Многостъпални центробежни помпи

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2010

Многостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпиМногостъпални центробежни помпи

Съвременни ефективни методи за управление на помпите

   Основен момент при избора на центробежна помпа за дадено приложение е работната точка да се избере в областта с най-висок коефициент на полезно действие (КПД) - фиг. 1. Това би гарантирало малка консумация на електроенергия и необходимост от по-ниска инсталирана мощност. В някои случаи, обаче, е трудно да се избере помпата така, че да покрива всички възможни работни точки – поради изменение на системните характеристики. Необходимо е изменение (управление) на параметрите на помпата, което обикновено се постига по един от следните методи: дроселиране, използване на байпас, промяна на диаметъра на работните колела, контрол на оборотите на двигателя. Изборът на метод се определя от анализ на първоначалните и оперативните разходи на помпата. Всички методи, с изключение на промяната на диаметъра на работното колело, могат да се приложат и по време на работа на помпата. Много често в практиката помпите се преоразмеряват, предвиждат се за по-голям напор и дебит, което в последствие води до необходимост от напасването им към съществуващите инсталации.

Управление чрез дроселиране и байпас
При управление на параметрите на помпата чрез дроселиране, в системата след помпата се монтира дроселен клапан (фиг. 2). При затваряне на клапана се увеличава системното съпротивление и съответно през системата протича по-малък дебит.
Дроселният клапан може да се използва също и за ограничаване на дебита в системите. Дори и при пълно отсъствие на консуматори (съпротивление) в системата, максималният дебит е ограничен до Q3 (фиг. 2). Ако помпата се подмени с такава, която дава дебит Q3 и по-нисък напор, то тя ще консумира по-малко енергия. Освен чрез монтирането на дроселен клапан след помпата, за управление на работата на системата може да се използва байпасен клапан, монтиран паралелно с помпата (фиг. 3). В сравнение с използването на дроселен клапан, байпасният осигурява минимален дебит през помпата, дори и при ниска консумация от системата, като в същото време се ограничава и максималният напор. Характерна особеност както за дроселирането, така и за байпасирането е, че по-добра ефективност може да се постигне при подмяна на помпата с по-малък модел.

Промяна диаметъра на работното колело
Друг метод за регулиране на работата на една центробежна помпа е промяна на диаметъра на работното колело. Очевидно е, че това не може да се случи по време на работа на помпата. Връзката между диаметъра на работното колело и напорът, дебитът, мощността и КПД на помпата може да се опише с израза: Qn/Qx = (Dn/Dx)2: Hn/Hx = (Dn/Dx)2: Pn/Px = (Dn/Dx)4: hn/hx = 1.
Добре е да се има предвид и промяната на КПД на работното колело, която при ограничението Dx>0,8 x Dn е практически минимална.
Както се вижда от израза по-горе, промяната на напора и дебита е в квадратична зависимост от тази на диаметъра на работното колело и лежи на правата 0 - Dn (фиг. 4). Промяната на мощността е от четвърта степен, което показва, че използваната енергия е значително по-малка.

Управление на оборотите на помпата
Съвременен метод за управление на работата на помпите е чрез променливи обороти на двигателя. Управлението на оборотите на двигателя с помощта на честотен регулатор (електронно управление) се приема за много ефективен метод. Изменението на параметрите на една центробежна помпа при промяна на оборотите на задвижващия я двигател може да се опише с израза: Qn/Qx = nn/nx: Hn/Hx = (nn/nx)2: Pn/Px = (nn/nx)4: hn/hx = 1.
Тези закони на подобие са в сила при положение, че системните характеристики и КПД на помпата остават непроменени в двете работни точки (фиг. 5). От формулата е видно, че дебитът се променя пропорционално на оборотите, промяната в напора е в квадратична зависимост, а мощността в кубична. На практика при промяна на оборотите се променя и КПД на помпата. При необходимост от точно определяне на количеството спестена енергия е добре да се вземат предвид и КПД на двигателя и на честотния преобразувател.

Електронно управление на помпи
Голяма част от центробежните помпи са оборудвани с асинхронен електрически двигател. За модерен и ефективен начин на управление на асинхронен двигател се счита промяната на честотата на захранващото напрежение, която се реализира с помощта на честотен преобразувател. Подобно управление на оборотите е познато като честотно управление или електронно управление.
Типични примери за електронно управление на центробежни помпи са:
Управление по постоянно налягане. Пример за подобно управление е показан на фиг. 6. Примерът илюстрира водоснабдяването на сграда, в която чрез помпа се доставя вода от междинен резервоар, разположен в мазето. Поради различната консумация и с цел осигуряване на по-комфортната и енергоспестяваща работа на помпата, се избира режим на постоянно налягане. Основните компоненти в системата са: помпа, сензор за налягане, ПИ регулатор и честотен контролер. ПИ регулаторът сравнява зададената (референтна) стойност с реално измерената от сензора стойност. При разлика между тях той подава съответните команди на честотния регулатор, който променя оборотите така, че да се постигне зададената референтна стойност на налягането, т.е. постоянно налягане.
Управление по постоянна температура. Електронното управление намира много приложения в различни индустриални процеси, например, при охлаждане на леярски форми. Подобен пример е илюстриран на фиг. 7. За да се спази технологията леярската форма, трябва да се охлади до 20 °С. Това се постига с помощта на охлаждаща течност, която циркулира между охладителния агрегат и леярската форма. Течността се охлажда до 15 °С и с помощта на помпа се транспортира до леярската форма, където отдава студ, вследствие на което повишава температурата си.
Температурата на връщащата се течност се измерва от температурен сензор и ПИ регулаторът я сравнява с тази на зададената стойност. При разлики той подава сигнал към честотния регулатор да регулира съответно оборотите на помпата, за да поддържа постоянна температура на изхода от леярската форма.
Управление по постоянно диференциално налягане. Счита се, че циркулационните (затворените) системи реагират много добре на електронно управление. Например, нека разгледаме циркулационна отоплителна помпа в затворена система. Управлението на помпата се реализира с помощта на сензор за диференциално налягане (фиг. 8). Системата включва следните елементи: топлообменник за загряване на течността, помпа, сензор за диференциално налягане и консуматори, в случая радиатори с кранове за управление. Помпата се управлява по постоянната разлика на налягането между входа и изхода й, т.е. при каквато и да е промяна на консумацията, помпата ще подава едно и също диференциално налягане.
Както се вижда от разгледаните до момента примери, принципното устройство на помпите с електронно управление е едно и също. Разлика има само в измервания параметър (сензор).

Устройство на честотните регулатори
Основна задача на честотните регулатори е да преобразуват постоянните входни напрежение и честота в променливи изходни напрежение и честота. Както се вижда от фигура 9, честотният регулатор се състои от следните основни блокове: ЕМС филтър, който не е задължителна част от честотния регулатор, изправител, междинен постояннотоков блок, преобразувател и управляващ блок. Входното напрежение от захранващата мрежа преминава през изправител и преобразуваното като постояннотоково напрежение се съхранява в кондензаторен блок. В зависимост от управляващия блок, това напрежение се преобразува отново в променливотоково, но с различна честота и амплитуда. Обикновено честотните преобразуватели работят на 50 и на 60 Hz. Изходящата честота е различна и независима от входящата. Честотният преобразувател може да подава изходяща честота, по-голяма от входящата, т.е. надсинхронни обороти на двигателя са постижими.

Изходната честота от честотния регулатор не е синусоидална
Напрежението, подавано към двигателя, се състои от много правоъгълни импулси, които моделират напрежението с желаната честота и амплитуда (фиг. 10).
Принципът на работа на честотния регулатор е импулсна модулация. Токът, подаван към двигателя, е почти синусоидален. На фигура 11 са показани токът и напрежението след честотния регулатор.
Недостатъците при работа с честотен регулатор се свеждат до наличието на пикове на тока, които са до 50% по-големи, хармониците на напрежение, които могат да смущават работата на другите стандартни уреди в системата и необходимостта от изолирани лагери при големите електродвигатели.

Приложение на многостъпални центробежни помпи
Поради своята сравнително ниска цена и масово производство, центробежните помпи са сред най-често използваният тип помпи в момента. Наличието на ограничения в размерите и формата на центробежните колела, обаче, както и даваните от центробежните помпи хидравлични параметри - напор и дебит, налага използването на многостъпални помпи. Многостъпалната центробежна помпа представлява последователно съединени работни колела, които обикновено са идентични. Изходящата течност от предшестващото колело се отвежда към входа на следващото колело.
За да се осигурят добри характеристики на помпата, е необходимо много плътно съединяване на стъпалата, с което да се предотврати наличието на утечки и загуба на ефективност на помпата. Добре е да се има предвид, че разлика от 0,1 мм при сглобяване на междинните стъпала, намалява КПД на помпата с от 3 до 5%.
Известно е, че напорът на една центробежна помпа може да се определи като сума от напорите на отделните стъпала на помпата. Това обяснява сравнително големия напор, осигуряван от многостъпалните помпи, което предопределя широкото им приложение в почти всички сфери на индустрията, водоснабдяването и пожарогасителните системи.

Използват се четири схеми на водоснабдяване
При изграждане на системите за водоснабдяване основно се използват следните четири схеми:
l Директно водоснабяване. Водата от захранващия тръбопровод се подава директно от помпата към сградата или консуматора.
l Водоснабдяване с междинен резервоар. Водата от захранващия водопровод постъпва в междинен резервоар, от който помпата засмуква вода и я подава към консуматорите.
l Водоснабдяване с резервоар на покрива. Помпата засмуква вода от захранващия тръбопровод и я подава към резервоар, разположен върху покрива на сградата. Оттам по гравитачен път или принудително, посредством помпа, водата се подава към консуматорите.
l Зоново водоснабдяване. Използва се предимно при високи и големи сгради. Посредством няколко помпи се засмуква вода от захранващия водопровод и се подава необходимото количество към отделни зони на сградата.
Независимо от използваната схема на водоснабдяване, преди да се пристъпи към избор на помпа е добре да се определи максималната консумация на вода, профилът на консумация, типът на системата, необходимото (максимално) налягане, необходимата помпа (система) за водоснабдяване, аксесоарите на помпата (системата). Определянето на максималния дебит при едно- и двуфамилни къщи е сравнително лесна задача и зависи от броя и вида на консуматорите. При определяне на максималния дебит на големи сгради, в повечето случаи, се използват емпирични зависимости.

Определяне профила на консумация
Както е добре известно, профилът на консумация представлява промяна в консумацията на вода във времето - както в рамките на деня, така и през различните сезони. Например в хотелски сгради най-голяма консумация на вода се наблюдава сутрин, което се обяснява с увеличената консумация от страна на гостите на хотела, както и с извършването на всички сервизни дейности. Пик в потреблението на вода се наблюдава и вечер, когато гостите се прибират в хотела.
Профилът на консумация е сред основните фактори, определящи избора на тип и брой помпи в една система за водоснабдяване. На базата на този профил се построява профил на натоварването на системата за водоснабдяване, от който се определя колко часа на ден и какъв дебит за водоснабдяване е необходим.
Типът на системата за водоснабдяване се определя в зависимост от специфичните изисквания по отношение на водоснабдяването, местните закони и решението на проектанта. В зависимост от избора на типа водоснабдителна система, в последствие се определя изборът на помпи или системи.

Определяне на налягането и типа на помпата
Налягането на помпите за водоснабдяване се изчислява като се съобрази разположението на помпите, височината на сградите, дължината на тръбопроводите и други параметри.
След определянето на основните входни параметри, необходими за избора на помпа и/или система, следва да се определи броят на помпите. При съвременните системи почти се изключва вариантът от използването само на една помпа за водоснабдяване. Вариантите за брой помпи варират от 2 до нормално 6 броя. Броят им, също така, зависи и от броя на зоните и броя на резервните помпи.

Електронни помпи в областта на водоснабдяването
Съвременно решение за водоснабдяване е използването на електронно регулирани помпи. По този начин се осигурява комфорт, избягва се появата на хидравлични удари и се осигурява енергоспестяваща система за водоснабдяване.
Например, ако в хотелска сграда със зоново водоснабдяване и консумация на ден от порядъка на 200 куб.м/ч, старите помпи за водоснабдяване се подменят с нови системи с електронно регулиране, може да се отчете икономически ефект от спестена електроенергия от порядъка на 50 000 евро/годишно. По този начин новата инвестиция може се изплати за период от време в рамките на 1 - 2 години.
Всички помпи или системи се нуждаят от различни аксесоари като: пресостати, сензори за ниво в резервоара, сензори за налягане (при електронни системи), защити от работа на сухо на помпата и от претоварване на двигателя и т.н.

Помпи в пожарогасител-ните инсталации
Най–често използваните системи за пожарогасене са спринклерните, включващи тръбна разводка, която обхожда цялата площ за пожарогасене. Периодично, през изчислени разстояния, се разполагат спринклери, които в зависимост от класа им се чупят при определена температура и освобождават налягането на тръбите. За поддържане на тръбите под налягане се използва т.нар. жокей помпа (многостъпална центробежна помпа), която поддържа постоянно налягане в тръбите с помощта на пресостат. При рязко понижение на налягането, например вследствие на пожар, жокей помпата се включва, но тъй като падът на налягане е голям и помпата не успява да го компенсира, то към таблото за управление на пожарогасителната система се подава сигнал за пожар. Този сигнал обикновено се дублира поне с още един сигнал – електрически или пневматичен, а е възможно и двойно резервиране. При сигнал за пожар се включват основните помпи за пожарогасене, които подават голям дебит и налягане в тръбите. Това водно количество се разпръсква само през счупените спринклери, поради което се осъществява локално гасене на пожара в зоните, в които те се намират.

Приложение в индустриални системи
Центробежните помпи са широко застъпени в повечето индустриални процеси - и в основните, и в спомагателните. Те намират широко приложение като помпи за водоснабдяване с чиста вода, за филтриране, ултрафилтриране, нанофилтриране, обратна осмоза, пренос на вода за ултравиолетово третиране и др., като процесни и преносни помпи за производство на горива, растителни масла, биогорива и биоетанол, като процесни помпи във фармацевтичната и козметичната индустрии, в химическата индустрия при производството на химически вещества и изкуствени торове, в хранително-вкусовата и пивоварната индустрия. Широко използвани са и в системите за отопление и климатизация, както и в охладителните системи. Намират приложение и в мини, кариери и др.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top