Архив / 1996 / №10 / Рынок

Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Автоматическое управление при работе на башню (Продолжение. Начало в №№ 5-9)

Практически все системы сельского водоснабжения можно разделить на три группы. Наиболее широко применяемая – башенная система водоснабжения. Сегодня пейзаж России немыслим без цельнометаллических водонапорных башен Рожновского. Нельзя проехать и нескольких километров, чтобы не заметить очередную, появившуюся на горизонте.

Две другие системы, которые применяются реже – это безбашенные с гидропневмобаком и с двумя ступенями подъема.

Рассмотрим башенную систему. Надежная работа системы в автоматическом режиме прежде всего зависит от того, в какой степени учтены особенности, условия и режимы взаимного функционирования всех элементов системы. Режим водопотребления на селе характеризуется большой неравномерностью расходов, с коэффициентом часовой неравномерности, достигающим 2,5. Это значит, что днем в период максимального разбора воды ее часовой расход может в 2,5 раза превышать среднее значение (1/24 часть) суточного расхода. Ночью, наоборот, расход воды резко сокращает-ся. Непосредственное включение насоса в сеть без башни в условиях сильной неравномерности расхода привело бы к ненормальному режиму работы насоса с недостаточным напором или, наоборот, с малой подачей и чрезмерным давлением. На такие режимы работы и насосы, и сеть водоснабжения не рассчитаны, при этом в сети происходили бы глубокие перепады давления, перебои в подаче воды, резко возросло бы потребление электроэнергии. Включение в сеть водоснабжения водонапорной башни позволяет насосу и потребителям воды действовать по своим графикам, причем насос всегда работает в расчетном, наиболее выгодном и правильном режиме. В такой системе башня выполняет несколько функций:

1. За счет столба воды в колонне она поддерживает требуемое практически постоянное статическое давление воды в системе. В результате потребитель получает воду бесперебойно и с постоянным расчетным напором.

2. Создавая постоянное дав-ление в сети, башня обеспечивает работу насоса в постоянном режиме, с расчетной подачей и давлением при резко неравномерном расходе воды потребителями. При малом потреблении насос работает на башню, при большом – к подаче насоса добавляется поток воды, идущий из башни.

3. В башне сохраняется нерасходуемый запас воды на случай пожараили аварии в системе водоснабжения.

4. Башня сохраняет технологический (хозяйственный) запас воды на случай планового или аварийного отключения напряжения сети, перерыва в работе насоса в связи с техническим обслуживанием и т.п.

5. В башне размещается регулирующий объем воды, который определяет периодичность включения насоса.

6. Наконец, в башне размещается регулирующий объем воды, который необходим в случае, когда производительность насоса меньше, чем максимальный часовой расход водопотребления.

Основными показателями башни, вытекающие из функционального назначения, являются ее высота и емкость бака. Высота башни определяется необходимым напором, а емкость бака – величиной запаса воды, регулирующего и полного объемов. Для определения регулирующего объема надо знать характер потребления воды на ферме и график работы насосной станции. Расходование воды из бака и его пополнение имеет периодический характер, определяемый с одной стороны графиком потребления воды qп, а с другой – подачей насоса qн. Рассмотрим действие насоса и башни на примере рис. 1, где показана схема водоснабжения (а), графики подачи, расхода воды и наполнения бака (б) и (в). Пусть в исходном положении бак залит полностью, а насос отключен, следовательно питание потребителей водой происходит за счет содержимого бака, рис. 1 (б). С течением времени уровень воды в баке опустится до отметки нижнего уровня (НУ). В этот момент насос будет включен. Дальнейший режим бака зависит от соотношения между подачей насоса и текущим расходом воды. Пусть расход превышает подачу (рис. 1 (в) зона S). Тогда уровень воды в баке будет продолжать снижаться до тех пор, пока расход не уменьшится и не станет меньше подачи насоса (точка 2). Лишь после этого уровень начнет повышаться вновь. Когда бак вновь заполнится и вода достигнет верхнего уровня (ВУ), насос будет отключен, после чего процесс повторится вновь.

Если подача насоса всегда выше текущего расхода, как показано на рис. 1 (б), то в момент включения уровень воды в баке сразу начнет повышаться (точка 1). Таким образом, для управления насосом надо правильно представлять себе текущий уровень воды в баке – во избежание переполнения бака, «перелива», или наоборот, опорожнения башни. С этой целью при ручном управлении насосом применяют разного рода сигнализаторы уровня, указывающие количество воды в баке. При их отсутствии опытный персонал вырабатывает такие практические навыки, которые помогают ему более или менее удовлетворительно следить за режимом работы насоса и башни, хотя при такой работе «вслепую» случаи перелива или, наоборот, нехватки воды весьма нередки.

Очевидно, что при таком режиме работы перепад между верхним и нижнем уровнями воды в баке получается достаточно большим. Этот перепад и определяет регулирующий объем бака, равный площади бака, умноженный на величину перепада. Оставшаяся часть образует нерасходуемый хозяйственный и противопожарный запас.

Заметим, что чем меньше регулирующий объем, тем больше запас и наоборот. Это следует из очевидного равенства:

Wб = WЗ + W рег.,

где Wб - полный объем бака;

Wз - нерасходуемый запас воды;

Wрег. - регулирующий объем.

Если между самым нижним и верхним уровнями расположен весь объем бака, это значит, что запаса воды в нем практически нет, т.к. вся емкость бака используется как регулирующий объем. Если, напротив, регулирующий объем выбран малым, это значит, что большая часть объема бака используется для хранения нерасходуемого запаса воды.

Чрезмерное снижение уровня приводит не только к снижению напора и нарушению водоснабжения, но и грозит замерзанием башни. Переливы башни, особенно в зимнее время, также серьезно нарушают нормальную работу. Нередко зимой можно видеть башню, напоминающую ледяной столб. В условиях суровой зимы редкое и нерегулярное наполнение бака, его повторяющееся полное опорожнение особенно нежелательны.

Автоматизация насоса позволяет избежать всех недостатков ручного управления. В этом случае в баке фиксируются два уровня – верхний, при достижении водой которого насос должен быть отключен, и нижний – при достижении которого он вновь автоматически включается. Выбирая расстояние между верхним и нижнем уровнями, мы четко определяем величину регулирующего объема и нерасходуемого запаса воды.

Чем же надо руководствоваться при выборе этих величин? Сокращая регулирующий объем, мы увеличиваем запас воды, однако при этом возрастает число включения насоса. Замеры показали, что увеличение частоты включения насоса в сутки с 2 до 7 раз позволяет уменьшить регулирующий объем почти в 3 раза и существенно увеличить запас воды. При ручном управлении это потребовало бы непрерывного дежурства человека, управляющего насосом. Благодаря автоматизации такой режим не только не требует дополнительных затрат труда, но и вообще выполняется без участия человека. При достаточно частой подкачке воды можно не опасаться опорожнения бака и замерзания воды, что особенно опасно зимой в ночной период, когда расход воды практически прекращается, и бак мог бы на длительное время оставаться с минимальным запасом воды. Вместе с тем, слишком частые включения погружного насоса крайне нежелательны.

После всего сказанного ясны преимущества автоматизации насоса перед управлением вручную. При этом, прежде всего, персонал освобождается от управления насосом, наблюдением за наличием воды и связанных с этим забот и затрат труда. Четкая фиксация верхнего и нижнего уровней предупреждает случаи переливов воды и опорожнения башни. Сокращение регулирующего объема увеличивает нерасходуемый запас воды в баке, что повышает надежность водоснабжения при перебоях в электроснабжении, плановом обслуживании насосного оборудования и т.д. Регулярная подкачка в башню теплой воды из скважины резко сокращает льдообразование в башне, что повышает ее устойчивость к морозам.

Максимально допустимая частота включений насоса ограничена предельной величиной, равной трем включениям в час. Это связано с большими токовыми перегрузками при пуске, с возможностью повреждения шпоночного соединения вала электродвигателя с насосом, болтовых креплений электродвигателя к насосу, срезания вала насоса, разрушения резьбового соединения нагнетательного трубопровода вблизи насоса из-за механических перегрузок, возникающих при включении электронасоса. Поэтому при эксплуатации погружных электронасосов предпочитают избегать их частых включений. Однако, по мере уменьшения габаритов электронасосов, допустимая частота включений электронасосов повышается. Так электронасосы габарита 4", производства словацкой фирмы СИМА, имеют частоту до 20 включений в час. Итак, требования к частоте включения электронасоса противоречат условию уменьшения регулирующего объема.

Определим зависимость между этими величинами. Пусть подача насоса всегда больше часового расхода воды. Число включений насоса в час, т.е. частота включений равна величине, обратной длительности цикла tц, состоящей из времени работы насоса tр и времени паузы tп.

Z =  1/tц = 1 / (tp+tп) (1)

Если qн - часовая производительность насоса, м3/ч, а

qп - часовой расход воды, м3/ч потребителями, то:

tp = Wрег / (qн-qп), час (2)

tп = Wрег / qп , час (3)

С учетом (2) и (3) частота включений равна:

Z = (qн - qп) qп /Wрегqп, вкл/ч (4)

Математическая зависимость частоты включений от расхода водопотребления (4) имеет максимум при qп  = 0,5qн.  Тогда

Zmax = 0,25qн/Wрег , вкл/ч (5)

Зная предельную величину Zмах и производительность насоса можно определить минимальный регулирующий объем и по нему минимальную величину перепада между нижним и верхним уровнями, при котором запас воды в баке башни будет максимально возможным.

По формуле (5) для предельной величины Zмах = 3 и площади бака S = 7,065 м2 можно рассчитать для ряда производительностей применяемых насосов минимальную величину перепада между уровнями  (см. табл. 1).

Таблица 1

Подача насоса, qн

м3

2

6,3

10

16

25

40

63

Регулирующий объем, Wрег

м3

0,85

0,25

0,83

1,33

2,08

3,33

5,25

Высота регулирующего объема, h

м

0,02

0,07

0,12

0,19

0,30

0,48

0,75

Из таблицы видно, что приемлемым для всех рассчитанных вариантов будет регулирующий объем Wpег = 5,25 м3, который обеспечивается датчиком с межконтактным расстоянием   0,75 м. Однако принимать предельную величину за исходную при выборе длины датчика было бы неосмотрительным.

Это объясняется тем, что существует ряд причин, требующих иметь некоторый запас по регулирующему объему, а равнозначно и по частоте включений электронасоса. К ним относятся следующие:

  • при расчете приняты номинальные значения подач электронасосов; на практике зачастую применяются насосы с запасом по высоте подъема, что приводит к подачам, превышающем номинальное;
  • на подачу электронасоса оказывают влияние штатные изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, а также изменение динамического уровня воды в скважине и других ее гидрогеологических характеристик;
  • для повышения надежности снабжения водой на случай кратковременных остановок насоса или задержек в срабатывании автоматики регулирующий объем в баке принимают на 30% больше расчетного Wрег.

Учитывая сказанное, запишем:

W'рег  = Wрег · 1,3 = 6,8 м3,

отсюда минимальная величина перепада равна 0,98 м.

Приведенные выше данные справедливы для случая, когда максимальный часовой расход воды потребителем не превышает подачу электронасоса. Только в этом случае регулирующий объем бака определяется однозначно. Иное положение возникает при расходе, превышающем подачу насоса. Автоматика, реагирующая только на уровень воды в баке, к такому ориентированному действию неспособна, она «глупа». Поэтому период максимального расхода воды может наступить не при заполненном баке, а наоборот, когда вода достигает в нем нижнего уровня. Насос включится, но уровень воды будет снижаться ниже нижнего уровня до тех пор, пока подача насоса не станет выше текущего расхода. Сказанное поясняет рис. 1, где для ясности момент t1 достижения водой нижнего уровня совмещен с началом превышения расхода над подачей. Следовательно, к регулирующему объему Wрег1, ограниченному верхним и нижним уровнями, надо добавить еще Wрег2, который «вырабатывается» в период времени t1 - t2, указанного превышения расхода над подачей. Его величина численно определяется как площадь S заштрихованной части графика. Следовательно, в случае, когда подача насоса меньше максимального расхода, полный регулирующий объем следует определять как:

Wрег = Wрег1 + Wрег2 = (0,25qн / Zmax)+ S.

Очевидно, что при выборе перепада между верхним и нижним уровнями в автоматических установках надо учитывать и возможное увеличение регулирующего объема за счет Wрег2. Это особенно важно при использовании малогабаритного четырехдюймового электронасосного оборудования, подача которых не превышает 2-3 м3/час и значительно ниже максимальных часовых расходов. Таким образом, вопрос возможности применения таких насосов сводится, прежде всего, к двум моментам: достаточна ли подача их для обеспечения суточных расходов у потребителей и хватит ли объема башни для размещения дополнительного регулирующего объема Wрег2.

(Продолжение следует).

Александр Гришин
к.т.н., зав. лабораторией ВИЭСХ