Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Мурманский арктический государственный университет» в г. Апатиты

Кафедра физики, биологии и инженерных технологий

Выпускная квалификационная работа

Разработка электропривода насоса Д 200-95 насосной станции «Ключевая»



Оглавление

• Введение
• 1. Характеристика предприятия
• 1.1 Общие сведения
• 1.2 Назначение насосной станции «Ключевая»
• 1.3 Описание основного оборудование
• 2. Электроснабжение насоса Д 200-95
• 2.1 Электроснабжение насосной станции Ключевая
• 2.2 Силовое электрооборудование насосной
• 2.3 Освещение
• 2.4 Питание насосной станции
• 2.5 Заземление
• 2.6 Потребители насосной станции «Ключевая»
• 2.7 Выбор трансформатора
• 2.8 Определение сечений кабелей
• 2.9 Расчёт установок защит и определение токов короткого замыкания
• 3. Описание объекта управления
• 3.1 Назначение насоса Д 200 - 95 и его характеристики
• 3.2 Характеристики насоса
• 4. Формирование требования к насосному агрегату Д-200-95
• 4.1 Требования к составу электропривода
• 4.2 Требования по назначению
• 4.3 Требования к защите
• 4.4 Требования к сигнализации
• 4.5 Требования по надежности
• 4.6. Основные требования к автоматизированным насосным агрегатам
• 5. Проверочный расчет оборудования
• 5.1 Расчет расхода воды насоса Д200-95
• 5.2 Расчет исходных параметров для выбора оборудования насосной станции «Ключевая»
• 5.3 Расчетный диаметр нагнетательного трубопровода
• 5.4 Расчетный коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопроводов
• 5.5 Выбор числа насосов
• 5.6 Выбор гидравлической схемы и расчет трубопровода
• 5.7 Расчет напорной характеристики внешней сети
• 5.8 Допустимая высота всасывания и обеспечение всасывающей способности
• 6. Расчет механической и электромеханической характеристик
• 6.1 Расчетная мощность электропривода насоса
• 6.2 Построение естественной механической характеристики электродвигателя
• 6.3 Построение искусственных механических характеристик электродвигателя
• 6.4 Построение электромеханической характеристики электродвигателя
• 6.5 Годовое потребление электроэнергии насосными агрегатами
• 6.6 Удельный расход электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды
• 7. Выбор аппаратуры управления и защиты электропривода
• 7.1 Электрооборудование для автоматизации насосного агрегата Д 200 -95 и насосной станции «Ключевая»
• 7.1.1 Расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭР»
• 7.1.2 Видеографический безбумажный многоканальный регистратор Метран-910
• 7.1.3 Частотный преобразователь ALTIVAR 61
• 8. Разработка системы насосной станции
• 8.1 Структурная схема насосного агрегата
• 8.2 Передаточная функция насосного агрегата
• 8.3 Передаточная функция частотного преобразователя
• 8.4 Структурная схема асинхронного двигателя
• 8.4 Регулятор
• 8.5 Регулятор скорости
• 8.6 Структурная схема САР электропривода
• 8.7 Расчет технологического регулятора уровня
• Список использованных источников



Введение

Насосы типа Д - с горизонтальным валом одноступенчатые - предназначены для перекачивания воды и других жидкостей при температуре до 85.° С, аналогичных воде по вязкости и химической активности, а так же химически активных жидкостей, нефти, продуктов ее переработки с кинематической вязкостью до 10-4 м2/с и жидкостей с содержанием механических примесей не более 1% и с размером твердых частиц не более 0,2 мм. Основная задача автоматизации насосных агрегатов и всего оборудования в целом заключается в высвобождении обслуживающего персонала, обеспечении надежности и экономичного функционирования процесса перекачивания воды, и создать нормальные условия для потребляющих воду. Учитывая многообразие типов насосных установок, разнообразие гидрогеологических и горнотехнических условий рудников, для автоматизации этого процесса используется, как правило, серийная аппаратура. Для повышения эффективности этой аппаратуры целесообразно переводить её на современную элементную базу с применением средств вычислительной техники. Анализ требований, предъявляемых к аппаратуре автоматизации и специфики её работы в условиях насосной станции Ключевая, позволяет использовать для устройства управления насосами преобразователи частоты, а так же возможность пользоваться дистанционным управлением. Построенная на основе преобразователя частоты система автоматизации может обеспечить бесперебойное водоснабжение при минимальных затратах, а также производить преимущественное включение насоса в часы минимальной загрузки энергосистемы, например ночь, раннее утро. В результате повышается надёжность насосной установки в целом, снижаются затраты на её содержание и обслуживание, а также расходы на электроэнергию.



1. Характеристика предприятия

1.1 Общие сведения

Водозабор «Ключевой» - постоянно действующий с 1960 года водозабор, расположенный в 3,5 км восточнее г. Кировска в долине р. Юкспорьок. Подземные воды водозабора используются для хозяйственно питьевого и технического водоснабжения рудников Расвумчоррский (55%), Центральный (15%) и цеха пароснабжения (24%) (котельная Центрального рудника). Пользование недрами осуществляется АО «Апатит» на основании лицензии на право пользования недрами с целью добычи подземных вод Вудъяврского месторождения на участке «Ключевая» и «Скважины 5В» для хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения объектов АО «Апатит» зарегистрированной КПР по Мурманской области 02.11.1999г.

Участок водозабора «Ключевой» расположен (рис.1) на территории муниципального образования г. Кировска с подведомственной территорией в приделах низменности оз. Большой Вудьявр. Земельный участок, площадью 916 кв.м под насосной станцией «Ключевая» находится в собственности АО Апатит.

Участок существующего водозабора «Ключевой» расположен в устьевой части долины р. Юкспорйок вблизи впадения в нее р. Подъемной в 2,9 км юго-восточнее водозабора «Центральный». Рельеф участка существующего водозабора ровный, с небольшим уклоном на запад и к оз. Большой Вудьявр. Отметки поверхности изменяются от 335,0м в западной части до 338,0м в восточной части участка. Описываемый район расположен в южной части Хибинского центрального щелочного плутона палеозойского периода, имеющего площадь 1320км² и выраженного в рельефе в виде среднегорного массива

.

Рис.1. Участок водозабора «Ключевой»

Территория водозабора ограждена забором и находится под охраной. В пределах ограждения находятся здания насосной станции и водопроводы. Здание насосной станции оборудовано канализацией с отведением сточных вод в систему бытовой канализации г. Кировска.

1.2 Назначение насосной станции «Ключевая»

Оборудование на насосной станции представляет собой сложное сооружение, включающее в себя: несколько видов насосных агрегатов одинаковой производительности, установки УДВ, артезианские скважины, систему электроснабжения и аппаратуру автоматизации. Они должны обеспечивать подачу воды на котельную, а также в резервуары по трубопроводу, обладая при этом высокой надежностью и экономичностью. Машинные залы с насосными агрегатами, должна быть сухой, хорошо проветриваемой, удобной для обслуживания и ремонта оборудования, безопасной в пожарном отношении. От затопления машинного зала, он оборудован герметичными дверями со стороны насосной, а так же насосными агрегатами для откачки вод, такие как дренажные насосы и эжектор.



1.3 Описание основного оборудования

Водозабор состоит из четырех скважин (1к-4к), оборудованных на напорный подпорожский водоносный горизонт четвертичных отложений. Эксплуатационные скважины, глубиной 23-33 м (таблица 1.1),оборудованы фильтровой колоннами диаметром 14» с гравийной засыпкой и центробежными погружными насосами ЭЦВ-12,с производительностью 0-180 м3/час, одновременно в работе находится две скважины с суммарной средней производительностью 6,5 тыс. м3/сут (2012 - 2016 гг.).Скважины находятся в закрытых павильонах с забетонированным полом (рис.2). устье скважин и стволы так же забетонированы на глубину 8,0-12,0 м.

Таблица 1.1

Скважины	Интервал установки фильтров, м	Глубина установки насоса,м	Водоподъемное оборудование	Глубина скважин
1к	10,0-18,0	11,0	ЭЦВ-12-210-55	23,0
2к	11,0-16,8	16,0	ЭЦВ-12-210-55	26,5
3к	12,0-19,5	16,0	ЭЦВ-12-210-55	29,0
4к	12,0-19,0	12,0	ЭЦВ-12-210-55	33,0

Рис.2. Закрытые павильоны со скважинами

Учет объема воды хозяйственно питьевого качества, передаваемой от водозабора «Ключевой» цехам АО «Апатит» осуществляется при помощи 2х водомерных приборов учета, установленных в диспетчерской водозабора -ВЗЛЕТ ЭР ЭРСВ-310 (рис3,а) и ВЗЛЕТ ЭМ ПРОФИ 312 (рис.3, б). Датчики, передающие показания на указанные приборы, расположен на двух водоводах Dy 300, идущих на насосную станцию 3^го подъема. Так же из за периодического изменения уровня скважин, которые происходят из за погодных условий, а так же из за потребляемой рудниками воды, раз в месяц производится замеры уровней скважин.

а б

Рис 3. ВЗЛЕТ ЭР ЭРСВ-310 (рис3,а) и ВЗЛЕТ ЭМ ПРОФИ 312 (рис.3, б)

Обеззараживание воды производится бактерицидными установками - УДВ 21 (рис. 4). Количество бактерицидных установок на насосной станции составляет 3 шт. В работе постоянно находится одна УДВ, при отработки часов в количестве 12 тыс., производится промывка бактерицидной установки, при этом запускается другая из резервного оборудования.

Рис. 4. Бактерицидные установки - УДВ 21



2. Электроснабжение насоса Д 200-95

2.1 Электроснабжение насосной станции Ключевая

Электроснабжение насосной станции Ключевая осуществляется от ПС 150/35/6кВ №73, входящие в систему цеха электроснабжения А.О. «Апатит». На ПС №73 установлены 2 трансформатора по 40МВА, загрузка которых составляет около 40%.. Распределение электроэнергии от ПС №73 осуществляется по кабельным линиям 6кВ с прокладкой их в кабельных галереях, на эстакадах и, частично, в каналах и траншеях. Мощности трансформаторов этой подстанций в нормальном режиме обеспечивают электроснабжение потребителей. При выходе из строя одного из трансформаторов второй с допустимой перегрузкой 12% обеспечит электроснабжение потребителей подстанции.

2.2 Силовое электрооборудование насосной

Силовыми электроприемниками на насосной станции являются насосные агрегаты, бактерицидные установки, вентиляция, электротельфер. Электродвигатели перечисленных машин и механизмов выполнены, в основном, на напряжение до 1кВ.

В качестве пусковой и защитной аппаратуры приняты:

· для приемников до 1кВ - магнитные пускатели типа ПВ, ПВИ и автоматические выключатели типа АВ, АФВ, А; (рис. 5)



Рис.5 Магнитные пускатель типа ПВ и автоматический выключатель типа АВ

2.3 Освещение

Видами освещения называются различные по назначению части осветительной установки. Различают два вида освещения - рабочее и аварийное. Рабочее освещение создает требуемую по нормам величину освещенности при нормальных условиях эксплуатации. При погасании по какой либо причине рабочего освещения, в работу включается аварийное освещение для продолжения работы.

В насосной станции используется комбинированное освещение (светильники размещены в верхней зоне помещений) и местное (локализованное).

Территория насосной станции и машинные залы насосной станции оборудованы светильниками РПС 05-1000-032 (рис.6, а) с лампами типа ДРЛ 1000 Е40 с напряжением 145 В, светильниками в рудничном исполнении типа НСР 01х100 (рис.6, б) с лампами накаливания 100 вт. А также светильниками РКУ 16-250-001 (рис.6, в) Лидер с типом лампы ДРЛ -250. Расчет необходимого количества светильников производится из условия их расположения по оси выработки в 7 метрах друг от друга. c высотой размещения 8 м.



а б в

Рис.6. Освещение насосной станции

2.4 Питание насосной станции

По схеме электроснабжения (рис.8.) питание насосной станции осуществляется от ПС № 73 150 кВ (рис. 7)

Рис.7. Питание насосной станции

Рис.8.Схема электроснабжения



2.5 Заземление

Заземление электрооборудования выполнено согласно ЕПБ (единые правила безопасности). В качестве заземляющих проводников использовать металлические оболочки бронированных кабелей и заземляющие жилы гибких кабелей.

2.6 Потребители насосной станции «Ключевая»

В насосной станции находятся потребители, указанные в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Потребители

№ п/п	Потребитель	Рн, кВт	Iн А		Длина Каб.,м	cos?
1	насос №1 д 200-95	90	205	6	92	0,89
2	насос №2 д 200 - 95	90	205	6	105	0,89
3	насос №3 д 200 - 95	90	205	6	74	0,89
4	насос №4 д 200 - 95	75	171	6	92	0,89
5	насос №5 д 200 - 95	75	171	6	105	0,89
6	насос № 6 ЭЦВ12-210-55	32	64	6	132	0,89
7	насос № 7 ЭЦВ12-210-55	32	64	6	140	0,89
8	насос № 8 ЭЦВ12-210-55	45	89	6	138	0,89
9	насос № 9 ЭЦВ12-210-55	45	89	6	153	0,89
13	задвижка 5	4,2		6	50	0,89
14	задвижка 4	4,2		6	50	0,89
15	Бибо	10	21	6	15	0,89

Номинальные токи находятся по формуле:

Результаты расчётов представлены в таблице 2.1.

2.7 Выбор трансформатора

Расчётная мощность участка равна:

,

где к_с - коэффициент спроса; Р_уст - установленная мощность участка, кВт.

Коэффициент спроса равен:

Тогда расчётная мощность участка будет:

кВт

Средневзвешенный cos j участка будет:

Полная расчётная мощность трансформатора будет:



кВ?А.

Принимаем трансформатор ТМ 400. Его технические характеристики: номинальная мощность S_тн=400 кВА; первичное напряжение U₁=6 кВ; вторичное напряжение U₂=0,4 кВ;

2.8 Определение сечений кабелей

Для питания электроустановок принимаем кабели гибкие. Выбранные кабели приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Кабеля

№	Марка кабеля	Длина, м	Номинальный ток	Удельное сопротивление	Омическое сопротивление
			In A	X0, Ом/км	R0, Ом/км	X, Ом	R, Ом
1	РГШС 3х35	92	205	0,081	0,394	0,016	0,079
2	РГШС 3х35	105	205	0,081	0,394	0,016	0,079
3	РГШС 3х35	74	205	0,081	0,394	0,016	0,079
4	РШС 3х35	92	171	0,081	0,394	0,016	0,079
5	РГШС 3х35	105	171	0,081	0,394	0,016	0,079
6	РГШС3х35	132	64	0,081	0,394	0,016	0,079
7	РГШС 3х35	140	64	0,081	0,394	0,016	0,079
8	РГШС 3х35	138	89	0,081	0,394	0,016	0,079
9	РГШС 3х35	153	89	0,081	0,394	0,016	0,079
10	РГШС 3х35	50		0,081	0,394	0,016	0,079
11	РГШС 3х35	50		0,081	0,394	0,016	0,079
12	КГН 3х4+1х2,5	15	21	0,101	4,87	0,002	0,097

Перевод сопротивлений из удельных в омические осуществляется по формулам:



;

где L - длина соответствующего кабеля, м.

Результаты перевода приведены в таблице 2.2.

Проверка выбранных кабелей

Выбранные кабели проверяют по потере напряжения в нормальном режиме и режиме пуска наиболее мощного двигателя.

Нормальный режим.

В нормальном режиме проверка осуществляется по условию:

,

Где ?U_тр, ?U_мк, ?U_гк - потери напряжения соответственно в трансформаторе, магистральном и гибком кабелях, В; ?U_доп - допустимая потеря напряжения, В.

В соответствии с ГОСТ 13109-87 на качество электроэнергии ?U_доп=63 В (максимальный рабочий ток) для U_н=380 В.

Потеря напряжения на трансформаторе равна:

,

Cos ц - коэффициент мощности нагрузки трансформатора

Где

??= =398/400=1- коэффициент загрузки трансформатора;

-



активная составляющая напряжения короткого замыкания,%;

Р_к- номинальная мощность трансформатора из паспорта

S_m.н -мощность трехфазного короткого замыкания на выходах

В

- реактивная составляющая напряжения короткого замыкания.

=1*(0,77*0,89+24*0,49)=12,4 В.

Потеря напряжения в гибком кабеле определяется:

B

Пусковой режим.

Проверка кабелей в пусковом режиме производится для случая пуска наиболее мощного двигателя на участке. Это привод насоса.

В этом случае напряжение на зажимах будет:

,

где U₀ - напряжение холостого хода подстанции (380 В); ?U_нр - потеря напряжения от прочих работающих двигателей; I_пн - пусковой ток двигателя, А; cos?_п - cos? двигателя при пуске (равен 0,5)

;

где I^!_гк - ток в магистральном кабеле от работающих двигателей без запускаемого,

cos?^!_св - cos?_св двигателей без запускаемого.

Ом;

Ом.

Ом;

Ом.

Тогда: =3*270(0,0137*0,89+0,029*0,5)=12 В.

В.

Условие В выполняется, так как 309?296.

То есть и это условие выполнено.

2.9 Расчёт установок защит и определение токов короткого замыкания

Токи короткого замыкания определяют по формулам:

, А;

, А,

где

, Ом (здесь R и X - сопротивления цепи до точки к.з.).

Для включения, отключения и защиты гибких кабелей и электродвигателей выбираем магнитные пускатели типа ПМЛ.

Условия выбора являются неравенства:

;;

где U_на, I_на, I_оа- напряжение, номинальный ток и ток отключения магнитного пускателя.

Величины установок токовой защиты определяются:

,

I_пн -пусковой ток двигателя.

По второй формуле находим чувствительность.



3. Описание объекта управления

3.1 Назначение насоса Д 200 - 95 и его характеристики

Насос 1 Д 200 - 95 - это горизонтальный одноступенчатый центробежный насос двустороннего входа (рис.9.).

Рис.9. Насос 1 Д 200-95

Корпус насоса Д имеет разъем в горизонтальной плоскости, проходящей через ось ротора. предназначены для перекачивания воды и других жидкостей при температуре до 85° С, аналогичных воде по вязкости и химической активности, а так же химически активных жидкостей, нефти, продуктов ее переработки с кинематической вязкостью до 10-4 м2/с и жидкостей с содержанием механических примесей не более 1% и с размером твердых частиц не более 0,2 мм.

1- первая модернизация

Д - двустороннего входа

200 - подача, м³/ч

95 - напор, м

Всасывающий и нагнетательный патрубки насоса расположены в нижней половине корпуса, благодаря чему возможна разборка насоса без отсоединенного от трубопроводов и без снятия электродвигателя. Насос относится к изделиям общего назначения вида 1, восстанавливаемые по ГОСТ 27.003-90. Материал деталей проточной части насоса - чугун СЧ. Насосное оборудование комплектуется сальниковым уплотнением вала насоса. Гидравлический затвор сальника обеспечивается посредствам подвода жидкости к кольцу сальника по специальным трубопроводам из напорной полости насоса.

3.2 Характеристики насоса

Характеристики насоса Таблица 3.1 и 3.2

Таблица 3.1. Показатели назначения по параметрам

Тип насоса (агрегата)	Подача, м3/ч, (м3/с)	Напор, м	Потребляемая мощность насоса, кВт	Частота вращения, с-1 (об/мин
			В номинальном режиме	максимальная в рабочем интервале
1Д200-95	200(0,055)	90	75	80	48,3(2900)

Таблица 3.2. Показатели технической и энергетической эффективности

Типоразмер насоса (агрегата)	Частота вращения, с-1(об/мин)	КПД насоса, %	Допускаемый Кавитационный запас ,Дh доп (NPSHR)м,	Утечка через сальниковое уплотнение, м3/ч(л/ч)
1Д200-95	48,3(2900)	75	5,5	(0,01…0,2)10-2 (0,1…2)



4. Формирование требования к насосному агрегату Д-200-95

4.1 Требования к составу электропривода

Исполнительный двигатель;

• Статический преобразователь частоты;

• Система управления;

• Система защиты;

• Система контроля и сигнализации.

4.2 Требования по назначению

1. Электропривод предназначен для приведения в движение рабочего органа грунтового насоса.

2. Электропривод должен обеспечивать плавный пуск насосного агрегата.

3. Электропривод должен обеспечивать регулирование скорости отдо, которым соответствуют значения минимального и максимального расхода воды.

4. В качестве исполнительного двигателя должен использоваться асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

5. Электропривод должен поддерживать частоту вращения двигателя на постоянном уровне с точностью не менее 5%.

6. Электропривод должен получать питание от трехфазной промышленной сети напряжением 380кВ и частотой 50Гц.

4.3 Требования к защите

Электропривод должен предусматривать следующие защиты:

1. Защита электродвигателя от аварийных режимов (короткого замыкания, обрыва фазы, перегрузки потоку, заклинивания двигателя, и т.д.);

2. Отключение масляного выключателя, который защищает понижающий трансформатор при перегрузке, коротком замыкании.

4.4 Требования к сигнализации

Электропривод должен предусматривать световую сигнализацию:

1. О наличии напряжений питания;

2. О срабатывании защит.

3. Отображение текущих значений параметров технологического процесса на буквенно-цифровой панели оператора (значение фактического давления, выходная частота напряжения, ток электродвигателя).

4.5 Требования по надежности

1. Полный назначенный ресурс электропривода должен быть не менее 20000 час.

2. Полный назначенный срок службы - не менее 8 лет.

3. Коэффициент готовности ? 0,94.

4. Вероятность безотказной работы ? 0,999 за 500 часов.

4.6. Основные требования к автоматизированным насосным агрегатам

Стационарные насосные агрегаты должны обеспечивать надежную подачу воды из артезианских скважин, пробуренных на различную глубину, а далее в на насосную III подъема и на сам рудник при возможно меньших эксплуатационных расходах.

Для обеспечения необходимой надежности и стабильной работы насосных установок на насосной станции, предусматриваются водосборники, расположенные на компрессорной Расвумчерского рудника -- аккумулирующие емкости (резервуары), в большинстве случаев выполняющие также роль отстойников.

Автоматизация насосных установок значительно повышает надежность их работы, поэтому при нормальной работе всех автоматизированных насосных установок обычно обеспечивается изменением и измерением давления в трубопроводе, как на самой насосной станции ключевая, так и на Расвумчерском руднике, для контролирования уровня воды в водосборнике в пределах имеющейся емкости таким образом, чтобы резервная емкость оставалась заполненной. О уменьшении уровня воды ниже установленного нижнего уровня должно быть сообщено дежурному машинисту насосных установок по телефону, для изменения увеличения давления в трубопроводе, запуску дополнительного оборудования или изменению параметров на частотных преобразователях.

Необходимым условием создания надежной автоматизированной установки является устойчивая работа насосных агрегатов как в переходные (пуск и остановка), так и в установившиеся периоды. Кроме того, должна быть обеспечена возможность быстрого переключения управления на ручное в случае неисправности аппаратуры автоматизации. Необходимо также и наличие контрольной сигнализации.

Специфика условий эксплуатации насосных установок (работа во влажной среде, коррозия деталей, находящихся в воде, и др.) требует регулярного осмотра установок и периодичности работы действующих насосов, так как длительная стоянка насоса делает невозможным его пуск без участия человека. Поэтому при наличии нескольких установок, обеспечивающих необходимый резерв, они должны работать поочередно, а при наличии одной установки длительность стоянки насосов должна быть ограничена. Условия работы установок требуют также универсальной защиты электродвигателя.

Автоматизация управления кроме повышения надежности работы насосных установок должна повысить их экономичность, т. е. снизить расходы по перекачиванию воды.

Аппаратура автоматизации должна обеспечивать следующие виды защиты: гидравлическую (по расходу), защиту от перегрева подшипников, защиту двигателя и пусковой аппаратуры в соответствии с установленными нормами, рекомендуется применять пускатели со встроенной универсальной защитой.

Необходимо также предусматривать дистанционный контроль и сигнализацию о работающем оборудовании, температуре помещений, управлению как в локальном так и в дистанционном, изменения параметров регулирования давления, а также их диапазон, который зависит, от работы работающего оборудования на Расвумчерском руднике (при аварии, не исправности насосов или отключения насосов, о наличии питания и других неисправностях происходило срабатывание звукового сигнала).



5. Проверочный расчет оборудования

5.1 Расчет расхода воды насоса Д200-95

Исходные данные для расчета:

1. При нормальном притоке воды Ї Q_н = 75 м³/час.

2. При максимальном притоке воды Ї Q_max = 200 м³/час.

5.2 Расчет исходных параметров для выбора оборудования насосной станции «Ключевая»

а) Производительность насосного агрегата

Q'_нор = 1,2Q_н = 1, 2•75= 90 м³/час.

б) Производительность в весенне-осенний период

Q'_max = 1,2Q_max= 1, 2•200= 240 м³/час.

Экономически целесообразная скорость движения воды по трубам нагнетательного става

где Q_р Ї расчетная производительность при нормальном водопритоке, м³/ч.



5.3 Расчетный диаметр нагнетательного трубопровода

5.4 Расчетный коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопроводов

где D_р Ї расчетный диаметр трубопроводов, м.

Геодезическая высота подъема воды на поверхность, рассмотрим на примере скважины №1

где Н_вс = 11 м Ї ориентировочная высота всасывания насосов;

h_п = 2 м Ї превышение труб над поверхностью.

Расчетная протяженность трубопроводов

где L_вс = 25 м Ї длина всасывающего трубопровода;

L_тх = 20 м Ї дренажная канава размещена на расстоянии;

L_нк = 52 м Ї длина трубопровода в насосной

L₁= 200 м - длина трубопровода на поверхности



5.5 Выбор числа насосов

Учитывая опыт работы, выбираем насос ЭЦВ 12-210-55 и по индивидуальным характеристикам определяем его параметры: Q_H = 210 м³/ч, H= 55 м, n =87%.

Насосы этого типа длительно эксплуатируются и показали надежную работу.

Необходимое число насосов при откачке нормального притока

п_нор = 90/210 = 0,43

В период нормального притока принимаем два работающих насоса. При максимальном притоке

п_тах= 240/210=1,14

Итак, при отсутствии типовых вариантов решение принимаем 2 рабочих и 2 в резерве.

5.6 Выбор гидравлической схемы и расчет трубопровода

При нормальном притоке подземных вод каждый насос присоединяется на отдельный трубопровод. В период весенне-осеннего паводка работающие насосы объединяются в один блок и подключаются к общему трубопроводу. Внутренний диаметр нагнетательного трубопровода в этих условиях рассчитывается на параллельную работу двух насосов.

где v_h= 2-2,5 - скорость движения воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

п₁ - число насосов.

Внутренний диаметр всасывающего трубопровода при работе одного насоса

где V_В= 1-1,5 - скорость движения воды во всасывающем трубопроводе, м/с.

По существующим нормам (ГОСТ 8732-78) выбираем нагнетательный трубопровод с внутренним диаметром 365 мм и толщиной стенки 22 мм, для улучшения условий работы всасывающего трубопровода принимаем его диаметр 500 мм с толщиной стенки 10 мм. Потеря напора в соответствии с количеством установленной арматуры: во всасывающем трубопроводе

где ?о_р = 28 Ї расчетная сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений системы трубопроводов.

Где g - ускорение свободного падения

Задаваясь различными значениями подачи, производим расчет по точкам характеристики внешней сети. Данные расчета заносим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1. Данные эксплуатационного расчета

Q, м3/ч	Нн, м	RrQ2, м
0	36	0
100
200
300
400
500



По полученным данным строим характеристики насоса (Рис.10.) и характеристика сети (Рис.11.)

5.7 Расчет напорной характеристики внешней сети

Коэффициенты линейных гидравлических сопротивлений:

а) нагнетательного трубопровода Ї

б) всасывающего трубопровода Ї

где D_н = 0,365 м и D_вс = 0,500 м Ї диаметры соответственно нагнетательного и всасывающего трубопроводов.

Протяженность трубопроводов: а) всасывающего Ї L _вс = 25 м;

б) нагнетательного --

L_н = L_р - L_вс. = 320 - 25 = 295 м.

Суммы коэффициентов местных гидравлических сопротивлений принимают на основе следующих рекомендаций:

а) на всасывающем трубопроводе -- ?о_вс = 5,15;

б) на нагнетательном трубопроводе -- ?о_н = 28,9.



5.8 Допустимая высота всасывания и обеспечение всасывающей способности

Допустимая высота всасывания насосов

где v_вс Ї скорость воды во всасывающем трубопроводе

Обеспечение необходимой всасывающей способности насосов при работе без кавитации. Так как Н_всд<3,5м, для обеспечения бескавитационной работы насосной станции требуется дополнительные технические средства. Для этого используется дополнительно насос ЭЦВ12-210-55.



6. Расчет механической и электромеханической характеристик

6.1 Расчетная мощность электропривода насоса

Уровень в скважинах меняется в зависимости от времени суток, сезона года, количества атмосферных осадков, поэтому существует необходи-мость в регулировании производительности насосов.

Существующие типы насосов, например, используемый в данном случае Д 200-95. В случае уменьшения или увели-чения частоты вращения насоса КПД не падает в обоих случаях. Поэтому для насосов применяется не-регулируемый электропривод.

Регулирование производительности насосной станции при перечисленных условиях выполняется путем изменения числа насосов, одновременно находящихся в работе, а также периодическим включением и отключением насосных агрегатов.

По параметрам действительного режима работы насосной установки рассчитываем мощность электродвигателя привода насоса:

Q= 200 м³/ч - фактическая производительность насоса;

Нм = 90 м - напор в рабочей точке характеристики;

р = 1050 кг/м³ - удельный вес откачиваемой воды;

g= 9,81 м/с - сила тяжести;

_h= 0,75 - КПД насоса.

Условие эксплуатации двигателя -- водозабор воды для хозяйственно питьевого и технического водоснабжения рудников -- позволяет применить двигатель в обычном исполнении, с защитой обмоток от брызг и вла-гостойкой изоляцией. Номинальная частота вращений насоса -- 205 об/мин, поэтому выбираем электродвигатель с такими же параметрами, а передачу вращающего момента от двигателя к насосу, через эластичную муфту, что способствует повышению КПД.

По каталогу выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 5АМ250М2 У3, Т2 (Рис. 9)

Рис.12. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 5АМ250М2 У3, Т2

номинальная мощность Р = 90 кВт;

номинальное напряжение U=6кВ;

номинальная частота вращения п = 2955 об/мин

коэффициент полезного действия = 93%.

Двигатель асинхронный, закрытый, обдуваемый, предназначен для приво-дов механизмов с тяжелыми условиями пуска.

6.2 Построение естественной механической характеристики электродвигателя

Угловая скорость холостого хода электродвигателя:

рад/с

Номинальная мощность, потребляемая из сети:

Р_1н=Р_н/з_н=90/0,89 =101кВт

Номинальный ток, потребляемый из сети:

=173 А

Число пар полюсов

р = 60f / n1 =60х50/3000=1

где n1 = 3000 - синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 2955 об/мин.

Номинальное скольжение:

Номинальный момент на валу двигателя:

Н·м

Номинальная угловая скорость вращения вала электродвигателя:

рад/с

Критический момент:

Н•м



Критическое скольжение:

S_k =0,015(2,5+2,3) =0,072

Для построения механической характеристики двигателя определим характерные точки: S = 0 - точка холостого хода, n = 3000 об/мин, М = 0, Sн = 0,015 точка номинального режима, n_н = 2955 об/мин, М_н = 290 Н*м, точка критического режима s_к= 0,072, М_к =725 Н*м.

Для точки пускового режима s_п = 1, n = 0 находим по формуле Клоссе:

М=104 Н?м

В среде Excel задаем значения скольжения от 0,000001 до 1. По формуле находим значения моментов, соответствующих каждому заданному скольжению. Угловые скорости находим по формуле

.

По полученным значениям моментов и угловых скоростей строится естественная механическая характеристика. Она изображена на рис.13.

одноступенчатый центробежный насос электропривод



Рис.13. Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

6.3 Построение искусственных механических характеристик электродвигателя

Построение искусственных механических характеристик (рис. 14.) производится аналогично построению естественной механической характеристики.

Рис. 14. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения сети

Необходимо учитывать коэффициент

,



так как расчет производится для частот: 40, 25, 15 Гц. Тогда формула примет вид:

для случая

(вентиляторная нагрузка) .

Искусственные механические характеристики изображены на рисунке.

Угловые скорости находятся по формуле

Также необходимо отметить, что угловые скорости холостого хода на каждой частоте разные и находятся по формуле:

6.4 Построение электромеханической характеристики электродвигателя

Электромеханическая характеристика асинхронного двигателя представляет собой зависимость вида:

,

где - приведенный ток роторной цепи.

Зависимость приведенного тока ротора от скольжения асинхронного двигателя имеет вид:

Где - фазное напряжение сети;

- активное сопротивление фазы обмотки статора;

- активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

-индуктивное сопротивление фазы обмотки статора;

- индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к обмотке статора;

Расчет параметров асинхронного двигателя будем проводить по Г-образной схеме его замещения (рис.15.).

Рис.15. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Параметры Г-образной схемы замещения АД для номинального режима в относительных единицах:

R₁'=0,049 - приведенное активное сопротивление статора;

R₂''=0,019 - приведенное активное сопротивление ротора;

Х₁'=0,061 - приведенное индуктивное сопротивление статора;

Х₂''=0,093 - приведенное индуктивное сопротивление ротора;

Х_m=2,2 - индуктивное сопротивление контура намагничивания.

Активное сопротивление статора в относительных единицах:

.

Номинальный ток двигателя, исходя из номинального напряжения :

Коэффициент перевода относительных единиц в физические определим по формуле:

.

Активное сопротивление фазы обмотки статора:

Ом.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

Ом.

Поправочный коэффициент для параметров Г-образной схемы замещения:

Активное сопротивление ротора, приведенное к статору:

Ом.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к статору:

Ом.

Задаваясь значениями скольжения от 0 до 1с шагом 0,02, согласно формуле

строим электромеханическую характеристику двигателя в среде Excel (рис.16.).

Рис.16. Естественная электромеханическая характеристика приводного двигателя

6.5 Годовое потребление электроэнергии насосными агрегатами

где N_м = 60 сут. Ї количество дней в году с максимальным водопритоком; з_эс Ї КПД питающей электрической сети.



6.6 Удельный расход электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды



7. Выбор аппаратуры управления и защиты электропривода

7.1 Электрооборудование для автоматизации насосного агрегата Д 200 -95 и насосной станции «Ключевая»

7.1.1 Расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭР»

Расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭР» (рис.17) предназначен для измерения среднего объемного расхода и объема горячей и холодной воды, а также других электропроводящих жидкостей в широких диапазонах температур и проводимостей. Основная сфера применения расходомеров «ВЗЛЕТ ЭР» исполнений ЭРСВ-4ЧЧ(5ЧЧ)Л, ЭРСВ-4ЧЧ(5ЧЧ)Ф - в составе тепло-счетчиков, измерительных систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами в энергетике, коммунальном хозяйстве и т.д. Расходомеры могут устанавливаться как в металлические, так и в пластиковые (металлопластиковые) трубопроводы. По заказу расходомеры могут быть настроены для измерения параметров реверсивного потока с выдачей сигнала направления потока. Питание расходомера должно осуществляться стабилизированным напряжением постоянного тока значением из диапазона (18-25) В с уровнем пульсаций не более ±1,0 %. Питание от сети 220 В частотой 50 Гц обеспечивается с помощью поставляемого по заказу источника вторичного питания (ИВП).

Рис.17. Расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭР»



Точная и надежная работа расходомера обеспечивается при выполнении в месте установки ППР следующих условий: - отсутствует скопление воздуха; - давление жидкости исключает газообразование в трубопроводе; - на входе и выходе ППР имеются прямолинейные участки трубопровода соответствующей длины с Dу, равным Dу ППР. На этих участках не должно быть никаких устройств или элементов, вызывающих изменение структуры потока жидкости; - весь внутренний объем канала ППР в процессе работы расходомера заполнен жидкостью; - напряженность внешнего магнитного поля промышленной частоты не превышает 40 А/м

Выбор типоразмера расходомера определяется диапазоном расходов в трубопроводе, где будет устанавливаться ППР (рис.18.). Если диапазон расходов для данного трубопровода укладывается в диапазон расходов нескольких типоразмеров ЭМР, то определять нужный типоразмер рекомендуется исходя из заданного предельного значения потерь напора

Рис.18. Схема трубопровода в месте установки ППР.

7.1.2 Видеографический безбумажный многоканальный регистратор Метран-910

Видеографический безбумажный многоканальный регистратор Метран-910 (рис.19.) предназначен для сбора, визуализации, регистрации и регулирования различных параметров технологических процессов.



Рис. 19. Видеографический безбумажный многоканальный регистратор Метран-910

Легко интегрируется в системы АСУТП. Чрезвычайно удобен и при автономном применении, обладая развитой системой экранных меню управления и работы с архивом, большой внутренней памятью и интерфейсом к внешней Flash-памяти.

Основные достоинства:

· контрастный цветной дисплей на TFT-матрице (5,6» или 10,4») с широким углом обзора;

· свободная программируемость аналоговых каналов под различные типы входных сигналов и межканальная гальваническая изоляция;

· высокое быстродействие;

· математическая обработка по каждому каналу;

· соответствие требованиям ЭМС.

Алгоритм работы насосного агрегата Д 200-95.

Обобщенный алгоритм управления насосом Д 200-95 при постоянно открытой задвижке на нагнетательном трубопроводе и отключенном электроприводе задвижки приведен на рис.20. В соответствии с ним функционирование насоса осуществляется следующим образом.

После включения в работу аппаратуры производится настройка параметров. Когда вода доходит до ППР (первичный преобразователь расхода), при помощи которого поступают данные на Метран 910 и Взлет ЭР, если давление в трубопроводе соответствует заданному, то поступает команда на включение насоса в работу с последующим контролем за давлением при помощи Метрана -910. Если насос по какой-либо причине не развил заданной производительности, он отключается и подается сигнал диспетчеру, а аппаратура начнет новый цикл по включению в работу резервного насоса. Приведенный алгоритм отражает только порядок выполнения основных функций по включению и отключению насосов.

Рис.20. Алгоритм работы насосного агрегата Д200 -95



7.1.3 Частотный преобразователь ALTIVAR 61

7.1.3.1 Назначение и применение

ПЧ Altivar 61 (рис. 21.) служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. Частотный преобразователь - это устройство, состоящее из инвертора (преобразователя), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты, выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех встроенные фильтры ЭМС класса A или B

Рис.21. Преобразователь частоты Altivar 61

Преобразователь Altivar 61 имеет заводские настройки, соответствующие наиболее частым применениям:

· Макрофигурация: насосы/вентиляторы

· Частота напряжения питания двигателя: 50 Гц

· Применение с переменным моментом с энергосбережением.

· Способ остановки при неисправности: остановка на выбеге.

· Время линейного разгона/торможения: 3с

· Нижняя скорость : 0 Гц

· Верхняя скорость : 50Гц.

· Тепловой ток двигателя равен номинальному току двигателя.

· Ток динамического торможения равен 0,7 номинального тока преобразователя в течении 0,5 с.

· Без автоматического повторного пуска при возникновении неисправности.

· Частота коммуникации 2,5 или 12 кГц в зависимости от типоразмера ПЧ

· Аналоговый выход АО1:0-20 мА, частота двигателя

Серия преобразователей частоты Altivar 61 предназначена для двигателей мощностью от 0,75 до 800 кВт. с тремя типами сетевого питания. В данном случае используем:

Трехфазное питание - 380-480 В

Номинальный ток - 400 А

Мощность двигателя - 90-630 кВт

№ по каталогу - ATV 61HD90M3X

7.1.3.2 Устройство и принцип действия

Преобразователь частоты состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

С непосредственной связью (рис. 22.).

Рис.22. Преобразователь с непосредственной связью.

С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. (рис.23.)

Рис. 23. Преобразователь с явно выраженным звеном.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис. 24. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение u_a, u_B, u_с. Выходное напряжение Uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия).

Рис. 24. Пример формирования выходного напряжения одной из фаз нагрузки.

Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие - малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств, приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе.

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей - сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).

Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.

Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время. Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки

Mс = const

напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:



Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

7.1.3.3 Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор - можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.