bbk 000000

УДК

Лезнов Б. С.

Уникальная система управления
(История создания ОСАУ системой подачи и распределения воды Водоканала г. Северска)

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

История создания объединенной системы автоматизированного управления (ОСАУ) режимом работы насосных установок второго подъема Водоканала г. Северска интересна и поучительна. Она показывает, что для получения хорошего результата необходимо наличие общей идеи, четко сформулированной конечной цели разработки, слаженное взаимодействие специалистов различного профиля и наличие лидера, взявшего на себя общее руководство разработкой, в том числе ее финансирование.

В 1970-х годах сотрудник лаборатории автоматизации ВНИИ ВОДГЕО Я. Н. Гинзбург разработал общий алгоритм управления режимами работы нескольких насосных станций, подающих воду в общую водопроводную сеть. Соблюдение такого алгоритма обеспечивало минимально возможный суммарный расход электроэнергии, необходимый для поддержания требуемого напора воды в диктующей точке водопроводной сети [1].

Алгоритм учитывает значения давления на входе и выходе насосных установок и разность геодезических отметок уровня земли, на которых располагаются насосные станции. Для двух насосных установок он имеет вид:

где H₁, h₁ и H₂,h₂ – сигналы датчиков, соответствующие давлению на выходе и входе первой и второй насосных установок; ∆Z_1–2 – сигнал, соответствующий разности геодезических отметок расположения первой и второй насосных станций.

Однако в то время алгоритм не мог быть реализован, поскольку не было достаточно надежных систем автоматизации, обеспечивающих плавное изменение рабочих параметров насосных агрегатов, – давление и подачу воды. С 1980 г. во ВНИИ ВОДГЕО этим направлением занялся Б. С. Лезнов, работавший над использованием регулируемого электропривода в насосных установках. Позже в этих работах принял участие опытный специалист в области автоматизации технологических процессов В. Б. Чебанов.

Усилиями специалистов ВНИИ ВОДГЕО в середине 1980-х годов в Москве была создана опытно-промышленная ОСАУ режимом работы насосных станций «Северное Тушино» и «Южное Тушино», подающих воду в общую водопроводную сеть района питания. При проведении испытаний на этих объектах были проверены основные технические решения, заложенные в ОСАУ. Но установка работала недолго и вскоре была демонтирована по следующим причинам: изменился режим водопотребления района питания и соответственно насосных станций «Северное Тушино» и «Южное Тушино»; качество частотных преобразователей ПЧТ, использованных в регулируемом электроприводе агрегатов обеих станций, оказалось очень низким; релейно-контактная аппаратура, с использованием которой была построена система, не соответствовала высоким требованиям надежности, предъявляемым к объектам водоснабжения большого города.

Однако результаты испытаний подтвердили эффективность алгоритма Я. Н. Гинзбурга, целесообразность применения регулируемого электропривода в ОСАУ и правильность принципиальных технических решений, разработанных при ее построении. На систему управления насосами было получено авторское свидетельство [2]. В начале 1990-х годов развитие силовой полупроводниковой техники и расширение контактов отечественных предприятий с зарубежными фирмами позволили создать более надежные частотные преобразователи и соответственно надежный регулируемый электропривод насосных агрегатов. Появление микропроцессорных контроллеров и промышленных компьютеров, а также развитие средств коммуникации (оптоволоконная связь, радиосвязь и проч.) позволили установить более надежную связь между объектами ОСАУ, расположенными на большом расстоянии друг от друга. Таким образом, появились предпосылки для создания ОСАУ нового поколения.

В 1991 г. вышла в свет книга [3], в которой излагались и обобщались результаты разработок в области применения регулируемых электроприводов в насосных установках, в том числе и методика прогнозирования экономии энергии при использовании регулируемого электропривода, а также описание ОСАУ. На основе этих разработок в 1993 г. Н. Т. Агеева (ТОО «Ресурс-7», г. Северск) выполнила анализ режимов работы станций второго подъема г. Северска [4], вычислила ожидаемую экономию энергии при использовании регулируемых электроприводов на этих объектах и предложила создать в г. Северске ОСАУ, аналогичную описанной в работе [3].

В качестве объекта первоочередного внедрения была выбрана насосная станция второго подъема водозабора № 2 г. Северска. Однако проектирование САУ осуществлялось для насосных станций второго подъема обоих водозаборов города с тем, чтобы эти локальные системы управления могли в перспективе войти в объединенную систему автоматизированного управления режимом подачи и распределения воды.

Разработка САУ выполнялась комплексно – решались вопросы не только автоматизации, но и технологии подачи воды. В частности, высоконапорный насос 8НДв (номинальный напор 90 м вод. ст., номинальная подача 450 м³/ч) был заменен насосом Д1250-63 (номинальный напор 63 м вод. ст., номинальная подача 1250 м³/ч). При этом замены электродвигателя (250 кВт, 1475 об/мин) не потребовалось. Это позволило уменьшить количество работающих насосных агрегатов на станции, снизить величину избыточных напоров и существенно сократить расход электроэнергии, даже без применения регулируемого электропривода.

Комплексное решение технических проблем позволило организовать эффективный режим работы основных насосных агрегатов и существенно приблизить его к условиям работы водопроводной сети города.

Полное соответствие режимов работы насосной установки и водопроводной сети города должен был обеспечить автоматизированный регулируемый электропривод. По результатам технико-экономического сравнения показателей электроприводов различных фирм было решено разработать и изготовить на отечественном предприятии новый, относительно дешевый частотно-регулируемый привод, соответствующий требованиям того времени.

ОАО «Эрасиб» (г. Новосибирск) приняло на себя разработку и изготовление преобразователя мощностью 250 кВт для Водоканала г. Северска по заданным техническим условиям. Главный конструктор ОАО «Эрасиб» В. М. Берестов предложил новое и перспективное решение: изготовить частотный преобразователь на IGBT-транзисторах. Под его руководством был разработан и изготовлен преобразователь Эратон-4М. Одновременно в ООО «Ягорба» под руководством В. Б. Чебанова была создана для этого объекта САУ, которая обеспечивала:

• регулирование подачи воды насосной установки в соответствии с изменением водопотребления в районе питания. Регулирование осуществлялось изменением частоты вращения рабочего колеса насосного агрегата № 3, а при существенном изменении подачи воды дополнялось изменением количества работающих агрегатов;
• поддержание заданного давления на напорном коллекторе насосной станции, а в перспективе – и в диктующей точке водопроводной сети. Предусматривалась возможность изменения уставки заданного давления с главного диспетчерского пункта сооружений водозабора № 2;
• плавный пуск насосного агрегата с заданным ускорением;
• удержание технологических и электрических параметров насосного агрегата в рабочем диапазоне, что исключало перегрузку агрегата и предотвращало вхождение его в режимы помпажа и кавитации, а также и в зону низких значений КПД;
• выдачу сигнала оперативному персоналу о необходимости включения или отключения нерегулируемых насосных агрегатов при существенных изменениях водопотребления;
• переход с автоматического управления регулируемым насосом на ручное управление двух видов – местное из насосной станции или дистанционное из помещения главного диспетчерского пункта.

Система самостоятельно формировала сигнал-совет диспетчеру о необходимости включения или отключения нерегулируемых насосных агрегатов: увеличение числа работающих агрегатов требуется, когда давление на коллекторе падает, а частота вращения рабочего колеса регулируемого агрегата достигает максимального значения; уменьшение – когда давление на коллекторе продолжает расти, а подача регулируемого насоса приблизилась к нулю.

Первоначально в системе управления использовался микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130 (завод «Промприбор», г. Чебоксары). Впоследствии его заменили более совершенным контроллером Siemens S-200. В качестве параметра регулирования в САУ использовалось давление на напорном коллекторе станции. Одновременно предусматривалась возможность перехода в перспективе на давление в диктующей точке сети.

В декабре 1996 г. САУ насосной установки второго подъема водозабора № 2 г. Северска с частотным преобразователем Эратон-4М была включена в работу, а в 1997 г., после проведения соответствующих испытаний, сдана в опытно-промышленную эксплуатацию [5]. Через 5 лет работы окупивший себя преобразователь Эратон-4М заменили новым преобразователем АТ-04 фирмы «Триол».

Опыт эксплуатации энергосберегающей САУ станции второго подъема водозабора № 2 подтвердил целесообразность и эффективность ее работы. Директор Водоканала г. Северска Г. Е. Сиволов принял решение о создании аналогичной САУ на станции второго подъема водозабора № 1 и построении ОСАУ системой подачи и распределения воды (СПРВ) города.

Разработку проекта ОСАУ и САУ насосной станции второго подъема водозабора № 1 вместе с изготовлением шкафов автоматики поручили ООО «Ягорба», а частотного преобразователя – ОАО «Эрасиб». Насосная станция второго подъема водозабора № 1 оказалась более сложным объектом. Насосные агрегаты установлены на уровне земли и поэтому не всегда находились «под заливом». Это обстоятельство осложняло пуск насосных агрегатов и затрудняло работу системы при низких уровнях в резервуарах чистой воды.

В марте 2000 г. система была подготовлена к пуску. Предстояло взаимное подключение САУ и преобразователя. Однако при проведении пусконаладочных работ из-за аварии (короткое замыкание) новый частотный преобразователь Эратон-4М вышел из строя. Выгорела практически вся аппаратура, установленная в корпусе преобразователя. Причиной аварии стал некачественный конденсатор. Пуск САУ пришлось отложить до конца 2000 г. Специалисты ОАО «Эрасиб» отремонтировали (практически изготовили новый) преобразователь Эратон-4М, полностью заменив комплектующие изделия более надежными. В декабре 2000 г. САУ на насосной станции второго подъема водозабора № 1 г. Северска с новым преобразователем Эратон-4М была введена в эксплуатацию.

Энергосберегающие САУ, оснащенные регулируемыми электроприводами, на обеих станциях второго подъема позволили оперативному персоналу обеспечить более гибкий и эффективный режим работы объекта. Однако при отсутствии единой системы управления обеими насосными станциями оптимизировать режим работы СПРВ в целом было невозможно. Изменение режима работы одной из станций неизбежно оказывало влияние на работу другой. Ее локальная система автоматики также начинала менять режим работы своих насосных агрегатов. При этом возникали неконтролируемые перемещения потоков воды по магистралям и водоводам СПРВ. В таких условиях невозможно стабилизировать давление в диктующих точках сети и обеспечить минимальное суммарное потребление электроэнергии обеими насосными станциями. Кроме того, в таких условиях трудно обеспечить равномерное расходование воды из резервуаров чистой воды обеих водопроводных станций.

Таким образом, после оснащения насосных станций локальными энергосберегающими САУ возникла необходимость ускорить создание объединенной системы автоматизированного управления обеими станциями второго подъема и СПРВ города. Решающую роль в создании ОСАУ сыграла активная позиция директора Водоканала г. Северска Геннадия Ефремовича Сиволова.

После ввода в эксплуатацию САУ насосной станции второго подъема водозабора № 1 началась подготовка исходных данных, необходимых для создания ОСАУ. В первую очередь необходимо было изучить режимы работы обеих станций в увязке с водопроводной сетью города, выбрать местоположение контрольных точек на водопроводной сети и определить районы питания обеих станций. Эта часть работы выполнялась силами Водоканала города на основе обобщения опыта эксплуатации водопроводной сети, а также специалистами ООО «Ягорба» на основе ее гидравлического расчета (С. В. Воробьев и Р. Х. Каримов).

Кроме того, непосредственно на водопроводной сети города специалисты Водоканала и ООО «Ягорба» провели серию проверочных измерений. В итоге были определены районы питания обеих станций; выяснены пределы перемещения границ районов питания в зависимости от изменения режима водопотребления города; намечены контрольные точки на водопроводной сети, а также определены диапазоны изменения подачи воды обеими станциями и значения напоров на коллекторах.

При оснащении контрольных точек на сети датчиками давления были приняты меры, исключающие влияние местных отборов воды на их показания. Для этого импульсные трубки присоединялись непосредственно к водопроводным магистралям, а не к вводам в жилые дома и промышленные предприятия.

В ОСАУ были использованы современные технологические и электрические датчики, микропроцессорные контроллеры, промышленные компьютеры и другие средства автоматизации. Однако самым сложным и ответственным был выбор каналов связи, по которым на центральный диспетчерский пункт города должна была передаваться информация о давлении в контрольных точках водопроводной сети и технологических параметрах с обеих насосных станций второго подъема. От использования телефонных пар городской сети пришлось отказаться, поскольку надежность работы водопровода не должна зависеть от недостаточно надежной телефонной связи. Радиоканалы на тот момент времени тоже не могли обеспечить надежной передачи информации и управляющих сигналов. В конечном счете проблема была решена Г. Е. Сиволовым, который обеспечил создание оптоволоконных каналов связи и выделение специальных пар для передачи информации из контрольных точек на центральный диспетчерский пункт города [6].

В соответствии с проектом, из центрального диспетчерского пункта осуществляется централизованное управление обеими насосными станциями по давлению в одной из контрольных точек сети, которая в данный момент времени выбирается в качестве диктующей. Выбор контрольной точки и принятие решения о том, какая насосная станция должна быть «ведущей», а какая – «ведомой», возлагается на дежурных операторов. Они же корректировали уставку «∆H», которая определяет соотношение между расходами воды, подаваемой обеими станциями второго подъема.

Дежурный оператор ОСАУ имеет возможность контролировать режим работы каждой станции по отображаемой на мониторе компьютера информации о следующих параметрах: уровне воды в резервуарах чистой воды обеих станций, количестве работающих насосных агрегатов, нагрузке агрегатов, оснащенных регулируемым электроприводом, и др.

Потребовалось немало сил и времени для решения всех проблем, возникавших при создании ОСАУ. После первого пробного пуска ОСАУ 30 марта 2001 г. вышел из строя частотный преобразователь на насосной станции водозабора № 2. Много времени заняло создание надежных каналов связи. И только в апреле 2005 г. состоялся окончательный ввод системы в промышленную эксплуатацию [6].

26 апреля 2005 г., после выполнения пусконаладочных работ, ОСАУ была включена в работу для проведения приемосдаточных испытаний. Непосредственно наладку, настройку и ввод ОСАУ в эксплуатацию осуществляли специалисты ООО «Ягорба» Ю. Б. Исхаков, С. В. Воробьев совместно с работниками Водоканала г. Северска П. Б. Ивансоном и И. М. Казаком. Они же обучали операторов центрального диспетчерского пункта и насосных станций, которым предстояло эксплуатировать новую систему.

29 апреля 2005 г., после проведения приемосдаточных испытаний,ОСАУ была принята в промышленную эксплуатацию. Опыт ее работы показал, что объем воды, поданной от насосной станции № 1, по сравнению с тем же периодом прошлого года уменьшился на 12,8%, а от насосной станции № 2 – увеличился на 5,3%. Применение ОСАУ позволило сократить общий расход воды на 4,1%. Суммарное энергопотребление обеих насосных станций, по предварительным данным, сократилось на 180–200 тыс. кВт·ч/год за счет более правильного распределения нагрузки между станциями и более точного поддержания заданного давления в водопроводной сети.

Выводы

Энергосберегающие мероприятия, реализованные Водоканалом г. Северска с 1996 г. на насосных станциях второго подъема и в системе подачи и распределения воды, позволили сократить расход энергии примерно на 2,2 млн. кВт·ч/год и воды на 365 тыс. м³/год. К числу наиболее эффективных мер можно отнести замену малопроизводительных и высоконапорных насосов более производительными, создание локальных систем автоматизированного управления на обеих станциях второго подъема на водозаборах и создание объединенной САУ системой подачи и распределения воды г. Северска.

Список цитируемой литературы

1. Гинзбург Я. Н. Оптимальное управление системой водоснабжения // Механизация и автоматизация производства. 1971. № 1.
2. А. с. 1366704, выдано 15 сентября 1987 г. по заявке № 4019154. Система управления насосами / В. Б. Чебанов, Я. Н. Гинзбург, Б. С. Лезнов.
3. Лезнов Б. С. Экономия электроэнергии в насосных установках. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Технико-экономические расчеты применения регулируемого электропривода в САУ насосных установок предприятий «Северскводоканал». ТОО «Ресурс-7». – Инв. № 293-Р7-01, 1993.
5. Лезнов Б. С., Чебанов В. Б., Агеева Н. Т. и др. Частотный преобразователь на IGBT-транзисторах в системе автоматизированного управления насосной установкой // Водоснабжение и сан. техника. 1998. № 3.
6. Лезнов Б. С., Гинзбург Я. Н., Чебанов В. Б. и др. Объединенная система управления режимом работы насосных станций, подающих воду в общую сеть // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 11.