Тема 16. Питання енергозбереження в автоматизованих електромеханічних системах

8.1. Системи автоматизації насосних установок

Перш ніж розглядати питання, пов'язані з роботою насосних установок, зупинимося на деяких загальних термінах.

Насос (Н) — гідравлічна машина, яка забезпечує необхідне пе­реміщення речовини (рідини).

Насос + ЕП - насосний агрегат (НА).

Насосна установка (НУ) — комплекс НА (одного або кількох) + трубопроводи + запірна та регулювальна (керуюча) апаратура.

Насосна станція (НС) одна або кілька НУ + допоміжна систе­ма + будівля.

Схему насосної установки наведено на рис 6 5 На схемі позначено: Н — насос з електроприводом; ВС — всмоктувальний трубопровід; НГ — нагнітальний трубопровід.

Крім того, на схемі зображено такі фізичні величини: О — по­дача насоса (об'єм рідини, який перекачує насос в одиницю часу); Н — напір (тиск) (різниця питомих енергій рідини в напірному та всмоктувальному трубопроводі, необхідна для підйому рідини на задану висоту іа подолання сил тертя в трубопроводі).

Напір становить

  (6.11)

де Нвс - висота всмоктування, м; Ннг - висота нагнітання; DH втрати напору в магістрі, шо визначаються опором транспортуванню рідини, м.

Також слід зазначити, шо Нвс+ Ннг становлять геодезичну висоту. Режим роботи насосних установок залежить від їх функціональ­ного призначення і зазвичай змінюється протягом доби від Qmax до Qmin то визначається відповідними графіками (характеристики Q ‒ H). На рис. 6.6 також позначено H01,  Н03 початкові (фіктивні) напори.

Залежність ККД насоса n =f(Q) в межах робочої зони насоса (а‒ б) відповідно до характеристики насоса З наведено на рис 6.6.

При зростанні водоспоживання збільшуються подача насоса та втрати тиску в мережі. Для компенсації втрат тиску збільшують тиск насосної установки.

Вид характеристик Q—Н залежить від конструктивних особли­востей насоса (1 — пологі характеристики; 2 — крутоспадаючі; 3 - з наростаючими та спадаючими частинами) та його швидкості w (1- Характеристики при w=wном ; 1' - при w<wн )

Значення величини Н при Q=0 називають фіктивним та позначають Нф.  У межах рекомендованих подач Q існує залежність

Де Sф - Фіктивний гідравлічний опір насоса.

Відношення фіктивного значення Нф до номінального         визначає крутість напірної характеристики насоса. Нф′=Нф/Нном

Для більшості відцентрових насосів Нф′≈ 1,25 (для чистої води) і Нф′≈ 1,45 (для стічної води).  Для осьових насосів (крутість характеристик найбільша) Нф′≈ 2,0. Для них характеристики Q—Н мають точки перегину (характерис­тика 3).

Залежність між подаванням рідини через трубопровід і напором (тиском), який потрібно мати для забезпечення необхідної подачі, називають характеристикою трубопроводу. Рівняння цієї характе­ристики таке:

 (6.14)

Де H0 - напір на початку трубопроводу; Нст ‒ статичний напір, який зумовлюється геодезичними параметрами; S — гідравлічний опір трубопроводу.

Перетин характеристик Q—H насоса та трубопроводу визначає робочу точку насоса (рис. 6.7).

При характеристиці трубопроводу Г, робочою точкою насосно­го агрегата є Я,.

На рис. 6.7 позначено: Нст1, Нст2, Н02 початкові (фіктивні) напори відповідних характеристик трубопроводів Т1, Т2  і насоса.

Найекономічнішим є режим роботи насоса, коли подача і напір У робочій точці характеристики відповідають максимальному зна­ченню ККД (nmax). Практично припустимим також є вибір робочої точки в межах деякої зони, що відповідає незначним відхиленням ККД від nmax. На характеристиці Q -Н вона обмежена вертикальними штриховими рисками.

Вихід за межі даної зони призводить не тільки до різкого зменшення ККД, а й до можливості виникнення неприпустимих ре­жимів — кавітації та помпажу.

Кавітація полягає в появі «пухирців», може призвести до механічних пошкоджень лопаток робочого колеса і корпусу насоса

 

П о м п а ж виникає за наявності в характеристиці насоса Q-H зростаючої і спадної частин. Так, за характеристики трубопроводу Т2, маємо дві точки перетину а і в з характеристикою насоса.

У разі помпажу режим роботи насоса зі змінними параметрами, які відповідають переходу з точки а в точку в або у зворотному на­прямі, буде нестійким

На практиці може виникати потреба в зменшенні або збіль­шенні продуктивності насоса залежно від витрат. Керування про­дуктивністю зумовлює відповідну зміну напору (рис. 6.8). На цьому рисунку позначено: / характеристика Q—H насоса; 2— початко­ва характеристика трубопроводу; З характеристика трубопроводу при зменшенні його перерізу засувкою; 4- проміжна характерис­тика Q—H  насоса.

Керування насосом можна виконати двома основними шляхами:

• зміною ступеня відкриття засувки в напірній лінії, що веде до зміни її опору та характеристики і відповідної зміни режиму роботи насоса.

•  зміною частоти обертання робочого колеса насоса. Наприклад,  якщо зменшити відповідно частоту обертання насоса то можна одержати його характеристику Q—Ну вигляді характеристики 4. При цьому робоча точка А, що  визначається ха­рактеристикою 2,   дасть змогу одержати необхідну продук­тивність насоса Q2 при значно меншій величині напору (H4). Враховуючи те, шо потужність двигуна насоса і відповідні вит­рати електричної енергії пропорційні добутку продуктивності й напору, при керуванні режиму роботи насоса за допомогою засувок у трубопроводі величина необхідної потужності буде пропорційною площі прямокутника 0-02—А2—Нг При керуванні частотою обер­тання насоса необхідна потужність буде істотно меншою і визнача­тиметься величиною, пропорційною плоші прямокутника 0— Q2— А4‒Н4.

Отже, керування продуктивності насоса за допомогою зміни частоти обертання приводного двигуна є економічним, тому саме йому надається перевага на практиці. Крім того, режим роботи відцентрових насосів може керуватися напрямними апаратами, які встановлюють на вході в насос, та за допомогою інших способів.

Осьові насоси керують за допомогою зміни кута нахилу робочих лопаток. Для окремих типів установок є технічні рішення, які да­ють змогу виконувати керування продуктивністю за допомогою зміни кута нахилу робочих лопаток під час роботи відповідної уста­новки.

Рис. 6.8