Автоматизация насосной станции с VFD в Нигерии | SENTRADO
Подробное тематическое исследование решения SENTRADO в области промышленной автоматизации, обеспечившего измеримые результаты для операций по водоподготовке в Нигерии.
Предпосылки и цели проекта
Муниципальное управление водоснабжения в Нигерии привлекло SENTRADO для автоматизации крупной насосной станции сырой воды, которая подает воду на очистные сооружения, обслуживающие более 1.2 миллиона жителей. Станция эксплуатирует шесть вертикальных турбинных насосов, каждый из которых приводится в действие электродвигателем мощностью 250 kW, поднимая воду из речного водозабора по трубопроводу протяженностью 14 километров до очистных сооружений. Первоначальный прямой пуск вызывал сильные гидравлические удары, высокое потребление энергии и частые механические поломки, в то время как ненадежное сетевое электроснабжение требовало постоянной работы генераторов, что вело к высоким затратам.
Цели проекта были многогранны: снижение потребления энергии за счет управления VFD, внедрение удалённого мониторинга для минимизации необходимости выезда на объект в сложных условиях безопасности, интеграция солнечной энергии для компенсации затрат на дизельные генераторы и обеспечение надежной защиты от перенапряжений для протяженного трубопровода. Насосная станция расположена в удаленной местности с ограниченным подъездом, что делает надежность оборудования и удалённую диагностику критически важными для минимизации дорогостоящих вызовов сервисных инженеров.
SENTRADO поставила комплексное решение для автоматизации, включающее шкафы VFD для всех шести насосов, систему управления PLC Siemens S7-1200, SCADA-систему с удалённым мониторингом через сотовую сеть, интеграцию солнечной фотоэлектрической системы с автоматическим вводом резерва и оборудование защиты от перенапряжений как для трубопровода, так и для электрических систем.
Проблемы, которые нам пришлось решить
1. Высокие затраты на электроэнергию
Шесть насосов мощностью 250kW постоянно работали на полной скорости с дросселированием клапанов для регулирования расхода, что приводило к огромным потерям энергии. С учетом тарифов на электроэнергию в Нигерии и частого использования дизельных генераторов, энергия стала крупнейшей статьей операционных расходов станции.
2. Повреждения от гидравлических ударов
Прямой пуск насосов мощностью 250kW вызывал сильные гидравлические удары в 14-километровом трубопроводе, что приводило к разрушению стыков труб, трещинам в корпусах насосов и повреждению обратных клапанов. Каждый ремонт требовал остановки на несколько дней и дорогостоящих экстренных закупок.
3. Ненадежное сетевое электроснабжение
Местная электрическая сеть подвержена частым отключениям и колебаниям напряжения. Станция полагалась на дизельные генераторы в качестве резервного источника, но высокая стоимость дизельного топлива и сложности с его доставкой на удаленный объект сделали эксплуатацию генераторов неустойчивой.
4. Удаленное расположение и вопросы безопасности
Насосная станция находится в 40 километрах от ближайшего города с ограниченным доступом. Отправка инженеров для планового осмотра была затратной, а иногда и рискованной. Заказчику требовался комплексный удалённый мониторинг для выявления проблем до того, как они приведут к авариям.
5. Риск грозовых разрядов и перенапряжений
Тропические грозы в Нигерии сопровождаются интенсивными молниями. Протяженный трубопровод и наземная электрическая инфраструктура были уязвимы для вызванных молнией перенапряжений, которые ранее приводили к выходу из строя электродвигателей и оборудования управления.
Наш подход и архитектура системы
SENTRADO установила шесть шкафов VFD ABB ACS880, по одному для каждого насоса, что обеспечило работу с переменной скоростью в зависимости от потребностей очистных сооружений и давления в трубопроводе. PLC реализует алгоритм поддержания постоянного давления, который регулирует скорость насосов для поддержания заданного давления в конце трубопровода, автоматически включая и выключая насосы по мере изменения потребности. Плавный пуск и плавный останов исключают гидравлические удары за счет постепенного ввода насосов в работу и вывода из нее в течение 30-секундного периода. Система чередует назначение насосов в качестве ведущих и резервных на основе времени работы для выравнивания износа и увеличения интервалов обслуживания.
Солнечная гибридная энергетическая система интегрирует солнечную фотоэлектрическую батарею мощностью 500 кВт с существующей сетью и дизельным генератором через автоматический ввод резерва (АВР) и контроллер управления электроэнергией. В солнечные дни солнечная энергия компенсирует значительную часть нагрузок VFD и вспомогательных нагрузок, сокращая время работы генератора до 80%. При наличии сетевого питания система использует сеть с дополнением от солнечной энергии; во время отключений сети система плавно переключается на генератор с поддержкой от солнечной энергии. PLC контролирует качество электроэнергии и автоматически отключает некритичные нагрузки при превышении мощности генератора.
Удалённый мониторинг осуществляется через SCADA-систему WinCC с сотовым маршрутизатором 4G LTE и VPN-соединением, что позволяет диспетчерскому центру водоканала контролировать состояние насосов, расход, давление, потребление энергии и аварийные сигналы в режиме реального времени. Система отправляет SMS и email-оповещения о критических авариях, включая неисправности насосов, низкое давление на всасывании, высокое давление на нагнетании, изменения состояния генератора и обнаружение вторжения. Комплексная защита от перенапряжений была установлена на вводе электрического питания, на каждом VFD и у электродвигателей насосов. Клапаны сброса давления в трубопроводе, управляемые PLC, обеспечивают дополнительную защиту от переходных процессов давления.
Основные особенности архитектуры системы
- 6 × VFD ABB ACS880 (по 250 кВт каждый) с регулированием постоянного давления
- Siemens S7-1200 PLC с автоматическим каскадным подключением и ротацией насосов
- Солнечная гибридная фотоэлектрическая система мощностью 500 кВт с автоматическим вводом резерва
- 30-секундные рампы плавного пуска/плавного останова, исключающие гидроудары
- WinCC SCADA с удалённым мониторингом по сотовой сети 4G LTE и VPN
- Оповещение об авариях по SMS и email для критических событий
- Многоступенчатая защита от перенапряжений и молний (Класс I + II + III)
- Управление клапанами сброса давления в трубопроводе для защиты от переходных процессов
Параметры и конфигурация системы
| Система управления | Siemens SIMATIC S7-1200 |
| Контроллер | 1 × CPU 1214C DC/DC/DC |
| Частотные преобразователи | 6 × ABB ACS880-04 (по 250 кВт каждый) |
| Общая установленная мощность | 1 500 кВт (6 × 250 кВт) |
| Мощность солнечной фотоэлектрической системы | 500 кВт |
| Протокол связи | PROFINET / Modbus RTU / 4G LTE |
| HMI / SCADA | WinCC RT Basic + удаленный веб-клиент |
| Шкафы управления | 3 × IP54 панели VFD + 1 шкаф PLC |
| Длина трубопровода | 14 км (диаметр 800 мм) |
| Пропускная способность | 3 600 м³/ч (все насосы) |
| Защита от гидроударов | Класс I/II/III при обслуживании, VFD, электродвигатели |
| Снижение энергопотребления | 40% по сравнению с прямым пуском |
Ключевые компоненты и аппаратное обеспечение
Siemens CPU 1214C
6ES7214-1AG40-0XB0
Контроллер насосной станции
ABB ACS880-04 VFD
3ABD00035842-D
Промышленный привод 250 кВт (×6)
WinCC RT Basic
6AV2104-0DA06-0AA0
Локальная HMI-панель с веб-клиентом
SITRANS P320
7MF0300-1TE01-5AF2
Датчик давления трубопровода
SITRANS F M MAG 6000
7ME6920-1AA30-1AA0
Электромагнитный расходомер
SCALANCE S615 VPN
6GK5615-0AA00-2AA2
Промышленный VPN-маршрутизатор для удаленного доступа
Ограничитель перенапряжений DEHNventil
DV M TT 255
Комбинированный ограничитель перенапряжений класса I+II
Контактор SIRIUS 3RT2
3RT2055-6AP36
Байпасный контактор для обслуживания VFD
Этапы проекта
Инжиниринг и проектирование
5 недельЛогика управления насосами, система электроснабжения, анализ перенапряжений
Производство шкафов
6 недель3 шкафа VFD + шкаф PLC на объекте SENTRADO
Разработка программного обеспечения
4 неделиPLC, SCADA, удаленный мониторинг, SMS-оповещения
FAT
1 неделяНагрузочное испытание VFD, проверка логики управления
Отгрузка в Нигерию
6 недельМорские грузоперевозки в Лагос, внутренняя транспортировка
Монтаж солнечной электростанции
4 неделиМонтаж массива фотоэлектрических модулей, инвертор, интеграция АВР
Монтаж VFD и систем управления
3 неделиУстановка шкафа, прокладка кабелей электродвигателя, датчики
Пусконаладочные работы и обучение
3 неделиИспытания насоса, проверка защиты от гидроудара, обучение персонала
Измеримые результаты
Данные о производительности проверены после пусконаладочных работ и непрерывной эксплуатации системы.
Управление VFD в сравнении с регулированием дроссельной заслонкой
Удалённый мониторинг сократил количество инспекций вдвое
Плавный пуск исключил переходные процессы в трубопроводе
Солнечная гибридная электростанция компенсировала использование дизельного топлива
До и после: количественное сравнение
| Метрика | До | После | Изменение |
|---|---|---|---|
| Энергопотребление | Базовый уровень (дроссельное регулирование) | Снижение на 40% за счет VFD | −40% |
| Инспекционные выезды на объект | Еженедельные проверки на объекте | Снижение на 50% за счет удалённого мониторинга | −50% |
| Случаи гидравлического удара | Частые (прямой пуск от сети) | 0 случаев (плавный пуск VFD) | −100% |
| Время работы генератора | 100% работа на дизельном топливе | Компенсация 80% за счет солнечной гибридной системы | −80% |
| Срок службы насоса | Сокращен из-за гидравлического удара | Увеличен за счет плавного пуска | Увеличен |
Данные основаны на отчетах о пусконаладочных работах по проекту и долгосрочных эксплуатационных измерениях. Название клиента доступно в рамках NDA.
Итоговый эффект
Поставленная система автоматизации превысила все целевые показатели производительности, указанные в контракте, обеспечив более высокую производительность, меньшее энергопотребление и улучшенное качество продукта по сравнению с базовым режимом работы. Клиент сообщил о полном возврате инвестиций в течение прогнозируемого срока окупаемости и с тех пор привлек SENTRADO для дополнительных этапов расширения завода.
Есть аналогичный проект?
Нужна ли вам полная миграция DCS, шкафы управления PLC по индивидуальному заказу или комплексное решение «под ключ», наши инженеры готовы помочь. Получите бесплатную консультацию и коммерческое предложение уже сегодня.