www.bgremonti.com
ПРАКТИЧЕСКИ СПОСОБИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА ДЕБИТА НА ПОМПИ
Регулиране се нарича изменението на характеристиката на помпата или тръбопровода, което се прави,
за да се получи желана стойност на дебита.
По данни на Европейската комисия (European Commission SAVE Study on Pumps), показва, че в световен мащаб 22%
от електрическата енергия, използвана в електрозадвижвания, се консумира от различните помпени системи в
индустрията и комунално-битовия сектор. Анализи свидетелстват, че в някои предприятия този показател надхвърля 50%.
Делът на турбопомпите (основно центробежните) от цялото количество консумирана енергия е 73%, а на обемните помпи
(бутални, зъбни, винтови, пластинкови, мембранни, перисталтични и др.) - 27%.
Двата типа машини имат съществено различаващи се характеристики,
което обуславя значителни разлики при работата им в помпените уредби,
включително и при изменение на честотата на въртене.
1. Изчислителни параметри на помпите и регулиране на режима на работа
Преоразмеряването на помпите е често срещана практика.
Помпените системи обикновено се оразмеряват за максимално предвиждания дебит, който обаче може никога да не се използва
или е нужен само за много кратки периоди от производствения цикъл.
Преоразмеряването, обикновено 20 %, е често срещано – над 70 %, и може да доведе до значителни загуби на енергия и повреди на елементи от инсталацията. Това налага използването на някои от съществуващите методи за регулиране на производителността,
като оперативен способ за повившаване на енергоефективността, наред с разгледаните вече способи.
Най-широко прилаганите от тях са: дроселираща арматура, байпасен тръбопровод, паралелна работа на различен брой машини
и промяна на честотата на въртене.
Регулирането на дебита чрез изменение на честотата на въртене е най-добрият метод както за турбопомпите,
така и за обемните помпи.
Основни предимства на задвижванията с променлива честота на въртене, приложени в помпените уредби са:
- голям потенциал за икономии на енергия;- повишаване на надеждността;
- намаляване на разходите за експлоатация и поддръжка;
- опростяване на тръбопроводната система (избягва се регулиращата арматура и байпасният тръбопровод);
- плавно пускане и спиране.
Използването им води до значително съкращаване на общите разходи за целия експлоатационен срок.
Съществуват различни технически решения за осъществяване на управляема честотата на въртене,
но безспорно най-доброто решение към настоящия момент са електрическите задвижвания с честотни преобразуватели.
Това задвижване осигурява най-големи възможности за прецизно регулиране, енергийна ефективност и
лесно адаптиране към вече съществуващи помпени агрегати.
Важно е да се има предвид, че работата с променлива честота на въртене не е безусловно подходяща за всички помпени системи. Предимствата на този вид задвижване се проявяват най-пълно при центробежните помпи.
2. Характеристики на тръбопроводната система
Предназначението на една помпена система в повечето случаи е да достави течност от източника до определено място,
например, да се запълни по-високо разположен резервоар или да се осъществи циркулация на течността през системата,
както е в отоплителните и охладителните уредби. За да се реализира протичането на зададен дебит Q през инсталацията,
е необходимо на течността да се отдаде определено количество енергия, т. нар. напор H,
който се изразява най-често в метри течностен (воден) стълб.
Зависимостта на необходимия напор Hs от дебита, т. е. функцията Hs= f(Q),
представлява хидравличната характеристика на системата.
Напорът на системата в най-общия случай има две компоненти.
Едната е постоянна и затова се нарича статичен напор Hstat,
а другата, наречена динамичен напор Hdyn, зависи от протичащия дебит:
Hs = Hstat + Hdyn.
Статичната компонента включва геодезичния напор Hz, който се дефинира като разлика в нивата на нагнетателния и смукателния резервоар при изтичане под ниво, или до изхода на тръбопровода при свободно изтичане. Другата съставляваща е разликата в наляганията на двата резервоара, изразена като напор:
Hstat = Hz + (p2 - p1)/Ro.g.
Динамичният напор включва най-вече всички хидравлични загуби Hv в смукателния и нагнетателния тръбопровод, в регулиращата арматура и в останалите елементи. При свободно изтичане следва да се отчете и нарастването на кинетичната енергия,
изразено като напор и определяно чрез скоростта на изтичане c2: Hdyn = Hv + c2**2/2g.
Течението в индустриалните помпени системи е турбулентно и в този случай, както е добре известно, хидравличните загуби са пропорционални на втората степен на дебита – Hv = µQ**2.
Динамичният напор е в същата зависимост от дебита и може да се изрази като Hs = RQ**2,
където константата R е специфична за всяка инсталация.
Графичното изобразяване на характеристиката на тръбопроводната система се извършва в координати Q и H,
както и характеристиката на помпата (помпите), и в същия мащаб.
Характерно, че става въпрос за парабола, отместена по височина на разстояние Hstat,
която често се нарича характеристична линия на системата.
Във всяка помпена система съотношението между различните компоненти на напора е различно,
като някои от тях могат и да липсват. В част от помпените системи с къси тръбопроводи преобладава статичният напор.
Най-често смукателният и нагнетателният резервоар са отворени към атмосферата и тогава статичният напор е представен само от геодезичната компонента. В затворените циркулационни системи на затоврените отоплителни системи без свободна повърхност на течността съществуват само хидравлични загуби и характеристичната линия на системата представлява парабола, започваща от координатното начало.
По принцип намаляването на статичния напор, доколкото е възможно, минимизира както първоначалната цена на помпената уредба,
така и последващите енергийни и експлоатационни разходи.
Редуцирането на хидравличните загуби чрез оптимизация на тръбопроводната система (отстраняване на ненужната арматура
и други елементи, съкращаване до необходимия минимум на дължината и др.) води до намаляване на енергийните разходи. Допълнително намаляване на загубите може да се реализира чрез увеличаване диаметъра на тръбопровода,
но това вече увеличава и цената на уредбата.
Съотношението между статичния напор и хидравличните загуби в работния диапазон определя полезния ефект от задвижването с променлива честота на въртене, както и ефективността на отделните методи за регулиране при постоянна честота.
3. Характеристики на помпите
Когато се изменя дебитът Q на една помпа, останалите параметри - напор H, консумирана мощност P и КПД h, също се променят.
Тези три функции на дебита, определени при фиксирана честота на въртене, представляват работните характеристики на помпата.
Характеристиката дебит-напор (Q-H) има най-съществено значение при разглеждане и анализ на работата на една помпа в конкретна система. При определен дебит, КПД достига своя максимум hmax и това е оптималният режим на работа, на който съответстват параметрите Qn, Hn и Pn.
Налице е съществена разлика в същността на характеристиката Q-H на турбопомпите и обемните помпи.
Докато при турбопомпите с нарастване на дебита напорът намалява, при обемните машини дебитът е почти постоянен,
независимо от големината на напора. Освен това, при турбопомпите максималният напор е ограничен
(обикновено се достига при дебит нула или близък до нула), докато обемните помпи могат да създадат произволно голям напор.
4. Работна точка
Когато една помпа е инсталирана в конкретна система, взаимодействието между тях се илюстрира нагледно като се изобразят
в една координатна система (и разбира се в еднакви мащаби) характеристичната линия на тръбопроводната система и напорната характеристика на помпата. Пресечната точка на тези две линии определя работната точка и подавания в системата дебит.
Работната точка на действие трябва да е избрана така, че да попада в или да е близо до оптималния режим.
Полезната мощност, отдадена на течността, е пропорционална на оцветената площ и се изчислява по формулата Pe = Ro.g.Q.H,
където Ro е плътността на работната течност, а g е земното ускорение.
За да се получи и консумираната от помпата механична мощност, изразът трябва да се раздели още на съответния КПД.
Тези елементи са разгледани в темите Приложна хидравлика за строители и
Хидравлична схемотехника за строители.
В много приложения възниква необходимостта от периодично изменение на подавания към консуматора дебит.
Това може да се осъществи чрез промяна на характеристичната линия на системата или на характеристиката на помпата,
за да се получи нова работна точка.
Съществуват различни методи за регулиране при постоянна честота на въртене.
В следващите редове се разглеждат накратко най-масово използваните,
като се изясняват принципите на регулиране, спецификите в приложението им,
както и предимствата и недостатъците на всеки метод.
5. Дроселно регулиране
Постига се чрез шибър или вентил в напорния тръбопровод на помпата.
При промяна на положението на дроселиращия елемент се променя неговото съпротивление, а оттам - съпротивлението и характеристиката на тръбопровода.
Работната точка А (фиг. А) може да се премести в т.В чрез притваряне на дроселиращия елемент
и увеличаване на стръмнината на характеристиката на тръбопровода.
Фиг. А
Този метод е лесен за осъществяване, но е неикономичен, понеже въвеждането на допълнително съпротивление
увеличава загубата на енергия. Прилага се за регулиране на дебита на малки помпи.
6. Регулиране чрез промяна на честотата на въртене
Изменението на честотата на въртене на работното колело води до изменение на характеристиката на помпата (фиг. Б),
а оттам - на работната точка.
Фиг. Б
При този способ няма допълнителни загуби на напор, което го прави икономичен. За осъществяването му е необходим
задвижващ двигател с променлива честота на въртене - постояннотоков електродвигател, двигател с вътрешно горене и др. Съвременният способ е чрез двигатели с честотно управлявани електродвигатели, т.н. инверторни електродвигатели.
Този способ е намерил най-широко приложение, както отбелязах по-горе.
7. Регулиране чрез байпасиране в смукателния тръбопровод
Извършва се чрез байпасна (обходна) тръба с шибър, по която се отвежда част от дебита от напорния към смукателния
тръбопровод (фиг. В). На фигурата са изобразени: характеристиката на помпата Н = f(Q), характеристиката на тръбопровода АВ, характеристиката на обходната тръба при напълно отворен шибър OD, сумарната характеристика на тръбопровода
и байпасната (обходната) тръба ЕF.
Фиг. В
При напълно затворен шибър на обходната тръба, работната точка е К. Дебитът на помпата е QK.
При напълно отворен шибър на обходна¬та тръба, работната точка е М.
Дебитът на помпата е QM, дебитът към напорния резервоар – Q1, а дебитът по обходната тръба – Q2.
При регулирането работната точка се измества между точките К и М. При това дебитът по обходната тръба Q2 се определя от хоризонталните отсечки в криволинейния триъгълник КМС.
8. Регулиране с байпасиране във водоизточника
При предходния способ връщането на част от дебита директно в смукателния тръбопровод влошава условията на засмукване.
Причината е в повишената турбулентност и неравномерност на течението на входа на помпата.
Регулиране с байпасиране във водоизточника е сходно на предходния способ. Осъществява се чрез връщане на част от течността
от нагнетателния тръбопровод в смукателната част на системата през байпасния тръбопровод, фиг. 1, в смукателния резервоар (водоизточника).
Методът е съпроводен с хидравлични загуби в байпасиращата линия. При отваряне на байпасния шибър, хидравличните
съпротивления в системата като цяло намаляват, при което дебитът към консуматора намалява, но дебитът на помпата се
увеличава. Затова регулирането с байпасиране не е подходящо за помпи с низходяща характеристика на мощността, каквито са, например, центробежните помпи. За помпите с намаляваща консумирана мощност, например за осевите помпи,
методът е енергийно по-ефективен от дроселното регулиране.
Фигура 2 илюстрира принципа на регулирането с байпас към водоизточника.
На фигурата са показани поотделно характеристиките на системата и на байпасния тръбопровод за определено отваряне.
При затворен байпасен тръбопровод работната точка съвпада с точка А от графиката, а помпата подава към консуматора дебит Q.
Когато байпасната арматура е отворена до определено положение, общата характеристика на системата (изобразена с прекъсната
линия) се получава чрез сумиране на двете линии. За целта, при няколко стойности на напора дебитите се събират,
а получените точки се свързват. Следователно, новата работна точка на действие е точка В.
Посредством построяване на права през т. В, успоредно на оста Q, от пресечните й точки с линията на системата и на байпасния тръбопровод се отчитат съответно дебитът към консуматора и този, връщан в смукателната страна.
Логично, дебитът към консуматора намалява, въпреки увеличения дебит на помпата.
Загубената мощност при този метод на регулиране се разсейва във вид на топлина.
Резултатът е увеличение на температурата на течността на входа на помпата.
9. Работещи в паралел помпи
Инсталирането на две или повече помпи, работещи в паралел (фиг. 3), е доказан енергийно ефективен метод,
собено в случаите, при които се изисква изменение на дебита в широк интервал.
Методът се използва и в системи с голям статичен напор.
Типични приложения на паралелното свързване са водоснабдителните и канализационните помпени станции,
кондензатните помпи в топлоелектрическите централи, големите хидрофорни уредби и др.
Помпите, които се предвижда да работят в паралел, трябва да са внимателно подбрани и съгласувани като работни характеристики -
и помежду си, и с тръбопроводната система, в която се включват.
Целта е да се гарантира, че те винаги ще работят в препоръчителната част на Q-H характеристиката.
Обикновено в паралел се включват до четири помпи. Счита се, че по-голям брой помпи не е целесъобразен.
При паралелна работа помпите преодоляват едно и също диференциално налягане, определяно от системата.
По този начин лесно се получава комбинираната характеристика при едновременна паралелна работа на няколко помпи.
За целта, при постоянен напор се сумират дебитите на отделните помпи.
Пресечната точка на линията на системата с комбинираната характеристика определя общия дебит през системата.
Нека се построи права през точка, която е успоредна на оста Q. От пресечните й точки с характеристиките на отделните помпи
се определя дебитът, с който помпите работят. Фиг. 4 илюстрира посоченото при система с две и три еднакви помпи.
Точките А, В и С са съответно работните точки при паралелна работа на една, две или три помпи.
Дебитът не нараства пропорционално на броя на включените помпи.
Фиг. 4 визуализира и следната много важна особеност, която не винаги се знае и отчита.
В системите с динамичен напор (хидравлични загуби) дебитът не нараства пропорционално на броя на включените помпи,
тъй като всяка помпа работи с по-малък дебит в сравнение с характерния при самостоятелната й работа.
Причината е във възходящия нелинеен характер на характеристичната линия на системата.
От фигурата е видно, че при паралелна работа на три помпи, всяка от тях подава дебит, който е значително по-малъкот дебита
при самостоятелна работа. Или казано по друг начин, включването на три помпи в паралел няма да утрои подавания дебит.
Описаното намаляване на дебита на отделните помпи е толкова по-сериозно, колкото по-голяма е
динамичната съставляваща на напора. В подобни случаи, включването в паралел на следваща помпа води до все
по-незначително увеличаване на общия дебит. Затова броят на паралелно работещите помпи се ограничава до три, четири.
При наличие само на статичен напор, дебитът ще се изменя правопропорционално на броя работещи помпи,
тъй като линията на системата ще е една права, успоредна на оста Q.
Включването в паралел на помпи с различни размери, т. е. с различни характеристики, е напълно възможно и намира практическо приложение. Препоръчително е, обаче, помпите да имат близки стойности на напора при дебит равен на нула. В противен случай, в определени ситуации е възможно възникване на проблеми в работата на системата.
С включване на допълнителна по-маломощна помпа, в съответствие с показаното на фиг. 3, се получават нови комбинации и нови междинни работни точки. Част от тях са илюстрирани на фиг. 5.
При включване на помпи в паралел трябва да се направи предварителен анализ по описания начин, за да се гарантира,
че работната точка на всяка от помпите ще остане в препоръчаната от производителя част на работната й характеристика.
От фиг. 4 се вижда, че ако се изключат една или две помпи, оставащата работеща помпа(и) ще поддържа значително
по-голям дебит, който може да се окаже извън зоната на безкавитационна работа с произтичащите от това експлоатационни
проблеми - шум, вибрации, бързо износване и др. Увеличаването на дебита при центробежните помпи е свързано с нарастване на консумираната мощност, което води до опасност от претоварване на задвижващия двигател.
10. Регулиране ъгъла на атака на потока посредством завъртане на лопатките на работното колело
Регулирането чрез завъртане на лопатките на работното колело е ефективен метод, използван за управление на осови и
диагонални помпи. При него промяната на положението на лопатките изменя работните характеристики на машината,
а с това се променя и работната точка. На всяка ъглова позиция съответстват индивидуални работни характеристики.
На фиг. 6 е показана примерна линия на подобна система.
Означени са и режимите с максимален КПД (става въпрос за малките отсечки върху характеристиките).
Видно е, че при промяна на работната точка, чрез завъртане на лопатките (линията на системата не се променя)
КПД остава висок. Освен това, напорът в оптимален режим не се изменя сериозно, което прави метода достатъчно
ефективен за в системи с плоска характеристика, т. е. постоянни нива на течността и малки хидравлични загуби.
Съществуват различни механизми - механични и хидравлични, за задвижване на лопатките в спряно положение.
11. Регулиране ъгъла на атака на потока посредством лопатъчен входящ направляващ апарат (ВНА)
Този способ е подобен на предходния.
Приложението на метода обаче изисква конструктивно изменение на помпата. Устройството се монтира на входа на работното
колело, най-често в осови и диагонални помпи. В неутрално положение то не оказва никакво въздействие върху течението.
Ако посредством лопатките на входящия направляващ апарат течението пред работното колело се завърти по посока на въртенето
му, напорът намалява. При отклонение на течението в посока, обратна на посоката на въртене на работното колело, напорът расте.
По този начин се реализират различни работни характеристики и съответно различни работни точки.
Методът не е толкова ефективен, колкото вече описаното завъртане на лопатките на работното колело, тъй като максималният КПД забележимо намалява при различните положения на ВНА с отдалечaване от неутралното положение.
Ефективно ограничаване на дебита при центробежни помпи, макар и в немного широки граници, би могло да се постигне посредством намаляване на външния диаметър на работното колело. Реализира се чрез подрязване на струг на периферията на работното колело. Очевидно методът е еднократен и тъй като не включва регулиране в пълния смисъл, няма да бъде разгледан в статията.
12. Регулиране чрез включване/изключване
Регулиране чрез включване/изключване изисква наличието на акумулиращ обем, т.е. приемен (черпателен) резервоар, н
апорен резервоар или съд под налягане. Този обем трябва да осигури непрекъснат поток при периодично действие на помпите.
Ако помпата е включена, тя работи (или поне би трябвало) в избран неширок диапазон около оптималния й режим.
Съответно, когато е изключена, помпата очевидно не консумира енергия.
Периодичното включване предизвиква допълнително натоварване на елементите на задвижващата система и
увеличено загряване на двигателя. Честотата на работните цикли за час трябва да се съгласува с изискванията и
препоръките на производителя; обикновено комугационните цикли са 20-30.
Системата би могла да се проектира и настрои така, че помпените агрегати да работят преимуществено в часовете
на денонощието с най-ниска тарифа на електроенергията. За да се минимизират енергийните разходи,
помпите следва да се изберат с възможно най-малкия дебит, който позволява конкретното приложение.
Например, работата с два пъти по-малък дебит, но два пъти по продължително време може да намали
енергийните разходи с около една четвърт.
13. Регулиране на обемни помпи
Обемните помпи имат много равна (стръмна при размяна на H,Q координатите) (в някои случаи почти хоризонтална (вертикална)-
при употребявания в постингите разположение на дебит по ординатата и напор по абсцисата; също толкова често се срещат и
обратното разположение) дебитно-напорна характеристика. Също така, максималният напор (налягане) при тях може да нараства неограничено. Това е причината дроселното регулиране при обемните помпи да е крайно неефективно и потенциално опасно,
затова и никога не се използва.
В част от помпите са предвидени конструктивно заложени начини за регулиране на дебита, които са специфични за различните
видове машини. Те целят промяна на работния обем, представляващ обема течност за един оборот на задвижващия вал.
Такива са, например, регулиране на дължината на хода при буталните помпи или ексцентрицитета при пластинковите и т. н.
По принцип обемните помпи могат да работят в паралел без проблеми. Съществува изискването смукателният и
нагнетателният тръбопровод да бъдат коректно оразмерени, за да се избегнат проблеми с появата на кавитация на входа,
свръхналягане в нагнетателния тръбопровод и обратно протичане през евентуално изключена помпа.
В паралел могат да се включват едновременно различни като вид и размери помпи.
При буталните помпи се препоръчва синхронизиране на ходовете, за да се минимизират пулсациите на налягането.
Регулирането чрез байпасиране е възможно, но се използва рядко поради енергийните загуби и износването на регулиращата
арматура в байпасната линия.
В повечето случаи и при турбопомпите, и при обемните помпи, най-ефективно регулиране на дебита се осъществява чрез промяна на честотата на въртене.
Използвани са материали на сп. Инженеринг ревю.
.gif "sk (42).gif")
.gif "a (129).gif")
.gif "b (34).gif")
.gif "b (38).gif")
