Автоматизация процессов управления в системах водоснабжения. Автоматизация холодного водоснабжения

Человек использует водные ресурсы ежедневно для личного и рабочего потребления, поэтому автоматизация систем водоснабжения находит применение, как в промышленности, так и на бытовом уровне. К основным составляющим автоматизации системы водоснабжения относят: управление насосными станциями и станциями очистки, обслуживание водопроводных систем, разнообразные станции водоподготовки и др.

В настоящее время автоматизация системы водоснабжения является эффективным средством снижения затрат при проектировании. Задачи человека, обслуживающего систему, сводятся к минимуму. Одно из направлений, в котором работает Инжиниринговый Центр «СКАТ» - водоподготовка и автоматизация систем водоснабжения .

Проект автоматизации системы водоснабжения

Специалистами ИЦ «СКАТ» разработан и внедрен проект автоматизации системы водоснабжения для культурно-развлекательного центра, ХМАО. Это сооружение сегодня - студийно-сценический комплекс с современной инфраструктурой для жителей города. Система управления применена непосредственно для станции подготовки питьевой воды на данном объекте. Автоматизация системы водоснабжения на объекте такого уровня, безусловно, является одной из главных составляющих проектирования инженерных систем здания.

Система управления представляет собой шкаф управления технологическим оборудованием. Автоматизация системы водоснабжения осуществляется за счет управления таким оборудованием, как насосы и автоматические клапаны, очистные фильтры и станции подготовки воды.

Оборудование для автоматизации системы водоснабжения

Шкаф управления от ИЦ «СКАТ» оснащен оборудованием известных производителей в сфере автоматизации систем водоснабжения. Оборудование подобрано с учетом задач, поставленных Заказчиком и современных решений автоматики и управления. Центральное место занимает компактный промышленный контроллер OMRON CP1H, совместно с модулями расширения этого же производителя. Контроллер является универсальным средством управления исполнительными механизмами в процессе автоматизации системы водоснабжения, в нем запрограммирована логика работы установки.

Автоматизация системы водоснабжения предполагает управление узлами системы дистанционно. Диспетчер должен иметь возможность контролировать и воздействовать на параметры системы удаленно

от самой установки. Для этого в проекте автоматизации системы водоснабжения использована панель управления . С её помощью оператор может выбрать один из режимов работы. Автоматизация системы водоснабжения может проходить в автоматическом или в полуавтоматическом режимах.

Для проекта автоматизации системы водоснабжения инженерами-проектировщиками ИЦ «СКАТ» выбрана сенсорная панель оператора OMRON NB7W, которая осуществляет функцию визуализации работы установки. На сенсорной панели оператора отображается мнемосхема процесса и информация об аварийных ситуациях. Также с помощью панели управления производится установка программируемых параметров системы автоматизации водоснабжения. Интерфейс позволяет осуществлять контроль работы на этапах дозирования и фильтрации, выводить на экран показания датчиков и состояния основных исполнительных механизмов установки. Также предусмотрена возможность настройки параметров и ведения журнала аварийных сообщений системы автоматизации водоснабжения .

Преимущества автоматизации системы водоснабжения

В настоящее время использование технологий автоматизации системы водоснабжения имеют ряд существенных преимуществ:

• повышение производительности системы за счет использования высокотехнологичного оборудования;
• безопасность эксплуатации системы, сокращение числа ошибок операций и аварий;
• значительное снижение расхода воды, а значит минимизация общих расходов;
• удобство в использовании и минимальные сроки проектирования автоматизации системы водоснабжения.

Заказать автоматизацию системы водоснабжения от ИЦ «СКАТ»

В ходе проектирования автоматизации системы водоснабжения для культурно-развлекательного центра, ХМАО специалистами ИЦ «СКАТ» был проведен ряд работ:

• проектирование системы управления;
• разработка конструкций узлов автоматики;
• комплектация оборудования системы управления;
• монтаж шкафа и пульта управления;
• разработка программного обеспечения и программирование контроллера и панели оператора OMRON;
• отладка основных параметров работы.

В настоящее время ведутся пуско-наладочные работы автоматизированной системы управления непосредственно на объекте.

Если у Вас остались вопросы по данной теме, или Вы хотите заказать проект автоматизации системы водоснабжения, отправьте запрос на адрес электронной почты [email protected] . Специалисты Инжинирингового Центра «СКАТ» свяжутся в Вами в кротчайшие сроки.

1. Автоматизация систем водоснабжения здания

2. Датчики времени

3. Классификация ЧПУ

4. Принципиальная схема АВР трансформатора одностороннего действия

1. Автоматизация систем водоснабжения зданий

Автоматизация современных систем водоснабжения требует совместных усилий как специалистов в области автоматизации, так и инженерно-технических работников, проектирующих технологические процессы.

Автоматическое включение или выключение электродвигателей насосов и компрессоров в системах водоснабжения зданий возможно при изменении уровня воды в водонапорном баке, либо давления в трубопроводах сети или скорости движения воды в трубопроводе.

При изменении указанных параметров приводятся в действие датчики, связанные с исполнительными механизмами включения или выключения магнитного пускателя, соединяющего или размыкающего линию электропитания двигателя насоса. В качестве датчиков применяют различные реле уровня воды (рис. 1), регуляторы давления или электроконтактные манометры, струйные реле (рис. 2). Реле уровня, например поплавковое типа РЛ1-51, в зависимости от верхнего или нижнего положении уровня воды в баке включает или выключает контакты электроцепи двигателя. Чувствительным элементом является поплавок, соединенный с тросом, перекинутым через блок; на другом конце троса прикреплен контргруз. Контактное устройство реле представляет собой пружинный переключатель мгновенного действия с нормально открытым и нормально закрытым ртутными контактами. Контактное реле надежно работает даже в помещениях с повышенной влажностью. Дополнительные встроенные контакты могут соединять цепи звуковой или световой сигнализации.

Рис. 1. Схема установки реле уровня для автоматизации работы насосов: а и б - поплавковое реле для открытых и закрытых резервуаров, в - схема автоматического регулирования уровня воды в резервуаре; 1 - резервуар; 2 - поплавок; 3 - блок; 4 - переключающие шайбы; 5- коромысло; 6 - контакты; 7 - груз; 8 - контактный мост; 9 - соединительная труба; 10- насос; 1- подача воды; 12 - баллончик с ртутью; 13 - электродвигатель

Рис. 2. Схема контактного манометра (а) и струпного реле (б): 1 - трубка датчика; 2 - ось стрелки; 3 - стрелка; 4 - контакты; 5 - чувствительная пластинка

В системах без водонапорных баков или с пневматическими баками включение и выключение электродвигателей насосов (или компрессоров) производятся с помощью реле давления мембранного или диафрагмового типа. При изменении давления рычаг реле замыкает или размыкает контакты цепи управления магнитного пускателя электродвигателя. С помощью струйного реле включаются пожарные насосы. Принцип действия струйного реле основан на воздействии энергии струи соды - отклоняется пластинка, которая замыкает контактное устройство. Струйное реле устанавливают у основания пожарных стояков либо у водонапорного бака (при раздельной системе водоснабжения). В зданиях при постоянном недостатке напора пожарные насосы оборудуют автоматическим или дистанционным пуском от пожарных кранов рис. 3.

Рис. 3. Схема дистанционного включения пожарного насоса (бескнопочный пуск насоса):

1 - шток пожарного крана; 2 - кольцевая бороздка; 3 - кнопочный выключатель;

4- магнитный пускатель электродвигателя

2. Датчики времени

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Реле времени широко применяются в быту и промышленной автоматике для получения задержки включения или отключения различных устройств, в схемах сигнализации, в различных бытовых приборах для ограничения времени работы этих устройств, если забыли их выключить. Данные устройства можно использовать для отключения освещения в ванной комнате или туалете через заданное время, автоматического отключения дежурного освещения в подъезде дома или гараже, включения охранной сигнализации через некоторое время, после того, как Вы покинули охраняемый объект, в качестве таймера газовой или электроплиты, чтобы не забыть про оставленный пирог, автоматического отключения электроутюга и т.д. Как правило, в схемах реле времени используют специализированные микросхемы - счётчики с предустановкой коэффициента деления и встроенным задающим генератором, что позволяет изменять параметры устройства в очень широких пределах. При отсутствии специализированных микросхем реле времени легко собрать на очень широко распространённых КМОП элементах. Для получения коротких выдержек в несколько секунд иногда используют зарядные RC цепи, которые подключаются к пороговому элементу с высоким входным сопротивлением - КМОП триггерам Шмитта, компараторам, интегральным таймерам NE555N, операционным усилителям, полевым транзисторам и другим элементам, но такие схемы сложно настраивать, а стабильность их выдержки невысока.

Реле времени собрано на специализированной микросхеме КР512ПС10, очень широко применяемой в подобных устройствах. Точное время задержки срабатывания устанавливается подбором R1 , C1. Для дискретного изменения времени задержки в широких пределах используются входы предустановки коэффициента деления М1 ... М5, назначение которых показано в таблице. Установкой перемычек на плате можно задать время от нескольких секунд до нескольких суток. Перемычка S1 позволяет получить различный режим работы: если замкнуть площадки 1, 2 реле времени будет периодически включаться и выключаться через заданное время, причем время включенного состояния равно времени выключенного состояния. Если замкнуть площадки 2, 3 - реле времени отсчитает заданный интервал и включит выходное реле, которое останется в этом состоянии сколь угодно долго, пока не будет выключено и заново включено напряжение питания. Более удобна микросхема MC14536BCP или CD4536B, которая имеет широкий диапазон напряжения питания - до 18 В, вместо +6 В у КР512ПС10, что позволяет легко встраивать узлы задержки времени в различные устройства автоматики на КМОП микросхемах.

Реле времени по сути то же что и обычное реле, но с возможностью задержки срабатывания за счёт конструктивных особенностей. По принципу механизма подразделяются на:

с электромагнитным замедлением - применяются только при постоянном токе, и обеспечивает выдержку времени при срабатывании от 0,07 с. до 0,11 с, при отключении от 0,5 с до 1,4 с

с пневматическим замедлением – имеет в конструкции специальное замедляющее устройство - пневматический демпфер катаракт. Регулировка выдержки осуществляется изменением сечения отверстия для забора воздуха. Обеспечивает выдержку времени от 0,4 до 180 с, с точностью срабатывания 10 % от уставки (установки).

с часовым или анкерным механизмом - работает за счет пружины, которая заводится под действием электромагнита и контакты реле срабатывают только после того, как анкерный механизм отсчитает время, выставленное на шкале. Обеспечивает выдержку времени от 0,1 до 20 с, с точностью срабатывания 10 % от уставки (установки).

моторные реле времени - предназначены для отсчета времени от 10 с до нескольких часов. Оно состоит из синхронного двигателя, редуктора, электромагнит для сцепления и расцепления двигателя с редуктором, контактов. Обеспечивают выдержку времени в 20-30 мин.

электронные реле времени – работа основана на переходных процессах в разрядном контуре RC. Обеспечивает выдержку от 0.01секунды до 10 дней

3. Классификация ЧПУ

Системы ЧПУ можно классифицировать по различным признакам.

1. В зависимости от способа управления исполнительным органом различают: позиционные, контурные и универсальные системы.

При позиционном управлении инструмент последовательно обходит ряд точек - позиций. Требуется высокая точность позиционирования, а траектория перемещения инструмента из одной позиции в другую не имеет существенного значения - это холостое перемещение.

При контурном управлении инструмент движется без остановок, и обработка совершается во время движения. Все погрешности отработки траектории переносятся на деталь.

2. В зависимости от наличия обратной связи системы управления могут быть замкнутыми, или закрытыми, и разомкнутыми, или открытыми.

3. В зависимости от способа отсчета перемещения различают системы управления с абсолютным и относительным отсчетом.

4. В зависимости от чисел управляемых координат различают одно-, двух-, трех-, четырех -, пятикоординатные системы управления. Из них какое-то число координат управляется одновременно (параллельно), а какое-то - последовательно.

5. В зависимости от элементной базы и уровня использования; ЭВМ различают системы первого, второго, третьего поколения.

Устройства ЧПУ первого поколения не имели встроенного интерполятора. Программа, записанная на перфоленту при помощи вынесенного интерполятора, переписывалась на магнитную ленту, которую использовали для управления станком.

На магнитную ленту трудно записать большое число технологических команд. Это ограничивает технологические возможности системы.

Устройства ЧПУ второго поколения имеют встроенный интерполятор и управляются от перфоленты. Для подготовки перфоленты используется ЭВМ.

Устройства ЧПУ третьего поколения (системы CNC) имеют встроенный микропроцессор.

Основная задача автоматического регулирования систем горячего водоснабжения - поддержание заданной температуры воды в местах ее разбора. Это можно осуществить с помощью индивидуальных регуляторов температуры в каждом месте разбора горячей воды. Однако такое решение существенно усложняет эксплуатацию систем горячего водоснабжения и является малоэффективным. Поэтому индивидуальные регуляторы в местах разбора горячей воды устанавливаются лишь в особых случаях.

Наряду с непосредственным водоразбором системы горячего водоснабжения промышленных и гражданских зданий присоединяются к тепловым сетям также через водяные или пароводяные подогреватели.

При схеме с непосредственным водоразбором вода в систему подается из прямой и обратной линий тепловой сети в соотношениях, обеспечивающих температуру смеси 60 °С. Регулирование постоянной температуры смеси осуществляется терморегулятором, работающим в комплекте со смесительным регулирующим клапаном. Регулирующий клапан имеет два подводящих патрубка и один патрубок на выходе. К подводящим патрубкам присоединяются трубопроводы от прямой и обратной линий тепловой сети, а выходной патрубок соединен с трубопроводом систем горячего водоснабжения. При повышении температуры воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, увеличивается подача воды в систему из обратной линии тепловой сети, а при понижении - из прямой линии тепловой сети.

При автоматизации системы горячего водоснабжения, присоединенной к тепловой сети с помощью водоводяного подогревателя, регулирование температуры воды, подаваемой в систему, осуществляется регулятором прямого действия. При повышении температуры воды в системе горячего водоснабжения прикрывается клапан регулятора, уменьшая подачу горячей воды из теплосети в бойлер, а при понижении - открывается.

Системы горячего водоснабжения в зависимости от назначения объекта бывают с циркуляцией воды только при ее разборе (тупиковая система) и с циркуляцией воды при отсутствии водо-разбора или при незначительном водоразборе. При отсутствии водоразбора или при незначительном водоразборе вода в системе горячего водоснабжения может значительно охладиться. Чтобы избежать этого, устанавливают центробежный насос и монтируют циркуляционную линию трубопроводов. Датчик манометрического двухпозиционного регулятора устанавливают на циркуляционной линии. При понижении температуры воды в системе горячего водоснабжения примерно до 45 °С срабатывает двухпозиционный регулятор и включается электродвигатель центробежного насоса, начинаются принудительная циркуляция воды в системе и подогрев ее в бойлере. При достижении температуры воды в циркуляционной линии 60-65 °С регулятор срабатывает и отключает электродвигатель насоса.

Для обеспечения качественного снабжения потребителей горячей водой необходима непрерывная работа циркуляционного насоса. Если работа насосов в ночное время не предполагается, то предусматривается их автоматическое выключение. При установке аккумуляторов для выравнивания графика отпуска теплоты на горячее водоснабжение предусматривается автоматическое управление зарядкой и разрядкой этих аккумуляторов. Выбор схемы автоматического регулирования температуры воды на горячее водоснабжение определяется принятой системой теплоснабжения (закрытая или открытая).

При закрытой системе теплоснабжения, когда на вводах горячего водоснабжения устанавливают водоводяные подогреватели, широко применяется схема регулирования температуры нагреваемой воды путем изменения количества сетевой воды (рис. 7.1, а, б, в) или путем разделения потока сетевой воды трехходовым регулирующим клапаном на два: поступающий поток направляется в подогреватель, а перепускаемый - по обводной линии (рис. 7.1, г).

При таком способе регулирования обеспечивается примерно постоянный расход сетевой воды, что исключает полностью или частично гидравлическую разрегулировку тепловой сети. Однако постоянство расхода сетевой воды приводит к завышению температуры воды в обратном трубопроводе тепловой сети в период малых нагрузок горячего водоснабжения. При теплоснабжении от ТЭЦ это нежелательно, поскольку на ТЭЦ снижается выработка электроэнергии на тепловом потреблении.

Рис. 7.1.

а - параллельная; б - смешанная двухступенчатая; в - двухступенчатая последовательная; г - схема с трехходовым регулирующим клапаном;

ТС - регулятор температуры; РР - регулятор расхода; ТЕ - измеритель

температуры

При открытой системе теплоснабжения на узлах горячего водоснабжения отсутствуют водоводяные подогреватели, горячая вода к потребителю поступает непосредственно из тепловой сети. Температура воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, регулируется смешением потоков воды из подающего и обратного трубопроводов тепловой сети.

Большое распространение получили также схемы с установкой регулирующего клапана на подающем трубопроводе и обратного клапана на обратном трубопроводе (рис. 7.2, а) и с применением трехпроводного клапана смешения (рис. 7.2, б).

Подача воды на объекты осуществляется целым рядом механизмов и сооружений: насосные станции, трубопроводы, станции фильтрации, водоприемники. Слаженная работа всех компонентов увеличивает эффективность и надежность систем, уменьшает расход энергоресурсов и улучшает конечные показатели воды. Для координации отдельных блоков оборудуются автоматизированные системы водоснабжения и водоотведения.

Требования к автоматическим установкам водоснабжения

Современные технологии позволяют автоматизировать практически любую систему водоснабжения:

• артезианок;
• фильтровальных станций;
• канализационных насосных;
• станций первого и второго подъемов;
• повысительных станций;
• очистных сооружений.

Необходимо учитывать то, что процесс добычи, очистки и доставки воды связан с разнообразными физическими, химическими и биологическими реакциями. Автоматизация процесса водоснабжения проводится с учетом следующих особенностей:

• интенсивность работы оборудования постоянно меняется;
• характеристики первичной воды не стабильны;
• оборудование размещается в отделенных друг от друга точках, управление ими ведется из единого центра;
• жесткие требования к качеству воды, поставляемой потребителю;
• работа в экономичном режиме;
• при поломке на одном участке обеспечение работы остального оборудования в штатном режиме.

Комплектация автоматизированной системы водоснабжения

Автоматизация процесса водоснабжения осуществляется с помощью:

• измерительных преобразователей;
• датчиков для измерения показателей и, расхода воды;
• блоков ввода данных и вывода;
• исполнительных механизмов;
• контроллера.

Датчики определяют характеристики, регулируют и сигнализируют о неполадках в процессах.

Модули (блоки) ввода и вывода переводят информацию, полученную от датчиков в удобный для обработки формат и поставляющие далее на контроллер.

Измерительные преобразователи преобразуют контролируемые параметры или сигналы в удобную для хранения или обработки форму.

Контроллер управляет технологическими процессами, используя данные датчиков. В отличие от бытовых компьютеров, промышленные контроллеры оснащены мощной системой ввода и вывода сигналов с периферии. Они не требуют постоянного контроля и выдерживают неблагоприятные климатические условия.

Исполнительный механизм – получает сигнал от контроллера и преобразует его в движение. Схема исполнительного механизма автоматизации водоснабжения состоит из реле, гидравлического или пневматического привода, двигателя.

Для доставки информации с периферии в пункт управления используются:

• радиоканалы;
• коммутатор;
• мобильная телефония;
• беспроводной интернет;
• спутниковая связь.

Схема автоматизации артезианских источников

Автоматизация процесса водозабора из глубинных скважин и снабжения водой потребителя должна соответствовать условиям:

• автоматизируется весь процесс от получения воды до доставки людям;
• обеспечивается постоянный мониторинг добычи воды и количества в емкостях, работы оборудования;
• все данные архивируются в базах данных контроллера;
• операторы могут в любой момент изменить параметры насосов из диспетчерской.

Схема автоматизации водоснабжения

1. В диспетчерском пункте монтируется щиток с контроллером, а также компьютер. Контроллер связывается с компьютером посредством беспроводной связи через Ethernet.
2. Скважины автоматизированной системы водоснабжения и водоотведения оборудуются блоками ввода и вывода, датчиками для контроля над напряжением и давлением, счетчиками импульсов, механизмом плавного запуска.
3. Станции водозабора оборудуются блоками ввода и вывода, датчиками тока и давления, счетчиками импульсов. Блок защиты мотора устанавливается на каждый насос.
4. В баке для воды устанавливают счетчик давления.
5. Для соединения всех источников забора воды и станций используется кабель типа “витая пара”.

Каждая автоматизированная система водоснабжения и водоотведения оснащается программой управления. В результате насосы работают без присутствия человека, поддерживая нужное количество воды в цистернах. Они обеспечивают заданный напор в водопроводных трубах. Эффективно работает схема, когда один насос ведущий, другие ведомые. Через определенный период ведущий насос меняется, это предотвращает преждевременный износ оборудования. Контроллер автоматизированной системы водоснабжения подсчитывает количество часов, наработанных каждым насосом.

Контроллер анализирует ошибки оборудования: обрывы или замыкания в цепях, отсутствие связи с датчиками, скачки напряжения, аварийные пределы. Если датчик ломается, на пульт управления приходит информация об этом. В автоматическом режиме контроллер разрешает насосу работать, регулируя расход воды и поток.

Оператор видит на мониторе информацию о взломе оборудования, затоплении или возгорании, температуре воздуха, давлении и расходе воды, количестве воды в баках. Схема автоматизированного водоснабжения позволяет оператору дистанционно включать или выключать насосы, перезапускать механизм плавного спуска.

Автоматизация башенных установок водозабора

В сельском хозяйстве преимущественно распространено водоснабжение автоматизированными установками башенного типа с погружными насосами. Схема управления башенной водокачкой дает возможность автоматически или вручную включать или выключать насос, предохраняет электромотор от замыканий и перегрузок, подает световые сигналы о состоянии насоса.

Чтобы на водокачке башенного типа перевести установки водоснабжения из автоматического на ручной режим, тумблер SA устанавливают на P. При переводе на О установка выключается. Когда в башне воды нет, контакты датчиков размыкаются, а магнитного пускателя соединяются. В установке водоснабжения башенного типа автоматически запускается насос и закачивает необходимое количество воды. Как только вода доходит до контактов реле КV, отключается подача тока на насос. При включенном насосе светится красный индикатор, при выключенном – зеленый.

Автоматизированная система водоснабжения позволяет, уменьшить численность обслуживающего персонала, прослеживать все процессы, показатели датчиков, режимы работы оборудования, контролировать производительность источников водозабора, в реальном времени учитывать объем добываемой воды.

Видеопример автоматизации водоснабжения поселка в Забайкалье:

Липецкий государственный технический университет

Кафедра электропривода

ОТЧЕТ

о производственной практике в ООО «Эрегион Энерго Сервис»

Липецк 2014г.

Введение

Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без применения средств автоматизации. Характерной особенностью современного этапа автоматизации состоит в том, что она опирается на революцию в вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессорных контроллеров, а также на быстрое развитие робототехники, гибких производственных систем, интегрированных систем проектирования и управления.

Применение современных средств и систем автоматизации позволяет решать следующие задачи:

вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов, изменений в окружающей среде, ошибки операторов;

управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.;

автоматически управлять процессами в условиях вредных или опасных для человека.

Решение поставленных задач предусматривает целый комплекс вопросов по проектированию и модернизации существующих и вновь разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов и производств.

В данном отчёте рассматривается автоматизация системы водоснабжения.

1. Водонапорная башня системы Рожновского

Водонапорные башни предназначены для регулирования неравномерности водопотребления, хранения ограниченных резервного и противопожарного запасов в системах сельскохозяйственного водоснабжения и водоснабжения небольших предприятий и жилых застроек.

Для эксплуатации водонапорных башен в районах с расчётной зимней температурой от минус 20 до минус 30°С необходимо обеспечить, как минимум, двукратный водообмен в сутки.Водонапорные башни предназначены для эксплуатации при температуре поступающей воды не менее 6°С преимущественно из буровых скважин.

Водонапорные башни представляют собой сварную листовую конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки с коническими крышей и днищем, цилиндрической водозаполняющейся опорой. Опора закрепляется на монолитном железобетонном фундаменте посредством закладных и соединительных деталей. Рядом с башней устраивается колодец, обслуживания, служащий для размещения водопроводной арматуры. Многолетний опыт (с 1954г) эксплуатации неутеплённых водонапорных башен системы Рожновского с теплоизолирующей ледяной рубашкой, не требующих сложных, дорогих и неэффективных работ по утеплению, показал надёжность их круглогодичной эксплуатации при морозах до минус 30°С.

Объём воды, содержащийся в опоре, при необходимости может использоваться для пожаротушения. На отводящей трубе предусмотрен отвод с задвижкой и головкой муфтовой для сброса воды при производстве пробных откачек, а также, при необходимости для непосредственной подачи воды в передвижные ёмкости.

Для наполнения водонапорной башни служит подводящая труба, по которой вода от насосной станции поступает в верхнюю часть опоры башни.

Питание водопроводной сети осуществляется с помощью отводящей трубы из нижней части опоры.

Переливная труба выведена на наивысший уровень воды в баке. В колодце на подводящей и отводящей трубах устанавливаются задвижки с ручным приводом и обратные клапаны, а на переливной трубе устанавливается гидрозатвор с электродным датчиком верхнего уровня. При полностью наполненном баке вода через переливную трубу поступает в гидрозатвор и замыкает контакты электродного датчика, в результате чего выключается насосная установка. Включение насосной установки производится автоматически по сигналу датчика нижнего уровня, который установлен внутри водонапорные башни.

Рисунок 1 - Система водоснабжения с башней Рожновского

Недостатки водонапорной башни:

трудности использования в зимний период (t<0°), особенно возрастающие при уменьшении водопотребления;

достаточно большая поверхность окисления - вода заполняет водонапорную башню, а затем сливается из нее. При этом смачивается большая, иногда несколько кв.м., внутренняя поверхность накопительной емкости. Смоченная водой металлическая поверхность, в присутствии воздуха вызывает интенсивное появление ржавчины, попадающей в воду, а водонапорные башни в большинстве своем изготавливаются из черного металла;

ограниченное давление воды на выходе из башни, определяющееся высотой водонапорной башни.

Принцип работы водонапорной башни:

Погружной насос, опущенный в скважину, подает воду в водонапорную башню. Когда вода поднимается до верхней отметки в водонапорной башне, датчик уровня дает команду насосу на отключение. Включением и отключением насоса занимается простейшая автоматика, размещенная в павильоне. По мере разбора воды из башни по магистрали, уровень поверхности понижается, и по достижении нижней отметки, датчик уровня (ДУ) дает команду на включение насоса. Таким образом, в башне постоянно находится запас воды, определяющийся объемом башни от нулевой отметки до верхнего уровня.

Рисунок 2 - Башенная водонасосная установка с погружным электродвигателем (а), схема датчика уровня воды (б) и принципиальная электрическая схема управления (в): 1- погружной электродвигатель; 2 - многоступенчатый насос; 3 - водоподъемные трубы; 4- хомуты; 5- скважина; 6- кабель; 7- плита; 8- манометр; 9- задвижки; 10- напорно-разводящий трубопровод; 11 - санитарно-техническое помещение; 12 - бак; 13 - водосливная труба; 14 - датчик уровня; 15-вентиляционный клапан; 16 - люк; 17 и 18- внешняя и внутренняя лестницы; 19- скоба; 20 - защитный корпус; 21, 22 и 23-электроды соответственно верхнего, нижнего и общего уровней

При всей простоте конструкции и широком распространении башни Рожновского обладают рядом существенных недостатков:

трудности использования в зимний период, особенно возрастающие при уменьшении водопотребления, отказы датчиков уровня, протечки;

неисправность датчиков уровня и автоматики приводит к переливу воды и замерзание ее в зимний период, что является причиной разрушения конструкции и падения водонапорной башни;

интенсивное появление ржавчины в воде из-за большой поверхности окисления накопительной емкости башни;

высокая стоимость, сложность ремонта и восстановления конструкции водонапорной башни, а также ее обслуживания, устранение течей, чистка, дезинфекция, покраска;

ограниченное и непостоянное давление воды на выходе из башни, которое определяется её высотой;

работа насоса в импульсном режиме с частыми включениями и отключениями приводит к ускоренному износу электродвигателя и самого насоса;

высокая стоимость новой башни, её доставки, монтажных работ и ввод в эксплуатацию;

основной недостаток изношенных водонапорных башен Рожновского - их аварийное состояние.

С увеличением новых застроек и подводом водопровода к домам, появилась проблема нехватки воды из-за отсутствия постоянного высокого давления в системе. Подключение подачи воды из скважины напрямую в сеть решало данную проблему. При этом использовалась водонапорная башня нижнего наполнения, а автоматизация происходила по сигналам электроконтактного манометра.

Рисунок 3 - Электроконтактный манометр (ЭКМ)

В такой системе можно было установить минимальное и максимальное давление, при этом в башне также находился необходимый запас воды. Однако частые включения и выключения двигателя приводили не только к быстрому износу глубинного насоса, но и разрушению всей системы из-за постоянных гидроударов.

В системе водоснабжения требовалось найти решение возникших проблем.

2. Современное решение для водоснабжения

ООО «РЕГИОН ЭНЕРГО СЕРВИС» (ООО «РЭС») одна из организаций работающих в Липецкой области с сельскими поселениями в сфере автоматизации водоснабжения. ООО «РЭС» предлагает альтернативное решение возникшим проблемам.

Рисунок 4 - Схема перехода на преобразователь частоты

Водонапорные башни долгое время являлись основным элементом локального водоснабжения, но на сегодняшний день их установка экономически нецелесообразна, в то время как применение частотного преобразователя для управления насосом скважины снижает расходы по реконструкции башни и имеет ряд неоспоримых технических преимуществ:

стабильность создаваемого давления за счет автоматического регулирования производительности насоса в зависимости от текущего расхода воды;

исключение громоздкой водонапорной башни: все необходимое оборудование может быть смонтировано в обычном помещении или специализированном внешнем контейнере, что резко снижает затраты по доставке оборудования и монтажу;

повышенная надежность оборудования, стабильность работы в зимний период;

повышение ресурса насоса скважины за счет плавного регулирования и ряда защит;

отсутствие периодически смачивающихся участков водопроводной системы и, соответственно, отсутствие коррозии, и лучшее качество подаваемой воды;

возможность интеграции систем учета по расходуемой воде и потребляемой электроэнергии.

Если в «башенной» системе водоснабжения главным элементом была башня, обеспечивающая необходимый напор, то в современных прямоточных «безбашенных» системах главным является преобразователь частоты. Именно он обеспечивает возможность плавного пуска, останова и регулирования производительности насоса для поддержания стабильного напора в зависимости от текущего потребления воды.

3. Существо проекта

Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.

Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению втрубопроводе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение поставленных технологических задач (поддержание заданного давления) и практически не учитывают энергетических аспектов транспортировки воды.

Вместе с тем, гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят напроектные режимы в течение многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах, существенно отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются далеко от рабочих зон их характеристик (как правило, в меньшую сторону).

Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи.

В мировой практике для этой цели широко используется частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения. Это обусловлено появлением на мировом рынке большого количества весьма совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе.

4. Частотные преобразователи

Преобразователи частоты - это электронные устройства для плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя.В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения, подаваемого на двигатель.

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей:

звена постоянного тока;

силового трехфазного импульсного инвертора;

системы управления.

Рисунок 5 - Схема частотного преобразователя

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети (L1, L2, L3) преобразуется в нем в напряжение постоянного тока (+, -).

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей соединенных по схеме приведенной выше. Каждая обмотка двигателя подсоединяется через соответствующий ключ к положительному и отрицательному полюсу звена постоянного тока. Инвертор осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U, V, W), управляющее двигателем.

Система управления осуществляет управление силовым инвертором, используя Широтно Импульсную Модуляцию (сокращенно ШИМ), импульсно прикладывая к обмоткам двигателя напряжение звена постоянного тока, таким образом, что эффект оказывается практически эквивалентен, приложению синусоидального напряжения, требуемой частоты и амплитуды. ШИМ характеризуется периодом модуляции, внутри которого вывод обмотки подключается, по очереди, к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность этих состояний, внутри периода ШИМ, модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2 … 15 кГц), тактовых частотах ШИМ, в обмотках двигателя, вследствие их фильтрующих свойств, протекают синусоидальные токи. Их частота и амплитуда определяются соответствующими параметрами модулирующей функции. Подобное импульсное управление позволяет получить очень высокий КПД преобразователя (до 98 %) и практически эквивалентно, аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Меняя параметры питающего напряжения (частотное управление) можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной.

5. Принцип действия преобразователя частоты

В основу метода преобразования частоты заложен следующий принцип. Как известно, частота промышленной сети 50 Гц. При такой частоте двигатель насоса, к примеру, имеющий 2 полюса, вращается со скоростью 3000 (50 Гц х 60 сек) оборотов в минуту и дает на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (т.к. это его номинальные параметры, указанные в паспорте). Если при помощи преобразователя частоты (ПЧ), понизить частоту подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, а значит измениться напор и производительность насосного агрегата.

Если момент вращения - квадратическая функция частоты вращения, то

мощность на валу двигателя уменьшается в кубической зависимости при снижении частоты вращения. Другими словами, уменьшение частоты вращения ротора на 1 единицу снижает мощность двигателя на 13, что влечет за собой соответствующее снижение расходов на электроэнергию. Именно это свойство используется в насосах, вентиляторах и турбокомпрессорах с асинхронными двигателями, которые питаются от статических преобразователей частоты.

При соединении ПЧ с расходомером, получается система, которая будет поддерживать расход с точностью до долей процента. Причем в этом случае исчезают нежелательные явления, связанные с прямым пуском двигателя насоса от сети, как при старт-стопном регулировании - отсутствуют броски напряжения, гидравлические удары, нет разрушения обмоток двигателя от рывков, пуск происходит плавно. Самое главное - двигатель затрачивает ровно столько энергии, сколько ему необходимо для обеспечения заданных показателей технологического процесса (давление воды и ее расход), а значит идет прямая экономия электроэнергии, по сравнению со старт-стопным (или любым другим рассмотренным выше) регулированием.

Необходимая информация о давлении в сети поступает в блок ПЧ от специального датчика (например, датчика давления), установленного на трубопроводе после работающего насоса и сообщающего соответствующую информацию (о падении или увеличении давления в трубопроводе в ПЧ, после его последний соответствующим образом изменяет частоту, подаваемую на двигатель и изменяя таким образом его рабочие характеристики.

В таком случае происходит экономия электроэнергии, воды, увеличивается ресурс оборудования.

Рисунок 6 - Характеристика насосного агрегата и сети с частотным регулированием

Кривая 1 соответствует номинальной (при номинальной частоте вращения привода) напорной характеристике, а кривые 2 - 4 напорным характеристикам при пониженной частоте вращения. Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии. Способ регулирования давления в сети путем изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление ещё и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата. Характер изменения коэффициента полезного действия насоса hн в зависимости от расхода жидкости Q при различных частотах вращения представлен на рисунке 7.

водоснабжение башня частота преобразователь

Рисунок 7 - Изменение КПД насосного агрегата с частотным регулированием при изменении производительности

В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае кпд насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повышения коэффициента полезного действия самого насоса - преобразования механической энергии в гидравлическую.

Заключение

Применение частотно-регулируемых приводов для насосов и вентиляторов в технологических процессах позволяет снизить энергопотребление технологическим оборудованием. Перед началом внедрения рекомендуется провести технико-экономическое обоснование, позволяющее определить не только сроки окупаемости от внедрения, но и правильно организовать технологический процесс с учетом возможностей приводов с частотным регулированием. Целесообразно использование преобразователей частоты не в качестве элементов системы управления конкретного агрегата, а как составляющих комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса. Такие решения позволят получить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.