Обзор способов регулирования работы насосов

При частотном регулировании ЭД получает питание от сети через преобразователь частоты (ПЧ). Частотный преобразователь повышает управляемость магистрального насоса по параметрам технологического режима, позволяет минимизировать установленные на НПС мощности. Частотный преобразователь обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в диапазоне 1500-3000 об/мин.
Для частотно-регулируемых электроприводов в номинальном режиме К.П.Д. составляет не ниже 96% и в рабочем диапазоне практически не снижается. Несмотря на их высокую стоимость в сравнении с другими способами частотного регулирования, использование приводов насосных агрегатов на базе преобразователей частоты (ПЧ) целесообразно там, где необходимо плавное регулирование в широком диапазоне при постоянно меняющихся уровнях нагрузки. КПД преобразователя частоты мало зависит от частоты вращения вала электродвигателя и для различных от моделей приводов, составляет 94-98%. Так же в работе [2] авторы выявил то, что при использовании ЧРП вместо регуляторов давления КПД насосов повышается. Это повышение тем больше, чем меньше насосов участвуют в перекачке. Наибольшее значение КПД регулируемые насосы имеют в режимах, когда в перекачке участвует один магистральный насос. В этих режимах КПД может повышаться на 18%. A когда в перекачке участвуют 2 насоса КПД повышается на 4 – 6%, а в режимах когда 3 насоса – на 1-2%. В других режимах (4 насоса и более) использование ЧРП практически не повышает КПД насосов. В таких режимах использование ЧРП не целесообразно. Установка ЧРП в этих случаях может привести к повышению расхода электроэнергии за счет потерь мощности в преобразователях частоты.
Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает плавный пуск двигателя центробежного насоса с током, не превышающий номинального. Для гидромуфт ток при прямом пуске в 5 – 7 раз больше номинального, даже когда двигатель пускается без нагрузки. При прямом пуске без использования частотно-регулируемого электропривода создаются ударные воздействия на лобовые части обмоток статора и питающую сеть, вызывающие сокращение срока службы электрооборудования и увеличивающие расходы на ремонт.
ЧРП обеспечивает высокую точность управления основными технологическими параметрами насоса – подачей и напором (давлением) по сравнению с другими средствами регулирования. Механические средства имеют изначально люфт. Например, для задвижек, из-за наличия трущихся компонентов он составляет примерно 2%. Эти люфты в процессе эксплуатации возрастают из-за износа механических частей, засорения и т.д.
ЧРП обеспечивают цифровую коммуникацию и хорошую совместимость с АСУ ТП верхнего уровня (SCADA). Это позволяет не только обеспечить более точные сигналы для привода, но и проводить мониторинг таких данных двигателя в режиме реального времени, как скорость, мощность, ток, напряжение, температура, неисправности и т.д., отображать их на дисплее оператора, быть составной частью интегральной автоматизированной системы предприятия.
При работе с гидромуфтой двигатель всегда вращается с полной скоростью и выделяет тепло в соответствии с текущим значением к.п.д. – при работе в составе ЧРП двигатель вращается с переменной скоростью, при этом уровень напряжения и частоты меньше, чем у источника питания. В результате меньшее выделение тепла из-за меньших потерь энергии в двигателе. Увеличивается срок службы подшипников двигателя пропорционально седьмой степени снижения частоты. Поэтому в результате обеспечивается больший срок службы двигателя.
Для ЧРП возможен уход от критических частот. Чего в свою очередь гидромуфта обеспечить не может.
В случае неисправности или нерабочего состояния гидромуфты, нагрузка не может быть быстро подключена напрямую к двигателю и технологический процесс должен быть остановлен. В случае неисправности или нерабочего состояния ЧРП двигатель может быть подключен напрямую от сети при помощи байпаса и технологический процесс не останавливается.
В ЧРП имеется встроенная защита двигателя с функцией защиты от тепловой перегрузки, перегрузки по току и т.д. Не требуется отдельная релейная защита. Для гидромуфт требуется отдельная от устройств релейной защиты.
Электродвигатель гидромуфты не вносит гармонических искажений питающую сеть. частотно-регулируемый электропривод вносит гармонические искажения в питательную сеть. Однако, для современных частотно-регулируемых электроприводов уровни этих искажений являются минимальными и соответствуют нормам электромагнитной совместимости.
Так же к недостаткам ЧРП можно отнести то, что ЧРП требует площадь для размещения в 4-6 раз больше, чем гидромуфта.
Частотное регулирование применяется на объектах трубопроводного транспорта нефти в составе привода магистральных насосных агрегатов (МНА). Помимо описанного ранее увеличения экономичности за счет исключения потерь, связанных с дросселированием и увеличения энергоэффективности насосной системы в целом, оно дает еще ряд важных преимуществ, таких как:
1. Возможность осуществления регулирования как минимальных, так и максимальных значений рабочего давления на входе магистрального насосного агрегата (МНА), поэтому для раскладки труб при работе на следующую НПС, это дает возможность использовать трубы с меньшей толщиной стенки, рассчитанные на меньшее давление. Таким образом, следует отметить, что при осуществлении данных манипуляций происходит снижение общей металлоемкости строительства нефтепровода.
2. Регулирование частоты позволяет уменьшить количество сменных роторов насоса, необходимых для изменения его режима работы. Уже имеющиеся в наличии роторы могут использоваться в более широком диапазоне подач, в том числе при частотах вращения выше номинальной.
3. Плавный пуск предотвращает превышение величины номинального тока двигателя, что ведет к снижению нагрузки на пускорегулирующую аппаратуру и электрическую сеть, соответственно при использовании ЧРП не требуется установка дополнительного устройства плавного пуска двигателя.
4. Наличие ЧРП позволяет отказаться от двух видов защит магистрального насоса:
предупредительной защиты по коллекторному давлению;
аварийной защиты по коллекторному давлению.
Это повышает устойчивость работы нефтепровода.
При традиционной системе, с регулятором давления и постоянной частотой вращения насоса, давление в коллекторе НПС (до узла регулирования) должно быть на 1,0 - 1,5 МПа выше рабочего давления в магистральном нефтепроводе. Использование частотного регулирования позволяет иметь давление на выходе агрегата, равным давлению выхода из НПС. Тем самым сокращается количество оборудования НПС, уменьшается число насосных станций.
Предельное давление корпуса магистрального насоса, которое традиционно определяется величиной давления на закрытую задвижку, может быть уменьшено до величины рабочего давления, поскольку с применением резервирования всегда можно его снизить при малых подачах. При этом значительно снижается металлоемкость насосов и другого оборудования НПС.
5. ЧРП можно использовать для перераспределения потоков нефти, когда необходимо сбрасывать часть нефти на другие направления, при этом сброс может быть как постоянным, так и переменным. Традиционно, для этой задачи используются емкости объемом 0,3 – 0,5 суточной подачи с подпорными насосами, а регулирование расхода по различным направлениям осуществляется либо дросселированием, либо ступенчатым регулированием путем включения/выключения необходимого числа насосов. Применение частотного регулирования – более экономично и позволяет отказаться от емкости, либо использовать емкости значительно меньшего объема.
6. Очевидны преимущества применения ЧРП для поддержания режимов перекачки, связанных с резким изменением реологических свойств перекачиваемой среды (плотности, вязкости). Например, если один из участков нефтепровода начал перекачивать нефть с большей плотностью или вязкостью, и для этого требуется увеличить давление – это легко сделать, изменяя частоту вращения насосного агрегата.
В настоящее время, при строительстве новых нефтепроводов планируется использование частотного регулирования также и на подпорных насосных агрегатах, в этом случае удастся получить следующие преимущества:
1. Регулирование подачи разных сортов нефти при их смешивании с целью получения заданной плотности или вязкости.
2. Возможность работы без МНА в режиме регулирования для начальных этапов развития нефтепровода.
3. Возможность работы МНА в условиях малых требуемых давлений на выходе НПС, с учетом необходимости перераспределения напора между подпорным и магистральным агрегатами.
4. Возможность использования этих же насосов для внутрипарковой перекачки нефти.
Таким образом, использование ЧРП значительно расширяет возможности магистральных и подпорных насосных агрегатов, позволяет на их основе реализовывать новые, более удобные технологические схемы. А подключение ЧРП и управление им через систему верхнего уровня, позволяет повысить уровень автоматизации НПС в целом.

Регулирование работы центробежного насоса путем подачи воздуха во всасывающий трубопровод
Из практики эксплуатации известно, что подача, напор и КПД центробежного насоса при работе на водовоздушной смеси уменьшаются по сравнению с этими же параметрами насоса, перекачивающего воду.
Эксперименты, проведенные рядом авторов и полученные нами данные показывают, что при работе насоса на газожидкостной смеси происходит значительное снижение напора. Кривые H-Q постепенно снижаются и сжимаются к центру. При этом происходит относительно небольшое снижение мощности, следовательно, происходит возрастание гидравлических потерь. Многие авторы связывают данное явление с появлением дополнительных затрат энергии на сжатие газа, увеличением вихревых зон, стеснением каналов рабочего колеса и ухудшением обтекания лопаток.
Испытания проводились на базе РГАУ-МСХА им К.А. Тимирязева, на кафедре сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения. Схема стенда для испытаний центробежного насоса приведена на рисунке 2.4.
Измерения проводились для двух различных случаев:
- проведение испытаний центробежного насоса без добавления воздуха;
- проведение испытаний центробежного насоса с добавлением различного количества воздуха.


Рисунок 2.4 – Схема стенда для испытаний центробежного насоса: 1 – насос; 2 – электродвигатель; 3 – подземный бассейн; 4 – приемный клапан; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – напорный трубопровод; 7 – задвижка; 8 – напорный бак; 9 – треугольный водослив; 10 – пьезометрический стакан с шпиценмасштабом; 11 – сбросной трубопровод; 12 – манометр; 13 – вакуумметр; 14 – ротаметр

Установка для испытания центробежного насоса (рис. 2.5) является установкой открытого типа, т.е. забирает воду из открытого резервуара и подает ее по напорному трубопроводу в открытый резервуар. Воздух подавался через прибор ротаметр в количестве 0,5; 1; 1,5; 2 л/мин.
При проведении опытов измерялись такие параметры, как вакуум на входе в насос, давление на выходе из насоса, потребляемая мощность, подача насоса (при помощи треугольного водослива), подача воздуха. Режим работы насоса изменялся при помощи задвижки на напорном трубопроводе.
Данные, полученные в результате проведения опытов, сведены в таблицы 2.1-2.4. Подача насоса регулировалась дросселлированием задвижки на напорном патрубке.
После обработки экспериментальных данных построены кривые Н – Q, N – Q, h – Q при работе с различным воздухосодержанием на входе в рабочее колесо.


Рисунок 2.5 - Стенд для проведения параметрических испытаний центробежного насоса

Таблица 2.1 - Результаты измерений работы центробежного насоса с добавлением воздуха 0,5 л/мин
Показания приборов Ед. измер. № опытов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Вакууметра Pv атм 0,60 0,43 0,35 0,31 0,27 0,25 0,23 0,20 0,18 0,18 Манометра Pм атм 0,20 2,20 2,50 2,65 2,80 2,90 2,97 2,90 2,80 0,00 Ваттметра W кВт 0,80 0,88 0,81 0,79 0,74 0,70 0,68 0,62 0,59 0,50 Расходомера л/с 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,00 Частотомера об/мин 2950 2945 2947 2948 2956 2952 2962 2962 2966 2965
Таблица 2.2 - Результаты измерений работы центробежного насоса с добавлением воздуха 1,0 л/мин
Показания приборов Ед. измер. № опытов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Вакууметра Pv атм 0,60 0,41 0,35 0,30 0,27 0,25 0,23 0,20 0,18 Манометра Pм атм 0,20 2,20 2,50 2,60 2,80 2,80 2,70 2,67 0,00 Ваттметра W кВт 0,79 0,87 0,80 0,78 0,73 0,70 0,65 0,61 0,58 Расходомера л/с 5,00 4,%0 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Частотомера об/мин 2950 2946 2946 2947 2954 2955 2960 2961 2963
Таблица 2.3 - Результаты измерений работы центробежного насоса с добавлением воздуха 1,5 л/мин
Показания приборов Ед. измер. № опытов 1 2 3 4 5 6 7 8 Вакууметра Pv атм 0,60 0,42 0,35 0,31 0,25 0,23 0,20 0,20 Манометра Pм атм 0,20 2,20 2,50 2,60 2,65 2,55 2,55 2,40 Ваттметра W кВт 0,79 0,86 0,80 0,78 0,71 0,68 0,65 0,60 Расходомера л/с 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 Частотомера об/мин 2952 2944 2946 2949 2953 2953 2964 2965
Таблица 2.4 - Результаты измерений работы центробежного насоса с добавлением воздуха 2,0 л/мин
Показания приборов Ед. измер. № опытов 1 2 3 4 5 6 7 Вакууметра Pv атм 0,55 0,41 0,34 0,32 0,25 0,23 0,20 Манометра Pм атм 0,20 2,!5 2,50 2,40 2,65 2,35 2,40 Ваттметра W кВт 0,79 0,85 0,80 0,75 0,71 0,68 0,65 Расходомера л/с 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 Частотомера об/мин 2952 2948 2948 2953 2954 2958 2965
Результаты испытаний центробежного насоса и всасывающей линии приведены на рисунке 2.6.
Из рисунка 2.6а следует, что кривая напора опускается ниже и сжимается к центру при добавлении большего количества воздуха. При этом мощность остается неизменной, а КПД немного снижается при увеличении воздуха. На рисунке 2.6б отчетливо видим, что при увеличении количества впускаемого воздуха возрастают гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.
С увеличением количества вводимого воздуха отмечена нестабильная работа насоса, и предположительно – возникновение кавитации.


Рисунок 2.6 - Результаты испытаний центробежного насоса 2К-20/30: а – графические характеристики энергетических параметров центробежного насоса 2К-20/30 при добавлении воздуха; б – основные параметры всасывающего трубопровода при добавлении воздуха

Рассматривая рабочую зону работы центробежного насоса, можно заметить, что регулирование впуском воздуха при изменениях подачи в пределах рекомендуемой зоны (от 11,5 до 15,5 м3 /ч) не приводит к возникновению кавитации и нарушению сплошности потока. При увеличении количества впускаемого воздуха работа насоса становится неустойчивой, появляется опасность разрыва водяного столба во всасывающей линии и, как следствие, срыв работы насоса.
При необходимости можно расширить рабочий интервал как в меньшую, так и в большую стороны (при подаче от 8 до 18 м3 /ч), с условием предотвращения возникновения кавитации и разрыва водяного столба, однако такое решение неизбежно приводит к резкому уменьшению КПД.
Поскольку рабочая зона не кавитирует, метод регулирования работы центробежного насоса путем впуска воздуха во всасывающий патрубок является аналогичным методу регулирования задвижкой на всасывающем трубопроводе.
По итогам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы.
Регулирование центробежных насосов пуском воздуха не требует больших затрат на установку и эксплуатацию оборудования.
Производить регулирование работы центробежного насоса можно в пределах рекомендованной зоны, обусловленной снижением коэффициента полезного действия не более чем на 8% от максимального.
Регулирование в границах рекомендуемой зоны, определяемой кавитационным запасом, не приводит к возникновению кавитации.
Данный способ регулирования в границах рекомендованной зоны позволяет регулировать напор в больших пределах: от 25 м3 /ч до 30 м3 /ч – при минимальной потере КПД.

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
Внедрение ВПЧ в приводную технику может принести заметный экономический эффект не только от экономии энергии, но и от автоматизации управления и увеличения срока службы системы в целом. Главное, на стадии выработки решения грамотно рассчитать ожидаемый результат, выбрав оптимальное техническое решение. Бездумное внедрение ВПЧ может наоборот привести либо к увеличению сроков окупаемости, либо даже к убыточности решения.
Следовательно, в рамках данной работы были рассмотрены специфические способы регулирования деятельности насосов в системах водоснабжения.

Список использованных источников

Али М.С., Бегляров Д.С., Чебаевский В.Ф. Насосы и насосные станции: Учебник. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2015. - 330 с.
Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М.: Машиностроение, 2013. - 176 с.
Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: учебник для теплоэнергетических специальностей вузов / В.М. Черкасский - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.











4



15