АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Антропов Ярослав Алексеевич

студент, Тольяттинский государственный университет,

РФ, г. Тольятти

Кретов Дмитрий Алексеевич

канд. техн. наук, доц. кафедры «Электроснабжение и электротехника»,

РФ, г. Тольятти

ANALYSIS AND COMPARISON OF CENTRIFUGAL PUMP CONTROL METHODS

Yaroslav Antropov

student, Toliatti State University,

Russia, Tolyatti

Dmitry Kretov

candidate of technical science, associate professor, Department of Power Supply and Electrical Engineering, Toliatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются следующие способы регулирования: дросселирование и регулирование изменением частоты вращения рабочего колеса. Произведен анализ и сравнение приведенных способов регулирования.

ABSTRACT

This article discusses the following methods of regulation: throttling and regulation by changing the rotation frequency of the impeller. The analysis and comparison of these regulation methods was carried out.

Ключевые слова: дросселирование, преобразователь частоты, ТЭЦ, энергоэффективность, энергосбережение, центробежный насос, насосная станция.

Keywords: throttlimng, frequency converter, TPP, energy efficiency, energy conservation, centrifugal pump, pumping facility.

ВВЕДЕНИЕ

Регулированием называется процесс изменения характеристики насоса или сети для обеспечения заданного расхода жидкости. Установленный режим работы в системе «насос — внешняя сеть» возможен при таком условии, когда соблюдены равенства расходов через насос и сеть при одинаковом напоре между ними.

Регулирование осуществляется изменением характеристики:

1. Трубопровода, путем частичного перекрытия его задвижкой,
2. Насоса, путем перехода на другое число оборотов,
3. Поворотом лопаток рабочего колеса или направляющего аппарата. 

Уделим внимание первым двум способам регулирования, так как именно эти способы широко применяются при эксплуатации водопроводных и канализационных насосных станций, а также на котельных ТЭЦ. Третий же способ преимущественно используется в вентиляторных установках главного и местного проветривания.

АНАЛИЗ ВЫБРАННЫХ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1. Дроссельное регулирование

Дроссельное регулирование позволяет менять расход с помощью задвижки (Рис.1), расположенной на напорной линии в непосредственной близости от насоса.

Рисунок 1. Дроссельная задвижка

1 – насос; 2 – задвижка

Регулирование напорной задвижкой применяется на насосных станциях первого подъема при колебаниях уровня воды в источнике, а также при необходимости снижения напоров в трубопроводах на больших уклонах, когда напор не удается использовать и возникает необходимость в его снижении. Каждому положению диска задвижки соответствует новая характеристика трубопровода (Рис. 2), поэтому рабочая точка перемещается по характеристике насоса.

Рисунок 2. Регулирование насоса с помощью задвижки

Данный способ отличается простотой, так как какие-либо изменения посредством внедрения дополнительных устройств в насосную установку не требуются.

На данный момент дросселирование является экономически невыгодным способом в связи с тем, что на преодоление сопротивления задвижки значительная часть напора теряется. Не рекомендуется использовать дросселирование задвижкой, установленной на всасывающей трубе, так как это может вызвать кавитацию (Рис.3). Последствием кавитации будет является: общее понижение КПД насоса, уменьшенные напор и производительность насоса.

Рисунок 3. Последствия кавитации

Также, дросселирование является невыгодным с энергетической точки зрения, так как ведет к существенному снижению КПД насосного агрегата и напрасному расходованию электроэнергии (Рис. 4а). Это происходит по двум причинам:

1. Первая причина связана с дополнительными потерями мощности в задвижке, определяемых по формуле [1, с. 7].

где:  – потери мощности на задвижке, кВт;

 – плотность жидкости, кг/;

 – ускорение свободного падения, ;

 – напор на задвижке, м;

 – подача, ;

 – коэффициент полезного действия насоса.

2. Вторая причина: вследствие снижения КПД самого насосного агрегата, объясняющегося переходом от работы в т. А к работе в т. В (Рис. 4б).

а)                                                                               б)

Рисунок 4. Зависимость КПД при регулировании производительности

а - насосного агрегата; б - при регулировании дросселированием

Нерегулируемым электроприводом продолжает оснащаться большая часть производимых насосов. Дросселирование на стороне нагнетания в установках центробежных насосов получило наибольшее распространение, так как оказалось наиболее простым способом регулирования напора [2, с. 169]. Однако в настоящее время с использованием частотных преобразователей регулировка оборотов рабочих колес насосных агрегатов, вентиляторов и компрессоров становится все более доступной.

2. Регулирование изменением числа оборотов рабочего колеса насоса

Такой способ применим для электродвигателя с возможностью плавного изменения числа оборотов или с помощью внедрения между электродвигателем и насосом специальных устройств.

Как известно, регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств, таких как:

• механический вариатор,
• гидравлическая муфта,
• дополнительно вводимые в ротор или статор резисторы,
• электромеханические преобразователи частоты
• статические преобразователи частоты.

Первые четыре из перечисленных устройств при использовании не дают качественного регулирования скорости, неэкономичны, требуют высоких затрат в процессе монтажа и последующей эксплуатации. В настоящее время, наиболее совершенными устройствами для управления асинхронным электроприводом являются статические преобразователи частоты.

 Способ регулирования изменением частоты подводимого напряжения считается одним из наиболее прогрессивных. Данный способ регулирования до недавнего времени не обладал особой популярностью по экономическим причинам, поскольку преобразователи частоты, нужные для его применения обладали высокой стоимостью. В настоящее время совершенствование технического процесса обусловило снижение стоимости и совершенствование преобразователей частоты, поэтому преобразователи частоты нашли широкое применение в промышленности для плавного изменения оборотов электродвигателя насоса (Рис.5) [3, с. 727].

Рисунок 5. Структурная схема частотно-регулируемого привода насосной установки

1 – Преобразователь частоты (ПЧ); 2 – Асинхронный двигатель(АД); 3 – Центробежный насос (ЦН)

Данный способ регулирования подачи можно охарактеризовать как способ регулирования за счет изменения характеристики насоса, что демонстрируется на диаграмме (Рис.6). Точка пересечения характеристик сети и насоса имеет координаты, соответствующие рабочей подаче и рабочему напору насоса. Чем меньше число оборотов рабочего колеса, тем ниже располагается напорная характеристика насоса, и подача его уменьшается [4].

Рисунок 6. Регулирование за счет изменения характеристики насоса

1 – характеристика насоса; 2 – характеристика сети

Данный способ регулирования подачи самый эффективный в энергетическом смысле, так как при уменьшении подачи уменьшается и напор насоса, а значит, снижается потребление электроэнергии.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f₁ питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

при неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора [5, с. 115].

Данный способ предоставляет плавное регулирование скорости, а механические характеристики отличаются высокой жесткостью.

Скольжение асинхронного двигателя при регулировании скорости не увеличивается, в связи с этим потеря мощности при регулировании минимальна. Для того чтобы получить существенные показатели асинхронного двигателя такие как: коэффициент мощности, КПД и перегрузочную способность, нужно вместе с частотой изменять и подводимое напряжение.

ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ

В результате сравнения КПД рассмотренных видов регулирования было выявлено, что способ регулирования с помощью задвижек показал себя крайне неэкономичным. В таком случае, регулируемый привод является наиболее перспективным выбором (Рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость экономии электроэнергии от потребляемой мощности

Отсюда следует, что при регулировании дросселированием поток жидкости не совершает полезной работы, так как сдерживается на задвижке.

Использование же в свою очередь такого способа как регулируемый электропривод позволит задавать нужные давление или расход, что снизит потери транспортируемой жидкости и обеспечит экономию электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что применение частотно-регулируемого электропривода в насосных установках является эффективным и экономически выгодным по сравнению с таким видом регулирования напора жидкости как дросселирование. Хоть и дросселирование на стороне нагнетания получило наибольшее распространение, так как оказалось наиболее простым способом регулирования напора, оно имеет значительные недостатки в виде существенного роста давления (напора) в системе, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения.

Применение же частотно-регулируемого электропривода в насосных установках обеспечивает плавное регулирование и поддержание нужного давления, экономию тепловой и электроэнергии, снижение утечек жидкостей, увеличение срока службы оборудования и уменьшение вероятности возникновения разрывов трубопроводов.

В настоящее время преобразователи частоты стали доступны для широкого потребителя в связи с повсеместным внедрением IGBT транзисторов и высокопроизводительных микропроцессорных схем управления.

Список литературы:

1. Николенко И.В, Котовская Е.Е. Энергосберегающие технологии систем водоснабжения и водоотведения. Методические указания к практическим занятиям. ФГАОУ ВО «КФУ им В.И. Вернадского», АСиА, Симферополь, 2019. 42 с.
2. Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы и компрессоры Учебное пособие для втузов М: «Высшая школа», 1972. 344 с.
3. Назаркин Э.Е. Сравнение существующих способов регулирования работы центробежных насосов// Журнал    Аллея науки. 2017. № 2–10. С. 721–736.
4. Регулирование подачи изменением числа оборотов вала рабочего колеса [Электронный ресурс] // URL: https://clck.ru/rf5JP (дата обращения: 16.12.2022).
5. Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. Образования. - М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. - 368 с.