Управление вентиляторным, насосным и компрессорным оборудованием

Все регулирующие устройства в зависимости от их влияния на характеристику сети или нагнетателя можно разделить на три группы. В первую группу входят устройства, дросселирующие сеть, т.е. изменяющие характеристику сети, но не изменяющие характеристику нагнетателя. К таким устройствам относятся клапаны, шиберы, задвижки, диафрагмы и т.п. При дросселировании параметры рабочей точки (подача, давление, мощность и КПД) определяют на характеристике нагнетателя при неизменной частоте вращения рабочего колеса. Вторую группу образуют устройства, изменяющие частоту вращения рабочего колеса (характеристику нагнетателя). При этом характеристика сети не меняется.
Известно много устройств, позволяющих изменять частоту вращения рабочего колеса: электродвигатели постоянного и переменного тока, фрикционные передачи, гидромуфты, индукторные муфты скольжения и др. Третья группа включает в себя устройства, одновременно изменяющие характеристику нагнетателя и сети. Примером такого устройства является входной направляющий аппарат, устанавливаемый в вентиляционном агрегате. Сопротивление самого направляющего аппарата необходимо учитывать при снятии характеристики вентиляционного агрегата.
Изменение подачи или давления нагнетателя при регулировании, отнесенное к подаче или давлению при исходном режиме, характеризует глубину регулирования.
Это ограничивает область его применения главным образом маломощными установками с относительно небольшим требуемым диапазоном регулирования.
Зависимости КПД от расхода при регулировании задвижкой и изменением частоты вращения, рассчитанные для конкретного насоса, приведены. При регулировании центробежных насосов, подающих воду, дросселирующее устройство нужно располагать на напорном трубопроводе, так как если установить его на всасывающем трубопроводе, то при регулировании могут возникать кавитационные явления в потоке и нарушение нормальной работы насоса.
Аналогично обеспечиваются регулирование расхода и его стабилизация в соответствии с заданным значением Q3 при произвольном изменении характеристик сети. Такой случай имеет место в технологических агрегатах химической промышленности, когда по значению заданного расхода насоса осуществляют расчет массы (объема) жидкости, поступающей в агрегат за известный интервал времени.
Стабилизация расхода при изменении характеристики сети будет сопровождаться изменением напора от НА до Нс, при этом частота вращения насоса будет меняться от (лх до значения ы3-
Насосные агрегаты обычно объединяются в насосные станции, при этом несколько насосов работает параллельно на одну сеть.
Регулирование подачи насосной станции изменением частоты вращения насосов, имеющих различные характеристики. Если два насоса с суммарной характеристикой 2 работают на сеть с характеристикой 1 в точке А с производительностью QA и необходимо уменьшить их производительность до Q/, то это можно сделать двумя способами: уменьшить частоту вращения обоих насосов (их характеристики Зи4и суммарная характеристика 2') или снизить, но более значительно, частоту вращения одного из насосов (характеристика 5 при сниженной частоте вращения). Регулирование производительности изменением частоты вращения одновременно двух насосов по своим показателям равноценно регулированию частоты вращения насоса при его одиночной работе.
С точки зрения экономичности регулирования более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих насосов. Однако это связано с увеличением капитальных затрат на оснащение всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для большинства насосных станций достаточно иметь только один регулируемый агрегат и осуществлять более глубокое регулирование отключением отдельных насосов.
Ряд применяемых компрессоров, насосов и вентиляторов не требует регулирования скорости: вентиляционные установки цеховых помещений, пожарные насосы, насосы некоторых водопроводных магистралей, подавляющее большинство заюдских компрессорных установок и др. Поэтому для них используют асинхронные или синхронные (обычно при мощностях свыше 300 кВт) двигатели переменного тока, управление которыми осуществляется магнитными или бесконтактными пускателями (при малых мощностях), стандартными или специальными пусковыми станциями. Для асинхронных и синхронных двигателей такие станции предусматривают прямой, реакторный и автотрансформаторный способы пуска.
Совместная работа нагнетателей. В состав технологических схем подачи воздуха в производственные помещения или подачи воды на определенных технологических операциях входят, как правило, несколько нагнетателей. Совместная работа нагнетателей в большинстве случаев вызвана следующими причинами:
один нагнетатель не может обеспечить требуемую подачу или давление, а замена его другим, более мощным, невозможна;
в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями технологического процесса возникают режимы, связанные с продолжительным изменением расхода и сопротивления сети (изменение режима осуществляется отключением одного из нагнетателей);
требуется обеспечить надежность работы всей системы в целом;
архитектурно-планировочные решения зданий приводят к созданию сложных разветвленных сетей, для регулирования которых с наибольшей эффективностью требуется установка-нескольких нагнетателей.
Включение нагнетателей в совместную работу может быть параллельным, последовательным и смешанным (комбинированным).
Рассмотрим работу нагнетателей при их совместной работе на примере вентиляторов с параллельным включением. Все ниже изложенное будет справедливо и для насосов. Но вместо параметра Р необходимо иметь в виду Н, а вместо L— Q. Характеристика Н смещена на значение Яст.
Параллельное включение нагнетателей. Параллельное включение двух и большего числа нагнетателей рекомендуется тогда, когда требуется увеличение подачи, а соответствующее увеличение частоты вращения рабочего колеса или размеров нагнетателя невозможно из-за чрезмерного усиления шума, конструктивных или архитектурно-планировочных причин.
Известны три основные схемы параллельного включения нагнетателей: полностью параллельное включение и полупараллельное включение по схемам.
На рис в сеть включены нагнетатели с одинаковыми характеристиками. Для упрощения анализа пренебрежем сопротивлением индивидуальных участков сети (участки 1— 2). В этом случае, как и в случае любого совместного включения, главным является определение режима работы не только всей системы в целом, но и каждого из нагнетателей. Функциональная зависимость давления нагнетателя от его подачи сложна и чаще всего задается графически в виде характеристики P=f(L), поэтому наиболее простой способ анализа — графический. Обычно применяют метод суммарной характеристики нагнетателей.
Давления, создаваемые каждым нагнетателем в точках 1 и 2, одинаковы, а общая подача равна сумме подач отдельных нагнетателей. Отсюда следует правило построения суммарной характеристики параллельно включенных нагнетателей: при одинаковом давлении нужно сложить подачи.
Построение суммарной характеристики нагнетателей с разными характеристиками в принципе не отличается от предыдущего построения.
Если несколько нагнетателей, имеющих разные характеристики, подключить к одной камере, то в ней можно создать настолько значительное давление, что один из нагнетателей не сможет ему противодействовать, и поток воздуха пойдет через этот нагнетатель в обратную сторону. При этом разность полных давлений с обеих сторон нагнетателя останется положительной, а поток изменит направление и нагнетатель, следовательно, будет работать при отрицательных подачах (L < 0). Направление вращения рабочего колеса при этом не изменяется, поэтому нагнетатель по-прежнему потребляет мощность (в противном случае нагнетатель стал бы работать как турбина, отдавая мощность на вал).
Из формулы следует, что более мощные нагнетатели должны работать с максимальным КПД, а регулировать расход в системе целесообразнее менее мощным нагнетателем.
Рассмотренный выше метод построения суммарной характеристики нагнетателей можно применять при любом числе нагнетателей.
Последовательное включение нагнетателей. Последовательное включение двух или большего числа нагнетателей применяется тогда, когда давление, создаваемое одним нагнетателем, недостаточно для преодоления сопротивления сети.
При последовательном включении одно и то же количество воздуха последовательно перемещается всеми нагнетателями, а давление, необходимое для преодоления сопротивления всей сети, равно сумме давлений, создаваемых каждым нагнетателем. Так как кинетическая энергия, сообщенная потоку первым нагнетателем, не теряется на удар, то общее статическое давление больше суммы статических давлений отдельных нагнетателей.
Если нагнетатель включить последовательно с более мощным, то его подача может увеличиться до значений, гораздо больших, чем его собственная максимальная подача. При этом он станет сопротивлением для более мощного нагнетателя, т.е. при сохранении направления подачи (L > 0) разность давлений с обеих сторон нагнетателя изменит знак.
Система управления насосом с преобразователем частоты. Наиболее современным является регулирование с помощью преобразователей частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателя насоса и поддерживать давление в гидросистеме при разных расходах перекачиваемой жидкости. При малых расходах жидкости двигатель насоса вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода жидкости преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность насоса при сохранении заданного давления.
На рис показана функциональная схема регулирования электродвигателя насоса с использованием преобразователя частоты FR-A500 фирмы «Mitsubishi electric». На вход системы подаются сигналы задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика давления, установленного в цепи обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет частоту вращения электродвигателя насоса и стремится привести разность между заданным и реальным значениями к нулю. Таким образом, давление в системе поддерживается равным заданному и не зависит от расхода.
Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Для реализации системы требуется только внешний датчик давления.
Система управления насосом с использованием нечеткой логики. Рассмотрим пример управления асинхронным электроприводом центробежного насоса для стабилизации давления в системе водоснабжения. Система управления включает в себя микропроцессорную систему, реализующую управление по правилам нечеткой логики, и преобразователь частоты, позволяющий регулировать подачу насоса изменением его частоты вращения. Функции принадлежности входных и выходных сигналов, правила принятия решений формируются на основе знаний эксперта (опытного специалиста) о ходе технологического процесса.
Значение давления Р определяется датчиком давления, сигнал с которого после двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования поступает в микропроцессорную систему управления в виде целого числа (от 0 до 4000). Положим, что значение требуемого давления находится на середине диапазона измерения датчика.
Заданное давление Р3 примем равным 2000. Тогда отклонение текущего давления (ошибка регулирования) от заданного значения находится в диапазоне от минус 2000 до плюс 2000. Для перехода к нечетким переменным по отклонению давления примем стандартную форму функций принадлежности трех термов: уменьшить (М), норма (Н) и увеличить (В).
Чтобы более качественно управлять процессом, вычисляется также скорость изменения давления vP, которая может принимать значения от минус 2000 до плюс 2000. Для перехода к нечетким переменным скорости изменения давления примем стандартную форму функций принадлежности трех термов: уменьшить (М), норма (Н) и увеличить (В).
Для регулирования с помощью преобразователя частоты скорости электропривода насоса используем сигнал задания скорости иа, который поступает с выхода цифроаналогового преобразователя микропроцессорной системы управления. Формированием управляющего сигнала обеспечивается изменение частоты вращения со, которое определяется целым числом в диапазоне от 0 до 4000. В лингвистических переменных нечеткой логики управление изменением частоты вращения может быть представлено пятью термами: сильно уменьшить (СМ), уменьшить (М), норма (Н), увеличить (В) и сильно увеличить (СВ).
Аналогично составляются остальные правила. Если анализировать все возможные состояния условий, то для рассматриваемого случая можно составить девять правил. Совокупность всех правил удобно представить в виде таблицы, в которой столбцы соответствуют условиям одного параметра, строки — условиям другого параметра, а на их пересечениях записываются выводы, соответствующие этим условиям.
В качестве метода дефазификации примем метод центра тяжести. Рассмотрим, как определяется управление в некоторой точке движения системы.
Допустим имеет место отклонение давления, равное минус 800, оно продолжает снижаться со скоростью минус 400. В этом случае термы М и Н отклонения давления имеют степень принадлежности 0,4 и 0,6 соответственно, а термы М и Н скорости изменения давления равны 0,2 и 0,8. Остальные термы имеют степень принадлежности, равную 0. Для принятой формы записи правил степень принадлежности антецедента каждого правила определяется по минимуму всех условий.