Рост как жилищного, так и промышленного строительства в последнее время сделал стабильное и качественное водоснабжение одной из первоочередных задач. Одним из наиболее перспективных его способов является использование подземных источников посредством скважин различной глубины. Они позволяют владельцам получать значительное количество воды хорошего качества, причем сроки активной эксплуатации велики и могут составлять десятки лет. При этом скважина — сложное гидротехническое сооружение, требующее квалифицированного подхода к обустройству и надежного оборудования — скважинных насосов. Эти агрегаты специально разработаны для работы в достаточно сложных условиях (узкое пространство скважины, повышенная тепловая нагрузка на двигатель и т.д.). Они достаточно дороги и, в силу специфики монтажа, их ремонт сопряжен со значительными трудностями и расходами. Поэтому при подборе такого оборудования следует обращать внимание на ряд деталей и практических моментов, которые помогут увеличить срок бесперебойной работы оборудования и максимально снизить эксплуатационные затраты. Один из таких ключевых параметров — это способ пуска. Как известно, пусковой ток электродвигателя насоса нередко в четыре-семь раз превышает ток номинальной нагрузки. Это ведет к повышенному электротепловому износу изоляции обмоток статора, от которой существенно зависит надежность и долговечность электродвигателя. Кроме того, при недостаточной мощности распределительной электросети возможна кратковременная просадка напряжения, что неблагоприятно сказывается на работе другого электрооборудования, присоединенного к этой же сети. Вреден такой запуск и для агрегата и скважины в целом, поскольку часто сопровождается гидроударом, разрушающим трубопроводы, арматуру и сам насос. Также при подобном старте наблюдается высокий приток воды в скважину из водоносного пласта, за счет чего происходит разрушение фильтровальной зоны и попадание песка в скважину. Наиболее эффективным решением всех этих проблем является обеспечение плавного пуска насоса, для чего разработан целый ряд различных методов. Все они имеют как достоинства, так и недостатки. В этом материале мы сделали попытку сравнения их эффективности и стоимости. Негативные факторы При организации водоснабжения на базе использования подземных вод технологические режимы эксплуатации водозаборных скважин включают в себя пусковые режимы погружных насосов, количество которых может достигать 30 пусков-остановок в час (табл. 1). Пуск погружных насосов является одним из наиболее неблагоприятных режимов для их электродвигателей, водоподъемных труб и водозахватной части скважины. Электродвигатель погружного насоса в этот период на короткое время подвергается пиковой нагрузке, т.к. его пусковой ток, повторимся, в четыре-семь раз превышает значение номинального при относительно невысоком пусковом моменте. Кроме того, скачок пускового тока создает ударный электромагнитный момент, передающийся через вал двигателя на рабочее колесо насоса. При таких условиях в водоподъемной колонне труб возможны максимальные колебания давления при гидравлическом ударе, а в водозахватной части — высокие значения притока воды в скважину со стороны водоносного пласта. При этом для режима пуска характерны два периода: ❏ первый (τ1 = 0,9–0,5 с), в течение которого возникают высокие значения скоростей притока воды в скважину со стороны водоносного пласта в верхней части фильтра, а также происходит резкое изменение давления, нарушающее устойчивость прифильтровой зоны (происходит вынос песка); ❏ второй (τ2 = 1–5 с) сопровождается при определенных условиях гидравлическим ударом в напорном трубопроводе. Для исключения негативных явлений переходных процессов, возникающих при пуске погружных насосов, разработаны технологические схемы оборудования скважин. Они базируются на электрическом (с помощью устройств, изменяющих число оборотов электродвигателя) регулировании подачи воды погружными насосами и гидравлическом (с помощью запорно-регулирующей арматуры) принципах. Здесь рассматривается электрическая составляющая решения проблемы, а также ее влияние на энергоэффективность используемого насосного оборудования. Способы снижения пусковых токов Как правило, в скважинных насосах используются следующие способы снижения пусковых токов их электродвигателей: DОL — прямое включение; SD — включение методом «звезда–треугольник»; метод включения электродвигателя посредством пускового трансформатора — AF; SS — плавный пуск и FC — преобразователь частоты. При выборе способа снижения пусковых токов следует учитывать область применения насосного оборудования, технические требования, а также действующие нормы и правила эксплуатации электросетей. Метод прямого включения: DОL При пуске методом DОL контактор или аналогичные устройства подключаются к сети напрямую. При прочих постоянных параметрах DОL является тем способом пуска, при котором в электродвигателе возникает минимальное количество тепла и тем самым у электродвигателей мощностью до 45 кВт обеспечивается максимальный срок службы. Однако у электродвигателей большей мощности механическая нагрузка настолько велика, что рекомендуется снижать токи. Метод включения «звезда–треугольник»: SD Это наиболее часто применяемый способ снижения пусковых токов. Во время пуска электродвигатель включен на «звезду», а после окончания пуска переключается на «треугольник». Такое переключение производится автоматически через заданный временной интервал. При пуске в положении «звезда» ток на треть ниже, чем при пуске путем прямого включения и лежит в пределах 1,8–2,5 от номинального. Такой метод относительно дешев, прост и надежен. Для насосов с небольшим моментом инерции, например, погружных, пуск по методу «звезда–треугольник» не очень эффективен либо даже неэкономичен. Дело в том, что диаметр погружных насосов и их приводных электродвигателей невелик, масса рабочего колеса мала, вследствие чего мал и момент инерции. В результате погружным насосам для разгона от 0 до 2900 мин–1 требуется всего 0,1 с. Это означает также, что насос при переключении тока сразу же останавливается. Сравнение пусковых токов, возникающих при прямом включении и при включении по методу «звезда-треугольник», на первом этапе показывает заметное уменьшение величины тока. При переключении со «звезды» на «треугольник» насос быстро останавливается и во второй раз должен запускаться напрямую. Несколько иначе складывается ситуация у центробежных насосов, имеющих больший диаметр и большую массу и обладающих более продолжительным моментом инерции. У электродвигателей мощностью свыше 45 кВт можно, как правило, достигнуть значительного снижения второго пика тока. Следует отметить, что слишком долгая эксплуатация электродвигателя в режиме «звезда» приводит к его перегреву и, следовательно, сокращает срок службы. Установки, содержащие погружные насосы с электродвигателями, включенными по этому методу, часто бывают дороже, чем аналоги, поскольку для электродвигателя требуется два соединительных кабеля (вместо обычно необходимого одного). Метод включения посредством пускового трансформатора: AF При этом методе пуска (его также называют методом Корндорфа) напряжение снижается посредством трансформаторов (обычно двух), по одному на каждую фазу. Трансформаторы часто имеют два сетевых выхода: один на 75 % и другой на 60 %. При использовании 60 %го выхода происходит снижение пускового тока, аналогично пуску по «звезда–треугольник». При пуске электродвигатель получает сначала пониженное напряжение, а затем полное. При переключении обмотки трансформатора подключены как дроссельные катушки. Это означает, что электродвигатель все время остается связанным с сетью и частота его вращения не снижается. Пусковые трансформаторы относительно дороги, но очень надежны. Естественно, пусковой ток определяется характеристиками электродвигателя и насоса и в зависимости от их типоразмеров может значительно колебаться. Плавный пуск: SS Устройство для плавного пуска электродвигателя представляет собой электронный прибор, снижающий напряжение и соответственно пусковой ток путем фазового управления. Электронный прибор содержит регулировочный блок, где настраиваются различные эксплуатационные и защитные параметры и силовой блок с симметричным триодным тиристором. Пусковой ток ограничен, как правило, величиной, в два-три раза превышающей рабочий ток. При сохранении прочих параметров выключение электродвигателя по этому методу также обеспечивает уменьшение начального пускового момента. Наличие инерции в процессе пуска может привести к значительному теплообразованию в электродвигателе и тем самым к снижению его срока службы. Однако эта проблема при коротком времени ускорения/замедления, например, в течение трех секунд, не имеет практического значения. Это утверждение относится также к пуску электродвигателей по методам SD (включение через «звезду–треугольник») и AF (включение через пусковой трансформатор). В том случае, если требуется особенно высокий пусковой момент, пусковое напряжение можно повысить на 55 %. Однако при нормальных условиях эксплуатации этого не требуется. При плавном пуске электродвигателя его выключатель обеспечивает подачу тока несинусоидальной формы и в определенной мере создает высшие гармоники. В связи с очень коротким временем ускорения/замедления с практической точки зрения (и в нормах, касающихся высших гармоник) это не находит большого применения. В целом, выключатель плавного пуска рекомендуется устанавливать вместе с обходным контактором, чтобы электродвигатель в процессе эксплуатации работал в режиме DОL. Тем самым обеспечивается минимальный износ и потеря мощности в устройстве для плавного пуска. В том случае, если плавный пуск электродвигателей производится через обходной контактор, они могут работать с системой тепловой защиты (Tempcon). Пуск посредством преобразователя частоты: FC Пуск электродвигателя посредством преобразователя частоты представляет собой идеальный вариант с точки зрения уменьшения пускового тока, а также импульса давления. Преимущество этого метода в том, что пусковой ток все время удерживают на уровне номинального тока электродвигателя. Это означает, что число требуемых в течение часа включений и отключений может быть установлено любым. В ряде моделей, например, в насосах SQ и SQE функция плавного пуска и останова за счет частотных преобразователей является встроенной, что облегчает монтаж и эксплуатацию. Особенности применения устройств плавного пуска и защиты Из всех описанных способов пуск электродвигателя посредством преобразователя частоты является наиболее дорогим. Поэтому его используют лишь в том случае, если в течение какого-либо интервала времени необходимо бесступенчатое регулирование мощности электродвигателя. Например, при переменном водопотреблении, когда изменением частоты можно добиться поддержания постоянного давления на выходе из насоса и экономии электроэнергии. Кроме того, в ряде случаев существуют определенные ограничения на применение преобразователей частоты. Так, исполнение всех скважинных насосов Grundfos серии SPA и SP допускает их эксплуатацию с преобразователем частоты при условии соблюдения следующих параметров: минимальная частота должна составлять 30 Гц, максимальная — 60 Гц (в зависимости от мощности электродвигателя). При этом электродвигатель нужно выбирать по возможности на один типоразмер больше или предусмотреть использование электродвигателя общепромышленного назначения с меньшей тепловой нагрузкой. Кроме того, требуется обеспечить достаточное охлаждение насоса (за счет специального кожуха). Следует обеспечить пропорциональное изменение напряжения и частоты (U/f = const) и отрегулировать частотный преобразователь по номинальному току выбранного погружного электродвигателя. Необходимо также иметь в виду, что термореле Tempcon, установленное в обмотках двигателей MS 4000 и MS 6000 насосов SP, не будет работать корректно при использовании частотного преобразователя. Чтобы контролировать температуру двигателя, рекомендуется дополнительно устанавливать термодатчики Pt100.В качестве устройства защиты электродвигателей насосов SP желательно применять модуль MP 204, который может использоваться как отдельно, так и в составе шкафа управления Control MP 204. Это устройство позволяет осуществлять защиту и контроль электродвигателя по таким важным параметрам, как повышенное и пониженное напряжение, перегрузка и недогрузка по току, сопротивление изоляции, температура двигателя, чередование фаз, пропадание фазы, cosϕ, энергопотребление, гармонические искажения, число пусков и наработка моточасов. Но необходимо учесть, что MP 204 не может применяться вместе с частотным преобразователем. Исходя из приведенных данных, очевидно, что выбор системы пуска, в конечном итоге, обусловлен конкретными условиями, такими как: мощность насоса, необходимость регулировать производительность насоса в течение его работы. При этом, в общем случае, для достаточно мощных устройств (более 45 кВт) оптимальным способом по затратам и результативности является плавный пуск. Использование же таких систем позволяет свести к минимуму возможность повреждения трубопроводов и оборудования гидроударом, защищает электрическую сеть от пиковых нагрузок и дает возможность оптимизировать эксплуатационные затраты.