1. 22. Фактическая подача насоса На основании формулы:

напор насоса можно выразить как функцию подачи:

или

, (22.1)

где и - приведенные сопротивления всасывающего и напорного трубопровода.

Из формулы (22.1) следует, что напор в точке выхода жидкости из насоса равен напору, развиваемому насосом и уменьшенному на величину потерь во всасывающем трубопроводе.

Графическая характеристика насоса Q - H, построенная с учетом потерь во всасывающем трубопроводе, называется приведенной характеристикой.

Для построения графической характеристики всасывающего трубопровода можно воспользоваться уравнением:

.

При заданном расчетном расходе определяют потери во всасывающем трубопроводе, которые можно выразить как функцию подачи:

. (22.2)

Задаваясь подачей , получим:

. (22.3)

Разделив левые и правые части равенств (22.2) и (22.3), получим:

.

Приняв ряд значений , рассчитываем соответствующие потери .

В координатной сетке Q – H от линии Н_Г откладывают ординаты, соответствующие рассчитанным потерям. Соединяя точки плавной кривой, получают параболическую кривую, т. е. графическую характеристику Q – H_ВС.ТР всасывающего трубопровода.

Вычитая ординаты кривой Q – H_ВС.ТР из ординат кривой Q – H насоса и соединяя найденные точки плавной кривой, получим характеристику Q - H^ насоса, приведенную к точке входа жидкости в насос и исправленную на потери во всасывающем трубопроводе.

Подобные расчеты можно произвести и для напорных коммуникаций насосной станции. Введя поправку в приведенную характеристику Q - H^ на потери в напорных коммуникациях, получим характеристику Q - H^, приведенную к точке выхода напорных водоводов из насосной станции.

Аналогично можно построить графическую характеристику системы «водоводы – сеть»:

,

где

Складывая значения потерь напора, полученные для ряда принятых подач, с геодезической высотой подъема воды, получим графическую характеристику системы «водоводы – сеть» Q – H_ТР, имеющую форму параболы с вершиной на оси ординат.

Вершина параболы имеет координаты и .

Точка 1 пересечения характеристики насоса Q - H^ с характеристикой системы Q – H_ТР является режимной точкой работы насоса.

Координаты этой точки соответствуют фактической подаче и фактическому требуемому напору при работе насоса на систему «водоводы – сеть».

1.23. Регулирование работы насосов

(регулирование подачи центробежных насосов)

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.

Работа системы «насос – сеть» может регулироваться:

• изменением характеристики сети;

• изменением частоты вращения рабочего колеса насоса;

• изменением геометрии проточных каналов насоса;

• изменением кинематики потока на входе в рабочее колесо.

1 – й способ

Одним из наиболее распространенных методов изменения характеристики сети является способ дросселирования задвижкой, установленной на напорной линии насоса.

Установка 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 сети поднимается более круто и пересекает характеристику насоса в режимной точке 2, соответствующей требуемой подаче (см. рисунок).

При этом требуемый напор в системе равен , а насос развивает напор .

Следовательно, энергия, теряемая вследствие увеличения местного сопротивления в задвижке равна:

,

где

Полезная мощность насоса для обеспечения работы в точке 3 равна:

.

Затрачиваемая мощность насосной установки в этом случае:

.

Тогда КПД насосной установки:

,

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.

2 –й способ

Для устранения неустойчивой работы насосов применяют регулирование подачи насоса перепуском жидкости из напорной линии во всасывающую линию.

Достоинства способа регулирования:

• перепуск жидкости улучшает кавитационные качества насоса.

Недостатки способа регулирования:

• наличие циркуляции снижает КПД системы;

• требуется устройство циркуляционного трубопровода;

• требуется установка дополнительной арматуры;

• усложняется компоновка машинного зала насосной станции.

В силу большого числа недостатков данный способ не получил распространения в практике городского водоснабжения.

3 –й способ

Способ регулирования подачи впуском воздуха во всасывающий трубопровод.

Достоинства способа регулирования:

- является более экономичным, чем дросселирование.

Недостатки способа регулирования:

• позволяет только ограниченно изменять подачу из-за резкого ухудшения кавитационных качеств насоса;

• в системах водоснабжения этот способ вообще не применим, так как нельзя подавать в сеть воду, смешанную с большим объемом воздуха.

4 –й способ

Регулирование режима работы насоса изменением частоты вращения рабочего колеса.

Частоту вращения рабочего колеса насоса можно изменять применением двигателей с переменной частотой вращения:

• электродвигатели постоянного тока;

• электродвигатели переменного тока с переключением обмотки на различное число пар полюсов;

• коллекторные электродвигатели;

• паровые и газовые турбины;

• двигатели внутреннего сгорания.

Короткозамкнутые асинхронные электродвигатели, широко применяемые на насосных станциях, не допускают изменения частоты вращения.

В этом случае для изменения частоты вращения рабочего колеса насоса можно:

• соединить насос и электродвигатель с помощью регулируемой гидромуфты;

• соединить насос и электродвигатель с помощью регулируемой электромагнитной муфты скольжения (ЭМС);

• применить асинхронный двигатель с вентильнокаскадным преобразователем;

• ввести сопротивление (реостат) в цепь фазного ротора асинхронного электродвигателя переменного тока;

• применить асинхронные электродвигатели, имеющих обмотку на статоре, которая переключается во время работы двигателя на различное число пар полюсов. Двигатели этого типа выпускают двух-, трех- и четырехскоростными;

• изменять частоту тока для изменения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя.

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

Рабочими элементами гидромуфты являются:

• колесо центробежного насоса;

• колесо турбины.

Оба колеса размещены в общем корпусе и предельно сближены (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 энергии в гидромуфте составляют 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.

,

где n₁ – частота вращения ведущего вала (двигателя);

n₂ – частота вращения ведомого вала (насоса).

Частота вращения ведомого вала равна:

или .

Из последнего выражения следует, что потери энергии в гидромуфте увеличиваются с уменьшением передаточного числа, т. е. они увеличиваются с увеличением глубины регулирования.

Достоинства гидравлических муфт:

• бесступенчатое, автоматическое и быстрое изменение частоты вращения ведомого вала.

Недостатки гидравлических муфт:

• уменьшение КПД при увеличении глубины регулирования;

• они конструктивно более сложны, чем насосы;

• они имеют большие размеры, соизмеримые с размерами насосов.

Регулирование включением сопротивления в цепь ротора асинхронного электродвигателя и регулирование с помощью гидромуфты экономически равноценны.

Регулирование частоты вращения рабочего колеса насоса электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС)

Электромагнитная муфта состоит из двух вращающихся частей – индуктора и якоря. Якорь жестко закреплен с валом электродвигателя, имеющим постоянную частоту вращения, а индуктор с валом насоса.

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 ЭМС:

• асинхронные;

• панцирные;

• индукторные;

• порошковые.

В системах ВиВ наиболее приемлемы ЭМС индукторного типа, для которых КПД может достигать 0,98.

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 имеют приоритет:

• привод с ЭМС индукторного типа (для средних и малых агрегатов);

• каскадные приводы различных типов (для мощных агрегатов);

• многоскоростные электродвигатели;

• частотное регулирование (для средних и малых агрегатов).

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

24. ВЛИЯНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОИСТОЧНИКА НА РЕЖИМ РАБОТЫ НАСОСОВ

Геометрическая высота подъема воды насосов, устанавливаемых на насосных станциях 1 – го подъема, зависит от разности уровней воды в источнике и в смесителе водопроводных очистных сооружений.

Уровень воды в поверхностных источниках не остается постоянным в течение года.

Рассмотрим режим работы насоса при изменении уровня воды в источнике от минимального уровня до максимального уровня.

На рисунке приведены характеристики насоса и характеристика напорного водовода (при геометрической высоте подъема ).

Точка А пересечения характеристик насоса и водовода соответствует режиму работы системы «насос-водовод» при минимальном уровне воды в источнике.

Координаты точки А должны удовлетворять требуемым подаче и напору . Потребляемая мощность в этом режиме работы будет и КПД .

С повышением уровня воды в водоисточнике геометрическая высота подъема , равная разности отметок уровней свободных поверхностей воды в источнике и в смесителе, будет уменьшаться, т. е.

и

,

где - отметка уровня воды в смесителе;

- низкий уровень воды в источнике;

- высокий (паводковый) уровень воды в источнике.

Потери напора в трубопроводе практически остаются постоянными при данном расходе.

Из анализа уравнения характеристики трубопровода следует, что есть координата вершины квадратичной параболы при .

Следовательно, при уменьшении уменьшается координата вершины характеристики трубопровода на величину повышения уровня воды в источнике, т. е. ,

и .

В этом случае режим работы системы «насос – сеть» характеризуется новой режимной точкой Б, имеющей координаты , , и .

Следовательно, при повышении уровня воды в источнике:

• напор насоса уменьшается;

• подача и мощность увеличиваются;

• КПД насоса снижается.

Увеличение мощности насоса вызывает перегрузку электродвигателя, его нагрев и уменьшение КПД двигателя, что может привести к выходу двигателя из строя.

Во избежание перегрузки двигателя необходимо регулировать подачу насоса.

При значительных колебаниях уровня воды в источнике целесообразно применять насосы с крутопадающей характеристикой , при которой изменение подачи и мощности насоса будет меньше, чем при пологой характеристики.

Однако надо иметь в виду, что такие насосы имеют небольшую рабочую часть характеристики и изменение уровня воды может привести к работе насоса вне рекомендуемого поля.

Если насосы подают воду в резервуары, то в момент повышения уровня воды в источнике следует рекомендовать поддерживать максимально возможный уровень воды в резервуаре.

Это мероприятие позволяет снизить увеличение мощности электродвигателя, т. е. его перегрузку.

25. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СЕТИ НА РЕЖИМ РАБОТЫ НАСОСОВ

Рассмотрим метод графического определения режима работы насоса, имеющего восходящую характеристику, на водонапорную башню.

Характеристики трубопровода А – Б, А₁ – Б₁ и А₂ – Б₂ построены для соответствующих уровней воды в баке (минимальном – среднем – максимальном) при геометрических высотах подъема Н_Г0, Н_Г1 и Н_Г2 .

Система работает в режимных точках 0, 1 и 2.

Из анализа графика работы системы «насос – сеть» следует, что при увеличении уровня воды в баке вследствие саморегулирующей способности насоса напор его увеличивается, а подача и мощность уменьшаются.

При увеличении геометрической высоты подъема до Н_Г2 подача насоса Q₂ меньше критической подачи Q_КР и режим работы насоса будет находиться в области неустойчивой работы.

Следовательно, насосы, работающие на напорные резервуары и безбашенные системы водопроводной сети должны иметь пологие характеристики без западающей (восходящей) ветви.

При анализе режима работы насоса необходимо уточнять продолжительность работы насоса при различных уровнях воды в баке и в зависимости от этого подбирать насос с оптимальным КПД на диктующий уровень воды в баке.