Глава 7. автоматизация насосных станций

7.1. Основные схемы автоматизации

Насосные станции по оборудованию и протекающим в них технологическим процессам сравнительно легко поддаются автоматизации. Процессы, связанные с пуском, остановом и конт­ролем за состоянием насосно-силового оборудования, осуществля­ются в строго установленной последовательности автоматически, без непосредственного участия обслуживающего персонала. На насосных станциях автоматически выполняются следующие операции:

• пуск и останов агрегатов с выдержкой по времени как перед
пуском после получения импульса управления, так и между
отдельными операциями;

• включение одного или нескольких насосных агрегатов в уста­новленной последовательности, причем включение произво­дится либо на полное напряжение (прямой пуск), либо на по­ниженное с последующим включением на полное напряжение
после установленной выдержки (ступенчатый пуск);

• создание и поддержание необходимого разрежения во всасы­вающем трубопроводе и насосе перед пуском, если он не на­ходится под заливом;

• открытие и закрытие задвижек на трубопроводах в определен­
ном порядке при пуске и останове насосов;

• контроль за выполнением установленного режима при пуске,
работе и останове насосов, отключение работающего насоса
при нарушении режима его работы и включение резервного

насоса;

• передача сигналов о работе насосных агрегатов и аварийных
ситуациях на диспетчерский пункт;

• защита насосных агрегатов при перегреве подшипников,
вследствие работы насоса без залива, при перегрузке привод­ного электродвигателя и т. п.;

• отопление и вентиляция станций, их охрана от проникновения
посторонних лиц, а также включение и отключение дренаж­ных насосов.

На насосных станциях может проводиться автоматическое ре­гулирование напора и производительности агрегатов. Оно может осуществляться либо на входе воды в насос, либо на выходе из него путем дросселирования задвижками на трубопроводах или изменением скорости вращения насоса. Проводятся контроль за давлением воды во всасывающей и напорной линиях насосов, температурой подшипников и сальников, наличием напряжения на вводных шинах насосной станции и на шинах щита автомати­ческого управления, а также защита насосных агрегатов от короткого замыкания, перегрузки и т. п. При появлении перечислен­ных недопустимых отклонений срабатывает реле защиты, выклю­чая агрегаты из работы. Последующее включение агрегатов в работу возможно лишь после устранения неполадок.

При автоматическом управлении включение и останов насос­ных агрегатов осуществляется с помощью реле уровня, установ­ленного, например, над баком водонапорного сооружения или резервуара, а также реле давления, установленного в характерных точках сети. Полученный от реле сигнал обеспечивает необходи­мые переключения в схемах управления и сигнализации, вслед­ствие чего насосы включаются в определенной последователь­ности. Возможные варианты автоматического включения насосов и осуществления их залива перед пуском в работу показаны на рис. 80.

В практике работы СВВ наиболее широко применяются гидромеханические схемы, в которых автоматический пуск произво­дится либо без предварительного (перед пуском) залива корпуса центробежного насоса, либо с предварительным заливом от на­порного патрубка или с помощью вакуум-установки. Каждая из этих схем может быть реализована при открытой или закрытой напорной задвижке, т.е. существует шесть гидромеханических схем пуска насосов.

Пуск насосов с открытой напорной задвижкой наиболее легко осуществляется при следующих условиях: при малой производи­тельности насосов, имеющих резерв мощности электропривода, достаточный для компенсации возникающей перегрузки; при ра­боте насосов на напорные трубопроводы небольшой протяжен­ности; при установке на напорном трубопроводе противоударных устройств. Пуск насосов с открытой задвижкой упрощает и уде­шевляет систему автоматического управления.

7.2. Автоматическое управление насосами в системах водоснабжения

Проектирование, комплектацию оборудования, мон­таж и эксплуатацию насосных агрегатов в значительной мере об­легчает выпуск типовых станций автоматического управления. Отечественной промышленностью освоен выпуск почти 20 моди­фикаций унифицированных станций автоматического управления типа ПЭХ, предназначенных для автоматизации насосных агрега­тов с различными электродвигателями (низко- и высоковоль­тными, асинхронными с короткозамкнутым ротором и синхрон­ные с глухоподключенным возбудителем), для автоматизации артезианских насосов, вакуум-насосов и насосов общего назначения. Для автоматизации насосных станций, состоящих из четырех аг­регатов, выпускались также специальные блоки выбора очеред­ности пуска и резервирования насосов. Станциями ПЭХ автома­тизируется пуск насосов с открытой задвижкой. Релейно-контактная схема этой станции обеспечивает пуск и останов насосов, защиту и аварийное отключение как в ручном, так и в автомати­ческом режиме управления. В системах водоснабжения эксплуатируются также три вида станций управления насосами типа СУНО.

Станция СУНО-1 применяется для автоматизации насосных аг­регатов с низковольтным электродвигателем мощностью 20—55 кВт с короткозамкнутым ротором. Эта станция обеспечивает: мест­ное, автоматическое или телеуправление; пуск и останов залитого насоса при постоянно открытой задвижке на его напорной линии; контроль за работой насоса с помощью струйного реле, контакт­ного манометра или реле давления; контроль за наличием напря­жения в цепях управления и цепи питания электродвигателя; включение в работу насоса после кратковременного исчезнове­ния напряжения питания (4—5 с); подачу сигнала при аварийном отключении насоса с блокировкой, предотвращающей повторный пуск насоса до ликвидации аварии.

Станция СУНО-2 применяется при автоматизации насосных агрегатов с электродвигателями мощностью 55—125 кВт. От стан­ции СУНО-1 она отличается лишь введенным в схему управления дополнительным реле контроля залива насоса от напорного тру­бопровода.

Станция СУНО-3 предназначена для автоматизации насосных агрегатов с низковольтным асинхронным электродвигателем с фазовым или короткозамкнутым ротором мощностью 125-250 кВт. Эта станция обеспечивает местное, автоматическое или. телеуправление; прямой пуск

электродвигателей и пуск на понижен­ное напряжение от сети с использованием реостата в цепи статора при постоянно замкнутых кольцах электродвигателей с фазовым ротором; пуск и останов насоса с напорной задвижкой, оборудо­ванной электроприводом; пуск насоса с предварительным заливом от вакуумной установки; пуск электродвигателя после окончания залива насоса и его останов после полного закрытия задвижки; контроль за нагревом подшипников, а также все операции, выполняемые станцией СУНО-1. Общий вид станции СУНО-3 при­веден на рис. 81. Схема управления включает: трехполюсные кон­такторы Ли У; автоматический выключатель с тремя реле макси­мального тока с выдержкой времени 1АВ; автоматический трехполюсный выключатель с комбинированными расцепителями в пластмассовом кожухе 2АВ; трансформатор тока ТТ; маг­нитные пускатели реверсивные без тепловой защиты ПМЗ и ПМО; реле времени РВ; реле максимального тока для переднего присо­единения РМ; электромагнитное унифицированное реле РА; электромагнитный щитовой амперметр А; универсальный пере­ключатель ПУ; кнопку управления КУ.

Для повышения напора в водопроводной сети микрорайонов или отдельных зданий и сооружений используются схемы автома­тизации для насосных установок без регулирующей емкости типа АНУ, в которых управление производится с помощью реле давле­ния.

7.3. Автоматическое управление насосами в системах водоотведения

Одним из основных назначений систем автоматиче­ского управления водоотводящих (канализационных) станций яв­ляется поддержание в заданных пределах уровня жидкости в при­емных резервуарах. Опыт эксплуатации этих систем показал, что применение для контроля уровня поплавковых реле связано с ря­дом недостатков (заиливанием поплавковых труб, повреждением механических связей, низкой надежностью контактных элемен­тов).

Этих недостатков лишены электродные датчики уровня, при­нцип действия которых основан на электроконтактном методе измерения. Выпускается несколько вариантов этих приборов, от­личающихся конструкцией и способом установки в зависимости от агрессивности измеряемой среды.

Датчик со стержневыми электродами (рис. 82, а) представляет собой стальную наружную защитную трубу 11 с расположенными в ней четырьмя электродами 2, изготовленными из нержавеющей стали, меди или латуни. Электроды укреплены на изоляторах 4, установленных на наружной шайбе 6 из оргстекла. Устранение касания электродов друг с другом обеспечивается двумя изоляци­онными шайбами 9, закрепленными винтами 10. Шайбы имеют отверстия, обеспечивающие быстрое вытекание воды из трубы датчика при опускании уровня жидкости. Защитная труба, пре­дохраняя электроды от повреждений и прикосновения персонала, выполняет также роль нулевого электрода. Она надежно заземля­ется, а с нижнего торца закрывается днищем 12 с отверстиями для прохода воды. При использовании датчика для загрязненных вод на трубу надевается предохранительная металлическая сетка (на рис. 82, а не показана).

К электродам с помощью резьбовых соединений 5 присоеди­няют контактные провода для подключения их к аппаратуре авто­матического управления. Труба сверху имеет фланец 8, который служит основанием для крышки 7, защищающей верхнюю часть электродов, и имеет с фланцем разъемное соединение с помощью винтов 3. Длину электродов определяют в зависимости от высоты контролируемых уровней, а длину трубы принимают такой, чтобы конец более длинного электрода находился на расстоянии 200 мм от днища. При длине электродов до 1,5 м достаточна одна изоля­ционная шайба. Конструкция датчика дает возможность регули­ровать длину электродов в диапазоне до 200 мм. Датчик позволяет контролировать до четырех уровней (по числу электродов). Он устанавливается на стене резервуара с помощью стальных штырей 1 или на перекрытии резервуара через трубу и имеющийся на ней фланец.

Датчик с кольцевыми электродами (рис. 82, б) отличается компактностью и возможностью контроля большего числа уров­ней. В наружную защитную трубу 8 вставлен изоляционный стер­жень Риз оргстекла или эбонита, закрепленный с помощью втулки 3. На стержень устанавливают бронзовые кольца 10, служащие электродами датчика, закрепленные на стержне винтами 2. За­щитная труба снизу закрывается кольцом (направляющей 12 ), через отверстие которого проходит стержень. Сверху труба защи­щена крышкой 4, соединенной с фигурной втулкой 6, служащей для закрепления верхнего конца стержня. Во избежание изгиба стержня в его среднюю часть вставляется шпилька 11, предотвра­щающая смещение стержня с осевой линии защитной трубы, ко­торая закрепляется двумя шплинтами 1. Крышка имеет фланец прямоугольной формы, к которому присоединяется угловой штепсельный разъем 5, подключающий провода к электродам датчика. Для установки датчика на стенке резервуара к наружной трубе приваривают два стальных крюка 7.

Конструкция датчика позволяет устанавливать длину изоля­ционного стержня и наружной защитной трубы, а также число

колец электродов в зависимости от конкретных условий его ра­боты. Преимущество этого датчика состоит в том, что с увеличе­нием числа электродов нет необходимости увеличивать диаметр наружной трубы. Для контроля любой отметки уровней жидкости электроды регулируются путем смещения колец вдоль оси изоля­ционного стержня до требуемой высоты уровня.

В схемах включения рассмотренных электродных сигнализа­торов использование высокого напряжения (=220 В) в соответ­ствии с требованиями техники безопасности запрещено. В связи с этим применяются схемы с более низким напряжением (12—48 В), которые содержат различные усилительные устройства.

В качестве примера на рис. 83 приведена одна из таких схем, в которой использованы полупроводниковые триоды (транзис­торы). Схема обеспечивает возможность контроля верхнего и нижнего уровней жидкости и позволяет создавать несколько ва­риантов схем автоматического двухпозиционного регулирования работы насосных агрегатов. Сущность работы схемы состоит в следующем: электроды соединяются с минусовым выводом ис­точника питания и при их соприкосновении с жидкостью «открывают» предварительно «закрытые» транзисторы, что вызывает перераспределение напряжения и срабатывание выходных реле

контроля уровней. Для измерения каждого уровня требуются два транзистора, включенных по схеме с общим эмиттером.

Напряжение смещения на базу первого транзистора Т_х пода­ется через сопротивление К₂ и сопротивление перехода «элект­род—жидкость». Если жидкость находится ниже электрода Э, то напряжение смещения на базе транзистора Т_х и коллекторный ток отсутствуют. В этом режиме нет падения напряжения на со­противлении К_ъ, следовательно, «закрыт» выходной транзистор Т₂. В момент касания жидкостью электрода 1Э на базе входного тран­зистора Т_{ появляется напряжение смещения. Транзистор Т_х «от­крывается», в цепи коллектора появляется ток, на эмиттере со­противления Я₃ возникает напряжение, которое «открывает» вы­ходной транзистор Т₂. Включенное в коллекторную цепь реле Р₁ срабатывает и производит соответствующие переключения в схеме управления насосными агрегатами. Цепи с транзисторами Т_Ъ—Т_А и реле Р₂ работают аналогично и контролируют верхний уровень жидкости.

Переменным сопротивлением R₁ подбирается оптимальное напряжение смещения на базе транзисторов Т_х и Т₃, которое предохраняет их от перенапряжения. Переменные сопротивления R₂ и R₅ дают возможность регулировать чувствительность датчика в широких пределах.

Если насосы работают с предварительным заливом, то надеж­ность работы оборудования определяется правильным выбором датчика, контролирующего процесс залива. В этом случае о наличии электропроводных жидкостей в трубопроводах сигнализируют специальные проходные датчики, вмонтированные непосред­ственно в трубопровод (рис. 84, а). Датчик состоит из корпуса 4, штуцеров 5, накидных гаек 3 и двух приводов 2 из нержавеющей стали. Электроды закреплены внутри корпуса с помощью двух текстолитовых трубок 7.

Электрическая схема включения этого датчика (рис. 84, б) со­держит однокаскадный усилитель с полупроводниковым триодом. Для усиления мощности транзистор Т включается по схеме с об­щим эмиттером, а для питания коллекторной и управляющей цепи «эмиттер—база» применяют два выпрямителя В_х и В₂, со­бранных по схеме однофазного моста на полупроводниковых гер­маниевых диодах. Трансформатор Тр имеет три обмотки: одна подключается к питающей цепи переменного тока, две другие служат для питания выпрямителей. Когда жидкость не касается электрода, цепь «эмиттер—база» отключена от схемы, а переход «коллектор—база» закрыт. В коллекторной цепи с включенной в

нее обмоткой реле Р проходит ток малого значения, так как цепь обладает большим обратным сопротивлением коллекторного пере­хода, поэтому сила тока в этой цепи недостаточна для срабатыва­ния реле Р. При соприкосновении электрода с водой к эмиттеру подается положительный потенциал, к базе — отрицательный и переход «эмиттер—база» открывается. В результате в управляющей цепи появляется ток, усиливающий ток в коллекторе, что приво­дит к срабатыванию реле.

Электродные датчики, используемые для контроля залива на­сосов, широко применяются также для контроля наличия воды в трубопроводах при эксплуатации автоматизированных насосных станций. Схема автоматического управления насосной станцией с тремя агрегатами приведена на рис. 85. Пуск первого насоса происходит при подъеме уровня жидкости в приемном резервуаре до положения, соответствующего наполнению подводящего коллек­тора до 80%. При дальнейшем повышении уровня последовательно включаются второй и третий насосы. Их отключение происходит в обратном порядке. Пуск и отключение насосов производятся с помощью реле уровня и реле времени. При аварии и выходе из строя основного оборудования происходит автоматическое пере­ключения подводящего коллектора на обводной с помощью включенных в схему управления задвижек и шиберов. Схема та­кой автоматизированной насосной станции отличается высокой надежностью и дает возможность управления без обслужива­ющего персонала, что позволяет снизить эксплуатационные рас­ходы на 15% , а расход электроэнергии — на 9,3%.