Регулиране на помпи

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2010

Предимства, принципи и приложение на честотното регулиране

    В настоящия брой на сп. Инженеринг ревю публикуваме последната част от цикъла статии, посветени на методите за регулиране на дебита на различните видове помпи. Сред разгледаните досега са методите за регулиране чрез дроселиране, байпасиране, чрез завъртане на лопатките на работното колело, регулирането посредством лопатъчен входящ направляващ апарат, регулиране чрез включване/изключване, както и регулирането на дебита чрез работа на няколко помпи, работещи в паралел. В тази последна част ще представим предимствата, принципите и приложението на честотното регулиране.

Предимства на честотното регулиране
Сред често посочваните предимства от използването на честотното регулиране са:
По-ниски експлоатационни разходи (life cycle costs, LCC). Анализът на LCC е общоприет метод за изчисляване на разходите по една система за целия й експлоатационен срок. В интерес на проектанта и ръководителя е да се определи LCC на различни възможни решения, преди да се направи окончателният избор за инсталиране на изцяло ново оборудване или провеждане на капитален ремонт. Анализът ще даде възможност да се определят финансово най-изгодните алтернативи. Трите главни съставляващи на LCC са разходите за енергия, за поддръжка и началната инвестиция. Много анализи показват, че консумираната енергия е доминиращият елемент на LCC и може да достигне до 90%, особено ако помпите работят повече от 2000 часа годишно. Относно инвестиционните разходи за необходимото оборудване (двигател, инвертор и помпа) се оказва, че те са относително ниски, отнесени към общата стойност на LCC. Активното управление посредством честотното регулиране играе ролята и на профилактика, ограничавайки многократно разходите за поддръжка.
Икономии на енергия. Голямата ефективност на честотното регулиране бе подробно коментирана в предишния брой на сп. Инженеринг ревю. Опитът показва, че в много системи с центробежни помпи, внедряването на честотно регулиране може да доведе до икономически ефект между 30% и 50%.

Много ефективен плавен старт.
Редуциране на ефектите от хидравличен удар. Известно е, че хидравличният удар се предизвиква от бързото изменение на дебита, което води до съществени колебания на налягането. Тези колебания могат да предизвикат аварии в тръбопроводната система и арматурата. Чрез честотното управление се осъществява регулируемо ускорение или забавяне на течението, за да се поддържа хидравличният удар в безопасни граници.
Намалява се риска от кавитация в помпата. Добре известно е, че кавитацията е явление, възникващо когато статичното налягане се понижи до стойности, по-ниски от това на налягането на наситените пари. В резултат се създават условия за започване на кипене на течността, последвано от кондензация на въздушните мехурчетата. Това е съпроводено с възникване на значителни ударни натоварвания и износване на обтичаните повърхности. Използването на честотни регулатори дава възможност да се следи налягането в смукателния тръбопровод и своевременно да се предприемат стъпки (например намаляване на дебита), при наличие на сериозна опасност от възникване на кавитация.
Увеличава се надеждността. Всяко намаление на честотата на въртене, постигнато с честотното регулиране, допринася значително за намаляване на износването, особено на лагерите и уплътненията. Установено е, че тяхното износване зависи от седмата степен на скоростта.
Намаляват се шумът и вибрациите. При използването на честотно регулиране не е нужно помпата да работи продължително с фиксирана честота, което може да причини възникване на резонансни явления в тръбопроводите. Въвеждането на честотно регулиране дава голяма гъвкавост при проектирането и експлоатацията на инсталацията. Много често е трудно да се оценят предварително системните параметри и това налага презастраховане с по-големи граници на възможните изменения. Това може да доведе до допълнителни загуби, ако необходимите дебит и напор се окажат по-ниски от приетите. Проблемите с преоразмеряването могат да се решат много лесно с понижаване на честотата на въртене.
Подобрява се управлението на процесите. Чрез точно съгласуване на дебита и напора с изискванията на консуматора, малките колебания могат да се коригират много бързо.
Разумна цена. През последните 10 години се наблюдава сериозно развитие на честотните преобразуватели, което допринесе за значително намаляване на тяхната себестойност. Понякога може да се окаже, че от икономическа гледна точка е по-целесъобразно инсталирането на инвертор вместо регулираща арматура със съответната система за управление.
Лесна комуникация. Честотните задвижвания, поради високото ниво на стандартизация и унификация, се интегрират безпроблемно в произволна автоматизирана система и позволяват дистанционно наблюдение, конфигурация, диагностика, а ако е нужно и управление през Интернет.

Регулиране на постоянно налягане
Едно от възможните приложения на честотното регулиране е регулиране по налягане. Базовата помпена станция с регулиране по налягане се състои от една честотно управлявана помпа и сензор, който следи налягането на изхода от помпата и изпраща сигнал към честотния регулатор. Честотата на въртене, а от това и дебитът, се изменя (увеличава или намалява), като налягането се поддържа постоянно. Този начин на управление е общоприет във водоснабдителните системи, където се изисква постоянно налягане, но консумацията е променлива и зависи от броя на потребителите във всеки един момент. Промяната на дебита при постоянно налягане е характерна и за системите за централизирано охлаждане, напоителните системи и др. На фиг. 1 е показана компановка на типична помпа за водоснабдяване със сензор за налягане.
Ако изменението на консумацията е в широки граници, например от 5 към 1 до 2 към 1, и характеристичната линия на системата е плоска, т. е. преобладава статичният напор, за икономически изгодно се счита използването на повече от една помпа с паралелно включване. Това съществено подобрява ефективността при малка консумация. Особеностите на паралелната работа вече бяха разгледани в една от предходните статии, посветени на регулирането на помпи. За да се осигури еднакво време за работа, се използва система за последователност, с която да се гарантира включване на помпите в зависимост от нуждите и автоматично се осигурява циклична смяна на работещите помпи.
Няколко паралелно работещи помпи могат да се управляват с едно честотно задвижване, контролиращо една от помпите (master pump) и контактори, включващи и изключващи другите помпи с фиксирана честота (slave pumps) - фиг. 2.
В редица приложения е необходимо да се гарантира работа на помпената станция дори при авария на помпа, двигател или задвижване, макар и с намалена производителност. В подобни случаи всяка една помпа се управлява от отделно честотно задвижване. Отделните задвижвания могат да си обменят информация за статуса на устройствата, приоритета, времето за работа и т. н.
Освен регулирането на постоянно налягане, в практиката се използва и регулиране на постоянна температура. Регулирането на постоянна температура принципно е сходно с регулирането на постоянно налягане. Разликата е, че в случая се следи и поддържа предварително избрана стойност не на налягането, а на температурата на флуида. Съответно, вместо сензор за налягане се използва сензор за температура.
Регулиране по диференциално налягане
При регулирането по диференциално налягане чрез сензор се следи разликата в наляганията между изхода и входа на помпата - фиг. 3. При изменение на консумацията (дебита) честотата на въртене също се изменя, като се поддържа зададена, най-често постоянна стойност на диференциалното налягане. Тъй като диференциалното налягане на практика е равно на напора на помпата, то работа с постоянно диференциално налягане е всъщност работа на помпата с постоянен напор, независимо от изменението на дебита.
Този начин на регулиране е много подходящ за циркулационни системи, каквито са например системите за централизирано топлоснабдяване, климатизация и БГВ. В подобни системи консуматорите (например радиаторите) се включват обикновено паралелно, между подаващия и връщащия тръбопровод. Работата с постоянно диференциално налягане има няколко съществени предимства. Всеки консуматор може да се регулира и да работи независимо от състоянието на останалите. Редуцираният напор в сравнение с работата при постоянна честота намалява шума, например в термостатните вентили. Особено важно е, че могат да се постигнат значителни икономии на енергия - до 70%.
Принципът на регулиране по диференциално налягане е показан на фиг. 4. При намаляване на консумацията, например чрез притваряне на термостатните вентили, ако честотата на въртене е постоянна, работната точка ще се измества по линията АВ и напорът на помпата ще нараства. В долната графика е показано и съответното изменение на мощността. Ако се поддържа постоянно диференциално налягане, т. е. постоянен напор, работната точка ще се премества по линията АС. Вижда се, че и консумираната мощност при редуциран дебит е много по-малка. В системи със значителни хидравлични съпротивления в тръбопроводите, допълнителни икономии на енергия могат да се постигнат, ако при намаляване на дебита диференциалното налягане също намалява - линия АD. Обикновено се приема линеен или квадратичен характер на изменение. Това е в съответствие с обстоятелството, че при намаляване на дебита се намаляват и хидравличните загуби в тръбопроводите.

Регулиране на постоянен дебит
В някои водоснабдителни, напоителни, охлаждащи, спринклерни и миещи системи се изисква определен дебит, независимо от колебанията в условията на засмукване и нагнетяване. Типични примери за такива смущаващи въздействия са колебанията на нивото в смукателния резервоар и замърсяване на филтрите, което води до повишаване на хидравличните съпротивления в нагнетателната страна. Системите с честотно регулиране са оптималният избор за поддържане на постоянен дебит чрез изменение на честотата на въртене, като се използва управляващ сигнал от дебитомер, най-често монтиран в нагнетателния тръбопровод.
Макар и по-рядко, в отоплителните системи се използват и някои други принципи на регулиране. Например, при регулиране на диференциалното налягане в зависимост от стойността на температурата (например външната), с повишаване на температурата се намалява диференциалното налягане.
Чрез регулиране на диференциалната температура се поддържа постоянна температурна разлика между правия и обратния поток в циркулационната система. По този начин се реализира променлив топлопренос при промяна на външната температура.
Съвременните честотни задвижвания за помпи позволяват избор между различни режими на регулиране и съответните им настройки, което ги прави много гъвкави при употреба. Освен това, често са включени и други функционални възможности.

Изчисляване на дебита
Тази функция, налична в някои честотни задвижвания за помпи, позволява сравнително точно определяне на дебита без използването на отделен разходомер. За целта се използват характеристиките на помпата, въведени в подходящ цифров вид в паметта на контролера. Както е известно, съществува еднозначна връзка между дебит, мощност и честота на въртене. Това позволява определянето на дебита да става по подходящ алгоритъм, без никакви допълнителни външни сензори. По-точни резултати могат да се получат, ако се използва сензор за диференциално налягане, което дава възможност да се ползва и зависимостта между дебита, напора и честотата на въртене.
Функцията за приоритет балансира времето за работа при управление на няколко помпи. Това облекчава планирането на поддръжката. В системи, където консумацията е по-голяма например през деня, задвижването може да се програмира така, че помпи с по-голяма производителност да се включват през деня, а с по-малка - през нощта.

Честотно регулиране на обемни помпи
При обемните помпи (бутални, зъбни, пластинкови, винтови, мембранни и др.), както е известно, дебитът е правопропорционален на честотата на въртене, но налягането (напорът) може да се изменя независимо. Когато помпата подава течност в система с фиксирано хидравлично съпротивление, например затворена циркулационна система, намаляването на дебита намалява напора на втора степен (хидравличните съпротивления са пропорционални на квадрата на скоростта, т. е. на дебита), а мощността на трета степен т. е. 50% дебит резултира в 25% напор и 12,5% мощност. Когато помпата работи с постоянен напор, например подава течност в съд под налягане, мощността и следователно икономиите на енергия ще зависят вече само линейно от честотата на въртене. Обемните помпи могат да работят с голям диапазон на изменение на честотата, достигащ до 10:1. Тъй като са възможни проблеми с мазането и охлаждането, винаги трябва да се имат предвид препоръките на производителя за максималната и минималната честота на въртене за конкретната помпа.

Пусков момент
Принципно, пусковият момент, необходим за задвижване на обемните помпи, е пропорционален на напора (диференциалното налягане между входа и изхода) и не зависи от честотата на въртене. На практика обаче, необходимият момент в диапазона на изменение на честотата може да се променя в зависимост от вида на помпата, използваните материали, работните хлабини и вискозитета на течността. Някои обемни помпи имат висок пусков момент. Това се дължи на различни фактори - сухо триене в момента на стартирането, еластомерните детайли в конструкцията и др. Пусковият момент може да превъзхожда значително номиналния работен и да бъде решаващ фактор при избора и оразмеряването на задвижването.
Като ориентировъчни стойности на пусковия момент за някои видове помпи могат да се посочат, например за бутални/плунжерни помпи - 1,5 от номиналния; за обемни ротационни и мембранни - 2 пъти номиналния; за ексцентършнекови - до четири пъти по-голям от номиналния.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top