Насосы и насосные станции

До недавнего времени (около 15—20 лет назад) на насосных станциях мелиоративного назначения (в проектах и на установках) можно было встретить большое разнообразие типов двигателей: тепловые — паровые (локомобили), двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — карбюраторные, нефтяные, дизели; ветродвигатели и электродвигатели. Для увеличения коэффициента использования энергетического оборудования строили электростанции местного значения: ДЭС — дизель-электрические станции, электростанции с локомобилями и ветроэлектростанции. Получаемой электроэнергией питались лишь насосные установки, а в невегетационный период приводилось в действие другое сельскохозяйственное оборудование.

Из отчетов о работе местных малых ДЭС следует, что стоимость электроэнергии, получаемой от них, в 1,5—3 раза выше стоимости электроэнергии, получаемой от государственных электросетей. С развитием строительства электростанций (гидравлических и тепловых), линий электропередачи (ЛЭП) и кольцевания энергосистем для стационарных мелиоративных насосных станций, как правило, применяется электропривод. Исключение составляют мелкие передвижные и сезонные съемные насосные установки, где еще широко используют тепловые двигатели, а для подъема воды из скважин и колодцев в отдельных местах применяют ветродвигатели.

При изложении курса насосных станций и установок за основной привод насосов принят электропривод, а тепловые двигатели и ветродвигатели не рассматриваются.

Электроприводом принято называть машинное устройство для приведения в движение рабочих машин, состоящее из трех основных звеньев: электродвигателя; аппаратуры для управления электродвигателем (теперь чаще всего автоматической); механической передачи энергии от двигателя к рабочей машине. Широкое применение электропривода вызвано следующими положительными свойствами его по сравнению с другими типами двигателей: объем строительной части меньше, не нужны сложные фундаменты; проще передача энергии от двигателя к насосу (непосредственное соединение через муфту и др.); легче автоматизировать процессы управления; меньше эксплуатационные затраты и ниже стоимость единицы продукции. Меньше затраты по содержанию «горячего» резерва; проще обслуживание, чище помещение и др.

Электродвигатели имеют наименьшую удельную массу (масса на 1 кВт), которая составляет (при мощности от 7 до 75 кВт для двигателей единой серии А с 1000 об/мин) от 9 до 18 кг/кВт. Для двигателей внутреннего сгорания (N=16 кВт) она составляет 68 кг/кВт, локомобилей (N=28 кВт) — 190 и для ветродвигателей (N=11,5 кВт) ~400 кг/кВт.

Проектирование электрической части насосных станций (выбор типа электродвигателя, схемы электрических соединений, схемы энергопитания, автоматики управления и др.) выполняют специалисты — инженеры-электрики.

На насосных станциях, работающих в условиях сельского хозяйства, устанавливают электродвигатели постоянного тока, асинхронные (короткозамкнутые и с фазовым ротором), синхронные.

Электродвигатели постоянного тока применяют при питании насосной станции постоянным током (например, от небольших колхозных электростанций с генераторами постоянного тока). В остальных случаях для питания насосной станции, как правило, применяют переменный трехфазный ток.

Постоянный ток для нужд насосной станции (например, для автоматизации процессов управления) получают от небольшого генератора постоянного тока, приводимого в движение электродвигателем переменного тока, или ртутного выпрямителя. В настоящее время чаще применяют выпрямители переменного тока.

Асинхронные электродвигатели трехфазного тока (насосные станции в СССР работают почти исключительно на трехфазном токе) можно применять с короткозамкнутым и фазовым ротором. Первый тип электродвигателя в последнее время нашел широкое распространение, так как запуск его осуществляется непосредственным подключением к сети; при автоматизации пуска двигатель можно включать и выключать на расстоянии (дистанционное управление). К тому же электродвигатель с короткозамкнутым ротором меньше по габаритам и значительно дешевле двигателей других типов.

К недостаткам короткозамкнутых электродвигателей относится значительное увеличение пусковой силы тока по сравнению с номинальной при включении его в сеть на полное напряжение, что требует соответствующей мощности сети и понизительного трансформатора. Поэтому для включения короткозамкнутых электродвигателей применяют, например, пуск с переключением со «звезды» на «треугольник» (λ/Δ). При этом раза в 3 уменьшается пусковой ток (по сравнению с непосредственным включением), но зато при включении уменьшается пусковой момент, что требует соответствующего расчета при определений условий пуска насоса и двигателя.

У электродвигателей с фазовым ротором статор включают в сеть при помощи рубильника или магнитного пускателя, но в цепь ротора включается пусковой реостат. При этом магнитный пускатель блокируется с реостатом таким образом, что включение двигателя в сеть невозможно до тех пор, пока в цепь ротора не будет введено полностью пусковое сопротивление. Следовательно, пуск такого двигателя осуществляется со стороны ротора. Пусковые токи для асинхронных двигателей с фазовым ротором в несколько раз меньше, чем в коротко-замкнутых двигателях при включении их на полное напряжение. Несмотря на это, электродвигатели с фазовым ротором не получили такого широкого применения в насосных станциях, как короткозамкнутые, ввиду их большей стоимости, более сложной схемы пуска и эксплуатации.

В мелиоративных насосных станциях большой мощности (при мощности электродвигателя более 200—300 кВт) в настоящее время применяют, как правило, синхронные электродвигатели с асинхронным запуском. Некоторые преимущества их по сравнению с асинхронными электродвигателями приведены ниже: синхронный электродвигатель может работать с коэффициентом мощности (cos φ ), либо равным единице, либо даже опережающим, что улучшает коэффициент мощности сети, благодаря чему снижается плата за энергию; коэффициент мощности синхронного электродвигателя не зависит от номинальной частоты вращения его; синхронный электродвигатель — двигатель постоянной скорости и работает устойчивее асинхронного.

Момент вращения синхронного электродвигателя пропорционален первой степени напряжения, поэтому колебания его в сети мало отражаются на моменте двигателя. У асинхронного двигателя момент вращения пропорционален квадрату напряжения. При автоматизации пуска короткозамкнутый асинхронный электродвигатель имеет некоторые преимущества перед синхронным.

В практике проектирования мелиоративных насосных станций придерживаются примерно следующих условий при выборе типа двигателя для главных насосов. При мощности до 300 кВт устанавливают асинхронные короткозамкнутые двигатели: низкого напряжения (380 В) для мощностей до 100 кВт, а при большей мощности высоковольтные (6300 В). При мощности более 300 кВт устанавливают синхронные двигатели высокого напряжения (6300 и 10 000 В). Но могут быть и отклонения от указанных условий. Так, при значительных мощностях питающего энергией источника есть примеры установки асинхронных короткозамкнутых двигателей мощностью 1700 кВт (осевой насос ОПВ2-145, двигатель ВДД-213/54-16, N=1700 кВт, u=6 кВ). Частота вращения вала синхронного электродвигателя в минуту (при частоте 50) определяют по формуле: n=3000/p, где р — число пар полюсов.

Асинхронный электродвигатель имеет несколько меньшую частоту вращения вала ввиду скольжения ротора. В таблице 13 приведены данные о частоте вращения синхронных и асинхронных двигателей при номинальной их мощности.

Таблица 13

Практикой выработаны три основные схемы пуска высоковольтных электродвигателей (асинхронного и синхронного). Первая схема — непосредственный запуск электродвигателей от сети через линейный выключатель. Пусковой ток при этом в несколько раз больше номинального, что может создать на шинах электростанции (при ее ограниченной мощности) падение напряжения, а это отражается на других потребителях, присоединенных к ней. Поэтому такая схема пуска для мощных двигателей не всегда рекомендуется. При надлежащем конструировании сетей, двигателей и достаточной мощности источника энергии можно осуществлять прямой пуск двигателей от полного напряжения сети. Насосные станции канала имени Москвы и Волго-Донского канала имени В. И. Ленина, крупные оросительные насосные станции имеют прямой пуск электродвигателей.

Это сильно упрощает электрооборудование насосных станций. Насосные станции канала имени Москвы, которые раньше имели пуск электродвигателей по схеме с автотрансформатором, в настоящее время переведены на прямой пуск.

Вторая схема — запуск электродвигателя через реактор. Реактором называется статический индуктивный аппарат с одной системой обмоток, который служит для защиты и регулирования электрических цепей. Реактор представляет собой катушку, состоящую из провода, навитого на изолирующий материал. В этой схеме устанавливают два выключателя: линейный и пусковой; последний в начале пуска разомкнут. После включения линейного выключателя электродвигатель подключают к сети через реактор, который и снижает пусковой толчок тока до допустимой величины. В конце пуска при достижении двигателем нормальной частоты вращения включают пусковой выключатель, а реактор шунтируется. Во время работы двигателя пусковой выключатель включен; для остановки двигателя достаточно выключить линейный выключатель. Пусковой выключатель не рассчитывается на разрывную мощность, поэтому размеры его меньше линейного.

Реакторный пуск довольно распространен в практике крупных насосных станций для водоснабжения. При такой схеме пуска двигателя пусковой ток изменяется пропорционально первой степени изменения напряжения. Если пусковой ток очень велик, то применяется пуск двигателя по третьей схеме — через автотрансформатор. Эта схема предусматривает установку трех выключателей: линейного, пускового и нулевого; вместо реактора ставится автотрансформатор. Пуск двигателя по этой схеме осуществляется так: вначале включается нулевой выключатель, замыкающий накоротко («звезда») три фазы автотрансформатора, чем и создается нулевая точка. Затем включается линейный выключатель; пусковой выключатель при этом выключен. Электродвигатель, таким образом, подключается на часть напряжения сети, и при пониженной частоте вращения начинается его разгон. В соответствующий момент времени выключается нулевой выключатель. В этот же момент включается пусковой выключатель, благодаря чему двигатель переключается на полное напряжение сети. Эта схема применяется, если необходимо иметь высокий пусковой момент или понизить силу пускового тока.

Таким образом, схема электрических соединений насосной станции зависит от мощности источника и напряжения, под которым электрическая энергия подводится к насосной станции, выбранного напряжения электродвигателей главных и вспомогательных насосов и их мощности. Электроснабжение насосных станций в условиях сельского хозяйства может осуществляться от различных источников и по разным схемам в зависимости от местных условий.

Если электроснабжение насосной станции осуществляется от какой-либо районной электростанции, то ток к насосной станции подводится от расположенной вне ее территории понизительной подстанции. От последней питаются током также и отдельные потребители энергии (мастерские, небольшие заводы, колхозы и пр.). Когда насосная станция, имеющая электродвигатели низкого напряжения, получает ток высокого напряжения (10,6 или 3 кВ), устраивают понизительную подстанцию около насосной станции. Трансформатор устанавливают или открыто, или в самом здании насосной станции, выделяя для этого помещение, изолированное от машинного отделения. Если общая понизительная подстанция дает ток низкого напряжения, то электрооборудование насосной станции значительно упрощается, так как не требуется дополнительной установки выключателя и трансформатора. При установке главных электродвигателей высокого напряжения к насосной станции (от общей понизительной подстанции) подводят ток высокого напряжения; в насосной станции устанавливают небольшой трансформатор для собственных нужд (привод электродвигателей вспомогательного оборудования, освещение насосной станции, сооружений и поселка, где проживает служебный персонал станции).

Иногда устраивают общую понизительную подстанцию для питания энергией нескольких оросительных насосных станций, которые являются станциями последовательной перекачки воды оросительной системы. В этом случае понизительного трансформатора может не быть: сеть и электродвигатели обычно имеют одинаковое напряжение. При высоком напряжении в питающей насосную станцию и потребителей сети (например, 6 кВ) возможны два случая: насосная станция имеет понизительный трансформатор; насосная станция получает ток от общего понизительного трансформатора, расположенного вне насосной станции. В этом случае возможно питание насосной станции постоянным током. Бывают случаи, когда насосную станцию и местную электростанцию располагают в одном здании. Это создает известные преимущества для эксплуатации насосной станции, которая в этом случае имеет постоянный квалифицированный персонал в противоположность сезонным оросительным насосным станциям, а агрегаты электростанции не простаивают в неоросительный период.

Ответственные насосные станции (например, осушительные насосные станции при борьбе с затоплением местности) питаются энергией от двух независимых источников. Это гарантирует большую бесперебойность в работе насосной станции, чем, например, в первом случае (при одном источнике питания), где в ответственных случаях необходима установка резервного теплового двигателя.

Выбор той или иной схемы электроснабжения насосной станции определяется технико-экономическими расчетами с учетом местных условий и ответственности насосной станции.

Для выбора типа и мощности электродвигателя надо иметь следующие данные: необходимую мощность электродвигателя (кВт); частоту вращения рабочей машины и электродвигателя. Необходимость регулирования частоты вращения рабочей машины; род тока и его частоту; напряжение тока; требования источника энергопитания в отношении коэффициента мощности (cos φ); мощность источника питания и условия пуска двигателей; характеристику пусковых и рабочих условий рабочей машины (пусковой, номинальный и максимальный моменты; особенности режима работы; возможность и длительность перегрузок и др.); условия окружающей среды (температура и влажность воздуха, запыленность и характеристика пыли, вентиляция помещения и др.); исполнение машины — вал вертикальный или горизонтальный.

Необходимая мощность электродвигателя и другие его данные обычно назначаются заводом-изготовителем, который поставляет насос комплектно с двигателем. По установленной форме заказчик дает заводу-изготовителю расчетные данные и условия работы насоса (подача, напор, колебание напоров и уровней воды в источнике и др.).

Если при предварительном проектировании мощность двигателя неизвестна, то ее определяют по формуле: N_дв=(N/η_пер)k; N=9,81Q_нН_н/η_н, где Q_н и Н_н — подача (м³/с) и напор (м) насоса, соответствующие наибольшей мощности его по условиям (режиму) работы. Как правило, наибольшая мощность соответствует крайней точке рабочей зоны характеристики: для центробежного насоса максимальной подаче (Q_н.mах) и минимальному напору (H_н.min), а для осевого насоса наоборот (Q_н.min и Н_н.mах); η_н и η_пер — соответственно к. п. д. насоса и передачи η_пер=1 при непосредственном соединении валов насоса и двигателя муфтой); N_дв и N — соответственно мощности двигателя и насоса, кВт; k — коэффициент запаса, вводимый на возможность перегрузки двигателя, которая не всегда может быть учтена при проектировании (неточность характеристики насоса и учета гидравлических сопротивлений, возникновение дополнительных потерь при засорении и др.). В практике величину k обычно принимают в следующих пределах:

Мощность двигателя, кВт . . . 1—2 2—10 10—50 50—100 100—200 >200

Коэффициент запаса k . . . 2 2—1,3 1,3—1,2 1,2—1,1 1,1—1,05 1,05

Электродвигатели по отношению к окружающей среде делятся на открытые, защищенные, закрытые с вентиляцией, защищенные от капежа, взрывобезопасные и герметические. Все перечисленные электродвигатели изготовляются с двумя типами изоляции (нормальная и противосыростная), кроме защищенных от капежа и герметических, изготовляемых только с противосыростной изоляцией.

В мелиоративных насосных станциях применяют в основном открытые и защищенные электродвигатели. Важное значение при выборе типа и мощности двигателя имеют развиваемые ими моменты в отдельные этапы работы: при пуске, нормальной работе и остановке, а также и в моменты возможных перегрузок. При этом совершенно очевидно, что моменты двигателя при пуске, нормальной работе и перегрузках всегда должны быть больше соответственных моментов рабочей машины-насоса, в противном случае агрегат или не будет пущен, или не сможет работать. Моменты двигателей принято называть вращающими, а моменты рабочей машины — моментами сопротивлений.

У электродвигателя различают моменты: пусковой — М_п, номинальный (рабочий — нормальный) — М_н, максимальный — М_м, величины которых приведены в каталоге. Для рабочих машин с тяжелым пусковым моментом следует применять электродвигатели соответствующих конструкций и типов с учетом характеристики питающего источника.

Хорошими пусковыми моментами обладают специальные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, имеющие обмотки роторов с двойной клеткой или с глубоким пазом, у которых пусковой момент в 1,7—2,5 раза больше номинального. Хорошей пусковой характеристикой обладают синхронные двигатели при асинхронном пуске и др.

Вращающий момент насоса (кгм), если по нему нет данных, определяют по формуле: М_н=975(N/n), где N — мощность насоса, кВт; n — частота вращения, об/мин.

Центробежный насос имеет пусковой момент (при закрытой задвижке на напорном трубопроводе) в пределах 40—70% номинального.

Осевой насос без поворотных лопастей может иметь пусковой момент больше номинального. Поэтому, например, пуск осевого насоса с синхронным двигателем в момент втягивания последнего в синхронизм должен быть проверен расчетом. В этом случае положительные результаты может дать асинхронный пуск. Для осевых насосов с поворотными лопастями пуск значительно легче.

В таблице 14 приведены приближенные величины моментов насосов при закрытой задвижке на напорном трубопроводе.

Таблица 14

Зависимость пускового момента насоса от частоты вращения приближенно можно выразить формулой: М_п=М₀+(М_н-М₀)(n/n_н)², где М₀ — момент трогания, кгм; М_н — номинальный момент сопротивления, кгм; n — частота вращения, об/мин; n_н — номинальная частота вращения, об/мин. Величину М₀ определяют по формуле: М₀=kM_н, где k — коэффициент, значение которого можно принять приближено в пределах 0,05÷0,30.

Бывает необходимо знать время разгона агрегата при пуске (время приобретения им номинальной частоты вращения), которое с достаточной точностью для практических целей можно вычислить по формуле: t_p=GD²n_н/375(М_дв.ср-М_н.ср), где GD² — маховой момент агрегата, равный сумме маховых моментов двигателя и насоса, кгм²; М_дв.ср — средний момент двигателя за время разгона, кгм; М_н.ср — средний момент насоса за время разгона, кгм; n_н — номинальная частота вращения, об/мин. Средний момент асинхронного двигателя определяют по формуле: М_дв.ср=М_п+М_м/2, где М_п и М_м — пусковой и максимальный моменты двигателя, принимаемые по данным каталога. Средний момент синхронного двигателя приближенно находят по формуле: М_дв.ср=М_п+М_вх/2, где М_п и М_вх — пусковой и входной (в синхронизм) моменты двигателя, принимаемые по данным каталога.

Рассмотрим кратко вопрос об устойчивости работы насосного агрегата.

Уравнение вращающих моментов, действующих на ротор двигатели при изменении скорости его вращения, имеет вид: М_дв-М_ст=М_изб=I(dω/dt), где М_дв — момент, развиваемый двигателем; M_ст — момент сопротивления насоса, или статический момент; М_изб=I(dω/dt) — избыточный, или динамический, момент (М_дин) всех вращающихся частей (роторы двигателя и насоса, валы, муфты и др.), имеющих общий момент инерции, I; ω — угловая частота вращения; t — время.

Иногда это выражение моментов пишут в таком виде: М_дв=М_ст+М_дин.

Если двигатель работает с постоянной скоростью, то dω/dt=0, М_дин=0, а момент двигателя уравновешивается статическим моментом. Но практически при работе системы (двигатель — насос) возникают различные возмущения, вызывающие изменения М_дв или M_ст, а следовательно, и изменение частоты вращения. Если система в этом случае продолжает работать, а при устранении возмущения возвращается к номинальным условиям работы, то ее считают устойчивой. При остановке агрегата dω/dt< 0, так как угловая скорость ω будет убывать. При определении времени разгона или остановки агрегата и расчетах по гидравлическому удару (в случаях, когда время вращения агрегата существенно влияет на величину удара) очень важно знать работу маховых масс агрегата, выражаемых маховым моментом GD², который выражают обычно в кгм² или тм².

В каталогах электродвигателей даны значения максимально допустимых маховых моментов. В каталогах насосов не приведены значения маховых моментов, их получают у заводов-изготовителей. Маховой момент насосов мал по сравнению с маховым моментом электродвигателей и составляет в среднем около 8—20% его. При отсутствии данных этой величиной можно пренебречь или принять значение махового момента агрегата по значению его для двигателя с поправочным коэффициентом k=1,15.

G (кг) определяет массу m, a D эквивалентен _Q — радиусу инерции (м) в формуле I=mp².

В технике М_дин и момент инерции определяются через маховые моменты GD²: I=GD²/4; М_дин=GD²/375·dn/dt.