Регулирование работы насосов

Насос и водопроводная сеть образуют единую систему, поэтому ее регулирование можно осуществлять изменением характеристики сети или характеристики насоса. Практически все регулировки приводят к снижению подачи воды потребителям.

Для изменения характеристики сети обычно производят дросселирование или перепуск части потока из напорного трубопровода во всасывающий. Дроссельное регулирование задвижкой или клапаном на напорной линии насоса осуществляется их закрытием на определенную степень, что вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление и соответствующее снижение подачи насоса. Изменяя степень закрытия задвижки, получаем новую характеристику сети и новое положение рабочей точки (рис. 2.3.). При полностью открытой задвижке потери напора минимальные и рабочая точка займет положение А спараметрами Н_А , Q_А.

Рис.2.3. Регулирование подачи насоса

дросселированием: 1,2,3, А - положение рабочих

точек на характеристиках сети SQ² при разной

степени закрытия задвижки

Прикрывая задвижку, увеличиваем потери напора и обеспечиваем изменение характеристики сети и перемещение рабочей точки в положение 1, 2, 3 и т.д. В точке 3 насос будет иметь параметры Н₃ , Q₃, т.е. подача насоса снизится, а напор, создаваемый насосом, возрастет. При этом часть напора расходуется бесполезно – на преодоление искусственно созданного дополнительного сопротивления задвижкиh_з, что вызывает уменьшение к.п.д. насосной установки. Следует учесть, что к.п.д. самого насоса также изменяется, в приведенном примере уменьшается с η_А до η₃.

Регулирование задвижкой просто и надежно, однако неэкономично и рекомендуется на установках небольшой мощности и при незначительных, обычно непостоянных отклонениях расчетных параметров насоса от рабочих.

При регулировании перепуском (байпасированием) требуемый потребителю расход обеспечивается возвратом части воды из напорного водовода в приемный резервуар по специально проложенному перепускному (добавочному) трубопроводу 6 (рис.2.4.б). При построении характеристики сети учитывается наличие двух параллельных трубопроводов. Суммарная характеристика сети строится сложением расходов по трубопроводам при одинаковых напорах (линия 4 на рис.2.4.а).

Рис.2.4. Регулирование подачи насоса перепуском: а) характеристика насоса и трубопроводов; б) схема присоединения трубопроводов; 1 – характеристика основного трубопровода 5; 2 - характеристика перепускного трубопровода 6; 3 – напорная характеристика насоса; 4 – совместная характеристика основного и перепускного трубопровода

При отсутствии перепускного трубопровода или при его отключении режимная точка А характеризуется расходом Q_A (рис.2.4.а). При перепуске части воды по добавочному трубопроводу рабочая точка займет положение Б с подачей Q_Б. При этом по основному трубопроводу пройдет расход Q₁, а по добавочному – Q₂. Изменяя расход через перепускной трубопровод, можно добиться такого положения рабочей точки, при котором по основному трубопроводу будет протекать расчетный расход.

Регулирование перепуском более экономично, чем дросселированием, однако требует прокладки дополнительного трубопровода и часто вызывает увеличение потребляемой мощности. Метод рекомендуется для быстроходных и вихревых насосов.

Регулировать работу насоса изменением его характеристики можно срезкой (обточкой) рабочего колеса, а также изменением частоты оборотов вала насоса или двигателя.

Насосы, выпускаемые заводами, имеют максимальный диаметр рабочего колеса. В эксплуатационных условиях для согласования работы насоса с характеристиками сети возникает необходимость уменьшения (обточки) рабочего колеса. Заводы-изготовители предусматривают такую возможность и приводят в паспортах (каталогах) насосов их характеристики с уменьшенным (срезанным) диаметром рабочего колеса. Следует иметь в виду, что этот способ регулировки позволяет только уменьшать подачу. При этом вернуться к первоначальной характеристике насоса можно лишь путем обратной замены рабочего колеса. Чаще всего срезку рабочего колеса используют при постоянном превышении фактической подачи насоса над расчетной. Указанный способ регулирования экономически выгоднее, чем дросселирование, но все-таки снижает КПД из-за увеличения объема циркуляции воды в корпусе насоса.

Влияние обточки рабочего колеса на его характеристику Н–Q показано на рис. 2.5. Характеристика насоса со сточенным рабочим колесом 3 пройдет параллельно паспортной 2для несточенного, максимального диаметра, но опустится ниже - от точки А до точки А_об.

Рис. 2.5. Анализ влияния срезки рабочего колеса на работу насоса: 1 - характеристика трубопровода (сети); 2 - характеристика Н - Qнасоса с максимальным диаметром рабочего колеса (по паспорту); 3 - характеристика Н - Q насоса с обточенным колесом; 4 – характеристика КПД насоса с максимальным диаметром рабочего колеса; 5 - характеристика КПД насоса с обточенным колесом; А - рабочая точка насоса с максимальным диаметром рабочего колеса; А_об - рабочая точка насоса с обточенным колесом, имеющая расчетные (требуемые) параметры

Допустимая величина обточки рабочего колеса зависит от коэффициента быстроходности насоса n_s, определяемого по формуле

(2.5)

где n - частота вращения рабочего колеса насоса, мин ^-1; Q_p - номинальная (паспортная) подача, м³/с (для насосов с двусторонним входом принимается половина подачи); H_p - номинальный напор насоса, м.

Обточка рабочего колеса не должна превышать: для n_s от 60 до 120 - 20 - 15 % от первоначального диаметра, для n_s от 120 до 200 - 15 - 10 %, для n_s от 200 до 300 - 10 - 5 %.

Для насоса с коэффициентом быстроходности n_s £ 150 обточенный диаметр рабочего колеса определяется по одной из формул:

(2.6)

где - наибольший по каталогу диаметр рабочего колеса выбранного насоса; - расчетная (требуемая) подача насоса (на рис 2.5 соответствует точке А_об); - подача насоса с наибольшим диаметром рабочего колеса при работе на проектируемую сеть (точка А на рис. 2.5); - расчетный (требуемый) напор насоса (точка Б); - напор насоса с наибольшим диаметром рабочего колеса при работе на проектируемую сеть (точка А).

При обточке рабочего колеса соответствующие режимные точки смещаются по квадратичной параболе соответствия:

, (2.7)

где k - коэффициент пропорциональности для данного насоса.

Для насосов с коэффициентом быстроходности ns > 150 расчет сточенного диаметра рабочего колеса производится по одной из формул:

(2.8)

Пример 1. Требуется: 1). Выбрать насос по расчетным параметрам: Q = 130 л/с; H = 50 м. 2). Определить необходимый диаметр срезанного рабочего колеса и пересчитать для него характеристику H – Q насоса.

По сводному графику полей (по [2] или приложению 1) выбираем насос марки Д 500-65. Этот насос при расчетной подаче 130 л/с создает напор 65 м, вместо расчетного 50 м. Поскольку превышение значительное – 30 % - применим регулировку работы насоса срезкой рабочего колеса.

Из каталога насоса или по формуле (2.4) строим характеристику H – Q выбранного насоса. На поле графика наносим точку А с расчетными параметрами Q = 130 л/с и H = 50 м, как показано на рис. 2.6. По формуле (2.5) находим значение коэффициента быстроходности, принимая следующие номинальные значения: Q_р = 500 / 2 = 250 м³/ч = 0,0694 м³/с (для насоса типа Д принимается половина номинальной подачи), Н_р = 65 м, n = 1450 об/мин:

n _s = (3,65 х 1450 Ö 0,0694) 65^3/4 = 60,92.

Рис.2.6. Построение характеристики насоса с обточенным рабочим колесом по примеру 1: 1 – характеристика насоса со сточенным рабочим колесом; 2 – характеристика насоса с необточенным рабочим колесом; 3 – кривая соответствия

Поскольку коэффициент быстроходности менее 150, для пересчета характеристики насоса применяются формулы (2.6). Диаметр обточенного колеса можно находить простым подбором или определять путем построения кривой соответствия, проходящей через точку А. Кривая соответствия подчиняется параболической зависимости (2.7). Находится значение коэффициента пропорциональности К подставляя параметры точки А в формулу (2.7)

50 /130² = 0, 00296 м × с²/л².

Задаваясь определяем Н и по точкам строим кривую соответствия Н = 0,00296 Q² , проходящую через точку А до пересечения с характеристикой насоса

Q, л/с 130 140 150

Н, м 50 58 66,6

Находим точку Б пересечения кривой соответствия с характеристикой H – Q насоса с первоначальным диаметром колеса D = 465 мм. Этой точке соответствуют параметры Q_Б = 145 л/с, H_Б = 62 м. Из соотношения (2.6.) определяем диаметр обточенного рабочего колеса

=465 х 130 / 145 = 415 мм.

Обточка колеса составляет (465 – 415)/ 465 × 100 = 10 %, что не превышает допустимого предела для насосов такой быстроходности. Снимаем значения координат Q и Н нескольких точек на характеристике насоса с необточенным колесом и по формулам (2.6) пересчитываем их для диаметра 415 мм. По новым значениям координат строим точки , а по точкам и линию характеристики насоса H – Q со сточенным рабочим колесом ( линия 1 на рис.2.6).

Наиболее экономичное регулирование работы насоса - изменением частоты оборотов двигателя, но это удобно для двигателей постоянного тока. Для двигателей переменного тока частотные регуляторы дорогие, но обычно быстро окупаются и за ними будущее. Так системы ПЧ–АД, разработанные НТЦ «Приводная техника», позволяют изменять одно – или трехфазное напряжение с постоянной частотой 50 Гц в трехфазное напряжение с переменной частотой в диапазоне 0,2 – 400 Гц. Это дает возможность плавно регулировать частоту оборотов двигателя в широком диапазоне.

Изменение частоты вращения вала насоса при неизменной частоте оборотов двигателя осуществляется при помощи гидро - и электромагнитных муфт или редуктора.

Регулирование частоты оборотов двигателя или насоса вызывает изменение характеристик насоса и, соответственно, смещение рабочей точки. На рис. 2.7. приведен пример регулирования подачи насоса изменением числа оборотов n. Рабочая точка Р , полученная при наложении характеристик насоса с паспортной частотой оборотов рабочего колеса и трубопровода, недопустимо отличается от расчетной точки А. Изменяя каким-либо из перечисленных способов частоту оборотов вала насоса получаем новую характеристику насоса, которая пересекает характеристику трубопровода в расчетной точке А.

Рис.2.7. Регулирование подачи насоса изменением

числа оборотов рабочего колеса по примеру 2: 1– характеристика насоса с уменьшенным числом оборотов; 2 – характеристика насоса с основным числом оборотов; 3 – кривая соответствия; 4 – характеристика трубопровода

Для определения числа оборотов насоса n₁, при котором характеристика насоса пройдет через расчетную точку, воспользуемся любым из уравнений подобия

, (2.9)

где - основное (паспортное) значение частоты оборотов насоса; - расчетная (требуемая) подача насоса (на рис 2.7. соответствует точке А); - подача насоса при частоте оборотов n по параболе соответствия (точка Б на рис. 2.7); - расчетный (требуемый) напор насоса (точка А); - напор насоса при паспортной частоте оборотов рабочего колеса (точка Б).

При обточке рабочего колеса соответствующие режимные точки смещаются по квадратичной параболе соответствия:

, (2.10)

где k - коэффициент пропорциональности для данного насоса, определяемый по формуле

. (2.11)

Мощность насоса N₁ при изменении частоты оборотов вала может быть найдена по зависимости

. (2.12)

Для иллюстрации практического применения указанных закономерностей решим ранее приведенную в примере 1 задачу, но не срезкой рабочего колеса, а изменением частоты оборотов.

Пример 2. Требуется: 1). Выбрать насос по расчетным параметрам: Q = 130 л/с; H = 50 м. 2). Определить необходимую частоту оборотов рабочего колеса и пересчитать для него характеристику H – Q насоса.

По сводному графику полей (по [2] или приложению 1) выбираем насос марки Д 500-65 с частотой оборотов рабочего колеса 1450 об/мин. Этот насос при расчетной подаче 130 л/с создает напор 65 м, вместо расчетного 50 м. Поскольку превышение значительное – 30 % - применим регулировку работы насоса изменением частоты оборотов рабочего колеса.

Из каталога насоса или по формуле (2.4) строим характеристику H – Q выбранного насоса. На поле графика наносим точку А с расчетными параметрами Q = 130 л/с и H = 50 м, как показано на рис. 2.7.

Измененную частоту оборотов рабочего колеса можно находить простым подбором или определять путем построения кривой соответствия, проходящей через точку А. Кривая соответствия подчиняется параболической зависимости (2.10). Находится значение коэффициента пропорциональности К, подставляя параметры точки А в формулу (2.11)

= 50 /130² = 0, 00296 м × с²/л².

Задаваясь Q, определяем Н и по точкам строим кривую соответствия Н = 0,00296 Q² , проходящую через точку А до пересечения с характеристикой насоса

Q, л/с 130 140 150

Н, м 50 58 66,6

Находим точку Б пересечения кривой соответствия с характеристикой H – Q насоса с первоначальной частотой оборотов рабочего колеса n = 1450 об/мин. Этой точке соответствуют параметры Q_Б = 145 л/с, H_Б = 62 м. Из соотношения (2.9.) определяем измененную частоту вращения рабочего колеса

n_A = n х Q_А / Q_Б = 1450 х 130 / 145 = 1300 об/мин.

Снимаем значения координат Q и Ннескольких точек на характеристике насоса с паспортной частотой оборотов рабочего колеса n (линия 2 на рис.2.7) и по формулам (2.9) пересчитываем их для измененной частоты n_А. По новым значениям координат строим точки, а по точкам и линию характеристики насоса H – Q со сточенным рабочим колесом (линия 1 на рис.2.7). Ее траектория пройдет через расчетную точку А. По формуле (2.12) подсчитываем значения измененной мощности и строим характеристику N₁ – Q.

Отличительной особенностью данного способа регулирования является то, что он, как правило, не приводит к дополнительным потерям энергии в системе насос – сеть. Хотя теоретически изменять частоту оборотов можно и в сторону ее увеличения, возникающий повышенный напор в состоянии нарушить герметичность насоса. Поэтому на практике регулировку производят уменьшением частоты вращения рабочего колеса.