Регулиране на помпи

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Регулиране с байпасиране, паралелна работа и завъртане на лопатките на работното колело

    В предишния брой (6/2010) на сп. Инженеринг ревю стартирахме темата за регулиране производителността на помпи. Бяха разгледани два метода - регулиране на дебита чрез изменение на честотата на въртене и регулиране чрез използване на дроселираща арматура. В настоящия брой продължаваме темата с други широко използвани в практиката методи.

Регулирането с байпасиране
се осъществява чрез връщане на част от течността от нагнетателния тръбопровод в смукателната част на системата през допълнителен тръбопровод, наречен байпасен – фиг. 1. Методът е съпроводен с хидравлични загуби в байпасиращата линия. При отваряне на байпасния шибър, хидравличните съпротивления в системата като цяло намаляват, при което дебитът към консуматора намалява, но дебитът на помпата се увеличава. Затова регулирането с байпасиране не е подходящо за помпи с възходяща характеристика на мощността, каквито са, например, центробежните помпи. За помпите с намаляваща консумирана мощност, например за осовите помпи, методът е енергийно по-ефективен от дроселното регулиране. Връщането на част от дебита би могло да се осъществи и директно в смукателния тръбопровод, но по този начин се влошават условията на засмукване. Причината е в повишената турбулентност и неравномерност на течението на входа на помпата.
Фигура 2 илюстрира принципа на регулирането с байпас. На фигурата са показани поотделно характеристиките на системата и на байпасния тръбопровод за определено отваряне. При затворен байпасен тръбопровод работната точка съвпада с точка А от графиката, а помпата подава към консуматора дебит Q. Когато байпасната арматура е отворена до определено положение, общата характеристика на системата (изобразена с прекъсната линия) се получава чрез сумиране на двете линии. За целта, при няколко стойности на напора дебитите се събират, а получените точки се свързват. Следователно, новата работна точка на действие е точка В. Посредством построяване на права през т. В, успоредно на оста Q, от пресечните й точки с линията на системата и на байпасния тръбопровод се отчитат съответно дебитът към консуматора и този, връщан в смукателната страна. Логично, дебитът към консуматора намалява, въпреки увеличения дебит на помпата. Загубената мощност при този метод на регулиране се разсейва във вид на топлина. Резултатът е увеличение на температурата на течността на входа на помпата.

Работещи в паралел помпи
Инсталирането на две или повече помпи, работещи в паралел (фиг. 3), е доказан енергийно ефективен метод, особено в случаите, при които се изисква изменение на дебита в широк интервал. Методът се използва и в системи с голям статичен напор. Типични приложения на паралелното свързване са водоснабдителните и канализационните помпени станции, кондензатните помпи в топлоелектрическите централи и др. Помпите, които се предвижда да работят в паралел, трябва да са внимателно подбрани и съгласувани като работни характеристики - и помежду си, и със системата, в която се включват. Целта е да се гарантира, че те винаги ще работят в препоръчителната част на Q-H характеристиката.
Обикновено в паралел се включват до четири помпи. Счита се, че по-голям брой помпи не е целесъобразен. При паралелна работа помпите преодоляват едно и също диференциално налягане, определяно от системата. По този начин лесно се получава комбинираната характеристика при едновременна паралелна работа на няколко помпи. За целта, при постоянен напор се сумират дебитите на отделните помпи. Пресечната точка на линията на системата с комбинираната характеристика определя общия дебит през системата. Нека се построи права през точка, която е успоредна на оста Q. От пресечните й точки с характеристиките на отделните помпи се определя дебитът, с който помпите работят. Фигура 4 илюстрира посоченото при система с две и три еднакви помпи. Точките А, В и С са съответно работните точки при паралелна работа на една, две или три помпи.

Дебитът не нараства пропорционално на броя на включените помпи
Фиг. 4 визуализира и следната много важна особеност, която не винаги се знае и отчита. В системите с динамичен напор (хидравлични загуби) дебитът не нараства пропорционално на броя на включените помпи, тъй като всяка помпа работи с по-малък дебит в сравнение с характерния при самостоятелната й работа. Причината е във възходящия характер на линията на системата.
От фигурата е видно, че при паралелна работа на три помпи, всяка от тях подава дебит, който е значително по-малък от дебита при самостоятелна работа. Или казано по друг начин, включването на три помпи в паралел няма да утрои подавания дебит. Описаното намаляване на дебита на отделните помпи е толкова по-сериозно, колкото по-голяма е динамичната компонента на напора. В подобни случаи, включването в паралел на следваща помпа води до все по-незначително увеличаване на общия дебит. Затова броят на паралелно работещите помпи се ограничава до три, четири. При наличие само на статичен напор, дебитът ще се изменя правопропорционално на броя работещи помпи, тъй като линията на системата ще е една права, успоредна на оста Q.
Включването в паралел на помпи с различни размери, т. е. с различни характеристики, е напълно възможно и намира практическо приложение. Препоръчително е, обаче, помпите да имат близки стойности на напора при дебит равен на нула. В противен случай, в определени ситуации е възможно възникване на проблеми в работата на системата.
С включване на допълнителна по-маломощна помпа, в съответствие с показаното на фиг. 3, се получават нови комбинации и нови междинни работни точки. Част от тях са илюстрирани на фиг. 5.
При включване на помпи в паралел трябва да се направи предварителен анализ по описания начин, за да се гарантира, че работната точка на всяка от помпите ще остане в препоръчаната от производителя част на работната й характеристика. От фиг. 4 се вижда, че ако се изключат една или две помпи, оставащата работеща помпа(и) ще поддържа значително по-голям дебит, който може да се окаже извън зоната на безкавитационна работа с произтичащите от това експлоатационни проблеми - шум, вибрации, бързо износване и др. Увеличаването на дебита при центробежните помпи е свързано с нарастване на консумираната мощност, което води до опасност от претоварване на задвижващия двигател.

Регулирането чрез завъртане на лопатките на работното колело е ефективен метод, използван за управление на осови и диагонални помпи. При него промяната на положението на лопатките изменя работните характеристики на машината, а с това се променя и работната точка. На всяка ъглова позиция съответстват индивидуални работни характеристики. На фиг. 6 е показана примерна линия на подобна система. Означени са и режимите с максимален КПД (става въпрос за малките отсечки върху характеристиките). Видно е, че при промяна на работната точка, чрез завъртане на лопатките (линията на системата не се променя) КПД остава висок. Освен това, напорът в оптимален режим не се изменя сериозно, което прави метода достатъчно ефективен за регулиране на дебита в системи с плоска характеристика, т. е. постоянни нива на течността и малки хидравлични загуби. Съществуват различни механизми - механични и хидравлични, за задвижване на лопатките в спряно положение.

Подобен на вече разгледания метод е регулиране посредством лопатъчен входящ направляващ апарат
(ВНА). Приложението на метода изисква конструктивно изменение на помпата. Устройството се монтира на входа на работното колело, най-често в осови и диагонални помпи. В неутрално положение то не оказва никакво въздействие върху течението. Ако посредством лопатките на входящия направляващ апарат течението пред работното колело се завърти по посока на въртенето му, напорът намалява. При отклонение на течението в посока, обратна на посоката на въртене на работното колело, напорът расте. По този начин се реализират различни работни характеристики и съответно различни работни точки.
Методът не е толкова ефективен, колкото вече описаното завъртане на лопатките на работното колело, тъй като максималният КПД забележимо намалява при различните положения на ВНА с отдалечaване от неутралното положение.
Ефективно ограничаване на дебита при центробежни помпи, макар и в немного широки граници, би могло да се постигне посредством намаляване на външния диаметър на работното колело. Реализира се чрез подрязване на струг на периферията на работното колело. Очевидно методът е еднократен и тъй като не включва регулиране в пълния смисъл, няма да бъде разгледан в статията.

Регулирането чрез включване/изключване
изисква наличието на акумулиращ обем, т.е. приемен (черпателен) резервоар, напорен резервоар или съд под налягане. Този обем трябва да осигури непрекъснат поток при периодично действие на помпите. Ако помпата е включена, тя работи (или поне би трябвало) в избран неширок диапазон около оптималния й режим. Съответно, когато е изключена, помпата очевидно не консумира енергия. Периодичното включване предизвиква допълнително натоварване на елементите на задвижващата система и увеличено загряване на двигателя. Честотата на работните цикли за час трябва да се съгласува с изискванията и препоръките на производителя.
Системата би могла да се проектира и настрои така, че помпените агрегати да работят преимуществено в часовете на денонощието с най-ниска тарифа на електроенергията. За да се минимизират енергийните разходи, помпите следва да се изберат с възможно най-малкия дебит, който позволява конкретното приложение. Например, работата с два пъти по-малък дебит, но два пъти по продължително време може да намали енергийните разходи с около една четвърт.

Регулиране на обемни помпи
Обемните помпи имат много стръмна (в някои случаи почти вертикална) дебитно-напорна характеристика. Също така, максималният напор (налягане) при тях може да нараства неограничено. Това е причината дроселното регулиране при обемните помпи да е крайно неефективно и потенциално опасно, затова и никога не се използва.
В част от помпите са предвидени конструктивно заложени начини за регулиране на дебита, които са специфични за различните видове машини. Те целят промяна на работния обем, представляващ обема течност за един оборот на задвижващия вал. Такива са, например, регулиране на дължината на хода при буталните помпи или ексцентрицитета при пластинковите и т. н.
По принцип обемните помпи могат да работят в паралел без проблеми. Съществува изискването смукателният и нагнетателният тръбопровод да бъдат коректно оразмерени, за да се избегнат проблеми с появата на кавитация на входа, свръхналягане в нагнетателния тръбопровод и обратно протичане през евентуално изключена помпа. В паралел могат да се включват едновременно различни като вид и размери помпи. При буталните помпи се препоръчва синхронизиране на ходовете, за да се минимизират пулсациите на налягането.
Регулирането чрез байпасиране е възможно, но се използва рядко поради енергийните загуби и износването на регулиращата арматура в байпасната линия. В повечето случаи и при турбопомпите, и при обемните помпи, най-ефективно регулиране на дебита се осъществява чрез промяна на честотата на въртене. Този метод ще бъде разгледан в следващата част от поредицата материали, посветени на методите за регулиране на помпи.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top