Основные элементы систем автоматики

1.

1.1.Режим работы насоса определяется величиной геометрической высоты подъема жидкости и гидравлическими сопротивлениями системы трубопроводов. Следовательно, напор насоса при заданной подаче (производительности) должен соответствовать сопротивлению системы:

Н = Н_г + , м. ( 39 )

Графическое изображение зависимости потребного напора от расхода жидкости в трубопроводе называется характеристикой системы (трубопровода). Для определения режима работы насоса и подключенного к нему трубопровода необходимо совместить их характеристики. Точка пересечения характеристик насоса и трубопровода А – называется рабочей точкой.

Рабочая точка определяет подачу жидкости Q в данный трубопровод и напор насоса Н. На рис. 35 представлена характеристика совместной работы насоса и трубопровода [ 8, 9 ].

Регулирование работы центробежного насоса с целью изменения величины подачи и напора может быть осуществлено изменением частоты вращения или срезкой рабочего колеса. Существует также способ регулирования работы центробежного насоса изменением характеристики системы трубопроводов. Последним способом можно только уменьшить подачу насоса.

Наиболее экономичным способом регулирования работы насосного агрегата является изменение числа оборотов рабочего колеса.

Рис. 35. Характеристика совместной работы насоса и трубопровода:

1 – характеристика системы (трубопровода); 2 - характеристика насоса; А – рабочая точка.

Совместная работа центробежных насосов может быть параллельной и последовательной.

1.2. Во многих случаях в соответствии с эксплуатационными режимами элементов СЭУ, а также с изменением потребления воды в бытовых системах необходимо изменять характеристики насосов или трубопроводов. Изменение характеристик, выполняемое для обеспечения требуемой подачи, называют регулированием режимов работы насоса.

Широко применяют следующие способы регулирования подачи: дросселированием - изменением открытия клинкета или клапана у насоса; перепуском части расхода из напорного трубопровода во всасывающий по обводному трубопроводу; изменением частоты вращения вала насоса.
Дросселирование - наиболее доступный во всех системах способ регулирования. Подачу насоса можно изменять тем или иным перекрытием клинкета (клапана) у насоса на нагнетательном трубопроводе, т.е. введением дополнительного гидравлического сопротивления в трубопроводе. Иногда регулирование осуществляют частичным перекрытием клинкета на всасывающем трубопроводе. Однако такой способ регулирования может быть применен лишь при незначительных изменениях подачи, так как увеличение гидравлического сопротивления на всасывании и связанное с этим углубление вакуума на входе жидкости в рабочее колесо насоса приводят к выделению газов и паров, подсосу воздуха, усилению явлений кавитации и срыву подачи. Регулирование режима работы насоса дросселированием вызывает дополнительные потери энергии.
При регулировании режима работы перепускомчасти жидкости, подаваемой насосом, из нагнетательного трубопровода перепускается во всасывающий по обводному трубопроводу, на котором установлен клинкет, или сливается в приемный резервуар. При изменении степени открытия клинкета на обводном трубопроводе изменяются расход перепускаемой жидкости и, следовательно, расход сети. Регулирование перепуском неэкономично, так как теряется энергия жидкости, проходящей по обводному трубопроводу. Однако такое регулирование более экономично, чем дросселированием, для быстроходных насосов, у которых с увеличением подачи падает мощность.
В тех случаях, когда есть такая возможность, целесообразно регулировать подачу насоса изменением частоты вращения двигателя.
Экономичность регулирования работы насоса различными способами обычно сравнивают по потребляемой насосом мощности. Исследования для насосов, у которых с увеличением подачи мощность увеличивается (тихоходные и нормальные центробежные насосы), показали, что наименьшая потребляемая мощность получается при регулировании изменением частоты вращения, несколько большая мощность - при регулировании дросселированием, самая большая - при регулировании перепуском.

Существует не­сколько способов регулирования:

1.Регулирование дросселированием на напорном трубопроводе при помощи задвижки - простая операция, поэтому широко приме­няется. Однако при этом происходит потеря энергии, снижается КПД,так как в задвижке теряется часть напора, создаваемого насосом. Точ­ка пересечения А характеристик насоса и трубопровода перемещает­ся влево по кривой Q-H (рис. 2.13). Абсцисса новой точки соответ­ствует уменьшенной подаче.

2. Регулирование дросселированием на приемном трубопроводе.Однако этот способ не может быть рекомендован, так как к указанным недостаткам такого регулирования добавляется еще большее сниже­ние КПД вследствие ухудшения всасывающей способности, выделе­ние паров жидкости и затем возможность появления кавитации.

3. Регулирование впуском небольшого количества воздуха в прием­ную трубу. Однако этот способ, несмотря на его сравнительную эконо­мичность, не применяется при перекачке нефти и нефтепродуктов.

При впуске воздуха в приемную трубу при перекачке легко испаря­ющихся жидкостей, помимо явления кавитации, может произойти взрыв.

4. Регулирование перепуском части нагнетаемой жидкости из на­порного патрубка в приемный. Осуществляется перепуск жидкостичерез обводную линию (байпас).

При перепуске части жидкости по обводной линии общая подача насоса увеличивается, а напор в соответствии с характеристикой сни­жается. Однако этот способ регулирования неэкономичен, так как с перепускаемой жидкостью теряется затраченная энергия.

В многоступенчатых насосах часть жидкости перепускают не из напорной линии, а с первой или второй ступени. При этом теряется меньшая часть энергии и экономичность регулирования повышается.

5. Регулирование изменением схемы соединения насосов. Как было указано, совместная работа насосов может быть осуществлена при па­раллельном и последовательном их соединении. При последователь­ном соединении однотипных насосов развиваемые ими напоры скла­дываются, а при параллельном соединении складываются подачи. Пре­небрегая потерями, можно считать, что при последовательном соеди­нении одинаковых насосов напор удваивается, а при параллельном их соединении подача возрастает и распределяется поровну между насо­сами, но получается меньше суммы подач тех же насосов, работающих в отдельности на заданный трубопровод. Таким образом, переключе­нием насосов с последовательного соединения на параллельное и на­оборот можно изменять подачу жидкости в трубопровод и ее напор.

Указанный способ регулирования можно применять при перекач­ке нефти, когда в зависимости от температуры окружающей среды(летом, зимой) изменяется противодавление в трубопроводе.

6. Регулирование уменьшением диаметра рабочих колес.

При этом способе не затрачивается лишняя энергия. Способ ши­роко применяется для центробежных насосов спирального типа и заключается в уменьшении наружного диаметра рабочих колес об­тачиванием в соответствии с универсальной характеристикой.

7. Регулирование уменьшением количества рабочих колес. При­меняется, когда насос может развить напор больший, чем противо­давление в трубопроводе.

8. Регулирование закрытием некоторого количества каналов ра­бочего колеса. При этом уменьшаются подача и напор насоса.

Последние три способа экономичны, но связаны с остановкой и разборкой насоса и применяются, когда режим работы меняют на Продолжительное время.

На нефтепромыслах в основном применяют первый и четвертый способы регулирования.

Классификация центробежных насосов

Все существующие центробежные насосы можно разделить на следующие группы: 1) по способу отвода воды: а) простые (без направляющего ап­парата); б) турбинные (с направляющим ап­паратом); 2) по числу рабочих колес: а) одноступенчатые; б) многоступенчатые; 3) по подводу воды: а) с односторонним подводом; б) сдвусторонним подводом; 4) по положению вала: а) с горизонтальным валом; б) с вертикальным валом; 5) по развиваемому напору: а) низконапорные (напор до 20 м); б) средненапорные (напор от 20 до 60м); в) высоконапорные (напор более 60м); 6) по характеру перекачиваемой жидкости: а) водопроводные; б) фекальные; в) грунтовые; г) кислотные и т. п.

1.3.
    Насосные станции магистральных нефтепроводов 

    Насосные станции магистральных нефтепроводов осуществляют перекачку нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. Основными потребителями электроэнергии на насосных станциях магистральных нефтепроводов являются электродвигатели насосов перекачки нефти. Кроме них на насосных станциях имеются и другие потребители электродвигатели насосов подачи воды (хозяйственной, питьевой), канализационных стоков (нефтепродуктов, ливневых и фекальных) электрозадвижки на трубопроводах, электроприводы станков механической мастерской и электрических кранов, а также установки электрического освещения территории станции, резервуарных парков, вспомогательных и административных зданий.

Нефтепроводом принято называть трубопровод, предназначенный для перекачки нефти и нефтепродуктов (при перекачке нефтепродукта иногда употребляют термин нефтепродуктопровод). В зависимости от вида перекачиваемого нефтепродукта трубопровод называют также бензино-, керосин-, мазутопроводом и т.д.

По своему назначению нефте- и нефтепродуктопроводы можно разделить на следующие группы:

· промысловые — соединяющие скважины с различными объектами и установками подготовки нефти на промыслах;

· магистральные (МН) — предназначенные для транспортировки товарной нефти и нефтепродуктов (в том числе стабильного конденсата и бензина) из районов их добычи (от промыслов) производства или хранения до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива в цистерны, нефтеналивных терминалов, отдельных промышленных предприятий и НПЗ). Они характеризуются высокой пропускной способностью, диаметром трубопровода от 219 до 1400 мм и избыточным давлением от 1,2 до 10 МПа;

· технологические — предназначенные для транспортировки в пределах промышленного предприятия или группы этих предприятий различных веществ (сырья, полуфабрикатов, реагентов, а также промежуточных или конечных продуктов, полученных или используемых в технологическом процессе и др.), необходимых для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования.

2.

2.1. Порядок пуска и остановки насосных агрегатов

Порядок пуска и остановки насосных агрегатов устанавливают в зависимости от типоразмера насоса, коммуникации насосной станции и системы напорных трубопроводов вне станции.

Следует максимально использовать возможность пуска насосных агрегатов при открытой задвижке на напорном патрубке. К пуску насоса при закрытой задвижке на напорном патрубке следует прибегать лишь в тех случаях, когда пуск при открытой задвижке может вызвать гидравлический удар или перегрузку электродвигателя.

Операции, связанные с пуском и остановкой насосных агрегатов, должны производиться дежурным машинистом и его помощником. После пуска агрегата необходимо убедиться, что насос работает нормально, без вибрации и металлического шума. Во время работы насоса температура подшипников скольжения допускается на 45° выше температуры окружающей среды, но не выше 80°С, а подшипников качения — на 60° выше температуры окружающей среды, но не выше 95 °С.

Насосный агрегат выключают в тех случаях, когда его работа становится неэффективной, т. е. когда и при выключенном насосе насосная станция обеспечивает необходимые расходы и напоры при работе других агрегатов. Кроме того, агрегаты останавливают в аварийных ситуациях, а также при необходимости профилактического ремонта. В последнем случае перед выключением агрегата на ремонт необходимо включать в работу резервный насос.

В процессе эксплуатации насосного агрегата систематически наблюдают за показаниями всех контрольно-измерительных приборов.

'" При работе насосных агрегатов необходимо выполнять все требования инструкции по уходу и эксплуатации, разработанной заводом-изготовителем.

При эксплуатации насосных агрегатов возможны различного рода неполадки (табл.

Акт является основанием для принятия насоса в эксплуатацию.

Параметры (приведенные)

В условиях эксплуатации Испытания на надежность параметрические испытания * контрольные испытания **

При эксплуатации агрегатов и их испытании чаще применяют пружинные манометры—технические, контрольные и образцовые.

При испытаниях в условиях эксплуатации характеристику снимают в рабочем интервале подач при кавитационном запасе не ниже допустимого.

Опытную мощность на валу насоса в условиях эксплуатации замерить практически невозможно, поэтому определяют, как правило, мощность, потребляемую электродвигателем: где А;тр т — коэффициент трансформации тока; /етр „ — коэффициент трансформации напряжения; рш — масштаб шкалы ваттметров, РШ = /max^max/W.

В книге рассмотрены режимы работы центробежных насосов на трубопровод, подготовка насосов к пуску и уход за ними в процессе эксплуатации, а также ремонт основных деталей центробежных насосов.

2.2. Кавита́ция (пустота) — процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну.

Явление кавитации. Кавитация в насосах.

В результате эксплуатации насосной системы в условиях низких атмосферных давлений, либо при перекачивании высокотемпературных жидкостей, либо при высоте всасывания выше допустимой, в трубопроводе может возникнуть явление кавитации, сопровождаемое характерной вибрацией, потрескиванием, шипением и прочими шумами внутри насоса и ведущее к быстрому износу его рабочего колеса.

В перекачиваемой рабочей жидкости в некоторых участках трубопровода давление потока может понизиться до критического, из-за чего в сплошном потоке образуются множественные пузырьки паров и газов, выделяемых жидкостью, которые под действием разряжения разрастаются до больших пузырей-каверн. Попадая затем в области с давлением выше критического, эти каверны лопаются и бесследно исчезают в результате конденсации. Захлопывание пузырей происходит очень быстро и сопровождается гидравлическими ударами, ведущими к кавитационной эрозии, механически разрушающей поверхности рабочих деталей насосного оборудования и затрудняет его дальнейшую эксплуатацию.

Заполненный движущимися пузырьками участок называется кавитационной зоной, которая обычно образуется при уменьшении давления жидкости у входа в рабочее колесо ниже давления упругости пара. Напор рабочей жидкости снижается иногда до полного прекращения ее подачи, в результате чего резко уменьшается производительность (к.п.д.) насосного агрегата.

Для того, чтобы гарантированно исключить возможность возникновения кавитации, на каждого насоса рассчитываются кавитационные характеристики.

Критическое давление меняется в широком диапазоне в зависимости от состояния и физических свойств перекачиваемой жидкости, поэтому для определения кавитационных характеристик за критическое принимается давление паров жидкости при конкретной температуре.

Предотвратить кавитацию в проточной части насосной системы можно с учетом причин общего и местного снижения давления. Но более надежным способом ослабления и полного предотвращения кавитации является оптимальный геодезический расчет места установки насоса и соответствующие ему выбор высоты всасывания и температура перекачиваемой жидкости. Уменьшая высоту всасывания или увеличивая подпор по сравнению с расчетными значениями, можно создавать определенный запас, который гарантирует надежной и бесперебойной работы насосной системы без кавитации.

Максимальной прочностью к последствиям кавитации обладают насосы, изготовленные из бронзы или нержавеющей стали, с применением специальных защитных покрытий наиболее подверженных стиранию и воздействию кавитации деталей. В виде покрытий применяется местная поверхностная закалка, наплавка поверхностей твердыми сплавами и металлизация поверхностей в холодном состоянии.

2.3. Основные неисправности насосного оборудования

Разнообразие конструкций и условий применения насосов определяет разнообразие возможных неисправностей. В руководстве по эксплуатации каждого насоса приводится подробный список характерных неисправностей и способов их устранения.

Здесь приведен краткий обзор типичных неисправностей насосного оборудования.

Основные признаки неисправностей, проявляющиеся в процессе эксплуатации: вибрация агрегата, повышенный уровень шума и изменение его тональности, повышенные рабочие токи, пульсации давления.

Причины выхода насоса из строя можно разделить на несколько групп.

1. Механические неисправности:

1.1. дефекты изготовления, сборки и монтажа насосного агрегата ;

1.2. вызванные износом насосного агрегата.

2. Неисправности системы управления:

2.1. работа в недопустимых режимах (вне рабочей зоны);

2.2. неисправности системы электропитания;

2.3. неисправности электродвигателя.

3. Неисправности гидравлической системы:

3.1. неправильный подбор насоса;

3.2. изменение параметров сети.

4.1. Механические неисправности

Дефекты изготовления или сборки определяются во время предпусковой подготовки и во время пробного пуска. Часть заводских дефектов проявляется лишь через некоторое время работы.

В процессе работы происходит износ подшипников, рабочих колес или роторов, уплотнений, резиновых деталей муфт. У химических насосов кроме этого— коррозия проточной части.

Износ подшипников приводит к повышенной вибрации агрегата. При длительной работе на изношенных подшипниках возможен перекос ротора. Последствия—рост потребляемой мощности, повышенный нагрев подшипников и стойки, задевание за корпус рабочего колеса, перекос и задевание за корпус сальникового уплотнения.

Износ рабочих колес приводит к падению подачи и напора при практически неизменной потребляемой мощности. При сильном износе колеса и щелевого уплотнения на входе нарушается балансировка: возникает неуравновешенная осевая сила. Последствия—нагрузка на подшипники и их износ, смещение рабочего колеса в полости насоса, трение его о корпус (всасывающий патрубок) и износ колеса и корпуса.

Износ торцовых уплотнений особенно опасен для погружных насосов (ГНОМ, НПК, ЦМК...), так как вода попадает в полость электродвигателя и вызывает повреждение обмотки.

2.4. ИСПЫТАНИЯ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Необходимые зависимости получают опытным путем в результате испытаний насосов при постоянной частоте вращения и дросселировании потока на нагнетании.

По назначению различают обкаточные, доводочно-наладочные предварительные, основные и специальные испытания.

Обкаточные испытания проводят для подготовки оборудования и трубопроводов после монтажа или ремонта к пуску, для запуска и обкатки установки, проверки герметичности масляной, воздушной, водяной и технологической систем, качества сборки ц монтажа привода.

Доводочно-наладочные испытания позволяют выявить и устранить дефекты в работе установки и привести ее показатели в соответствие с требованиями технических условий.

Предварительные испытания проводят для проверки установки и приборов, выявления и устранения дефектов.

Основные испытания дают возможность определить действительные значения основных показателей установки на всех режимах, оценить ее эксплуатационные качества.

Обработка данных испытаний позволяет получить рабочие, универсальные, кавитационные и пусковые характеристики насоса и вспомогательного оборудования.

По результатам испытаний определяют рациональные режимы эксплуатации установки.

Специальные испытания выполняют для экспериментальной проверки теоретических положений, выявления технико-экономических показателей, оценки устойчивости работы насоса на отдельных режимах и др.

Длительные испытания в эксплуатационных условиях позво-,ляют определить надежность и долговечность насоса и всей установки в целом.

Перед началом испытаний составляют программу, определяющую объем и характер работ.

Программа испытаний насосного агрегата после ремонта включает перечень подлежащего испытаниям оборудования, данные о выполнении ремонта, состав комиссии, сроки испытаний, порядок и режимы их проведения.

В испытания включают получение показателей работы насоса на номинальном и двух-трех промежуточных режимах.

Если при ремонте заменено рабочее колесо, по результатам испытаний строят нормальную и кавитационную характеристики насоса полностью.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

В качестве импульса, управляющего работой насосов I подъема, следует принимать уровень воды на первом из очистных сооружений на станциях с поверхностным источником водоснабжения (обычно смеситель) или уровень в водосборном резервуаре чистой воды при подземных источниках водоснабжения. В качестве импульсов для управления насосами II подъема принимают: давление в заданной точке распределительной сети; уровень воды в баке водонапорной башни; давление на напорном коллекторе в насосной станции; программное устройство, настроенное в соответствии с режимом потребления воды.

На канализационных насосных станциях импульсом управления работой насосной станции является допустимый уровень воды в приемном резервуаре.

Контролируют эти неэлектрические параметры с помощью измерительной аппаратуры (датчиков и реле), у которой чувствительный измерительный элемент, воспринимая изменения контролируемого параметра, изменяет свои свойства или'размеры.

Датчиком называется элемент автоматического устройства, контролирующего колебания той или иной физической величины и преобразующий эти колебания в изменения другой величины, удобной для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств.

Реле называют устройства, которые состоят из трех основных органов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий орган принимает управляющий импульс и преобразует его в физическую величину, воздействующую на промежуточный орган. Промежуточный орган, принимая сигнал, воздействует на исполнительный орган, который скачкообразно изменяет выходной сигнал и передает его электрическим цепям управления.

В автоматизированных системах управления насосными агрегатами применяют следующие типы датчиков и реле:

1) датчики уровня—для подачи импульсов на включение и остановку насосов при изменении уровней воды в баках и резервуарах;

2) датчики давления, или электроконтактные манометры — для управления цепями автоматики при изменении давления в трубопроводе;

3) струйные реле — для управления цепями автоматики в зависимости от направления движения воды в контролируемом трубопроводе;

4) реле времени — для отсчета времени, необходимого для протекания определенных процессов при работе агрегатов;

5) термические реле — для контроля за температурой подшипников и сальников, а в некоторых случаях за выдержкой времени;

6) вакуум-реле — для поддержания определенного разрежения в насосе или во всасывающем трубопроводе;

7) промежуточные реле — для переключения отдельных цепей в установленной последовательности;

8) реле напряжения — для обеспечения работы агрегатов на определенном напряжении;

9) аварийные реле — для отключения агрегатов при нарушении установленного режима работы.

Электродный датчик уровня. Основными элементами электродного датчика уровня являются блок сигнализации и электроды, устанавливаемые на высоте контролируемого уровня. При достижении уровнем того или иного электрода вследствие электрической проводимости воды замыкаются соответствующие цепи в электрической схеме сигнализации и управления насосными агрегатами.

Датчики давления. В качестве датчика давления используются электроконтактные манометры, для которых, так же как и для обычных манометров, применяют трубчатую пружину. Электроконтактные манометры имеют два подвижных контакта — левый, замыкающийся при давлении ниже величины, на которую он установлен, и правый, замыкающийся при давлении, превышающем установленную для него величину. Кроме подвижных манометр имеет один контакт, жестко укрепленный на стрелке. Контактная система и изоляция манометров позволяют включать их в цепи управления напряжением до 380 В переменного тока или 220 В постоянного тока.