Лекция № 7

Тема: Методы регулирования подачи и напора насосов. Формулы пересчета. Влияние изменение уровня воды в источнике и напорном резервуаре на режим работы насосов при заданном сопротивлении системы трубопроводов

Регулированием работы насоса называется процесс искусственного изменения характеристики трубопро­вода или насоса для обеспечения работы насоса в требуемой режим­ной точке, т. е. для сохранения ма­териального и энергетического баланса системы.

С развитием и укрупнением сис­тем водоснабжения и канализации возрастает необходимость регулиро­вания подачи насосных станций, поскольку они являются одним из крупнейших энергопотребителей. Кроме того, поддержание требуе­мого напора в сети приводит к уменьшению утечек и аварий на трубопроводах. В связи с этим в современном насосостроении раз­рабатываются способы плавного ре­гулирования параметров насосов

Работа системы «насос — сеть" регулируется изменением характеристики сети, частоты вращения рабочего колеса насоса, геометрии проточных каналов насоса и кине­матики потока на входе в рабочее колесо. Одним из наиболее рас­пространенных методов изменения характеристики сети является способ дросселирования задвижкой, установленной на напорной линии насоса. Установки дополнитель­ного оборудования в этом случае не требуется, что является основ­ным достоинством данного способа.

Дроссельное регулирование заключается во введении добавоч­ного сопротивления в напорный тру­бопровод системы, благодаря чему характеристика Н-Q сети подни­мается более круто Q — Н_тр (рис. 1) и пересекает характеристику насоса в режимной точке 2, соот­ветствующей требуемой подаче Q₃. При этом требуемый напор в системе равен H₃, а насос развивает напор H₂. Следовательно, энергия N=Q₃ P, где P= H₂—H₃, теряется вследствие увеличения местного сопротивления в задвижке.

Полезная мощность насоса для обеспечения работы в точке 3

О Q₃ Q л/с

Рис. 1. Характеристика системы «насос—сеть» при регулировании работы дросселированием

N₃ =

Затрачиваемая мощность насос­ной установки в этом случае

N =

Тогда КПД насосной установки

 = N₃/N = ₃,

откуда видно, что КПД насосной установки уменьшается с увели­чением разности между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым в сети.

Из-за существенных недостатков (неэкономичность и возможность регулирования только в сторону уменьшения подачи) способ дрос­сельного регулирования можно при­менять только на имеющих плавную характеристику небольших насос­ных агрегатах, где регулирование требуется в течение короткого вре­мени.Для устранения неустойчивой ра­боты насосов применяют регулиро­вание подачи насоса перепуском жидкости из напорной линии во всасывающую. Наиболее часто такое регулирование применяется в осе­вых насосах, у которых кривая мощности снижается с увеличением подачи. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улуч­шает кавитационные качества насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы, требует устройства циркуляционного трубо­провода и установки дополнитель­ной арматуры, что усложняет ком­муникации трубопроводов в поме­щении насосной станции. Поэтому данный способ не получил распро­странения в практике городского водоснабжения.

Регулирование подачи впуском воздуха во всасывающий трубо­провод является более экономичным, чем дросселирование, но позволяет только ограниченно изменять подачу из-за резкого ухудшения кавитационных качеств насоса. В системах водоснабжения этот способ вообще неприменим, так как нельзя подавать в сеть воду, сме­шанную с большим объемом воздуха.

Наиболее экономичным является регулирование режима работы насоса изменением частоты враще­ния рабочего колеса. Изменение частоты вращения ведет к изме­нению характеристики Н-Q насо­са таким образом, что точка пере­сечения кривой Н_i-Q_i насоса с характеристикой трубопровода соот­ветствует требуемой подаче Q_x при напоре Н_х, т. е. сохраняется материальный и энергетический баланс системы.

Частоту вращения рабочего колеса насоса можно изменять при­менением двигателей с переменной частотой вращения (электродви­гателей постоянного тока, электро­двигателей переменного тока с пе­реключением обмотки на различное число пар полюсов, коллекторных электродвигателей, паровых и газо­вых турбин, двигателей внутрен­него сгорания).

На насосных станциях городско­го и промышленного водоснабжения наиболее широко применяют короткозамкнутые асинхронные электро­двигатели, которые не допускают изменения частоты вращения. В этом случае для изменения час­тоты вращения рабочего колеса насоса можно соединить насос и электродвигатель с помощью регу­лируемой гидромуфты или электро­магнитной муфты скольжения (ЭМС), либо применить асинхрон­ный электродвигатель с вентильно-каскадным преобразователем.

Введением сопротивления (реос­тата) в цепь фазного ротора асин­хронного электродвигателя пере­менного тока также можно изме­нять частоту вращения, что дает существенный экономический эффект по сравнению с дроссельным регу­лированием. При малых мощностях регулирование включением сопро­тивления достаточно просто и на­дежно. При больших мощностях приходится включать крупные реос­таты, и экономическая эффектив­ность применяемого способа резко снижается. Кроме того, этот способ обладает следующими недостатками: уменьшаются пределы регулирова­ния при малых нагрузках и услож­няются конструкции двигателя вследствие добавления колец и щеток для подключения реостата.

При применении асинхронных электродвигателей, имеющих об­мотку на статоре, которая пере­ключается во время работы дви­гателями на различное число пар полюсов, экономическая эффектив­ность регулирования параметров Н и Q насосов возрастает. Дви­гатели этого типа выпускаются двух-, трех- и четырехскоростными.

Наиболее простым способом из­менения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя яв­ляется изменение частоты тока. В настоящее время разработаны частотные приводы с полупровод­никовыми преобразователями, при­менение которых значительно по­вышает экономическую эффектив­ность регулирования параметров на­соса.

Регулирование частоты вращения ротора фазного асинхронного элек­тродвигателя возможно также с по­мощью каскадного соединения его с другими машинами. Различают два типа каскадного соединения:

электромеханический каскад — энергия скольжения с ротора регу­лируемого электродвигателя через выпрямитель подается на якорь двигателя постоянного тока и воз­вращается (за вычетом потерь) на вал регулируемого электродви­гателя с помощью механической связи между ними;

электрический каскад — энергия скольжения с ротора регулируемого

Рис. 2. Регулируемая гидромуфта переменного наполнения

­электродвигателя возвращается непосредственно в электросеть.

Экономическая эффективность этого способа регулирования за последнее время значительно воз­росла в связи с применением полу­проводниковых выпрямителей.

Регулирование частоты вращения рабочего колеса насоса при по­стоянной частоте вращения ротора электродвигателя можно осущест­вить с помощью гидродинамической передачи (регулируемой гидромуфты).

Рабочими элементами гидро­муфты являются колесо центробеж­ного насоса (рис. 2) и колесо турбины, размещенные в общем кор­пусе и предельно сближенные (за­зор 3—10 мм). Рабочее колесо центробежного насоса насажено на ведущий вал (электродвигателя). Колесо турбины закреплено на ведо­мом валу (валу насоса), соосном с ведущим валом. При вращении ведущего вала рабочая жидкость, находящаяся в каналах колеса на­соса, получает приращение меха­нической энергии и передает ее лопаткам колеса турбины. При выходе из колеса турбины рабочая жидкость вновь попадает во вса­сывающие отверстия колеса насоса,и цикл повторяется. Основным способом регулирования частоты вращения ведомого вала является изменение наполнения рабочего про­странства колес гидромуфты жид­костью. Потери в гидромуфте состав­ляют около 2—3 %, поэтому пол­ного равенства между частотой вра­щения ведущего и ведомого вала быть не может.

Разность частоты вращения ве­дущего и ведомого валов, отне­сенная к частоте вращения веду­щего вала, называется скольжением гидромуфты:

S = (n₁—n₂)/n₁,

где n₁ — частота вращения ведущего вала (двигателя);

n₂ — то же, ведомого вала (насоса).

Следовательно, частота враще­ния ведомого вала: n₂ = _г · n₁ или _г = n₂/n₁ (1)

Из выражения (1) следует, что потери энергии в гидромуфте увеличиваются с уменьшением пе­редаточного числа, т. е. они увеличиваются при возрастании глубины регулирования. Это обстоятельство является недостатком гидравли­ческих муфт. Кроме того, гидравли­ческие муфты конструктивно более сложны, чем насосы, и имеют слиш­ком большие размеры, почти оди­наковые с размерами насосов.

Регулирование включением сопротивления в цепь ротора асин­хронного электродвигателя и регу­лирование с помощью гидромуфты экономически равноценны, так как в том и другом случае по­тери энергии привода прямо пропор­циональны передаточному числу (п₂/п\).

Основным достоинством регули­рования частоты вращения с по­мощью гидромуфт является бес­ступенчатое, автоматическое и быст­рое изменение частоты вращения ведомого вала.

В последнее время созданы новые системы регулируемого электро­привода, которые могут быть при­менены для изменения частоты вра­щения рабочего колеса центробеж­ного насоса. К ним относятся при­воды с электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС). Электромагнит­ная муфта состоит из двух вращающихся частей — индуктора и якоря. Якорь жестко соединен с валом электродвигателя, имеющим по­стоянную частоту вращения, а ин­дуктор — с валом насоса. Якорь и индуктор максимально сближены и имеют между собой небольшой воздушный зазор. При отсутствии электротока в обмотке индуктора крутящий момент электродвигателя не передается на вал насоса. При включении индуктора возникает электромагнитное поле, под воз­действием которого индуктор с не­которым скольжением вращается вслед за якорем и передает кру­тящий момент от электродвигателя рабочему колесу насоса. Частота вращения индуктора зависит от силы тока возбуждения.

В нашей стране выпускаются асинхронные, панцирные, индуктор­ные и порошковые ЭМС. Анализ механических характеристик и конструкций ЭМС показывает, что в системах водоснабжения и канализации наиболее приемлемы ЭМС индукторного типа, коэф­фициент полезного действия кото­рых при полном возбуждении ЭМС составляет 0,98.

Регулирование параметров на­соса изменением геометрии про­точных каналов применяется в осевых насосах типа ОП (измене­ние угла установки лопастей ра­бочего колеса ).

Регулирование режима работы насоса изменением кинематики по­тока на входе в рабочее колесо насоса осуществляется установкой поворотно-лопастного направляю­щего аппарата у входа в рабочее колесо.

Поворотно-лопастный направ­ляющий аппарат изменяет мо­мент скорости (закрутку) потока на входе в рабочее колесо. При этом закрутка по направлению вра­щения рабочего колеса (положи­тельная) уменьшает напор насоса, а против вращения (отрицательная) увеличивает напор. Этот способ регулирования допускает измене­ние подачи на 25 % при" пониже­нии напора на 15 % и уменьшении потребляемой мощности на 30 % номинальной. КПД насоса при ука­занной глубине регулирования снижается на 2—3 %. Регулирова­ние параметров насоса входным направляющим аппаратом наиболее эффективно в системах с малым статическим напором.

На основании анализа работ по регулированию частоты вращения рабочего колеса центробежного на­соса можно сделать следующие выводы:

1. Применение регулируемого привода значительно повышает эко­номические показатели насосных станций — экономия электроэнергии достигает 10—15 %.

2. Применение регулируемого центробежного насоса позволяет уменьшить число насосов на на­сосных станциях.

3. На группу из трех-четырех рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос.

4. Из существующих способов регулирования электропривода следует рекомендовать привод с ЭМС индукторного типа, каскадные приводы различных типов и много­скоростные электродвигатели. Кас­кадные приводы следует приме­нять для регулирования мощных агрегатов на крупных насосных станциях. На средних и малых на­сосных станциях более целесообраз­но применять простые и дешевые приводы с ЭМС индукторного типа и частотные.

5. Применение входных направ­ляющих аппаратов экономически целесообразно и конструктивно осуществимо на крупных насос­ных агрегатах в системах, где ста­тический напор составляет незна­чительную часть напора насоса.

Влияние изменения уровня воды в источнике и напором