Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Електрообладнання типових схем водопостачання

Заняття № 13

Технологічні особливості роботи електроприводів насосних установок. Визначення потужності і вибір типу електродвигунів для приводу насосів. Електрообладнання типових схем водопостачання. Комплектні пристрої керування водонасосними установками. Принципи керування водонасосними установками

Технологічні особливості роботи електроприводів насосних установок

Водопостачання ферм і комплексів здійснюється за різними технологічними схемами, які класифікуються за такими ознаками:

• способом водозабору: з відкритих водоймищ (річок, ставків, озер), шахтних колодязів, артезіанських свердловин. Для господарсько-питних потреб застосовують тільки два останні способи;

• способом подачі води споживачам: з безпосередньою подачею води у водопровідну мережу (застосовують у системах зрошення), водонапірною баштою, установками з гідроакумуляторами;

• способом розподілу води: системи з автонапувалками різних типів, системи з проточною водою.

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 з глибоких шахтних і бурових колодязів – насосними установками з заглибними відцентровими насосами типів ЭЦВ і ЭПН.

Для схеми водопостачання визначають подачу води та напір, які необхідні для вибору насоса.

Середньодобові витрати води на об'єкті, , м³/доб визначають за формулою

де q_і – добова норма споживання води споживачем i -го виду;

т_і – кількість споживачів i -го виду;

n – кількість видів споживачів.

Добові норми споживання води основними групами тварин і птиці приймають за галузевими нормами технологічного проектування (ОНТП). Вони становлять, наприклад, для корів молочного напряму – 100, телят – 20, свиноматок з поросятами – 60, свиней на відгодівлі – 15, курей яєчних порід – 0,46, м'ясних порід – 0,51 л/доб на одну голову.

За відомим добовим споживанням води визначають подачу насоса протягом однієї години, м³ /год

де – коефіцієнт добової нерівномірності споживання води ();

–коефіцієнт годинної нерівномірності (для систем з автонапувалками , без автонапувалок ).

Максимальні секундні витрати води дорівнюють:

де –витрати води на гасіння пожежі, приймають за даними будівельних норм і правил (СНіП). Для типових сільськогосподарських приміщень л/с при тривалості пожежі до 3 годин.

Рис. 1. Технологічна схема баштової водо насосної установки для визначення розрахункового напору води

Розрахунковий напір води, м, у системі, який повинен забезпечуватись насосом визначають за технологічною схемою водопостачання з урахуванням геодезичних відміток землі (рис. 1).

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_вн – 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.

З урахуванням технологічних схем вибирають насос за умовами:

;

При виборі глибинного електронасоса користуються заводськими графічними характеристиками на яких позначено: (Q – подача насоса, м³/год; Н – напір, м; N – потужність насоса, кВт; η_н – ККД насоса, відсоток; η_а – ККД агрегата, відсоток.

Водонапірні башти БР (ТУ 70-04.0071-75) призначені для використання в системі сільськогосподарського водопостачання ферм, комплексів і невеликих населених пунктів. Башти забезпечують необхідний напір в автонапувалках, а при нетривалих перервах в електропостачанні – резерв води. До недоліків башт слід віднести їх велику металомісткість і вартість в порівнянні з гідроакомуляційними безбаштовими установками.

Рис. 2. Технологічна схема баштової насосної установки

1 – свердловина; 2 – електродвигун; 3 – глибинний насос; 4 – напірний трубопровід; 5 – станція керування; 6 – манометр; 7 – будівля насосної установки; 8 – заслінка; 9 – водонапірна башта; 10 – водорозбірний трубопровід; ВУ і НУ – верхній і нижній рівні регулювання

Автоматичні водопіднімальні установки ВУ з гідроакумулятором призначені для механізації і автоматизації водопостачання невеликих тваринницьких ферм з добовими витратами води 70-400 м³/доб тафермерських господарств.

Рис. 3. Технологічна схема без баштової насосної установки

1 – насос; 2 – повітряно-водяний котел; 3 – камера змішування струменевого регулятора; 4 – повітряний клапан; 5 – жиклер; 6 – реле тиску; 7 – станція керування; 8 – запобіжний клапан; НР і ВР – нижній і верхній рівень.

Для сільськогосподарського водопостачання застосовують кілька типів насосів, серед яких найпоширенішими є відцентрові консольні насоси з осьовим входом для води типу К, консольні насоси у моноблоці з електродвигуном типу КМ, заглибні відцентрові електронасоси ЭЦВ. Крім того, в окремих випадках застосовують вихрові насоси типів В і ВК.

Умовні позначення насосного агрегата розшифровуються так:

X – XXX – ХХ – ХХХ – ХХХ – ХХХХ – ХХ

1 2 3 4 5 6 7

1 – порядковий номер конструктивного виконання;

2 – тип агрегата (Е – електронасосний, Ц – відцентровий, В – для води);

3 – характеристика типорозміру за діаметром скважини, мм, зменшеному в 25 разів і заокругленому;

4 – подача, м³/год;

5 – напір, м;

6 – виконання агрегата (X – для роботи в свердловинах з хімічно активною водою; Т – з підвищеною температурою води; Г – з підвищеним вмістом твердих механічних домішок; А – для роботи в умовах підвищених вимог з ударостійкості і сейсмостійкості);

7 – кліматичне виконання і категорія розміщення.

Визначення потужності і вибір типу електродвигуна для приводу насосів

За даними попередньо вибраного насоса (Q_н.ном; Н_н.ном; η_н.ном) визначають його розрахункову потужність Р_розр, кВт, за виразом

⁾

де Q_н.ном – подача насоса, м³/с;

Н_н.ном – висота підйому води (напір), м;

ρ – густина води, кг/м³,ρ = 1000;

g – прискорення вільного падіння, м /с²;

η_н.ном – коефіцієнт корисної дії насоса.

Потужність привідного двигуна Р_н.дв,кВт, визначають за співвідношенням

де η_пер – ККД передачі (при безпосередньому з'єднанні двигуна з насосом η_пер = 1,0,а для клинопасової передачі η_пер= 0,97);

К_з – коефіцієнт запасу (при потужності двигуна до 1,5 кВт К_з=1,5; від 1,5 до 4,0 кВт – 1,2; від 4,0 до 35 кВт – 1,15; більше 35 кВт – 1,1).

Для водопостачання ферм, комплексів, тепличних господарств, а також забезпечення побутових потреб населення найчастіше використовують електронасосні агрегати серії ЕЦВ, які піднімають воду з артезіанських свердловин глибиною 50...250 м. Ці насоси комплектуються спеціальними трифазними електродвигунами з короткозамкненим ротором серії ПЕДВ.

Умовні позначення двигунів розшифровуються так:

X – ПЕДВ–XX – XXX – XX

1 2 3 4 5

1 – порядковий номер конструктивної розробки;

2 – тип двигуна: П – глибинний, ЕД – електродвигун, В – водозаповнений;

3 – номінальна потужність двигуна, кВт;

4 – зовнішній діаметр корпуса двигуна, мм;

5 – кліматичне виконання і категорія розміщення У5, Т5.

Основні конструктивні відмінності двигунів серії ПЕДВ від двигунів загального виконання:

ü двигун виконаний з подовженим ротором з метою зменшення зовнішнього діаметра;

ü двигун не має самовентиляції, зокрема на роторі, охолодження здійснюється за рахунок води в свердловині, температура якої не повинна перевищувати +25°С;

ü статор має стальну гладеньку трубу, в яку запресований пакет сталі;

ü застосовані підшипники ковзання сталь - гума. Змащення підшипників здійснюється водою;

ü обмотка статора виконана проводом ПВДП-1 з вологостійкою полівініловою ізоляцією;

ü перед зануренням у свердловину двигун заповнюється через спеціальну пробку чистою водою, яка використовується для охолодження і змащення;

ü конструктивно виготовлений без лап і фланців (виконання ЇМ 9000), разом з насосом на колонці труб вертикально валом уверх. З'єднання двигуна з насосом - жорсткою муфтою;

ü живлення до електродвигуна підводять спеціальними проводами марки ВПВ або ВПП.

Механічна характеристика цього двигуна дещо відрізняється від механічних характеристик двигунів загальної серії. Так, номінальне значення кратності пускового моменту для двигунів потужністю до 16 кВт становить 1, більше 16 кВт- 0,85. Кратність максимального моменту дорівнює двом, кратність пускового струму - не більше семи.

Враховуючи низьку допустиму температуру нагрівання ізоляції обмоток статора (близько 60°С), двигуни допускають до трьох умикань на годину з інтервалом між ними 5 хв.

Аварійними режимами для двигуна ПЕДВ, крім короткого замикання, струмів перевантаження та обриву фази, є відсутність води в свердловині (сухий хід) та потрапляння забрудненої води всередину двигуна, що призводить до виходу з ладу підшипників. Двигуни ПЕДВ призначені для тривалого режиму роботи.

Регулювання подачі насосів можна здійснювати такими способами:

1.Зміною кількості працюючих насосних агрегатів.

2.Дроселюванням (зміною положення засувки на трубопроводі).

3.Регулювання зміною частоти обертання електродвигуна

Принципи керування водонасосними установками

Залежно від конструкції водопідйомної установки, способу забору і подачі води в мережу та режиму роботи використовують такі принципи автоматичного керування:

- за рівнем води в гідроакумуляторній споруді (режим водопідйому);

- за рівнем води в свердловині чи колодязі (режим дренажу);

- за тиском стовпа води в гідроакумуляторній споруді (режим водопідйому);

- за тиском у пневмогідроакумуляторі;

- за тиском води в системі зрошення;

- за програмою, складеною відповідно до технологічної карти водопостачання чи зрошення.

Схема, побудована за будь-яким із цих принципів, повинна відповідати загальним вимогам: бути надійною в роботі, простою, з максимальною кількістю однотипних елементів, зручною у керуванні, ремонтопридатною, простою в обслуговуванні, дешевою.

Електрообладнання типових схем водопостачання

У сільське господарство надходить значна кількість насосів, що не укомплектованих типовими станціями управління з елементами автоматики. Тому перш ніж перейти до вивчення типової станції управління «Каскад», розглянемо найпростіші схеми автоматизації насосних установок з використанням датчиків рівнів (рис. 4) або електроконтактного манометра (рис. 5), що набули поширення в сільському господарстві, на прикладі яких можна проаналізувати принцип роботи автоматизованих баштових насосних установок, закладені в електронних блоках типових станцій управління «Каскад», ШЕП та інших.

Розглянемо електричну схему автоматизованої роботи глибинного насоса з використанням датчика рівнів в баку напірної башти і датчика сухого ходу в свердловині насоса (рис. 4).

В нормальних умовах роботи насос знаходиться у воді, контакти датчика сухого ходу SL замкнуті, реле КV2 включено, його замикаючі контакти КУ2.1 в ланцюзі котушки магнітного пускача КМ замкнуті, горить сигнальна лампа НL4, що сигналізує про наявність води в зоні насоса.

Режим роботи схеми задається перемикачем SA1. При установці його в положення А (автоматичне) та включення автомата QF подається напруга на електричну схему управління. Якщо рівень води в напірному баку знаходиться нижче електрода нижнього рівня датчика, то контакти SL1 і SL2 у схемі розімкнуті, реле КV1 знеструмлено і його контакти КV1.1 в ланцюзі котушки магнітного пускача КМ замкнуті. У цьому випадку магнітний пускач включиться і включить електродвигун насоса, одночасно з цим згасне сигнальна лампа НL1 і загориться НL2. Насос буде подавати воду в напірний бак. Рівень води в баку буде підніматися. Коли вода заповнить проміжок простору між електродом нижнього рівня і корпусом датчика, підключеним до нульового заземленого проводу, контакти SL2 замкнуться, але реле КV1 не увімкнеться, так як його контакти КV1.2, включені послідовно з контактами SL2, розімкнуті. Коли вода досягне електрода верхнього рівня датчика, контакти SL1 замкнуться, реле КV1 включиться, і розімкнувши свої контакти КV1.1 в ланцюзі котушки магнітного пускача КМ, відключить останній, а замкнувши замикаючі контакти КV1.2, стане на самопідживлення через нижні контакти датчика SL2. Електродвигун насоса відключиться, згасне сигнальна лампа НL2 і загориться НL1. Повторне включення електродвигуна насоса станеться при зниженні рівня води до положення, коли розімкнуться контакти SL2 і реле КV1 знеструмиться.

Рис. 4. Електрична схема керування баштовою насосною установкою по рівню води

Реле КV1 вибрано постійного струму, так як обмотка реле змінного струму при розімкнутому магнітопроводі могла б перегоріти при повільному заповненні водою до верхнього датчика рівня, показаного на електричній схемі контактами SL1. Це може статися внаслідок того, що струм в обмотці реле змінного струму в даному випадку може зростати повільно до значення струму спрацьовування, який у декілька разів більше його номінального струму, коли магнітопровід цього реле замкнутий. Збільшення струму в ланцюзі котушки реле КV1 з підвищенням рівня води у верхньому проміжку датчика рівнів викликано зменшенням опору шару води між верхнім електродом і корпусом датчика рівнів, оскільки збільшується змочувана поверхня електрода і відповідно як би збільшується площу перетину для електричний струму. Опір R2 вибирають таким, щоб при фазному напруженні мережі 220 В на обмотці реле КV1 було напруга 24 В постійного струму.

В разі аварійного зниження рівня води в зоні занурюючого насоса нижче припустимого положення, коли вода вийде з проміжку датчика сухого ходу і струм між електродом датчика сухого ходу і корпусом датчика (напірного трубопроводу) припиниться, що відповідає в електричній схемі розмиканню контактів датчика сухого ходу SL3, реле КV2 розімкне контакти КV2.1 в ланцюзі котушки магнітного пускуча КМ, який відключить електродвигун глибинного насоса. Лампа НL4 згасне, а НL5 загориться, сигналізуючи про аварійне зниженні рівня води в свердловині або колодці.

Для захисту електродвигуна глибинного насоса від перенавантажень замість теплових реле може бути використано установка ФУЗ-М, яке більш надійно захищає електродвигун глибинного насоса як від перевантажень, так і від неповнофазних режимів роботи. Вимикачем SA2 можна включити сигнальну лампу НL3 для контролю рівня води в баку. Якщо лампа НL3 не горить, то або насос не включається, або він включений, але не подає води, або подача насоса менша за витрату споживачів у цей час.

Експлуатація датчиків рівнів, встановлених у баках водонапірних веж, скрутна особливо в зимовий період, коли потрібно їх ремонт або налаштування. У питаннях експлуатації датчики тиску більш зручні, оскільки їх встановлюють в водорозбірних трубопроводі, у водонапірній башті або в насосній станції на напірному трубопроводі. На жаль, промисловість не випускає спеціалізованих надійних датчиків тиску, які задовольняли б вимоги з регулювання роботи баштових насосних установок зі зміною регульованого напору (висоти між верхнім і нижнім рівнем води в баку) в межах від 0,5 до 1,5 м. У якості датчиків тиску часто використовують електроконтактні манометри ЕКМ, які можуть забезпечити заданий режим регулювання, подаючи сигнал на включення насосного агрегату при відборі води в напірному баку до нижнього встановленого рівня НУ, відповідного тиску включення р₁ і подаючи сигнал на відключення при підйомі води до верхнього встановленого рівня ВУ, відповідного тиску відключення р₂ (рис. 5). При наявності в свердловині води в зоні насоса контакти датчика сухого ходу SL, будуть замкнуті, а реле КV2 буде тримати в замкнутому стані свої контакти КV2.1 в ланцюзі котушки магнітного пускача КМ.

В автоматичному режимі при зменшенні тиску, коли вода з бака витрачається споживачами при відключеному насосі, рухливий стрілочний контакт манометра SР буде переміщатися до нерухомого контакту 1, відповідному тиску включення насоса, і при його торканні магнітний пускач КМ включить електродвигун насоса і своїми замикаючими контактами КМ2 стане на самопідживлення.

При включенні електронасосного агрегату в напірному трубопроводі виникає короткочасне підвищення тиску в момент рушання насоса. У цьому випадку рухливий контакт манометра SР може торкнутися контакту 2, реле КV1 може короткочасно розімкнути свої контакти в ланцюзі котушки пускача КМ, але пускач не відключиться, оскільки живлення його котушки буде здійснюватися через контакти реле часу КТ. Після розгону електронасосних агрегату і стабілізації тиску, реле часу розімкне свої контакти КТ. При підйомі води в напірному баку до встановленого верхнього рівня ВУ, відповідного тиску відключення р₂, рухливий контакт манометра SР торкнеться контакту 2. Реле КV1, розмикаючи свої контакти КV1.1, відключить магнітний пускач КМ і електродвигун насоса. Внаслідок розбору води рівень її в напорному баку буде знову знижуватися, тиск зменшиться і контакт SР знову торкнеться контакту 1. Робота схеми повториться.

Рис. 5. Електрична схема керування баштовою насосною установкою по тиску води

Електроконтактні манометр бажано брати з малою ціною поділки, так як виникне трудність поділу контактів 1 і 2 зважаючи на їх близьке розташування і можливого перекриття рухомим контактом SР.

Для погашення короткочасних підвищень тиску, що діє на електроконтактний манометр у момент включення насоса, на відгалуженні до манометра встановлюють 1...2 демпферні круглі пластинки з малими отворами. Цієї мети можна досягти за допомогою вентиля, встановленого на відгалуженні до манометру, ступінь відкриття котрого встановлюється такий, при якому не виникає кидка тиску в манометрі при включенні насоса. У цих випадках реле часу КТ в схемі на рис 5 не потрібно.

При надійному електропостачанні і невеликих максимальних часових витратах (1,6...36 м³/год) на фермах можуть успішно застосовуватися безбаштові насосні установки (рис. 6). У їх комплект входить насос з електродвигуном, повітряно-водяний котел, трубопроводи і станція управління. Безбаштові насосні установки типу ВУ випускаються з глибинним, лопатевим і вихровим насосами, а також з водоструменними установками.

Рис. 6. Електрична схема керування без баштовою насосною установкою

Безбаштова насосна установка типу ВУ працює таким чином. Вода, що подається насосом 1 йде до споживачів, а її надлишки наповнюють повітряно-водяний котел 2, де вода, піднімаючись, стискає що знаходиться в котлі повітря. Коли тиск в котлі досягне встановленого значення, реле тиску 6 контактами SР відключає електронасосний агрегат і подача води припиняється. Після цього вода споживачам подається під дією тиску стисненого повітря в котлі. На шляху води через насос в котел знаходиться зворотний клапан, і вода назад у свердловину не піде. З плином часу витрачається вода тиск в котлі знижується. Коли тиск досягне установленого мінімального значення, реле тиску включить насосний агрегат. Зазвичай відношення мінімального тиску (включення) до максимального (відключення) становить 0,65...0,75 для установок невеликої подачі 0,8...0,85 для установок з більшою подачею. Повітряна подушка котла зменшує гідравлічні удари, що виникають при динамічних режимах роботи електронасосних агрегату.

У повітряно-водяних котлах діючих без баштових насосних установок повітря безпосередньо стикається з водою, в результаті частина його розчиняється і несеться водою, зменшуючи обсяг повітряної подушки. Це може призвести до порушення нормальної роботи установки. Для автоматичної підтримки необхідного обсягу повітряної подушки в безбаштових установках типу ВУ присутній струменевий регулятор, за допомогою якого поповнюється повітряна подушка повітрям.

Подається насосом вода з великою швидкістю проходить через сопло струминного регулятора, створюючи в камері змішування 3 розрядження. Під дією зовнішнього тиску атмосферного повітря при розрядження в камері 3 відкривається клапан 4, пропускаючи з навколишнього середовища повітря, яке змішується з водою і надходить в бак. Розрядження в камері змішувача 3 і, отже, поповнення повітря відбуваються тоді, коли жиклер 5 трубки струминного регулятора знаходиться у воді. При подачі води в котел, коли жиклер знаходиться в повітрі, який під тиском надходить в камеру змішування і погашає там розрядження, атмосферне повітря припиняє надходити в змішувальну камеру. При достатньому наповненні бака повітрям або при зниженому тиску в момент включення насосного агрегату, коли жиклер знаходиться в повітрі, підсосу повітря з атмосфери не відбувається. Можуть бути й інші конструкції регуляторів запасу повітря.

У безбаштових насосних установках практично відсутня ємність для запасу води. Зменшення об’єму котла зменшує його вартість, але при цьому збільшується частота включення насосного агрегату. Останнє необхідно враховувати при виборі потужності електродвигуна для насоса.

Комплектні пристрої керування водонасосними установками

Установки водопостачання об'єктів сільськогосподарського виробництва, як правило, надходять у вигляді комплектів обладнання: електронасос, станція керування, датчики, спеціальні проводи тощо.

Так, комплектний пристрій "Каскад" залежно від типу ящика керування виконує такі функції:

Ø автоматичний пуск і зупинку електронасоса водопідйому (В) і дренажу (Д) залежно від рівня води, відповідно, у водонапірному баці або дренажній шахті;

Ø автоматичний пуск електронасоса в режимі водопідйому залежно від тиску стовпа води у водонапірній башті та автоматичну зупинку насоса в цьому режимі протягом часу, що заданий оператором (від 5 до 90 хв);

Ø місцевий пуск і зупинку електронасоса незалежно від рівня води в башті або тиску;

Ø дистанційний пуск і зупинку електронасоса;

Ø селективність запуску електронасоса з регульованою витримкою часу (2...30 с) місцевого та автоматичного керування за рівнем води;

Ø захист електродвигуна від перевантажень, коротких замикань та неповнофазних режимів;

Ø захист електродвигуна від "сухого ходу" за час не більше 0,5 с для пристроїв керування двигунами потужністю 4,5 кВт і вище;

Ø запам'ятовування аварії, тобто неможливість самовмикання після спрацювання будь-якого виду захисту;

Ø світлову сигналізацію з розшифруванням аварійної зупинки від перевантаження та "сухого ходу";

Ø контроль струму завантаження електродвигуна (амперметр в одній
фазі);

Ø подачі аварійного сигналу за межі пристрою;

Ø самозапуск електронасоса при короткочасному зникненні і віднов
ленні напруги мережі у межах 2 - ЗО с.

Система автоматичного керування насосними агрегатами (САУНА) призначена для керування свердловинними відцентровими насосами з заглибними електродвигунами потужністю 1-11 кВт. Вона поєднує 8 типорозмірів станцій керування.

Функції, які виконує станція керування:

Ø місцевий (ручний) пуск та зупинку електронасоса;

Ø дистанційне керування електронасосом, додатковими реле РИО та
РИВ;

Ø автоматичне керування в режимі водопідйому залежно від рівня

Ø води в башті;

Ø автоматичне керування в режимі дренажу залежно від рівня води в

Ø дренажній свердловині;

Ø захист електродвигуна від струмів коротких замикань, струмів
перевантаження та неповнофазних режимів;

Ø сигналізація аварії ("Перевантаження");

Ø контроль струму завантаження двигуна.

Універсальна станція керування та захисту (УСУЗ) призначена для захисту та автоматичного керування глибинними електродвигунами потужністю до 11 кВт включно.

Схемою станції передбачена її робота з електродними рівнями датчика води, реле тиску та електроконтактним манометром. Забезпечується захист електродвигуна від струмів коротких замикань, перевантаження, неповнофазних режимів, зниження рівня води в свердловині. Крім того, передбачена світлова сигналізація про надмірне зниження опору ізоляції обмотки статора двигуна.