кавитировать. Начиная от точки А', как это следует из кривой N, электродвигатель будет работать с перегрузкой. Время такой работы определяется временем работы агрегата на участке А'А, то есть зависит от характеристики насоса, конфигурации и размеров напорного трубопровода. Этот период можно установить расчетом.
Очевидно, что работа насосного агрегата с открытой задвижкой допускается лишь при условии, что перегрузка электродвигателя и ее продолжительность лежат в допустимых пределах. Кроме того, эта временная перегрузка должна быть учтена при построении токовой защиты схемы автоматического управления насосным агрегатом.
В мелиоративных системах большинство насосных станций работают в открытую сеть. Поэтому при отсутствии задвижек и обратных клапанов в напорных трубопроводах особое внимание следует уделять недопущению слива воды через отключенный агрегат из общего водоприемного устройства напорного бассейна, являющегося головной частью отводящего канала. Этот процесс должен быть автоматизирован. Для этого в конце трубопровода предусматривают хлопушки, быстропадающие щиты, полигональные водосливы и сифонные водовыпуски с различными устройствами для срыва вакуума в сифоне.
В настоящее время применяются преимущественно сифонные водовыпуски, считающиеся более надежными и экономичными. На рисунке 10.5 в качестве иллюстрации приведены два типа устройств, применяемых для автоматического срыва вакуума в сифоне при обратном токе воды в трубопроводе.
Гидравлический затвор, разработанный Укргипроводхозом (рис. 10.5) состоит из трубки 8 и вертикального стакана 9. Трубка сечением, равным приблизительно 1,5% живого сечения горловины сифона, вваривается открытым концом в сифон. Второй конец трубки помещают в металлический стакан диаметром, большим диаметра трубки на 100 мм. Соединенный трубкой с полостью сифона, стакан заполняется водой одновременно с наполнением канала.
При прохождении воды через сифон уровень ее в стакане устанавливается выше нижней грани трубки на величину скоростного напора, которая может быть доведена до 50-60 см при скорости движения воды порядка 3-3,5 м/сек.
При прекращении тока воды в сифоне или ее движении в обратную сторону уровень воды в стакане падает, обнажая нижний конец трубки. Воздух входит в полость сифона, вакуум срывается и движение воды из отводящего канала в трубопровод прекращается.
Клапан срыва вакуума конструкции Гипроводхоза (рис. 10.5, б) имеет рычаг с лопаткой 1, опущенной в трубопровод. При прямом потоке под давлением воды на лопатку, входные отверстия перекрываются тарельчатыми клапанами 5. При отключении насоса и изменении направления потока вода давит на лопатку в обратную сторону, тарельчатые клапаны открывают входные отверстия и впускают воздух, прекращая поступление воды в трубопровод. Этот клапан имеет подвижные механические детали и менее надежен в эксплуатации.
Институт Узгипроводхоз для клапана срыва вакуума применяет грузовой или пружинный привод масляного выключателя. При отключении работающего насосного агрегата или пропаже напряжения привод срабатывает и клапан срывает вакуум.
Каждая конструкция клапана срыва вакуума имеет свою область применения и выбирается при разработке гидромеханической схемы.
В схемах автоматического управления насосными агрегатами работа клапана срыва вакуума должна отражаться сигнализацией его состояния и блокировкой, не допускающей включения насосного агрегата при неисправности клапана.
При любой остановке насосного агрегата вся вода из напорного трубопровода будет сливаться в нижний бьеф через насос, который в этом случае работает в турбинном режиме. Поэтому реверс агрегата должен быть предварительно согласован с заводом — поставщиком оборудования. Как правило, насосные агрегаты могут допускать возможность кратковременного (в пределах часа) обратного вращения с разгонным числом оборотов nр = 1,2-1,3 nи, где nа — номинальное число оборотов.
Как время работы в реверсивном режиме, так и nр обусловливаются параметрами напорного трубопровода. Зачастую, при очень длинных трубопроводах и большой высоте подачи воды, допустимые параметры работы агрегата в реверсивном режиме не выдерживаются, и в этом случае эксплуатация такого агрегата недопустима.
Нельзя также повторно запускать выключенный агрегат во время его работы в турбинном режиме. Такой пуск может вызвать аварийное отключение электродвигателя вследствие его перегрузки, а также механические повреждения агрегата. Поэтому в схемах автоматического управления 1-й группы должны предусматриваться либо блокировка, предотвращающая возможность такого пуска, либо, в крайнем случае, сигнализация, предупреждающая персонал об опасности такого пуска.
Датчиком для блокировки или сигнала может быть струйное реле, реле обратного вращения и т. п.