X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настоящее время существует широкая возможность выбора насосов, включая современные и функциональные модели, отличающие друг от друга качеством, техническим и эксплуатационными параметрами, а также своей себестоимостью.

Насосные установки являются важнейшей частью горной промышленности. От правильности выбора зависит их долговечность и эффективность использования. В горной промышленности используется регулируемые электропривода насосных установок в основном для процессов обогащения полезных ископаемых, в оборотных системах водоснабжения, для подачи чистой воды, как для населения градообразующих предприятий, так и для технологических нужд.

Использование для насосных установок нерегулируемого электропривода приводит к большому потреблению энергии и вследствие финансовой потери для предприятия. Для решения этой проблемы применяется частотно-регулируемый электропривод в насосных установках, который позволяет экономить электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции. Широко применяемый вид обеспечение энергоэффективности и ресурсосбережения на пульповых насосных установках – это применение частотно-регулируемого электропривода.

Рассмотрим пульповый насос Warman 20/18 HGY-AHP. Насосный агрегат оснащен асинхронным высоковольтным электродвигателем (6 кВ) типа АОД-1600-12У1.

Предмет исследования – автоматизированный электропривод насосных установок. Его применение позволяет производить плавный разгон и остановку мощных агрегатов, исключая появление гидроударов в трубопроводе при запуске в работу нового двигателя. Шламовый насос Warman 20/18 HGY-AHP предназначен для перекачивания гравийных, песочно-гравийных, шлаковых, золошлаковых гидросмесей, которые работают с материалом средней и высокой абразивности (линии дробления, после мельниц первой и второй стадий измельчения, при транспортировке концентратов и хвостов обогатительных фабрик и т.д.), плотностью до 2500 кг/м³, водородным показателем среды pH от 6 до 12, размером твердых включений до 12 мм. и температурой от +5 до + 60° С. Объемной концентрацией твердых включений до 40 %, микротвердостью до 11000 МПа.

Насос Warman 20/18 HGY-AHP используется в любой отрасли промышленности: горно-обогатительные и горно-металлургические предприятия, теплоэлектростанции, предприятия по производству цемента, алмазо- и золотодобывающие предприятия, технологические линии дробления, обогащения полезных ископаемых и т.п.

Таблица 1 - Технические характеристики шламового насоса

№ п/п	Параметры насоса	Значение параметров
1	Тип насоса	Warman 20/18 HGY-AHP
2	Мощность, кВт	1400
3	Подача Q, м3/ч	2800
4	Напор H, м	90
5	Частота вращения n, об/мин	500
6	КПД , %	66,7
7	Вес с основанием m, кг	20900

Выбор преобразователя частоты осуществляется по номинальной мощности приводного электродвигателя насоса. В работе рассматривается высоковольтный двигатель АОД-1600-12У1 мощностью 1600 кВт для насоса Warman 20/18 HGY-AHP. Выбираем высоковольтный частотно-регулируемый электропривод в системе автоматической стабилизации уровня жидкости.

Рис.1. Графические зависимости подачи, напора, КПД и мощности от угловой скорости насоса в относительных единицах

Произведем расчет потребление электроэнергии насосным агрегатом.

Таблица 2 - Почасовой график водопотребления в течение месяца

Дата	01.ноя	02.ноя	03.ноя	04.ноя	05.ноя	06.ноя	07.ноя	08.ноя	09.ноя	10.ноя
Q, м3/час	2263	2346	2071	1371	2246	2304	2208	2138	2079	1996
Q*	0,808	0,838	0,740	0,490	0,802	0,823	0,789	0,763	0,743	0,713
Дата	11.ноя	12.ноя	13.ноя	14.ноя	15.ноя	16.ноя	17.ноя	18.ноя	19.ноя	20.ноя
Q, м3/час	1238	200	233	1583	1579	2142	1946	1183	2063	2092
Q*	0,442	0,071	0,083	0,565	0,564	0,765	0,695	0,423	0,737	0,747
Дата	21.ноя	22.ноя	23.ноя	24.ноя	25.ноя	26.ноя	27.ноя	28.ноя	29.ноя	30.ноя
Q, м3/час	2600	2754	2604	2850	1663	2633	2629	2642	2854	2708
Q*	0,929	0,984	0,930	1,018	0,594	0,940	0,939	0,943	1,019	0,967

По рисунку 1 графическим способом определяется относительное значение мощности, соответствующее относительной величине подачи. Индекс iобозначает принадлежность подачи и мощности к каждой из дат, приводимых в таблицу 1. Относительное значение мощности пересчитывается в абсолютную величину путем умножения относительной величины на номинальную мощность. При расчете потребленной мощности насосным агрегатом необходимо учесть КПД электродвигателя и КПД преобразовательного устройства, обеспечивающего регулирование угловой скорости. Так как КПД электродвигателя практически не зависит от угловой скорости, то в расчетах можно принять номинальное значение КПД двигателя. КПД большинства преобразовательных устройств, таких как преобразователь частоты или асинхронно-вентильный каскад, имеют величину = 0,96.

Расчетная формула для определения потребленной мощности при регулировании угловой скорости насоса для каждой из дат имеет следующий вид

Полученные данные приводятся в таблицу 3.

Дата	01.ноя	02.ноя	03.ноя	04.ноя	05.ноя	06.ноя	07.ноя	08.ноя	09.ноя	10.ноя
N*	0,610	0,661	0,502	0,223	0,599	0,635	0,578	0,538	0,507	0,464
P, кВт	900,33	975,61	740,93	329,14	884,10	937,23	853,10	794,06	748,31	684,84
Дата	11.ноя	12.ноя	13.ноя	14.ноя	15.ноя	16.ноя	17.ноя	18.ноя	19.ноя	20.ноя
N*	0,187	0,020	0,024	0,291	0,290	0,541	0,439	0,173	0,499	0,513
P, кВт	276,00	29,52	35,42	429,50	428,03	798,49	647,94	255,34	736,50	757,16
Дата	21.ноя	22.ноя	23.ноя	24.ноя	25.ноя	26.ноя	27.ноя	28.ноя	29.ноя	30.ноя
N*	0,839	0,963	0,842	1,044	0,320	0,864	0,862	0,837	1,045	0,922
P, кВт	1238,3	1421,3	1242,75	1540,90	472,31	1275,22	1272,27	1235,4	1542,37	1360,83

Суммарная мощность .

Средняя потребляемая мощность:

где i = 30 - число дат измерения водопотребления.

Годовое потребление электроэнергии при регулировании угловой скорости насоса:

где час/год - количество часов работы насоса в год.

Для определения экономии электроэнергии определяется потребление электроэнергии при нерегулируемом варианте электропривода насосного агрегата:

Годовая экономия электроэнергии при применении регулируемого электропривода:

что составляет 41,6 % экономии электроэнергии.

Годовая подача насоса при нерегулируемом варианте:

,

Годовое водопотребление при регулируемом варианте:

где = 12 - количество месяцев в году.

Удельное потребление электроэнергии при нерегулируемом варианте электропривода:

Удельное потребление электроэнергии при регулируемом варианте электропривода:

На рисунках 2 и 3 представлены электромеханические и механические характеристики частотно-регулируемого электропривода насоса Warman 20/18 HGY-AHP с двигателем АОД-1600-12У1.

Рис. 2. Электромеханические характеристики частотно-регулируемого электропривода насоса Warman 20/18 HGY-AHP с вентиляторным законом частотного регулирования

Рис. 3. Механические характеристики частотно-регулируемого электропривода насоса Warman 20/18 HGY-AHP с вентиляторным законом частотного регулирования

Электрические схемы автоматизированного частотно-регулируемого электропривода содержат силовую цепь и цепи управления. В зависимости от напряжения и мощности двигателя силовая цепь частотно-регулируемого электропривода строится по различным схемам.

Для низковольтных электродвигателей используются низковольтные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения. Для высоковольтных электродвигателей силовая схема может строиться по двум вариантам. При мощности приводных электродвигателей насосов от 200 до 1600 кВт рекомендуется использовать двухтрансформаторную систему, которая содержит низковольтный преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и два трансформатора для понижения и повышения напряжения. При мощности приводного высоковольтного электродвигателя насоса свыше 1600 кВт используется бестрансформаторная схема с высоковольтным преобразователем частоты.

Рис. 3. Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод в системе автоматической стабилизации уровня жидкости

Основным элементом замкнутой цепи управления в системе стабилизации уровня жидкости является датчик уровня, который формируется из погружного зонда и преобразователя уровня ПУ. Для связи погружного зонда с преобразователем уровня использует специальный кабель с защитными свойствами от агрессивной среды, а связь сигнала по уровню, пропорционального уровню жидкости в резервуаре, с системой управления преобразователя частоты используется специальный кабель с защитой от электромагнитных помех. Система управления преобразователя частоты имеет встроенный ПИД-регулятор с функциями формирования сигнала задания по уровню U_зу и обработки сигнала обратной связи по уровню u_оу. Сигналы от датчика уровня и от задающего устройства поступают в ПИД-регулятор, где они сравниваются между собой, соответствующем образом обрабатываются и передаются в систему управления преобразователя частоты. Если уровень в резервуаре выше заданного значения, в электропривод поступает команда на увеличение угловой скорости электродвигателя насоса, и наоборот. При соответствии уровня жидкости заданному значению, изменение угловой скорости насоса прекращается.

В заключении можно сделать вывод, что насос Warman 20/18 HGY-AHP с электродвигателем типа АОД-1600-12У1 оказался наиболее энергоэффективным, так как при нерегулируемом варианте электропривода насосного агрегата потребление электроэнергии составляет 12412175,4 кВт·час/год намного выше, чем с регулируемом электроприводом – 7254226,98 кВт·час/год. Это означает, что при регулируемом электроприводе потребление электроэнергии выгодно на 5157948,46 кВт·час/год т.е. составляет 41,6% и финансово выгодным на 20528634,87 руб/год.

Таким образом, применение регулируемого привода увеличивает срок службы двигателя привода насоса и обеспечивает требуемую подачу пульпы и соответствующий ей расход электроэнергии. Используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с комплектным преобразователем частоты.

Список литературы:

Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий. – М.: Изд. «Горная книга», 2011.

Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. – М.: Стройиздат, 1986.

Лезнов Б.С. Методика оценки эффективности применения регулируемого электропривода в водопроводных и канализационных насосных установках. – М.: Машиностроение, 2011.

Плеханов С.Н. Увеличение максимальной частоты вращения двигателей переменного тока с помощью переключения их обмоток электронными ключами. – М.: Электропривод, 2007. – №3.

Онищенко Г.Б. Электрический привод. – М.: РАСХН, 2003.

Кацман М.М. Электрический привод: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. оборазования – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр "Академия", 2013. – 384 с.

Лобачев П.В. Насосы и насосные станции: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1983. – 191 с.

Матвеев М.А. Водо-воздушное хозяйство обогатительных фабрик: Учебное пособие для вузов. – М.: Гос. научно-техническое изд-во "Горная книга", 1961. – 282 с.

Москаленко В.В. Электрический привод: учебник для студ. сред.проф.оборазования. – 5-е изд., стер. – М.: Издательский центр "Академия", 2009. – 368 с.

Егоров А.Н., Семенов А.С., Федоров О.В. Практический опыт применения преобразователей частоты Power Flex 7000 в горнодобывающей промышленности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2017. – № 4 (119). – С. 86-93.

Рушкин Е.И., Семёнов А.С. Анализ энергоэффективности системы электропривода центробежного насоса при помощи моделирования в программе MATLAB // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-2. – С. 341-342.

Семёнов А.С., Кугушева Н.Н., Хубиева В.М. Моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода вентиляторной установки главного проветривания применительно к подземному руднику по добыче алмазосодержащих пород // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-5. – С. 1066-1070.

Решетняк С.Н., Фащиленко В.Н., Федоров О.В. Особенности применения преобразовательной техники на горнодобывающих предприятиях России // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2008. – № 6. – С. 331-334.

Федоров О.В. Оценки эффективности частотно-регулируемых электроприводов: монография. / О.В. Федоров. – М.: Издательский Дом «Инфра-М», 2011. – 144 с.

Федоров О.В. Частотно-регулируемый электропривод в экономике страны: монография. / О.В. Федоров. – М.: Издательский Дом «Инфра-М», 2011. – 142 с.

Семёнов А.С., Бондарев В.А. Анализ показателей качества электрической энергии при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 4-1. – С. 112-117.

Семёнов А.С. Моделирование режимов работы асинхронного двигателя в пакете программ МАТLАВ // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. – 2014. – Т. 11. – № 1. – С. 51-59.

Семёнов А.С. Моделирование автоматизированного электропривода: методические указания по выполнению лабораторных работ. – М.: «Издательство «Спутник+», 2012. – 60 с.

Семёнов А.С. Моделирование режимов работы асинхронного двигателя при прямом пуске и с преобразователем частоты в пакете программ MATLAB // Естественные и технические науки. – 2013. – № 4 (66). – С. 296-298.

Код для цитирования: Скопировать