Способ управления насосными агрегатами Российский патент 2021 года по МПК E03B11/16 F04C14/28 F24D17/00 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области водоснабжения, а именно к способам управления насосными агрегатами, и предназначено для повышения энергоэффективности их работы и обеспечение защиты по кавитационному запасу (NPSH).

[03] Уровень техники

[04] В патенте РФ RU 2689261, 24.05.2019 раскрыт способ управления многонасосной системой, в котором запускают несколько множеств насосов системы во время разных конфигурационных циклов, принимают сигналы, указывающие рабочие параметры (в частности, скорости), и определяют аппроксимированную характеристику параметра насосов на основе принимаемых сигналов. На основании указанной характеристики меняют рабочие параметры насоса (скорость вращения) исходя из наиболее энергоэффективных режимов. Недостатком указанного аналога является сложность реализации, а также риск работы насоса в аварийном режиме, поскольку он не учитывает необходимость проверки нахождения насоса в недопустимой области рабочих величин.

[05] Наиболее близким аналогом изобретения, является способ повышения энергоэффективности работы насосной станции, описанный в патенте РФ RU 2561782, 10.09.2015. В известном аналоге для каждой из диктующих точек сети определяют регулировочную характеристику, соответствующую оптимальному энергопотреблению насосной станции при минимально допустимом давлении в диктующей точке. Эти характеристики, а также данные, получаемые от измерителя потребляемой мощности, вводят в автономное регулирующее устройство, определяют контрольную точку и соответствующую ей характеристику. Далее координируют совместную работу группы статических преобразователей частоты тока, питающих электродвигатели, поддерживая необходимую скорость вращения валов электродвигателей, и/или отключают или включают в работу очередной насос. В качестве управляющего параметра определения энергоэффективности используют величину потребляемой мощности. При этом для построения регулировочной характеристики при помощи измерительного комплекса определяют характеристику минимально допустимого давления на входе в систему труб, точку минимального и точку максимального значений энергопотребления насосной станции. Недостатком известного способа управления является его многостадийность и необходимость использования сложного дополнительного оборудования (измерительный комплекс и т.д.).

[06] Раскрытие сущности изобретения

[07] Основной технической проблемой предшествующего уровня техники, на решение которой направлено заявленное изобретение, является невозможность повышения энергоэффективности работы насосных агрегатов без существенного увеличения финансовых затрат.

[08] Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности работы насосных агрегатов без необходимости использования дополнительного измерительного оборудования, упрощение способа, повышение безопасности работы.

[09] Указанный технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что способ управления работой насосными агрегатами системы водоснабжения включает следующие операции: построение аппроксимированных функций напорно-расходной характеристики, гидравлического коэффициента полезного действия (КПД) и кавитационного запаса (NPSH) для различных частот работы насосного агрегата в заданном интервале с заданным шагом на основании заданных производителем графиков зависимости напора, КПД и NPSH от расхода для одной частоты работы; измерение текущих значений потребляемой мощности, частоты работы и разности входного и выходного давлений насосных агрегатов с определением текущего напора; определение гидравлического КПД и расхода при текущем значении частоты работы НА на основании аппроксимированной функции гидравлического КПД, текущей потребляемой мощности и текущего напора; определение общего расхода работающих насосных агрегатов системы; определение значения новой частоты работы насосных агрегатов, необходимой для поддержания общего расхода и текущего напора системы насосных агрегатов в случае включения в системе по меньшей мере одного насосного агрегата или выключения в системе по меньшей мере одного насосного агрегата на основании построенной аппроксимированной функции напорно-расходной характеристики; определение значения новой потребляемой мощности насосных агрегатов системы при текущих гидравлическом КПД и напоре на основании аппроксимированной функции КПД и сравнение этого значения с текущей потребляемой мощностью; определение значения нового NPSH для новой частоты работы на основании аппроксимированных функций NPSH; включение по меньшей мере одного насосного агрегата или отключение по меньшей мере одного насосного агрегата в системе с установкой новой частоты работы насосных агрегатов, если значение новой суммарной потребляемой мощности ниже текущей суммарной потребляемой мощности, а значение новой NPSH соответствует допустимому входному давлению.

[010] Кроме того, для достижения технического результата предусмотрены частные варианты реализации устройства, согласно которым:

[011] - аппроксимированные функции напорно-расходной характеристики, гидравлического КПД и NPSH строят для частот работы насосного агрегата в интервале от 25 до 50 Гц с шагом 1 Гц;

[012] - при построении аппроксимированных функций напорно-расходной характеристики, гидравлического КПД и NPSH по заданным производителям графикам для одной частоты работы получают уравнения полинома шестой степени и получают аналогичные уравнения для других частот, используя формулы приведения;

[013] - при определении значений гидравлического КПД и расхода задают теоретические значения расхода с заданным шагом, с помощью аппроксимированной функции определяют значения теоретических КПД для этих расходов, на основании значений теоретических КПД рассчитывают значения теоретической потребляемой мощности и сравнивают его с фактически определенным значением, при этом принимают те значения гидравлического КПД и расхода, которые соответствуют значению теоретической потребляемой мощности, равному или наиболее приближенному к фактическому;

[014] - при определении значения новой частоты работы насосного агрегата с помощью аппроксимированной функции напорно-расходной характеристики рассчитывают значения теоретического напора для каждой частоты работы в заданном интервале частот с заданным шагом и сравнивают с фактическим значением, и принимают значение новой частоты работы насосных агрегатов, которое соответствует значению теоретического напора, равному или наиболее приближенному к фактическому.

[015] В отличие от аналогов рассматриваемый способ управления насосными агрегатами является простым с точки зрения технической реализации, поскольку не требует установки дополнительного измерительного оборудования (расходомеров, датчиков), помимо того, что обычно имеется на станции. Кроме того, повышается эффективность энергосбережения при сохранении безопасности работы, поскольку переход на новый режим работы осуществляется после предварительной оценки всех условий, а не в процессе тестовой работы.

[016] Краткое описание чертежей

[017] Изобретение поясняется чертежами, где:

[018] На фиг. 1 показан результат переноса данных графиков из паспорта насосного агрегатов в программу;

[019] На фиг. 2 показан номинальный график напорно-расходной характеристики для частоты 50 Гц;

[020] На фиг. 3 показан номинальный график КПД для частоты 50 Гц;

[021] На фиг. 4 показан номинальный график NPSH для частоты на 50 Гц;

[022] На фиг. 5 показан процесс получение уравнения напорно-расходной характеристики с помощью графика;

[023] На фиг. 6 показаны графики и уравнение напорно-расходной характеристики для частот 50 и 25 Гц;

[024] На фиг. 7 показан алгоритм поиска расхода и КПД;

[025] На фиг. 8 показано графическое представление работы алгоритма при определении рабочей точки;

[026] На фиг. 9 показаны начальные условия и рабочая точка в системе с одним работающим агрегатом;

[027] На фиг. 10 показан алгоритм поиска частоты для нового режима работы агрегатов в каскаде;

[028] На фиг. 11 показан график и параметры работы первого насосного агрегата после добавления в каскад дополнительного агрегата,

[029] На фиг. 12 показан график и параметры работы дополнительного насосного агрегата после его добавления в каскад.

[030] Осуществление изобретения

[031] Сущность заявленного изобретения иллюстрируется на примере системы водонасосной станции (ВНС), включающей четыре насосных агрегата (НА), запитанных от четырех преобразователей частоты (ПЧ), с датчиками давления на входе и выходе каждого НА, датчик давления на выходном коллекторе станции, а также шкафа автоматического управления (ШАУ), в состав которого входит программируемый логический контроллер (ПЛК). Следует отметить, что все насосные агрегаты имеют одинаковые характеристики и работают (в случае их задействования) в одинаковом режиме.

[032] 1. Построение аппроксимированных функций

[033] Особенностью предлагаемого способа является использование аппроксимированных функций кривых напорно-расходной характеристики (напор в зависимости от расхода), гидравлического коэффициента полезного действия (КПД) и кавитационного запаса (NPSH). Для построения этих функций используют графики зависимости указанных величин от расхода из паспорта насосного агрегата для одной номинальной частоты работы (как правило, 50 Гц). Под «частотой работы НА» в рамках настоящей заявки подразумевается частота вращения двигателя НА. Для построения функций могут использоваться стандартные функции программы Excel или любые другие известные программные средства. Графики из паспорта переносятся по точкам в программу (Фиг. 1), получая номинальные графики зависимости напора, КПД и NPSH от расхода для частоты 50 Гц. (Фиг. 2, 3, 4).

[034] Далее добавляют линии тренда, чтобы получить уравнение полинома шестой степени (Фиг. 5). Полученное уравнение описывает зависимость напора, развиваемого НА от обеспечиваемого им расхода. Таким образом, подставляя значение расхода в любой момент времени, можно узнать напор агрегата для этой частоты.

[035] После этого получают аналогичные уравнения для всего диапазона возможных частот работы НА (в частности, от 25 до 50 Гц) с определенным шагом (например, 1 Гц). Для этих целей используют формулы приведения:

[036]

где

Q_ном - точка, соответствующая расходу на номинальном графике,

H_ном - точка, соответствующая величине напора на номинальном графике,

N_ном - точка, соответствующая величине мощности на номинальном графике,

n_ном - частота номинальная (в данном случае 50 Гц),

n_вар - частота для которой необходимо получить новые точки характеристики,

Q_вap - точка, соответствующая величине расхода на частоте n_вар,

H_вар - точка, соответствующая величине напора на частоте n_вар,

N_вар - точка, соответствующая величине мощности на частоте n_вар.

[037] В качестве примера уравнения напорно-расходной характеристики для 50 и 25 Гц показаны на Фиг. 6. Для реализации способа необходимо получить аналогичные уравнения для всего диапазона частот от 25 до 50 Гц, как для напорно-расходной характеристики, так и для гидравлического КПД и NPSH. Получив уравнения для всего диапазона частот, их заносят в ПЛК.

[038] 2. Определение текущих параметров работы

[039] Для рассматриваемого примера водонасосной станции имеются следующие исходные данные:

[040] - Текущий напор (Н), развиваемый на каждом НА, который определяется по разности выходного и входного давлений на напорном и всасывающем патрубках агрегата, полученных с датчиков;

[041] - Текущую потребляемую мощность (N) каждого НА, считываемую с ПЧ с помощью ПЛК;

[042] - Текущую частоту работы (n) каждого НА, считываемую с ПЧ с помощью ПЛК;

[043] При этом для управления насосными агрегатами имеется возможность задания необходимой частоты вращения НА путем записи требуемой величины в ПЧ с помощью ПЛК и управления числом одновременно работающих агрегатов.

[044] 3. Определение расхода и КПД

[045] Исходя из данных, полученных с ВНС, можно косвенно определить расход, который обеспечивает каждый работающий насосный агрегат в текущий момент времени без установки расходомера.

[046] Для этих целей используют формулу, которая описывает зависимость потребляемой агрегатом мощности от развиваемого напора и обеспечиваемого расхода:

[047] где

N - текущая потребляемая мощность НА;

Н - текущий развиваемый НА напор;

Q - текущий расход, обеспечиваемый НА;

КПД_двиг - КПД электродвигателя, принимаемый равным 0,95;

КПД_тек - текущий гидравлический КПД насосного агрегата.

[048] Однако в уравнении (2) остается неизвестными две величины: Q и КПД_тек. Поэтому для определения текущего гидравлического КПД используют построенную аппроксимированную функцию гидравлического КПД для конкретной частоты (n) (см. фиг. 7).

[049] Для примера, проведем поиск расхода для конкретных условий с действующего объекта, где реализована описанная система. Начальные условия работы НА, которые были определены системой по датчикам: Н=29 м, n=47 Гц, N_факт=7,8 кВт, где N_факт - фактическая измеренная потребляемая мощность. Таким образом, известно, что агрегат работает на частоте 47 Гц, и необходимо воспользоваться аппроксимированным уравнением для определения КПД на частоте 47 Гц:

[050] Для поиска значения расхода и КПД используют цикл операций, показанный на фигуре 7. Для этого принимают значения теоретического расхода Q_теор, изменяя их с определенным шагом (в частности, 0,5 м³/ч), рассчитывают по формуле (3) теоретический гидравлический КПД и по уравнению (2) теоретическую потребляемую мощность N_теор, затем сравнивают эту мощность с фактическим значением N_факт. Когда значение N_теор совпадает со значением N_факт (с учетом минимального отклонения) значения расхода и КПД являются верными.

[051] Для вышеуказанного примера установили, что величина расхода, при которой теоретическая мощность становится равна мощности расчетной, равняется 65.5 м³/ч, при этом значение гидравлического КПД 73.7%.

[052] Таким образом, в результате проведенных операций становится известен расход, обеспечиваемый одним насосным агрегатом и, следовательно, можно однозначно точно установить текущую рабочую точку для этого насосного агрегата, определенную по оси X полученным расходом 65.5 м³/ч и по оси Y текущим напором 29 м (см. фиг. 8). Рабочая точка представлена пересечением горизонтальной и вертикальной пунктирной линией.

[053] Аналогичным образом определяют расход остальных работающих НА в отдельности при их наличии.

[054] 4. Определение новой частоты работы при изменении количества работающих насосных агрегатов

[055] Для оптимизации энергопотребления и обеспечения работы агрегата(-тов) в благоприятной зоне, согласно заявленному изобретению, перед изменением режима работы необходимо посчитать, в какой рабочей точке окажется агрегат(-ты) после добавления (включения в работу) одного или нескольких дополнительных НА в каскад или исключении из работы одного или нескольких агрегатов при условии сохранения текущего значения напора и общего расхода.

[056] В качестве иллюстрирующего примера такого расчета рассмотрим ситуацию с действующего объекта, когда работает один агрегат и необходимо рассчитать эффективность перехода на режим работы двух НА. Например, на основании показаний с датчиков и расчетов (см. выше) система имеет следующие показатели: напор Н=30 м, общий расход Q=76.5 м³/ч, текущая частота работы n=50 Гц, гидравлический КПД=72%, текущая потребляемая мощность N_факт=9.6 кВт (см. фиг. 9). При этом известно, что номинальная мощность на валу у электродвигателя составляет 9 кВт, и это показывает, что НА работает в правой зоне, неблагоприятной для двигателя.

[057] Поскольку насосы должны работать в одинаковом режиме, после добавления дополнительного агрегата в каскад, делается допущение, что общий расход между ними будет делиться поровну и расход каждого НА составит Q=38.2 м³/ч. На основании указанных данных необходимо определить новую частоту работы агрегатов.

[058] Для этих целей используют описанные выше аппроксимированные функции напорно-расходной характеристики. На фиг. 10 показан алгоритм поиска новой частоты для работы агрегатов в каскаде. Согласно алгоритму поиска, значение расхода для каждого НА Q=38.2 м³/ч подставляется в каждое уравнение кривой для частот от 25 до 50 Гц. С учетом заданного шага изменения частоты 1 Гц получают двадцать пять значений напора на всех частотах для одного и того же значения расхода. Затем сравнивают полученные значения с требуемым поддерживаемым напором Н=30 м и при минимальном отклонении напора от требуемого, определяют частоту, которая в данном примере соответствует 43 Гц.

[059] Для проверки рассмотрим уравнение, которое соответствует этой частоте, подставим расход и подсчитаем значение напора:

[060] Подставляя значение расхода в уравнение (4) для частоты работы агрегата на 43 Гц, получаем величину напора Н=29.85 м. Таким образом, при добавлении второго НА в каскад к первому можно минимизировать всплеск выходного давления к нулю, путем выхода обоих агрегатов на одну заранее известную частоту.

[061] 4. Расчет потребляемой мощности для нового режима работы

[062] Для определения энергоэффективности предлагаемого нового режима работы, для вышеописанного примера расчета, определим, как изменится значение потребляемой мощности и величина КПД каждого агрегата при включении в работу дополнительного насоса. Для этого необходимо выполнить аналогичные действия поиска мощности и КПД, описанные ранее и показанные на фиг. 7, с использованием формулы (2) и аппроксимированной функции. При поиске задают значения теоретического КПД, определяют теоретическую мощность и рассчитывают теоретический расход, сравнивая его с фактическим. Если теоретический расход равен фактическому значения нового КПД и новой мощности являются верными.

[063] Например, для описанных выше начальных условий с действующего объекта (Н=30 м, n=43 Гц, N_факт=5.2 кВт), проводят поиск расхода, мощности и КПД: Q=38.5 м³/ч, КПД=67.7%, N_теор=5.2 кВт На фиг. 11 и 12 показаны график и рабочая точка для каждого агрегата.

[064] Таким образом, расчетное значение расхода при добавлении дополнительного агрегата в каскад позволяет точно установить величину нового КПД и потребляемой мощности, а следовательно, заблаговременно оценить каскадирование и определять работу агрегата в недопустимой области на характеристике.

[065] В случае удаления НА из каскада (системы) или добавления нескольких агрегатов расчеты производятся аналогично с учетом того, что все агрегаты работают в одинаковом режиме и исходя из условия обеспечения новым режимом работы заданного общего расхода и текущего напора.

[066] 5. Обеспечения защиты по NPSH

[067] Для обеспечения защиты по кавитационному запасу (NPSH) на основании аппроксимированной функции определяют NPSH, подставляя значение расхода в соответствующее уравнение для новой частоты.

[068] Например, для условий нового режима работы (аналогично работает для текущего режима) Н=30 м, n=43 Гц, N_факт=5.2 кВт, Q=38.5 м³/ч, КПД=67.7%, зная частоту работы агрегата используют соответствующее этой частоте уравнение для расчета необходимой величины NPSH_необx:

[069] Подставив значение расхода в формулу, получаем величину необходимого кавитационного запаса NPSH_необх=1,78 м. Указанное значение сравнивается с давлением на входе, которое соответствует фактическому кавитационному запасу NPSH_фактич. Полученное значение NPSH_необх должно быть меньше NPSH_фактич, которое определяется по датчику входного давления насосного агрегата. Стоит отметить, что NPSH, есть абсолютная величина давления на входе агрегата в метрах. Причем с датчика давления получают величину относительного давления, и далее необходимо учесть величину атмосферного давления при определении NPSH_фактич. Указанная защита особенно актуальна на станциях первого подъема. Данная защита работает не только для процесса добавления и удаления агрегатов, но и для процесса работы текущих агрегатов.

[070] 6. Оценка целесообразности перехода на новый режим

[071] После определения вышеописанных параметров принимается решения о целесообразности перехода на новый режим работы. Для примера, воспользуемся следующими начальными условиями: в данный момент времени на станции работает два агрегата, потребляемая мощность агрегатов N₁=5.4 кВт, N₂=5.3 кВт, следовательно, суммарная потребляемая мощность N=10.7 кВт, гидравлический КПД равен 66 и 65% соответственно. В результате вычисления предполагаемой мощности после удаления одного агрегата из работы установлено, что мощность после удаления N_будущ=9.3 кВт, а гидравлический КПД оставшегося агрегата составляет КПД_будущ=72%. Таким образом, режим работы после удаления одного агрегат наиболее энергоэффективный.

При этом учитывают необходимость защиты системы по NPSH. Если текущий требуемый кавитационный запас для одного работающего НА равен NPSH_необх=7 м, а NPSH_факт=9 м, следовательно, условие NPSH_необх<NPSH_факт выполняется. При этом было установлено, что после удаления из каскада одного из работающих агрегатов требуемая величина станет равной NPSH_необх=10 м, что не соответствует условию работы NPSH_необх<NPSH_факт, следовательно, удаление одного агрегата из работы нецелесообразно и может привести к аварии системы.

[072] Указанные операции по оценке эффективности и корректировке работы системы НА проводят в динамическом режиме (постоянно), поскольку условия водопотребления меняются в течение дня. Это позволяет системе подстраиваться под условия работы.

[073] Таким образом, в результате реализации изобретения достигается наибольшая энергоэффективность работы насосных агрегатов за счет построения аппроксимированных функций и обеспечении поиска предполагаемого состояния системы после добавления или удаления насосного агрегата в каскаде с указанием теоретических значений расхода, напора, коэффициента полезного действия и потребляемой мощности.

Изобретение относится к области водоснабжения, а именно к способам управления насосными агрегатами и предназначено для повышения энергоэффективности их работы и обеспечение защиты по кавитационному запасу (NPSH). Согласно способу, осуществляют построение аппроксимированных функций напорно-расходной характеристики, гидравлического коэффициента полезного действия (КПД) и кавитационного запаса (NPSH) для различных частот работы насосного агрегата по данным из паспорта насосного агрегата. На основании указанных функций и результатов измерений текущих значений напора, мощности и частоты работы насосных агрегатов определяют энергоэффективность текущего режима работы системы. Далее с использованием данных функций определяют частоту работы и возможную энергоэффективность в новом режиме работы, при котором в системе включают или отключают один или несколько дополнительных насосных агрегатов. Затем переходят на указанный новый режим работы при условии большей энергоэффективности и обеспечении защиты по NPSH. Технический результат - повышение энергоэффективности работы насосных агрегатов без необходимости использования дополнительного измерительного оборудования, упрощение способа, повышение безопасности работы. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления работой насосными агрегатами системы водоснабжения, включающий:

- построение аппроксимированных функций напорно-расходной характеристики, гидравлического коэффициента полезного действия (КПД) и кавитационного запаса (NPSH) для различных частот работы насосного агрегата в заданном интервале с заданным шагом на основании заданных производителем графиков зависимости расхода, КПД и NPSH от расхода для одной частоты работы;

- измерение текущих значений потребляемой мощности, частоты работы и разности входного и выходного давлений насосных агрегатов с определением текущего напора;

- определение гидравлического КПД и расхода при текущем значении частоты работы насосных агрегатов на основании аппроксимированной функций гидравлического КПД, текущей потребляемой мощности и текущего напора;

- определение общего расхода работающих насосных агрегатов системы;

- определение значения новой частоты работы насосных агрегатов, необходимой для поддержания общего расхода и текущего напора системы насосных агрегатов в случае включения в системе по меньшей мере одного насосного агрегата или выключения в системе по меньшей мере одного насосного агрегата на основании построенной аппроксимированной функции напорно-расходной характеристики;

- определение значения новой потребляемой мощности насосных агрегатов системы при текущих гидравлическом КПД и напоре на основании аппроксимированной функции КПД и сравнение этого значения с текущей потребляемой мощностью;

- определение значения нового NPSH для новой частоты работы на основании аппроксимированных функций NPSH;

- включение по меньшей мере одного насосного агрегата или отключение по меньшей мере одного насосного агрегата в системе с установкой новой частоты работы насосных агрегатов, если значение новой суммарной потребляемой мощности ниже текущей суммарной потребляемой мощности, а значение новой NPSH соответствует допустимому входному давлению.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что аппроксимированные функции напорно-расходной характеристики, гидравлического КПД и NPSH строят для частот работы насосного агрегата в интервале от 25 до 50 Гц с шагом 1 Гц.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при построении аппроксимированных функций напорно-расходной характеристики, гидравлического КПД и NPSH по заданным производителям графикам для одной частоты работы получают уравнения полинома шестой степени и получают аналогичные уравнения для других частот, используя формулы приведения.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при определении значений гидравлического КПД и расхода задают теоретические значения расхода с заданным шагом, с помощью аппроксимированной функций определяют значения теоретических КПД для этих расходов, на основании значений теоретических КПД рассчитывают значения теоретической потребляемой мощности и сравнивают его с фактически определенным значением, при этом принимают те значения гидравлического КПД и расхода, которые соответствуют значению теоретической потребляемой мощности, равному или наиболее приближенному к фактическому.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при определении значения новой частоты работы насосного агрегата с помощью аппроксимированной функции напорно-расходной характеристики рассчитывают значения теоретического напора для каждой частоты работы в заданном интервале частот с заданным шагом и сравнивают с фактическим значением, и принимают значение новой частоты работы насосных агрегатов, которое соответствует значению теоретического напора, равному или наиболее приближенному к фактическому.