Инженерное бюро "ЦЕВЛАП"

Автоматика многонасосных станций повышения давления с частотным регулированием

Частотное регулирование (ЧР) производительности насосов доказало свою эффективность в системах водоснабжения с переменным потреблением. Основными преимуществами ЧР являются:

• минимально необходимое энергопотребление;
• полная автоматизация;
• точное поддержание давления.

По сравнению с дросселированием, при частотном регулировании производительности насосных станций достигается экономия электроэнергии до 50%. Для осуществления ЧР используются преобразователи частоты (ПЧ), которые автоматически изменяют частоту и напряжение питания электродвигателя насоса, в результате чего изменяется скорость вращения рабочего колеса и производительность насоса. ПЧ сравнивает заданное номинальное выходное давление с сигналом обратной связи, поступающим от установленного в напорном трубопроводе станции аналогового датчика давления. При помощи ПИД-регулятора преобразователь определяет необходимую выходную частоту питания электронасоса. Современные преобразователи частоты имеют развитую систему взаимодействия с другими устройствами автоматики и выполняют большое количество дополнительных функций. Кроме функции регулирования большинство современных преобразователей частоты обеспечивают:

• комплексную электрическую защиту электродвигателей;
• управление работой по сигналам от внешних устройств автоматики;
• сигнализацию режимов работы и возникновения аварий;
• передачу данных по цифровому интерфейсу;
• управление работой нескольких двигателей (специальные серии ПЧ).

Такой широкий набор функций позволяет построить на основе ПЧ качественные системы автоматики насосных станций повышения давления, отвечающие современным требованиям эффективности, надежности, безопасности и высокой степени автоматизации.

Основным недостатком систем автоматики на основе ПЧ является их сравнительно высокая стоимость, которая определяется высокой стоимостью самих преобразователей. Доля ПЧ в себестоимости системы автоматики может превышать 75%. В большинстве случаев для снижения затрат на оборудование насосной станции целесообразно увеличить число насосов. Требуемая производительность станции обеспечивается при одновременной работе нескольких насосных агрегатов, соединенных параллельно. Такое решение позволяет уменьшить мощность резервных насосов, число которых определяется согласно СНиП 2.04.02-84 “ Водоснабжение. Наружные сети и сооружения”. Увеличение числа насосов позволяет более точно подобрать модель насоса в соответствии с необходимой рабочей характеристикой станции, так как ассортимент насосов меньшей мощности значительно шире. Стоимость системы автоматики также снижается за счёт уменьшения мощности и стоимости ПЧ.

Рисунок 1. Типовая гидравлическая схема многонасосной станции повышения давления

Частотное регулирование производительности многонасосных станций повышения давления имеет ряд особенностей по сравнению с ЧР одного насоса. Регулирование производительности станции в соответствии с текущем потреблением и давлением в питающем трубопроводе осуществляется плавным регулированием производительности одного насоса при помощи ПЧ и включением необходимого числа дополнительных насосов на полную производительность. На случай аварии насоса, работающего под управлением преобразователя, а также для выравнивания износа агрегатов целесообразно обеспечить возможность работы каждого насоса как от ПЧ, так и от питающей электросети. При этом оптимальный алгоритм работы станции реализуется следующим образом:

1. Один из насосных агрегатов подключается к ПЧ, и преобразователь запускается в режим автоматического поддержания давления.
2. Если выходная частота ПЧ достигла максимального значения, то ПЧ обесточивает подключенный к нему насос, который затем отключается от ПЧ и подключается к питающей электросети для работы с максимальной производительностью. К ПЧ подключается другой насос, и ПЧ начинает автоматически поддерживать давление.
3. Если выходная частота снизилась до минимального уровня, то
   1. если есть насосы, работающие от сети, то один из них отключается;
   2. если работает только насос от ПЧ, то ПЧ переходит в «спящий режим» до снижения выходного давления ниже номинального.
4. В случае аварии насоса, работающего от ПЧ, насос обесточивается, отключается от ПЧ и выводится из автоматического режима. Далее
   1. если есть исправные неработающие насосы, то один из них подключается к ПЧ и работа станции продолжается;
   2. если все исправные насосы работают от сети, то один из них отключается от сети и подключается к ПЧ, после чего преобразователь возобновляет работу в автоматическом режиме.
5. В случае аварии насоса, работающего от сети, он отключается и выводится из автоматического режима.
6. Для выравнивания износа при наличии исправных неработающих насосов и длительной (например, 24 часа) непрерывной работе одного из насосов, он останавливается аналогично аварийному отключению, но остаётся в автоматическом режиме и может включаться при необходимости.

Для осуществления описанного алгоритма, система автоматики должна иметь необходимое количество коммутационных и защитных аппаратов, а также устройство управления, обеспечивающее контроль работы станции, пуск и останов ПЧ, переключение коммутационных аппаратов и дополнительные функции. Большинство крупных производителей ПЧ выпускают специализированные серии преобразователей, которые позволяют управлять несколькими насосами описанным способом. Обычно, такие ПЧ необходимо оснастить опциональной платой расширения с дополнительными релейными выходами для управления коммутационными аппаратами. Использование специализированных преобразователей значительно упрощает схему и технологию изготовления системы автоматики, снижает её себестоимость и освобождает от необходимости написания программ для управляющих устройств других типов. Алгоритм работы станции отрабатывается стабильно, что гарантируется производителем ПЧ.

Рисунок 2. Типовая схема силовых цепей системы автоматики многонасосной станции повышения давления

Однако, системы автоматики многонасосных станций, построенные с использованием функций управления насосами специализированных преобразователей частоты, имеют ряд недостатков. Преобразователи позволяют настраивать некоторые параметры работы станции, например, число насосов и выдержки времени перед переключениями, но сам алгоритм работы остаётся неизменным. Это делает невозможным совершенствование алгоритма и добавление новых функций.

Но главный недостаток использования специализированных ПЧ заключается в том, что преобразователи не сигнализируют об аварийном отключении насосов, работавших на момент аварии от преобразователя, и вывода их из автоматического режима. У преобразователей просто нет дополнительных выходных реле, с помощью которых они могли бы сигнализировать аварию каждого насоса. Все реле, включая реле плат расширения, задействуются для управления коммутационными аппаратами. Общий сигнал аварии ПЧ не позволяет идентифицировать аварийный насос и снимается автоматически при подключении к преобразователю другого насоса. В результате может сложиться ситуация, когда авария насосов не будет вовремя обнаружена персоналом. Ситуация сохраняется даже при выходе из строя всех резервных насосов. Авария ещё одного насоса приведет к полному прекращению водоснабжения или снижению его объёмов с понижением давления сети. Ситуация усугубляется тем, что производители шкафов управления многонасосными станциями, использующие функции специализированных ПЧ для управления всеми насосами, сознательно или из-за недоработок не указывают в руководствах по эксплуатации на этот недостаток.

Для устранения описанных недостатков необходимо использовать дополнительное управляющее устройство с системой свободного программирования, например, промышленный программируемый логический контроллер (ПЛК). Выпускается большое количество моделей ПЛК с различным числом и типами входов и выходов, с цифровыми интерфейсами, модулями расширения и т.д. Можно подобрать оптимальную модель ПЛК для конкретной насосной станции и выбранной модели ПЧ. Для ПЛК необходимо разработать программу, реализующую оптимальный алгоритм работы насосной станции и вспомогательные функции. Запрограммированный контроллер анализирует параметры работы ПЧ (выходную частоту, ток, сигнал обратной связи и др.), состояния аппаратов защиты двигателей, состояния переключателей на панели управления системы автоматики, сигналы от внешних устройств автоматики, а также управляет коммутационными аппаратами, преобразователем частоты, сигнальными индикаторами, дистанционной сигнализацией. Важно обеспечить взаимодействие ПЛК и преобразователя по цифровому интерфейсу. Это усложняет программу, зато упрощает схему цепей управления преобразователем и позволяет анализировать больше информации о работе ПЧ и корректно реагировать на аварийные остановы преобразователя. Если аварийный останов происходит по причине аварии насоса, то необходимо переключить ПЧ на другой насос, а если преобразователь отключился по другим причинам (потеря сигнала обратной связи, внутренние повреждения, перегрев и т.д.), то контролер должен остановить работу насосов и выдать сигнал аварии всей станции.

Исходя из этих принципов ООО «Инженерное бюро «ЦЕВЛАП» разработало и серийно производит шкафы управления насосами серии КИТ-Д, предназначенные для управления многонасосными станциями повышения давления с частотным регулированием. В шкафах управления этой серии, кроме стандартных функций управления насосами, расширенной индикации и дистанционной сигнализации, применён усовершенствованный алгоритм подключения и отключения дополнительных насосов, разработанный специалистами предприятия.  Этот алгоритм позволяет минимизировать число переключений насосов и уменьшить колебания давления при прохождении станцией зон нестабильности.

Зоны нестабильности возникают при достижении выходной частотой преобразователя максимального или минимального значения и необходимости подключить или отключить дополнительный насос. Суммарная производительность работающих насосов до переключения может несколько отличаться от суммарной производительности после переключения из-за технологического разброса характеристик насосов и некоторого различия характеристик одного насоса при работе от сети и от ПЧ. Изменение производительности при стандартном алгоритме управления может оказаться достаточным для обратного переключения и возникновения автоколебательного процесса, сопровождающегося значительными колебаниями выходного давления. В большинство систем управления насосными станциями вводятся выдержки времени перед переключениями, что значительно снижает вероятность возникновения автоколебаний. Однако при работе станции на объёмную трубопроводную систему и при использовании насосов большой мощности введение выдержек времени не всегда позволяет полностью отстроиться от автоколебаний.

Усовершенствованный алгоритм переключений анализирует не только выходную частоту преобразователя, но и сигнал обратной связи от датчика выходного давления. В алгоритм введено дополнительное условие выполнения переключений: выход сигнала обратной связи из зоны допустимого отклонения. Величина допустимого отклонения задаётся исходя из условий эксплуатации станции. Обычно она составляет 3 – 5 % от номинального выходного давления, что приемлемо для подавляющего большинства систем водоснабжения. Отклонение выходного давления от номинального означает смещение рабочей точки станции по суммарной насосной характеристике, что гарантирует работу ПЧ после переключения в режиме регулирования на частоте выше минимальной и ниже максимальной.

В шкафах управления насосами серии КИТ-Д применен ряд других усовершенствований, в частности улучшенный алгоритм чередования насосов. Использование ПЛК позволяет в короткие сроки добавлять новые функции ШУ, например, управление на основе сигнала аналогового датчика уровня электрозадвижкой наполнения резервуара, из которого станция перекачивает воду потребителям. Подробнее об алгоритмах работы этих шкафов управления можно узнать из «Руководства по монтажу и эксплуатации ШУ КИТ-Д», опубликованном на сайте производителя. Там же приведены электрические схемы шкафов управления насосными станциями с числом насосов от 2 до 4.