Насосы в энергетике

В настоящее время применяется большое количество типов центробежных насосов различного назначения. Это насосы отечественного производства типов К (Км), Д, СЭ, Кс и т. д., а также насосы зарубежных фирм. По каждому из указанных типов разработана и выпускается широкая номенклатура различных номинальных производительностей и напоров, что позволяет в каждом конкретном случае подобрать требуемые характеристики.

Следует рассматривать в основном две возможные гидравлические схемы, в которых используются насосные установки. В первом случае это «проточные» схемы, в которых вода после насоса непосредственно разбирается из различных точек трубопроводной системы. Во втором — применяются циркуляционные системы, в которых водоразбор из трубопроводов не производится, или имеет незначительную величину. В дальнейшем будем рассматривать циркуляционные системы, широко распространенным примером которых являются водяные тепловые сети.

насос энергетика гидравлический сопротивление.

Регулирование насосов

Подбор и работа насосов производится в соответствии с гидравлическими характеристиками систем, для которых должен быть обеспечен требуемый расход теплоносителя или заданный уровень давлений. Это могут быть системы с постоянным или с переменным расходом перекачиваемой среды, связанным с изменением гидравлического сопротивления элементов. В реальной эксплуатации, как для тех, так и для других условий, как правило, необходимо регулирование параметров насосов, что обуславливается двумя факторами.

Во-первых, для циркуляционных систем с постоянным расходом воды, таких как, например, системы отопления при их независимом присоединении к тепловым сетям, необходимость регулирования обуславливается дискретностью номинальных характеристик насосов, которые почти всегда не полностью соответствуют гидравлическим характеристикам систем. При этом за счет регулирования достигается требуемое соответствие, обеспечиваемое поддержанием необходимого перепада давлений на входе в систему или прямого поддержания заданного расхода.

Во-вторых, для систем с переменным гидравлическим сопротивлением элементов, определяющимся работой различных регуляторов (например, регуляторы температуры воды на горячее водоснабжение в системах теплоснабжения и т. д.) необходимость регулирования насосов обуславливается изменением гидравлических характеристик присоединенной системы и соответствующим изменением расхода перекачиваемой воды. В этом случае задачей регулирования является только поддержание заданного перепада давлений (располагаемого напора) в присоединенной системе.

При регулировании насосов в циркуляционных системах производится поддержание давления на всасе циркуляционных насосов за счет работы насосов подпитки. Требуемый перепад давлений в системе обеспечивается поддержанием давления после насосов в подающем трубопроводе.

Принципиально возможно применение трех основных способов регулирования насосов: это регулирование дросселированием части развиваемого напора, регулирование перепуском части воды с нагнетания на всас насосов (регулирование рециркуляцией) и регулирование изменением частоты вращения вала насосного агрегата. В качестве последнего в дальнейшем будет рассматриваться в основном частотное регулирование электродвигателя насоса (ЧРП).

Для понимания процесса организации регулирования при указанных способах, ниже приведены соответствующие диаграммы (графики) совместных характеристик насосов с учетом работы регуляторов и присоединенной сети. При этом режим работы циркуляционной системы (расход воды и перепады давлений) определяется точкой пересечения гидравлических характеристик насоса и сети.

Рассмотрим предварительно регулирование насоса при присоединении сети с постоянными гидравлическими сопротивлениями ее элементов. При этом задачей регулирования является обеспечение требуемого расхода, которое не всегда может быть непосредственно обеспечено насосом с выбранной характеристикой. Необходимый расход при этих условиях может устанавливаться как за счет использования регулятора расхода, так и поддержанием соответствующего располагаемого напора в присоединенной сети.

На рис. 1 приведена условная схема циркуляционной системы с регулятором давления и постоянным гидравлическим сопротивлением сети, а также соответствующая диаграмма при регулировании дросселированием.

Как следует из рис. 1, при отсутствии регулятора давления точкой пересечения характеристики насоса и сети, обуславливающей режим работы циркуляционной системы без регулирования, является точка а. При этом расход воды в сети будет превышать требуемое его значение, равное Vс Наличие регулятора приводит к понижению располагаемого напора насоса на величину дросселирования в регуляторе и обуславливает работу системы в точке б, что обеспечивает установление требуемого расхода. Точка характеристики, в которой осуществляется работа самого насоса, соответствует при этом точке в диаграммы.

В этом случае (при постоянном сопротивлении сети) поддержание заданного перепада давлений ДЗс обеспечивает величину требуемого расхода. Для рассматриваемых условий вместо регулятора давления может быть использован регулятор, непосредственно поддерживающий расход воды. Диаграмма параметров режимов при этом останется той же самой.

При дросселировании имеют место потери энергии, связанные с регулированием и определяющиеся величиной дросселирования на регулирующем клапане ДЗрд.

Для анализа режимов и возможностей при регулировании рециркуляцией части воды с нагнетания на всас насоса, на рис. 2 приведена аналогичная представленной ранее диаграмма режимов для такого регулирования при постоянном гидравлическом сопротивлении сети.

Как следует из рис. 2, без регулятора режим работы циркуляционной системы будет соответствовать точке, а диаграммы, и расход воды будет превышать требуемое значение Vс Открытие клапана регулятора на линии рециркуляции позволит увеличить расход воды через насос и снизить в соответствии с характеристикой его развиваемый напор, доводя тем самым расход воды в сети до требуемого. Открытие клапана приводит к работе насоса на сеть с другой, отличной от присоединенной сети характеристикой. При этом режим насоса соответствует точке в на диаграмме, а режимы работы собственно присоединенной сети отображаются точкой б.

При постоянном гидравлическом сопротивлении сети поддержание регулятором заданного перепада давлений ДЗс также как и в предыдущем варианте регулирования, обеспечивает требуемую величину расхода. Для этих целей на линии рециркуляции вместо регулятора давления может быть установлен регулятор, непосредственно поддерживающий постоянным расход воды в сети Vс При рециркуляции, на насосе имеют место дополнительные затраты электроэнергии, связанные с регулированием и обусловленные перекачкой дополнительного расхода воды через линию рециркуляции Vp.

При регулировании параметров насоса изменением частоты вращения вала электродвигателя изменяется собственно характеристика насоса, которая получается практически параллельным переносом исходной характеристики, соответствующей номинальной частоте вращения вала.

Диаграмма параметров режима работы для такого способа регулирования приведена на рис. 3.

Как следует из рис. 3, без учета регулирования режим работы сети и насоса соответствует точке, а и расход воды больше требуемого значения Vс. Использование частотного регулятора обеспечивает такое изменение характеристики насоса, при котором ее пересечение с характеристикой сети соответствует точке б, в которой расход воды в системе соответствует требуемому. При этом точка б принадлежит новой характеристике насоса (характеристике при сниженной частоте), и потери мощности на регулирование при этом практически отсутствуют.

Обеспечение требуемого расхода воды в присоединенной сети за счет регулирования приводит к дополнительным потерям энергии, за исключением способа частотного регулирования. Следует отметить, что частотные регуляторы в настоящее время являются достаточно дорогим оборудованием, поэтому в качестве менее затратного мероприятия по обеспечению расхода для сетей с постоянным гидравлическим сопротивлением следует рассматривать возможность обрезки рабочего колеса насоса для обеспечения приемлемого совпадения характеристики насоса и присоединенной цирксистемы или использование гидромуфт, которые также как и ЧРП позволяют изменять частоту вращения вала, хотя и с меньшим диапазоном регулирования. Стоимость установки гидромуфты существенно дешевле использования частотного регулятора. Возможно также изменение гидравлических характеристик системы под характеристику насоса. В тепловых сетях это обеспечивается разработкой и проведением наладочных мероприятий.