Подсмотрено: WB-MAP и управление насосами12.11.2024 10:00

Мы много общаемся с интеграторами — помогаем решать их проблемы, консультируем по нюансам применения нашего оборудования, и… подсматриваем. Подсматриваем за интересными инженерными решениями. Сегодня я хочу рассказать об одном таком решении — использовании нашего счетчика электроэнергии (измерителя параметров электрической сети) в управлении циркуляционными и подпиточными насосами и в устройствах автоматического ввода резерва (АВР) этих насосов.

О котельных

Наш интегратор «Феррон-строй» больше двадцати лет занимается котельными:   проектирует, строит/монтирует, занимается пусконаладкой и дальнейшим сервисным обслуживанием. Котельными самыми разными — от бытовых в ИЖС до центральных многомегаваттных. Наибольшим спросом пользуются автономные котельные, отапливающие одно здание. Здание жилое, производственное или административное — неважно. Эти котельные размещают на крыше либо встраивают в здание, либо пристраивают к нему, либо стоят отдельно — тоже неважно.

Крышная котельная

Мощностью они, как правило, в несколько мегаватт. И все это современные котельные, без обслуживающего персонала, с системой автоматизированного управления технологическим процессом (АСУ ТП) и автоматизированной системой диспетчерского управления (АСДУ). Их основная нагрузка — системы отопления и ГВС здания.

О системах отопления

Современные системы отопления зданий серьезно отличаются от тех, что были в советское время. Тогда вся система отопления здания представляла собой один контур с ручным регулированием теплоотдачи приборов отопления при помощи кранов (которыми никто, на самом деле, не пользовался).

Кранами в советское время никто не пользовался

И в котельной достаточно было иметь всего пару циркуляционных насосов и пару подпиточных. Сегодня для повышения энергоэффективности часто используют пофасадное регулирование, при котором организуют самостоятельные контуры отопления для помещений, выходящих на разные фасады здания. В этих контурах поддерживается разная температура:   для южного фасада — наименьшая, для северного — наибольшая. То есть вместо одного получаем четыре контура. Если здание высотное (а так бывает чаще всего), то его разбивают на две зоны, нижнюю и верхнюю, иначе в приборах отопления на нижних этажах будет слишком высокое давление теплоносителя. Соответственно, контуров становится восемь.

Еще в современных жилых зданиях, как правило, есть нежилые встроенные помещения:   магазины, административные помещения, детские сады и другие. Для них организуют собственные контуры отопления, поскольку у них другие потребности по температуре и графику работы, в частности, в нерабочее время температуру нужно снижать, —, а это еще как минимум плюс один контур отопления. В итоге в современном жилом здании легко может быть больше десяти контуров отопления, работающих по собственному отопительному графику.

А что представляет из себя контур отопления? Все просто: это пара циркуляционных насосов и трехходовой клапан с электроприводом. Вода из собственной «обратки» подмешивается в «подачу», за счет чего понижается температура в «подаче».

Схема смесительного контура

Управляя клапаном можно поддерживать любую температуру (более низкую, чем на выходе котлов) по любому отопительному графику, поэтому без собственных насосов в каждом контуре не обойтись. Называется это качественным регулированием в отличие от количественного, которое было принято в советское время.

Почему насосов пара? Больше десяти контуров — это ведь будет больше двадцати насосов. А потому что отопление должно работать бесперебойно, особенно в котельной без постоянного присутствия персонала. И запускаться резервный насос должен автоматически — сразу, как обнаружится неисправность основного.

Пара насосов, основной и резервный

Вот мы и подошли к главному.

Как понять, что насос не работает

Как понять, что насос не работает? Или работает, но плохо? Есть несколько способов.

Можно измерять перепад давления, развиваемый насосом. Здесь сразу есть два нюанса:

• когда контуров отопления много, их сопротивление очень низкое, и поймать этот перепад при помощи механических реле давления чаще всего невозможно, приходится использовать пару аналоговых датчиков на каждый контур;

• эти датчики сами по себе не дешевые, а еще требуют врезку в трубопроводы с «зоной успокоения» до датчика и использования специальных трехходовых кранов — все это серьезно удорожает систему автоматики и увеличивает габариты «обвязки» котельной.

Можно использовать реле потока.

Реле потока РП от РОСМА

Поток жидкости давит на лопасть, которая при определенной скорости сдвигается на нужный угол, рычаг нажимает на концевой выключатель, и идет сигнал о нормальной работе насоса. Здесь основная проблема — низкая механическая прочность лопасти. И реле не встроить в трубы малых диаметров: если местно расширить трубу, то упадет скорость теплоносителя и реле работать не будет. Ну и для стабильной работы реле требуется прямой участок трубы перед и после него, что увеличивает габариты обвязки.

Схема работы реле протока

Можно использовать расходомеры — всегда точно знаешь рабочую точку насоса. Кажется отличным решением, но дорого — не только расходомеры, но водосчетчик, подходящий под задачу,   стоит уже десятки тысяч рублей. И сам расходомер длинный, плюс прямые участки до и после… В общем, сомнительное решение.

Водосчетчик Ду50 с импульсным выходом

Оно может быть оправданным, когда на контурах установлены теплосчетчики — у вычислителя через Modbus можно считывать измеряемое значение расхода и на него ориентироваться. Но учет тепла на каждом контуре встречается не так часто. И сами вычислители публикуют значения расхода редко («Карат-307», например, раз в минуту) — для нашей задачи это не подходит.

В компании «Феррон-строй» чаще всего использовали первый вариант — пару аналоговых датчиков давления на контур,  но хотелось чего-то более простого и дешевого. Тогда и пришла идея воспользоваться WB-MAP.

Что умеет WB-MAP

WB-MAP — это многоканальный измеритель параметров электроэнергии. Он измеряет напряжения и токи (в т.ч. амплитуды всплесков), мощности, коэффициенты мощности, энергии, углы фазовых сдвигов и т.д.

Виджет измерителя. В него выведены не все измеряемые параметры, в частности отключен опрос регистров энергий.

Все это во множественном числе, потому что в одном устройстве измерительных каналов от трех до двенадцати, и отдельно определяются активные и реактивные значения мощности и энергии.

Конкретно у WB-MAP3ET есть три измерительных канала, то есть он подходит для подключения одного трехфазного потребителя или трех однофазных.

Трехканальный измеритель параметров электрической энергии WB-MAP3ET

Ток измеряется в очень широком диапазоне нагрузок — от 50 мА до 125А (погрешность 1.5%) на канал. То есть он годится как для подключения единичного маломощного потребителя, так и котельной в целом.

Схема подключения измерителя тривиальна, на нее мы посмотрим ниже.

Опыт применения

Первый опыт применения WB-MAP3ET специалистами «Феррон-строй» в котельной заключался в контроле качества электроэнергии на вводе в котельную. Организация, построившая котельную, несет гарантийные обязательства перед заказчиком. Гарантийная замена дорогостоящих насосов и/или горелок из-за некачественного электропитания может легко «съесть» всю полученную от строительства прибыль, поэтому необходима возможность непрерывного мониторинга электропитания. Это и было реализовано с помощью WB-MAP3ET и контроллера Wiren Board, который управлял котельной. Были написаны скрипты на wb-rules, которые:

• отключали ввод при недопустимом электропитании;  

• отмечали в системном журнале отклонения в электропитании;

• отправляли уведомления оперативному персоналу, если длительность отклонения превышала допустимую нормативными документами длительность. 

Опыт был успешен: и перекос фаз бывал, и после работ на подстанции чередование фаз менялось. Теперь и оборудование защищено, и всегда можно доказать, что неисправность возникла не по вине подрядчика (если это так).

Сразу отвечу на вопрос, почему для этого не использовали специализированные реле контроля напряжения, которые дешевле в полтора раза. Эти реле решают только задачу отключения ввода, но с журналированием и рассылкой уведомлений ничем не помогут.

Но «отрубать» всю котельную не лучшее решение. Та же автоматика работает в очень широком диапазоне питающего напряжения. И однофазные потребители не боятся проблем в тех фазах, которые их не питают.  Вот так бы отключать только тех потребителей, для которых это нарушение критично… Не вопрос. С учетом низкой стоимости WB-MAP3ET (6300 рублей на 01.11.2024) у конструктора возникла мысль сделать на нем защиту каждого двигателя (насосов, горелок) индивидуально. Мгновенная защита от короткого замыкания останется автоматическому выключателю. А все остальные «неторопливые» защиты можно осуществить скриптами на контроллере. Такие, как:

• защита по максимальному и минимальному току;  

• защита по асимметрии токов;

• защита по недопустимому напряжению;

• защита от неполнофазной работы;

• защита от неверного чередования фаз.

Сказано — сделано. Написали и отладили скрипты, провели испытания — работает отлично. И бонусом получили мониторинг «здоровья» двигателей, тоже с журналированием и оповещением.

Ну и следующий логический шаг: почему бы не использовать информацию от WB-MAP для запуска резервного насоса, когда основному «нездоровится»?   А также сэкономить на датчиках, врезках и сделать котельную более компактной. Понятно, что при срабатывании защит необходим переход на резервный. Но как быть, если электрические цепи в порядке, но произошло что-то механическое? Забыли открыть задвижку насоса, например? Или его ротор подклинило? Как понять, что насос находится вне своей расчетной рабочей точки? Точнее, рабочего диапазона.

Коэффициент мощности

Теория [1] говорит нам, что для асинхронного электродвигателя реактивная составляющая тока практически не зависит от его нагрузки, поскольку расходуется на создание магнитного потока. А активная составляющая прямо пропорциональна нагрузке на валу. WB-MAP измеряет и ту, и другую составляющую. Но ток зависит от напряжения, которое может «гулять» в допустимом диапазоне. Удобнее использовать коэффициент мощности, который равен отношению этих составляющих и почти не зависит от изменения напряжения.

Зависимость коэффициента мощности от коэффициента нагрузки [1]

У двигателя на холостом ходу (включили без воды, например) коэффициент мощности минимален, менее 0.2,   в точке с номинальным током он будет, соответственно, максимален, а при заклинивании ротора двигателя ток возрастает до пусковых значений, и защита по максимальному току его отключит.  Осталось понять, какое значение коэффициента мощности считать нормальным, и тогда можно использовать его значение для управления АВР.

Еще можно использовать значение активной мощности, которое также вычисляется WB-MAP.

Эксперименты

«Феррон-строй» осуществлял сервисное обслуживание котельной санатория, в которой пятнадцать насосов были подключены через WB-MAP3ET — можно было поэкспериментировать. В процессе экспериментов меняли рабочую точку насосов: подключали/отключали части системы отопления, меняли настройки балансировочных и байпасных клапанов.Также оценивали рабочую точку по перепаду давления на насосах, на которых установлены манометры. В результате экспериментов убедились, что:

• при работе двигателя «на закрытую задвижку» коэффициент мощности падал как минимум на 35% от номинала;

• в пределах рабочего диапазона коэффициент мощности «гулял» в пределах 10% от номинала.

Вот и критерий.

Изменение активной мощности тоже смотрели. Коэффициент мощности изменялся больше, чем активная мощность, на 16–31%, поэтому решили остановиться на нем.

Реализация

В результате всех изысканий получили следующую типовую схему управления насосом.

Схема электрическая принципиальная подключения насоса

Сами видите, все очень просто: обычный автоматический выключатель, контактор и WB-MAP3ET. Очень просто и очень функционально. К слову, то, что у WB-MAP3ET встроенные трансформаторы тока, дает определенное удобство для монтажа — удобно расположить АВ, WB-MAP3ET и контактор друг над другом.

Можно, кстати, использовать WB-MAP12E, с двенадцатью измерительными каналами «на борту».

Двенадцатиканальный измеритель WB-MAP12E

Стоимость одного его измерительного канала будет меньше на 23%. Но встанет вопрос с размещением трансформаторов тока.

Теперь каждый насос в котельной производства «Феррон-строй» оснащен системой мониторинга его «здоровья». А система АВР насосов опирается на данные, получаемые от системы мониторинга.

Нюансы

Все, что написано выше, подходит только для простых, дешевых, классических насосов. Ограниченной мощности, допускающих прямой (не плавный) пуск. И у современных насосов с электронной начинкой управление по коэффициенту мощности невозможно — там управление надо строить по другому.

Про деньги

Специалисты компании «Феррон-строй» нежно любят насосы с электронным регулированием, и применять частотники любят тоже. Но стоимость оборудования за последние годы выросла настолько, что тендеры выигрывает тот, кто применяет простое, относительно недорогое оборудование. И подобное умное управление таким простым оборудованием — самое что ни на есть конкурентное преимущество. Почему бы и вам не использовать его? Не согласны? Аргументируйте в комментариях.

Перечень используемой литературы

1. Встовский А.Л. Электрические машины: учеб. пособие. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013.

© Habrahabr.ru