АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНО-ТРУБОПРОВОДНЫМ КОМПЛЕКСОМ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ ДЛЯ ОТКАЧКИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2013 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к области отведения канализационных сточных вод, содержащих различные примеси, с помощью насосно-трубопроводных комплексов с вертикальными электроцентробежными насосами, на насосных станциях водоканала городов и промышленных объектов с измерением и учетом количества откаченных канализационных сточных вод.

Современные системы откачки канализационных сточных вод являются сложными инженерными сооружениями, которые характеризуются следующими тенденциями своего развития: увеличение мощности установок для откачки канализационных вод, повышение надежности работающих установок, своевременное обнаружение возможных поломок установок.

Все эти особенности современных систем водоотведения канализационных вод усложняют режим их работы и требуют иного подхода к управлению ими. Дальнейшее совершенствование систем отведения канализационных сточных вод связано с решением ряда крупных проблем, требующих новых научно-обоснованных технических, экономических и технологических решений. Важнейшей из этих проблем является внедрение в сетях автоматизированной информационной системы для получения и анализа в реальном масштабе времени, на диспетчерском пункте, основных показателей в работе вертикальных электроцентробежных насосов с целью поддержания их работы в оптимальном режиме. Основным параметром, характеризующим работу вертикальных электроцентробежных насосов, является: расход. Все известные устройства для измерения расхода жидкости, в которой находятся различные вещества, эту задачу не решают.

Известно устройство, включающее измерение массового расхода и плотности жидкости, содержащей различные примеси. Устройство состоит из датчиков давления на входе и выходе насоса и датчика для измерения активной мощности, потребляемой вертикальным насосом / Патент №2119148 РФ. Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом. / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В., от 20.11.97. Однако в этом устройстве не рассматривается автоматизированная информационная система для измерения расхода вертикальным электронасосом жидкости, содержащей различные примеси.

Сущностью изобретения является оптимизация работы вертикальных электронасосов при перекачке жидкости с различными механическими примесями с получением и анализом в реальном масштабе времени основных показателей работы вертикальных электроцентробежных насосов с целью поддержания их работы в оптимальном режиме.

Технический результат - упрощение процесса измерения и анализа в реальном масштабе времени параметров вертикального электроцентробежного насоса и предусмотренных параметров насосной системы.

Технический результат достигается тем, что в известной автоматизированной информационной системе для управления насосно-трубопроводным комплексом с вертикальными электроцентробежными насосами для откачки канализационных сточных вод, содержащей насосные станции с приборами для измерения давления, создаваемого электроцентробежными насосами, приборами для измерения электрической мощности, потребляемой электродвигателями привода электроцентробежных насосов, особенностью является то, что она дополнительно снабжена блоком управления для переключения частоты вращения вала работы вертикального электроцентробежного насоса, приборами для измерения температуры корпуса работающих электроцентробежных насосов, приборами для измерения вибрации корпусов электроцентробежных насосов и системой передачи данных от всех приборов на информационный центр, содержащий ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам, используя которые измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости в приямке электроцентробежного насоса, при этом блок управления включается в зависимости от уровня жидкости в яме, из которой электроцентробежный насос берет жидкость, далее включается соответствующая производительность и вычисляется мощность, действующая на валу насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р_с на коэффициент полезного действия электродвигателя η_эд и η_н электроцентробежного насоса, вычисляется давление, создаваемое электроцентробежным насосом р_н, путем вычитания из давления на выходе электроцентробежного насоса р_вых давления на его входе р_вх, по паспортным данным вычисляется значение расходного коэффициента Мо при нулевом расходе в начале рабочей характеристики при работе электроцентробежного насоса на закрытую задвижку, взятых из рабочей характеристики насоса, результат деления давления p₀₁ на мощность M₀₁, полученный экспериментально на момент расчета, по эксплуатационному коэффициенту η_эк определяются отклонения мощности N и давления p от номинальных значений и во всем диапазоне паспортной характеристики полученные отклонения по мощности и давлению учитываются в характеристике электроцентробежного насоса и определяется эксплуатационный коэффициент по характеристике определяется объемный расход, а по нему напор Н, а по напору плотность перекачиваемой жидкости, путем деления действующего давления, создаваемого электроцентробежным насосом, на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса путем умножения давления на результат деления расхода на мощность, удельный расход электроэнергии W_уд путем деления плотности на коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса и электродвигателя с соответствующим коэффициентом, по приборам измеряется температура и вибрация корпуса электроцентробежного насоса, вычисленные данные по системе передачи поступают на диспетчерский пункт в ЭВМ, содержащую соответствующую базу данных, с помощью которой производится вычисление всей необходимой информации для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосной станции.

Предлагаемая автоматизированная информационная система для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей в работе насосной станции с вертикальными электроцентробежными насосами при перекачке канализационных сточных вод, содержащая насосные агрегаты с датчиками давления и датчиками мощности, дополнительно снабжена блоком управления электродвигателем электроцентробежного насоса, датчиками температуры для измерения температуры подшипников и корпуса электроцентробежного насоса, датчиком для измерения вибрации насосной установки, системой передачи данных, объединяющей выходы всех датчиков и сообщений с информационным центром, содержащим ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам, используя которые измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости в приямке электроцентробежного насоса, чем выше уровень, тем с большим расходом необходимо качать жидкость, включается блок управления и в зависимости от уровня жидкости в яме, из которой насос берет жидкость, включается соответствующая скорость вращения вала насоса, а следовательно, и его производительность и вычисляется мощность, действующая на валу насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р_с, на коэффициент полезного действия электродвигателя η_эд и η_н насоса, вычисляется давление, создаваемое насосом р_н, путем вычитания из давления на выходе насоса р_вых давления на его входе р_вх, по паспортным данным вычисляется значение расходного коэффициента Мо при нулевом расходе в начале рабочей характеристики при работе насоса на закрытую задвижку, взятых из рабочей характеристики насоса, результат деления давления p₀₁ на мощность M₀₁ полученный экспериментально на момент расчета, по эксплуатационному коэффициенту η_эк определяются отклонения мощности N и давления p от номинальных значений и во всем диапазоне паспортной характеристики полученные отклонения по мощности N и давлению p учитываются в характеристике насоса и определяется эксплуатационный коэффициент η_эк. Определяется объемный расход Q, а по нему напор Н и плотность p перекачиваемой жидкости путем деления действующего давления создаваемого насосом р_н, на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия насоса КПД_н путем умножения давления р_н на результат деления расхода Q на мощность N, удельный расход электроэнергии W_уд путем деления плотности p на коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса η_н и электродвигателя с соответствующим коэффициентом, по приборам измеряется температура Т и вибрация корпуса электроцентробежного насоса, вычисленные данные по системе передачи поступают на диспетчерский пункт в ЭВМ, содержащую соответствующую базу данных, с помощью которой производится вычисление всей необходимой информации для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосной станции.

На чертежах представлены:

Фиг.1 Общий вид вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5.

Фиг.2 Паспортные рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5.

Фиг.3 Пересчитанные рабочие характеристики насоса для его максимальной скорости вращения вала СДВ 2700/26,5 740 об/мин для графика.

Фиг.4. Увеличенные пересчитанные характеристики насоса для его максимальной скорости вращения вала насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин для графика.

Фиг.5. Новая расходная характеристика насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин M-Q.

Фиг.6 Новая расходная характеристика насоса СДВ 2700/26,5 740 об/мин Q-M.

Фиг.7 Схемы измерения давления p, температуры Т, мощности Е и вибрации В насосной установки с вертикальным электроцентробежным насосом: а) - с помощью переносных приборов или приборов, находящихся на трубопроводе, б) - схема измерения при наличии системы телемеханики, БУ - блок управления электродвигателем привода насоса для перевода на одну из трех скоростей с синхронным числом оборотов вала электроцентробежного насоса.

Общий вид вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 показан на фиг.1

Конструктивно насос состоит из центробежного электронасоса 1, который помещается в яме 2, из которой выкачивается жидкость, электродвигателя 3, находящегося на поверхности на опорах 4, который связан с электроцентробежным насосом валом 5. Всасывание жидкости производится через патрубок 6, а подача жидкости идет через патрубок 7. Давление на входе насоса измеряется на входе патрубка 6, а выходное давление измеряется на выходе патрубка 7. Электродвигатель электроцентробежного насоса работает как синхронный электродвигатель с возможностью переключения на три синхронные скорости. При переключении скоростей необходимо снимать, при пуске насоса при его закрытой задвижке, значения давления и мощности и по ним вычислять эксплуатационный коэффициент и построить три рабочие характеристики с соответствующими оборотами вала электроцентробежного насоса.

На фиг.2 дана заводская рабочая характеристика вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5, по которой в дальнейшем были сделаны все остальные характеристики. Пересчитанная рабочая характеристика электроцентробежного насоса для максимальной скорости вращения вала дана на фиг.3 и с увеличенным параметром - на фиг.4.

Рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин

Расход, Q м³/ч Мощность, N кВт Напор, Н м Давление, р кГ/см² КПД насоса, % 0 75,1 37,3 36,7 0 500 125 38 37,3 40 1000 167 37 36,3 60 1500 204 36 35,3 70 2000 241 32 31,4 75 2500 265 28 27,5 76 3000 271 24 25 75 3500 272 19,5 19,5 70 4000 271 17 16,7 64

Рабочие характеристики вертикального насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин и расходным коэффициентом М

Расход, Q м³/ч Мощность, N кВт Напор, Н м Давление, р кГ/см² Расходный коэффициент, М кВт/кГ/см² КПД насоса, % 0 75,1 37,3 36,7 2,04-2,04 0 500 125 38 37,3 1,31 40 1000 167 37 36,3 2,56 60 1500 204 36 35,3 3,66 70 2000 241 32 31,4 5,63 75 2500 265 28 27,5 7,63 76 3000 271 24 25 9,45 75 3500 272 19,5 19,5 12,26 70 4000 271 17 16,7 16,23 64

Данные для построения расходных характеристик

Расход, Q м³/ч Расходный коэф, М кВт/кГ/см² Расход, Q м³/ч 0 2,04-2,04 0 0 500 1,31 500 1000 2,56 1000 1500 3,66 1500 2000 5,63 2000 2500 7,63 2500 3000 9,45 3000 3500 12,26 3500 4000 16,23 4000

Рабочие характеристики вертикального электроцентробежного насоса СДВ 2700/26,5 с синхронным числом оборотов 740 об/мин и расходным коэффициентом М с коэффициентами для графического построения информационной системы

Расход, Q м³/ч Мощность, N кВт Напор, Нм Давление, кГ/см² Расходный коэф, М кВт/ кГ/см² КПД насоса, % 0 37,5 186,5 183,5 0 0 500 60 190 186,5 13,1 80 1000 84,8 188,8 182,7 25,6 120 1500 102,6 181,4 176,5 36,6 140 2004 120,5 163,6 157 56,3 155 2500 132,5 140 135,6 76,3 153,2 3000 135,5 120 113,8 94,5 150 3500 136 96,5 92 122,6 140 4000 135,5 85 81 162,3 128

Организация работы рассматриваемой автоматизированной информационной системы.

1. Иметь паспортную рабочую характеристику рассматриваемого насосного агрегата. Фиг.2.

2. Произвести вычисление новой расходной характеристики М - Q, используя паспортные характеристикам по мощности и давлению,

фиг.3, фиг.4 М=(N/р)η_эк-N₀/р_о. кВт/ кГ/см² и по вычисленным данным построить на общей характеристике графики M-Q и Q-M фиг.5, фиг.6 и дать их математическое описание. В этой формуле N/р действующие значения мощности и давления по всему диапазону характеристик, η_эк - эксплуатационный коэффициент, N₀/р₀ - параметры мощности и давления в начале рабочей характеристики насоса.

3. Произвести вычисление и построить графики по давлению по параметрам паспортной напорной характеристики, фиг.5 и фиг.6.

4. Определяется эксплуатационный коэффициент η_эк

η_эк=(N₀/р₀).(p₀₁/N₀₁), где (p₀₁/N₀₁) - соответственно экспериментальные данные по давлению и мощности в данный момент при работе электроцентробежного насоса на закрытую задвижку в течение одной минуты при его пуске.

5. По экспериментальным данным определяем давление р_н, создаваемое электроцентробежным насосом,

р_н=р_вых-р_вх, кГ/см²

6. Измеряем мощность, потребляемую электроцентробежным насосом из сети, по датчикам мощности или расчетным путем, по линейному току 1,А и линейному напряжению U, В в трехфазной сети

N=√3 I U cos φ η_эд η_н кВт

7. С учетом коэффициента полезного действия электродвигателя η_эд и электроцентробежного насоса η_н, cos φ=0,88, η_эд=0,97, η_н=0,9.

8. По полученным данным измеряем мощность действующую на валу электроцентробежного насоса

N=1,73. 40.6000. 0,88.0,97. 0,9=292,46 кВт

9. Вычисляется давление, создаваемое электроцентробежным насосом р_н, р_н=р_вых-р_вх=66,7-36,7=30 кГ/см²

10. При пуске электроцентробежного насоса при закрытой задвижке так же вычисляются давление р₀₁ и мощность N₀₁0 они равны

р₀₁=37 кГ/см², N₀₁=76 кВт

11. Вычисляется эксплуатационный коэффициент

η_э=(75,1/36,7). (37/76)=0.98%.

12. Вычисляется расходный коэффициент М, который равен

M=((N/p)0,98-N₀/p₀), кВт/(кГ/см²), где

М=((292/30)0,98-69,69/35,44)=8, кВт/(кГ/см²),

13. Определяется объемный расход Q по графику или расчетным путем по уравнению, показанному на графике этой фигуры.

По графику Q=2700 м³/ч

14. Определяем кпд η_н электроцентробежного насоса

η_н=(р Q 10⁶)/102. 3600 N_H%, где p - давление, создаваемое электроцентробежным насосом кГ/см², N_H - номинальная мощность из паспортной характеристики кВт, Q - измеренный расход

η_н=р. Q 10⁵/ 102 3600 N_ном, %, здесь давление p - в кГ/см²

η_н=(30.2700 10⁵/102 3600 270=81,2%

15. Определяем плотность перекачиваемой жидкости

p=p g H=1000 9,81.26,5 10^-6=261 кг/м³

16. Определяем массовый расход Q_м

Q_м=Р Q 10^-3 т/ч=261 2700 10^-3=704,7 т/ч

17. Определяем удельный расход электроэнергии, полагая напор Н=1 м, расход Q=1000 т, а мощность, потребляемую электродвигателем привода из сети N, получаем удельный расход электроэнергии насосной установкой W_уд

W_уд=2,724/η_Нη_эл.дв. кВт.ч//1000 т.м, где g/3,6=2,724, и

η_н и η_эл.дв - соответственно η_н электроцентробежного насоса и кпд

η_эл.дв электродвигателя W_уд=2,724/0,812 0,97=3,44 кВт.ч/1000 т.м

18. При перекачке жидкости с различным удельным весом удельный расход электроэнергии равен

W_уд=2,724 р. 10^-3/η_н η_эл.дв кВт·ч /1000 т.м.

Электроцентробежный насос может работать на одной из трех паспортных характеристик. При этом по каждой характеристике проводится свой расчет аналогичный тому, который делается по первой характеристике. При переходе работы насоса на новую характеристику необходимо соблюдать высокую точность в оборотах вала насоса в соответствии с паспортными значениями.

Знание удельного расхода электроэнергии позволяет объективно оценивать состояние работы насосного агрегата и своевременно принимать меры по устроению возможных неисправностей в его работе.

Источники информации

1. Патент №2119148 РФ. Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом. / Кричке В.О., Громан А.О., Кричке В.В. от 20.11.97.

Автоматизированная информационная система для управления насосно-трубопроводным комплексом содержит насосные станции с приборами для измерения давления, создаваемого электроцентробежными насосами, приборами для измерения электрической мощности, потребляемой электродвигателями привода электроцентробежных насосов. Система дополнительно снабжена блоком управления электродвигателем электроцентробежного насоса, датчиками температуры, для измерения температуры подшипников и корпуса электроцентробежного насоса, датчиком для измерения вибрации насосной установки, системой передачи данных. Система передачи данных объединяет выходы всех датчиков и сообщений с информационным центром, содержащим ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам. По данным параметрам измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости в приямке электроцентробежного насоса. Технический результат - упрощение процесса измерения и анализа в реальном масштабе времени параметров вертикального электроцентробежного насоса и предусмотренных параметров насосной системы. 7 ил.

Автоматизированная информационная система для управления насосно-трубопроводным комплексом с вертикальными электроцентробежными насосами для откачки канализационных сточных вод, содержащая насосные станции с приборами для измерения давления, создаваемого электроцентробежными насосами, приборами для измерения электрической мощности, потребляемой электродвигателями привода электроцентробежных насосов, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком управления для переключения частоты вращения вала работы вертикального электроцентробежного насоса, приборами для измерения температуры корпуса работающих электроцентробежных насосов, приборами для измерения вибрации корпусов электроцентробежных насосов и системой передачи данных от всех приборов на информационный центр, содержащий ЭВМ и базу данных по измеряемым параметрам, используя которые измеряется давление на входе электроцентробежного насоса, которое характеризует уровень жидкости, в приямке электроцентробежного насоса, при этом блок управления включается в зависимости от уровня жидкости в яме, из которой электроцентробежный насос берет жидкость, далее включается соответствующая производительность и вычисляется мощность, действующая на валу насоса N, путем умножения мощности, потребляемой из сети Р_с на коэффициент полезного действия электродвигателя η_эд и η_н электроцентробежного насоса, вычисляется давление, создаваемое электроцентробежным насосом р_н, путем вычитания из давления на выходе электроцентробежного насоса, р_вых давления на его входе р_вх, по паспортным данным вычисляется значение расходного коэффициента М₀ при нулевом расходе в начале рабочей характеристики при работе электроцентробежного насоса на закрытую задвижку, взятых из рабочей характеристики насоса, результат деления давления p₀₁ на мощность М₀₁, полученные экспериментально на момент расчета, по эксплуатационному коэффициенту η_эк определяются отклонения мощности N и давления р от номинальных значений и во всем диапазоне паспортной характеристики полученные отклонения по мощности и давлению учитываются в характеристике электроцентробежного насоса, и определяется эксплуатационный коэффициент, по характеристике определяется объемный расход, а по нему напор Н, а по напору плотность перекачиваемой жидкости путем деления действующего давления, создаваемого электроцентробежным насосом, на действующий расчетный напор Н и коэффициент g, вычисляется коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса путем умножения давления на результат деления расхода на мощность, удельный расход электроэнергии W_уд путем деления плотности на коэффициент полезного действия электроцентробежного насоса и электродвигателя с соответствующим коэффициентом, по приборам измеряется температура и вибрация корпуса электроцентробежного насоса, вычисленные данные по системе передачи поступают на диспетчерский пункт в ЭВМ, содержащую соответствующую базу данных, с помощью которой производится вычисление всей необходимой информации для измерения и анализа в реальном масштабе времени основных показателей работы насосной станции.