Решение для системы с четырьмя параллельными насосами (гидравлическая система с преобладанием напора на преодоление трения).
Проблемы пуска электродвигателя в гидросистемах
В момент старта в электродвигателе (ЭД) происходят явления, которые относятся к так называемым переходным процессам. Последние справедливо считаются наиболее проблемными режимами работы ЭД. Во время пуска электродвигатель потребляет ток и развивает момент, величина которых намного превышает значения необходимые для вращения механизмов. Длится данный процесс до тех пор, пока электродвигатель не войдёт в номинальный режим работы.
«Как правило, электродвигатель даже при пуске насосов, момент нагрузки которых нарастает достаточно плавно, потребляет в разы больше энергии. В итоге скачкообразно возрастает ток, – отмечает Алексей Аникин, менеджер по группе изделий компании АББ. – Достаточно сказать, что пусковой ток в 6-7 раз превышает номинальную величину, чтобы представить, что происходит как в самом электродвигателе, так и с питающей сетью».
При прямом пуске от сети обмотки ЭД испытывают энергетический удар, негативное влияние которого на их изоляцию нарастает с каждым новым включением. Указанное явление сопровождается перегревом обмоток и приводит к межвитковым коротким замыканиям. В конечном счёте двигатель выходит из строя. Кроме того, пусковые токи влияют и на другое оборудование, которое подключено к той же электрической сети.
«Большую опасность прямой пуск представляет для механических частей насосов, арматуры и трубопроводов. Кроме того, в момент включения (пуска) и отключения (останова) в системе возникает гидроудар. Для него характерны мгновенные значения давления, в десятки раз превышающие номинальную величину в системе. В течение короткого промежутка времени чередуются процессы повышения и понижения напора воды, зачастую входящие в резонанс. Это провоцирует деформацию трубопровода и механизмов насоса, – рассказывает Роман Смирнов, инженер-конструктор компании «А-Трейд», более 15 лет занимающейся производством электрощитового оборудования и имеющей значительный опыт разработки и внедрения систем водоснабжения и водоотведения. – Применение УПП позволяет исключить ударные нагрузки на подшипники агрегатов и лобовые части обмоток электродвигателей, снизить электродинамические нагрузки на питающее оборудование (трансформаторы, шины, автоматические выключатели), увеличить межремонтные промежутки, а значит, обеспечить долговечность и надёжную эксплуатацию насосного оборудования».
Специалисты пробовали бороться с переходными процессами, возникающими при старте двигателя от сети, при помощи механических устройств. Например, за счёт дополнительного слабосильного привода, который раскручивал базовый двигатель до требуемых оборотов. Затем разгонник отцеплялся, а на обмотки основного мотора подавалось напряжение. Из-за сложности в эксплуатации данный способ не нашёл широкого применения.
Ему на смену пришла схема пуска электродвигателя «звезда-треугольник». В ней ЭД включается ступенчато, в два этапа. С маленьким крутящим моментом электродвигатель раскручивается до определённых оборотов, а затем подключается с большим моментом. Проблема пуска по схеме «звезда-треугольник» кроется в том, что «ступеньки» сопровождаются локальными гидроударами, правда, не такими мощными, как при включении напрямую от сети. Страдают механическая и электрическая части насосного оборудования. Кроме того, при переходе от «звезды» к «треугольнику» всплеск потребления электроэнергии может быть даже большим, чем при прямом пуске.
«Умный» запуск двигателя
Всех вышеописанных проблем можно избежать посредством применения устройств плавного пуска (УПП). Благодаря им двигатель разгоняется постепенно, без какого-либо технического вреда как для механических, так и электрических частей насосного оборудования. УПП уже получили довольно широкое распространение, но их эффективность различается. «Особенное внимание необходимо уделять гидроударам при останове в высоконапорных гидравлических системах, – говорит Дмитрий Гришуков, директор производства компании «А-Трейд». – Здесь возможны случаи, когда при уменьшении напряжения момент двигателя может резко упасть ниже момента нагрузки, что приведёт к возникновению в системе гидравлического удара и повреждению напорного трубопровода или обратного клапана. В таких системах для плавного снижения скорости потока необходимо применять устройства плавного пуска с функцией управления моментом. Например, УПП серии PSE компании АББ, в котором управление моментом обеспечивается при помощи специального программного обеспечения. На базе математической модели переходных процессов в гидравлике рассчитываются оптимальные управляющие параметры – как в момент старта, так и остановки. Такое УПП плавно уменьшает крутящий момент двигателя, и когда давление насоса станет несколько ниже статического напора, поток плавно изменит направление на обратное и закроет обратный клапан. За время плавного останова движущаяся жидкость потеряет значительную часть кинетической энергии, и гидроудар не образуется».
Важно, что постепенное увеличение крутящего момента сводит на нет возможность возникновения гидравлического удара. Кроме того, при плавном пуске пиковое значение выделяемой двигателем тепловой энергии в 2-2,5 раза меньше, чем при прямом включении от сети. Соответственно, сокращаются потери, увеличивается КПД двигателя, меньше изнашивается изоляция мотора.
«Для того чтобы предупредить возможные нештатные ситуации, устройства плавного пуска должны обладать широким функционалом: иметь защиту от перегрузки, холостого хода, заклинивания ротора, – дополняет Алексей Аникин (АББ). – Кроме всего вышеуказанного, УПП должно иметь удобный интерфейс. Например, устройства серии PST(B) оснащены полнотекстовым ЖК-дисплеем с отображением информации, в том числе и на русском языке. Посредством адаптера FieldBusPlug данные УПП могут быть подключены к промышленной шине Fieldbus для систем автоматизации».
Частотное регулирование в гидросистемах
В гидросистемах нагрузки, как правило, носят переменный характер. Так, для предприятий водоканала пик приходится в утренние и вечерние часы, а днём и ночью разбор минимален. В итоге потребление ресурса динамическое. Получается, что необходимо регулировать подачу воды. Порой для данной цели применяется дросселирование посредством запорной арматуры – задвижек, уменьшающих или увеличивающих расход жидкости по мере необходимости. Альтернативой дроссельному регулированию может стать циклическое управление оборудованием, учитывающее периодичность потребления.
Однако оба способа являются неэффективными. В первом случае – из-за перерасхода электроэнергии в периоды «штиля», когда насосы работают в штатном режиме при частично закрытых задвижках. Во втором из-за утраты гибкости при регулировании расхода.
Выход видится в возможности регулирования частоты вращения насосов. В этом случае агрегаты будут давать именно такой напор, который нужен. Об эффективности данного способа известно давно. Однако долгое время он не был популярен ввиду сравнительно низкой стоимости электроэнергии. Иными словами, у предприятий водного хозяйства не было нужды экономить. Ситуация существенно изменилась в последние несколько лет, когда цены на энергоресурсы значительно выросли. Кроме того, на рынке появился ряд совершенных и доступных технических средств – например, частотно-регулируемые приводы (ЧРП). Сегодня они успешно применяются в комплексе с устройствами плавного пуска.
Рассмотрим следующий пример комбинации УПП и ПЧ: в стандартной трубопроводной системе (с преобладанием напора на преодоление трения ʋ = 5%) с четырьмя параллельными насосами с расходом 2500 м3/ч устанавливается два устройства плавного пуска и два преобразователя частоты. «В данной схеме насосы, оснащённые устройствами плавного пуска, работают в номинальном режиме. Агрегаты с преобразователями частоты позволяют увеличить или уменьшать в нужное время производительность гидросистемы, – поясняет Алексей Аникин (АББ). – Опыт применения схем на основе УПП серии PSE, PST(B) и ПЧ семейства ACQ показал, что экономия электроэнергии может достигать 50%. Причём информацию о текущих энергозатратах можно увидеть в реальном времени – например, на мониторе частотно-регулируемого привода. Затраты на закупку оборудования окупаются всего за полтора года».
Преобразователя частоты, как и устройства плавного пуска, должны решать и побочные задачи, в частности – предотвращать кавитации и «сухой» ход насоса. Некоторые современные ПЧ имеют встроенные оптимизаторы энергопотребления, оснащены интеллектуальной функцией самодиагностики.
Практика отдельных передовых предприятий водной отрасли показывает, что применение устройств плавного пуска и частотно-регулируемых приводов даёт такие преимущества, как:
- уменьшение опасности аварий за счёт исключения гидравлических ударов;
- снижение износа оборудования;
- сокращение утечек в системе водоснабжения, так как насосы могут работать при пониженных давлениях;
- комплексная автоматизация технологического процесса.
Инвестиции в современные электротехнические решения в итоге окупаются, а сбережённые после средства можно вложить в дальнейшую модернизацию.
