Основные аспекты внедрения частотно-регулируемого электропривода на насосные станции водоснабжения

Предпосылки внедрения низковольтных ЧРП на объектах водоснабжения

Вопросы энергосбережения, улучшения показателей качества технологических процессов в последние годы весьма актуальны и требуют грамотных научно-технических решений. В существующих условиях доля электрической энергии потребляемой электродвигателями достигает 70% от затрат на доставку воды потребителям. Внедрение ЧРП на насосные станции позволит существенно снизить потребляемую электроприводом электроэнергию. Также следует отметить технико-экономические показатели ЧРП, такие как: плавный пуск насосов (отсутствие гидравлических ударов в трубопроводе, снижение напора), высокая надежность работы насосных агрегатов, автоматизация и диспетчерское управление, полная электрическая защита электродвигателя, и т.д., что в отдельных случаях имеет особое значение по отношению к прямой экономии. Частотно-регулируемый электропривод позволяет оптимизировать характеристики трубопроводной сети (давление, расход или температура) в соответствие с текущими требованиями, экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь и постоянной циркуляции воды, продлить ресурс теплофикационного и электротехнического оборудования, уменьшить затраты на ремонтные работы.

Вышеназванные задачи имеют технический, организационный и финансовый характер, от их решения зависит качество проектирования, монтажа, наладки и эксплуатации ЧРП. Внедрение частотно-регулируемого привода на насосных станциях условно можно разбить на несколько этапов и подразделов, в каждом из них есть свои особенности и очередность. Рассмотрим основные аспекты внедрения ЧРП, выделяя критерии технической и экономической целесообразности. На рис.1 приведена последовательные шаги по внедрению частотно-регулируемого привода на объектах водоснабжения.

Рис.1
Рис.1. Аспекты внедрения ЧРП на объектах водоснабжения.

Техническое обследование трубопроводной сети

Подавляющее большинство водоснабжающих насосных станций было спроектировано с использованием принципа дросселирования водного потока, который основан на управлении производительности насосного агрегата с помощью запорной арматуры. Этот способ экономически невыгоден, хотя и довольно удобен с точки зрения эксплуатации. Для технико-экономического обоснования внедрения ЧРП необходимо провести обследование трубопроводной сети с целью выявления фактических энергозатрат при работе насосных агрегатов (рис.2). Часто на стациях установлены насосы с характеристиками, превышающими текущие потребности водоснабжения. Этот запас, зарезервированный на возможное расширение трубопроводной сети, гасится посредством задвижек. Переменный характер расхода или давления в трубопроводе также косвенно указывает на необходимость регулирования производительности насоса.

В связи с этим, при наблюдении за работой сети водоснабжения необходимо учесть ряд факторов возникающих при использовании этого метода:

• количество энергии, теряемое на задвижке
• потребление электроэнергии при работы электродвигателя
• качественное и своевременное измерение рабочих характеристик насоса.

Началом проектирования систем автоматизации и управления насосных станций является определение потребности, временного интервала, а также диапазона регулирования характеристик трубопровода (расход Q, давление Р, температуры T). С этой целью проводят исследование и наблюдение (технический мониторинг) трубопроводной сети: выполняют замеры давления, расхода, в тепловых сетях — температуры. Для получения полноценной картины работы трубопровода замеры рекомендуется выполнять через определенные интервалы в течение заданного промежутка времени, учитывая неравномерный характер пиковых значений водозабора потребителей; также следует измерять активную мощность электродвигателя в те же интервалы времени. Для удобства анализа данных, результаты замеров следует заносить в табличной форме, пример такой таблицы приведен ниже. Согласно замерам впоследствии несложно построить графики изменения давления, производительности насосе, мощности двигателя; рассчитать потери мощности на запорной арматуре и электродвигателе при дроссельном регулировании.

Рис.2
Рис.2. Функциональная схема работы насосной станции без ЧРП.

Разработка технического задания

Следующим этапом проектирования насосных станций должна стать разработка технического задания (ТЗ), включающего в себя технические характеристики частотно-регулируемого привода, показатели качества регулирования, технико-экономические требования, обоснованный выбор оборудования, степень автоматизации и диспетчеризации, влияние ЧРП на электрическую сеть, подготовка нормативно-технической документации и т.д. Основой для разработки ТЗ являются результаты анализа технического обследования трубопроводной сети и насосного парка станции, технических требований и экономических возможностей эксплуатирующей организации.

Выбор комбинации насосов и способа регулирования в зависимости от характеристики объекта определяет индивидуальный расчёт текущей рабочей точки и, соответственно, текущее энергопотребление по каждому насосу и характеристики насосной станции в целом. В подавляющем большинстве на насосных станциях реализован следующий принцип работы насосных агрегатов: один (два) в работе, второй (третий) — в резерве, третий (четвертый) — в ремонте. Для таких вариантов работы насосного оборудования как нельзя лучше подходят станции группового управления частотным электроприводом (СГУ-ЧЭ), работающие в автоматическом режиме. В таких станциях используется один преобразователь частоты для группы насосных агрегатов; регулирование производительности насоса происходит на одном насосе, в случае увеличения водоразбора подключаются резервные насосы (каскадное регулирование давления и расхода). Благодаря преобразователю частоты (ПЧ) происходит плавный пуск насосов, в трубопроводе отсутствуют гидравлические удары, а в сети электроснабжения большие пусковые токи; логический контроллер, входящий в состав СГУ-ЧЭ, позволяет выполнять выдачу управляющих воздействий на объекты станции, а панель управления и сигнализации (видеотерминал) обеспечивает ручное управление и контроль над насосной станцией, визуальный контроль нормальных и аварийных режимов работы станции. Использование ПЧ и контроллера позволяет реализовать необходимые алгоритмы автоматизации и сопряжение СГУ-ЧЭ с информационно-управляющими SCADA-системами предприятия.

По требованиям ТЗ разрабатываются структурные, функциональные и принципиальные электрические схемы; составляется и отрабатывается модель системы управления и регулирования ЧРП, подготавливается нормативная и техническая документация.

Электроснабжение станции управления ЧРП

При проектировании СГУ-ЧЭ также нужно учитывать необходимость изменения схемы электроснабжения насосной станции для обеспечения надежности питания оборудования. Использование двух независимых питающих линий с устройством автоматического включения резерва (АВР) позволит снизить вероятность полного отключения электрооборудования станции (ПУЭ 1.2.17). Также на базе устройства АВР реализуются защиты от токов короткого замыкания и перегрузок, от повышения/понижения напряжения, небаланса фаз и неправильного чередования фаз.

Мощность питающих трансформаторов должна обеспечивать отклонение напряжения от номинального на величину не более ± 10% и компенсировать воздействие гармонических токов. Схожие требования относятся и к локальным источникам мощности — автономным электростанциям. Полная мощность питающего дизель-генератора должна перекрывать 5 раз мощность преобразователя частоты [1].

В связи с тем, что электрическая сеть подвержена различным негативным функциональным изменениям (отклонения, колебания, несимметрия напряжений), для работы логического контроллера необходимо предусмотреть наличие электронного стабилизатора напряжения либо источника бесперебойного питания (UРS). Ошибочная выдача управляющих сигналов вследствие колебаний напряжения может привести к серьезной аварии на трубопроводе или недотпуску воды потребителям. Управление преобразователем частоты, электродвигателями, коммутационными аппаратами, запорной арматурой должно быть независимо от качества питающей сети и по возможности должно иметь резервный источник питания. На рис.3 приведена совмещенная схема электроснабжения насосной станции, которая отражает типовое построение станции группового управления электродвигателями на базе преобразователя частоты и логического контроллера.

Рис.3
Рис.3 Совмещенная схема электроснабжения насосной станции.

Уровень автоматизации и диспетчерское управление ЧРП зависят от реальных требований технологического процесса, удаленности объекта, наличия и количества обслуживающего персонала, финансовых возможностей заказчика и др. При определении объема автоматизации сооружений водоснабжения учтены производительность, режим работы, степень ответственности, требования к надежности, перспектива сокращения численности обслуживающего персонала, улучшение условий труда работающих, а также снижение потребления электроэнергии, расхода воды и реагентов [2].

Потенциальные решения автоматического управления предусматривают работу СГУ-ЧЭ по заданным алгоритмам регулирования в автоматическом режиме, с возможностью дистанционного управления и контроля над работой комплекса водоснабжения. Эти задачи осуществляются с помощью каналов связи между СГУ-ЧЭ и диспетчерским пунктом, с отображением насосной станции и трубопроводов в виде мнемосхемы на панели или программы управления (ПУ) на ПЭВМ диспетчера, контролирующего и управляющего объекты водоснабжения в режиме реального времени. На ПУ должна быть предусмотрена индикация всех режимов работы (автоматический, ручной, аварийный) СГУ-ЧЭ и параметров технологического процесса, а также сигнализация по элек-тропитанию.

Неотъемлемой частью автоматического управления СГУ-ЧЭ является использование алгоритмов «выживания». Работа таких алгоритмов должна не допускать выход из строя электрических машин, датчиков, электропривода задвижек, трубопроводов, котлов, накопительных емкостей, и другого оборудования. Существует множество вариантов алгоритмов спасения функций электротехнического и технологического оборудования объектов водоснабжения и, несомненно, их обязательно следует учитывать при проектировании систем автоматического управления ЧРП. В качестве примера таких алгоритмов можно предложить следующие решения:

• предохранение запорной арматуры от заклинивания;
• исключение снижения уровня воды в накопительных резервуарах;
• отключение насосных агрегатов при прорывах или закупорки трубопроводов, а также предотвращение «сухого хода»;
• защита от затопления, пожара оборудования или критического снижения температуры на объекте;
• защита от отклонений показателей качества электроэнергии;
• автоматическая защита от обрыва каналов связи с датчиками;
• автоматический перепуск двигателей через заданные интервалы времени;
• защита от перегрева преобразователя частоты и электродвигателя.

Для систем водоснабжения, сооружения которых территориально разобщены, следует предусматривать диспетчерское управление, выполняющее:

• оперативное управление и контроль технологического процесса и оборудования; • поддержание необходимых режимов работы СГУ-ЧЭ и оптимизацию технологических параметров; • своевременное обнаружение, локализацию и устранение аварий.

Оценка влияния ЧРП на качество электроэнергии

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что частотно-регулируемые асинхронные электроприводы вносят ряд особенностей при построении схем электроснабжения и оказывают влияние на протекание электромагнитных и электромеханических процессов в установившихся и динамических режимах работы энергосети. Преобразователи частоты представляют собой установки, содержащие устройства силовой электроники с нелинейными вольтамперными характеристиками. Процессы высокочастотной коммутации IGBT-транзисторов, сопровождаются скачкообразным изменением параметров цепей, приводят к искажениям форм напряжения и тока, как в сети электроснабжения, так и в электродвигателях. Искажения сопровождаются генерированием высших гармоник, перенапряжениями на статоре двигателя и в кабельных линиях (рис.4).

Рис.4
Рис.4. Осциллограммы токов (выход ПЧ) и графики амплитудных спектров напряжений (ввод ПЧ).

Наличие высших гармонических составляющих приводит к перегреву оборудования распределенной сети электропитания, снижению cos ф, снижению электрического и механического КПД, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных энергетических установок. Несинусоидальность напряжения и тока вызывает в трансформаторах увеличение потерь мощности; сокращается срок службы изоляции электрооборудования. Оптимальным решением по устранению влияния ПЧ на качество электроэнергии является использование пассивных фильтров для сглаживания высших гармоник напряжения и тока. В этой связи, при проектировании СГУ-ЧЭ необходимо детально рассчитать и заложить фильтрующие устройства на входе и выходе с ПЧ.

Выбор основного оборудования для ЧРП

Согласно [1] и ГОСТ Р 51137-98 (Электроприводы регулируемые асинхронные для объектов энергетики) производится выбор главного компонента СГУ-ЧЭ — преобразователя частоты. Также настоятельно рекомендуются для изучения и применения международные и национальные стандарты стран, регламентирующие применение ЧРП: EN (Европейские нормы), IEC (Международный электротехнический стандарт) IEEE (Институт инженеров электриков и электронщиков США) и др.

Электродвигатели для ЧРП. В настоящее время является неоспоримым тот факт, что преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией оказывают негативное воздействие на работу подключаемых асинхронных электродвигателей (АД). Высокочастотная коммутация в ПЧ генерирует высшие гармоники амплитуд напряжения и тока, вызывает волновые переходные процессы и импульсные перенапряжения в системе ПЧ-двигатель, обусловливает появление подшипниковых токов в двигателе. Также по некоторым оценкам, использование обычных серийных АД в частотном приводе приводит к снижению КПД и требует завышения их установленной мощности на 15-20% при работе в динамических режимах.

Минимизировать, а в отдельных случаях вообще исключить, возникновения вышеназванных явлений должно использование специальных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором нового поколения. Также, нельзя не учесть технические аспекты проектирования электродвигателя работающих в частотно-регулируемом приводе: форма пазов ротора, число пар полюсов, номинальное напряжение и охлаждения [3] (рис.5).

Рис.5
Рис.5. Асинхронный электродвигатель для частотно-регулируемого привода.

Электродвигатели нового поколения должны обладать:

• Усиленной изоляцией обмоток статора (особенно начальных витков) для защиты от перенапряжений и высших гармонических составляющих тока.
• Встроенными датчиками температуры и независимыми автономными вентиляторами для обеспечения необходимого охлаждения двигателя в режиме регулирования.
• Подшипниками с изолированным внутренним или наружным кольцом, имеющие диэлектрическое покрытие ролики с целью исключения возникновения подшипниковых токов увеличивающих износ подшипников. Также должны соответствовать требованиям работы двигателя в зоне различных скоростей смазка подшипников и балансировка ротора.
• Пониженной глубиной пазов ротора вследствие плавного частотного пуска электродвигателя. Другими словами, задача обеспечения определенной кратности пускового и максимального момента при проектировании ЧРП не должна учитываться.
• Нестандартным номинальным напряжением основной гармоники. Величина напряжения должна выбираться из конкретных задач по регулированию скорости приводного механиз-ма.
• Число пар полюсов должно оптимально соответствовать требуемому диапазону регулирования частоты, стоимости асинхронного двигателя и потребляемой им энергии.

Де-факто, проблемы использования стандартных АД для ЧРП в условиях водоснабжающих комплексов обстоят несколько иным образом. На объектах водоснабжения на данный момент практически все установленные электродвигатели — стандартного исполнения, и вполне успешно работают в составе частотно-регулируемого привода. Безусловно, они не предназначены для работы с ПЧ, однако, серьезных нарушений в их работоспособности не было обнаружено. Имеют место такие факторы как незначительное снижение сопротивления изоляции и нагрев статора АД, что не является серьезными проблемами. Следует отметить, что в России относительно небольшой опыт эксплуатации ЧРП, и проблемы применения типовых АД в настоящее время продолжают изучаться и анализироваться.

Выбор вспомогательного оборудования для ЧРП

По итогам проектных расчетов и анализа смоделированных схем управления СГУ-ЧЭ выбирается логический контроллер с ПИД-регулятором для выработки сигналов управляющего воздействия, устройства для борьбы с нарушениями в энергосети (фильтры входного напряжения, радиопомех, электромагнитного излучения, R-L-С фильтр), датчики технологических параметров (датчики давления, расходомеры, уровнемеры), панель местного управления ЧРП с управляющей и сигнальной арматурой.

К вспомогательному оборудованию частотно-регулируемого электропривода относятся коммутационная и релейная аппаратура, измерительные приборы, преобразователи сигналов, блоки питания, сигнальная арматура, кабельная продукция, приточная и вытяжная вентиляция, дистанционный пульт управления ПЧ и т.д. Их подбор производится в соответствии с техническими правилами на эти устройства. Правильный выбор основного и вспомогательного электрооборудования, соответствующего внешним воздействиям (окружающая температура, атмосферная влажность и др.), является необходимым не только для правильного функционирования, но также для обеспечения надежности защитных мер.

В настоящее время существуют комплектные СГУ-ЧЭ, внедрение которых будет максимально обеспечивать требования по оптимизации технологических параметров трубопровода. Условия проектирования комплектных ЧРП представляют собой производство мероприятий полной замены всех главных элементов насосных станций: исполнительного механизма (насоса), приводной машины (электродвигателя), запорной арматуры и трубопроводной обвязки. В этом случае насос и АД представляют собой одно целое — рабочее колесо расположено непосредственно на валу двигателя — полумуфты отсутствуют, насос и АД на одной раме, отпадает необходимость в операциях по центровке, снижена вибрация (рис.6). Рабочее колесо изготовлено по измененной технологии, учитывающей особый характер производительности и напора насосного агрегата. Также модифицирована электроприводная электрическая машина: усилена изоляция обмоток статора, используются подшипники с изолированным внутренним кольцом, мощность электродвигателя точно подобрана под насосный агрегат и т.д.

Также известны другие варианты комплектных СГУ-ЧЭ — это интегрированные моноблоки (рис.7), совмещенные в одном габарите электродвигатель и преобразователь частоты с целью получения новых функций. Такое техническое решение позволяет осуществлять непосредственное управление двигателем по месту его работы, оперативную коррекцию параметров привода непосредственно на рабочем месте, сокращение количества и длины соединительных кабелей и т.д. Области применения таких блоков — универсальные электроприводы с повышенными динамическими свойствами, глубоким регулированием скорости вращения и возможностью контроля и регулирования момента.

Рис.6
Рис.6. Модификации насосных агрегатов для комплектных станций ЧРП.

Интегрированный моноблок — это совмещенные в одном габарите электродвигатель и пре-образователь частоты с целью получения новых функций:

• непосредственное управление двигателем по месту его работы;
• оперативная коррекция параметров привода непосредственно на рабочем месте;
• сокращение количества и длины соединительных кабелей;
• балансировка ротора на повышенную частоту вращения;
• улучшенные условия охлаждения блока управления;
• усиленная изоляция обмотки;
• специальные подшипники SKF;
• встроенные термодатчики;
• независимое принудительное охлаждение;
• датчик обратной связи (энкодер);
• независимость работы блока управления от различных помех в условиях производства.

Комплектная СГУ-ЧЭ включает в себя электроприводные задвижки и часть трубопроводной обвязки для обеспечения требуемой синхронизации и совместимости с насосными агрегатами и процессом регулирования выходных координат. К минусам комплектных СГУ-ЧЭ можно отнести относительные сложности по наладке и техническому обслуживанию, эти работы чаще всего проводят специалисты фирмы-изготовителя, однако это не должно быть препятствием при выборе таких станций — расходы на эти виды работ незначительно увеличивают срок окупаемости станции, и не столь существенны по сравнению с экономией энергоресурсов и продлению ресурса оборудования.

Рис.7
Рис.7. Интегрированный моноблок (преобразователь частоты совместно с электродвиагетлем).

Разработка нормативно-технической документации

Важнейшим аспектом монтажных, наладочных и эксплутационных работ является полная и исчерпывающая техническая и нормативная документация. К ней относятся техническое задание, паспорта и инструкции на ПЧ, контроллер, выключатели и другое оборудование, принципиальные электрические и монтажные схемы, технический паспорт СГУ-ЧЭ, инструкции по эксплуатации, программы пуско-наладочных работ, алгоритмы действий персонала в аварийных ситуациях и др. В техническом паспорте указываются технические данные, комплект поставки, назначение и состав оборудования станции, особенности работы станции, указание мер безопасности, подготовка и порядок работы, техническое обслуживание, правила хранения и транспортирования, гарантийные обязательства фирмы-изготовителя. В инструкцию по эксплуатации включаются назначение и технические данные стации управления частотным электроприводом, описания работы станции в автоматическом и ручном режиме, работа вспомогательного оборудования, порядок выполнения оперативных переключений, возможные неисправности, сигнализация СГУ-ЧЭ, действия в аварийных ситуациях, требования безопасности.

Обучение и подготовка персонала

Обучение специалистов, занимающихся монтажом, наладкой и обслуживанием станций группового управления ЧРП включает в себя изучение:

• принципов построения, структурные, функциональные и электрические схемы силовой части преобразователя, подключение силовых цепей преобразователя;
• моделирование разомкнутых и замкнутых структур управления скоростью, регулирования момента АД, подключение управляющих и вспомогательных цепей преобразователя;
• программного обеспечение преобразователя, установки основных параметров АД, ПЧ, схем управления с помощью панели управления, диагностические функции;
• параметрирования режимов работы СГУ-ЧЭ;
• этапы пуска, наладки и технического обслуживания частотного электропривода.

Монтаж и наладка ЧРП

Монтажные и наладочные работы электрической части станции группового управления частотного электроприводом проводятся персоналом фирмы-изготовителя с организационным участием со стороны эксплуатации. Все электрооборудование должно быть смонтировано таким образом, чтобы облегчить его функционирование, осмотр и обслуживание, а также доступ к местам его присоединения. Особое внимание следует уделять проверке состояния изоляции электрических машин, правильности присоединения проводов по схеме, пригонке муфт и соединению агрегатов с центровкой валов, качеству контактных соединений, установке датчиков давления и расходомеров, качеству заземления, а также соответствию адресной маркировки на кабельной продукции и надписей на оборудовании проектным данным и реальным условиям.

Тестовый режим работы СГУ-ЧЭ

Завершающим этапом внедрения ЧРП на насосные станции является тестовый режим работы. Эти операции выполняет фирма-изготовитель совместно с электротехническим и теплотехническим персоналом эксплуатации. При тестировании проводятся диагностика монтажных работ, рабочие испытания оборудования, тестовые пуски электродвигателей в режиме регулирования, сравнение показаний счетчиков электрической энергии, установленных на питающих линиях станции с показаниями счетчика MW•h в преобразователе частоты.

Тестирование регулируемого режима должно осуществляться по «Программе испытаний и ввода в работу СГУ-ЧЭ» согласно местным условиям, в максимально вероятных изменениях технологических параметров. Программа должна включать в себя проверку автоматического и ручного управления насосными агрегатами, имитацию аварийных ситуаций, почасовые замеры потреб-ляемой электроэнергии, технологических параметров, измерение уровня радиопомех вырабатываемых ПЧ, симуляцию провалов напряжения на питающих вводах станции и питании логического контроллера, заклинивание запорной арматуры, ошибочные действия персонала, кратковременное отсутствие охлаждения ПЧ и АД, повышение температуры окружающей среды и т.д. Результаты тестового режим работы СГУ-ЧЭ должны быть проанализированы и обобщены; при необходимости вносятся коррективы в алгоритм управления, сигнализацию и системы учеты и контроля параметров станции.

Эксплуатация и техническое обслуживание ЧРП насосных станций

Эффективная работа частотно-регулируемого электропривода зависит не только от качества оборудования станции, но и от грамотной эксплуатации и своевременного технического обслуживания. Отдельные компоненты СГУ-ЧЭ являются достаточно сложными устройствами, в связи с этим обслуживающий персонал электро- и водоснабжения служб должен получить соответствующую компетенцию по работе со станцией группового управления частотного электроприводом, знать порядок действий при аварии, проводить профилактические работы по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии.

Библиографический список

1. ВРД 39-1.10-052-2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. — М.: ОАО «Газпром» (Управление энергетики), 1999. — 48 с.
2. Пособие по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения (к СНиП 2.04.02-84), 1992. — 32 с.
3. В.Я. Беспалов Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода. Электрооборудование: эксплуатация и ре-монт. 3/2006.

Парфентьев Д. В., г. Ухта, ООО «Севергазпром».

наверх