Самозапуск электроприводов насосных станций



В статье рассматриваются основные процессы, протекающие при самозапуске насосных агрегатов насосных станций систем машинного водоподъема для орошения, обеспечивающие 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.

Одним из основных потребителей электроэнергии в Узбекистане являются насосные станции сельскохозяйственной отрасли. Из вырабатываемых 47 млрд. кВт·ч/год электроэнергии в среднем 8 млрд. кВт·ч/год или около 16 % тратится на покрытие нагрузок 1588 государственных мелиоративных насосных станций, находящихся в настоящее время на балансе Министерства сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан. В последние годы все увеличивающееся число малых насосных станций, принадлежащих фермерским хозяйствам и арендаторам приводит к тому, что энергозатраты насосных станций становятся еще более значительными.

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.

С помощью насосных станций в настоящее время орошается 2,418 млн га из 4,3 га орошаемых земель. Ежегодно всеми насосами перекачивается около 59 млрд.м³ поливной воды, причем 27 млрд м³ перекачивается головными насосными станциями, а 32 млрд.м³ — вторым и последующими подъемами.

Построены и введены в действие крупнейшие насосные станции в комплексе Аму-Бухарского, Шерабадского, Каршинского, Джизакского, Аму-Зангского машинных каналов, что позволило резко повысить водообеспеченность староорошаемых земель и освоить сотни тысяч гектаров новых земель. Насосами только на этих пяти каналах перекачивается около 2000 м³/c воды, а мощность основных электродвигателей составляет 1,2 млн кВт.

Как известно, переходные процессы более опасны для электрооборудования, в том числе насосной установки, чем установившиеся. Основные повреждения и аварии насосных агрегатов происходят при переходных процессах, пусках, остановках, которые в соответствии с графиком работы могут назначаться по нескольку раз в сутки, а также при аварийном отключении электродвигателей от энергосистемы. Возникают значительные динамические нагрузки на элементы сооружений и гидросилового оборудования: гидравлический удар, резкое изменение силовых воздействий на рабочее колесо и системы привода лопастей, сопровождающиеся пульсациями водного потока и вибрацией. Поэтому при эксплуатации насосных станций необходимо комплексно учитывать работу напорного тракта и технологического оборудования и назначать схемы и состав сооружений, основываясь на расчетах и анализе переходных процессов с учетом статических и динамических характеристик насосов и электродвигателей.

Насосные установки открытой оросительной системы работают на трубопроводы сравнительно небольшой длины, оканчивающиеся сифонными водовыпусками. При плановом отключении насосного агрегата в начале закрывается регулировочная задвижка, затем приводной двигатель отключается от сети. Благодаря этому насосный агрегат останавливается и не вращается в другую сторону.

При [1, 2] аварийных отключениях 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 работы частота вращения агрегата уменьшается и доходит до нуля, далее под действием воды в трубопроводе изменяется направление, идёт вращение 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, 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.

Число установленных насосных агрегатов на мелиоративных насосных станциях колеблется в больших пределах (2–16 штук). Приводные электродвигатели насосов получают питание от понижающей подстанции насосной станции. На этих подстанциях применяются двухобмоточные и трехобмоточные трансформаторы. Количество одновременно самозапускаемых двигателей насосной станции определяется, исходя из допустимого значения понижения напряжения сети в момент самозапуска. Зная напряжение сети и сопротивление источника питания, определяем величину, восстанавливающегося напряжения на двигателях.

Когда насосы вертикального исполнения, осевые, где нет затворов, любое отклонение напряжения 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, требует 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 самозапуска асинхронных двигателей необходимо выполнять как при проектировании, так и в процессе эксплуатации электроэнергетических объектов.

Разработан ряд программ расчёта указанного режима для промышленных предприятий, то есть развитие идёт по пути программной реализации математической модели [3]. Организации, занимающихся 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.

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.

Рис. 1. Самозапуск при t_пог=1,5 с

В предлагаемой работе время включенного состояния двигателя при погашениях определяется при помощи датчика, записывающего манометра, установленного 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. В данной работе после погашения, исчезновения напряжения в сети, можно определить допустимую зону самозапуска двигателя на основе:

Рис. 2. Самозапуск при t_ОТК=4,5 с

Рис. 3. Самозапуск при t_пог=2,2 с

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

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

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

Повышается надежность работы насосного агрегата в целом, сокращается время простоя, уменьшается расход дефицитных материалов. Использование способа позволяет высвободить труд квалифицированных рабочих или специалистов, т. к. отпадает вероятность создания аварийной ситуации на насосных станциях [4].

Высоковольтные линии электропередачи насосных станций Аму-Занг и электродвигатели эксплуатируются в сложных климатических условиях. В течение поливного сезона наблюдаются погашения напряжения сети и кратковременное понижение напряжения сети. Это приводит к отключению всех насосных установок и насосных станций.

Насосная станция первого подъема оборудована горизонтальными центробежными насосами типа 24НДС с обточенным диаметром рабочего колеса Д_РК=375 мм. В качестве приводного двигателя использованы трехфазные асинхронные двигатели типа ДАЗО.

Насосная станция первой очереди состоит из 16 насосов типа 24НДС с диаметром рабочего колеса 875 мм и асинхронных двигателей типа ДАЗО–15–59–10 в том же количестве.

Насосная станция второй очереди состоит из аналогичных насосов (24НДС с Д_РК=375 мм) в том же количестве 16 штук, но в качестве электропривода использованы электродвигатели типа ДАЗО-15–69–10. Все эти двигатели насосных станций получают питание от одной подстанции. Эти двигатели получают питание от трансформатора № 1 типа ТДТН-2500/110/6/6.

Сняты экспериментальные осциллограммы процесса самозапуска в натурных условиях на насосной станции Аму-Занг первого подъема второй очереди. Были осциллографированы процессы самозапуска одной насосной установки № 11 при различных значениях выдержки времени, которая менялась от 1,5–3 секунд. Были записаны скорость вращения насоса, ток статора I, время выбега и время самозапуска. Результаты осциллограммы натурного исследования приводятся на рис.1. и рис.3. Из осциллограммы видно, что кратность пускового тока и продолжительность самозапуска растут с увеличением времени погашения.

Увеличение времени выдержки приводит к увеличению кратности пускового тока и длительности пуска. Результаты натурного исследования показывают, что минимальный пусковой ток будет при уменьшении времени погашения до 1,5–2 секунд. Чем кратковременней перерыв питания, тем меньше двигатели успевают затормозиться, тем меньше их пусковые токи и больше начальное напряжение на шинах после включения резервного питания и, следовательно, тем быстрее происходит самозапуск двигателей.

Материалы статьи и рекомендации, приведенные в ней, могут быть основанием для инновационных проектов, посвященных повышению эксплуатационной надежности и энергетической эффективности электродвигателей приводов насосных установок

Литература:

1. Линдорф Л. С., Маршак И. С. Автоматизация самозапуска синхронных двигателей насосных станций. // «Промышленная энергетика», 1963. № 3. С.11–16.
2. Безпрозванный А. А., Неминов А. И. Поведение электродвигателей питательных насосов при групповом самозапуске электродвигателей собственных нужд.// «Энергетика и электрификация». — Киев, 1979. № 2. С.28–30.
3. Хашимов А. А., Абидов К. Г. Самозапуск насосных установок. –Ташкент: ТашГТУ, 2002. -112 с.
4. Хашимов А. А., Хусанов М. А., Абидов К. Г. Способ определения зоны самозапуска электродвигателей насосных агрегатов при погашениях напряжения электрической сети. Патент РУз № UZIAP 02671 от 2003 г.