Подсмотрено: WB-MAP и управление насосами

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.

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).

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.