Влияние самозапуска электродвигателей на устойчивую работу насосных станций оросительных систем



В статье рассматриваются основные процессы, протекающие при самозапуске насосных агрегатов насосных станций систем машинного водоподъема для орошения, обеспечивающий устойчивую работу и рациональное использование электроэнергии, насосно-силового оборудования и оросительной воды. Показаны особенности переходных процессов при аварийном отключении насосных агрегатов от энергосистемы и самозапуске, даются методики, позволяющие определить оптимальные режимы самозапуска. Приведены результаты экспериментальных исследований, проведенные на насосных установках мелиоративных насосных станциях. Предложены технические решения по модернизации насосных агрегатов, позволяющие применение режима самозапуска на мелиоративных насосных станциях.

Применение насосных установок, с учетом специфических особенностей орошаемого земледелия, позволило решать сложные инженерно-мелиоративные задачи. Строительство и ввод в действие крупных машинных каналов с уникальными каскадами насосных станций и сложными гидротехническими сооружениями позволили перебросить сток многоводных рек на крупные орошаемые массивы, расположенные в низовьях маловодных рек Заравшана, Кашкадарьи, Сурхандарьи, Исфайрамсая и др., где недостаток воды и систематически повторяющееся маловодье тормозили развитие сельского хозяйства.

Переходные процессы более опасны для электрооборудования, в том числе насосной установки, чем установившиеся. Насосные установки открытой оросительной системы работают на трубопроводы сравнительно небольшой длины, оканчивающиеся сифонными водовыпусками. При плановом отключении насосного агрегата в начале закрывается регулировочная задвижка, после приводной двигатель отключается от сети. Благодаря этому насосный агрегат останавливается и не вращается в другую сторону.

В известных работах [1,2,3,4] агрегаты насосной станции открытой оросительной системы отключаются при кратковременном исчезновении (АПВ успешно), а также посадке напряжения ниже отключается от сети и запуск осуществляется дежурными операторами станции после доводки до первоначального рабочего состояния насосных агрегатов.

Каждый насосный агрегат может работать на один напорный трубопровод или несколько их объединяют в общий напорный трубопровод. Такой компоновке насосные агрегаты работают параллельно в общий трубопровод. Для покрытия значительных статических напоров используется последовательное включение насосных агрегатов. Наряду с этим несколько насосных агрегатов могут подключаться к общему напорному трубопроводу последовательно — параллельно. Для этих вариантов, как правило, применяют электропривод с центробежными насосами. Для двух напорных трубопроводов на совместную и последовательно — параллельную работу могут объединяться 2–5 насосных агрегатов.

При аварийных отключеньях из-за того, что регулировочная задвижка не закрыта, когда нет обратного клапана или он не срабатывает, вода в трубопроводе после отключения агрегата пойдет обратно. В начале частота вращения агрегата уменьшается и доходит до нуля, далее под действием воды в трубопроводе изменяет направление и вращается в другую сторону и значение обратной угонной скорости станет больше номинальной. Когда насос вращается в другую сторону, выходят из строя сальники насоса. Это приводит к нарушению системы герметизации насоса. Поэтому после такого режима перед пуском снимают заглушки насоса и удаляют сгоревшие сальники и забивают новые сальники. Запускается вакуум-насос для подготовки насоса к пуску так как регулировочная задвижка плотно не закрывается, требуется заполнение водой коллектора.

Когда насосы вертикального исполнения, осевые, где нет затворов, любое отклонение связано с вращением в другую сторону, что отрицательно влияет на работу подпятника на крепления насоса и обмоток двигателя. Все это связано с расходом дефицитных материалов, большого времени и квалифицированных ремонтников. Если насос работает с подсосом, то за время перерыва питания он может потерять воду, включиться незаполненным. Опыт показывает, что потеря столба воды происходит, как правило, лишь при снижении скорости ниже 50 %. После каждого погашения или посадки напряжения сети насосы отключаются. Для восстановления первоначального рабочего состояния станции требуется много времени. Простой насосной станции в период интенсивного орошения недопустим, поэтому имеет большое технико-экономическое значение уменьшение времени простоя насосных агрегатов насосной станции применением самозапуска. Расчёты токов самозапуск асинхронных двигателей необходимо выполнять как при проектировании, так и в процессе эксплуатации электроэнергетических объектов.

В настоящее время накоплен огромный опыт расчёта токов самозапуска асинхронных двигателей. Расчет переходных процессов в самозапускаемых насосных установках с асинхронным электроприводом описывается системой уравнений:

(1)

Разработан ряд программ расчёта указанного режима для промышленных предприятий, то есть развитие идёт по пути программной реализации математической модели [5]. Организации, занимающиеся в этой области, используют разные методы программной реализации

При подаче питания осуществляется режим самозапуска электродвигателей собственных нужд, когда частота вращения возрастает. Самозапуск будет успешным, если насосные установки, участвующие в этом режиме, развернутся до рабочей частоты вращения за допустимое время. Успешность самозапуска зависит от времени перерыва питания, параметров питающей цепи, суммарной мощности не отключенных электродвигателей и их загрузки, механических характеристик механизмов и других факторов.

Самозапуск может происходить после кратковременного глубокого снижения напряжения, вследствие близкого короткого замыкания, отключаемого релейной защитой. При этом в самозапуске будут одновременно участвовать те двигатели насосных установок, у которых напряжение снизилось до значения, вызвавшего снижение угловой скорости. Двигатели всё время остаются подключенными к источникам питания. Выполнение самозапуска требует комплексного решения вопросов, связанных с работой электродвигателя и его системы управления, электрической сети, а также самого приводимого механизма. В некоторых случаях самозапуск может быть запрещён по условиям техники безопасности или технологии производства.

Во всех случаях осуществление самозапуска должно быть обоснованным. Главная задача самозапуска — сохранить работоспособность насосной станции при кратковременном погашении. Если мощность системы электроснабжения достаточна, в одновременном самозапуске могут участвовать все насосные установки, для которых он необходим. Если же ограниченная мощность системы электроснабжения этого не допускает, то предусматривается несколько ступеней самозапуска, то есть поочерёдный самозапуск нескольких групп насосных установок. При этом возникает также вопрос взаимного влияния системы электроснабжения и двигателей насосных установок, участвующих в самозапуске. Более существенное ограничение в применение самозапуска насосных установок вызывается опасением возможности гидравлического удара в напорном трубопроводе при внезапном включении нагруженного насоса.

Приведенный выше анализ влияния различных факторов на режимы работы насосной установки при самозапуске, а также полученные расчетные данные и динамический анализ требуют рассмотреть процесс самозапуска в натурных условиях. Натурные исследования проводились на насосных станциях Аму-Занг I-I Сурхандарьинской области Республики Узбекистан. Высоковольтные линии электропередачи насосных станций Аму-Занг и приводные электродвигатели эксплуатируются в сложных климатических условиях. В течение поливного сезона наблюдаются погашения напряжения сети, а также кратковременное понижение сети. В период интенсивного орошения требуется устойчивая и бесперебойная работа насосных установок, поэтому целесообразно внедрение самозапуска на этих насосных станциях насосных установок при погашениях, посадках напряжения сети. В предлагаемом работе время включенного состояния двигателя при погощениях определяется при помощи датчика, записывающего манометра, установленных на выходе насоса (рис.1) или расчетным путем на основе четырех квадратных характеристик насоса и параметров насосной установки. Зона самозапуска находится в пределах изменения напора от номинального значения до минимального значения.

После погашения и кратковременного исчезновения напряжения в сети, допустимую зону самозапуска для двигателя можно определить на основе:

а) проектных данных насосной станции и четырех квадратной характеристики насоса (расчетным путем);

Для расчета переходных процессов, происходящих в насосных установках, используются четырехквадрантные характеристики насоса или, так называемые, полные энергетические характеристики. Процесс выбега агрегата является одним из составных частей переходного процесса, поэтому при определении параметров выбега пользуются этими характеристиками. Для пересчета параметров насоса в координатах и полной энергетической характеристики используются зависимости [6]:

(2)

где n — частота вращения насоса; Д — диаметр рабочего колеса;

Н — напор.

Рис.1. Место установки датчиков давления типа.

Для обратного пересчета используются зависимости:

(3)

где — плотность жидкости; g- ускорение силы тяжести.

б) измерения напора при помощи датчиков или записывающего манометра, установленного на выходе насоса (для повышения точности) или образцового манометра (рис.2);

Самозапуск агрегата № 6 при перерыве питания в 4,5 сек приводится на рис.2.. Время самозапуска t_САМ=3,5 сек. Скачок тока при самозапуске составляет 6,8I_НОМ, Продолжительность переходного процесса от момента погашения составляет 4,6 сек. Максимальное значение давления при самозапуске на напорном трубопроводе составляет 1,6Н_{Н. Н.} При самозапуске пульсация давления на напорном трубопроводе устанавливается за 10,5 сек.

в) характеристики выбега насосного агрегата, по которой определяют зону для успешного самозапуска (рис.3).

Характер переходного процесса при отключении насоса типа 24НДС с приводным двигателем типа ДАЗО 15–59–10У1 мощностью 630 кВт, построенный по расчетным данным, приводится на рис.3.

Интенсивность изменения частоты вращения ротора, напора и расхода при выбеге имеет различный характер и зависит от множества причин: от типа и быстроходности насоса, маховых моментов ротора агрегата, длины и конфигурации напорного трубопровода, от быстроты отключения напорного трубопровода от отводящего канала, от характера протекания гидравлического удара и др.

В установившемся режиме работы насосного агрегата момент двигателя равняется моменту сопротивления . В момент «а», когда произошло отключение питания (потеря привода) , сохраняется момент сопротивления , под действием которого снижается частота вращения n и развиваемый напор Н, что приводит к уменьшению подаваемого расхода Q. К времени «b» частота вращения снижается настолько, что расход становится равным нулю и с этого момента начинается движение воды по водоводам и через рабочее колесо из верхнего бьефа в нижний.

Рис.2. Самозапуск насосного агрегата № 6 при t_ОТК=4,5 сек.

Начинается турбинный режим. Но направление вращения еще сохраняется насосным. Так как в этом случае пропускная способность насоса невелика, то происходит повышение давления в спиральной камере напора, а также момента сопротивления.

В момент времени «с» частота вращения становится равной нулю, а затем под воздействием потока рабочее колесо начинает вращаться в обратном направлении. При этом момент сопротивления M_C достигает своего максимального значения и начинает снижаться. В точке «d» момент сопротивления M_C = 0. Наступает установившийся разгонный режим.

Самозапуск предлагается осуществить в пределах участка, когда подача насоса меняется от номинального значения до нуля, на первом квадрате в режиме выбега, что соответствует минимальному значению напора.

Рис. 3. Характер переходного процесса при выбеге насоса типа 24НДС с приводным двигателем типа ДАЗО 15–59–10У1

Способ самозапуска электроприводов должна учитывать технологические ограничения, действия технологических защит и автоматики восстановления работы вспомогательных механизмов. При проектировании и определении условий их эксплуатации необходимо учитывать влияние различного вида переходных процессов, особенно вызываемых сбросами нагрузки и отключением привода.

Применение самозапуска повышает устойчивость и надежность работы насосной установки в целом, сокращается время простоя, уменьшается расход дефицитных материалов. Использование способа позволяет высвободить труд квалифицированных рабочих или специалистов, т. к. отпадает возможность создания аварийной ситуации на насосных станциях.

Литература:

1. Курбангалиев У. К. Самозапуск двигателей собственных нужд электростанций. –М.: Энергоиздат, 1982–56 с.
2. Носов К. Б., Дворок Н. М. Способы и средства самозапуска электродвигателей..:Энергоатомиздат, 1992, 144 с.
3. Эрнст А. Д. Самозапуск асинхронных электродвигателей. //Учебное пособие. Омск: Изд-во ОмГУ, 2006.46 с.
4. Хашимов А. А., Абидов К. Г. Анализ режимов самозапуска электродвигателей насосных установок. // Электротехника.2001. № 10. 22–26 с.
5. Хашимов А. А., Абидов К. Г. Самозапуск насосных установок. Ташкент, ТашГТУ, 2002г, 112с.
6. Хашимов А. А., Абидов К. Г. Энергоэффективные способы самозапуска электроприводов насосных станций. –Т.: «Фан ва техналогиялар», 2012, 176 с.