Регулювання процесів на водопровідних станціях та очисних спорудах за допомогою перетворювача частоти

Витрата води, що очищається, коливається на очисній споруді протягом доби. Незадовільне очищення або підвищена витрата енергії у системі, розрахованій із запасом, вказує на те, що процес очищення не може пристосовуватися до великих добових змін у витраті води.

Завдяки регулюванню за допомогою перетворювача частоти:

• тиск у трубопроводах більш рівномірний, менше гідравлічних ударів;
• зменшується знос насосів і трубопроводів;
• електромережа менше навантажується;
• економія енергії сягає 75 %.

Гнучке регулювання за допомогою перетворювача частоти

Зазначені вище труднощі можна подолати за допомогою перетворювача частоти, який представляє сучасну техніку регулювання швидкості обертання електродвигунів насосів і побудований на основі компонентів сучасної електроніки. З його допомогою змінюють фіксовану частоту електромережі у напругу змінної частоти. Встановлення перетворювача на діючих водопровідних станціях не становить труднощів. Його монтують на дроти, що підходять до електродвигуна, і таким чином він регулює вже встановлені короткозамкнені електродвигуни.

Кожен пронумерований об’єкт на рис. 1 докладніше описано нижче.

Рис.1

1. Насоси першого підйому: безступінчасте регулювання перетворювачем частоти

Надійність водопостачання

Насосна станція першого підйому водопровідної станції може знаходитися досить далеко від водоочисної споруди. Завданням насосної станції є лише переміщення води у необхідній кількості з водойми на очисні споруди. Для забезпечення необхідного резерву на насосній станції часто передбачається не менше трьох насосів: при відмові одного насоса решта, що працюють, забезпечують переміщення води у кількості не менше середньої потреби.

Безступінчасте регулювання потоку

Якщо для всіх насосів передбачена постійна швидкість, то можливе лише ступінчасте регулювання. Потреба у воді, однак, коливається досить довільно, тому при ступінчастому регулюванні неможливо задовільно узгодити кількість води з потребою в ній. Якщо хоча б один насос оснастити регулюванням частоти відповідно до рис. 2, то безступінчасте регулювання можна здійснювати у всьому діапазоні регулювання відповідно до рис. 3. Незначний стрибок може мати місце при пуску та зупинці, якщо небажано негайно зупинити насос, хоча межа вже досягнута.

         

[Рис. 2. Три паралельних насоси першого підйому, 1 і 2 з яких мають постійну швидкість, а 3 — регульовану швидкість обертання від перетворювача частоти.]

[Рис. 3. Приклад застосування трьох паралельних насосів, коли для одного насоса передбачено регулювання за допомогою перетворювача частоти. dQ — різниця меж пуску та зупинки.]

Економія енергії

При безступінчастому регулюванні досягається значна економія енергії порівняно з іншими видами регулювання, оскільки енергія не витрачається на непотрібне переміщення великого обсягу води.

Компенсація реактивної потужності не потрібна

Насоси першого підйому зазвичай мають велику потужність. Це викликає необхідність компенсації реактивної потужності. Привод із перетворювачем частоти зменшує споживання реактивної потужності до такої міри, що компенсація не потрібна.

2. Насоси другого підйому

Кількість води підтримується постійною

Нижній басейн очисної споруди розрахований на добову потребу у воді. Ємність верхнього басейну, напр. водонапірної башти, у свою чергу, становить бл. 30–50 % добового споживання. Насос другого підйому перекачує воду з нижнього басейну у верхній. Найпростіше, звичайно, заповнити басейн і зупинити насос другого підйому. Однак є чинники, що визначають, як слід регулювати насос другого підйому. Перетворювач частоти дозволяє виконати систему регулювання раціональною та економною з точки зору споживання енергії.

Як з економічних, так і технологічних міркувань має сенс забезпечити рівномірний потік води, що протікає через очисну споруду. Саме тому потік у нижній басейн підтримується якомога постійним, тобто відповідним середньому споживанню.

Користь для енергетичного господарства від регулювання швидкості обертання

З економічної точки зору розумно, щоб насос другого підйому працював при постійному потоці, тобто потоці, що відповідає середньому споживанню. Цим можна виключити марне витрачання енергії на переміщення великої кількості води.

Багатосторонні можливості регулювання

Для забезпечення надійності рівень верхнього басейну підтримується якомога вищим. Тому для верхнього басейну має бути передбачено регулювання рівня, що забезпечує і більш рівномірний напір у водопроводах. Між верхнім і нижнім басейнами має існувати певний взаємозв’язок, що виключає переливання води з нижнього басейну та його осушення, у зв’язку з чим контролюється також рівень нижнього басейну.

3. Підкачувальні насоси

Рівномірний напір води

У районі з великим перепадом висот і відстаней від водонапірної башти не завжди вигідне водопостачання самопливом. Напір поблизу басейну буде високим, а вдалині від напірної башти та у споживачів, розташованих вище, — низьким. У такому випадку більш розумно застосовувати підкачувальні насоси для місць із низьким напором.

Водонапірні баки не потрібні

Якщо район водопостачання невеликий, то можна обійтися і без бака при застосуванні насоса з регулюванням швидкості обертання. Така система зображена на рис. 4. Достатньо лише оснастити насос перетворювачем, частотою якого керує регулятор тиску Р. Встановлення датчика тиску РТ у центрі споживання забезпечує споживачам достатньо високий тиск, який не залежить від витрати.

[Рис. 4. Підкачувальний насос, керований перетворювачем із регульованим заданим значенням тиску. Р = регулятор тиску, РТ = датчик тиску, В = задане значення тиску.]

Менший знос трубопроводів і обладнання

На рис. 5 зображено розподіл тиску у трубопроводі без підкачувального насоса і з підкачувальним насосом. Найбільшу користь приносить зниження тиску води споживачів 1, що знаходяться поблизу резервуара. Тиск знижується від значення А до В, тобто на 30–40 %. Таким чином досягається значна економія, у тому числі завдяки зниженню витрат на виготовлення трубопроводів і вентилів, а також їх меншому зносу. Завдяки регулюванню перетворювачем частоти станція проста і надійна в експлуатації.

[Рис. 5. Розподіл тиску у трубопроводі]

4. Занурені насоси стічних колодязів

Занурений насос можна регулювати

На насосній станції стічних вод насоси перекачують воду з колодязів на очисні споруди. При традиційному регулюванні насос запускається при перевищенні водою певного рівня і зупиняється при досягненні нею певної нижньої межі. Цей спосіб регулювання, однак, має ряд недоліків, від яких можна позбутися застосуванням перетворювача частоти для регулювання швидкості обертання насосів. З практичної точки зору перетворювач частоти — єдиний застосовний спосіб регулювання, оскільки насос розташований нижче рівня води. На рис. 6 зображено застосування перетворювача частоти для регулювання зануреного насоса. На насосній станції є один насос (1) із регулюванням і один із постійною швидкістю (2).

[Рис. 6. Регулювання насосної станції стічних вод за допомогою перетворювача частоти. SC = щит керування, В = задаваний середній потік, LT = датчик рівня, L1–L4 = висоти рівня води.]

Безперервний потік запобігає виникненню засмічень

Щит керування працює так, що при рівні води між L2 і L4 насос 1 обертається зі швидкістю, що відповідає середньому споживанню. Насос 2 не обертається. При перевищенні рівнем води рівня L2 швидкість обертання насоса плавно збільшується до максимальної. У нормальному випадку цього достатньо для зниження рівня води нижче L2. Значне перевищення притоком нормального призведе до перевищення рівнем води рівня L1. Тоді запускається насос Р2 і він працює, поки рівень води не буде нижче L3. Після зниження рівня води нижче L4 працює насос 1 із попередньо заданою мінімальною швидкістю, при якій потік у трубопроводі достатній для запобігання виникненню засмічень.

Трубопровідна та електрична мережі не навантажуються

Порівняно з переривчастим режимом регулювання перетворювачем частоти дозволяє досягти значної економії завдяки «м’яким» умовам пуску. Виключається виникнення частих гідравлічних ударів і електрична мережа менше навантажується завдяки відсутності частих пусків.

5. Насоси очисної споруди стічних вод

Гвинтовий насос займає багато місця

Внутрішні перекачування на очисних спорудах стічних вод, як правило, не вимагають значної висоти підйому, але вимагають переміщення великих водних мас. Висота підйому може становити лише кілька метрів. У такому випадку традиційно, певною мірою, застосовується гвинтовий насос, який частково відкритий і піднімає воду своєю нарізкою. Гвинтовий насос є саморегулювальним: при підвищенні рівня нижнього б’єфу збільшується і кількість перекачуваної води. Максимальна висота підйому становить бл. 7–8 м.

Подібним насосам потрібна досить велика будівля, оскільки гвинт буде встановлений під кутом прибл. 45° і він має доходити від рівня нижнього б’єфу до рівня верхнього б’єфу. При паралельній установці, напр. трьох гвинтів, габарити будівлі становлять вже бл. 8×8×10 м³, тобто 640 м³.

Відцентровий насос займає мало місця

Через малу висоту підйому нерегульований привод нереалістичний, оскільки сам процес досить вимогливий. У такому випадку єдина альтернатива — застосування відцентрового насоса і регулювання його швидкості обертання за допомогою перетворювача частоти. На рис. 7 зображено регулювання рівня басейну стічних вод перетворювачем частоти.

[Рис. 7. Насос перекачування стічних вод між двома аеротенками. LT = датчик рівня, В = задане значення рівня, L = регулятор рівня.]

Більш гнучкий вибір способу регулювання

Відцентровий насос із регулюванням швидкості обертання від перетворювача частоти — вигідне рішення, тому що воно дозволяє не тільки заощаджувати конкретне місце, але й більш вільно обирати спосіб регулювання, і таким чином більш ефективно використовувати регулювання швидкості обертання.

6. Повітряні компресори

Кисень інтенсифікує процес очищення

Стічна вода рідко містить кисень у кількості, достатній для ефективного очищення. Тому застосовуються повітряні компресори для збільшення вмісту кисню у воді, як показано на рис. 8. На великих очисних спорудах таких компресорів може бути кілька з потужністю сотні кіловат. На очисних спорудах виробничих і побутових вод також застосовуються повітряні компресори.

Оптимальна кількість повітря завдяки регулюванню швидкості обертання

Для забезпечення достатнього вмісту кисню компресори слід оснастити системою регулювання. Регулювання швидкості за допомогою перетворювача частоти забезпечує рівномірний вміст кисню у змінних умовах.

[Рис. 8. Повітряний компресор із регулюванням насиченості води киснем. РТ = датчик вмісту кисню, Р = регулятор, В = задане значення вмісту кисню.]

Економія енергії та обладнання

Друга важлива перевага від регулювання швидкості обертання — це економія енергії. І по-третє, деталі компресора менше зношуються при зниженій швидкості обертання.

7. Насоси для відкачування мулу

Безперервна циркуляція мулу

Дія сучасної очисної споруди значною мірою базується на очищенні стічної води за допомогою біологічних бактерій, які містяться у мулі, що осідає на дно осадового колодязя. Цей активний мул може частково використовуватися повторно шляхом перекачування його назад на початок процесу. На очисній споруді стічної води є мулові насоси двох типів: насоси поворотного мулу та насоси надлишкового мулу. Перші перекачують активний мул назад у процес, а останні відкачують надлишковий мул на підсушування.

Узгодити перекачування мулу з притоком — легко

Для узгодження перекачування мулу з притоком для насоса поворотного мулу необхідно передбачити регулювання швидкості обертання. Перетворювач частоти добре підходить для цієї мети. Регулювання за допомогою перетворювача зображено на рис. 9.

[Рис. 9. Регулювання швидкості обертання насоса поворотного мулу. В = задане значення.]