Как изменить напор насоса

При подборе насоса очень важно, чтобы рабочая точка находилась в зоне максимального КПД. В противном случае потребляемая мощность может быть
необоснованно завышенной, см. рис. 4.1.1.

Кроме того, иногда нет необходимости выбирать насос, соответствующий оптимальной рабочей точке, так как требования системы постоянно меня-
ются или с течением времени меняется характеристика системы.

Поэтому лучшим вариантом может быть регулирование параметров насоса таким образом, чтобы они обеспечивали эксплутационные потребности
системы.

Наиболее популярные методы изменения параметров насоса следующие:

• Дроссельное регулирование
• Регулирование байпасом
• Изменение диаметра рабочего колеса
• Регулирование скорости

Метод регулирования выбирается исходя из величины начальных инвестиций в оборудование и расходов на эксплуатацию. В течение срока службы системы
можно опробовать все методы регулирования, кроме одного — коррекции диаметра рабочего колеса. Очень часто для системы используется переразме-
ренный насос, мощность которого намного выше требуемой, и, следовательно, необходимо ограничить его производительность — прежде всего расход, и в
некоторых случаях — максимальный напор.

Далее мы рассмотрим подробнее эти четыре метода.

Дроссельное регулирование

Задвижка устанавливается последовательно после насоса, позволяя регулировать рабочую точку. Она увеличивает сопротивление системы и снижает в ней
расход. Без задвижки расход будет Q₂. С задвижкой, установленной последовательно с насосом, расход понижается до значения Q₁.

Задвижки могут использоваться для ограничения максимального расхода. Например, расход никогда не будет выше значения Q₃, даже если характеристика системы будет абсолютно пологой, что означает отсутствие в системе какого-либо сопротивления. При регулировании параметров дроссельным методом насос будет обеспечивать более высокий напор, чем необходимо для данной системы.

При замене насоса с задвижкой на меньший насос, последний обеспечит желаемый расход Q₁, но при более низком напоре и, следовательно, с меньшим
энергопотреблением, см. рис.4.1.2.

Регулирование байпасом

Задвижка байпасного (перепускного) трубопровода устанавливается параллельно с насосом и используется для регулирования его параметров, см. рис.
4.1.3.

По сравнению с обычной задвижкой, устанавливаемой за насосом, байпасирование обеспечит определенный минимальный расход Q_бп насоса, независимо
от характеристик системы. Расход насоса Q_Н равен сумме расхода системы Q_С и расхода через байпасный трубопровод Q_бп.

Задвижка на байпасе будет обеспечивать максимально допустимый напор в системе Н_макс, см. рис. 4.1.3. Даже если требуемое значение расхода в системе равно нулю, насос никогда не будет работать на закрытую задвижку. Как и в случае с дроссельным регулированием, требуемое значение расхода системы Q_С может быть обеспечено меньшим насосом и без перепуска; в результате расход через насос будет ниже и, следовательно, потребление электроэнергии тоже снизится.

Коррекция диаметра рабочего колеса

Очевидно, что уменьшение диаметра рабочего колеса не может быть произведено во время работы насоса. По сравнению с дроссельным и байпасным методами
регулирования, которые можно проводить во время работы насоса, коррекция диаметра рабочего колеса должна быть выполнена до монтажа насоса или
во время проведения ремонтных работ. Следующие формулы показывают связь между диаметром рабочего колеса и параметрами насоса:

Отметим, что эти формулы отражают работу идеального насоса. На практике, уменьшение диаметра рабочего колеса ведет к снижению эффективности
работы насоса, т.е. к снижению его КПД. При незначительной коррекции диаметра D_Н2 > 0,8 • D_Н1, КПД уменьшится только на несколько процентов. Уровень снижения КПД зависит от типа насоса и его рабочей точки.

Как видно из формул, отношения изменения расхода и напора равны между собой и равны квадрату отношения диаметров рабочего колеса. Рабочие точки
при этом располагаются на прямой, берущей свое начало в системе координат в точке (0, 0). Отношение потребляемых мощностей до и после коррекции
равно отношению диаметров в четвертой степени.

Регулирование скорости

Последний способ регулирования — регулирование скорости. Регулирование скорости с помощью преобразователя частоты, вне всяких сомнений, является наиболее эффективным способом регулирования характеристик насоса.

Следующие уравнения показывают влияние изменения скоростей центробежного насоса на его параметры:

Эти уравнения действительны при условии, что характеристика системы остается неизменной для n_H1 и n_H2 и образует параболу, выходящую из точки с координатами (0, 0) — см. раздел 3.1.1. Более того, предполагается, что и КПД насоса остается неизменным при двух скоростях.

Из формул на рис. 4.1.5 видно, что расход насоса (Q) прямо пропорционален его скорости вращения (n). Напор насоса (Н) прямо пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность его прямо пропорциональна кубу скорости вращения. На практике снижение скорости вращения насоса приводит
к уменьшению его КПД. КПД при снижении скорости (n_H2) может быть определен по следующей формуле, которая имеет силу только при снижении скорости до 50% от максимальной:

И, наконец, если необходимо знать, сколько Вы сэкономите на электроэнергии при снижении скорости насоса, нужно учесть КПД преобразователя частоты
и электродвигателя.

Сравнение методов регулирования

После того, как мы познакомились с четырьмя способами регулирования рабочих параметров насоса, рассмотрим характерные отличия каждого из них.
Мы будем рассматривать насос и устройство регулирования как единое целое и сравним результирующую характеристику Q-H c характеристиками других
методов.

Дроссельное регулирование

При дроссельном регулировании используется задвижка, соединенная последовательно с насосом, см. рис. 4.1.6(а). Такое соединение идентично новому
насосу с другими рабочими характеристиками: при том же максимальном напоре мы получаем более низкий максимальный расход. Характеристика насоса H_H1, характеристика задвижки и результирующая характеристика H_H2 представлены на рис. 4.1.6(б).

Регулирование байпасом

При установке задвижки параллельно с насосом (рис. 4.1.7(а)), происходит изменение характеристики Q-H, и такое соединение идентично новому насосу с
меньшим максимальным напором. Результирующая характеристика системы будет более походить на линейную функцию, чем на квадратную параболу, см.
рис. 4.1.7(б).

Коррекция диаметра рабочего колеса

При таком способе не происходит подключения к насосу каких-либо дополнительных устройств для изменения его рабочих параметров, но уменьшается
диаметр его рабочего колеса. На рис. 4.1.8 представлена пониженная характеристика Q-H (H_H2) и оригинальная характеристика (H_H1).

Регулирование скорости

При регулировании скорости (рис. 4.1.9) происходит создание новой характеристики Q-H при сниженном напоре и расходе. При снижении скорости характе-
ристика насоса становится более пологой, и напор понижается существеннее, чем расход.

В сравнении с другими методами, регулирование скорости позволяет расширить диапазон рабочих параметров насоса вверх от номинальной характеристики Q-H путем простого увеличения скорости, см. рис. 4.1.9 — характеристика Н_З. При таком методе регулирования необходимо учитывать мощность
электродвигателя.

Общий КПД насосной системы

При дроссельном и байпасном регулировании имеют место гидравлические потери мощности в задвижках (P_пот = k · Q · H). Следовательно, происходит снижение КПД всей системы. Уменьшение размера рабочего колеса при соотношении D_H2/D_H1 > 0,8 не оказывает
значительного влияния на КПД насоса и, следовательно, не снижает общий КПД системы.

При регулировании скорости насоса, пока скорость не упадет ниже 50% от номинальной, КПД регулируемых насосов изменяется в некотором ограниченном диапазоне. При дальнейшем снижении скорости КПД снизится на несколько процентов, что не окажет значительного влияния на экономические показатели системы.

Пример: Относительное потребление энергии при снижении расхода на 20%

В системе расход должен быть снижен с 60 м³/ч до 50 м³/ч. Начальные параметры: Q = 60 м³/ч и Н = 70 м.
Потребляемую мощность насоса примем за 100%. В зависимости от способа регулирования параметров снижение потребляемой мощности будет разным.
Теперь давайте посмотрим, как потребляемая мощность зависит от способа регулирования параметров.

Дроссельное регулирование

Потребляемая мощность снижается примерно до 94% при снижении расхода. Дроссельное регулирование ведет к увеличению напора, см. рис. 4.1.10. Для
некоторых насосов потребляемая мощность имеет максимальное значение при значении расхода меньше максимального. В этом случае при дроссельном
регулировании происходит увеличение потребляемой мощности.

Регулирование байпасом

Чтобы понизить расход в системе, необходимо уменьшить напор до 55 м с помощью клапана. Это может быть сделано путем увеличения расхода насоса. Как
видно из рис. 4.1.11, расход через насос постепенно увеличивается до 81 м³/ч, что ведет к увеличению потребляемой мощности на 10% от первоначального значения. Увеличение потребляемой мощности зависит от типа насоса и его рабочей точки. В некоторых случаях увеличение мощности Р₂ равно нулю и, что бывает очень редко, ее значение может быть даже снижено.

Коррекция диаметра рабочего колеса

При уменьшении диаметра рабочего колеса происходит снижение как расхода, так и напора. После снижения расхода на 20%, потребляемая мощность
уменьшается примерно до 67% от ее первоначального значения, см. рис. 4.1.12.

Регулирование скорости

При регулировании скорости насоса происходит уменьшение расхода и напора насоса, см. рис. 4.1.13. Таким образом, снижается значение потребляемой
мощности до 65% от ее первоначальной величины.

Если необходимо достичь максимума КПД при снижении расхода в системе, оптимальными методами регулирования будут изменение диаметра рабочего
колеса и регулирование скорости. Если же насос должен работать в определенной неизмененной рабочей точке, лучшим решением будет метод изменения
диаметра рабочего колеса. Если мы имеем дело с системой, где расход постоянно меняется, то лучшим вариантом будет регулирование скорости насоса.

Выводы

На рис. 4.1.14 представлен обзор методов регулирования, которые мы рассматривали в этом разделе. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, которые должны всегда учитываться при выборе способа регулирования для системы.

Методы регулирования

Как было отмечено в предыдущем разделе, регулирование скорости насосов является наиболее эффективным способом управления параметрами насоса в системе. В этом разделе мы рассмотрим возможности объединения регулируемых насосов с PI-регуляторами и датчиками, замеряющими параметры системы, такие как давление, перепад давлений и температуру. Далее разные методы регулирования будут описаны на примерах.

Регулирование по постоянному давлению

Насос должен подавать воду из резервуара к различным потребителям.

Требования к расходу воды в данном случае будут постоянно меняться, следовательно, и характеристика системы будет меняться в соответствии с потребным расходом. Для экономии энергии и удобства потребителя необходимо, чтобы в системе было постоянное давление.

Как видно из рис. 4.2.1, решением в этом случае будет установка регулируемого насоса с PI-регулятором. PI-регулятор сравнивает установленное значение давления р_уст с фактическим значением р₁, измеренным с помощью датчика давления РТ.

Если же фактическое давление выше, чем установленное значение, PI-регулятор снижает скорость насоса и, следовательно, его параметры, до тех пор,
пока не установится равенство р₁ = р_уст. На рис. 4.2.1 показано, что происходит, когда расход меняется с
Qмакс до Q1. PI-регулятор изменяет скорость от значения n_H1 до n_H2, гарантируя при этом, что давление на выходе системы р₁ = р_уст. Такая насосная система гарантирует постоянное давление в диапазоне расхода от 0 до Q_макс. Давление воды в точке водоразбора
не зависит от ее уровня (h) в резервуаре. Если происходит изменение уровня воды (h), PI-регулятор изменяет скорость насоса таким образом, что давление р₁ всегда соответствует установленному значению.

Регулирование по постоянной температуре

Изменение параметров системы с помощью регулирования скорости насоса используется во многих областях промышленности. На рис. 4.2.2 представлена система формовочной машины, которая должна непрерывно охлаждаться водой для получения продукта высокого качества.

Эта машина охлаждается водой с температурой 15°С, поступающей из холодильной установки. Чтобы данная формовочная машина работала качественно и
охлаждалась достаточным образом, температура в обратном трубопроводе должна поддерживаться на постоянном уровне — t_обр = 20°С. Для этого необходимо установить регулируемый по температуре насос, управляемый с помощью PI-регулятора. PI-регулятор сравнивает установленную температуру t_уст с фактической температурой в обратном трубопроводе t_обр, которая измеряется с помощью датчика температуры ТТ. Такая система имеет фиксированную характеристику, и, следовательно, рабочая точка насоса находится на характеристике между значениями расхода Q_мин и Q_макс. Чем выше потери тепла в установке, тем больший расход холодной воды необходим для поддержания температуры воды в обратном трубопроводе на уровне 20°С.

Регулирование по постоянному перепаду давления в циркуляционной системе

Регулируемые насосы широко используются в циркуляционных (закрытых) системах, см. главу 3. Если система оснащена регулируемыми по перепаду давления циркуляционными насосами, она будет обладать определенными преимуществами, см. рис. 4.2.3.

На рисунке представлена система обогрева, в которую входит теплообменник, где вода в системе нагревается и доставляется к трем потребителям (например, радиаторам) с помощью регулируемого насоса. Регулировочный вентиль соединен с каждым радиатором последовательно для регулирования расхода
через радиатор в зависимости от того, какая температура необходима потребителю. Насос регулируется по постоянному перепаду давления, измеряемому на
насосе. Это означает, что система обеспечивает постоянный перепад давления на насосе в Q-диапазоне от 0 до Q_макс, изображенного горизонтальной линией на рис. 4.2.3.

Пропорциональное регулирование напора (косвенное)

Основной функцией системы, представленной на рис. 4.2.4, является поддержание постоянного перепада давления на регулировочных вентилях,
установленных, например, на радиаторах.

Как было сказано в главе 3, потери давления в системе прямо пропорциональны квадрату расхода. Лучшим способом регулирования насоса в такой
системе будет способ, представленный на рисунке справа, где насос поддерживает постоянный перепад давления.

Когда потребный расход в системе достаточно мал, потери давления в трубопроводе, теплообменнике, фитингах и т. д. являются также небольшими, и при
этом насос только компенсирует потери давления на регулировочном вентиле, Н_уст – Н_тр. Когда потребный расход увеличивается, потери давления увеличиваются в квадратичной зависимости и, следовательно, необходимо повысить давление насоса (рис. 4.2.4, голубая кривая).

Такая система может быть смонтирована двумя способами:

• Датчик перепада давления размещается на насосе — DPT₁, см. рис. 4.2.4.
• Датчик перепада давления размещается на потребителях — DPT₂, рис. 4.2.4.

Преимущество первого решения состоит в том, что насос, PI-регулятор, частотный преобразователь и датчик располагаются близко друг к другу,
что позволяет упростить монтаж системы. При таком монтаже система регулирования и насос представляет собой единый узел, см. раздел 4.4.
Чтобы включить эту систему и обеспечить ее работу, потребное значение перепада давления должно быть введено в систему управления насоса.
Эти данные будут использоваться для расчета расхода, а также расчета, на сколько должно быть уменьшено установленное значение Н_уст при данном
расходе, чтобы гарантировать соответствие рабочих параметров насоса характеристике системы, представленной на рис. 4.2.4 голубым цветом.

Второй вариант монтажа, когда датчик расхода установлен на радиаторах, будет стоить дороже, т.к. при этом должна быть произведена укладка кабеля.
Параметры этой системы приблизительно такие же, как и у первой. Датчик измеряет перепад давления на объекте потребления, и система автоматически
меняет свои параметры с целью компенсации перепада давления в подающем трубопроводе и т.д.

Преимущества регулирования скорости насосов

Обычно насос, установленный в системе, не работает с максимальной производительностью 24 часа в сутки. Поэтому большим преимуществом будет
автоматическое регулирование насоса в системе. Как мы видели в разделе 4.1, наилучшим способом регулирования рабочих параметров центробежного
насоса является метод регулирования скорости. Этот метод регулирования в основном осуществляется с помощью преобразователя частоты.

Далее мы рассмотрим работу регулируемых насосов в открытых и закрытых системах. Но прежде чем мы вникнем в этот вопрос глубже, давайте
проанализируем преимущества, которые дает нам регулирование скорости, и выгоды, получаемые при использовании регулируемых насосов, оснащенных
преобразователем частоты.

Снижение энергопотребления

Регулируемые насосы используют только то количество энергии, которое необходимо для выполнения насосом определенной работы. По сравнению с
другими методами, регулирование скорости обеспечивает максимальный КПД и, таким образом, более эффективное использование энергии.

Низкая стоимость жизненного цикла

Энергопотребление насоса является очень важным фактором, влияющим на стоимость жизненного цикла. Поэтому основным моментом будет снижение эксплуатационных
затрат на систему. Эффективная эксплуатация ведет к более низкому энергопотреблению и, следовательно, к более низким эксплуатационным издержкам.
В некоторых случаях использование регулируемых насосов позволяет снизить энергопотребление по сравнению с нерегулируемыми на 50%.

Защита окружающей среды

Использование насосов с эффективным энергопотреблением способствует меньшему загрязнению окружающей среды.

Высокий уровень комфорта

Использование регулируемых насосов в различных системах обеспечивает потребителю высокий уровень комфорта и удобство обслуживания: в системах
водоснабжения автоматическое регулирование давления и плавный пуск насосов позволяет избежать гидравлического удара и шума; в циркуляционных
системах регулируемые насосы поддерживают постоянный перепад давления, что позволяет минимизировать уровень шума в системе.

Уменьшение стоимости системы

Регулируемые насосы могут снижать потребность в регулирующих вентилях в системе и, соответственно, снижать ее стоимость.

Преимущества насосов со встроенным преобразователем частоты

Применение насосов со встроенным преобразователем частоты является оптимальным решением во многих производственных отраслях. И основной
причиной этого является объединение преимуществ регулируемого насоса с преимуществами, полученными от соединения в единый узел насоса, преоб-
разователя частоты, PI-регулятора и иногда также датчика давления, см. рис. 4.4.1.

Насос со встроенным преобразователем частоты можно смело назвать системой, способной разрешать различные задачи, экономя при этом электроэнергию. Что касается взаимозаменяемости, то насосы со встроенным преобразователем частоты являются идеальными, так как их можно устанавливать вместо
нерегулируемых насосов без дополнительных затрат. Для проведения таких работ необходимо оснастить насос встроенным преобразователем частоты, после
чего он готов к эксплуатации. От монтажника требуется только установить заданное значение (давление), и система готова к работе.

Далее последует краткое описание преимуществ, которые дают насосы со встроенным преобразователем частоты.

Удобство монтажа

Насосы со встроенным преобразователем частоты так же удобны в монтаже, как и нерегулируемые насосы. Предварительные установки и регулировки
насоса сделаны на заводе — изготовителе.

Оптимизация энергопотребления

Так как насос, электродвигатель и преобразователь частоты полностью совместимы друг с другом, работа такой системы значительно снижает энергопотребление.

Единый поставщик

Единый поставщик может предоставить насос, преобразователь частоты и датчик, что, естественно облегчает определение габаритов установки, ее подбор,
заказ, а также сервисное обслуживание и ремонт.

Широкий диапазон рабочих параметров

Насосы со встроенным преобразователем частоты имеют очень широкий диапазон рабочих параметров, что позволяет им работать с большой эффективностью при различных условиях эксплуатации и отвечать большому количеству требований. Поэтому при замене нерегулируемых насосов, с узким рабочим
диапазоном, Вам потребуется меньшее количество регулируемых насосов.

Рабочие характеристики регулируемых насосов

Теперь давайте посмотрим, что можно узнать из характеристик регулируемых насосов.

На рис. 4.4.2 показан пример характеристики регулируемого насоса. Верхний график представляет рабочую характеристику Q-H, нижний — соответствующую характеристику потребляемой мощности.

Как Вы видите, характеристики приведены для каждого 10% снижения скорости насоса, от 100% до 50%. Также изображена минимальная характеристика, соответствующая 25% от максимальной скорости. Вы можете указать определенную рабочую точку на характеристике Q-H и определить, какая скорость
соответствует этой рабочей точке и какой будет потребляемая мощность Р1.

Регулируемые насосы в разных системах

Регулируемые насосы широко используются в различных системах. Изменение рабочих параметров насоса и, следовательно, потенциальная экономия
энергии при этом зависят от типа системы.

Как было отмечено в главе 3, характеристика системы определяет значение требуемого напора насоса для транспортировки через систему определенного
количества жидкости. На рис. 4.4.3 показана характеристика насоса и характеристика открытой и закрытой систем.

Регулируемые насосы в закрытых системах

В закрытых системах, таких как системы отопления и кондиционирования, насос работает на преодоление потерь на трение в трубопроводе, клапанах, теплообменниках и т. д. В этом разделе мы представим пример работы регулируемого насоса в закрытой системе. Общие потери на трение при расходе 15 м3/ч составляют 16 м, см. рис. 4.4.4.

Характеристика системы берет начало в точке (0, 0) и изображена на рис. 4.4.5 красной линией. Регулировочные вентили в данной системе всегда нуждаются в определенном рабочем давлении, поэтому насос не может работать в соответствии с характеристикой системы. Поэтому некоторые регулируемые насосы предлагают функцию пропорционального регулирования давления, что будет гарантировать работу насоса в соответствии с показанной на рисунке оранжевой линией. Как видно
из диаграммы на рис. 4.4.5, минимальные рабочие параметры соответствуют скорости примерно 57% от максимальной. В некоторых ситуациях (например,
работа циркуляционной системы обогрева в ночное время) очень важно иметь возможность эксплуатации насоса по минимальной характеристике (25% от
полной скорости).

Регулируемые насосы в открытых системах

Характеристика системы и рабочий диапазон насоса зависят от типа системы. На рис. 4.4.6 представлен насос, работающий в системе повышения давления/водоснабжения. Насос с расходом Q = 6,5 м³/ч, подает воду к водопроводному крану, который расположен на высоте h = 20 м относительно насоса.
Давление на входе насоса р_всас составляет 1 бар, давление в кране р_кр должно соответствовать 2 барам и потери на трение в системе р_тр при полном расходе — 3 бара.

На рис. 4.4.7 изображена Q-H характеристика насоса, отвечающая приведенным выше требованиям. Можно просчитать требуемый напор при нулевом
расходе (Н₀), используя следующую формулу:

Чтобы просчитать максимальный напор при расходе (Q), равном 6,5 м³/ч, необходимо воспользоваться следующей формулой:

Чтобы обеспечить эти параметры от нулевого расхода до максимального Q = 6,5 м³/ч, насос работает в достаточно узком диапазоне скоростей — от 65%
до 99% от максимальной скорости. В системах с небольшими потерями на трение диапазон изменения скорости будет еще меньше. При отсутствии потерь
на трение, минимальная скорость будет составлять примерно 79% от полной скорости.

Из предыдущих двух примеров можно сделать следующий вывод: диапазон изменения скорости и, следовательно, потребляемой мощности в закрытых
системах выше. Поэтому регулируемые насосы в закрытых системах дают большую экономию электроэнергии.

Преобразователь частоты

Как было упомянуто ранее, регулирование скорости насосов осуществляется с помощью преобразователя частоты. Рассмотрим подробнее принцип его
работы и расскажем о мерах предосторожности при работе с этим устройством.

Основные функции и характеристики

Известно, что скорость асинхронного электродвигателя напрямую зависит от количества его полюсов (максимальной частоты вращения вала) и от частоты
переменного тока в источнике питания. На скорость электродвигателя также оказывают влияние величина напряжения питания и нагрузка на вал двигателя, но
не так значительно. Следовательно, изменение частоты напряжения питания является идеальным методом регулирования скорости асинхронного электродвигателя. Чтобы обеспечить правильное намагничивание электродвигателя, также необходимо изменить амплитуду напряжения.

Регулирование частоты и напряжения приводит к смещению характеристики крутящего момента и, таким образом, к изменению скорости. На рис. 4.5.1
показана характеристика крутящего момента электродвигателя (М), как функция скорости вращения (n) при двух разных значениях частоты и напряжения.
На этой же диаграмме изображена характеристика нагрузки насоса. Как видно из диаграммы, изменение скорости вращения происходит при изменении
частоты и напряжения переменного тока в электродвигателе.

Преобразователь частоты изменяет частоту и напряжение электрического тока, поэтому мы можем сделать вывод, что основной задачей этого устройства
является изменение величины напряжения и частоты переменного тока.

Компоненты преобразователя частоты

В принципе, все преобразователи частоты состоят из одних и тех же блоков. Как было упомянуто ранее, основной функцией преобразователя является пре-
образование напряжения сети переменного тока в переменное напряжение (АС) с другой частотой и амплитудой.

В первую очередь, преобразователь частоты выпрямляет входящий переменный ток и напряжение, а затем аккумулирует энергию в промежуточном контуре, содержащем конденсатор. После этого напряжение постоянного тока (DC) преобразуется в новое АС напряжение, с другой частотой и амплитудой.

Частота переменного тока сети напрямую не оказывает влияния на выходную частоту и, следовательно, на скорость электродвигателя, так как в преобразователе частоты имеется промежуточный контур. При этом не имеет значения, какая частота в сети питания — 50 Гц или 60 Гц, потому что выпрямитель
будет работать в обоих случаях. Кроме того, входная частота не будет влиять на выходную. Опираясь на вышеизложенные факты, использование преобразователя частоты с асинхронным электродвигателем дает следующие преимущества:

• Система может быть использована без каких-либо изменений при частоте 50 и 60 Гц.
• Частота на выходе преобразователя не зависит от частоты на его входе.
• Преобразователь частоты может обеспечивать частоты на выходе выше, чем в сети переменного тока, — это обеспечивает высокую степень синхронизации работы.

Как видно из рисунка 4.5.2, преобразователь частоты включает в себя еще три компонента: ЕМС фильтр, цепь управления и инвертор (обратный преобразователь).

ЕМС фильтр

Данный блок не является основной функциональной частью преобразователя частоты, и, в принципе, им можно было бы пренебречь в данном устройстве. Но чтобы обеспечить соответствие требованиям Директивы Европейского Союза по ЕМС (электромагнитной совместимости), а также местным требованиям, такой фильтр является необходимым элементом. ЕМС фильтр позволяет избежать проникновения обратно в сеть переменного тока недопустимых вредных электрических сигналов, которые способны негативно воздействовать на другие электронные приборы, подключенные к сети. Одновременно фильтр препятствует проникновению шумовых сигналов, произведенных другим оборудованием сети, в электронные компоненты преобразователя частоты.

Цепь управления

Цепь управления имеет две функции: она осуществляет контроль над преобразователем частоты и в то же время обеспечивает нормальную связь с другими
устройствами.

Инвертор (обратный преобразователь)

Напряжение на выходе преобразователя частоты не является синусоидальным, как напряжение сети переменного тока. Напряжение, подаваемое на электродвигатель, содержит определенное количество прямоугольных импульсов, см. рис. 4.5.3. Среднее значение таких импульсов образует синусоидальное напряжение необходимой частоты и амплитуды. Частота может изменяться от единиц кГц до 20 кГц, в зависимости от марки. Чтобы избежать шума, производимого в обмотке электродвигателя, предпочтительнее применять преобразователь частоты с фильтром частот выше диапазона звуковой чувствительности (~ 16 кГц).

Принцип работы инвертора называется ШИМ (широтно-импульсная модуляция), и этот принцип в настоящее время широко используется в преобразователях
частоты.

Ток в электродвигателе в основном синусоидальный. На рис. 4.5.4 (а) в верхней части показан ток электродвигателя и его напряжение (внизу); на рис. 4.5.4 (б) представлен фрагмент напряжения электродвигателя, из которого видно, как меняется отношение пульсаций напряжения.

Специальные условия, касающиеся преобразователей частоты

После установки преобразователя частоты или оснащенного им насоса, монтажник и эксплуатационщик должны обращать внимание на некоторые моменты, т. к. преобразователь частоты будет вести себя несколько иначе по отношению к сети переменного тока, чем насос со стандартным асинхронным электродвигателем. Далее мы рассмотрим эти моменты.

Несинусоидальная подводимая мощность; преобразователь частоты с трехфазным источником питания

Преобразователь частоты, подобный описанному выше, не получает синусоидальный ток от сети. Помимо всего прочего, это сказывается на размерах
кабеля сети, переключателе и т. д. На рис. 4.5.5 показано, как выглядит сила тока и напряжение сети для:

• а) трехфазного стандартного асинхронного электродвигателя, 2900 1/мин
• б) трехфазного стандартного асинхронного электродвигателя со встроенным преобразователем частоты, 2900 1/мин.

В обоих случаях мощность, передаваемая электродвигателем на вал, составляет 3 кВт.

При сравнении силы тока в обоих случаях, можно увидеть два следующих различия, см. рис. 4.5.6:

• Электрический ток в системе с преобразователем частоты — не синусоидальный
• Амплитуда силы тока для электродвигателя с преобразователем частоты намного выше (примерно на 52%)

Это происходит благодаря конструкции преобразователя частоты, в котором сеть питания соединяется с выпрямителем и конденсатором. Изменение в конденсаторе происходит в течение короткого промежутка времени, в этот момент выпрямленное напряжение выше, чем напряжение в конденсаторе.

Для стандартного электродвигателя без преобразователя частоты связь между напряжением (U), силой тока (I), и мощностью (Р) представлена формулой
справа. Эту формулу нельзя использовать при расчете потребляемой мощности для электродвигателей с преобразователем частоты.

Так как ток в преобразователе частоты не является синусоидальным, расчет потребляемой мощности, основанный на простом измерении силы тока и
напряжения, будет неверным. В данном случае мощность должна рассчитываться с помощью специальных приборов и на основе мгновенных замеров силы
тока и напряжения.

Если известна мощность (Р) и действующее значение силы тока и напряжения, так называемый коэффициент мощности (PF) может быть рассчитан по следующей формуле:

Когда сила тока и напряжение являются синусоидальными, коэффициент мощности (PF) не имеет прямой связи со сдвигом фаз между током и напряжением во времени.

При измерении входного тока преобразователя частоты при проведении монтажа или ремонтных работ, необходимо использовать специальный прибор для
измерения не синусоидального тока. В общем, прибор для измерения тока преобразователя частоты должен измерять среднее квадратичное значение
«True RMS».

Преобразователь частоты и устройство защитного отключения тока или УЗО (ELCB)

Автоматы защитного отключения тока короткого замыкания на землю все чаще используются, как дополнительная защита в электрических установках.
Если преобразователь частоты соединен с таким устройством, необходимо удостовериться, что установленный автомат (ELCB) разомкнет цепь, даже если
повреждение произойдет на стороне прямого тока преобразователя частоты. Для полной уверенности, что автомат защитного отключения, связанный с преобразователем частоты, всегда сработает в случае замыкания тока на землю, он должен иметь маркировку, представленную на рис. 4.5.7 и 4.5.8.

Оба типа таких автоматов защитного отключения сегодня широко представлены на рынке и доступны.

Литература

Промышленное насосное оборудование – GRUNDFOS
www.grundfos.com

Регулирование подачи насоса.

Основной задачей регулирования подачи насоса является подача в сеть расхода Q(м³/ч), заданного определенным графиком. При этом характеристики насоса, такие как Н(напор), p(давление), N(мощность) и η(коэффициент полезного действия) имеют тенденцию изменяться.

Однако сеть трубопроводов и потребители накладывают на некоторые из параметров определенные условия. Например насосы должны создавать определенные потребителем расход и давление, отвечающее гидравлическим свойствам системы трубопроводов.

Компрессоры в некоторых случаях работают на сеть с переменным Q, но должны обеспечить постоянное давление р (например, пневматический инструмент) в других случаях они работают с постоянным Q при переменном р.

Таким образом возможны различные варианты регулирования подачи. Самые актуальные способы регулирования подачи насоса рассмотрены в этой статье.

Дроссельное регулирование при постоянной частоте оборотов.

Предположим, что насос подключен так, как показано на схеме.

Отложим на графике характеристики напора, мощности и КПД центробежного насоса при постоянном числе оборотов.

На этом же графике изобразим характеристику трубопроводной сети, на которую работает насос. При этом считается, что регулирующий дроссель открыт полностью.

Установившийся режим работы центробежного агрегата возможен только если напор насоса равен напору, расходуемому в системе. Это равенство наблюдается в точке а.

В случае прикрытия дросселя на напорной трубе точка а передвинется по характеристике влево и займет положение а^/, задав новые значения параметров Q^/, H^/, N^/.

Дальнейшее перекрывание дросселя вызывает смещение характеристики трубопроводной системы ещё больше вверх, и точка а передвигается в точку а^//, дающую значения параметров Q^//, H^//, N^// и т.д.

Следовательно, дроссельное регулирование при постоянной частоте вращения достигается введением дополнительного гидравлического сопротивления в сеть трубопроводов машины.

Поскольку наибольшая подача достигается при полностью открытом дросселе (точка а), дроссельное регулирование применяют только с целью уменьшения подачи.
Энергетическая эффективность такого регулирования низка, но благодаря своей простоте этот способ широко применяется.

При дроссельном регулировании центробежных машин, подающих жидкость, дроссель располагают на напорной трубе. Если расположить его на всасывающей трубе, то при глубоком регулировании может возникать кавитация.

Изменение частоты вращения вала

В тех случаях, когда имеется возможность изменять частоту вращения вала двигателя, приводящего в движение центробежную машину, целесообразно воспользоваться этим вариантом.

Насос подключен к трубопроводу так же, как и в предыдущей схеме и работает при частотах вращения n1, n2, n3, причем n1<n2<n3.

Перейдем к характеристике. Точки пересечения характеристик H(Q) насоса и характеристики трубопровода обозначены как a1, a2,a3,a4 и определяют режимы работы установки при различных частотах вращения.

По графику видно, что при изменении частоты вращения могут быть достигнуты различные подачи и напоры, причем с изменением частоты вращения – изменяются подача и напор.
В отличие от предыдущего способа, этот способ дает возможность регулировать подачу в любом направлении.

Современные насосы, например насосы для отопления , уже оборудуются многоскоростными электродвигателями, позволяющими переключать насос с одной скорости на другую. Если же оборудовать центробежный агрегат инвертером — преобразователями частоты, то появится возможность плавно изменять частоту вращения, устанавливая любую подачу

Установка поворотных направляющих лопастей

Энергия, передаваемая потоку жидкости в центробежном агрегате, во многом зависит от условий входа на рабочие лопасти. Закручивание потока, поступающего в рабочее колесо, влияет на величину напора и при заданной характеристике трубопровода изменяет подачу машину.

Отсюда возникает возможность регулирования воздействия на поток на входе в насос с помощью особого лопастного направляющего аппарата. Такой направляющий аппарат может быть изготовлен в двух исполнениях: осевом и радиальном.

Осевой направляющий аппарат.

Осевой направляющий аппарат состоит из лопаток Л с радиальными осями вращения: лопасти поворачиваются одновременно при помощи особого перестановочного кольца.

В зависимости от положения лопаток, поток на входе будет иметь радиальное направления – не встречать сопротивления, или при закрытии лопаток – расход Q=0. Промежуточные между этими двумя вариантами положения лопастей будут давать возможность регулировать подачу.

Радиальный направляющий аппарат.

Радиальный направляющий аппарат представляет собой круговую цилиндрическую решетку поворотных лопаток с осями, параллельными геометрической оси ротора машины. Такой аппарат требует радиального подвода потока жидкости к насосу, поэтому монтировать его в трубопровод менее удобно, чем предыдущий вариант.

Радиальный направляющий аппарат следует устанавливать в непосредственной близости от входа в колесо, только в этом случае достигается эффективное регулирование.

Если разместить его на некотором расстоянии от машины, то эффективность может быть низкой из-за быстрого торможения вращательного движения потока.
Многочисленные опыты показали, что на регулирование подачи направляющим расходуется меньше энергии по сравнению с дросселем.

Видео по теме

В настоящее время регулирование подачи центробежного насоса осуществляется дросселированием и изменением частоты вращения.

Первый способ применяется в малых насосах, таких как насос для повышения давления, приводимых в движение короткозамкнутыми электродвигателями трехфазного тока.

Крупные промышленные насосы, приводимые в движение паровыми турбинами и специальными двигателями, регулируются изменением частоты вращения или смешанным способом(ступенчатое изменение частоты вращения и подрегулировка дросселем).

Дросселирование центробежных насосов во избежание явления кавитации допускается только на напорном трубопроводе.

Вместе со статьей «Регулировать подачи насоса: дроссель, изменение частоты и др способы» читают:

Регулирование подачи насосов Общие сведения

Работа центробежного
насоса является экономичной при таком
числе оборотов, при котором достига­ются
требуемые подача и высота подъема
жидкости.

При правильном
подборе насоса этому условию соответствует
только одна точка, называемая рабо­чей,
— точка пересечения характеристики
насоса и характеристики трубопровода.
Однако расход воды, потребляемой сетью,
изменяется во времени; в соот­ветствии
с этим должна перемещаться и рабочая
точ­ка, для чего необходимо изменять
характеристику трубопровода или насоса.

Искусственное
изменение характеристики трубопро­вода
или насоса для обеспечения заданных
величин по­дачи и напора насоса
называется регулированием на­сосной
установки.

Изменение
характеристики трубопровода достигается
дросселированием задвижкой, изменением
характеристи­ки насоса путем изменения
числа оборотов рабочего коле­са насоса
или изменением диаметра рабочего колеса.

Регулирование подачи и напора дросселированием на нагнетании

С помощью открытия
или прикрытия задвиж­ки на нагнетательной
линии можно изменить подачу насоса от
Q_A
до Q_A1
(рис. 5).

Рис. 5. Характеристика
насоса и сети

при регулировании
подачи насоса напорной задвижкой:

1 — характеристика
насоса

_;

2 — характе­ристика
трубопровода при полностью открытой
задвижке на нагнетании

;

3 — характеристика
трубопровода при приоткрытой задвижке
на нагнетании

;

4 — характеристика
насоса

;

A
— рабочая точка при полностью открытой
задвижке;

А₁
— рабочая точка при приоткрытой задвижке
на нагнетании

Рассмотрим сущность
этого метода. При полностью

открытой
задвижке насос создает напор Н_А
и производит подачу жидкости Q_A
в нагнетательный трубопровод.

Для уменьшения
подачи до Q_A1
необходимо прикрыть задвижку на
нагнетании, что повысит сопротивление
в нагнетательном трубопроводе,
характеристика трубопро­вода будет
круче и соответственно напор насоса
составит Н_А1.
К сожалению, КПД насоса

упадет.

Метод регулирования
с помощью задвижки на нагне­тательной
линии прост, но не экономичен (снижается
КПД), ибо часть энергии, потребляемой
насосом, тра­тится на преодоление
сопротивлений в задвижке.

Регулирование подачи дросселированием на всасывании

Регулирование
подачи насоса можно теорети­чески
осуществлять дросселированием на
всасывании. Уменьшая подачу, увеличивают
в этом случае сопро­тивление всасывающего
трубопровода, что повышает вакуум в
насосе, способствует выделению паров
из жид­кости и увеличивает возможность
появления кавитации в насосе. В этом
случае нарушается плавность потока и
создается неравномерное распределение
скоростей на входе в рабочее колесо,
что увеличивает потери напора. Таким
образом, метод регулирования подачи
насоса путем дросселирования всасывающей
линии практичес­ки не рекомендуется
применять.

Регулирование подачи впуском воздуха

Регулирование
подачи насоса впуском возду­ха во
всасывающий патрубок возможно, когда
геомет­рическая высота всасывания
значительно меньше допу­стимой. В
этом случае впуск воздуха может не
ухудшить работу насоса и не вызвать
кавитации.

При впуске воздуха
характеристика насоса как бы смещается
вниз, КПД снижается тем больше, чем
боль­ше впускается воздуха. Этот
способ более экономичен, чем регулирование
дросселированием на всасывании, но он
не распространен в производственной
практике.

Регулирование
подачи перепуском жидкости

Подачу насоса
можно регулировать перепус­ком
жидкости из нагнетательного трубопровода
во вса­сывающий, но при этом снижается
КПД системы.

Перепуск жидкости
во всасывающий трубопровод улучшает
кавитационные качества насоса, но при
этом требуется устройство циркуляционного
трубопровода, ус­тановка дополнительной
арматуры, что усложняет тру­бопроводную
обвязку насоса.

Регулирование
подачи обточкой рабочего колеса

Возможна регулировка
подачи изменением диаметра рабочего
колеса, установленного в насосе.

В этом случае нужно
иметь два комплекта колес, со­ответствующих
максимальной и минимальной подачам.

Этот метод можно
осуществлять обточкой рабочего колеса
по внешнему диаметру.

Регулирование
подачи и напора изменением

частоты вращения
рабочего колеса

Изменяя частоту
вращения, можно изменить подачу и напор
насоса, что более выгодно экономически
по сравнению с другими методами
регулирования.

Регулирование
подачи в широком диапазоне приво­дит
к незначительному изменению КПД насоса.

Осуществляется
этот метод с помощью гидромуфт,
электромагнитных муфт, многоскоростных
электродви­гателей, двигателей
внутреннего сгорания и т.д.

Частоту вращения
рабочего колеса выбирают такой, чтобы
характеристика насоса прошла через
рабочую точку при заданном расходе.

Устройства для
регулирования частоты вращения
электродвигателей, применяемых в
качестве привода центробежных насосов,
особенно большой мощности, пока еще
конструктивно сложны и дорогостоящи.
Этот метод чаще всего используется
путем применения двух- и четырехскоростных
двигателей, т.е. регулирования ступенчатого.

На насосных станциях
с несколькими агрегатами час­тоту
вращения регулируют обычно у одного-двух
насосов.

Регулирование
подачи частотой вращения чаще все­го
применяют в пожарных автонасосах,
изменяя частоту вращения двигателя
внутреннего сгорания автомобиля.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #

  30.04.2022598.53 Кб225.doc
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Статья отредактирована и дополнена в мае 2019 года.

Давление насоса (напор) — наряду с производительностью (подачей, расходом) вторая ключевая характеристика насоса. Показывает способность насоса преодолеть сопротивление трубной системы и переместить жидкость из всасывающей линии в напорную. 

Если производительность насоса отвечает на вопрос какой объем жидкости насос может переместить за единицу времени, то давление отвечает на вопрос какое именно сопротивление трубной системы (в барах) может преодолеть насос. 

Небольшие центробежные насосы (например, аквариумные) способны развивать максимальное давление 0,05 бар (то есть создавать напор воды до 0,5 метра). Некоторые промышленные насосы объемного типа (например, плунжерные) способны развивать давление до 200 бар и даже больше.

В чем измеряют давление насосов? Какие бывают единицы измерения? 

Основная единица измерения давления для насосов — техническая атмосфера (кгс/см²). Она равна 10 метрам водяного столба (обозначается сокращенно как м.в.ст.). 10 м.в.ст. = 1 кгс/см². 

Другая популярная единица измерения давления – бар (1 бар = 100 000 Паскаль = 0,1 МПа).

Как соотносятся между собой бары/паскали с одной стороны и метры водяного столба/тех. атмосферы с другой?
0,1 МПа = 1 бар = 1,0197 кгс/см² = 10,197 м.в.ст.

То есть выходит, что один бар чуть больше, чем одна техническая атмосфера (кгс/см²). А 10 метров водяного столба чуть меньше, чем 1 бар. Разница составляет менее 2%. Так вот на практике этой разницей пренебрегают и приравнивают бар с технической атмосферой. Говорят, столб чистой воды высотой 10 метров давит с такой же силой, что и 1 бар или 1 атмосфера. И большой ошибки в этом не будет, кроме тех ситуаций, где нужна высокая точность расчетов.

Иногда давление называют напором. Нет ли здесь ошибки?

На самом деле ошибки нет. Давление и напор насосов можно считать тесно связанными понятиями. Термин «давление» более корректный и универсальный, его чаще используют для объемных насосов. Термин «напор» обычно используют для центробежных насосов из-за его удобства.

Когда говорят про напор, то имеют в виду на какую высоту способен поднять жидкость насос в открытой системе. В открытой системе поток жидкости не изолирован от атмосферы. В такой системе насосу приходится преодолевать не столько сопротивление трубной системы, сколько «бороться» с тяжестью водяного столба в напорной линии.

Типичный пример подбора насоса с нужным напором – это подбор многоступенчатого центробежного насоса. Если нужно поднять воду на высоту 20 этажей (при высоте этажа 3 метра), то говорят, что насос должен развить напор не менее 60 метров (водяного столба). На самом деле напор насоса должен быть еще немного выше, ведь он должен еще преодолеть потери на трение в трубопроводе. В любом случае давление в напорном трубопроводе при работе насоса составит не менее 6 атмосфер.

Как между собой связаны давление, производительность и потребляемая мощность насоса?

У центробежных насосов зависимость между производительностью и давлением выражена кривой производительности. Чем больше давление, тем меньше производительность. При этом потребление энергии насоса растет по мере увеличения производительности.

Изображение 1. Зависимость производительности, давления, потребляемой мощности и КПД центробежного насоса.

На изображении 1 показаны кривые характеристик одного центробежного насоса. Синяя кривая показывает зависимость производительности от давления. Черная линия показывает мощность на валу насоса по мере роста производительности. И, наконец, кривая зеленого цвета показывает изменение КПД по мере изменения давления.

Если сопротивление трубной системы будет равно 0, то есть насос будет выливать воду из напорного патрубка без подключения к линии, то его производительность будет максимальной, а создаваемый напор будет нулевым. Работа в таком режиме для центробежного насоса не очень полезна, поскольку потребляемая мощность будет максимальной и двигатель насоса может сгореть.

Если сопротивление системы будет соответствовать напору  32 метра водяного столба, то насос будет работать в точке, показанной красным цветом. При этом его производительность будет составлять 54 м³/час, давление 32 м.вод.ст. (3,2 кгс/см²), потребляемая мощность (на валу) 6,6 кВт, а КПД будет равен 71,3%.

У объемных насосов давление и производительность тоже имеют корреляцию, но обычно более слабую, чем у центробежных насосов. Исключение – мембранные пневматические насосы, которые имеют кривые характеристик, похожие на центробежные насосы. Обычно объемный насос имеет производительность, определяемую объемом перемещения жидкости за один рабочий такт и скоростью совершения этих тактов. Рабочее же давление объемного насоса определяется сопротивлением системы. При максимальном рабочем давлении производительность объемного насоса обычно немногим меньше, чем при нулевом давлении.

Сопротивление системы

В реальных условиях насос всегда выполняет некоторую полезную работу по перемещению жидкости в трубопроводной системе. Система может быть простейшей и состоять из трубы, опущенной в колодец (всасывающая линия насоса), и шланга, ведущего от насоса в бочку (напорная линия). В других случаях система может быть сложной и состоять из десятков различных трубопроводных контуров и резервуаров.

Система может быть двух типов: открытая (сообщается с атмосферой) и закрытая (изолирована от атмосферы).

В открытой системе насосу приходится преодолевать статическое и динамическое сопротивление, а в закрытой есть только динамическое сопротивление.

Существует два вида сопротивления в системе:

• Статическое (давление столба жидкости, которое нужно преодолеть). Статическое сопротивление системы зависит только от высоты подъема жидкости насосом и ее плотности.
• Динамическое (потери давления на трение при перемещении жидкости). Динамическое сопротивление зависит от многих факторов:

— Диаметр труб. Он должен соответствовать диаметру труб насоса. Особенно важно, чтобы напорный патрубок насоса не подключался к трубе маленького диаметра – это создаст высокое сопротивление системы и приведет к росту давления в ней при снижении производительности (см. ниже Дросселирование). Засорение трубопровода так же приводит к уменьшению полезного проходного сечения трубы.

— Наличие изгибов и колен трубопровода. Все изгибы создают дополнительное сопротивление. Всегда рекомендуют проектировать трубопровод с минимальным числом изгибов.

— Наличие сужений и расширений трубопровода (например, задвижек и регулирующих вентилей). Такие элементы деформируют поток жидкости и приводят к дополнительным потерям из-за образования дополнительной турбулентности течения потока.

— Материал трубопровода. Чем более шероховатый материал трубы, тем сильнее будет сопротивление. Например, в стальном трубопроводе потери будут несколько выше, чем в полипропиленовом.

— Длина трубопровода. Чем длиннее трубопровод, тем сильнее будут потери на трение. Зависимость потерь давления от длины трубопровода определяется по сложной формуле, которая включает в себя не только длину, но также диаметр и материал труб, скорость течения и вязкость жидкости.

— Вязкость жидкости. Чем более вязкая жидкость, тем выше потери на сопротивление при ее перемещении.

— Скорость течения жидкости. Чем быстрее течет жидкость, тем выше потери на сопротивление.

Изображение 2. Реальная производительность и давление насоса будут зависеть как от параметров самого насоса, так и от характеристики сопротивления трубопроводной системы

На изображении 2 показано, что реальная производительность насоса (центробежного или объемного) зависит не только от его собственных характеристик, но и от характеристик трубопроводной системы.

Обратите внимание, что даже про нулевой производительности кривая сопротивления системы не равна 0. Это обусловлено наличием в ней статического сопротивления. Общее сопротивление системы всегда равно сумме статического и динамического сопротивления.

Если система короткая и диаметр труб в ней достаточный, то расчетом динамического сопротивления можно пренебречь. Если же система длинная, то пренебрегать этим расчетом не стоит.

Наш онлайн-калькулятор позволяет учесть все нюансы трубопроводной системы и рассчитать потери давления в трубопроводе.

Разберем пример. 

Возьмем центробежный насос с максимальным напором 15 м.в.ст., максимальной допустимой производительностью 3,6 м³/час и рабочей точкой 2,7 м³/час при напоре 10 метров. Насос имеет присоединение G 1″ (один дюйм). Для расчета сопротивления линии нам нужен точный внутренний диаметр трубы в мм. Согласно ОСТ 266 резьба BSP 1″ (резьба G1″) имеет внутренний диаметр 30,29 мм.

Нам нужно при помощи этого насоса поднять воду на высоту 10 метров по вертикали, при этом общая длина трубы составит 100 метров. Какова будет производительность насоса?

Изображение 3. Насос подает воду на высоту 10 метров при общей длине трубы 100 метров

Если сделать расчеты, то выяснится, что при расходе 45 л/мин (2,7 м³/час) сопротивление линии составит 4,28 м.в.ст., а значит насос не сможет работать в этой точке. Возьмем несколько точек по производительности и построим кривую сопротивления нашей линии.

Изображение 4. В нашем примере насос будет работать с производительностью 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст. (1,24 кгс/см²).Если сделать расчет сопротивления нашей линии при нескольких значениях производительности и соединить эти значения кривой линией, то сразу становится очевидной реальная рабочая точка, в которой насос будет работать в нашем примере. Это точка пересечения двух кривых. Она составит 1,9 м3/час при давлении в линии 12,4 м.в.ст.

Как избежать таких потерь производительности? Самое простое – укоротить напорную линию или увеличить диаметр трубы. Например, если взять в качестве напорной трубы не G1″, а следующую по размеру  G1¼» (внутренний диаметр 38,95 мм), то потери давления уменьшатся в 3 раза, а производительность насоса составит примерно 2,4 м3/час.

Ловушки при определении давления (напора) насоса

•  Ловушка №1. Не забывайте про плотность жидкости.
  На практике обычно говорят, что напор в 50 метров равен 5 барам (атмосферам) и иногда забывают, что речь не об абстрактных 50 метрах, а 50 метрах ВОДЯНОГО СТОЛБА. Да, если насос перекачивает воду, то все верно. Но если насос будет перекачивать насыщенный раствор сахара с плотностью в 1,3 раза больше, чем у воды, то при напоре в 50 метров такой плотной жидкости, давление составит уже не 5, а 6,5 кгс/см², то есть в 1,3 раза больше (пропорционально увеличению плотности). Соответственно для перекачивания жидкостей с повышенной плотностью специально подбирают насосы с усиленным корпусом и увеличенной мощностью двигателя.  

Изображение 5. Зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости. 

На изображении 5 показана зависимость давления в напорной линии от плотности жидкости. На левом рисунке насос перекачивает чистую воду с плотностью 1 кг/дм³. Перепад высоты между манометром и точкой подъема жидкости насосом составляет 50 метров. При этом манометр показывает давление 5 кгс/см².

На среднем рисунке насос перекачивает растворитель с плотностью 0,7 кг/дм³ (ниже плотности воды). При том же самом перепаде высоты 50 метров манометр будет показывать лишь 3,5 кгс/см².

Наконец, на правом рисунке насос перекачивает насыщенный раствор сахара с плотностью 1,3 кг/дм³ (выше плотности воды). При перепаде высоты 50 метров манометр покажет давление 6,5 кгс/см².

• Ловушка №2. Не думайте, будто измененная плотность жидкости изменит кривую характеристик насоса

Возьмем раствор сахара плотностью 1,3 кг/дм³ (то есть в 1,3 раза больше чем у воды). Какой насос нужен, если раствор сахара требуется поднять на высоту 50 метров?

Есть мнение, что для перекачивания раствора сахара нам нужен насос, изначально рассчитанный на напор 65 метров (при работе с водой), который будет выдавать лишь 50 метров напора при работе с раствором сахара. Но это ошибка!

Кривая работы центробежного насоса не зависит от плотности жидкости! Если насос может поднять столб воды на высоту 50 метров, то на такую же высоту он сможет поднять и раствор сахара с той же самой производительностью. Но какой ценой!? Ведь давление в напорной линии вырастет пропорционально увеличению плотности. А значит вырастет и потребляемая насосом мощность. Все что требуется – поставить более мощный двигатель на тот же самый насос.

Однако следует помнить, что если изначально насос конструктивно был рассчитан на перекачивание воды, то при работе с более плотной жидкостью вырастет нагрузка на все его внутренние узлы. И он может быстро выйти из строя. Поэтому при выборе центробежного насоса следует обращать на указанную производителем максимально допустимую плотность жидкости. Также обращайте внимание на максимально допустимое давление в корпусе насоса.

Изображение 6. Плотность жидкости не влияет на производительность и напор насоса, но влияет на давление и потребляемую мощность.

На изображении 6 показана ситуация, когда один и тот же насос перекачивает воду (слева) или раствор сахара (справа). Высота подъема жидкости и производительность насосов будут одинаковыми в обоих случаях. Однако давление в напорной линии будет отличаться, а вместе с ним будет отличаться и потребляемая насосом мощность. Вероятнее всего, на насос слева следует поставить двигатель номинальной мощностью 5,5 кВт (двигатель всегда берется с некоторым запасом от реальной потребляемой мощности), а на насос справа следует поставить двигатель мощностью 7,5 кВт.

• Ловушка №3. Давление, создаваемое насосом, не всегда равно давлению в напорной линии и не всегда связано с высотой подъема жидкости насосом. 

Дело в том, что жидкость может попадать в насос уже с некоторым давлением (положительным или отрицательным). 

Изображение 7. При работе в замкнутом контуре полезный напор насоса равен 0.

На изображении 7 показана схема, при которой насос перекачивает воду в замкнутом (но не изолированном от атмосферы) контуре. Высота подъема жидкости после насоса равна 4 метра, но и на вход в насос вода попадает с тем же самым подпором 4 метра. Поскольку статическое давление на входе и выходе из насоса равны, то полезный напор, создаваемый насосом, будет равен 0 (или чуть больше 0 с учетом потерь на сопротивление). Иначе говоря, насос будет работать при нулевом перепаде давлений. Все, что требуется насосу в этой ситуации – это преодолеть сопротивление трубопровода. При этом давление в корпусе насоса будет равно 0,4 кгс/см2 (то есть будет равно статическому давлению столба воды высотой 4 метра). 

Изображение 8. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 20 метров в.ст. (30 на выходе минус 10 на входе).
На изображении 8 вода поступает в насос с положительным подпором в 10 м.в.ст (манометр на входе в насос показывает 1 кгс/см²). Насос же поднимает водяной столб на высоту 30 м.в.ст. (манометр на выходе из насоса показывает 3 кгс/см²). Полезный напор насоса составляет 20 м.в.ст. (30 на выходе – 10 на входе). Иными словами перепад давлений в насосе составит 2 кгс/см².

С точки зрения самого насоса ситуация с 10 метрами подпора на входе и 30 метрами напора на выходе идентична той, когда, например, на входе нулевое давление, а напор на выходе равен 20 метрам. То есть 30 – 10 = 20 – 0.

Только следует помнить, что корпус насоса должен быть рассчитан именно на давление в напорной линии, а не на размер перепада между входом и выходом. В нашем примере насос создает перепад давлений 2 кгс/см2, однако давление в корпусе насоса при этом составит 3 кгс/см². Именно на 3 кгс/см² он и должен быть рассчитан (и желательно с запасом). 

Изображение 9. Полезный напор насоса на этом рисунке составляет 34 метра в.ст. (30 на выходе + 4 высота самовсоса). 

На изображении 9 насос работает в режиме самовсоса, иначе говоря — с отрицательным подпором на всасывании. Высота самовсоса составляет 4 метра, а это значит, что в напорной линии давление будет ниже атмосферного на 0,4 кгс/см2. Манометр на входе в насос будет бесполезен, потому что он показывает давление только выше атмосферного. Чтобы увидеть отрицательное давление на входе в насос нужно поставить вакуумметр. В данном случае он покажет значение абсолютного давления 0,6 кгс/см2 (то есть на 0,6 кг/см2 выше абсолютного вакуума, но на 0,4 кг/см² ниже атмосферного давления).

Подъем воды насосом составляет 30 м.в.ст. Высота самовсоса — 4 метра. Полезный напор, создаваемый насосом, будет равен 30 + 4 = 34 м.в.ст. или 3,4 кгс/см².

• Ловушка №4. Рабочее давление насоса не зависит от его максимального давления. 

Часто считают, что слишком мощный насос не стоит ставить в маленькую систему. Будто он создаст такое давление, которое разорвет трубы. Однако это утверждение может быть справедливым, только если пропускная способность трубопроводной системы низкая (например, если диаметр трубы меньше диаметра патрубков насоса). Если же пропускная способность системы достаточна, то насос не создаст в ней избыточного давления.

Разберем пример.

Требуется перекачать воду с производительностью 5 м³/час с подъемом на высоту 32 метра. Однако в наличии есть центробежный насос, который обеспечивает производительность 5 м³/час при напоре 57 метров (например, Pedrollo 2CPm 25/16A). То есть наш насос намного мощнее, чем надо. Означает ли это, что насос создаст огромное давление в системе, намного больше, чем требуется? Ответ простой – нет. Давайте взглянем на кривую характеристик центробежного насоса.

Изображение 10. Рабочая точка центробежного насоса зависит от сопротивления в линии

На изображении 10 видно, что насос может работать как при напоре 32 метра (рабочая точка №2 на рисунке), так и при напоре 58 метров (рабочая точка №1 на рисунке). Однако в какой именно точке насос будет работать выбирает не он сам, а сопротивление системы. Если требуется поднять воду всего лишь на высоту 32 метра, то насос вынужден будет работать в рабочей точке №2. В этом случае его производительность правда будет значительно выше, чем требуется – 9,6 м³/час вместо требуемых 5 м³/час.

Еще проще ситуация с объемным насосом, например, с шестеренным. Если он рассчитан на максимальное давление 10 бар и производительность 5 м³/час, то при сопротивлении 10 бар он покажет производительность 5 м3/час. Если же сопротивление в линии будет небольшим (5 бар), то насос обеспечит ту же самую производительность 5 м³/час при давлении 5 бар. Изменится только потребляемая мощность (снизится в 2 раза).

Таким образом если сопротивление в линии ниже, чем максимальное давление насоса, реальное давление в линии окажется равно этому сопротивлению (а не максимальному давлению насоса).

Если сопротивление в линии выше, чем то, что может преодолеть насос, для насоса это будет равносильно работе на закрытую задвижку. При этом динамические насосы будут работать «вхолостую» и с ними может ничего не произойти, кроме риска перегрева (ведь они перестанут охлаждаться потоком жидкости). Мембранные пневматические насосы в этой ситуации остановятся и с ними не будет ничего плохого. Большинству же объемных насосов работа на закрытую задвижку строго противопоказана. Ведь они не ограничены верхним пределом создаваемого давления и будут пытаться повысить его, пока их двигатель не перегреется или корпус насоса не повредится от избыточного давления.

Давление различных видов насосов

Давление зависит от вида насоса. Насосы бывают динамические (центробежные, вихревые) или объемные, (шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные).  

Центробежные одноступенчатые насосы не способны обеспечивать давление более 10-11 кгс/см² (то есть не могут развить напор воды более 100-110 метров) даже при очень большой мощности электродвигателя. 

Вихревые насосы обеспечивают давление до 16 кгс/см² (напор воды 160 метров) даже при небольшой мощности благодаря особой форме рабочего колеса. Каждая частичка воды соприкасается с таким колесом несколько раз и приобретает большую энергию. Обратная сторона такой «выгоды» — значительное ухудшение производительности насоса. 

Другим возможным решением улучшить напор насоса — применение нескольких последовательных колес в корпусе одного насоса. Такие агрегаты называют многоступенчатыми насосами. Их КПД по сравнению с вихревыми достаточно высок. Максимальное давление этих насосов достигает 30 кгс/см2 (300 метров водяного столба). 

Высокое давление могут обеспечить объемные насосы различных типов. К ним относятся шестеренные, винтовые, плунжерные, перистальтические, мембранные). 

Шестеренные насосы в нашем каталоге обеспечивают давление до 14,5 кгс/см². 

Большинство мембранных пневматических насосов обеспечивают максимальное давление до 7-8 кгс/см². 

Плунжерные дозировочные насосы из нашего каталога развивают давление до 20-25 кгс/см². 

Способы регулировать давление насосов

Изменить давление (и производительность) насоса можно несколькими методами. Часть из них касается изменения параметров самого насоса, а часть касается изменения параметров трубопроводной линии. 

• Давление насоса можно регулировать с помощью изменения скорости вращения вала насоса. 

Для центробежного насоса снижение частоты вращения вала приводит к пропорциональному уменьшению максимальной производительности и уменьшению максимального давления во второй степени. Например, уменьшение частоты вращения в 1,5 раза приводит к уменьшению производительности в 1,5 раза и уменьшению давления в 2,25 раза (1,5²).  

Изображение 11. Уменьшение скорости вращения вала центробежного насоса приведет к одновременному уменьшению давления и производительности в системе. 

На изображении 11 центробежный насос изначально работает на обычной скорости 2900 об/мин. С учетом сопротивления системы он работает в рабочей точке №1. Его производительность составляет 3,1 м³/час при напоре 4,5 м.в.ст.

Затем частота вращения вала была уменьшена в 1,5 раза до 1933 об/мин. Это привело к изменению кривой характеристик насоса. Максимальная производительность снизилась в 1,5 раза (с 3,6 до 2,4 м³/час), а максимальный напор снизился в 2,25 раза (с 20 до 8 м.в.ст.). Поскольку производительность насоса снизилась, то снизилось и сопротивление трубопроводной системы. Давление в системе упадет вместе с производительностью. Теперь новая кривая характеристик насоса (1933 об/мин) будет пересекаться с кривой трубопроводной системы в новой точке №2. Теперь производительность составит 1,9 м³/час при напоре 3 м.в.ст.

Для объемных насосов уменьшение частоты вращения вала насоса приводит к пропорциональному снижению производительности и потребляемой мощности. За счет освободившегося запаса по мощности такой насос сможет работать в системе с увеличенным давлением (по сравнению с работой при номинальной скорости вала).

Если же объемный насос остается в той же системе, где и работал до понижения скорости, то при снижении производительности произойдет и некоторое уменьшение давления из-за снижения сопротивления системы. 

Как изменить скорость вращения вала насоса?

Менять скорость вращения вала насоса, например, можно при помощи понижающей/повышающей редукторной (или ременной) передачи между двигателем и насосом.

Частоту вращения вала двигателя (и соответственно насоса) также можно регулировать при помощи частотного преобразователя. Этот способ регулирования давления является наиболее гибким и экономичным. Он позволяет насосу подстраиваться под изменение параметров системы и работать без существенного понижения КПД, несмотря на уменьшение производительности. Как правило, сильное падение КПД происходит лишь при очень резком (менее 30% от номинала) уменьшении частоты вращения.

• Дросселирование —  метод изменения параметров трубопроводной системы путем уменьшения сечения напорной или всасывающей линии с помощью задвижки, затвора или крана. 

Уменьшение сечения напорной линии уменьшает ее пропускную способность (а с ней и производительность), зато позволяет повысить давление на участке между насосом и задвижкой. Такой способ регулирования параметров насосов уменьшает КПД насоса из-за дополнительного сопротивления в системе, которое насос пытается преодолеть.

Уменьшение сечения всасывающей линии так же уменьшает производительность насоса, с одновременным понижением давления (давление на выходе из насоса понижается за счет создания дополнительного разрежения во всасывающей линии между задвижкой и насосом). КПД насоса так же снижается, но несколько меньше, чем при дросселировании напорной линии. Зато растет риск возникновения кавитации, а с ним и риск быстро погубить насос. 

• Увеличение диаметра трубопровода. Эта операция противоположна дросселированию.

Если увеличить диаметр напорного трубопровода, то сопротивление линии уменьшится. Давление в линии снизится. Производительность (в случае с центробежным насосом), напротив, возрастет.  Имеет смысл только при большой протяженности напорного трубопровода, чтобы эффект был заметен. 

• Байпасирование — (by pass — в обход) — еще метод регулирования подачи и давления  насоса путем манипуляций с трубопроводной линией.

Заключается в установке регулируемого или нерегулируемого перепуска (байпаса) с напорной линии на всасывание. То есть часть жидкости с напорной линии при помощи байпаса будет возвращена обратно во всасывающую линию. По отношению к насосу — это аналогично снижению сопротивления, т.е. происходит снижение напора. По отношению к потребительской сети — это аналогично снижению подачи. В результате рабочая точка (Q-H) сместится круто вниз, т.е. можно в потребительской сети получить одновременно меньший напор и меньшую подачу (энергия жидкости идет на сброс). Байпасирование уменьшает КПД насосного агрегата, поэтому этот метод обычно используют для защиты насоса и линии от избыточного давления, но не для работы насоса в обычном режиме.

• Комбинация методов

Любой метод регулирования давления насоса влияет и на другой его параметр – производительность. А что если нам нужно изменить давление в системе, но при этом сохранить производительность на том же уровне?

Здесь поможет только комбинация методов. Можно, например, уменьшив частоту вращения вала насоса, одновременно увеличить диаметр труб в напорном трубопроводе. Однако возможность применения тех или иных методов зависит от конкретной трубопроводной системы и универсального решения дано быть не может.  

Чаще же всего для решения таких задач используют автоматические насосные станции, состоящие из нескольких насосов, частотных преобразователей и управляющей автоматики. Такие станции могут самостоятельно поддерживать нужные параметры в системе при необходимости включая или отключая некоторые насосы, а также изменяя им частоту вращения двигателя

Полезные статьи:

Как рассчитать потери напора в трубопроводе в зависимости от его длины и диаметра? Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором расчета потерь напора в трубе.

Как подобрать насос с нужным давлением? Мы подготовили небольшую статью, в которой описали как подобрать необходимый насос по давлению (напору) и расходу (производительности). Перейдите сюда для подбора насоса онлайн. 

Регулирование центробежных насосов 

При рассмотрении характеристики насосной установки было выяснено, что гидравлические величины насоса изменяются в зависимости от расхода в системе трубопроводов. Насос и внешняя сеть составляют единую систему, установившийся режим работы которой возможен лишь при определенных условиях, когда соблюдается равенство расходов через насос и сеть при одном и том же напоре. Этому соответствует одна рабочая точка. 

Между тем величина расхода изменяется по времени в соответствии с чем должна перемещаться и рабочая точка насосной установки. Для этого необходимо принудительно изменять характеристику насоса или сети. Процесс изменения характеристики сети или насоса для обеспечения заданного расхода называется регулированием. 

Регулирование осуществляется:

1) изменением характеристики трубопровода путем частичного перекрытия его задвижкой,

2) изменением характеристики насоса путем перехода на другое число оборотов,

3) изменением характеристики путем поворота лопаток рабочего колеса или направляющего аппарата. 

При эксплуатации водопроводных и канализационных насосных станций применяются первые два способа регулирования.

1 — Дроссельное регулирование позволяет изменить расход с помощью задвижки, расположенной на напорной линии в непосредственной близости от насоса. Этот способ наиболее прост, так как не требует внесения в насосную установку дополнительных устройств. Вместе с тем он экономически невыгоден, так как часть напора теряется на преодоление сопротивления задвижки. Дросселирование с помощью задвижки, установленной на всасывающей трубе, не рекомендуется, так как это может вызвать кавитацию. Каждому положению диска задвижки соответствует новая характеристика трубопровода (рис. 52), 

Рис. 52. Регулирование насоса с помощью задвижки. 

поэтому рабочая точка перемещается по характеристике насоса. Регулирование напорной задвижкой применяется на насосных станциях первого подъема при колебаниях уровня воды в источнике. 

2 — Регулирование путем изменения числа оборотов насоса не влечет значительного изменения к. п. д. Оно осуществимо при применении двигателя с плавным изменением числа оборотов или путем введения между двигателем и насосом специальных устройств. 

В подавляющем большинстве случаев насосные станции и установки оборудованы электродвигателями переменного тока, работающими с постоянным числом оборотов. В связи с этим регулирование центробежных насосов путем изменения числа оборотов не получило широкого распространения и применяется только в тех случаях, когда насос приводится двигателем, работающим с различным числом оборотов. 

При этом способе регулирования изменяется характеристика насоса при неизменной характеристике трубопровода. Характеристика насоса изменяется так, что рабочая точка перемещается по характеристике трубопровода. Рассмотрим в общих чертах двигатели и устройства, позволяющие осуществить регулирование насосов изменением числа оборотов. 

Электродвигатели постоянного тока позволяют плавно изменять число оборотов посредством реостата и при наличии общей электросети постоянного тока весьма удобны для регулирования насосов. Однако электродвигатели постоянного тока в настоящее время для этих целей почти не применяются из-за необходимости в установке преобразователей при питании от сети переменного тока. 

Паровые и газовые турбины пригодны для регулирования числа оборотов центробежных насосов, так как при незначительном изменении числа оборотов, как это обычно требуется для насосов, к. п. д. этих двигателей изменяется незначительно. Однако турбины на насосных станциях применяются редко в связи с громоздкостью вспомогательных устройств и трудностью обслуживания в условиях насосной станции. 

Они находят применение лишь на крупных насосных станциях, предназначенных для питания больших промышленных предприятий, тепловых и атомных электростанций. В некоторых случаях турбины применяются также в качестве резерва на случай выхода из строя общей энергосистемы. 

Двигатели внутреннего сгорания могут работать с различным числом оборотов, что позволяет применять их в качестве регулирующего привода насосов. Для этих двигателей не требуется специальной котельной, так как топливо и воздух вводятся непосредственно в цилиндр двигателя, где происходит горение. 

Наибольшее распространение в качестве основных двигателей на насосных станциях получили электродвигатели переменного тока, несмотря на невозможность регулирования числа оборотов без специальных устройств. 

На водопроводных и канализационных насосных станциях применяются асинхронные и синхронные электродвигатели переменного тока. Из них наибольшее применение имеют асинхронные машины, так как они не требуют сложных пусковых устройств. 

При небольшой мощности насосов применяют короткозамкнутые электродвигатели, а при мощности свыше 20 квт рекомендуется применять асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Разница между ними состоит в том, что обмотка короткозамкнутого двигателя замкнута внутри ротора, а у двигателей с фазным ротором обмотка соединяется с наружным пусковым реостатом через три контактные кольца с щетками. 

Перед пуском такого двигателя в цепь ротора вводится дополнительное сопротивление, благодаря чему при включении увеличивается пусковой момент, а число оборотов нарастает постепенно, без значительного увеличения пускового тока. При достижении нормальных оборотов сопротивление выводится из цепи ротора, а обмотка его закорачивается. 

Применение синхронных электродвигателей требует установки сложных пусковых устройств, поэтому синхронные электродвигатели применяют для насосных агрегатов мощностью более 100 квт. Трехфазные асинхронные и синхронные электродвигатели при работе без специальных устройств дают постоянное число оборотов. Однако с применением специальных устройств эти машины можно регулировать в необходимых для насоса пределах. 

При приводе насосов от электродвигателей переменного тока возможны следующие способы изменения числа оборотов:

• изменение числа оборотов двигателя введением сопротивления в цепь ротора или переключением обмотки на различное число пар полюсов;
• изменение числа оборотов насоса при постоянном числе оборотов двигателя путем включения между их валами гидромуфты или специальной коробки передач. 

Гидромуфта облегчает пуск центробежного насоса и позволяет плавно изменять число оборотов насоса при неизменном числе оборотов двигателя. В гидромуфте мощность передается к насосу через жидкость (обычно масло), циркулирующую в полости между двумя полуторами, снабженными лопатками (рис. 53). 

Рис. 53. Схема гидравлической муфты: 1- ведущий вал; 2- ведомый вал; 3- насосное колесо; 4- турбинное колесо; 5- корпус гидромуфты. 

Ведущий полутор 3 (насосное колесо) соединен с валом двигателя, а ведомый (турбинное колесо) — с насосом. При вращении ведущего вала масло, находящееся в полости гидромуфты, двигается в направлении, указанном стрелками, и приводит во вращение турбинное колесо 4. 

Таким образом, энергия передается от ведущего вала к ведомому через масло, причем оба вала будут вращаться с различным числом оборотов. Изменяя наполнение гидромуфты рабочей жидкостью, можно плавно регулировать число оборотов насоса при неизменном числе оборотов электродвигателя переменного тока. Наличие гидромуфты дает возможность включения и выключения центробежного насоса с открытой задвижкой.

А какова Ваша оценка данной статье?