RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 171452 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (2 1) Numer zgłoszenia 298609 (22) Data zgłoszenia 15.04.1993 (51)IntCl6 H02P 7/36 F24D 15/04 (54) Układ sterowania zespołu pompowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: 17.10.1994 BUP 21/94 (73) Uprawniony z patentu: Wowk Józef, Leszno, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.1997 WUP 04/97 (72) Twórca wynalazku: Józef Wowk, Leszno, PL PL 171452 B1 (57) Układ sterowania zespołu pompowego składającego się z pompy hydroforowej i pompy bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej zawierający przekaźniki ciśnieniowe, z których pierwszy umieszczony w układzie sterującym przeznaczony jest do sterowania pracą pompy hydroforowej, drugi do sterowania pracą pompy bezpośredniego zasilania, a trzeci do sterowania dodatkowo pracą pompy hydroforowej oraz wyposażony w przekaźnik elektromagnetyczny i styczniki obwodu zasilania każdej pompy, przy czym drugi i trzeci przekaźnik ciśnieniowy umieszczone są w układzie sterującym pracą pomp, znamienny tym, ze trzeci przekaźnik ciśnieniowy (Pc3) do sterowania dodatkowo pracą pompy hydroforowej (P1) jest połączony z cewką (CS1) stycznika (S1) obwodu zasilania silnika pompy hydroforowej (P 1) pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny (K), a drugi przekaźnik ciśnieniowy (Pc2) do sterowania pracą pompy (P2) bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej jest połączony z cewką (CS2) stycznika (S2) obwodu zasilania silnika pompy (P2) bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej również pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny (K), zaś w obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowej (P1) zainstalowany jest przekaźnik termiczny (Pt) będący elementem sterującym pracą obu pomp (P1, P2). Fig 1
Układ sterowania zespołu pompowego Zastrzelenie patentowe Układ sterowania zespołu pompowego składającego się z pompy hydroforowej i pompy bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej zawierający przekaźniki ciśnieniowe, z których pierwszy umieszczony w układzie sterującym przeznaczony jest do sterowania pracą pompy hydroforowej, drugi do sterowania pracą pompy bezpośredniego zasilania, a trzeci do sterowania dodatkowo pracą pompy hydroforowej oraz wyposażony w przekaźnik elektromagnetyczny i styczniki obwodu zasilania każdej pompy, przy czym drugi i trzeci przekaźnik ciśnieniowy umieszczone są w układzie sterującym pracą pomp, znamienny tym, że trzeci przekaźnik ciśnieniowy (Pc3) do sterowania dodatkowo pracą pompy hydroforowej (P1) jest połączony z cewką (CS1) stycznika (S1) obwodu zasilania silnika pompy hydroforowej (P1) pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny (K), a drugi przekaźnik ciśnieniowy (Pc2) do sterowania pracą pompy (P2) bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej jest połączony z cewką (CS2) stycznika (S2) obwodu zasilania silnika pompy (P2) bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej również pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny (K), zaś w obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowej (P1) zainstalowany jest przekaźnik termiczny (Pt) będący elementem sterującym pracą obu pomp (P1, P2). * * * Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania zespołu pompowego przeznaczony do załączania i wyłączania silników elektrycznych pomp umieszczonych w mieszanym układzie zasilania sieci wodociągowych obejmujących układ hydroforowy z dodatkową pompą do bezpośredniego zasilania. Wymieniony zespól pompowy ma zastosowanie do zasilania małych i średnich instalacji wodociągowych z otwartego zbiornika retencyjnego i do podnoszenia ciśnienia w gałęziach sieci wodociągowej. Dotychczas do zasilania małych i średnich instalacji wodociągowych stosuje się układ będący połączeniem układu hydroforowego dobranego do zasilania instalacji wodociągowej przy małym zapotrzebowaniu i zespołu pomp, które zasilają instalację bezpośrednio przy średnim i dużym zapotrzebowaniu. Wymieniony układ jest znacznie korzystniejszy pod względem energetycznym od innych znanych układów zasilania, zwłaszcza od szeroko stosowanego układu hydroforowego, ponieważ pompa dobrana do pracy hydroforowej może mieć znacznie niższą wysokość podnoszenia. Ciśnienie włączenia tej pompy może odpowiadać najmniejszemu ciśnieniu potrzebnemu do zasilania instalacji, pracuje bowiem przy małym zapotrzebowaniu wodociągu. Pozostałe pompy nie potrzebują mieć nadwyżki potrzebnej do pracy hydroforowej, gdyż zasilają wodociąg w sposób bezpośredni. Ich wysokość podnoszenia może być dostosowana do ciśnienia wymaganego przez wodociąg przy określonym zapotrzebowaniu wody. Sterowanie pracą pomp znanego układu jest następujące. Pierwsza pompa pracująca w układzie hydroforowym sterowana jest przekaźnikiem ciśnieniowym, natomiast do sterowania pracą pozostałych pomp stosuje się sterownik przepływowy, który włącza do pracy odpowiedni układ pomp w zależności od zapotrzebowania wodociągu. Do zasilania znacznej części małych i średnich wodociągów pracujących w systemie dwustopniowego pompowania tzn. posiadających w układzie stacji wodociągowej zbiornik retencyjny, a szczególnie do podnoszenia ciśnienia w gałęziach sieci wodociągowej wystarczy w omawianym wyżej układzie mieszanym zastosować zestaw dwupompowy. Zestaw dwupom powy wyposażony jest w jedną pompę o mniejszej wydajności przystosowaną do pokrycia małych poborów sieci przy pracy w systemie hydroforowym oraz drugą pompę o większej wydajności i wysokości podnoszenia dostosowaną do zapotrzebowania występującego podczas dużego poboru. W czasie małego zapotrzebowania wodociągu pracuje tylko pompa dobrana do
171 452 3 współpracy z hydroforem. Gdy zapotrzebowanie wodociągu wzrośnie do momentu, w którym pompa hydroforowa pracując w sposób ciągły nie jest w stanie utrzymać ciśnienia potrzebnego w sieci, to wtedy sterownik przepływowy powoduje załączenie drugiej pompy, która pracując ciągle pokrywa średnie zapotrzebowanie wodociągu zapewniając odpowiednie ciśnienie w sieci. Przy maksymalnym poborze w sytuacji gdy druga pompa nie może już zapewnić potrzebnego ciśnienia w sieci wodociągowej, sterownik przepływowy załącza pompę hydroforową do pracy ciągłej. Układ sterowania zespołu pompowego składającego się z pompy hydroforowej i pompy bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej zawierający przekaźniki ciśnieniowe jest wyposażony w przekaźnik elektromagnetyczny i styczniki obwodu zasilania każdej pompy. W opisanym układzie występuje sterowanie pomp za pomocą przekaźnika ciśnieniowego oddziaływującego na pompę hydroforową oraz sterownika przepływowego załączającego pompę bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej. Podstawowym mankamentem tego układu jest potrzeba stosowania sterownika przepływowego. Używane sterowniki przepływowe są skomplikowane i zawodne oraz trudno dostępne a zarazem drogie. Dlatego też, pomimo znacznie korzystniejszego pod względem energetycznym układu mieszanego w porównaniu z hydroforowym systemem zasilania, układ mieszany jest rzadko stosowany. W celu wyeliminowania wymienionych niedogodności opracowano układ sterowania zespołu pompowego o prostej budowie i skutecznym działaniu. Istota wynalazku charakteryzuje się tym, ze trzeci przekaźnik ciśnieniowy do sterowania dodatkowo pracą pompy hydroforowej jest połączony z cewką stycznika obwodu zasilania silnika pompy hydroforowej pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny, a drugi przekaźnik ciśnieniowy do sterowania pracą pompy bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej jest połączony z cewką stycznika obwodu zasilania silnika pompy bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej również pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny. W obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowej zainstalowany jest przekaźnik termiczny będący elementem sterującym pracą obu pomp. Rozwiązanie według wynalazku dzięki zastosowaniu przekaźnika termicznego zainstalowanego w obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowej umożliwia sterowanie pracą obu pomp. Przy średnim i dużym zapotrzebowaniu sieci wodociągowej sterowanie pomp odbywa się w drugim zakresie sterowania obejmującym jego załączanie przez przekaźnik termiczny i następnie sterowanie przekaźnikami ciśnieniowymi. Wynalazek umożliwia ustawienie sterowania, które zapewnia przy średnim i dużym zapotrzebowaniu przełączenie pracy pomp tylko wtedy, gdy to wynika z powodu zmiany zapotrzebowania sieci jak to ma miejsce przy wydajnościowym sposobie sterowania zespołu pompowego Wykorzystanie przekaźników eliminuje konieczność stosowania skomplikowanych, a przede wszystkim zawodnych sterowników przepływowych gwarantując oszczędną energetycznie pracę pompowni przy optymalnym wykorzystaniu pomp i zapewnianiu wymaganego ciśnienia sieci we wszystkich punktach poboru wody. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunkach, na których fig. 1pokazuje układ zasilania silników pomp i sterowania tymi pompami, fig 2 -wykres przedstawiający graficzny obraz zasilania sieci wodociągowej dwoma pompami zestawu, a fig. 3 - układ połączeń i usytuowania przekaźników ciśnieniowych oraz pomp w zestawie dwupompowym do zasilania sieci wodociągowej. Układ sterowania zespołu pompowego według wynalazku wyposażony jest w pierwszy przekaźnik ciśnieniowy Pc1 przeznaczony do sterowania bezpośrednio pracą pompy hydroforowej P1, drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 sterujący pracą pompy P2 bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej i trzeci przekaźnik Pc3 sterujący dodatkowo pracą pompy hydroforowej P1 oraz zawiera przekaźnik termiczny Pt obciążenia prądowego silnika zainstalowany w obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowej P1. Przekaźniki ciśnieniowe, drugi P c2 i trzeci Pc3 sterują pracą pomp w sposób pośredni przez przekaźnik elektromagnetyczny K. którego cewka CK może otrzymać napięcie sterujące bezpośrednio przez zestyk zwierny ZPt przekaźnika termicznego Pt oraz przez drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 pośrednio przez własny zestyk zwierny w układzie podtrzymania. W obwodzie zasilania silników pomp P 1 i P2 na przewodach
4 171 452 e le k tr y c z n y c h podłączone są odpowiednio do każdego silnika M styczniki S1 i S2 połączone szeregowo z termicznymi zabezpieczeniami Zt1 i Zt2. Cewka CS1 stycznika S1 umieszczonego w obwodzie zasilania silnika pompy hydroforowrej P1 m o ż e otrzymaćnapięciesterującebezpośrednio przez pierwszy przekaźnik ciśnieniowy Pcl oraz przez trzeci przekaźnik ciśnieniowy Pc3 pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny K, natomiast do cewki CS2 stycznika S2 przynależnej do obwodu zasilania pompy P2 bezpośredniego zasilania można dostarczyć napięcie sterujące bezpośrednio przez zestyk zwierny ZPt przekaźnika termicznego Pt oraz przez drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 pośrednio poprzez przekaźnik elektromagnetyczny K Pierwszy przekaźnik ciśnieniowy Pcl sterujący bezpośrednio pompą hydroforową P1 jest połączony z cewką CS1 przez zestyk rozwierny Rzt1 a drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 sterujący pompą P2 bezpośredniego zasilania jest połączony poprzez zestyk rozwierny Rzt2 z cewką CS2. Pompa hydroforowa P1 współpracująca ze zbiornikiem hydroforowym ZH jest połączona równolegle z pompą P2 bezpośredniego zasilania sieci wodociągowej. W rozwiązaniu według wynalazku pomimo, że czynnikiem bezpośrednio sterującym pracą pomp jest ciśnienie zasilania sieci przez zestaw pompowy, został wprowadzony do sterowania dodatkowy czynnik pośredni jakim jest obciążenie silnika. W działaniu układu sterowania można wyróżnić dwa zakresy zależne od zapotrzebowania zasilane] przez zestaw pompowy sieci wodociągowej. Pierwszy zakres obejmuje małe i częściowo średnie zapotrzebowanie wodociągu, które może zabezpieczyć sama pompa hydroforowa P1. W tym zakresie pracą pompy hydroforowej P1 steruje pierwszy przekaźnik ciśnieniowy Pc1 w układzie hydroforowym. Drugi zakres obejmuje średnie i duże zapotrzebowanie sieci, w którym pracuje pompa P2 bezpośredniego zasilania sieci, a gdy i pompa P2 bezpośredniego zasilania nie może utrzymać potrzebnego ciśnienia, włączona zostaje ponownie pompa hydroforowa P1. W tym zakresie czynnikiem sterującym pracą pomp jest również ciśnienie, które przetwarzane jest na elektryczny sygnał sterujący przekaźnikami ciśnieniowymi, drugim Pc2 i trzecim Pc3. Sterowanie ciśnieniem nie odbywa się jednak w układzie hydroforowym, lecz poprzez charakterystyki pomp, które wiążą ciśnienie z wydajnością - w układzie wydajnościowym. Przełączenie z jednego zakresu sterowania na drugi dokonuje w sytuacji wzrostu zapotrzebowania wodociągu przekaźnik termiczny Pt przy określonej wydajności pompy hydroforowej P 1. Przełączenie z jednego zakresu sterowania na drugi przy malejącym zapotrzebowaniu wodociągu dokonuje drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 wówczas, gdy ciśnienie zasilania przy pracy pompy P2 bezpośredniego zasilania osiągnie odpowiednią wartość. Działanie układu sterowania zostało omówione dla wodociągu o następujących charakterystycznych danych: maksymalne zapotrzebowanie Qmax = 100 m3/h, wysokość ciśnienia statyczna na Hst = 20 m słupa wody zapewniająca dopływ wody do wszystkich odbiorców przy minimalnym rozbiorze, wysokość strat hydraulicznych w sieci wodociągowej w czasie maksymalnego rozbioru Δ Hs = 20 m słupa wody. Zasilanie wodociągu dwoma pompami zestawu w układzie sterowania według wynalazku przedstawiono w sposób graficzny na fig. 2 gdzie: krzywa 1 - przedstawia charakterystykę wodociągu, krzywa 2 - charakterystykę pompy hydroforowej P 1, krzywa 3 - charakterystykę pompy P2 bezpośredniego zasilania, krzywa 4 - sumaryczną charakterystykę obu pomp P1, P2, prosta 5 - poziom włączenia pierwszego przekaźnika ciśnieniowego Pc1, prosta 6 - poziom wyłączenia pierwszego przekaźnika ciśnieniowego P c1, prosta 7 - poziom włączenie drugiego przekaźnika ciśnieniowego Pc2. prosta 8 - poziom wyłączenia drugiego przekaźnika ciśnieniowego Pc2, prosta 9 - poziom włączenia trzeciego przekaźnika ciśnieniowego Pc3, prosta 10 - poziom wyłączenia trzeciego przekaźnika ciśnieniowego Pc3. Przy małym zapotrzebowaniu sieci pracuje pompa hydroforowa P1 sterowana pierwszym przekaźnikiem ciśnieniowym Pc1. Ciśnienie zasilania sieci zmienia się od ciśnienia włączenia nastawionego na pierwszym przekaźniku ciśnieniowym Pc1 do ciśnienia wyłączenia. Taki stan utrzymuje się do momentu gdy zapotrzebowanie sieci wyrośnie do punktu przecięcia krzywej 2 tj. charakterystyki pompy hydroforowej P1 z prostą 6 nastawy wyłączenia pierwszego
171 452 5 przekaźnika ciśnieniowego Pc1, co na wykresie odpowiada Q = 48 m3/h Wówczas ciśnienie podawane przez pompę hydroforową P1 nic zdoła już wyłączyć pierwszego przekaźnika bc ię śdnzi iee n pi or aw c eo gw o a łp a c w 1. sp p oo ms ópb a chi ąy gd łry o, fa o cr io ś wn ia e np i1 e zasilania sieci będzie kształtowane charakterystyką pompy hydroforowej P1 przedstawione krzywą 2. Taki stan może się utrzymać do zapotrzebowania wodociągu, przy którym nastąpi przecięcie krzywej 2 obrazujące charakterystykę pompy hydroforowej P 1 z krzywą 1 przedstawiającą charakterystykę sieci wodociągowej, co na wykresie odpowiada Q = 68 m3/h. Przed osiągnięciem tego zapotrzebowania przekaźnik termiczny Pt powinien przełączyć układ sterujący na drugi zakres. Przebiega to tak, ze przekaźnik termiczny Pt swoim zestykiem zwiernym ZPt podaje napięcie sterujące na cewkę CK przekaźnika elektromagnetycznego K. Przekaźnik elektromagnetyczny K swoimi zestykami zwiernymi podaje napięcie sterujące na przekaźniki ciśnieniowe, drugi Pc2 i trzeci Pc3, które są w stanie włączonym i w związku z tym przełączenie na drugi zakres powoduje włączenie pompy P2 bezpośredniego zasilania. Obie pracujące pompy P1, P2 podnoszą szybko ciśnienie zasilania, przy ciśnieniu wyłączenia trzeciego przekaźnika Pc3 - prosta 10 następuje wyłączenie pompy hydroforowej P 1. Pracująca pompa P2 bezpośredniego zasilania utrzymuje ciśnienie zasilania zgodnie ze swoją charakterystyką zobrazowaną krzywą 3. Taki stan utrzymuje się aż do wzrostu zapotrzebowania sieci wyznaczonego przecięciem krzywej 1 charakteryzującej zapotrzebowanie wodociągu z krzywą 3, co na wykresie odpowiada Q = 88 m3/h Na poziomie ciśnienia wyznaczonym przez punkt przecięcia powinno być ustawione ciśnienie włączenia trzeciego przekaźnika Pc3 pokazane na wykresie prostą 9 W związku z tym po osiągnięciu zapotrzebowania sieci wynoszące 88 m3/h zostanie włączona ponownie pompa hydroforowa P1. Ciśnienie zasilania będzie teraz kształtowane według sumarycznej charakterystyki obu pomp P1, P2 - krzywa 4. Obie pracujące pompy P1, P2 pokryją założone maksymalne parametry sieci wodociągowej tj. maksymalne zapotrzebowanie Q max oraz wysokość ciśnienia Hst i wysokość strat hydraulicznych Δ Hs. Ciśnienie wyłączenia trzeciego przekaźnika ciśnieniowego Pc3 powinno być tak ustawione, by prosta 10 poziomem tego ciśnienia przecinała charakterystykę sumaryczną pomp P1, P2 tj. krzywą 4 przy tej samej wydajności, przy której nastąpiło włączenie trzeciego przekaźnika ciśnieniowego Pc3.Ciśnienie wyłączenia drugiego przekaźnika ciśnieniowego Pc2 - prosta 8 musi być ustawione powyżej ciśnienia wyłączenia trzeciego przekaźnika ciśnieniowego Pc3 - prosta 10. Ponadto prosta 8 powinna przecinać charakterystykę pompy P2 bezpośredniego zasilania - krzywa 3 przy wydajności me wi ększej niż następuje włączenie tej pompy przez przekaźnik termiczny Pt. Wówczas gdy zapotrzebowanie sieci maleje do poziomu, przy którym pompa hydroforowa P1 może już zabezpieczyć zapotrzebowanie sieci, drugi przekaźnik ciśnieniowy Pc2 wyłącza pompę P2 bezpośredniego zasilania przerywając jednocześnie dopływ napięcia sterującego do cewki CK przekaźnika elektromagnetycznego K. Powoduje to przełączenie na pierwszy zakres sterowania.
171 452 Fig. 1
171 452 Fig. 2
171 452 F ig. 3 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł