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Introducción
En la etapa actual de desarrollo de la industria del petróleo y el gas, es de gran importancia el desarrollo del control automático de la producción, la sustitución física y moral de los equipos de automatización obsoletos y los sistemas de control de los procesos técnicos y las instalaciones de producción de petróleo y gas. La introducción de nuevos sistemas automáticos de seguimiento y control conduce a una mayor fiabilidad y precisión del seguimiento de los procesos.
Automatización procesos de producción es la forma más elevada de desarrollo de la tecnología de producción de petróleo y gas, la creación de equipos de alto rendimiento, la mejora de los estándares de producción, la fundación de nuevas regiones de petróleo y gas, el crecimiento de la producción de petróleo y gas fue posible gracias al desarrollo y la implementación de automatización y mejora de la gestión.
Un enfoque sistemático para resolver problemas de automatización de procesos tecnológicos, la creación e implementación de sistemas de control automatizados hizo posible hacer la transición a la automatización integral de todos los procesos tecnológicos principales y auxiliares de perforación, producción, desalinización y transporte de petróleo y gas.
Las empresas modernas de producción de petróleo y gas son complejos complejos de instalaciones tecnológicas dispersas en grandes áreas. Los objetos tecnológicos están interconectados. Esto aumenta la exigencia de fiabilidad y perfección de los equipos de automatización. Garantizar la confiabilidad y eficiencia del sistema de suministro de gas, optimizar los procesos de producción y transporte de petróleo y mejorar los indicadores técnicos y económicos del desarrollo de la industria petrolera requiere resolver los problemas más importantes de planificación a largo plazo y control del despacho operativo de la producción de petróleo. sistema basado en la implementación de un programa de automatización integral de procesos tecnológicos y la introducción generalizada de sistemas de control automatizados.
Este artículo examina el sistema de automatización de una estación de bombeo de refuerzo (BPS).
1. Automatización de la estación de bombeo de refuerzo.
La estación de bombeo de refuerzo (Fig. 1), después de la separación primaria del aceite, asegura su flujo a las instalaciones del ciclo tecnológico posterior y mantiene allí la presión requerida.
Arroz. 1 - Esquema tecnológico de la estación de bombeo de refuerzo.
La base de esta estación son las bombas centrífugas autocebantes, a las que se suministra aceite desde la unidad de separación primaria o desde balas de reserva. El aceite se bombea a las bombas a través de filtros que están instalados tanto en las líneas de succión como en las de descarga de este sistema. La estación siempre está equipada con bombas de trabajo y de reserva. También se reservan filtros en su línea de descarga. Cada una de las bombas o uno de los filtros en la línea de flujo se enciende mediante válvulas de accionamiento controladas por un sistema de automatización.
El sistema de automatización para controlar el funcionamiento de la estación de bombeo de refuerzo no solo garantiza el mantenimiento de la presión de aceite especificada en la línea de flujo, sino que también cambia rápidamente la línea de trabajo a la línea de respaldo en caso de falla de la bomba de trabajo o bloqueo de uno de los filtros de trabajo. Para controlar los parámetros operativos en la cadena tecnológica de la estación de bombeo de refuerzo se utilizan los siguientes medios técnicos:
DM1 - DM4 - manómetros diferenciales;
P1, P3 - sensores de presión en la entrada de la bomba;
P2, P4 - sensores de presión en la salida de la bomba;
Z1 - Z6 - accionamientos de válvulas y sus sensores de posición;
F1 - F4 - filtros en la línea de aceite.
Este equipo se conecta a los puertos correspondientes del controlador del sistema de control de la estación de bombeo de refuerzo según el diagrama que se muestra en la Fig. 2.
Como en el caso anterior, los botones de control y los sensores de posición de válvulas están conectados al módulo (puerto) de entradas discretas de este controlador. Los sensores de presión analógicos y los manómetros de presión diferencial están conectados a la entrada del módulo de entrada analógica (puerto). Los motores de todas las válvulas y accionamientos de bombas están conectados al módulo de salida discreta (puerto).
Arroz. 2 - Estructura de bajo nivel del sistema de control de la estación de bombeo de refuerzo.
estación de bombeo de producción de petróleo
El algoritmo de control de la estación de bombeo de refuerzo tiene una estructura compleja que consta de varias subrutinas interrelacionadas. El programa principal de este algoritmo se muestra en la Fig. 3.
De acuerdo con este algoritmo, después de ingresar el valor de las señales de configuración, se presiona un ciclo de espera del botón "Inicio", luego de presionar qué bomba No. 1 y válvula Z5 se seleccionan automáticamente como equipos de trabajo del ciclo tecnológico. Esta elección se fija asignando un único valor a las constantes N y K. El valor de estas constantes determinará posteriormente la elección de la dirección de bifurcación en las subrutinas del algoritmo.
Estas subrutinas son lanzadas por el algoritmo principal inmediatamente después de que se da una orden para abrir la válvula Z1, conectando la línea de proceso de la estación de bombeo de refuerzo con la unidad primaria de separación de aceite. El primero de estos subprogramas, “Arranque de bombas”, controla el proceso de arranque de la bomba de trabajo (o de reserva), y el otro subprograma, “Monitoreo de parámetros”, realiza el monitoreo actual de los principales parámetros del proceso tecnológico y, si no corresponden a los valores especificados, interruptores en la cadena tecnológica de este proceso.
La subrutina Monitoreo de parámetros se ejecuta cíclicamente durante todo el ciclo operativo de este proceso. Al mismo tiempo, en este ciclo, se activa el botón "Parada", cuando se presiona, la válvula Z1 se cierra. Luego, antes de detener el programa principal, el algoritmo inicia la subrutina "Detener bomba" para su ejecución. Esta subrutina realiza acciones secuenciales para detener la bomba en funcionamiento.
Según el subprograma “Arrancar la bomba” (Fig. 4), inicialmente se analiza el contenido del parámetro N, que determina el número de la bomba en funcionamiento (respectivamente N=1 para la bomba No. 1 y N=0 para la otra). bomba). Dependiendo del valor de este parámetro, el algoritmo selecciona la rama para arrancar la bomba correspondiente. Estas ramas son similares en estructura, pero difieren sólo en los parámetros de los elementos tecnológicos.
Arroz. 3 - Algoritmo de control de la estación de bombeo de refuerzo
El primer procedimiento de la rama seleccionada de esta subrutina sondea el sensor de presión diferencial DM1, cuyo contenido determina el estado de funcionamiento del filtro correspondiente en la entrada de la unidad de bombeo. Las lecturas de este sensor se comparan con un valor límite especificado de presión relativa en el filtro. Cuando el filtro está obstruido (cuando requiere limpieza), la diferencia de presión en su entrada y salida excederá el valor especificado, por lo que esta rama tecnológica no se puede poner en funcionamiento y será necesaria una transición al inicio de una línea de reserva, es decir. bomba de respaldo.
Si el filtro está en condiciones normales, su presión diferencial real es menor que la establecida y el algoritmo procede a sondear el sensor que controla la presión en la entrada de la bomba seleccionada. Nuevamente, las lecturas de este sensor se comparan con el valor establecido. Si la presión en la entrada de la bomba es insuficiente, no podrá alcanzar el modo de funcionamiento, por lo que tampoco se podrá arrancar, y esto nuevamente requerirá cambiar al arranque de la bomba de respaldo.
Arroz. 4 - Estructura del subprograma “Arrancar la bomba”
Si la presión en la entrada de la bomba es normal, el siguiente comando de subrutina la inicia y al parámetro N se le asigna el valor numérico apropiado y sensores discretos de control de arranque de la bomba monitorean este proceso. Después de este arranque, se interroga el sensor que controla la presión a la salida de la bomba en funcionamiento. Si esta presión está por debajo del nivel establecido, la bomba tampoco puede funcionar en modo normal, por lo tanto, este caso también requiere arrancar la bomba de respaldo, pero solo después de detener la bomba en funcionamiento.
Si se alcanza la presión especificada en la salida de la bomba, esto significa que ha alcanzado el modo especificado, por lo que en el siguiente paso el algoritmo abre la válvula que conecta la salida de la bomba a la línea de filtros de salida del sistema. La apertura de cada válvula es detectada por sensores de posición discretos.
En este punto, la subrutina de arranque de la bomba ha completado sus funciones, por lo que el siguiente paso es salir al programa principal, donde se lanza la siguiente subrutina “Parámetros de control” del sistema en funcionamiento. Esta subrutina se ejecuta en un ciclo hasta que el proceso tecnológico se detiene mediante el botón "Stop".
Estructuralmente, el subprograma "Monitoreo de parámetros" es idéntico al subprograma "Arranque de bomba", pero tiene algunas características (Fig. 5).
Arroz. 5 - Estructura del subprograma “Monitoreo de Parámetros”
En esta subrutina, como en la anterior, se realiza un levantamiento secuencial de los mismos sensores y se comparan sus lecturas con los valores especificados de los parámetros controlados. Si no se corresponden se da la orden de cerrar la válvula correspondiente y parar la bomba correspondiente, y se asigna al parámetro N un valor opuesto al anterior. Después de todo esto, se inicia el subprograma “Pump Start”, que pone en marcha la bomba de respaldo.
Si todos los parámetros monitoreados corresponden a los valores especificados, antes de salir al programa principal, el algoritmo verifica el estado de los filtros de la línea principal. Para ello se lanza el subprograma “Control de válvulas Z5 y Z6” (Fig. 6), según el cual, en caso de falla de uno de estos filtros, se activa el filtro de respaldo.
Arroz. 6 - Estructura del subprograma “Control de válvulas Z5 y Z6”
Según esta subrutina, mediante el análisis del valor del parámetro K, se selecciona en él una rama de trabajo, según la cual se interroga el manómetro diferencial del filtro de funcionamiento. En el caso de funcionamiento normal del filtro, la diferencia en la presión real entre la entrada y la salida del filtro no excederá el valor especificado, por lo tanto, el algoritmo sale de la subrutina con la condición "sí" sin cambiar la estructura de los elementos de conexión. En la linea.
Si esta diferencia excede el valor especificado, el algoritmo sigue la condición "no", como resultado de lo cual se cierra la válvula de operación y se abre la de reserva, y se asigna el valor opuesto al parámetro N. Una vez realizado esto, se realiza la salida de esta subrutina a la anterior, y de ésta al programa principal.
El proceso de arranque controlado de la bomba de trabajo y, en caso de avería, de arranque de la bomba de respaldo, se realiza automáticamente mediante un algoritmo. Asimismo, el lanzamiento controlado de filtros se realiza mediante el accionamiento de válvulas en la línea principal.
Cuando presiona el botón "Parar", se detiene el ciclo de monitoreo continuo de los parámetros del sistema, se cierra la válvula que conecta la estación de bombeo de refuerzo a la unidad de separación y se realiza la transición al subprograma "Parar la bomba" (Fig. 7).
Según esta subrutina, basándose en el análisis del parámetro N, se selecciona una de las dos ramas idénticas del algoritmo. Al usarlo, el algoritmo envía inicialmente un comando para cerrar la válvula instalada en la salida de la bomba en funcionamiento. Después de cerrarlo, otro equipo detiene la bomba en funcionamiento. Luego, utilizando un nuevo análisis del valor del parámetro K, se selecciona una rama del algoritmo según la cual se cierra la válvula del filtro principal en funcionamiento, después de lo cual el algoritmo detiene su funcionamiento.
Arroz. 7 - Estructura del subprograma “Parar la bomba”
Bibliografía
1. Sazhin R.A. Elementos y estructuras de sistemas de automatización de procesos tecnológicos en la industria del petróleo y el gas. Editorial de la Universidad Técnica Estatal de Perm, Perm, 2008. ? 175p.
2. Isakovich R.Ya. y otros Automatización de procesos productivos en la industria del petróleo y el gas. "Nedra", M., 1983
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La implementación de esta tarea se basa en la realización de pruebas a escala real de las unidades de bombeo, que se llevan a cabo sobre la base de la metodología desarrollada para el diagnóstico de estaciones de bombeo, que se presenta en la Fig. 14.
Para optimizar el funcionamiento de las unidades de bombeo, es necesario determinar su eficiencia y consumo de energía específico mediante pruebas a gran escala de las unidades de bombeo, lo que permitirá evaluar la eficiencia económica de la estación de bombeo.
Después de determinar la eficiencia de las unidades de bombeo, se determina la eficiencia de la estación de bombeo, desde donde es fácil proceder a la selección de los modos de funcionamiento más económicos de las unidades de bombeo, teniendo en cuenta la distribución.
el caudal de la estación, los tamaños estándar de las bombas instaladas y el número permitido de arranques y paradas.
Idealmente, para determinar la eficiencia de una estación de bombeo, se pueden utilizar los datos obtenidos.
mediciones directas durante las pruebas a gran escala de unidades de bombeo, que requerirán pruebas a gran escala en 10-20 puntos de suministro en el rango operativo de la bomba con varios valores de apertura de válvulas (de 0 a 100%).
Al realizar pruebas de bombas a gran escala, se debe medir la velocidad de rotación del impulsor, especialmente si hay reguladores de frecuencia, ya que la frecuencia actual es directamente proporcional a la velocidad del motor.
Según los resultados de las pruebas, se construyen las características reales. 
para estas bombas específicas.
Después de determinar la eficiencia de las unidades de bombeo individuales, se calcula la eficiencia de la estación de bombeo en su conjunto, así como las combinaciones más económicas de unidades de bombeo o sus modos de funcionamiento.
Para evaluar las características de la red, se pueden utilizar datos de la contabilidad automatizada de caudales y presiones a lo largo de las principales tuberías de agua en la salida de la estación.
En el apéndice se presenta un ejemplo de cómo completar formularios para pruebas a gran escala de una unidad de bombeo. 4, gráficos del rendimiento real de la bomba, en el apéndice. 5.
El significado geométrico de optimizar el funcionamiento de una estación de bombeo radica en la selección de bombas de trabajo que satisfagan con mayor precisión las necesidades de la red de distribución (caudal, presión) en los intervalos de tiempo considerados (Fig. 15).
Como resultado de este trabajo, se garantiza una reducción en el consumo de electricidad entre un 5% y un 15%, dependiendo del tamaño de la estación, el número y los tamaños estándar de las bombas instaladas, así como la naturaleza del consumo de agua.
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Fuente: Zakharevich, M. B.. Aumento de la confiabilidad de los sistemas de suministro de agua mediante la introducción de formas seguras de organizar su operación y construcción: libro de texto. prestación. 2011(original)
Más sobre el tema: Incrementar la eficiencia de las estaciones de bombeo:
- Zakharevich, M. B. / M. B. Zakharevich, A. N. Kim, A. Yu. Martyanova; SPbEASU - SPb., 2011. - 6 Aumento de la confiabilidad de los sistemas de suministro de agua a partir de la introducción de formas seguras de organizar su operación y construcción: libro de texto. beneficio, 2011
Optimización de equipos de bombeo reforzador en sistemas de suministro de agua.
O. A. Steinmiller, Ph.D., Director General de Promenergo CJSC
Los problemas para garantizar la presión en las redes de suministro de agua de las ciudades rusas son, por regla general, homogéneos. El estado de las redes principales generó la necesidad de reducir la presión, por lo que surgió la tarea de compensar la caída de presión a nivel de las redes distritales, de bloque e internas. El desarrollo de las ciudades y el aumento de la altura de los edificios, especialmente los compactos, exigen proporcionar la presión necesaria a los nuevos consumidores, incluso equipando los edificios de gran altura (DPE) con unidades de bombeo de refuerzo (PPU). La selección de las bombas como parte de las estaciones de bombeo de refuerzo (PNS) se hizo teniendo en cuenta las perspectivas de desarrollo; los parámetros de caudal y presión fueron sobreestimados. Es habitual reducir las bombas a las características requeridas mediante válvulas de estrangulación, lo que provoca un consumo excesivo de energía. Las bombas no se reemplazan a tiempo; la mayoría de ellas funcionan con baja eficiencia. El desgaste de los equipos ha exacerbado la necesidad de reconstruir la estación de bombeo para aumentar la eficiencia y la confiabilidad operativa.
La combinación de estos factores conduce a la necesidad de determinar los parámetros óptimos del PNS bajo las restricciones existentes sobre las presiones de entrada, en condiciones de incertidumbre y desigualdad de los costos reales. Al resolver un problema de este tipo, surgen preguntas sobre la combinación del funcionamiento secuencial de grupos de bombas y el funcionamiento en paralelo de bombas combinadas dentro de un grupo, así como sobre la combinación del funcionamiento de bombas conectadas en paralelo con un variador de frecuencia (VFD) y, en última instancia, , seleccionando equipos que proporcionen los parámetros requeridos de un sistema en particular. Deben tenerse en cuenta los cambios significativos de los últimos años en los enfoques para la selección de equipos de bombeo, tanto en términos de eliminación de redundancias como en el nivel técnico de los equipos disponibles.
La especial relevancia de estas cuestiones está determinada por la creciente importancia de resolver los problemas de eficiencia energética, que fue confirmada por la Ley Federal de la Federación de Rusia del 23 de noviembre de 2009 No. 261-FZ “Sobre el ahorro de energía y el aumento de la eficiencia energética y sobre la introducción enmiendas a determinados actos legislativos de la Federación de Rusia”.
La entrada en vigor de esta ley se convirtió en un catalizador de un entusiasmo generalizado. soluciones estándar reducir el consumo energético, sin evaluar su eficacia y viabilidad en un lugar concreto de implantación. Una de esas soluciones para las empresas de servicios públicos fue equipar los equipos de bombeo existentes en los sistemas de suministro y distribución de agua con VFD, que a menudo están moral y físicamente desgastados, tienen características excesivas y funcionan sin tener en cuenta las condiciones operativas reales.
El análisis de los resultados técnicos y económicos de cualquier modernización (reconstrucción) planificada requiere tiempo y personal calificado. Desafortunadamente, los administradores de la mayoría de los servicios municipales de agua experimentan una escasez de ambos cuando, en condiciones de constante y extrema falta de financiación, tienen que utilizar rápidamente los fondos milagrosamente obtenidos y asignados para el "reequipamiento" técnico.
Por lo tanto, al darse cuenta de la magnitud de la orgía de implementación irreflexiva de VFD en las bombas de los sistemas de suministro de agua de refuerzo, el autor decidió presentar este tema para una discusión más amplia por parte de los especialistas involucrados en cuestiones de suministro de agua.
Los principales parámetros de las bombas (sobrealimentadores), que determinan la gama de cambios en los modos de funcionamiento de las estaciones de bombeo (PS) y PPU, la composición del equipo, caracteristicas de diseño y los indicadores económicos son presión, caudal, potencia y eficiencia (eficiencia). Para las tareas de aumentar la presión en el suministro de agua, es importante la conexión entre los parámetros funcionales de los sopladores (suministro, presión) y los parámetros de potencia:
donde p es la densidad del líquido, kg/m3; d - aceleración de caída libre, m/s2;
O - caudal de la bomba, m3/s; N - altura de la bomba, m; P - presión de la bomba, Pa; N1, N - potencia útil y potencia de la bomba (suministrada a la bomba a través de la transmisión desde el motor), W; Nb N2: potencia del motor de entrada (consumida) y salida (emitida para la transmisión).
La eficiencia de la bomba n h tiene en cuenta todo tipo de pérdidas (hidráulicas, volumétricas y mecánicas) asociadas con la conversión por parte de la bomba de la energía mecánica del motor en energía de un fluido en movimiento. Para evaluar la bomba ensamblada con el motor se considera la eficiencia de la unidad na, lo que determina la viabilidad de operación cuando cambian los parámetros de operación (presión, caudal, potencia). El valor de la eficiencia y la naturaleza de su cambio están determinados en gran medida por el propósito de la bomba y las características de diseño.
La variedad de diseños de bombas es excelente. Según la clasificación completa y lógica adoptada en Rusia, según las diferencias en el principio de funcionamiento, en el grupo de bombas dinámicas destacaremos las bombas de paletas utilizadas en estructuras de suministro de agua y alcantarillado. Las bombas de paletas proporcionan un flujo suave y continuo con alta eficiencia, tienen suficiente confiabilidad y durabilidad. El funcionamiento de las bombas de paletas se basa en la interacción de fuerza de las palas del impulsor con el flujo del líquido bombeado; las diferencias en el mecanismo de interacción debido al diseño conducen a diferencias indicadores operativos Bombas de paletas, que se dividen según la dirección del flujo en centrífugas (radiales), diagonales y axiales (axiales).
Teniendo en cuenta la naturaleza de los problemas considerados, el mayor interés son las bombas centrífugas en las que, cuando el impulsor gira, una fuerza centrífuga Fu actuará sobre cada parte del líquido con una masa m ubicada en el canal entre palas en una distancia r desde el eje del eje:
donde w es la velocidad angular del eje, rad/s.
Métodos para regular los parámetros de funcionamiento de la bomba.
tabla 1
cuanto mayor sea la velocidad de rotación n y el diámetro del impulsor D.
Los principales parámetros de las bombas (caudal Q, presión R, potencia N, eficiencia I] y velocidad de rotación n) guardan una relación determinada, que se refleja en las curvas características. Características (características energéticas) de la bomba: dependencia expresada gráficamente de los principales indicadores de energía del suministro (a una velocidad constante de rotación del impulsor, viscosidad y densidad del medio en la entrada de la bomba), ver Fig. 1.
La principal curva característica de la bomba (característica de rendimiento, curva de funcionamiento) es una gráfica de la dependencia de la presión desarrollada por la bomba del caudal H=f(Q) a una velocidad constante n = const. El valor máximo de eficiencia qmBX corresponde al suministro Qp y la presión Нр en el punto de funcionamiento óptimo P de las características Q-H (Fig. 1-1).
Si la característica principal tiene una rama ascendente (Fig. 1-2), el intervalo de Q = 0 a 2b, entonces se llama ascendente y el intervalo es un área de operación inestable con cambios repentinos en el suministro, acompañados de Fuerte ruido y golpe de ariete. Las características que no tienen una rama creciente se denominan estables (Fig. 1-1), el modo de funcionamiento es estable en todos los puntos de la curva. “Se necesita una curva estable cuando se necesitan utilizar dos o más bombas simultáneamente”, lo cual es económicamente muy útil en aplicaciones de bombeo. La forma de la característica principal depende del coeficiente de velocidad de la bomba ns: cuanto mayor es, más pronunciada es la curva.
Con una característica plana estable, la presión de la bomba cambia ligeramente cuando cambia el flujo. Las bombas con características planas se necesitan en sistemas donde, a presión constante, se requiere regulación del suministro dentro de un amplio rango, lo que corresponde a la tarea de aumentar la presión en las secciones terminales de la red de suministro de agua.
En el PNS trimestral, así como como parte del PNU de las estaciones de bombeo locales. Para la parte funcional de la característica Q-H, es común la siguiente dependencia:
donde a, b son coeficientes constantes seleccionados (a>>0, b>>0) para una bomba dada dentro de la característica Q-H, que tiene una forma cuadrática.
El trabajo utiliza conexión en serie y en paralelo de bombas. Cuando se instalan en serie, la altura total (presión) es mayor que la que desarrolla cada bomba. Una instalación en paralelo proporciona más caudal que cada bomba por sí sola. Las características generales y las relaciones básicas para cada método se muestran en la Fig. 2.
Cuando una bomba con una característica Q-H funciona en un sistema de tuberías (tuberías de agua adyacentes y redes adicionales), se requiere presión para superar la resistencia hidráulica del sistema, la suma de las resistencias de los elementos individuales que resisten el flujo, lo que en última instancia afecta la presión. pérdidas. En general podemos decir:
donde ∆Н es la pérdida de presión en un elemento (sección) del sistema, m; Q es el caudal de fluido que pasa por este elemento (sección), m3/s; k - coeficiente de pérdida de presión, según el tipo de elemento (sección) del sistema, C2/M5
La característica del sistema es la dependencia de la resistencia hidráulica del flujo. El funcionamiento conjunto de la bomba y la red se caracteriza por un punto de equilibrio de materia y energía (el punto de intersección de las características del sistema y la bomba) - un punto de trabajo (modo) con coordenadas (Q, i/i) correspondiente al flujo y presión actuales cuando la bomba está funcionando en el sistema (Fig. 3).
Hay dos tipos de sistemas: cerrados y abiertos. En sistemas cerrados (calefacción, aire acondicionado, etc.) el volumen de líquido es constante, es necesaria una bomba para superar la resistencia hidráulica de los componentes (tuberías, dispositivos) durante el movimiento tecnológicamente necesario del portador en el sistema.
La característica del sistema es una parábola con vértice (Q,H) = (0, 0).
Los sistemas abiertos son de interés en el suministro de agua, transportando líquido de un punto a otro, en el que la bomba proporciona la presión requerida en los puntos de desmontaje, superando las pérdidas por fricción en el sistema. De las características del sistema queda claro que cuanto menor es el caudal, menores son las pérdidas por fricción ANT y, en consecuencia, el consumo de energía.
Hay dos tipos de sistemas abiertos: con bomba debajo del punto de desmontaje y encima del punto de desmontaje. Consideremos un sistema abierto de tipo 1 (Fig. 3). Para suministrar desde el depósito No. 1 en el nivel cero (depósito inferior) al depósito superior No. 2 (depósito superior), la bomba debe proporcionar una altura de elevación geométrica H y compensar las pérdidas por fricción ANT, que dependen del caudal. .
Características del sistema
Parábola con coordenadas (0; ∆Н,).
En un sistema abierto de tipo 2 (Fig.4)
El agua, bajo la influencia de la diferencia de altura (H1), se entrega al consumidor sin bomba. La diferencia de alturas del nivel de líquido actual en el tanque y el punto de análisis (H1) proporciona un determinado caudal Qr. La presión provocada por la diferencia de altura es insuficiente para proporcionar el caudal requerido (Q). Por lo tanto, la bomba debe agregar presión H1 para superar completamente las pérdidas por fricción ∆H1. La característica del sistema es una parábola con el comienzo (0; -H1). El caudal depende del nivel en el tanque: cuando disminuye, la altura H disminuye, la característica del sistema se mueve hacia arriba y el caudal disminuye. El sistema refleja el problema de falta de presión de entrada en la red (backup equivalente a Yag) para asegurar el suministro. cantidad requerida agua a todos los consumidores con la presión requerida.
las necesidades del sistema cambian con el tiempo (las características del sistema cambian), surge la cuestión de ajustar los parámetros de la bomba para cumplir con los requisitos actuales. En la tabla se proporciona una descripción general de los métodos para cambiar los parámetros de la bomba. 1.
Con el control del acelerador y el control de derivación, puede ocurrir tanto una disminución como un aumento en el consumo de energía (dependiendo de las características de potencia de la bomba centrífuga y la posición de los puntos de operación antes y después de la acción de control). En ambos casos, la eficiencia final disminuye significativamente, el consumo relativo de energía por unidad de suministro al sistema aumenta y se produce una pérdida de energía improductiva. El método de corrección del diámetro del impulsor tiene una serie de ventajas para sistemas con características estables, mientras que cortar (o reemplazar) el impulsor permite llevar la bomba al modo de funcionamiento óptimo sin costos iniciales significativos y la eficiencia disminuye ligeramente. Sin embargo, el método no es operativamente aplicable cuando las condiciones de consumo y, en consecuencia, de suministro cambian de forma continua y significativa durante la operación. Por ejemplo, cuando “una instalación de bombeo de agua suministra agua directamente a la red (estaciones de bombeo de 2ª, 3ª subida, estaciones de bombeo, etc.)” y cuando es aconsejable controlar la frecuencia de un accionamiento eléctrico mediante un convertidor de frecuencia de corriente (FCC ), proporcionando un cambio en la velocidad de rotación del impulsor (velocidad de la bomba).
Basado en la ley de proporcionalidad (fórmula de conversión), usando una característica Q-H es posible construir una serie de características de la bomba en el rango de velocidad de rotación (Fig. 5-1). Nuevo cálculo de las coordenadas (QA1, HA) de un determinado punto A de la característica Q-H, que se produce a la velocidad nominal norte, para frecuencias n1
n2.... ni, conducirá a los puntos A1, A2.... Аi pertenecientes a las características correspondientes Q-H1 Q-H2...., Q-Hi
(Figura 5-1). A1, A2, Ai -, forman la llamada parábola de modos similares con el vértice en el origen, descrita por la ecuación:
Una parábola de modos similares es el lugar geométrico de los puntos que determinan, a diferentes frecuencias de rotación (velocidades), modos de funcionamiento de la bomba, similares al modo en el punto A. Nuevo cálculo del punto B de las características Q-H a la velocidad de rotación norte a frecuencias n1 n2 ni, dará puntos В1, В2, Вi definiendo la parábola correspondiente de modos similares (0B1 B) (Fig. 5-1).
Con base en la posición inicial (al derivar las llamadas fórmulas de conversión) sobre la igualdad de la eficiencia a escala completa y del modelo, se supone que cada una de las parábolas de modos similares es una línea de eficiencia constante. Esta disposición es la base para el uso de VFD en sistemas de bombeo, que muchos consideran quizás la única forma de optimizar los modos de funcionamiento de las estaciones de bombeo. De hecho, con un VFD, la bomba no mantiene una eficiencia constante incluso en parábolas de tales modos, ya que con un aumento en la velocidad de rotación n, las velocidades de flujo y, en proporción a los cuadrados de las velocidades, las pérdidas hidráulicas en La parte de flujo de la bomba aumenta. Por otro lado, las pérdidas mecánicas son más pronunciadas a bajas velocidades cuando la potencia de la bomba es baja. La eficiencia alcanza su máximo a la velocidad de diseño n0. Con otros norte, más pequeño o más grande n0, La eficiencia de la bomba disminuirá a medida que aumente la desviación. norte de n0. Teniendo en cuenta la naturaleza del cambio de eficiencia al cambiar de velocidad, marcando puntos con valores iguales de eficiencia en las características Q-H1, Q-H2, Q-Hi y conectándolos con curvas, obtenemos la llamada característica universal. (Fig. 5-2), que determina el funcionamiento de la bomba a velocidad de rotación, eficiencia y potencia de bomba variables para cualquier punto de operación.
Además de la reducción de la eficiencia de la bomba, es necesario tener en cuenta la reducción de la eficiencia del motor debido al funcionamiento de la PCB., que tiene dos componentes: en primer lugar, las pérdidas internas del VFD y, en segundo lugar, las pérdidas armónicas en el motor eléctrico ajustable (debido a la imperfección de la onda de corriente sinusoidal durante el VFD). La eficiencia de una placa de circuito impreso moderna a la frecuencia nominal de corriente alterna es del 95-98%, con una disminución funcional en la frecuencia de la corriente de salida, la eficiencia de la placa de circuito impreso disminuye (Fig. 5-3).
Las pérdidas en los motores debido a los armónicos producidos por los VFD (que varían del 5 al 10 %) provocan el calentamiento del motor y el correspondiente deterioro del rendimiento, como resultado de lo cual la eficiencia del motor cae otro 0,5-1 %.
En la Fig. 6 - reducir la velocidad al 60% de la nominal reduce la velocidad en un 11% con respecto a la óptima (en puntos de operación en la parábola de modos similares con Máxima eficiencia). Al mismo tiempo, el consumo de electricidad disminuyó de 3,16 a 0,73 kW, es decir. en un 77% (designación P1, [("Grundfos") corresponde a N1, en (1)]. La eficiencia al reducir la velocidad se garantiza reduciendo el consumo de energía útil y, en consecuencia, el consumo de energía.
Conclusión. Una disminución en la eficiencia de la unidad debido a pérdidas "constructivas" conduce a un aumento en el consumo de energía específico incluso cuando se opera cerca de puntos con máxima eficiencia.
En mayor medida, el consumo relativo de energía y la eficiencia del control de velocidad dependen de las condiciones de funcionamiento (tipo de sistema y parámetros de sus características, posición de los puntos de funcionamiento en las curvas de la bomba en relación con la eficiencia máxima), así como de el criterio y las condiciones de control. En sistemas cerrados, la característica del sistema puede estar cerca de una parábola de modos similares, pasando por los puntos de máxima eficiencia para varias velocidades de rotación, porque ambas curvas tienen claramente un vértice en el origen. EN sistemas abiertos Las características del suministro de agua del sistema tienen una serie de características que conducen a una diferencia significativa en sus opciones.
En primer lugar, el vértice de la característica, por regla general, no coincide con el origen de las coordenadas debido a la diferente componente estática de la presión (Fig. 7-1). La presión estática suele ser positiva (Fig. 7-1, curva 1) y es necesaria para elevar el agua a una altura geométrica en un sistema tipo 1 (Fig. 3), pero también puede ser negativa (Fig. 7-1, curva 3) - cuando la presión en la entrada del sistema tipo 2 excede la presión geométrica requerida (Fig. 4). Aunque también es posible una altura estática cero (Fig. 7-1, curva 2) (por ejemplo, si la altura es igual a la altura geométrica requerida).
En segundo lugar, las características de la mayoría de los sistemas de suministro de agua cambian constantemente con el tiempo.. Esto se refiere a los movimientos de la parte superior del sistema característicos a lo largo del eje de presión, lo que se explica por cambios en la cantidad de remanso o el valor de la presión geométrica requerida. Para varios sistemas de suministro de agua, debido al cambio constante en el número y ubicación de los puntos de consumo reales en el espacio de la red, la posición del punto determinante en el campo cambia, lo que significa un nuevo estado del sistema, que se describe mediante una nueva característica con una curvatura diferente de la parábola.
Como resultado, es obvio que en un sistema cuyo funcionamiento está garantizado por una bomba, por regla general, es difícil regular la velocidad de la bomba de manera inequívoca con el consumo actual de agua (es decir, claramente de acuerdo con las características actuales del sistema), manteniendo la posición de los puntos de funcionamiento de la bomba (con tal cambio de velocidad) en una parábola fija de modos similares que pasan por puntos con máxima eficiencia.
Una disminución particularmente significativa en la eficiencia durante el VFD de acuerdo con las características del sistema se manifiesta en el caso de un componente de presión estática significativo (Fig. 7-1, curva 1). Dado que la característica del sistema no coincide con la parábola de dichos modos, cuando se reduce la velocidad (reduciendo la frecuencia actual de 50 a 35 Hz), el punto de intersección de las características del sistema y de la bomba se desplazará notablemente hacia la izquierda. Un cambio correspondiente en las curvas de eficiencia conducirá a una zona de valores más bajos (Fig. 7-2, puntos “frambuesa”).
Por tanto, el potencial de ahorro de energía de los VFD en los sistemas de suministro de agua varía significativamente. Es indicativo evaluar la eficiencia de los VFD en función de la energía específica para el bombeo.
1 m3 (Figura 7-3). En comparación con el control discreto de tipo D, el control de velocidad tiene sentido en un sistema de tipo C, con una cabeza geométrica relativamente pequeña y un componente dinámico significativo (pérdidas por fricción). En un sistema tipo B, los componentes geométricos y dinámicos son significativos; el control de velocidad es efectivo durante un cierto intervalo de avance. En un sistema tipo A con una gran altura de elevación y un componente dinámico pequeño (menos del 30% de la presión requerida), el uso de VFD no es práctico desde el punto de vista de los costos de energía. Básicamente, el problema de aumentar la presión en los tramos finales de la red de suministro de agua se resuelve en sistemas de tipo mixto (tipo B), lo que requiere una justificación sustancial del uso de VFD para mejorar la eficiencia energética.
El control de velocidad, en principio, le permite ampliar el rango operativo de la bomba por encima de la característica Q-H nominal. Por lo tanto, algunos autores sugieren seleccionar una bomba equipada con un CVF de tal manera que garantice el máximo tiempo de funcionamiento con la característica nominal (con la máxima eficiencia). En consecuencia, con la ayuda de un VFD, cuando el caudal disminuye, la velocidad de la bomba disminuye en relación con la nominal, y cuando aumenta, aumenta (a una frecuencia actual superior al valor nominal). Sin embargo, además de la necesidad de tener en cuenta la potencia del motor eléctrico, observamos que los fabricantes de bombas pasan por alto el tema en silencio. aplicación práctica funcionamiento a largo plazo de los motores de bomba a una frecuencia actual significativamente superior a la nominal.
Resulta muy atractiva la idea de un control basado en las características del sistema, que reduzca el exceso de presión y el correspondiente desperdicio de energía. Pero es difícil determinar la presión requerida a partir del valor actual del caudal cambiante debido a la variedad de posibles posiciones del punto determinante en el estado momentáneo del sistema (cuando el número y la ubicación de los puntos de consumo en la red, como así como el caudal en ellos, cambian) y el pico de la característica del sistema en el eje de presión (Fig. 8-1). Antes de la generalización de la instrumentación y de las herramientas de transmisión de datos, sólo era posible una “aproximación” del control por características basándose en supuestos específicos de la red, especificando un conjunto de puntos determinantes o limitando desde arriba las características del sistema en función del caudal. Un ejemplo de este enfoque es la regulación de 2 posiciones (día/noche) de la presión de salida en el PNS y PNU.
Teniendo en cuenta la variabilidad significativa en la ubicación del vértice de la característica del sistema y la posición actual en el campo del punto dictador, así como su incertidumbre en el diagrama de la red, debemos concluir que hoy en día la mayoría de los sistemas espaciales de suministro de agua utilizan control basado en el criterio de presión constante (Fig. 8-2, 8-3). Es importante que cuando el caudal Q disminuye, se retengan parcialmente los excesos de presión, que son mayores cuanto más a la izquierda está el punto de funcionamiento, y la disminución de la eficiencia con una disminución en la velocidad de rotación del impulsor, por regla general, aumentará. (si la eficiencia máxima corresponde al punto de intersección de la característica de la bomba a la frecuencia nominal y la presión constante establecida en la línea).
Reconociendo el potencial de reducir la energía consumida y utilizable al regular la velocidad para adaptarse mejor a las necesidades del sistema, es necesario determinar la eficiencia real del VFD para un sistema en particular comparando o combinando este método con otros métodos efectivos para reducir los costos de energía, y principalmente con una reducción correspondiente en la alimentación y/o presión nominal por bomba a medida que aumenta su número.
Un ejemplo ilustrativo es un circuito de bombas conectadas en serie y en paralelo (Fig. 9), que proporciona una cantidad significativa de puntos de operación en una amplia gama de presiones y flujos.
Con un aumento de presión en secciones de las redes de suministro de agua cercanas a los consumidores, surgen preguntas sobre la combinación del funcionamiento secuencial de grupos de bombas y el funcionamiento paralelo de bombas combinadas dentro de un grupo. El uso de VFD también planteó dudas sobre la combinación óptima del funcionamiento de varias bombas conectadas en paralelo con regulación de frecuencia.
Cuando se combinan, se garantiza un alto confort para los consumidores debido a un arranque/parada suave y una presión estable, así como a una reducción en la potencia instalada; a menudo, el número de bombas de respaldo no cambia y el valor nominal del consumo de energía por bomba se reduce. También se reduce la potencia del convertidor de frecuencia y su precio.
En esencia, está claro que la combinación (Fig. 10-1) le permite superponerse parte necesariaÁrea de trabajo del campo. Si la selección es óptima, entonces en la mayor parte del área de trabajo, y principalmente en la línea de presión constante controlada (presión), se garantiza la máxima eficiencia de la mayoría de las bombas y de la unidad de bombeo en su conjunto. El tema de discusión sobre el funcionamiento conjunto de bombas conectadas en paralelo en combinación con un VFD a menudo se convierte en la cuestión de la conveniencia de equipar cada bomba con su propio VFD.
Una respuesta clara a esta pregunta no será lo suficientemente precisa. Por supuesto, tienen razón quienes dicen que equipar cada bomba con un CVD aumenta la posible ubicación de los puntos de funcionamiento para la instalación. Es posible que tengan razón quienes creen que cuando la bomba funciona en un amplio rango de caudal, el punto de funcionamiento no tiene la eficiencia óptima, y cuando 2 de estas bombas funcionan a una velocidad reducida, la eficiencia general será mayor (Fig. 10). -2). Este punto de vista lo comparten los proveedores de bombas equipadas con convertidores HF integrados.
En nuestra opinión, la respuesta a esta pregunta depende del tipo específico de características del sistema, bombas e instalación, así como de la ubicación de los puntos de operación. Con control de presión constante, no se requiere un aumento en el espacio del punto de operación y, por lo tanto, una instalación equipada con un FC en el panel de control funcionará de manera similar a una instalación donde cada bomba está equipada con un FC. Para garantizar una mayor confiabilidad tecnológica, es posible instalar una segunda PCB en el gabinete, una de respaldo.
Con una selección adecuada (la eficiencia máxima corresponde al punto de intersección de la característica principal de la bomba y la línea de presión constante), la eficiencia de una bomba funcionando a la frecuencia nominal (en la zona de máxima eficiencia) será mayor que la total eficiencia de dos bombas similares que proporcionan el mismo punto de operación cuando cada una de ellas las opera a velocidad reducida (Fig. 10-3). Si el punto de funcionamiento se encuentra fuera de la característica de una (dos, etc.) bomba, entonces una (dos, etc.) bomba funcionará en modo "red", teniendo un punto de funcionamiento en la intersección de la característica de la bomba y la presión constante. línea (con máxima eficiencia). Y una bomba funcionará con PFC (de menor eficiencia), y su velocidad estará determinada por el requerimiento de suministro actual del sistema, asegurando la localización adecuada del punto de operación de toda la instalación en la línea de presión constante.
Es aconsejable seleccionar la bomba de modo que la línea de presión constante, que también determina el punto de funcionamiento con máxima eficiencia, se cruce con el eje de presión lo más alto posible en relación con las líneas características de la bomba definidas para velocidades más bajas. Esto se corresponde con la disposición antes mencionada sobre el uso en la solución de problemas de aumento de presión en las secciones terminales de una red de bombas con características estables y planas (si es posible con un coeficiente de velocidad más bajo ns).
Bajo la condición “una bomba funcionando...”, todo el rango de caudal es proporcionado por una bomba (actualmente en funcionamiento) con velocidad ajustable, por lo que la mayor parte del tiempo la bomba opera con un caudal inferior al nominal y, en consecuencia, con una menor eficiencia (Fig. 6, 7). Actualmente, existe la estricta intención del cliente de limitarse a dos bombas como parte de la instalación (una bomba en funcionamiento y otra en espera) para reducir los costes iniciales.
Los costes operativos influyen en menor medida en la elección. En este caso, el cliente, a efectos de “reaseguro”, insiste a menudo en utilizar una bomba cuyo valor de caudal nominal supera el caudal calculado y/o medido. En este caso, la opción elegida no se corresponderá con regímenes reales de consumo de agua durante un periodo importante del día, lo que provocará un consumo excesivo de electricidad (por menor eficiencia en el rango de suministro más “frecuente” y amplio), reducirá la confiabilidad y durabilidad de las bombas (debido a la salida frecuente a al menos 2" del rango de flujo permitido, para la mayoría de las bombas - 10% del valor nominal), reducirá la comodidad del suministro de agua (debido a la frecuencia de la función de parada y arranque). Como resultado, aunque reconocemos la validez "externa" de los argumentos del cliente, tenemos que aceptar como un hecho la redundancia de la mayoría de las bombas de refuerzo recién instaladas con respecto a las internas, lo que conduce a una eficiencia muy baja de las unidades de bombeo. El uso de VFD proporciona sólo una parte de los posibles ahorros en la operación.
La tendencia a utilizar dos unidades de bombeo (una de trabajo y otra de reserva) se manifiesta ampliamente en la construcción de viviendas nuevas, porque Ni las organizaciones de diseño ni de construcción e instalación están prácticamente interesadas en la eficiencia operativa de los equipos de ingeniería de la vivienda que se está construyendo, el principal criterio de optimización es el precio de compra garantizando al mismo tiempo el nivel del parámetro de control (por ejemplo, suministro y presión en un solo punto de dictadura). La mayoría de los edificios residenciales nuevos, teniendo en cuenta el mayor número de plantas, están equipados con PNU. La empresa dirigida por el autor (Promenergo) suministra PPU tanto de "" como de producción propia basada en bombas Grundfos (conocidas con el nombre de MANS). Las estadísticas de suministro de Promenergo en este segmento durante 4 años (Cuadro 2) permiten notar el predominio absoluto de dos unidades de bombeo, especialmente entre las instalaciones con VFD, que se utilizarán principalmente en sistemas de suministro de agua potable domésticos y principalmente en edificios residenciales. .
En nuestra opinión, la optimización de la composición de la PPU, tanto en términos de costos de energía como en términos de confiabilidad operativa, plantea la cuestión de aumentar el número de bombas en funcionamiento (al mismo tiempo que se reduce el suministro de cada una de ellas). La eficiencia y la confiabilidad sólo pueden garantizarse mediante una combinación de regulación escalonada y suave (de frecuencia).
El análisis de la práctica de los sistemas de bombeo de refuerzo, teniendo en cuenta las capacidades de las bombas modernas y los métodos de control, teniendo en cuenta los recursos limitados, permitió proponer el concepto de modelado periférico del suministro de agua como un enfoque metodológico para optimizar el PNS (PNU ) en el contexto de la reducción de la intensidad energética y los costes del ciclo de vida de los equipos de bombeo. Para seleccionar racionalmente los parámetros de las estaciones de bombeo, teniendo en cuenta la relación estructural y la naturaleza multimodo del funcionamiento de los elementos periféricos del sistema de suministro de agua, se han desarrollado modelos matemáticos. La solución modelo nos permite fundamentar el enfoque para elegir el número de supercargadores en el PNS, que se basa en el estudio de la función de costo del ciclo de vida en función del número de supercargadores en el PNS. Al estudiar usando un modelo en serie sistemas existentes Se ha establecido que en la mayoría de los casos el número óptimo de bombas en funcionamiento en el PNS es de 3 a 5 unidades (siempre que se utilice un VFD).
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COMUNICACIÓN RÁPIDA
2014-03-15La implementación de sistemas SCADA modernos en la industria del agua brinda a las empresas una capacidad sin precedentes para controlar y gestionar todos los aspectos de la adquisición, el suministro y la distribución de agua desde un sistema de control centralizado. Las empresas de servicios públicos modernas en el extranjero reconocen que el sistema SCADA no debería consistir en una o varias "islas de automatización" aisladas, sino que puede y debe ser un sistema único que opere en una red distribuida geográficamente e integrado en el sistema de información e informática de su empresa. El siguiente paso lógico después de implementar un sistema SCADA es hacer un mejor uso de esta inversión utilizando software de última generación que permita un control proactivo (en lugar de basado en retroalimentación) del sistema de suministro de agua. Los beneficios resultantes de estas acciones pueden incluir una mejor calidad del agua al reducir la edad del agua, minimizar los costos de energía y aumentar el rendimiento del sistema sin comprometer la confiabilidad operativa.
Introducción
Desde mediados de los años 1970, la automatización ha invadido los procesos de preparación, servicio y distribución. agua potable, tradicionalmente controlado manualmente. Hasta ese momento, la mayoría de las instalaciones utilizaban consolas simples con luces de emergencia, indicadores de cuadrante y pantallas de consola, como registradores de gráficos circulares, como dispositivos para complementar el sistema de control manual. Posteriormente aparecieron instrumentos y analizadores inteligentes como nefelómetros, contadores de partículas y medidores de pH. Podrían usarse para controlar bombas dosificadoras de productos químicos para garantizar el cumplimiento de las normas de suministro de agua aplicables. Finalmente, a principios de los años 80 apareció en el extranjero el control totalmente automático mediante PLC o sistemas de control distribuido. Junto con la mejora de la tecnología, también han mejorado los procesos de gestión. Un ejemplo de esto es el uso de medidores de corriente de flujo como circuito de control secundario ubicado aguas abajo del circuito interno para la dosificación de coagulante. El principal problema era que la teoría del uso de individuos instrumentos de medición siguió existiendo en la industria. Los sistemas de control todavía se diseñaban como si uno o más instrumentos de medición físicos estuvieran conectados entre sí mediante cables para controlar una única variable de salida. La principal ventaja del PLC fue la capacidad de combinar grandes cantidades de datos digitales y analógicos, así como crear algoritmos más complejos que los que se pueden obtener combinando instrumentos de medición individuales.
Como consecuencia, fue posible implementar, y también intentar lograr, el mismo nivel de control en el sistema de distribución de agua. Los desarrollos iniciales en equipos de telemetría estuvieron plagados de problemas asociados con bajas velocidades de datos, alta latencia y líneas arrendadas o de radio poco confiables. Hasta la fecha, estos problemas aún no están completamente resueltos; sin embargo, en la mayoría de los casos se han superado mediante el uso de redes de conmutación de paquetes altamente confiables o conexiones ADSL a una red telefónica distribuida geográficamente.
Todo esto tiene un coste elevado, pero invertir en un sistema SCADA es imprescindible para las empresas de agua. En los países de América, Europa y Asia industrializada, pocas personas intentan gestionar una empresa sin un sistema de este tipo. Puede resultar difícil justificar los importantes costes asociados a la instalación de un sistema SCADA y de telemetría, pero en realidad no existe otra alternativa.
Las dos justificaciones más comunes son la reducción de la fuerza laboral mediante el uso de un grupo centralizado de empleados experimentados para administrar un sistema ampliamente distribuido y la capacidad de monitorear y administrar la calidad.
Así como la instalación de PLC en estructuras proporciona la base para permitir la creación de algoritmos avanzados, la implementación de un sistema SCADA y de telemetría ampliamente distribuido permite un control más sofisticado sobre la distribución del agua. De hecho, ahora se pueden integrar algoritmos de optimización de todo el sistema en el sistema de control. Las unidades de telemetría remota (RTU) de campo, el sistema de telemetría y los sistemas de control de instalaciones pueden funcionar sincronizados para reducir costos de energía significativos y lograr otros beneficios para las empresas de agua. Se han logrado avances significativos en las áreas de calidad del agua, seguridad del sistema y eficiencia energética. A modo de ejemplo, actualmente se están realizando investigaciones en los Estados Unidos para examinar las respuestas en tiempo real a los ataques terroristas utilizando datos en vivo e instrumentación del sistema de distribución.
Control distribuido o centralizado
Los instrumentos como caudalímetros y analizadores pueden ser bastante complejos en sí mismos y capaces de realizar algoritmos complejos utilizando numerosas variables y con diferentes salidas. Estos, a su vez, se transmiten a PLC o RTU inteligentes, que son capaces de realizar un telecontrol de supervisión muy complejo. Los PLC y RTU están conectados a un sistema de control centralizado, que normalmente se encuentra en la sede de la empresa de agua o en una de las instalaciones más grandes. Estos sistemas de control centralizado pueden consistir en un potente sistema PLC y SCADA, capaces también de ejecutar algoritmos muy complejos.
En este caso, la pregunta es dónde instalar el sistema inteligente o si es aconsejable duplicarlo en múltiples niveles. Existen ventajas de tener control local a nivel de RTU, en el que el sistema queda relativamente protegido contra la pérdida de comunicación con el servidor de control centralizado. La desventaja es que la RTU sólo recibe información localizada. Un ejemplo es una estación de bombeo, cuyo operador no conoce ni el nivel del agua en el tanque al que se bombea el agua ni el nivel del depósito desde el que se bombea el agua.
A escala del sistema, los algoritmos individuales a nivel de RTU pueden tener consecuencias indeseables en el funcionamiento de las instalaciones, por ejemplo, solicitando demasiada agua en el momento equivocado. Es recomendable utilizar un algoritmo general. Por lo tanto, el camino óptimo es tener control localizado para proporcionar al menos protección básica en caso de pérdida de comunicación, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de gestionar un sistema centralizado para la toma de decisiones generales. Esta idea de utilizar capas de control y protección en cascada es la más óptima de las dos opciones disponibles. Los controles de la RTU pueden permanecer en estado inactivo y solo encenderse cuando ocurren condiciones inusuales o se pierden las comunicaciones. Un beneficio adicional es que las RTU relativamente no programables se pueden utilizar en condiciones de campo, ya que sólo se les requiere que realicen algoritmos de trabajo relativamente simples. Muchas empresas de servicios públicos en los Estados Unidos instalaron RTU en la década de 1980, cuando era común el uso de RTU "no programables" relativamente baratas.
Este concepto también se utiliza hoy en día; sin embargo, hasta hace poco se ha hecho poco para lograr la optimización de todo el sistema. Schneider Electric implementa sistemas de control basados en software, el cual es un programa de control en tiempo real y se integra al sistema SCADA para automatizar el sistema de distribución de agua (ver Fig. No. 1).
El software lee datos en vivo del sistema SCADA sobre los niveles actuales de los embalses, los flujos de agua y la disponibilidad de los equipos, y luego crea gráficos de los flujos de agua contaminada y tratada para las instalaciones, todas las bombas y válvulas automatizadas en el sistema para el período de planificación. El software puede realizar estas acciones en menos de dos minutos. Cada media hora, el programa se reinicia para adaptarse a las condiciones cambiantes, principalmente cuando cambia la carga en el lado de la demanda y el equipo falla. Los controles se activan automáticamente mediante software, lo que permite un control totalmente automático incluso de los sistemas de distribución de agua más potentes sin personal operativo. La tarea principal es reducir los costos de distribución de agua, principalmente los costos de los recursos energéticos.
Problema de optimizacion
Analizando la experiencia mundial, podemos concluir que numerosos estudios y esfuerzos han estado dirigidos a solucionar el problema asociado a la planificación de la producción, bombas y válvulas en los sistemas de distribución de agua. La mayoría de estos esfuerzos han sido de naturaleza puramente científica, aunque ha habido algunos intentos serios de llevar una solución al mercado. En la década de 1990, un grupo de empresas de servicios públicos estadounidenses se unieron para promover la creación de un Sistema de Monitoreo de la Calidad del Agua y la Energía (EWQMS) bajo los auspicios de la Fundación de Investigación de la Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas (AWWA). Como resultado de este proyecto se llevaron a cabo varias pruebas. El Water Research Council (WRC) del Reino Unido utilizó un enfoque similar en los años 1980. Sin embargo, tanto los EE.UU. como el Reino Unido se vieron limitados por la falta de infraestructura de sistemas de control, así como por la falta de incentivos comerciales en la industria, por lo que lamentablemente ninguno de los países tuvo éxito y todos estos intentos fueron abandonados posteriormente.
Se encuentran disponibles varios paquetes de modelado de sistemas hidráulicos que utilizan algoritmos genéticos evolutivos para permitir al ingeniero competente tomar decisiones razonables. soluciones de diseño, pero ninguno de ellos puede considerarse como un sistema de control automático en tiempo real objetivo para cualquier sistema de distribución de agua.
Los más de 60.000 sistemas de agua y 15.000 sistemas de aguas residuales de Estados Unidos son los mayores consumidores de electricidad del país, y utilizan alrededor de 75 mil millones de kWh/año en todo el país, aproximadamente el 3% del consumo anual de electricidad de Estados Unidos.
La mayoría de los enfoques para resolver el problema de optimizar el uso de energía indican que se pueden lograr ahorros significativos tomando decisiones adecuadas en el campo de la programación de bombas, especialmente cuando se utilizan algoritmos evolutivos multiobjetivo (MOEA). Como regla general, se prevé que los ahorros en costos de energía oscilen entre el 10 y el 15%, a veces más.
Uno de los desafíos siempre ha sido integrar estos sistemas en equipos reales. Las soluciones basadas en MOEA siempre han sufrido un rendimiento relativamente lento, especialmente en sistemas que utilizaban una mayor cantidad de bombas en comparación con los sistemas estándar. El rendimiento de la solución aumenta exponencialmente cuando el número de bombas alcanza el rango de 50 a 100 piezas. Esto permite que los problemas en el funcionamiento de los algoritmos MOEA se atribuyan a problemas de diseño, y que los propios algoritmos se atribuyan a sistemas de aprendizaje en lugar de sistemas de control automático en tiempo real.
Cualquier propuesta de solución global al problema de la distribución de agua al menor costo requiere la presencia de varios componentes básicos. Primero, la solución debe ser lo suficientemente rápida para hacer frente a las circunstancias cambiantes del mundo real y debe poder conectarse a un sistema de control centralizado. En segundo lugar, no debería interferir con el funcionamiento de los principales dispositivos de protección integrados en el sistema de control existente. En tercer lugar, debe lograr su objetivo de reducir los costos de energía sin afectar negativamente la calidad del agua o la confiabilidad del suministro de agua.
Actualmente, y así lo demuestra la experiencia mundial, el problema correspondiente se ha resuelto utilizando algoritmos nuevos y más avanzados (en comparación con MOEA). Con cuatro sitios grandes en los EE. UU., hay evidencia de que las soluciones se pueden implementar rápidamente y al mismo tiempo lograr el objetivo de reducir los costos de distribución.
EBMUD completa un cronograma de 24 horas en bloques de media hora en menos de 53 segundos, Washington Suburban en Maryland completa la tarea en 118 segundos o menos, Eastern Municipal en California lo hace en 47 segundos o menos y WaterOne en Kansas City en menos de 2 minutos. Esto es un orden de magnitud más rápido en comparación con los sistemas basados en algoritmos MOEA.
Definiendo tareas
Los costos de electricidad son los costos principales en los sistemas de tratamiento y distribución de agua y generalmente ocupan el segundo lugar después de los costos de mano de obra. Del costo total de energía, la operación de equipos de bombeo representa hasta el 95% de toda la electricidad comprada por una empresa de servicios públicos, y el resto está relacionado con iluminación, ventilación y aire acondicionado.
Claramente, la reducción de los costos de energía es un factor importante para estas empresas de servicios públicos, pero no a expensas de mayores riesgos operativos o una reducción de la calidad del agua. Cualquier sistema de optimización debe poder tener en cuenta cambios en las condiciones límite, como los límites operativos del embalse y los requisitos tecnológicos de las estructuras. A cualquiera sistema real Siempre hay un número importante de restricciones. Estas restricciones incluyen: el tiempo mínimo de funcionamiento de las bombas, el tiempo mínimo de enfriamiento de las bombas, el caudal mínimo y la presión máxima en la salida de las válvulas de cierre, el rendimiento mínimo y máximo de las estructuras, las reglas para crear presión en las estaciones de bombeo. , la determinación de la duración del funcionamiento de la bomba para evitar vibraciones importantes o golpes de ariete .
Las regulaciones sobre la calidad del agua son más difíciles de establecer y cuantificar porque la relación entre los requisitos mínimos del nivel operativo del agua del embalse puede entrar en conflicto con la necesidad de una circulación regular del agua en el embalse para reducir su edad. La degradación del cloro está estrechamente relacionada con la edad del agua y también depende en gran medida de la temperatura ambiente, lo que dificulta el establecimiento de reglas estrictas para garantizar que se mantenga el nivel requerido de cloro residual en todos los puntos del sistema de distribución.
Una parte interesante de cada proyecto de implementación es la capacidad del software para definir "costos de restricción" como resultado del programa de optimización. Esto nos permite desafiar algunas percepciones de los clientes con datos concretos y, a través de este proceso, eliminar algunas de las limitaciones. Este es un problema común para las grandes empresas de servicios públicos donde el operador puede enfrentarse a graves limitaciones con el tiempo.
Por ejemplo, en una estación de bombeo grande puede haber una restricción relacionada con la posibilidad de utilizar no más de tres bombas simultáneamente debido a razones justificadas establecidas en el momento de la construcción de la estación.
En nuestro software, utilizamos un esquema de simulación del sistema hidráulico para determinar el flujo máximo en la salida de una estación de bombeo durante el día para garantizar el cumplimiento de cualquier restricción de presión.
Habiendo determinado la estructura física del sistema de distribución de agua, indicando las zonas de alta presión, seleccionando el equipo que será controlado automáticamente por nuestro software y recibiendo un conjunto de restricciones acordadas, puede comenzar a implementar el proyecto de implementación. La fabricación según las especificaciones del cliente (si es prefabricada) y la configuración suelen tardar de cinco a seis meses, seguidas de pruebas exhaustivas durante tres meses o más.
Posibilidades de soluciones de software.
Si bien resolver un problema de programación muy complejo es de interés para muchos, en realidad es solo uno de los muchos pasos necesarios para crear una herramienta de optimización utilizable, confiable y completamente automática. Los pasos típicos se enumeran a continuación:
- Selección de ajustes a largo plazo.
- Lectura de datos del sistema SCADA, detectando y eliminando errores.
- Determinación de los volúmenes objetivo que deben estar en los embalses para garantizar la confiabilidad del suministro y circulación del agua.
- Lea cualquier dato cambiante de terceros, como los precios de la electricidad en tiempo real.
- Cálculo de horarios para todas las bombas y válvulas.
- Prepare datos para que el sistema SCADA arranque bombas o abra válvulas según sea necesario.
- Actualice datos de análisis como demanda prevista, costos, estimaciones de tratamiento de agua.
La mayoría de los pasos de este proceso tardarán solo unos segundos en completarse y el solucionador será el que tardará más en ejecutarse, pero como se indicó anteriormente, seguirá siendo lo suficientemente rápido como para ejecutarse de forma interactiva.
Los operadores de sistemas de distribución de agua pueden ver pronósticos y resultados en un cliente simple que se ejecuta, por ejemplo, en Windows. En la captura de pantalla siguiente (Figura 1), el gráfico superior muestra la demanda, el gráfico del medio muestra el nivel de agua en el depósito y la fila inferior de puntos es el gráfico de la bomba. Las barras amarillas indican la hora actual; todo lo que está antes de la columna amarilla son datos archivados; todo lo que sigue es un pronóstico para el futuro. La pantalla muestra el aumento previsto en el nivel de agua en el depósito en condiciones de funcionamiento de la bomba (puntos verdes).
Nuestro software está diseñado para encontrar oportunidades para reducir los costos de producción y los costos de energía; sin embargo, los costos de la energía tienen un impacto dominante. Cuando se trata de reducir los costos de energía, se mira en tres áreas principales:
- Trasladar el uso de energía a periodos con tarifa más económica, utilizando un embalse para suministrar agua a los clientes.
- Reduzca los costos durante los picos de demanda limitando el número máximo de bombas durante estos períodos.
- Reducir la energía eléctrica necesaria para suministrar agua a un sistema de distribución de agua operando una bomba o un grupo de bombas cerca de su rendimiento óptimo.
Resultados de EBMUD (California)
Un sistema similar comenzó a funcionar en EBMUD en julio de 2005. En el primer año de funcionamiento, el programa logró un ahorro energético del 12,5% (370.000 dólares respecto al año anterior, en el que el consumo ascendió a 2,7 millones de dólares), confirmado por expertos independientes. En el segundo año de funcionamiento, obtuvo resultados aún mejores, con ahorros de aproximadamente el 13,1%. Esto se logró principalmente transfiriendo la carga eléctrica a un modo tarifario de tres bandas. Antes de utilizar el software, EBMUD ya había hecho esfuerzos significativos para reducir los costos de energía mediante la intervención manual del operador y redujo sus costos de energía en $500,000. Se construyó una cuenca de presión lo suficientemente grande que permitió a la empresa apagar todas las bombas durante un período de 6 horas a la tarifa máxima de aproximadamente 32 centavos/kWh. El software programó las bombas para cambiar de dos períodos cortos de carga plana a cada lado del período pico de 12 centavos/kWh a una tarifa nocturna de diez horas fuera de las horas pico de 9 centavos/kWh. Incluso con una pequeña diferencia en el coste de la electricidad, el beneficio fue significativo.
Cada estación de bombeo tiene varias bombas, y en algunos casos se utilizan bombas de diferentes capacidades en una misma estación. Esto proporciona al programa de optimización numerosas opciones para crear diferentes flujos en el sistema de distribución de agua. El programa resuelve ecuaciones no lineales asociadas con el rendimiento del sistema hidráulico para determinar qué combinación de bombas proporcionará el equilibrio de masa diario requerido con la máxima eficiencia y costos mínimos. Aunque EBMUD se ha esforzado mucho en mejorar el rendimiento de la bomba, el uso del software ha reducido con éxito la cantidad total de kWh necesarios para generar flujo. En algunas estaciones de bombeo, la productividad se ha incrementado en más de un 27% únicamente seleccionando la bomba o bombas adecuadas en el momento adecuado.
Las mejoras en la calidad son más difíciles de cuantificar. EBMUD utilizó tres reglas operativas para mejorar la calidad del agua, que intentaron implementar manualmente. La primera regla fue nivelar el caudal en la planta de tratamiento de agua a sólo dos cambios de caudal por día. Unos flujos de producción más uniformes permiten optimizar el proceso de dosificación sustancias químicas, obtenga un flujo adecuado de baja turbidez y niveles de cloro estables con un depósito de estación más limpio. El software ahora detecta constantemente dos caudales en las plantas de tratamiento de agua mediante una previsión fiable de la demanda y distribuye estos caudales a lo largo del día. El segundo requisito era aumentar la profundidad de los embalses cíclicos para reducir la edad media del agua. Dado que el software es un medio para regular el equilibrio de masa, implementar esta estrategia no fue difícil. El tercer requisito era el más estricto. Dado que la cascada tenía múltiples embalses y estaciones de bombeo que suministraban agua a diferentes presiones, EBMUD quería que todas las estaciones de bombeo funcionaran simultáneamente cuando el depósito superior necesitaba agua para garantizar que el agua limpia viniera del fondo de la cascada en lugar del agua vieja del intermedio. reservorio . Este requisito también se cumplió.
Resultados de la WSSC (Pensilvania, Nueva Jersey, Maryland)
El sistema de optimización está en funcionamiento en la empresa desde junio de 2006. WSSC se encuentra en una posición casi única en los Estados Unidos, ya que compra más del 80% de su electricidad a un precio justo. Opera en el mercado PJM (Pensilvania, Nueva Jersey, Maryland) y compra electricidad directamente a un operador del mercado independiente. Las estaciones de bombeo restantes operan bajo estructuras tarifarias diferentes de tres compañías de suministro de electricidad distintas. Claramente, automatizar el proceso de optimización de la programación de bombas en un mercado real significa que la programación debe ser flexible y responder a los cambios horarios en los precios de la electricidad.
El software le permite resolver este problema en menos de dos minutos. Los operadores ya habían logrado trasladar la carga en grandes estaciones de bombeo a la presión de los precios durante todo el año antes de instalar el software. Sin embargo, a los pocos días del inicio del sistema automatizado se hicieron evidentes mejoras notables en la planificación. En la primera semana, se observaron ahorros de aproximadamente 400 dólares EE.UU. por día sólo por estación de bombeo. En la segunda semana, esta cantidad aumentó a 570 dólares EE.UU. por día, y en la tercera semana superó los 1.000 dólares EE.UU. por día. Se lograron efectos similares en otras 17 estaciones de bombeo.
El sistema de distribución de agua de WSSC se caracteriza por un alto nivel de complejidad y tiene una gran cantidad de válvulas de alivio de presión no controladas, lo que complica el proceso de cálculo y optimización del consumo de agua. El almacenamiento del sistema se limita a aproximadamente el 17,5 % del uso diario de agua, lo que reduce la capacidad de trasladar la carga a períodos de menor costo. Las restricciones más estrictas estuvieron asociadas con dos grandes plantas de tratamiento de agua, donde no se permitían más de 4 cambios de bomba por día. Con el tiempo, ha sido posible eliminar estas limitaciones para mejorar los ahorros de los proyectos de renovación.
Interacción con el sistema de control.
Ambos ejemplos requirieron software para interactuar con los sistemas de control existentes. EBMUD ya contaba con un paquete de programación de bombas centralizado de última generación que incluía una tabla de datos de entrada para cada bomba con un máximo de 6 ciclos de arranque y parada. Fue relativamente fácil utilizar esta función existente y obtener un cronograma de bombeo con datos de estas tablas después de que se resolvió cada problema. Esto significó que se requirieron cambios mínimos en el sistema de control existente y también indicó que era posible utilizar sistemas existentes protección contra el exceso y la disminución de la velocidad del flujo de los embalses.
El sistema suburbano de Washington fue aún más complejo de crear y conectar al sistema. No había ningún PLC centralizado instalado en la oficina central. Además, estaba en marcha un programa para sustituir las RTU no programables por PLC inteligentes en el campo. Se agregó una cantidad significativa de algoritmos lógicos al lenguaje de scripting del paquete del sistema SCADA y se resolvió el problema adicional de garantizar la copia de seguridad de los datos en los servidores del sistema SCADA.
El uso de estrategias generales de automatización conduce a una situación interesante. Si un operador llena manualmente un depósito en un área particular, sabe qué bombas se han puesto en marcha y, por lo tanto, también sabe qué niveles de agua en el depósito deben monitorearse. Si el operador utiliza un depósito que tarda varias horas en llenarse, se verá obligado a controlar los niveles del depósito a las pocas horas de arrancar las bombas. Si durante este período de tiempo se produce una pérdida de comunicación, podrá en cualquier caso eliminar esta situación deteniendo la estación de bombeo. Sin embargo, si las bombas se arrancan mediante un sistema completamente automático, el operador no necesariamente sabrá que esto ha ocurrido y, por lo tanto, el sistema dependerá más de controles automáticos localizados para protegerlo. Ésta es la función de la lógica localizada en la unidad de campo RTU.
Como ocurre con cualquier proyecto de software complejo, el éxito final depende de la calidad de los datos de entrada y de la solidez de la solución a las interferencias externas. Se requieren capas en cascada de enclavamientos y dispositivos de protección para proporcionar el nivel de seguridad requerido para cualquier servicio crítico.
Conclusión
Grandes inversiones en sistemas de automatización y control para empresas de agua en el extranjero han creado la infraestructura necesaria en los últimos 20 años para implementar estrategias generales de optimización. Las empresas de agua están desarrollando de forma independiente software aún más avanzado para mejorar la eficiencia del agua, reducir las fugas y mejorar la calidad general del agua.
El uso de software es un ejemplo de cómo se pueden lograr beneficios financieros a través de más uso efectivo importantes inversiones iniciales en sistemas de automatización y control.
Nuestra experiencia nos permite afirmar que el uso de la experiencia adquirida en las empresas de suministro de agua en Rusia y la construcción de sistemas de gestión centralizados ampliados es una solución prometedora que puede resolver eficazmente un conjunto de tareas y problemas actuales de la industria.
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1 APROBADO por Vicerrectorado de Asuntos Académicos S.A. Boldyrev 0 PROGRAMA DE TRABAJO de la disciplina Bombas y estaciones de bombeo (nombre de la disciplina de acuerdo con el plan de estudios) Programa de reciclaje Instituto/Departamento de Facultad Soporte de ingeniería edificios y estructuras Instituto de Ingeniería Ambiental Abastecimiento de Agua, Alcantarillado e Ingeniería Hidráulica
2 CONTENIDOS 1. Metas y objetivos del estudio de la disciplina Propósito de la enseñanza de la disciplina Objetivos del estudio de la disciplina Comunicación interdisciplinaria Requisitos para los resultados del dominio de la disciplina Alcance de la disciplina y tipos de trabajo académico Contenido de la disciplina Secciones de la disciplina y tipos de clases en horas (plan de lección temática) Contenidos de las secciones y temas del curso teórico Ejercicios prácticos Clases de laboratorio Trabajo independiente Materiales educativos y metodológicos sobre la disciplina Literatura básica y adicional, recursos de información Lista de ayudas visuales y de otro tipo, pautas y materiales para técnicas material didáctico Materiales de prueba y medición... 11
3 1.1. El propósito de la enseñanza de la disciplina 1. Las metas y objetivos del estudio de la disciplina de formar conocimientos sobre los principales tipos de bombas, compresores, equipos tecnológicos; formación de habilidades en el diseño, construcción y operación de bombeo y estaciones de soplado, sistemas de abastecimiento de agua y saneamiento. 1.. Objetivos del estudio de la disciplina: preparar licenciados para el diseño, producción, actividades tecnológicas, científicas y operación de estaciones de bombeo y soplado de sistemas de abastecimiento de agua y saneamiento Comunicación interdisciplinaria La disciplina “Bombas y estaciones de bombeo” se refiere a la parte variable de la ciclo profesional. Perfil “Abastecimiento de agua y saneamiento”, parte principal. La disciplina “Estaciones de bombeo y soplado” se basa en los conocimientos adquiridos al dominar las disciplinas: “Matemáticas”, “Física”, “Hidráulica”, “Mecánica Teórica”, “Arquitectura”, “Dibujo”, “Resistencia de los Materiales”, “Materiales de Construcción”, “Ingeniería geodesia”, “Ingeniería eléctrica”. Requisitos de entrada de conocimientos, habilidades y competencias de los estudiantes. El estudiante deberá: Conocer: los principales acontecimientos históricos, los fundamentos del ordenamiento jurídico, documentos normativos y técnicos en el ámbito de la actividad profesional; leyes fundamentales de matemáticas superiores, química, física, hidráulica, ingeniería eléctrica, mecánica teórica, resistencia de materiales; Ser capaz de: adquirir de forma independiente conocimientos adicionales de la literatura educativa y de referencia; aplicar los conocimientos adquiridos al estudiar disciplinas anteriores; utilizar una computadora personal; Poseer: habilidades para resolver problemas matemáticos; métodos de investigación gráfico-analíticos; Métodos para plantear y resolver problemas de ingeniería. Disciplinas de las cuales la disciplina “Bombas y estaciones de bombeo” es predecesora: disciplinas de enfoque especializado: “Redes de abastecimiento de agua”, “Redes de drenaje de agua”, “Estructuras de tratamiento y toma de agua”, “Eliminación de agua y tratamiento de aguas residuales”, "Equipo sanitario de edificios y estructuras", "Suministro de calor y gas con los fundamentos de la ingeniería de calefacción", "Fundamentos del suministro de agua y saneamiento industrial", "Fundamentos del saneamiento industrial", "Operación de estructuras de sistemas de suministro de agua y saneamiento", “Reconstrucción de estructuras de sistemas de abastecimiento de agua y saneamiento”.
4 1.4. Requisitos para los resultados del dominio de la disciplina El proceso de estudio de la disciplina "Calefacción" tiene como objetivo desarrollar las siguientes competencias: dominio de una cultura de pensamiento, capacidad de generalizar, analizar, percibir información, fijar una meta y elegir formas de lograrla. eso (OK-1); la capacidad de construir el habla oral y escrita de forma lógica, lógica y clara (OK-); la capacidad de utilizar documentos legales reglamentarios en sus actividades (OK-5); utilizar las leyes básicas de las ciencias naturales en actividades profesionales, aplicar métodos de análisis y modelado matemático, investigación teórica y experimental (PC-1); la capacidad de identificar la esencia científica natural de los problemas que surgen en el curso de la actividad profesional, de utilizar el aparato físico y matemático adecuado (PC-) para resolverlos; dominio de métodos, métodos y medios básicos para obtener, almacenar, procesar información, habilidades para trabajar con una computadora como medio para gestionar información (PC-5); conocimiento del marco regulatorio en el campo de los estudios de ingeniería, principios de diseño de edificios, estructuras, sistemas y equipos de ingeniería, planificación y desarrollo de áreas pobladas (PC-9); conocimiento de los métodos de estudio de ingeniería, tecnología para diseñar piezas y estructuras de acuerdo con especificaciones técnicas utilizando paquetes de software gráficos y de cálculo aplicado estándar (PC-10); la capacidad de realizar un estudio de viabilidad preliminar de los cálculos de diseño, desarrollar la documentación técnica de diseño y trabajo, formalizar los trabajos de diseño y construcción completados, monitorear el cumplimiento de los proyectos desarrollados y la documentación técnica con las especificaciones, estándares, especificaciones técnicas y otros documentos reglamentarios (PC-11); conocimiento de la tecnología, métodos para perfeccionar y dominar los procesos tecnológicos de producción de la construcción, producción de materiales, productos y estructuras de construcción, maquinaria y equipo (PC-1); la capacidad de preparar documentación sobre gestión de calidad y métodos estándar para el control de calidad de los procesos tecnológicos en los sitios de producción, organizar los lugares de trabajo, su equipamiento técnico, colocación de equipos tecnológicos, monitorear el cumplimiento de la disciplina tecnológica y la seguridad ambiental (PC-13); conocimiento de información científica y técnica, experiencia nacional y extranjera en el campo de actividad (PC-17); posesión modelo matematico basado en paquetes estándar para la automatización del diseño y la investigación, métodos de configuración y realización de experimentos según métodos determinados (PC-18); la capacidad de redactar informes sobre el trabajo completado, participar en la implementación de los resultados de la investigación y desarrollos prácticos (PC-19); conocimiento de las reglas y tecnología de instalación, ajuste, prueba y puesta en servicio de estructuras, sistemas de ingeniería y equipos de proyectos de construcción, muestras de productos fabricados por la empresa (PC-0); Conocimiento de métodos experimentales de ensayo de equipos y soporte tecnológico (PC-1). Como resultado del dominio de la disciplina, el estudiante deberá: Conocer: los tipos y diseños de los principales equipos de las estaciones de bombeo y soplado; tipos y diseños de estructuras de estaciones de bombeo y soplado;
5 conceptos básicos de diseño y construcción de estaciones de bombeo y soplado. Ser capaz de: tomar decisiones de diseño razonables sobre la composición de los equipos tecnológicos de las estaciones de bombeo y soplado como elementos de un sistema para el cual se especifican los requisitos del consumidor en cuanto a confiabilidad y condiciones de suministro de agua y aire y modos de operación. Poseer: Habilidades en instalación, construcción y operación de equipos tecnológicos básicos y estructuras de estaciones de bombeo y soplado.
6. Volumen de la disciplina y tipos de trabajo académico Tipo de trabajo académico Total unidades de crédito (horas) Intensidad laboral total de la disciplina 68 Clases presenciales: 40 clases magistrales 0 clases prácticas (PL) 0 clases de seminario (SW) - trabajos de laboratorio (LR) - otro tipo de clases presenciales - pruebas de control intermedio Trabajo independiente: 8 estudio de un curso teórico (TO) - proyecto del curso - trabajo de cálculo y gráfico (CGW) - resumen 8 tareas - otro tipo de trabajos Trabajo independiente- Tipo de prueba de control intermedio (test, examen)
7 3. Contenidos de la disciplina 3.1. Secciones de la disciplina y tipos de clases en horas (plan de lección temática) Módulos y secciones de la disciplina Bombas Propósito, principio de funcionamiento y áreas de aplicación de las bombas varios tipos Proceso de trabajo de las bombas de paletas Características de funcionamiento de las bombas de paletas, operación conjunta de bombas y redes 4. Diseños de bombas utilizadas para abastecimiento de agua y saneamiento Estaciones de bombeo Tipos de estaciones de bombeo de sistemas de abastecimiento de agua y saneamiento Estaciones de bombeo de abastecimiento de agua Estaciones de bombeo de sistemas de saneamiento Conferencias, unidades de crédito (horas) PZ o SZ, unidades de crédito (horas) LR, unidades de crédito (horas) Self. trabajo, unidades de crédito (horas) Competencias implementadas PC-1, PC-5, PC-9, PC-10, PC-11, PC-1 PC-13, PC-17, PC-18, PC-19, PC- 0, PC PC-1, PC-5, PC-9, PC-10, PC-11, PC PC-13, PC-17, PC-18, PC-19, PC-0, PC-1 Contenido total de secciones y temas de la clase magistral temas de la sección magistral Contenido de la clase magistral Número de horas (unidades de crédito) Trabajo independiente Parámetros básicos y clasificación Estudio de bombas teóricas. Ventajas y desventajas del curso. Estudiar el esquema 1 de bombas de varios tipos. Esquemas de conferencias. Funcionamiento del dispositivo y principio de funcionamiento con literatura especial. bombas de paletas, bombas de fricción, Preparación para bombas de desplazamiento positivo actuales. certificación (RSC). Presión y altura desarrolladas por 1 bomba centrífuga. Potencia y eficiencia de la bomba. Mismo
8 Cinemática del movimiento de fluidos en las partes de trabajo de una bomba centrífuga. Ecuación básica de una bomba centrífuga. Similar a 1 bombas. Fórmulas de conversión y el mismo coeficiente de velocidad. Altura de aspiración de bombas. Cavitación en bombas. Valores de elevación de succión aceptables. 4 Características de las bombas centrífugas. Métodos para obtener 1 características. Conjunto La misma característica de funcionamiento de la bomba y la tubería. Pruebas de bombas. 5 Funcionamiento de bombas en paralelo y serie 1. Diseños de bombas: centrífuga, axial, diagonal, de pozo, de vórtice. Volumétrico y bombas de tornillo. Lo mismo 6 Clasificación y tipos de estaciones de bombeo Ejecución de estaciones de escritura. Composición de equipos y trabajos de control de salas de bombeo y soplado (resumen). estaciones. 7 Características específicas de las estaciones de bombeo de abastecimiento de agua. Estudiando un curso teórico. Estudiar las notas Básicas Decisiones constructivas conferencias. Trabajar desde los edificios de las estaciones de bombeo. Objeto de la literatura especial... y características de diseño de las estaciones de bombeo -1º y -ésimo ascenso. Preparación para la certificación actual (Clasificación KSR de estaciones de bombeo de sistemas de aguas residuales. Diagramas de diseño, finalidad. Características del diseño de estaciones de bombeo de sistemas de aguas residuales. Determinación de la capacidad de los tanques receptores. Ubicación de las unidades de bombeo. Características de la construcción del bombeo estaciones de sistemas de aguas residuales Operación de estaciones de soplado y bombeo Indicadores técnicos y económicos del funcionamiento de estaciones de bombeo Total: 0 Realización de una prueba escrita (resumen) Igual Igual
9 3.3. Subsección de clases prácticas de la disciplina Nombre de las clases prácticas Volumen en horas Finalidad y características técnicas de las bombas Clasificación y características de las bombas. Parte de trabajo 1 1 características de la bomba. Características estables e inestables de las bombas. Características planas, normales y empinadas. Determinación de la pendiente de la característica. Operación conjunta de bombas y tuberías Construcción de características conjuntas de la operación de bombas y 1 tuberías. Característica gráfica del oleoducto Q-H. Construcción de la característica dada. centrífuga Q-H bomba Determinación del punto de funcionamiento de la bomba en el sistema de tuberías. Cambios en las características energéticas de una bomba centrífuga 3 1 cuando cambian el diámetro y la velocidad de rotación del impulsor de la bomba.Campos de trabajo de las características Q-H de la bomba. Fórmulas de conversión. 4 1 Determinación de la altura geométrica de succión de la bomba (parte 1) Determinación de la altura geométrica de succión de la bomba cuando se instala la bomba por encima del nivel del líquido en el tanque receptor, por debajo del nivel del líquido en el tanque receptor (la bomba está instalada debajo del llenado), en el caso de que el líquido en el tanque receptor esté bajo exceso de presión. 5 1 Determinación de la altura geométrica de aspiración de la bomba (h) Determinación de la altura geométrica de aspiración de la bomba, teniendo en cuenta la elevación geodésica de la instalación de la bomba y teniendo en cuenta la temperatura del agua bombeada. Selección del equipamiento principal de las estaciones de bombeo de suministro de agua 67 Cálculo del suministro de la estación de bombeo de la subida según cronogramas escalonados e integrales de consumo de agua. La influencia de la capacidad del tanque de control de presión 4 en el modo de funcionamiento de la estación de bombeo. Determinación de la presión de diseño de la estación de bombeo y el número de bombas de trabajo y de respaldo. 7 Modo de funcionamiento de la estación de bombeo de aguas residuales Cálculo del suministro y presión de la estación de bombeo y la capacidad del tanque receptor. Selección de unidades de trabajo y de reserva. Construir un gráfico de entrada y bombeo por hora, calculando la frecuencia de encendido de las bombas en función de la capacidad del tanque receptor. Determinación de la marca del eje de la bomba bajo la condición de su funcionamiento sin cavitación. 8 Determinación de la marca del eje de la bomba. Comprobación de la reserva de cavitación. 9 Viaje de estudios a estaciones de bombeo Total: 0
10 3.4. Clases de laboratorio en la subsección de la disciplina Nombre trabajo de laboratorio Volumen en horas 3,5. Trabajo independiente Para que los estudiantes adquieran habilidades prácticas en la elección de equipos especiales hidromecánicos y el diseño de estructuras para bombear agua, se proporciona un proyecto del curso. El resultado del trabajo independiente es la redacción de un resumen. Este tipo de trabajo tiene una duración de 8 horas. La organización del trabajo independiente se lleva a cabo de acuerdo con el cronograma del proceso educativo y el trabajo independiente de los estudiantes.
11 4. Materiales educativos y metodológicos de la disciplina 4.1. Literatura básica y adicional, recursos de información a) literatura básica 1. Karelin V.Ya., Minaev A.V. Bombas y estaciones de bombeo. M.: Bastet LLC, Shevelev F.A., Shevelev A.F. Tablas para cálculos hidráulicos. tuberías. M.: Bastet LLC, Lukinykh A.A., Lukinykh N.A. Tablas para cálculo hidráulico de redes de alcantarillado y sifones según fórmula de Acad. N.N. Pavlovsky. M.: Bastet LLC, Diseño de una estación de bombeo de aguas residuales: libro de texto/b.m. Grishin, M.V. Bikunova, Sarantsev V.A., Titov E.A., Kochergin A.S. Penza: PGUAS, 01. b) literatura adicional 1. Somov M.A., Zhurba M.G. Suministro de agua. M.: Stroyizdat, Voronov Yu.V., Yakovlev S.Ya. Eliminación de aguas y tratamiento de aguas residuales. M.: Editorial ASV, Manual del constructor. Instalación de sistemas externos de abastecimiento de agua y alcantarillado./ed. A.K.Pereshivkina/. M.: Stroyizdat, Abastecimiento de agua y saneamiento. Redes y estructuras externas. Ed. Repina B.N. M.: Editorial ASV, 013. c) software 1. paquete de pruebas electrónicas 170 preguntas;. curso electrónico de conferencias “Estaciones de bombeo y soplado”; 3. Programa AUTOCAD, RAUCAD, MAGICAD; d) bases de datos, sistemas de información, referencia y búsqueda 4. catálogos electrónicos de bombas; 5. muestras de diseños estándar de estaciones de bombeo; 6. motores de búsqueda: YANDEX, MAIL, GOOGLE, etc. 7. Sitios de Internet: etc. 4.. Lista de ayudas visuales y de otro tipo, pautas y materiales para ayudas técnicas para la enseñanza La base material y técnica de la disciplina incluye: un laboratorio con un stand para la realización de trabajos de pruebas de laboratorio equipado con la instrumentación, equipos y unidades de bombeo necesarios. clase de informática para realizar trabajos de laboratorio utilizando simuladores Materiales de prueba y medición Materiales de prueba y medición: una lista de preguntas para el examen y los exámenes. Ejemplo de tareas de prueba típicas en la disciplina “Bombas y estaciones de bombeo”: 1. ¿Qué tiene en cuenta el factor de eficiencia? a) el grado de fiabilidad de la bomba; b) todo tipo de pérdidas asociadas con la conversión por parte de la bomba de la energía mecánica del motor en energía de un fluido en movimiento; c) pérdidas provocadas por el flujo de agua a través de los espacios entre la carcasa y el impulsor. La respuesta correcta es b. ¿Qué es la altura de la bomba? a) el trabajo realizado por la bomba por unidad de tiempo; b) aumento de la energía específica del líquido en el área desde la entrada a la bomba hasta la salida de la misma; c) energía específica del líquido a la salida de la bomba.
12 Respuesta correcta b. 3. La presión de la bomba se mide a) en metros de la columna de líquido bombeada por la bomba, m; b) en m3/s; c) en m 3. La respuesta correcta es a. 4. ¿Cuál es el flujo volumétrico de una bomba? a) el volumen de líquido suministrado por la bomba por unidad de tiempo; b) la masa de líquido bombeada por la bomba por unidad de tiempo; c) el peso del líquido bombeado por unidad de tiempo. La respuesta correcta es la A. 5. ¿Qué bombas pertenecen al grupo dinámico? a) bombas centrífugas; b) bombas de pistón; c) bombas de émbolo. La respuesta correcta es la A. 6. ¿Qué bombas pertenecen al grupo de bombas de desplazamiento positivo? a) centrífugo; b) vórtice; c) pistón. La respuesta correcta es c. 7. ¿El funcionamiento de qué bombas se basa en el principio general de interacción de fuerzas entre las palas del impulsor y el flujo de líquido bombeado que fluye a su alrededor? a) diafragma; b) pistón; c) centrífugo, axial, diagonal. La respuesta correcta es c. 8. ¿El principal elemento de trabajo de una bomba centrífuga? a) impulsor; b) eje; c) carcasa de la bomba. La respuesta correcta es la A. 9. ¿Bajo qué fuerza se expulsa líquido del impulsor de una bomba centrífuga? a) bajo la influencia de la gravedad; b) bajo la influencia de la fuerza centrífuga; c) bajo la influencia de la fuerza Cariolis. La respuesta correcta es b. 10. Según el diseño de la unidad de bomba (ubicación del eje), las bombas centrífugas se dividen en a) monoetapa y multietapa; b) con suministro unilateral y suministro bilateral; c) horizontales y verticales. La respuesta correcta es c.
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