Как изменить производительность центробежного 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:

Корпус
центробежного насоса выполняют в виде
спиральной литой конструкции, внутри
которой находится рабочее колесо,
насаженное на вал. Корпус имеет два
патрубка: всасывающий, по которому вода
поступает к рабочему колесу, и
нагнетательный для вывода ее из насоса
под напором. Диаметр всасывающего
патрубка обычно больше, чем нагнетательного.
Перед пуском всасывающую трубу и корпус
заполняют водой.

Напор,
развиваемый центробежным насосом,
зависит от диаметра D
рабочего
колеса, частоты его вращения, очертания
и числа лопаток. Для большинства
центробежных насосов напор, создаваемый
рабочим колесом диаметром D
с
числом оборотов в минуту n
или
частотой вращения ω,
можно
определить по выражению

где
Н — напор, развиваемый насосом, м;
υ-окружная скорость на внешней окружности
рабочего колеса, м/с; α
—
коэффициент снижения напора из-за
возникновения гидравлических сопротивлений
с учетом конечного числа лопастей
рабочего колеса. Для насосов со спиральным
отводом α = 0,35…0,5, с направляющим аппаратом
α
= 0,45…0,55
n
—
скорость вращения рабочего колеса,
мин^-1;
ω
—
частота вращения рабочего колеса,
рад/с^-1;
R
—
радиус рабочего колеса, м; g
—
ускорение свободного падения, м/с².

Подача
центробежного насоса зависит от тех же
факторов, а также от поперечных размеров
каналов рабочего колеса. Напор и подача
воды центробежным насосом зависят от
конструкции (качество гидравлического
уплотнения между нагнетательной и
всасывающей областью насоса), которую
точно и для каждой марки определяет
завод-изготовитель. Характеристики
центробежных насосов строят по опытным
данным.

Напор,
подачу, допускаемую вакуумметрическую
высоту всасывания, КПД и мощность насоса
находят по их характеристикам. Все
перечисленные параметры взаимосвязаны.
Так, с увеличением высоты нагнетания
подача центробежного насоса уменьшается,
изменяются высота всасывания, КПД и
мощность. На рис. 10.7
приведена
каталожная характеристика насоса.
Центробежные на­сосы различают по
числу ступеней, способу подвода и отвода
воды от рабочего колеса, расположению
вала.

По
числу ступеней насосы подразделяются
на одноступенчатые (одно рабочее колесо)
и многоступенчатые (несколько
последовательно расположенных рабочих
колес на одном валу). Вода в многоступенчатом
насосе проходит последовательно через
все рабочие колеса, каждое из которых
увеличивает напор на определенную
величину. Если не удается подобрать
центробежный насос с характеристикой,
отвечающей заданным напору и расходу,
применяют различные способы регулирования.

При
значительных превышениях напора
уменьшение его дросселированием
невыгодно, так как связано с
непроизводительными затратами энергии.
Рациональный способ регулирования
центробежных насосов — преобразование
характеристик за счет изменения частоты
, вращения или диаметра рабочего колеса
(обточка).

Если
частота вращения рабочего колеса
центробежного насоса увеличивается
или уменьшается, то соответственно
снижаются или возрастают подача, напор
и мощность. Зависимость этих величин
от частоты вращения можно выразить
уравнением динамического подобия
центробежного насоса:

где
Q,
И, N
— расход,
напор и мощность насоса, м³/с,
м, кВт, при номинальной частоте вращения
n
мин^-1
или ω рад/с; Q_u
Н_ь
N_t
—
те же величины при измененной частоте
вращения.

КПД
насоса изменении частоты вращения
практически не изменяется. Уменьшать
частоту вращения более чем в два раза
не рекомендуется. Увеличивать ее можно
только по согласованию с заводом-изготовите­лем,
обычно не более чем на 10…20% выше
номинальной. При уменьшении частоты
вращения центробежного насоса допустимая
высота всасывания несколько возрастает,
при увеличении — падает. Подачу, напор
и мощность центробежных насосов можно
изменить, уменьшив (обточив) диаметр
рабочего колеса. Это предусматривается
конструктивными решениями
заводов-изготовителей. Параметры
центробежного насоса при обточке колеса
изменяются так же, как и при изменении
частоты вращения:

где
D
и
D₁
—
диаметры нормального и обточенного
рабочих колес. Уменьшение диаметра
рабочего колеса более чем на 20% не
допускается. Для расширения области
применения некоторые заводы-изготовители
выпускают насосы как с нормальными, так
и с обточенными рабочими колесами. В
случаях, когда условия работы насоса
требуют частых изменений подачи из-за
неравномерности водопотребления, наряду
с изложенными приемами, применяют
специальные методы регулирования,
позволяющие обеспечить не только
необходимые расход и напор, но и сохранить
в диапазоне регулирова­ния высокие
значения КПД. Обычно это связано с
ис­пользованием средств автоматического
управления.

Регулирование
подачи дросселированием

Во
время монтажа центробежного насоса на
напорной его стороне устанавливают
задвижку для выполнения запорно-регулирующих
функций. С ее помощью изменяют подачу
насоса. По своему назначению и конструкции
она служит как запорное устройство и
регулятор, но при частых регулировках
работает ненадежно. К тому же регулирование
задвижкой (дросселированием) ока­зывается
энергетически невыгодным: часть напора
расходуется на преодоление искусственно
созданного сопротивления в задвижке.
Однако в ряде случаев дросселирование
является эффективным, особенно при
необходимости снижения напоров в
трубопроводах на больших уклонах, когда
напор не удается использовать и возникает
необходимость в снижении его. Такое
регулирование применяют на закрытой
оросительной сети полустационарной
системы для поддержания постоянства
давления на входе к дождевальным машинам
(«Фрегат»). Сущность и энергетические
характеристики этого метода регулирования
приведены на рис. 10.8

При
полностью открытой задвижке рабочая
точка A₁
будет
находиться на пересечении характеристик
трубопровода Si
и насоса Q-Н.
Подача насоса соответствует значению
Q_a1.
Отрезок h_T1
характеризует потерю напора на трение
при движении жидкой среды со скоростью
υ
соответствующей
подаче Q_a1.
Для уменьшения подачи до значения Q_a2
частично
прикрывают задвижку. Сопротивление ее
изменит общее сопротивление трубопровода
и крутизна характеристики увеличится
(точка пересечения А₂).
Потерю напора определяют по сумме
отрезков h_т2
+ h_3д,
обозначающих
соответственно потери в трубопроводе
и в задвижке. КПД насосной установки
снизится. Мощность, теряемую при
дросселировании, находят по формуле

кВт

где
Q_a2
—
подача насоса при прикрытой задвижке,
м³/с;
h_3д
— потеря напора в задвижке, м; γ
—
объемная масса, кг/м³;
η
— КПД насоса при подаче Q_a2.

Регулирование
перепуском части подачи воды насосом
во всасывающий трубопровод и впуском
воздуха во всасывающий патрубок.

Уменьшить
подачу воды в систему от Q_a
до Q_в
(рис. 10.9)
можно,
если перебросить часть перекачиваемой
жидкости Q_a—Q_в

по
обводной
трубе во всасывающий трубопровод, т. е.
установить перепускную линию. В этом
случае при открытии задвижки на обводной
трубе (устанавливается электроприводная
задвижка для автоматизации процесса)
меняется характеристика трубопроводной
сети 2
на
3
со
смещением рабочей точки насоса в
положение С.
Следовательно,
для обеспечения подачи Q_B
нужно через перепускную линию подать
расход Q_с—Q_в.
Напор, создаваемый насосом, уменьшается,
а потребляемая мощность (кривая 4)
увеличивается.

С
энергетической точки зрения способ
регулирования подачи перепуском допустим
для центробежных насосов с коэффициентом
быстроходности n_s>300,
осевых и вихревых насосов. Коэффициент
быстроходности — частота вращения
рабочего колеса, которая при полезной
мощности 735,5 Вт и подаче 75 л/с обеспечивает
напор в 1 м.

Рис.10.9.
Регулирование
подачи центробежного насоса перепуском

В
центробежных насосах меньшей быстроходности
такое регулирование приводит к увеличению
потребляемой мощности и перегрузке
электродвигателя, усложнению систем
управления, следовательно, снижению
надежности установки.

Уменьшения
подачи насоса при неизменной характеристике
трубопроводной сети достигают, за счет
впуска определенного количества воздуха
во всасывающий патрубок. Это допустимо
и практически не ухудшает работы системы,
если фактическая высота всасывания
насоса значительно меньше допустимой.
При впуске воздуха характеристики
насоса Q—Н
и Q—η
перемещаются
вниз, что позволяет выбирать режим
работы, обеспечивающий необходимую
подачу воды в систему.

Количество
воздуха, поступаемого во всасывающий
патрубок насоса, обычно не превышает
5% от
объема
перекачиваемой
воды. Экономические показатели такого
способа регулирования подачи насосов
малой и средней производительности
несколько лучшие по сравнениию
дросселированием
задвижкой на выходе насоса. Для
регулирования подачи применяются
дополнительные специальные устройства
по изменению или стабилизации рабочих
параметров. При постоянной частоте
вращения рабочего колеса они используются
в рассмотренных способах количественного
регулирования или их комбинаций.

Регулирование
подачи воды изменением числа и состава
агрегатов

Способ
обеспечивает дискретное (ступенчатое)
регулирование подачи воды в систему
водоснабжения. Шаг дискретности постоянен
и соответствует подаче одного насосного
агрегата (см. параллельную работу
насосных агрегатов). Для уменьшения
шага дискретности и осуществления
плавного регулирования устанавливают
разнотипные агрегаты.

Например,
для обеспечения диапазона регулирования
1:8 на станции можно установить четыре
агрегата. Если они будут однотипными,
то достижимый шаг дискретности составит
2/8 Q
(максимального
расхода станции). Если установить
агрегаты: два с подачей 1/8 Q,
а два с подачей 3/8 Q,
то достижима в два раза меньшая
дискретности равная 1/8 Q.

Число
комбинаций разнотипных агрегатов всегда
больше, чем однотипных, схема их
автоматического выбора и переключения
несколько усложняется. Усложнение
оправдывается существенным улучшением
режима работы и самое главное —
уменьшением непроизводительных затрат.
Практически такое регулирование можно
выполнить двумя насосными агрегатами,
но с установкой на каждом из них
двухскоростных электродвигателей с
соответствующей системой управления.

Регулирование
подачи воды при переменной частоте
вращения рабочего колеса

Способ
регулирования насосных агрегатов
изменени­ем частоты вращения самый
экономичный. Основан на стабильных
соотношениях важнейших параметров
насосных агрегатов и частоты вращения
их рабочих коле£. С достаточной точностью
для практических расчетов в доступных
эксплуатационных диапазонах КПД насосов
при изменении частоты вращения можно
считать неизменным:

Подача
центробежных насосов пропорциональна
часто­те вращения рабочего колеса:

Напор
пропорционален квадрату частоты
вращения:

Мощность
пропорциональна кубу частоты вращения:

В
приведенных выражениях ω₂
—
новая частота вращения рабочего колеса,
рад/с. Из анализа выражений видно, что

Из
последнего выражения вытекает
параболическая зависимость H
= KQ²,
указывающая, как располагаются на
характеристике насоса Q—Н
рабочие точки, имеющие равный КПД. В
общем случае развиваемый центробежным
насосом напор зависит от частоты вращения
и расхода. При полностью закрытой
задвижке мощность на валу насоса
составляет около 40% от номинальной. Если
постепенно открывать задвижку, мощность
растет почти прямо пропорционально
расходу:

Во
время регулирования частоты вращения
насоса напор, развиваемый им, можно
привести в соответствие с напором в
системе при данном расходе, не поглощая
задвижкой избыточный напор. Если насос
преодолевает только динамический напор,
мощность, потребляемая насосом, при
регулировании частоты вращения
пропор­циональна кубу расхода:

Сопоставив
выражения для мощности при дроссельном
регулировании подачи и регулировании
ее измене­нием частоты вращения
рабочего колеса, видим, что в последнем
случае требуется значительно меньшая
мощность, а подача возрастает с увеличением
предела регулирования. Для определения
необходимой мощности на валу насоса в
случае преодоления статического и
динамического напора, при изменяющемся
расходе, следует построить характеристики
Q—Н
для конкретного насоса при разных
частотах вращения.

Совокупность
характеристик центробежного насоса
при различных частотах вращения приведена
на рис. 10.10. Анализ характеристик
показывает, что эффективность частотного
регулирования снижается с увеличением
доли статического напора. Рабочая точка
б
выделена
для 50% номинальной подачи, 50% статической
и 50% динамической составляющих напора
(характеристика 1),
а
номинальный режим работы при номинальной
частоте вращения будет в точке а.
При
уменьшении расхода на 50% рабочая точка
б
(характеристика
1) пересекается с вертикалью, соответствующей
50-ному расходу номинального режима.
Здесь она оказывается на экспериментальной
кривой Q—Н,
соответствующей 75% номинальной частоты
вращения. Требуемую мощность на валу
насоса оп­ределяют точкой пересечения
N—Q
характеристики
с вертикалью для 50% расхода и, как видно
из рисунка, она
составляет
33% от мощности, потребляемой в номи­нальном
режиме.

Рис
10.10.Характеристики центробежного насоса
при разной частоте вращения:

Если
бы насос преодолевал только динамический
на­пор (характеристика работы
изображалась бы кривой 2),
то,
в этом случае необходимые характеристики
Q—Н
и Q—N.
(на
рис.
10.11 не показаны)
при уменьшении расхода на 50% пришлось
бы уменьшить на 50% и частоту вращения
рабочего колеса. Потребная мощность
соста­вила бы 12,5%, а не 33%, как в первом
случае.

Для
изменения частоты вращения рабочих
колес насосных агрегатов можно применять
различные механические и электрические
устройства. Даже при наличии в них
дополнительных потерь методы качественного
регулирования оказываются более
экономичными по сравнению с любыми
способами количественного регулирования.
Специфический и важный параметр
качественного регулирования насосных
агрегатов — коэффициент глубины
регулирования частоты вращения насосного
колеса:

где
ω_р
и Q_p
— требуемые по условиям работы минимальные
значения частоты вращения и расхода
для насосного агрегата с регулируемым
электроприводом.

Для
погружных насосных агрегатов типа ЭЦB
минимальное значение расхода не должно
быть меньше величины, требуемой для
предотвращения нагрева воды внутри
корпуса насоса выше 25ºС,
обычно принимают(Q_min
> 0,1Q_ном).
При выборе коэффициента регулирования
необходимо учитывать диапазон изменения
потерь в трубопроводной сети в зависимости
от колебаний расхода по графику
водопотребления.

На
рис. 10.11 представлены сводные характеристики
рассмотренных методов регулирования
центробежных насосов с указанием затрат
мощности при различных способах изменения
подачи насосов. Номинальный режим работы
насоса будет в точке А
с
расходом Q_a.
В случае изменения его до значения Q_в
получим новые положения рабочих точек
для различных способов регулирования:
В_др
— при дроссельном регулировании
задвижкой; В_об
— при частотном регулировании, изменяя
частоты вращения рабочего колеса; В_пер
— регулирование перепускной линией,
когда насос на выходе обеспечивает
подачу Q
= Q_в+Q_пер.

На
этом же рисунке соответственно показаны
потери мощности. При регулировании
подачи изменением часто ты вращения
они будут минимальными, а при дроссельном
регулировании существенно возрастут
и будут максимальными в случае
регулирования перепуском:

Рис.
10.11.
Сравнение
экономичности разных способов
регулирования подачи центробежных
насосов.

Приведенное
соотношение справедливо для центробежных
насосов, у которых коэффициент
быстроходности n_s<300.
Для вихревых и осевых насосов, где с
увеличением подачи затраты мощности
уменьшаются, регулирование перепуском
окажется более экономичным, чем
регулирование дросселированием, но
регулирование изменением частоты
вращения по-прежнему будет более
эффективным.

Рассмотренные
режимы работы центробежных насосов,
приемы регулирования показывают
функционирование гидравлической системы
насос—трубопровод, которое необходимо
для правильного выбора насоса и
обеспечения повышенной работоспособности,
надежности и экономичности всей системы
водоснабжения.

духа
или, закрывая нижний торец стакана
непроницаемой упругой мембраной,
предварительно залив в него необходимое
количество воды.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #

  13.02.201627.74 Mб26Черчение. Боголюбов С.К..djvu

• #

Способ регулирования производительности центробежного насоса заключается в перепуске части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии. Регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос. Изобретение направлено на экономию электроэнергии и расширение области применения. 4 ил.

Предложение относится к системам водоснабжения, перекачки жидкостей и газов.

Известен способ регулирования производительности задвижкой на напорном патрубке насоса (дросселированием), основанный на увеличении сопротивления напорной линии (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, — 3-е изд., перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106). Способ характеризуется низким КПД, особенно при существенных диапазонах регулирования.

Близким к предлагаемому является способ регулирования производительности насосов перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой. Указанный способ регулировки экономичен для насосов с коэффициентом быстроходности n_s>300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшим коэффициентом быстроходности регулирования подачи перепуском ведет к увеличению мощности, потребляемой насосом, и может вызвать перегрузку электродвигателя (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, — 3-е изд., перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106-109).

Наиболее близким является устройство, в котором реализуется способ регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии [JP 1-0176675 В (SAYAMA SEISAKUSHO КК) 30.06.1998, фиг.1, 3].

Однако известный способ регулирования не экономичен.

Задачей изобретения является расширение области применения способа регулирования перепуском для любых центробежных насосов и экономия электроэнергии при регулировании.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии, согласно изобретению регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарным расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос.

Существенными отличительными признаками заявленного технического решения являются регулирование производительности одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек вместо регулирования одной байпасной задвижкой в прототипе и поддержание постоянным суммарного объема перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальной мощности, потребляемой электродвигателем, вращающим насос.

Сохранение суммарного расхода перекачиваемой жидкости или номинальной мощности, потребляемой электродвигателем, вращающим насос, позволяет избежать увеличения мощности потребляемой насосом и перегрузки двигателя при регулировании. Повышение давления на входе насоса, достигаемое при одновременном открытии байпасной и закрытии всасывающей задвижек, приводит к пропорциональной экономии электроэнергии.

Предлагаемый способ регулирования производительности центробежных насосов иллюстрируют схемы фиг.1 — 4.

На фиг.1. и 3 изображены предельные варианты, а на фиг 2 — промежуточный вариант реализации предлагаемого способа регулирования. Фиг.4 поясняет предлагаемый способ регулирования с помощью характеристики Q-H насоса и характеристики Р водопроводной сети.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит насос 1, байпасную задвижку 2, всасывающую задвижку 3, манометры 4, 5 и 6. На фиг.4 использованы следующие обозначения: производительность (расход) Qн — номинальный, Qp — регулировочный; характеристика сети Р — номинальная и Рр -регулировочная; характеристика паспортная насоса Q-H, где Н — высота подъема перекачиваемой жидкости.

На схеме фиг.1 изображен исходный вариант, когда всасывающая задвижка 3 на входе насоса 1 полностью открыта, а байпасная задвижка 2 полностью закрыта. Насос и двигатель, его вращающий, работают в номинальном режиме. Давление на выходе насоса, измеряемое манометром 4, определяется потребителями и параллельно работающими насосами и равно 10 атмосферам. Давление на входе насоса, измеряемое манометром 5, для простоты принимаем равным 0 атм. Производительность насоса Q₁=1000 м³/ч задаем для примера.

На схеме фиг.2 изображен промежуточный вариант регулировки, когда байпасная задвижка 2 на перепускной линии приоткрыта, а всасывающая задвижка 3 на входе насоса призакрыта. При этом часть жидкости Q₁=100 м³/ч, которую не нужно поставлять потребителю, циркулирует по обводной линии, перенося часть энергии с выхода насоса на его вход и повышая давление на входе, измеряемое манометром 5, например на 1 атмосферу, что эквивалентно поднятию воды на входе насоса на 10 метров. При этом уменьшается разность давлений на входе и выходе насоса на 1 атмосферу и разгружается электродвигатель, приводящий в движение насос. Однако скорость жидкости на входе и внутри насоса несколько (примерно на 10%) возрастает, что приведет к снижению кавитационного запаса насоса и к ограничению диапазона регулирования. Кавитационный запас можно сохранить, если при регулировании поддерживать мощность двигателя, равной номинальной, вместо поддержания номинальным расхода.

На схеме фиг.3 изображен предельный вариант регулировки, когда байпасная задвижка 2 на перепускной линии открыта полностью, а всасывающая задвижка 3 на входе насоса 1 полностью закрыта. При этом вся жидкость циркулирует по обводной линии. Давление на входе и выходе насоса равны (без учета потерь) и определяются потребителями, и параллельно работающими другими насосами.

Энергия двигателя тратится лишь на поддержание циркуляции жидкости в байпасной линии. Скорость жидкости в байпасной линии возрастает в несколько раз (например, в 5 раз), а потери в байпасной линии максимальны и пропорциональны квадрату скорости жидкости.

Если диаметр байпасного трубопровода равен диаметру напорного (выходного) трубопровода насоса, то при закрытой всасывающей задвижке и полностью открытой байпасной задвижке, скорость жидкости в байпасной линии будет максимальной и превышать скорость на выходе насоса при номинальной нагрузке, например, в 5 раз (почти как на свободный излив). Расход жидкости, перекачиваемой насосом, возрастет также в 5 раз. Если уменьшать диаметр байпасного трубопровода, а скорость жидкости считать оставшейся максимальной, то, чтобы обеспечить расход жидкости, равный номинальному, можно уменьшить диаметр байпасного трубопровода в 5^1/2 раз, то есть в 2,2 раза. Если учесть, что производительность насоса регулируют на 50% (в 2 раза), то диаметр байпасного трубопровода может быть уменьшен еще в 2^1/2 раза, то есть в 1,4 раза. Следовательно, диаметр байпасного трубопровода может быть меньше диаметра напорного примерно в 3 раза.

На практике требуется регулировка производительности насосов на 30-50%, поэтому скорость жидкости в байпасной линии и потери в ней незначительны и соизмеримы с потерями при регулировании производительности насоса за счет изменения частоты вращения насоса с помощью асинхронно-вентильных каскадов и преобразователей частоты.

Рисунок фиг.4 поясняет предлагаемый способ регулирования с помощью характеристики Q-H насоса и характеристики Р водопроводной сети. Точка расхода Q_н соответствует номинальному режиму работы насоса (фиг.1). Точка расхода Q_p соответствует регулировочной величине расхода (фиг.2). Поскольку суммарный расход насоса сохраняется при регулировке равным Q_н, то точка 1 показывает, где должна проходить регулировочная характеристика сети Р_р (выделена пунктиром). Величина Δh соответствует повышению давления на входе насоса при регулировке.

Возможность осуществления способа рассмотрим на практическом примере. Например, надо модернизировать действующую насосную станцию с насосными агрегатами мощностью 1 МВт и регулированием производительности дросселированием (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, — 3-е изд. перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106). При частичном открывании байпасной задвижки 2 (фиг.2) с целью уменьшения количества жидкости, поставляемой потребителю, дополнительно загружается насос и электродвигатель, например до 1,2 МВт, что недопустимо. Чтобы разгрузить насосный агрегат до допустимой номинальной мощности, согласно изобретению надо прикрыть всасывающую задвижку 3, одновременно контролируя расход жидкости. Если регулировка недостаточна, то вышеописанные операции надо повторить. Однако при поддержании номинальной мощности не полностью используется возможность экономии электроэнергии. Если далее прикрывать всасывающую задвижку можно получить большую экономию электроэнергии. Оптимальный результат достигается при сохранении суммарного расхода перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях.

На практике наиболее просто можно реализовать предлагаемый способ регулирования с помощью таблицы соответствия числа оборотов всасывающей задвижки числу оборотов ведущей байпасной задвижки для сохранения суммарного расхода жидкости. Можно изготовить специальную задвижку, в которой с помощью одного привода регулируются два потока жидкости.

Предлагаемый способ регулирования целесообразно применять в электроприводных насосах с мощными высоковольтными синхронными и асинхронными двигателями взамен регулирования с помощью дорогостоящих частотных преобразователей и асинхронно-вентильных каскадов.

Годовая экономия электроэнергии, например, для насоса типа Д4000-95-2, приводимого во вращение синхронным двигателем мощностью 1250 кВт, составит 1095000 кВт·ч даже при экономии в 10% (максимальная экономия электроэнергии при регулировании производительности на 30% близка к 30%).

Способ регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии, отличающийся тем, что регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос.

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.

Для того, чтобы подобрать подходящий насос, необходимо знать технические характеристики насоса, его напор и производительность и соотнести данные с условиями эксплуатации агрегата. Найти параметры можно на табличке насоса (шильдик), в техпаспорте или инструкции к эксплуатации. 

Что такое производительность насоса?

Производительность насоса – это фактический объем жидкости, перекаченный за определенную единицу времени. В России стандартом измерения производительности насоса является количество перекаченных кубических метров жидкости в один час (м³/ч).
В продаже можно встретить также насосы с обозначением параметров л/с (литры в секунду). Значения параметров зачастую бывают теоретическими и приблизительными, так как фактически расход агрегата превышает заявленную производительность. В формуле для расчета не учитываются возможные утечки и потери в трубопроводе, так как в идеале эти значения и вовсе должны стремиться к нулю. В современных гидравлических насосах номинальный и идеальный расходы действительно практически идентичны. 

От чего зависит производительность насоса?

Производительность насоса зависит от следующих факторов:

• Вид и тип гидравлической машины
• Тип перекачиваемой жидкости, ее вязкость и густота
• Скорость вращения шестеренок, их габариты, впадины и выступы зубьев (в работе масляного насоса)
• Частота линейного перемещения рабочего органа насоса
• Количество рабочих колес и их диаметр (в многоступенчатых агрегатах подача выше, чем в одноступенчатых)

В центробежном и вихревом типе насосов напор напрямую зависит от производительности и наоборот. При уменьшении параметра напора, увеличивается производительность. При увеличении – падает. На рисунке представлен график напорных и производительных характеристик и их взаимосвязь. 
График помогает выбрать необходимые параметры агрегата для необходимых параметров и условий. 

Регулировка производительности

В ходе работы насосов возникает необходимость менять параметры производительности. Такая потребность возникает на насосных станциях городских и муниципальных водоснабжений, в сельском хозяйстве, в котельных и на теплоэлектростанциях. Регулировка производительности необходима для ограничений или увеличений объемов подачи в соответствии с нуждами. Для регулировки производительности насосов существует несколько способов. 

Дросселирование

Этот метод применяется для увеличения энергопотребления и снижения общего КПД системы. Работа метода состоит в установке задвижки на трубопроводе, подающем напор. Задвижки бывают ручными и автоматическими и работают в различных режимах. Задвижку можно прикрывать для снижения расхода и увеличения гидравлического сопротивления сети. Такое действие вызовет снижение подачи и увеличение напора. 

Байпасирование

Байпасирование (или перепуск) – это метод регулировки производительности, подходящий для автоматических систем отопления. В случае, если необходима ручная регулировка, вместо клапана устанавливается задвижка. 
Суть метода состоит в установки перемычки с клапаном между напорным и всасывающим трубопроводами. Такое действие помогает сохранять постоянную величину перепада давления, что приводит к регулированию напора. Когда давление падает – напор увеличивается, клапан открывается и излишки воды возвращаются в зону всасывания из напорного трубопровода. 
По этой причине насос эксплуатируется в зоне оптимального коэффициента полезного действия с постоянными параметрами расхода и напора жидкости. 

Обточка рабочего колеса

Как мы уже упоминали, на величину подачи в центробежных насосах влияет рабочее колесо и его диаметр.

Поэтому, при обточки (уменьшении) диаметра производительность падает вместе с напором. Производить обточки следует в соответствии с допустимой нормой (количеству и величине). Найти соответствующую информацию можно в нормативных документах на группу насосов. 

Изменение частоты вращения рабочего колеса

Оптимальным вариантом регулировки производительности считается изменение числа оборотов вала приводного электродвигателя. К плюсам метода относят:

• Энергоэффективность
• Возможность эксплуатации насоса при максимальных КПД
• Автоматическое поддержание напора или производительности в необходимых пределах
• Комфортное изменение параметров в соответствии с потребностями системы 

Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.