Насосы и насосные станции

Автоматизация процессов производства представляет в настоящее время важную и обширную область, требующую специальных знаний. Ниже приводятся некоторые понятия, принципы и приборы автоматики.

Автоматизация — это управление производственным процессом по выработанной программе или установленным критериям без участия человека с помощью приборов, устройств и управляющих машин.

Автоматизацию можно осуществлять только на таких предприятиях и сооружениях, где производственные процессы механизированы.

По степени автоматизации насосные станции могут быть полуавтоматическими и автоматическими.

В полуавтоматических насосных станциях управление каждым насосным агрегатом происходит от единичной команды, заданной эксплуатационным персоналом, а вся дальнейшая работа его и необходимых вспомогательных устройств выполняется автоматически.

В автоматических насосных станциях все процессы работы основных насосных агрегатов и вспомогательного оборудования (пуск, остановка, регулирование, технологический контроль, установление оптимального режима, остановка аварийных агрегатов и пуск резервных и др.) осуществляются автоматически без участия персонала.

При выборе основных путей и объема автоматизации руководствуются технологической схемой автоматизируемого предприятия, его расположением, средствами автоматизации и др.

Дистанционное управление можно применять либо в качестве самостоятельного ручного управления на расстоянии пусковыми, регулирующими и запорными органами отдельных механизмов или их группы, работающей по определенной схеме, либо в качестве устройства, работающего параллельно с автоматическим и воздействующего на те же элементы, как резерв при отключении автоматики.

Телеуправление осуществляется на большие расстояния из пункта управления с помощью телемеханических средств, позволяющих передавать большое количество различных сигналов одновременно или в разное время по одной линии связи или по нескольким. Телеуправление (ТУ) обычно применяют совместно с телеизмерениями (ТИ) и телесигнализацией (ТС) технологических параметров процесса.

Принципы автоматизации насосной станции зависят от ее назначения и технологической схемы. Если насосная станция подает воду в бак водонапорной башни, резервуар или напорный бассейн магистрального канала, то насосы могут включаться и выключаться в зависимости от уровня воды в баке, резервуаре и бассейне. Отметка уровня воды фиксируется автоматически специальными приборами (поплавковое или контактное реле и др.), а в помещение насосной станции передается либо сигнал на отключение или включение насоса персоналом, либо импульс для автоматического отключения или включения насоса.

Если насосы подают воду непосредственно в разводящую сеть, то они могут включаться и выключаться в зависимости от давления в сети, при помощи особого прибора реле давления. Такие схемы автоматизации рассматривают в курсе водоснабжения.

В осушительных насосных станциях, предназначенных для откачки вод поверхностного и подземного стока, основным автоматическим прибором включения и выключения насосов служит поплавковое реле, устанавливаемое в аванкамере насосной станции. Кроме основных, необходимы и другие приборы автоматики, осуществляющие все процессы управления и контроля.

Приборы автоматики можно разделить на три группы. К первой относят контакторы, предназначенные для частых включений и отключений цепи главного тока, например электропривода насоса. Контакторы получают импульс от других аппаратов, на действие которых, в свою очередь, влияет ряд факторов: давление, расход воды, уровень воды в водоприемнике или резервуаре, а также сила или напряжение тока, температура подшипников и др. Эти аппараты составляют вторую группу и называются датчиками и реле, автоматически воздействующими на определенную систему, если в ней происходят изменения, выходящие за пределы заранее установленного эксплуатационного режима.

Третью группу приборов автоматики составляют командоаппараты. Они включают и выключают агрегаты в определенной последовательности, обусловленной эксплуатационным планом насосной станции.

Первичные элементы автоматического устройства — датчики и реле.

Датчики — измерительные элементы, воспринимающие изменения той или иной физической величины (контролируемой, измеряемой или регулируемой). Эти изменения они преобразуют в изменения другой величины, удобной для передачи на расстояния с целью воздействия на последующие элементы автоматических устройств. Последние дают команды исполнительным устройствам для внесения необходимых уточнений в режиме автоматизированной системы.

В насосных станциях в большинстве случаев применяют датчики измерения неэлектрических величин — подачи и уровня воды, давления, температуры, перепада уровней воды на сороудерживающих решетках и др. Эти величины преобразуются в электрические, гидравлические, пневматические и др., удобные для передачи на расстояния или непосредственного использования в местных автоматических устройствах.

Реле — элемент, в котором скачкообразно меняется выходная величина параметра при достижении входной величиной некоторых определенных значений. Реле — один из наиболее распространенных элементов в автоматике и телемеханике.

Ознакомимся с действием поплавкового реле, часто применяемого в насосных станциях, одна из возможных схем устройства которого приведена на рисунке 204.

(рис. 204) Схема действия поплавкового реле: 1 и 1’ — поплавок при разных уровнях воды; 2 — блоки; 3 — трос; 4 и 4’, 5 и 5’ — пальцы, закрепленные на тросе; 6 — рычаг; 7 и 7’ — противовес в разных положениях

В водоприемный резервуар опущен поплавок 1, подвешенный на тросике, перекинутом через блоки 2, имеющем на другом конце уравновешивающий груз (противовес) 1. На тросе имеются пальцы 4 и 5, которые в зависимости от положения поплавка могут либо непосредственно замыкать контакты, либо путем поворота рычага 6 включать и выключать пусковое реле. При расположении резервуара отдельно, но близко от насосной станции поплавок размещают в трубах, проведенных из резервуара в помещение насосной станции, а при значительном удалении сигнал или импульс может передаваться по проводам.

Поплавковое реле имеет одну пару открытых или закрытых контактов с автоматическим возвратом. Контакты для поплавкового реле могут быть включены под напряжением до 500 В. Таким образом, поплавковое реле является первичным прибором, дающим импульс для остановки или пуска насосных агрегатов в зависимости от положения уровня воды в резервуаре. Если насосы работают с отрицательной высотой всасывания, пуск их осуществляется без вакуум-насоса и поэтому более прост (особенно, когда на всасывающей и нагнетательной трубах насоса нет задвижек и для включения насоса в работу достаточно импульса от поплавкового реле к пусковой аппаратуре электродвигателя) .

Если главные насосы имеют положительную высоту всасывания, то для пуска необходимо предварительно залить их водой. Поэтому первоначальный импульс от поплавкового реле должен быть дан пусковой аппаратуре вакуум-насоса.

Перед пуском основных насосов 1 закрывается электрифицированная задвижка 2 на нагнетательном трубопроводе и включается вакуум-насос 9. После зарядки насоса, что контролирует сигнализатор наличия воды 4, дается импульс на отключение вакуум-насоса и включение насоса 1, а потом и на открытие задвижки 2.

Рассмотрим схему автоматизации насосного агрегата, работающего с положительной высотой всасывания (рис. 205).

(рис. 205) Схема автоматизации основного насоса при заливке его вакуум-насосом: 1 — вакуум-насос; 2 — основной насос; 3 — электрифицированный заливочный вентиль (соленоидный); 4 — струйное реле; 5 — общий всасывающий вакуумный трубопровод; 5’ — трубопровод подключения (соединительный) основного насоса к вакуумной системе; 6 — электрифицированный вентиль вакуум-насоса; 7 — вакуумное реле (реле заливки); 8 — задвижка с гидравлическим приводом; 9 — концевой выключатель; 10 — золотник сервомотора; 11 — панель автоматического управления основного насоса; 12 — панель автоматического управления вакуум-насоса; 13 и 20 — реле давления; 14 — напорный трубопровод; 15 — обратный клапан; 16 — диспетчерский пункт; 17 — линии связи; 18 — панель командоаппарата; 19 — панель автоматического управления двигателя

Импульсы пуска и остановки агрегата поступают на панель 11 насосного агрегата при кнопочном (полуавтоматическом) управлении или на панель 18 командоаппарата при автоматическом управлении. Командоаппарат в этом случае определяет воздействием на соответствующие реле последовательность операций по предварительно разработанному плану эксплуатации насосной станции. На всасывающем трубопроводе вакуум-насоса есть реле заливки 7, контролирующее работу насоса 1 и заливку корпуса главного насоса 2 водой. Реле заливки имеет диафрагму, изготовленную из кожи или резины, которая изменение давления в трубопроводе передает контактному устройству, переключающему контакты, благодаря чему и осуществляется контроль работы вакуум-насоса. Струйное реле 4 устанавливают на соединительном трубопроводе (от главного насоса к всасывающему трубопроводу вакуум-насоса). Оно определяет момент заполнения главного насоса и пуска электродвигателя. Реле состоит из пружинного клапана, помещенного в особой муфте. Если в трубе имеется воздух, то при действии вакуум-насоса он свободно проходит через зазор клапана; при заполнении же водой соединительного трубопровода и клапана последний закроется, преградив путь воде, повернув ось контактного устройства, которое и замкнет цепь управления. Вакуум-насос выключится, одновременно через командоаппарат включится главный насосный агрегат и задвижка 8 на напорном трубопроводе насоса.

Установленные на напорных трубопроводах реле давления 13 и 20 предназначены для управления и защиты насосов. Они устроены почти так же, как и вакуумные, только резиновая диафрагма в них заменена бронзовой или стальной; иногда роль диафрагмы выполняет трубка манометра.

У задвижек с электроприводом предусматривается установка двух включающих реле. Одно из них вращает задвижку в одну сторону, а другое — в противоположную.

Кроме этого, при задвижках с электроприводом в схеме автоматики предусматривается концевой выключатель 9 для выключения мотора задвижки при окончании ее открытия или закрытия.

Нагрев подшипника контролируется тепловым реле защиты.

При автоматизации необходимо предусматривать бесперебойное снабжение насосной станции электроэнергией и установку резервных агрегатов. Командоаппарат включает их в работу при остановке основных агрегатов. Наиболее простое устройство автоматики будет при укрупненных однотипных агрегатах.

Для питания цепей управления автоматики, построенной на релейной аппаратуре, применяют выпрямители и специальные трансформаторы. Первые используют для реле, работающих на постоянном токе, а вторые — для реле переменного тока АР (аварийное реле). Реле типа АР без вреда для контактной системы включает и выключает цепи с током 1—2А при напряжении 380 В. Наиболее распространены выпрямители с твердыми элементами. Такие выпрямители собирают из нескольких элементов, каждый из которых состоит из двух электродов, разделенных тонким запирающим слоем. Один электрод — проводник, а другой — полупроводник. В схемах автоматики применяют купроксные и селеновые твердые выпрямители. В автоматике можно применять трансформаторы, которые удовлетворяют по мощности и напряжению условиям работы, — однофазные мощностью 50—100 В·А с первичным напряжением 220 В и различным вторичным напряжением для запроектированных комбинаций.

Как видно из рисунка 205, вся аппаратура для автоматизации насосных установок состоит из электрической и гидромеханической частей. Последняя предназначена для контроля нормальной работы проточной части аппаратуры и гидромашин, то есть подачи, давления и пр. Такая гидромеханическая аппаратура автоматики состоит из соответствующих реле: а) поплавкового реле для контроля уровня воды в открытом резервуаре, колодце, аванкамере, канале и т. д. (рис. 204, 206); б) поплавкового реле для контроля уровня жидкости в закрытом резервуаре; в) реле для контроля заливки центробежного насоса; г) струйного реле, основное назначение которого состоит в защите агрегата при прекращении подачи смазки в маслопроводах или при прекращении движения воды в трубопроводах; оно воздействует на электрическую цепь, которая управляет остановкой агрегата; д) реле давления для контроля давления воды в напорной линии, оно сигнализирует о завершении пуска насоса и выключает агрегат при резком падении давления в трубопроводе, например при его разрыве; е) реле срыва вакуума, предназначенное для немедленного его снижения в сифонных линиях в момент повышения выше допустимой величины или в случае аварийного режима.

Для учета работы при наблюдении за режимом работы агрегатов и трубопроводов в автоматических насосных станциях и устранения неисправностей устанавливают самопишущие приборы. Их записи необходимо передавать на контрольный пункт, а при ненормальной работе насосных агрегатов сигнализировать на диспетчерский пункт или квартиры работников насосной станции. К таким приборам относятся: а) самопишущий вакуумметр — это сильфонный (сильфонное реле — особый аппарат, приводящий в действие систему автоматической сигнализации) самопишущий прибор с приводом диаграммы от часового механизма; б) показывающий вакуумметр — сильфонный, пневматический прибор; в) вторичный показывающий прибор; при помощи сигнального устройства и датчика зафиксированные прибором измерения передаются на расстояние; г) дифференциальный поплавковый манометр — самопишущий прибор с приводом диаграммы от часового механизма или синхронного электродвигателя; он предназначен для измерения и записи подачи жидкости, перепада давления, уровня жидкости; есть дифференциальные манометры с индукционным датчиком и в комплекте с вторичным прибором, передающим показания на расстояние; д) самопишущий манометр с электрической передачей сигналов; е) показывающий манометр с сигнальным устройством, предназначенный для измерения давления жидкости и для замыкания и размыкания контактов при недопустимом повышении или понижении давления.

Схема автоматизированного привода состоит из комплекса элементов автоматики и электродвигателей. Следовательно, мы имеем цепь электродвигателя, или цепь главного тока, и цепь управления, или цепь вспомогательного тока; иногда катушки управления элементов автоматики включаются в главную цепь двигателя.

Основные цепи автоматики состоят из цепи главного тока, цепи вспомогательного тока, цепи сигнализации и цепи блокировки.

На рисунке 206 показан возможный вариант установки датчика (ДСУ-1) для контроля уровня в верхнем и нижнем бьефах мелиоративной насосной станции.

(рис. 206) Схема установки сигнализатора уровня ДСУ-1 для контроля уровня воды в  верхнем или нижнем бьефе насосной станции: 1 — канал, аванкамера, водовыпуск; 2 — соединительная труба; 3 — колодец; 4 — стакан противовеса (сухой из стальной трубы); 5 — кожух датчика; 6 — датчик уровня; 7 — поплавок; 8 — противовес

Площадь сечения соединительной трубки 2 следует принимать не более 0,01 от площади колодца 3. Соединительные трубки следует укладывать так, чтобы их можно было свободно прочищать (например, при сезонной работе). В противном случае следует применять другую установку датчика, например с мостика, опуская поплавок 7 в дырчатую трубу (стакан), а противовес в сухой стакан 4 и др.

На рисунке 207 приведена одна из возможных схем контроля перепада уровней, создаваемого сороудерживающей решеткой.

(рис. 207) Схема контроля перепада уровней, создаваемого сороудерживающей решеткой: 1 — сороудерживающая решетка; 2 — канал; 3 — дифференциальный прибор; 4 — колодец; 5 — пьезометры; 6 — муфтовые краны; 7 — подводящие соединительные трубы

На рисунке 208 дана схема установки сигнализатора уровня СУ-3. Верхний шар может, например, включить второй насос при переполнении дренажно-осушительного колодца и дать аварийный сигнал при аварийном его наполнении.

(рис. 208) Схема установки поплавкового сигнализатора уровня СУ-3: 1 и 1’ — первый шар (поплавок) в отключенном и включенном положении; 2, 2’ — второй шар (поплавок) в отключенном и включенном положении; 3 — датчик СУ-3; 4 — листовая сталь; 5 — каркас из угловой стали

На рисунке 209 приведена установка термодатчика на корпусе подшипника, а на рисунке 210 показана установка электродного сигнализатора наличия воды.

(рис. 209) Схема установки термодатчика на корпусе подшипника: 1 — термодатчик; 2 — корпус термодатчика (алюминий или красная медь)

(рис. 210) Схема установки электродного сигнализатора наличия воды: 1 — переходный тройник; 2 — электрод; 3 — электрическое сопротивление; 4 и 10 — вкладыш; 5 — крышка на резьбе; 6 — защитный шланг; 7 — медный провод; 8 — мастика; 9 — корпус; 11 — контргайка

Автоматизация учета подачи при установке индукционных расходомеров облегчается. Однако при применении парциальной схемы их установки при большой разнице диаметров отвода и трубопровода нельзя забывать о возможном влиянии закона квадратичности сопротивлений на точность измерений. В необходимых случаях прибегают к тарировке.