Регулиране на помпи
Начало > В и К > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2010
Възможности за оптимизиране работата на помпи с постоянна и променлива честота на въртене
Изследване, проведено по поръчка на Европейската комисия (European Commission SAVE Study on Pumps), показва, че в световен мащаб 22% от електрическата енергия, използвана в електрозадвижвания, се консумира от различните помпени системи в индустрията и комунално-битовия сектор. Анализи свидетелстват, че в някои предприятия този показател надхвърля 50%. На фиг. 1 е показано типичното разпределение на използваната от електродвигателите енергия в едно индустриално предприятие. В изследването се твърди, че делът на турбопомпите (основно центробежните) от цялото количество консумирана енергия е 73%, а на обемните помпи (бутални, зъбни, пластинкови и др.) - 27%. Двата типа машини имат съществено различаващи се характеристики, което обуславя значителни разлики при работата им в помпените уредби, включително и при изменение на честотата на въртене.
Преоразмеряването на помпите е често срещана практика
Помпените системи обикновено се оразмеряват за максимално предвиждания дебит, който обаче може никога да не се използва или е нужен само за много кратки периоди от производствения цикъл. Преоразмеряването е често срещано и може да доведе до значителни загуби на енергия и повреди на елементи от инсталацията. Това налага използването на някои от съществуващите методи за регулиране на производителността. Най-широко прилаганите от тях са: дроселираща арматура, байпасен тръбопровод, паралелна работа на различен брой машини и промяна на честотата на въртене.
Регулирането на дебита чрез изменение на честотата на въртене е най-добрият метод както за турбопомпите, така и за обемните помпи.
Основни предимства на задвижванията с променлива честота на въртене, приложени в помпените уредби са:
- голям потенциал за икономии на енергия;
- повишаване на надеждността;
- намаляване на разходите за експлоатация и поддръжка;
- опростяване на тръбопроводната система (избягва се регулиращата арматура и байпасният тръбопровод);
- плавно пускане и спиране.
Използването им води до значително съкращаване на общите разходи за целия експлоатационен срок.
Съществуват различни технически решения за осъществяване на управляема честотата на въртене, но безспорно най-доброто решение към настоящия момент са електрическите задвижвания с честотни преобразуватели. Това задвижване осигурява най-големи възможности за прецизно регулиране, енергийна ефективност и лесно адаптиране към вече съществуващи помпени агрегати.
Важно е да се има предвид, че работата с променлива честота на въртене не е безусловно подходяща за всички помпени системи. Предимствата на този вид задвижване се проявяват най-пълно при центробежните помпи.
Характеристики на системата
Предназначението на една помпена система в повечето случаи е да достави течност от източника до определено място, например, да се запълни по-високо разположен резервоар или да се осъществи циркулация на течността през системата, както е в отоплителните и охладителните уредби. За да се реализира протичането на зададен дебит Q през инсталацията, е необходимо на течността да се отдаде определено количество енергия, т. нар. напор H, който се изразява най-често в метри течностен (воден) стълб. Зависимостта на необходимия напор Hs от дебита, т. е. функцията Hs= f(Q), представлява хидравличната характеристика на системата. Напорът на системата в най-общия случай има две компоненти. Едната е постоянна и затова се нарича статичен напор Hstat, а другата, наречена динамичен напор Hdyn, зависи от протичащия дебит:
Hs = Hstat + Hdyn.
Статичната компонента включва геодезичния напор Hz, който се дефинира като разлика в нивата на нагнетателния и смукателния резервоар при изтичане под ниво - a на фиг. 2, или до изхода на тръбопровода при свободно изтичане - b на фиг. 2. Другата съставляваща е разликата в наляганията на двата резервоара, изразена като напор:
Hstat = Hz + (p2 - p1)/rg.
Динамичният напор включва най-вече всички хидравлични загуби Hv в смукателния и нагнетателния тръбопровод, в регулиращата арматура и в останалите елементи. При свободно изтичане следва да се отчете и нарастването на кинетичната енергия, изразено като напор и определяно чрез скоростта на изтичане c2: Hdyn = Hv + c22/2g.
Течението в индустриалните помпени системи е турбулентно и в този случай, както е добре известно, хидравличните загуби са пропорционални на втората степен на дебита - Hv µQ2. Динамичният напор е в същата зависимост от дебита и може да се изрази като Hs = RQ2, където константата R е специфична за всяка инсталация.
Много нагледно е графичното изобразяване на характеристиката на системата в координати Q и H, показано на фиг. 3. Видно е, че става въпрос за парабола, отместена по височина на разстояние Hstat, която често се нарича характеристична линия на системата (system curve)
Във всяка помпена система съотношението между различните компоненти на напора е различно, като някои от тях могат и да липсват. В част от помпените системи с къси тръбопроводи преобладава статичният напор. Най-често смукателният и нагнетателният резервоар са отворени към атмосферата и тогава статичният напор е представен само от геодезичната компонента. В затворените циркулационни системи без свободна повърхност на течността съществуват само хидравлични загуби и характеристичната линия на системата представлява парабола, започваща от координатното начало.
По принцип намаляването на статичния напор доколкото е възможно минимизира както първоначалната цена на помпената уредба, така и последващите енергийни и експлоатационни разходи. Редуцирането на хидравличните загуби чрез оптимизация на тръбопроводната система (отстраняване на ненужната арматура и други елементи, съкращаване до необходимия минимум на дължината и др.) води до намаляване на енергийните разходи. Допълнително намаляване на загубите може да се реализира чрез увеличаване диаметъра на тръбопровода, но това вече увеличава и цената на уредбата.
Съотношението между статичния напор и хидравличните загуби в работния диапазон определя полезния ефект от задвижването с променлива честота на въртене, както и ефективността на отделните методи за регулиране при постоянна честота.
Характеристики на помпите
Когато се изменя дебитът Q на една помпа, останалите параметри - напор H, консумирана мощност P и КПД h, също се променят. Тези три функции на дебита, определени при фиксирана честота на въртене, представляват работните характеристики на помпата.
Характеристиката дебит-напор (Q-H) има най-съществено значение при разглеждане и анализ на работата на една помпа в конкретна система. На фиг. 4 са показани типични характеристики на центробежна помпа. При определен дебит, КПД достига своя максимум hmax и това е оптималният режим на работа (best efficiency point, BEP), на който съответстват параметрите Qn, Hn и Pn. Фигура 5 илюстрира съществената разлика в същността на характеристиката Q-H на турбопомпите и обемните помпи. Докато при турбопомпите с нарастване на дебита напорът намалява, при обемните машини дебитът е почти постоянен, независимо от големината на напора. Освен това, при турбопомпите максималният напор е ограничен (обикновено се достига при дебит нула или близък до нула), докато обемните помпи могат да създадат произволно голям напор.
Работна точка
Когато една помпа е инсталирана в конкретна система, взаимодействието между тях се илюстрира нагледно като се изобразят в една координатна система (и разбира се в еднакви мащаби) характеристичната линия на системата и напорната характеристика на помпата - фиг. 6. Пресечната точка на тези две линии определя работната точка и подавания в системата дебит. Работната точка на действие трябва да е избрана така, че да попада в или да е близо до оптималния режим. Полезната мощност, отдадена на течността, е пропорционална на оцветената площ и се изчислява по формулата Pe = rgQH, където r е плътността на работната течност, а g е земното ускорение. За да се получи и консумираната от помпата механична мощност, изразът трябва да се раздели още на съответния КПД.
В много приложения възниква необходимостта от периодично изменение на подавания към консуматора дебит. Това може да се осъществи чрез промяна на характеристичната линия на системата или на характеристиката на помпата, за да се получи нова работна точка.
Съществуват различни методи за регулиране при постоянна честота на въртене. В следващите редове се разглеждат накратко най-масово използваните, като се изясняват принципите на регулиране, спецификите в приложението им, както и предимствата и недостатъците на всеки метод.
Характеристики на дроселното регулиране
При дроселното регулиране се изменя характеристиката на системата. За тази цел се използва регулираща арматура (много често шибър), монтирана към нагнетателната страна на помпата. Чрез притваряне на арматурата се увеличават хидравличните загуби в тръбопровода, линията на системата става по-стръмна и работната точка се премества наляво, с което се намалява дебитът. Това е илюстрирано на фиг. 7. Точка А е работната точка при напълно отворен шибър и обикновено целта е тя да съвпада с оптималния режим, определян от hmax. Точка В е новата работна точка след притваряне на арматурата. Този метод е най-неикономичният в енергийно отношение от масово използваните. Причините за това са две.
Първата е, че самият принцип на регулиране предполага въвеждането на допълнителни хидравлични загуби. Отсечката В-С от фигурата представлява хидравличните загуби HVD в регулиращата арматура, а оцветената площ е пропорционална на загубената мощност PVD при това действие, която се изчислява по израза PVD = rgQrHVD/h. Втората причина е, че КПД на помпата може да се намали значително.
Очевидно при този метод дебитът може единствено да се намалява - от стойността му при напълно отворен шибър, до нула. Макар и неефективен, методът се прилага най-широко при центробежните помпи с малка и средна мощност, защото е много лесен за реализация, изисква малки капитални вложения и консумираната мощност Р намалява с ограничаване на дебита при този тип помпи, както се вижда от фиг. 4.
Дроселното регулиране е по-подходящо за помпени системи с голям статичен напор, т. е. с плоска характеристична линия на системата. Това е показано на фиг. 8. В случая, т. А е работната точка едновременно за система с голям статичен напор - линия Hs1 и система само с хидравлични загуби - линия Hs2, която както се вижда е много по-стръмна.
Помпата, която е една и съща и за двете системи, подава в двата случая един и същи дебит QA . Ако дебитът трябва да се намали на стойност QA в случая на системата с големия статичен напор, трябва да се извърши дроселиране, докато характеристиката Hs1 премине през т. В (новото положение е показано с прекъсната линия), като отсечката ВС представлява въведените хидравлични загуби. В системата само с хидравлични загуби, за да се получи този по-малък дебит, трябва да се дроселира, докато линията HS2 премине през същата точка В. Видно е, че в този случай загубите, представени чрез отсечката ВD, са значително по-големи.
По подобен начин може да се покаже, че дроселното регулиране е по-подходящо при помпи с плоска характеристика. Стръмната характеристика обуславя относително по-големи хидравлични загуби в процеса на регулиране.
При дроселното регулиране е напълно възможно помпата да работи далече от оптималния си режим, което е съпроводено с ускорено износване, шум и вибрации. Значителното дроселиране предполага износване и повреда на регулиращата арматура, появата на шум и вибрации в тръбопровода, и в крайна сметка допълнително повишаване на експлоатационните разходи, особено при корозивно действащи течности и такива, съдържащи твърди частици. Регулиращата арматура се разполага винаги на напорния тръбопровод. Дроселирането в смукателния тръбопровод може да доведе до кавитация и нарушаване на нормалната работа на помпата.
Турбопомпите се саморегулират
Поради специфичната форма на работната характеристика, турбопомпите при определени условия имат предимството да се саморегулират, като променят дебита си съобразно консумацията, без целенасочено въздействие от страна на оператор. Например, ако помпената уредба е по схемата на фиг. 2 - а и резервоарите са отворени към атмосфера, при намаляване на консумацията нивото в нагнетателния резервоар и съответно геодезичният напор Hz нарастват, характеристичната линия на системата се премества успоредно нагоре, работната точка се измества наляво и дебитът на помпата намалява, докато се достигне равенство на подавания и консумирания дебит. Този процес може да доведе до понижаване на дебита до нула, когато нивото се повиши до стойност, при която геодезичната височина Hz се изравни с напора на помпата на празен ход. Подобен процес протича и в случая, когато резервоарът е херметично затворен, като тогава към статичния напор на системата, освен геодезичният, се добавя и нарастването на налягането от свиването на въздуха над свободното ниво. Подобни условия са характерни за хидрофорните помпени системи.
Режимите на продължителна работа с нулев и много малък дебит
които могат да възникнат в процеса на регулиране, трябва да се избягват. Като правило, арматурата в нагнетателния тръбопровод не трябва да остава затворена повече от минута, въпреки че това зависи от мощността на помпата. При помпите с голяма мощност въобще не се допуска работа при затворена арматура, като минималното отваряне е поне 10%. Причините, които налагат споменатите ограничения, са няколко. Загубите на енергия в проточната част на помпата в крайна сметка се превръщат в топлина. При малки дебити, когато КПД е много малък, температурата на течността може да нарасне значително. Увеличаването на температурата с 8 до 10 °С се счита за допустимо.
При малки дебити нарастват радиалните и осевите сили върху работното колело на центробежните помпи, което се отразява неблагоприятно върху състоянието на вала, уплътненията и лагерите. Малките дебити са съпроводени с различни вторични течения около входа на работното колело, което е допълнителна причина за възникване на шум, вибрации и износване, подобно на кавитационната ерозия. За отговорни приложения с големи и скъпи помпени агрегати са разработени и се използват различни методи за контрол на минималния дебит: байпасен тръбопровод със или без управление на дебита; автоматични рециркулационни клапани; управляващи системи със сензори за налягане, температура или вибрации и честотно управление на двигателя.
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от В и К
Новият брой 8/2024
