Регулиране на помпи с постоянна и променлива честота на въртене

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2010

Закони на подобие и универсални характеристики при регулирането на помпи

   Характеристиките на турбопомпите (центробежни и осови) са пряко свързани с честотата на въртене. Законите на подобие изразяват връзката между параметрите дебит Q, напор H, консумирана мощност P и честота на въртене n. Доказва се, че за две честоти на въртене са в сила зависимостите: Q1/Q2 = n1/n2; H1/H2 = (n1/n2)2; P1/P2 = (n1/n2)3. Следователно дебитът е правопропорционален на честотата - Q ~ n,  напорът е пропорционален на квадрата на честотата - H ~ n2; а мощността е пропорционална на третата степен на честотата - P ~ n3.
Чрез използване на описаните формули лесно се преизчисляват работните характеристики на дадена турбопомпа при работата й с честота, различна от номиналната. Строго погледнато, формулите са валидни, в случай че честотата на въртене не се променя с повече от 20 – 30%. Работните характеристики като функция на честотата на въртене се определят опитно и се задават в т. нар. универсална характеристика. Тя представя изчерпателно възможностите и качествата на помпата при различни честоти.
Примерна работна характеристика е показана на фиг. 1. За по-голямо удобство, коефициентите на полезно действие обикновено се изобразяват чрез линиите на постоянен КПД (т.нар. изолинии), които свързват точки с еднаква ефективност, но с различни честоти на въртене (черните линии).
Регулиране чрез изменение на честотата на въртене
Посочените закони дават връзката между изменението на характеристиките на помпите при промяна на честотата. За да се определят подаваните дебити, е необходимо да се знаят хидравличните характеристики на всяка конкретна система, в която са включени помпите. Въпросът бе разгледан подробно в първите две части на статията. Точката на действие, която определя дебита, представлява пресечна точка на линията на системата HS  (наричана още характеристична линия) и напорната характеристика Q-H на помпата. Чрез промяна в честотата на въртене на помпата се осъществява изменение на характеристиките й, следователно и на точката й на действие, а следователно и на дебита.
На фиг. 1 са показани точките на действие на две различни системи с характеристични линии HS1 и HS2. Ако например честотата на въртене намалява, Q-H характеристиката е разположена по-ниско, работната точка е изместена наляво и дебитът намалява. При увеличаване на честотата на въртене характеристиката Q-H се разполага по-високо и дебитът нараства.
В системата с характеристична линия HS1 съществуват само хидравлични загуби, докато в системата с характеристика HS2 преобладава статичният напор. Това води до съществени разлики в качеството на регулиране.

В система само с хидравлични загуби
(линия HS1), при изменение на честотата на въртене, работната точка се движи по линията на системата. Тя е много близка до изолиния на КПД и следователно, в случай че е избрана правилно помпата ще работи с висок и сравнително постоянен КПД при различни дебити.
В този случай, законите на подобие могат да се използват директно за определяне на параметрите на помпата при промяна на честотата, например, ако честотата на въртене се намали с 50%, с толкова ще се ограничи и дебитът, а консумираната мощност ще е равна само на 12.5% от изходната. Съществуват основания да се каже, че за системи с преобладаващи хидравлични загуби (такива са например циркулационните системи) това е идеалният метод за регулиране.

В система със статичен напор
(линия HS2), характеристиката на системата не започва от координатното начало, а е изместена по вертикала със стойност, отговаряща на статичния напор - (фиг. 1). В резултат на това, линията на системата не следва някоя от изолиниите на КПД, а ги пресича. Дебитът вече не е правопропорционален на честотата на въртене - дори и малки изменения в честотата биха могли да доведат до значително намаление на дебита и КПД. В този случай, директното използване на законите на подобие за оценка на параметрите на помпата при изменение на честотата на въртене е допустимо, но следва да се има предвид, че получените резултати са само ориентировъчни, с голяма вероятност от сериозна грешка.
Както се вижда от фиг. 1, работната точка при намаляване на честотата се измества нагоре по Q-H характеристиката. Възможно е тя да попадне в зона, в която не се препоръчва продължителна работа, поради опасност от повреди, независимо от редуцираната честота. При най-ниската от трите показани на илюстрацията честоти (1180 min-1), помпата не може да създаде достатъчен напор, за да подаде течност в системата, дебитът и КПД са нула, а консумираната енергия се превръща в топлина и температурата на водата би се увеличила. Спадът на КПД на помпата при ограничаване на честотата на въртене, в системите със статичен напор, намалява и възможната икономия на енергия от този начин на регулиране. Обикновено по-изгодно е помпата да се подбере така, че работната точка при номинална честота на въртене да се намира в дясно от оптималния режим (съответстващ на максималния КПД). По този начин, при намаляване на честотата на въртене, ефективността на помпата първо ще нараства, а след това ще започне да намалява. Това може да разшири полезния диапазон за работа с променлива честота в системи със статичен напор. При помпите с голяма мощност трябва да се обърне сериозно внимание на техническата документация и ако е нужно да се направи консултация с производителя, за да се установи безопасният диапазон на работа с понижена честота.
На фиг. 2 е показано изменението на мощността като функция на дебита за произволна система. Тъй като полезната мощност, отдадена на течността, е произведение на дебита и напора, то консумираната мощност е пропорционална на оцветената площ на съответния правоъгълник с връх точката на действие. За точно определяне на мощността трябва да се познава и КПД на помпата в различните точки на действие.
Изменението на мощността зависи от характеристиката на системата, в която е включена помпата. Основният фактор представлява съотношение между номиналния напор Hn при номинална честота на въртене (напорът, съответстващ на режима с максимален КПД, или т.нар. best efficiency point) и статичния напор Hstat на инсталацията. Разглеждат се три различни типа инсталации:
l Hstat=0 - система само с хидравлични загуби;
l Hstat=0,85 - типична водоснабдителна система, в която доминира геодезичният напор;
l Hstat=0,5 - междинен случай.
Графиката от фиг. 3 показва, че за да се получи едно и също ограничаване на дебита от Qn на Qr, необходимото понижение на честотата на въртене е различно, в зависимост от типа на системата. Това обяснява различните криви на мощността като функция на дебита, както е видно от долната графика. Най-значителна е редукцията на честотата в системата само с хидравлични загуби. Видно е, че колкото по-голямо е намаляването на честотата на въртене, толкова по-голяма е редукцията на мощността. Най-горната крива на мощността се отнася за случая с постоянна честота (например регулиране чрез дроселиране). Очевидно, най-благоприятен е вариантът на система само с хидравлични загуби, в която намаляването на честотата и мощността е най-голямо. Ефектът се подсилва и от това, че КПД на помпата остава висок в различните точки на действие.

Ефективност на методите за регулиране
Най-популярните и широко използвани методи за регулиране на дебита на турбопомпи са:
- дроселно регулиране;
- регулиране чрез байпасиране;
- регулиране чрез включване/изключване и
- задвижване с променлива честота на въртене (variable speed drive).
Първите три метода вече бяха разгледани на страниците на сп. Инженеринг ревю. Относителната мощност, консумирана при различните методи, може да се оцени, както вече бе коментирано, от площта между координатните оси Q и H, и точката на действие P = QH (формулата се отнася само за полезната мощност).
В следващия пример, илюстриран на фиг. 4, се изчислява относителната полезната мощност за дебит 70% от номиналния, по четирите метода на регулиране в една примерна система със среден статичен напор. Мощността при нормална честота на въртене е приета за равна на 100%.
При дроселното регулиране дебитът се намалява чрез увеличаване на хидравличното съпротивление, чрез използването на регулираща арматура. В примера работната точка се измества от (Q=10, H=10) в (Q=7, H=12,7), като относителната мощност е P=7.12,7 = 89 %.
Байпасното регулиране се използва сравнително рядко, основно при циркулационни помпи. Постъпващият в системата дебит се намалява чрез връщане на част от течността в смукателната страна, при което дебитът на помпата нараства, в случая от 10 на 12,4, а напорът намалява от 10 на 6,6. Относителната консумирана мощност е P = 12,4.6,6 = 82 %.
Регулирането чрез включване/изключване се използва в системи с акумулиращ обем (напорен резервоар или съд под налягане). Налягането или напорът в системата се поддържа между две предварително зададени стойности. Ако се приеме, че помпата работи 70% от времето, то относителната консумирана мощност е P = 0,7.100 = 70 %.
Регулирането чрез промяна на честотата на въртене в повечето случаи е икономически най-ефективно. Ако обобщим всичко казано до момента, то при този метод на регулиране няма допълнителни загуби на енергия; дебитът на помпата е точно равен на консумирания в системата, за разлика от байпасното регулиране; в системи с нулев или относително малък статичен напор КПД на помпата се запазва висок в широк диапазон на регулиране. В разглеждания пример намалява както дебитът от 10 на 7, така и напорът от 10 на 6,4. Относителната консумирана мощност е P = 7.6,4 = 45 %.
В разгледания пример изчисленията са направени само за един дебит - 70% от номиналния, но в действителност относителната консумирана мощност при различните методи на регулиране зависи от дебита. Тази зависимост е показана на фиг. 5. При построяването на зависимостите са взети под внимание КПД на помпата и на двигателя.

Задвижвания с променлива честота на въртене
Съществуват различни видове първични двигатели, които могат да се използват за задвижване на помпи (например ДВГ, парни и газови турбини и др.), но болшинството от тях се задвижват с електрически двигатели. В групата на електродвигателите съществува голямо разнообразие. Видът на електродвигателя за всяко конкретно приложение зависи от честотата на въртене, мощността и наличното електрозахранване, а конструкцията се определя от условията на околната среда и начина за охлаждане.
Честотата на въртене на всеки двигател може да се променя по механичен път - с ремъчна предавка, скоростна кутия, различни видове вариатори и др. Могат да се използват и хидравлични устройства - хидростатични и хидродинамични предаватели, или електромагнитни, но безспорно най-масово приложение намират изцяло електрическите задвижвания с променлива честота.
Постояннотоковите двигатели представляват машини с променлива честота на въртене, но приложението им е ограничено. Трифазният асинхронен (наричан още индукционен) двигател е "работният кон" на съвременната индустрия, което се дължи на неговата елементарна конструкция, компактност, надеждност и ниска цена. Монофазните двигатели са по-сложни и приложението им е ограничено в областта на малките мощности.
Основно техническо решение, използвано за регулиране честотата на въртене по електрически път, включва промяна на честотата на захранващото променливо напрежение, посредством т. нар. честотни преобразователи (инвертори). Честотно управляемите задвижвания към настоящия момент се развиват и внедряват много интензивно.

За смисъла на термина честотно регулиране
Тук е мястото да се направи едно важно уточнение. По отношение на помпите терминът “честотно регулиране” има двойно значение и употреба. В по-широк смисъл терминът “честотно регулиране” има смисъла на “регулиране чрез изменение на честотата на въртене”, без да се обръща внимание на конкретната техническа реализация. В тесен смисъл “честотно регулиране” се отнася за вече споменатия основен начин за изменение честотата на въртене посредством промяна честотата на тока.
Чрез задвижване с честотен инвертор е възможно регулиране на скоростта, въртящия момент, посоката, пуска и спирането на стандартните асинхронни или синхронни променливотокови двигатели. Основни предимства на това регулиране са: значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможността за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност. Честотният преобразувател променя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение. По този начин се осигурява необходимият момент на вала на двигателя, без да се стига до прегряване и се разкрива допълнителна възможност за икономии на енергия.
Повечето от съществуващите помпени системи (от порядъка на 70%) са преоразмерени от проектантите поне с 20%. Това разкрива отлични възможности за ретрофит (модернизация) с честотни инвертори, за да се изравни възможно най-точно дебитът на помпите с действителните нужди в системата. В такива случаи е много важно да се съгласуват електрическите характеристики на двигателя и инвертора. По-старите инвертори създават значителни хармонични изкривявания, което води до допълнително загряване на намотките на електродвигателя. Най-евтиният и благоприятен вариант включва използването на честотен инвертор, пригоден за директен монтаж върху стандартен двигател, без никаква допълнителна преработка на корпуса.
Съществува сериозно предлагане на двигатели и помпени агрегати с интегриран честотен преобразувател с мощности до около 25 kW. Сред предимствата на този вариант са, че двигателят и инверторът са съгласувани в оптимална степен; намалени са разходите за инсталация; няма допълнителни кабели; инверторът използва охладителната система на двигателя; по-добрата съвместимост между компонентите намалява шума и вибрациите и много други.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top