РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСОВ. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ РАБОТА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Под регулированием работы насоса подразумевается процесс изменения соотношения между подачей и напором. Существуют два основных способа регулирования подачи центробежных насосов. Первый способ предусматривает изменение условий работы системы «насос—сеть», второй — изменение характеристики насоса.

Первый способ осуществляется дросселированием задвижками на напорной или всасывающей линии, перепуском части жидкости из напорного трубопровода во всасывающий, впуском воздуха во всасывающий патрубок насоса.

Способ регулирования подачи задвижкой на напорном патрубке насоса основан на увеличении сопротивления в напорной линии (рис. 2.1). Этот способ наиболее распространен, так как в этом случае не требуется установки дополнительного оборудования.

При данном способе регулирования изменяется характеристика сети. При закрывании задвижки на напорном трубопроводе увеличивается сопротивление трубопровода. Характеристика трубопровода становится более крутой и пересекает характеристику насоса 0—Я в точке (см. рис. 2.1). КПД насосной установки

уменьшается с увеличением разности между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым в сети.

При этом способе регулирование возможно только в сторону уменьшения подачи. Способ применяется для насосов, имеющих плавную характеристику, в течение короткого времени.

Рис. 2.1. Характеристики насоса при регулировании задвижкой на напорной линии

Для оценки экономичности регулирования с помощью задвижки на напорном патрубке необходимо определить мощность и КПД насосной установки.

Теряемая при регулировании мощность

где к_д — напор, теряемый за счет регулирования задвижкой; ц_я — КПД насоса, соответствующий подаче КПД установки определяется по формуле

где Н_я — напор, необходимый для подачи расхода 0_Я; Н_я — напор, развиваемый насосом при подаче расхода 0_К{Н_Я = Н_я + /г_д); г|_дв — КПД двигателя.

Как показывают формулы (2.1) и (2.2), регулирование задвижкой на напорном патрубке невыгодно, особенно в насосных установках при больших подачах и относительно малом напоре.

Регулирование подачи перепуском жидкости применяется для устранения неустойчивой работы насосов и осуществляется перепуском из напорной линии во всасывающую линию части подачи насоса. При этом происходит увеличение общей подачи насоса и уменьшение подачи в сеть. За счет уменьшения расхода в сети ее характеристика изменяется и становится более пологой. При этом напор, развиваемый насосом, уменьшится. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улучшает кавитационные свойства насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы.

С точки зрения экономичности указанный способ регулирования приемлем для насосов с коэффициентом быстроходности п_$ > 300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшими коэффициентами быстроходности регулирование подачи перепуском приводит к увеличению мощности насоса и перегрузке электродвигателя.

Для реализации этого способа регулирования требуется устройство циркуляционного трубопровода и установка дополнительной арматуры, что приводит к увеличению габаритов установки. Данный способ не получил широкого распространения в городских системах водоснабжения и водоотведения.

Способ регулирования подачи путем впуска воздуха во всасывающий патрубок насоса целесообразен, когда фактическая высота всасывания для данного насоса значительно меньше допустимой, а впуск воздуха не ухудшает работу системы. При впуске воздуха КПД установки снижается тем больше, чем больше воздуха впускается в насос. Однако этот способ регулирования, как правило, более экономичен, чем регулирование напорной задвижкой. Способ позволяет ограниченно изменять подачу из-за резкого ухудшения кавитационных свойств насоса. В системах водоснабжения этот способ не используется из-за невозможности подачи воды, смешанной с большим количеством воздуха, в водопроводную сеть.

Второй способ предусматривает изменение характеристики насоса за счет изменения числа оборотов или диаметра рабочего колеса.

Способ, при котором меняется число оборотов рабочего колеса, подходит как для динамичных насосов, так и для насосов объемного типа. При этом необходимо учитывать, что подача насоса находится в прямой зависимости от числа оборотов, а напор (в центробежных) — в квадратичной зависимости.

При существующем уровне развития техники этот способ регулирования работы насосного агрегата является дорогостоящим, но с точки зрения энергетических затрат он наиболее экономичен. Изменение числа оборотов рабочего колеса позволяет регулировать подачу в достаточно широких пределах. При этом КПД установки изменяется незначительно.

На практике число оборотов регулируют с помощью вариаторов, гидромуфт, электромагнитных муфт скольжения (ЭМС) или регулируемого электропривода. Этот способ значительно удорожает и усложняет обслуживание установки, но позволяет сохранять подобие насосных характеристик.

Достоинством этого способа является то, что на группу из нескольких рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос, что существенно снижает затраты на эксплуатацию насосных станций. В качестве регулируемого принимается самый крупный агрегат с более пологой характеристикой. Эта мера препятствует образованию «мертвых зон». Все работающие агрегаты оборудуются регулируемым приводом только в тех случаях, когда изменение частоты вращения регулируемого агрегата выводит остальные агрегаты в ненормальный режим работы, например в зону низких КПД или кавитации.

В качестве регулируемого электропривода применяют следующие виды привода:

привод с многоскоростными электродвигателями — двух- и многоскоростных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;

привод с индукторными муфтами скольжения — асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;

привод по схеме асинхронно-вентильного каскада — асинхронных электродвигателей переменного тока с фазным ротором;

частотный привод — асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;

привод на базе вентильного электродвигателя — синхронных электродвигателей переменного тока.

Применение регулируемого привода, с одной стороны, стабилизирует давление в водопроводной сети; за счет этого обеспечивается экономия электроэнергии на подачу воды, сокращаются утечки и непроизводительные расходы воды, появляется возможность уменьшить площадь насосных станций путем увеличения единичной мощности насосных агрегатов и уменьшения их количества. С другой стороны, регулируемый привод усложняет эксплуатацию оборудования, требует более квалифицированного обслуживания, приводит к увеличению капитальных затрат. При разработке технико-экономического обоснования эти факторы должны быть учтены и сопоставлены по приведенным затратам.

Применение системы автоматического регулирования (САР) с регулируемым приводом, как правило, обеспечивает экономию электроэнергии 5—15%. Расход воды за счет сокращения утечек и непроизводительных расходов уменьшается на 3—4%.

Обычно САР с регулируемым приводом целесообразно использовать в насосных установках сравнительно большой мощности (75—100 кВт и выше), характеризующихся существенной неравномерностью подачи и большой динамической составляющей высоты водоподъема, т.е. большой крутизной характеристики сети. Крутые характеристики сети обычно соответствуют протяженным водоводам и расположению насосной станции на тех же или более высоких геодезических отметках, что и потребитель. Применение САР с регулируемым приводом обычно экономически оправдано в насосных установках с агрегатами мощностью 75 кВт и выше с параметрами X и Н^/п не более 0,8—0,85.

Многоскоростные электродвигатели рекомендуется использовать в тех случаях, когда применение плавно регулируемых приводов экономически не оправдано, например при ступенчатом изменении водопотребления, а также при отсутствии подходящих по параметрам плавно регулируемых приводов. Двух- и многоскоростные двигатели позволяют увеличивать число напорных характеристик насосной установки без увеличения количества насосных агрегатов.

На насосных станциях наиболее широко применяются короткозамкнутые асинхронные двигатели, которые не допускают изменения частоты вращения. При постоянной частоте вращения ротора электродвигателя для изменения частоты вращения рабочего колеса насос и электродвигатель соединяются с помощью регулируемой гидромуфты (рис. 2.2).

Рабочими элементами гидромуфты являются ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1 (насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2 (турбина). Оба колеса имеют, как правило, плоские радиальные лопатки. К насосу присоединен вращающийся при работе корпус 3. Диски 4 и 5 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В совокупности с межлопастными каналами часть полости гидромуфты, заключенная между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колес имеется небольшой осевой зазор, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью, чаще всего минеральными маловязкими маслами. В пожароопасных условиях применяют воду и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла.

Рис. 2.2. Гидромуфта

В приводном блоке насос соединяется валом 6 с двигателем, а турбина валом 7с механической передачей. При включении двигателя лопастная система насоса увлекает во вращение рабочую жидкость и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет ее на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия рабочей жидкости, запасенная в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. Рабочая жидкость, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на его наименьшем радиусе. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция рабочей жидкости постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колесами.

Основным способом регулирования частоты вращения ведомого вала является изменение наполнения жидкостью рабочего пространства колес гидромуфты. Изменение наполнения рабочей жидкости и введение в полость гидромуфты простого дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности.

Основное преимущество регулируемой гидромуфты — обеспечение бесступенчатого, автоматического и быстрого изменения частоты вращения ведомого вала. Кроме того, при использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств:

начало работы с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости;

предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске;

возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины;

суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска;

стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстановление рабочего режима при устранении перегрузки;

возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя;

демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин;

высокий КПД гидромуфты (0,96—0,98), простота конструкции и настройки, отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент.

Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30—40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода. Такое регулирование наиболее экономично лишь для машин, у которых мощность нагрузки в процессе работы изменяется пропорционально кубу частоты вращения турбины. К этим машинам относятся центробежные насосы мощностью до 15 тыс. кВт. Менее экономичным регулирование с помощью гидромуфт является в случае, когда мощность изменяется пропорционально квадрату частоты вращения. Для многих лопастных машин регулирование гидромуфтой имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами регулирования скорости.

В последнее время для регулирования числа оборотов широко применяется частотно-регулируемый привод насоса. Частотнорегулируемый привод включает в себя преобразователь частоты и асинхронный электродвигатель, являющийся составной частью насоса. Преобразователи частоты — это силовые электронные устройства, предназначенные для преобразования одно- или трехфазного напряжения с постоянной частотой 50 Гц в трехфазное напряжение переменной частоты в диапазоне от 0 до 400 Гц. Это свойство преобразователей частоты позволяет использовать их для бесступенчатого регулирования скорости любых асинхронных электродвигателей, в том числе электродвигателей насосов и компрессоров.

Скорость вращения асинхронного электродвигателя при использовании преобразователя частоты регулируется путем изменения частоты и напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98%, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций.

При соединении насоса с электродвигателем с помощью преобразователя частоты пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивая срок их службы. Применение регулируемого электропривода на базе преобразователей частоты обеспечивает: сокращение потребления электроэнергии при уменьшении требуемого напора;

работу силового электрооборудования без компенсирующих конденсаторов;

увеличение срока службы оборудования, трубопроводов и уменьшение затрат на их обслуживание;

минимальную зависимость хода технологического процесса от действий обслуживающего персонала;

возможность полной автоматизации технологических процессов с исключением субъективного фактора в оперативном управлении;

возможность сокращения количества работающих насосных агрегатов за счет увеличения мощности одного или двух действующих и, соответственно, уменьшения строительных объемов при капитальном строительстве или ремонте;

возможность уменьшения заявленной электрической мощности за счет исключения значительных пусковых токов при традиционном пуске насосного агрегата;

снижение количества аварий сети и насосных агрегатов за счет возможности применения плавного пуска;

возможность автоматического повторного включения насоса; повышение надежности электрооборудования за счет устранения ударных пусковых токов.

Экономия электроэнергии обеспечивается за счет снижения избыточных напоров на выходе насосных агрегатов, а также повышения их КПД.

Управление аппаратурой частотного регулирования осуществляется встроенным контроллером, который обеспечивает поддержание заданного давления при изменениях расхода, выполнение требуемой последовательности операций пуска и остановки насоса, технологические блокировки, идентификацию аварий, выполнение операций повторного включения или автоматического включения резервного агрегата, сбор и передачу на диспетчерский пункт информации о работе насоса.

Стоимость аппаратуры частотного регулирования довольно высока, однако экономия электроэнергии при регулировании достигает 20—30%, вследствие чего затраты на аппаратуру окупаются, как правило, в течение 2 лет.

Кроме того, современные преобразователи частоты обладают широким набором функций и позволяют осуществлять автоматизацию насосных станций.

Если характеристика насоса не соответствует заданным условиям работы в относительно небольших пределах, а параметры системы практически постоянны, то характеристику насоса можно изменить путем обточки рабочих колес насоса по внешнему диаметру. Этот способ регулирования широко применяется на практике. Изменение подачи насоса производится на определенный, достаточно длительный период его работы.

Обточка, или подрезка, рабочего колеса по наружному диаметру производится, как правило, в одноколесных насосах. Величина обточки обычно составляет 10—15% от наружного диаметра рабочего колеса, в отдельных случаях достигает 20%. При обточке появляется новое рабочее колесо с новым рабочим полем (2—Я, которое располагается ниже и левее старого поля. При обтачивании рабочего колеса (уменьшении диаметра колеса) можно значительно изменить поле работы насоса. Подача 0 такого насосного агрегата снижается пропорционально отношению нового и старого диаметров рабочего колеса, а напор изменяется по квадратичной зависимости. Обточка рабочего колеса позволяет заменить электродвигатель на менее мощный, но с тем же числом оборотов.

В настоящее время предприятия предлагают потребителям конкретные модификации насосов с различной обточкой колеса и с меньшей, соответственно, мощностью комплектующего электродвигателя.

Характеристики насоса с обточенными колесами можно получить, пользуясь формулами пересчета. Обычно заводы- изготовители дают характеристики насосов с несколькими значениями диаметра рабочего колеса. В этом случае промежуточные характеристики можно получить путем пересчета ближайшей заводской характеристики. Чтобы получить нужный напор насоса при обточке колеса, необходимо существующий напор умножить на квадратичную величину отношения диаметра обточенного колеса к диаметру обтачиваемого.

При обточке колес КПД насоса несколько уменьшается, особенно если обточка значительна. Поэтому для каждого типа насосов устанавливается максимальное значение обточки колеса и в результате — нижняя граница изменения характеристики насоса.