Индустриални потопяеми помпи за отпадни води

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2008

Конструкция, характеристики, използвани материали, съвременни средства за управлението им


    отопяемите помпи за отпадни води представляват агрегат, състоящ се от помпена част и електрически двигател, които се потапят в мокри шахти с изпомпваната течност. Възможно е помпата да се съединява с помощта на специална основа към дъното на шахтата с цел по-лесен монтаж и демонтаж, както и да се куплира с маркуч или друга арматура за нагнетателен тръбопровод. Електрическото захранване към помпата се подава чрез един или повече гъвкави проводници с подходяща за инсталацията дължина. Много потопяеми помпи могат да се инсталират с т.нар. сух монтаж, като обикновени помпи. Този тип на инсталиране на помпите осигурява непрекъсната работа, дори и при евентуално наводняване на сухата камера.

Конструктивни елементи на помпата
Както вече бе посочено, потопяемата помпа има два основно конструктивни възела - помпена част и водоустойчив двигател. От своя страна, помпената част е изградена от работно колело, кожух и необходимите свързващи елементи за различните типове инсталации. Свързващи елементи са водещата част на помпата, която се присъединява към дъното на шахтата, стойка за свободно стоящи помпи и всички необходими свързващи фланци за сух монтаж или уплътнителен пръстен за колонен монтаж на помпи. Електрическият двигател е “сух” със съединен накъсо ротор, който покрива широк диапазон на приложения и натоварвания. Двигателят и помпата обикновено са с общ вал с лагери и уплътнения на вала. Двигателят разполага с водонепропусклив вход за кабела и дръжка за повдигане на помпата.


Видове работни колела на помпите
Потопяемите помпи са с различни работни колела в зависимост от приложението им. В зависимост от вида си, работните колела се класифицират като:
l Работни колела за отпадни води;
l Работни колела с режещ нож;
l Работни колела за аксиални помпи.
Според конструкцията си, работните помпи се определят като:
l Затворени;
l Полуотворени и
l Отворени.
На фигура 3 са показани работни колела със затворена - а, полуотворена - б и затворена конструкция. Полуотворените и отворените работни колела имат точно определено разстояние между работното колело и кожуха (около 0,5 мм). Ефективността е силно зависима от износването и се намалява драстично при увеличаване на посоченото разстояние.
Ефектът на износването при отворени и затворени работни колела на потопяемите помпи е показан на фигура 4. Фигурата по-долу показва ефекта на износването при отворени и затворени работни колела. Отворените и полуотворените работни колела са високо чувствителни към замърсявания, които могат да попаднат между работното колело и плочата, забавяйки работата или напълно да блокират помпата.
За да се избегне блокирането на помпата или задръстването й, са разработени специални работни колела за отпадни води - едноканални, двуканални и вортекс.

Концепцията на свободния проход
е от специално значение за помпите за отпадни води, уверяват специалисти. Свободният проход представлява способността на помпата да пренася твърди частици заедно с течността, т.е. да не се задръства. Размерността на свободния проход се дефинира като най-големия сферичен обект, който би могъл да премине през работното колело и кожуха на помпата. Когато се определя с два размера, се вземат именно размерите на най-голямото правоъгълно тяло, което преминава свободно през помпата.
Обикновено свободен проход от 80 мм е достатъчен при малките и средни помпи за отпадни води. При по-големите той трябва да е минимум 100 мм.
Сам по себе си свободният проход не е достатъчен за предотвратяване на запушването на помпата. Размерите и формата на работните колела, както и на лопатките, също следва да са специални. Има случаи, когато проблемите с блокиране на помпите се решават, като се смени помпата, дори и с такава със същия свободен проход, работно колело и обороти, но от друг производител.
Диаметърът и топологията на тръбопровода за отпадни води са много важни за осигуряване на оптимална работа на помпите. Реалните условия в системи за отпадни води не могат да се симулират в лаборатория и добрите помпени производители разчитат на дългогодишен опит и реални изпитания на място.

Едноканални и двуканални работни колела
Едноканалното работно колело (фиг. 5) е проектирано за най-добър КПД в рамките на зададения свободен проход. Характерно за него е, че твърдите частици могат да преминат през работното колело по един-единствен път, което осигурява добра устойчивост срещу задръстване. Асиметричната форма на работното колело изисква поставянето на балансиращи тежести на колелото. Най-високият КПД е в диапазона 70 - 75%.
Двуканалните работни колела (фиг. 6) се отличават с не толкова добри характеристики по отношение на пренасянето на влакнести материали. Дългите влакна могат да влязат едновременно в двата канала и по този начин да блокират помпата. Недостатъкът се избягва чрез прецизен дизайн на входа на двата канала, което е постижимо чрез изследване на работното колело в реални условия на т.нар. тежки помпени станции. С оптимална конструкция и свободен проход от 100 мм двуканалните работни колела биха могли да пренасят неекранирани отпадни води. Най-високият постижим коефициент на полезно действие е от порядъка на 80 - 85%.

Три- и четириканални работни колела
При много големи помпи е възможно използването на работни колела с три или четири лопатки. Характерен за тях е свободен проход от 100 мм и добри способности срещу блокиране. При тези работни колела най-важна е конструкцията на направляващите и входа на лопатката. Коефициентът им на полезно действие е в диапазона 82 - 86%.

Вортекс работни колела
Принципът на работа на работните колела от тип вортекс (фиг. 7) е създаването на силни вихрови движения на флуида в отворения кожух на помпата. Изпомпването при тях е индиректно, тъй като работното колело се намира извън основния поток на течността. Вортекс работните колела имат отлични характеристики срещу блокиране и се отличават с много плавна работа. Най-високият им КПД е около 50%.

Коректният избор се определя спрямо системата
Работата на помпата за отпадна вода е резултат от взаимодействието й с нагнетателния тръбопровод. Следователно коректният избор на помпа се определя винаги спрямо системата, в която ще работи тя. Добрите проектанти изследват възможните вариации на системата и съответстващата им реакция на помпата.
Всички потопяеми помпи за отпадни води представляват центробежни помпи и имат характеристиките на такива хидравлични машини. Основни технически характеристики на центробежните помпи са:
Главна работна характеристика - представлява диаграма, която показва връзката между напор и дебит на помпата и е основна за всички центробежни помпи.
Спомагателна характеристика - показва връзката между дебит и мощност, КПД и нетна положителна смукателна височина (NPSH).

Характеристики на помпите
На фигура 8 е показана главна характеристика на помпа, която представлява връзката между напора и дебита на помпа. Необходимо е да се обърне внимание и на евентуалните ограничения, видими на фигурата с пунктирана линия, които биха могли да бъдат причинени от кавитация, вибрации или претоварване на двигателя.
Друга важна характеристика на помпите - кривата на КПД, също е функция на дебита. За потопяеми помпи се определя както КПД на агрегата, така и коефициента на полезно действие на помпата. Разликата между тях представлява КПД на двигателя. Също така, много често се показват различни криви на помпата, характерни за различни диаметри на работното колело и съответно ефективността им - фигура 9.
Основна характеристики на потопояемите помпи е т.нар. силова характеристика. Известно е, че необходимата мощност на помпата също е функция на дебита. На фигурата, изобразяваща главната работна характеристика, биха могли да се видят необходимата мощност на помпата и на агрегата.
Тъй като изчисленията за NPSH се правят само за помпи "сух" монтаж, тези характеристики обикновено не се показват при потопяемите помпи за отпадни води. Те могат да бъдат изискани от производителя при запитване, в случай на съмнение за кавитация при "сух" монтаж.
Повечето помпи за индустриални отпадни води съдържат твърди частици по-малки от 0.05%, което не рефлектира върху работата на самата помпа.

Нагнетателен тръбопровод и реална работна точка
Правилното определяне на разположението, размерите, арматурата и всички останали елементи на нагнетателния тръбопровод е от огромно значение за добрата работа на помпата и системата като цяло, категорични са експерти по темата. Не бива да се подценява и влиянието, което те оказват върху енергийната консумация на хидравличната машина.
На базата на определената характеристика на тръбопровода и избраната характеристика на помпата се получава работната точка на помпата, която се явява пресечна точка между двете характеристики. На фигура 10 може да се види теоретично изчислената работна характеристика.
Всеки специалист в областта е наясно, че реалната и теоретично определената работни точки почти винаги се различават. Причини са неточности при пресмятане на загубите в тръбопровода, както и отклоненията от главната работна характеристика, зададена от производителя на помпи. Също така, функционирането на помпата се променя в резултат на износване, корозия и налепи по нея и нагнетателния тръбопровод. На фигура 11 се вижда, че реалната работна точка се “движи” в определени граници около изчислената.

Използват се при шлака до 3%
Шлака с различна консистенция често се препомпва в индустриалните и градски тръбопроводи. За целта се използват именно потопяеми помпи. С увеличаване на вискозитета се увеличават и загубите в тръбопровода. Известно е, че с увеличаване на дебита, намалява H - фиг. 12. По тази причина е препоръчително при избора на помпа да се има предвид този факт.
Ситуацията се усложнява от факта, че за момента не е известно достатъчно за поведението на шлаката в центробежните помпи. Също така, шлаката съдържа и голямо количество разтворени и неразтворени газове, което влошава работата на помпите. Би могло да се стигне и до спирането им. Затова е необходимо помпите да се монтират възможно най-ниско и да се избегне използването на дълги смукателни трактове. При шлака със съдържание на твърди частици под 1% би могло да се приеме, че поведението на машината е като характерното за работата й с чиста вода.
Проблемни са определянето на точното съдържание на частици, както и моментните пикове на твърдите частици и охлаждането на двигателя.
Най-общо потопяеми помпи могат да се използват за шлака до 3%. При по-големи концентрации приложение намират обемни помпи. Не се препоръчва използването на пропелерни помпи при силно замърсени води.

Материали в конструкцията на помпите
Чугунът е основен материал, използван при потопяемите помпи за отпадни води. В повечето случай валът на помпите е направен изцяло или с покритие от неръждаема стомана, за да е износоустойчив на контакта с работната течност. Стоманените части от конструкцията на помпата или основата й са изцяло дълбоко галванизирани и издържат десетилетия на стандартна работа с отпадни води.
При индустриални отпадни води устойчивостта на чугуна не е достатъчна и е необходимо използването на части от неръждаема стомана, особено при работните колела и кожуха на помпата. Известно е, че те са подложени на голямо износване. В подобни приложения естественият слой против корозия се износва бързо, което води до бързо корозиране на повърхностите. Помпите, изработени изцяло от неръждаема стомана, се използват в индустрията и като цяло са 3 до 4 пъти по-скъпи от помпите, направени със стандартни материали.
Материалите, използвани при помпи за пренос на морска вода, се определят от редица фактори, като соленост, съдържание на кислород, замърсеност и температура. Точният материал се избира отделно за всеки отделен случай, като понякога се налага и употребата на заменяеми цинкови аноди.
Покритието на захранващите кабели при потопяемите помпи трябва да е устойчиво на масла и други реактиви, съдържащи се в отпадните води. Останалите "гумени" части, като О-пръстените, се правят обичайно от нитрил или неопрен, за да са устойчиви на химикалите и маслата.

Фактори с влияние върху износването
Съдържанието на пясък в отпадните води е ниско, обикновено между 0,002 и 0,003 обемни %. Възможно е, обаче, да се увеличава пиково при обилни валежи и топене на снеговете. За подобни приложения е целесъобразно да се предвиди басейн за отделяне на пясъка от общите отпадни води.
Поведението на помпите при абразивни среди зависи от съдържанието, най-често на кварц и силикатен пясък. При повишено съдържание на пясък се повишава и плътността на течността, респективно и необходимата мощност на двигателя. Обикновено се предвижда запас от 30% в номиналната мощност.
Върху износването на помпата влияние оказват следните фактори:
l Съдържание на пясък;
l Качество на пясъка;
l Материали на помпата;
l Напор на помпата;
l Тип на работното колело.
На фигура 13 може да се види връзката между съдържанието на пясък, напора на помпата и сервизния интервал.
Износването на помпата би могло да се минимизира с използването на износоустойчиви материали и правилен избор на конструкция. Като най-рационално се приема използването на материали с твърдост по-голяма от 500 HB, като високолегирани стомани. Машинната обработката на подобни материалите е много трудна и скъпа, затова намират приложение в много отговорни приложения.

Управление на потопяемите помпи
Всички помпи за отпадни води, работещи индивидуално или като част от система в обща мрежа, се нуждаят от надеждно управление и контрол, които да осигурят сигурната им и ефективна работа. Модерните електронни технологии дават възможности на гъвкаво управление и мониторинг на системите за отпадни води с цел ограничаване на общите разходи и улесняване на поддръжката на системите.
Локални панели за управление. Намират се непосредствено до или са вградени към помпите. Поддържат различна функционалност в зависимост от конкретните изисквания.
Ръчно управление. Най-елементарният метод за контрол. Никога не се използва като основен начин на управление на помпите, а само като авариен.
Релейно управление. В приложения, в които не се изисква мониторинг, се използват релейни системи за управление. Те обхващат блокове за пуск и стоп на помпите, ръчно регулируеми датчици за ниво, електрически блокове за последователност на пуска на помпите и локални дисплеи за визуализиране на информацията. Релейните системи за управление са с опростена конструкция и се отличават с висока надеждност. Подходящи са за вторични помпени станции, където не се изисква висока гъвкавост при настройка на системите.
PLC базирани системи. Контролни блокове на основата на програмируеми контролери (PLC) разширяват възможностите за мониторинг, съхраняване и анализ на данните от помпените системи. Също така, предлагат висока гъвкавост за настройка на системите. Използването и коректната работа на PLC базираните системи зависи от високата квалификация на персонала при избора, конфигурирането, инсталирането и поддръжката им.
Сензори на системите за управление
Управляващият блок, както на обикновените релейни системи, така и на сложните PLC системи, работи на базата на сигналите, генерирани от определени сензори. Сред тях са сензори за ниво в шахтите, състояние на първичното уплътнение, изолация на намотките на двигателя и захранващите кабели и т.н.
Сензори за ниво. Основна информация за всяка автоматизирана система за управление на помпи е нивото на водата в шахтата. В зависимост от типа си, те дават информация за достигане на водата до определени нива или за текущото запълване на шахтата.
Сред най-често използваните средства са трансмитерите за налягане. Широкото им приложение при потопяеми помпи за отпадни води се дължи на високата им надеждност на работа. Счита се, че пиезоелектрическите сензори в стоманени или гумени корпус са особено подходящи за употреба в подобни приложения. Тъй като са чувствителни на замърсявания, обикновено се предпазват със специални тръби. Ултразвуковите нивомери са предпочитан избор, когато не съществуват възможности за контактно измерване на нивото. От друга страна, наличието на пяна и пара в отпадните води би могло да доведе до смущения, в резултат на което да се стигне до загуба на сигнала и невярно отчитане на нивата. Най-често се прилага решението да се използват във функцията на резервирана система на аварийно високи нива, например. Поплавъците са най-използваният метод за нивосигнализация в системите за отпадни води от години. При тях съществува риск от заплитане на сензорите и отчитане на грешни нива, затова те също резервират основния нивомер във системите, към които са поставени високи изисквания. Друг ефективен метод за измерване нивото на течността са т.нар. камбани. Те се състоят от обърнат пластмасов конус и тръба, която води до превключвател в таблото за управление. При достигане на течността до основата на конуса, налягането в тръбата се повишава и превключвателят включва помпата. Тя спира работа след предварително настроен период от време.

Измерване на ток, дебит, консумация, работни часове
Сред мониторираните величини е входящият ток на една или трите фази на помпата, който се следи от токови трансформатори и се преобразува в аналогов сигнал. Помпените станции, оборудвани с модерни управляващи системи, разполагат с измервателни средства за консумацията на електрическа енергия.
Блоковете за управление на индустриалните потопяеми помпи обикновено имат реле за отпадане на фаза. И три фази на захранването се следят от специализирани релета. В случай на прекъсване на една от фазите, се подава сигнал към командна зала. Друга следена характеристика е броят на работните часове на помпата, както и броят на пусковете. Съвременните помпени системи са оборудвани с измервател на броя на работните часове, както и брояч на пусковете на помпите, като по този начин се редува работата им и се избягва задръстването на машините при продължителен престой.
Повечето помпени производители залагат на специални релета за следене на различни параметри на помпата. Сред тях са наличие на вода в маслената камера, на влага в намотките на двигателя, следене на изолацията на намотките на двигателя, мониториране на температурите на лагерите на помпата и на намотките на двигателя и т.н. Използването на специализирани релета има за цел да предпази, респективно да удължи живота на различните компоненти на скъпоструващите големи и скъпи потопяеми помпи за отпадни води.
Друга много важна характеристика за помпите е дебитът. Обикновено, той се измерва по косвен начин, т.е. в зависимост от времето, необходимо за напълване на басейн. Чрез специални софтуерни пакети се изчисляват входящият и изходящ дебити. Тази информация е полезна и при анализ на общите разходи на системите и определянето на ефективността им.

Дистанционно управление и контрол
Автоматизираните системи за мониторинг и контрол на помпените системи съхраняват и обработват събраните данни. Сред изискванията към тях са да бъдат автономни и да съхраняват надеждно информацията, включително при прекъсване на електрическото захранване, в случай на наводнение и т.н.
Известно е, че помпените системи за отпадни води са проектирани да приемат допълнителни (аварийни) дебити. Въпреки това, те не могат да избегнат преливането в случаи на бедствия. По тази причина съвременните системи за управление на помпите дават възможност за дистанционното им управление и мониторинг. Използваните първоначално визуални и звукови аларми извън помпените станции са се превърнали в сложни и децентрализирани системи за дистанционно управление. Те се базират на компютърни системи, контролиращи процесите в помпените станции. Контролните блокове работят като телеметрични изходи и са свързани с централен компютър със специален достъп до данните и софтуера. Основна роля в подобни системи играе преносната среда. Връзката би могла да се осъществи по един от следните начини - публичната телефонна мрежа, GSM модем, локални мрежи, радиомодем, фиксирани мрежи - наети линии, интернет, както и посредством комбинация от някои от изброените методи. За момента най-широко се използват телефонната и GSM мрежата.
Днес сервизните инженери имат възможността да получават SMS съобщения за авария, както и да управляват дистанционно помпените системи през мобилните си телефони и компютри. На фигурата 14 по-долу е показан в схематичен вид начинът на комуникация при най-новите схеми за мониторинг и управление на потопяемите помпи за отпадни води. Съвременните системи предават данните според йерархични нива на достъп, до оторизирани потребители.

Специфики на големи помпени системи за отпадни води
Конструкция: Потопяемите помпи за отпадни води са канални (едно-, дву-, три- и четириканални) със свободен проход по-голям от 100 мм. и дебити надхвърлящи 15 л/с.
Система: Системите обхващат голям брой помпи, резервирани в случай на авария. Резервоарите обикновено са с големи обеми и различни допълнителни елементи - гасители на налягане, спиратели на пясък, утаители и т.н. Тръбопроводите имат големи размери за намаляване на напора и оптимизиране на загубите.
Материали: Използват се различни варианти на чугунени, стоманени и високолегирани стоманени помпи. Уплътненията обикновено са стандартни гумени, от Нитрил и др.
Управление: За разлика от малките системи, използваните в областта на индустрията разполагат с многофункционална автоматизирани решения, включително Интернет и WEB базирани. Сред поддържаната функционалност са всички видове защити за предотвратяване на хидравличен удар, блокиране на помпата, претоварване на двигателя и т.н. При тези скъпи системи е икономически обосновано използването на оптимизационни пакети за анализ на общите разходи и мониторинг на необходимите за този анализ параметри.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top