REGULACE PROVOZU ČERPADLA. PARALELNÍ A SEKVENČNÍ PROVOZ ODSTŘEDIVÝCH ČERPADEL, ZPŮSOBY ŘÍZENÍ ODŘEDIVÝCH ČERPADEL – Čerpací a dmychací stanice

Regulace čerpadla se týká procesu změny poměru mezi průtokem a tlakem. Existují dva základní způsoby regulace průtoku odstředivých čerpadel. První způsob zahrnuje změnu provozních podmínek systému čerpadlo-síť, druhý zahrnuje změnu charakteristiky čerpadla.

První způsob se provádí škrticími ventily na výtlačném nebo sacím potrubí, obtokem části kapaliny z výtlačného potrubí do sacího potrubí a vpuštěním vzduchu do sacího potrubí čerpadla.

Způsob regulace průtoku pomocí ventilu na výtlačném potrubí čerpadla je založen na zvýšení odporu ve výtlačném potrubí (obr. 2.1). Tato metoda je nejběžnější, protože v tomto případě není nutná žádná další instalace zařízení.

Při tomto způsobu regulace se mění vlastnosti sítě. Když je ventil na tlakovém potrubí uzavřen, odpor potrubí se zvyšuje. Charakteristika potrubí se stává strmější a protíná charakteristiku čerpadla 0-Я v bodě (viz obr. 2.1). Účinnost čerpací jednotky

klesá s rostoucím rozdílem mezi tlakem vyvinutým čerpadlem a tlakem požadovaným v síti.

U této metody je regulace možná pouze ve směru snižování průtoku. Metoda se používá pro čerpadla s hladkou charakteristikou na krátkou dobu.

Obr. 2.1. Charakteristika čerpadla při regulaci šoupátkem na výtlačném potrubí

Pro posouzení účinnosti regulace pomocí šoupátka na výtlačném potrubí je nutné určit výkon a účinnost čerpacího agregátu.

Ztráta výkonu během regulace

kde к_д — ztráta tlaku v důsledku regulace ventilu; ц_я — Účinnost čerpadla odpovídající účinnosti napájení zařízení je určena vzorcem

kde Н_я — tlak potřebný k zásobování toku _Я; N_я — tlak vyvinutý čerpadlem při dodávání průtoku _КЯ = Н_я + /G_д); g|_dv — Účinnost motoru.

Jak ukazují vzorce (2.1) a (2.2), regulace šoupátkem na výtlačném potrubí je nerentabilní, zejména u čerpacích jednotek s vysokými průtoky a relativně nízkým tlakem.

Regulace obtoku průtoku kapaliny Slouží k odstranění nestabilního chodu čerpadel a provádí se obtokem napájecí části čerpadla z tlakového potrubí do sacího potrubí. To má za následek zvýšení celkového průtoku čerpadla a snížení průtoku do sítě. Snížením spotřeby v síti se mění a plošší její charakteristiky. Současně se sníží tlak vyvíjený čerpadlem. Obtok kapaliny do sacího potrubí zlepšuje kavitační vlastnosti čerpadla, ale přítomnost cirkulace snižuje účinnost systému.

Z hlediska hospodárnosti je uvedený způsob řízení přijatelný pro čerpadla s rychlostním koeficientem п_$ > 300 a pro vířivá čerpadla, u kterých výkon klesá s rostoucím průtokem. U odstředivých čerpadel s nižšími otáčkovými faktory vede řízení průtoku obtokem ke zvýšení výkonu čerpadla a přetížení elektromotoru.

Pro realizaci tohoto způsobu regulace je nutné instalovat cirkulační potrubí a další armatury, což vede ke zvětšení rozměrů instalace. Tato metoda se v městských vodovodních a sanitárních systémech nerozšířila.

Způsob regulace průtoku připouštěním vzduchu do sacího otvoru čerpadla Je vhodné, když je skutečná sací výška pro dané čerpadlo výrazně menší než přípustná a nasávání vzduchu nezhoršuje provoz systému. Když je přiváděn vzduch, účinnost instalace klesá tím více, čím více vzduchu je přiváděno do čerpadla. Tento způsob regulace je však obecně ekonomičtější než regulace tlakovým ventilem. Metoda umožňuje omezené změny rychlosti posuvu v důsledku prudkého zhoršení kavitačních vlastností čerpadla. Tato metoda se ve vodovodních systémech nepoužívá z důvodu nemožnosti dodávat do vodovodní sítě vodu smíchanou s velkým množstvím vzduchu.

Druhý způsob zahrnuje změnu charakteristiky čerpadla změnou počtu otáček nebo průměru oběžného kola.

Způsob změny počtu otáček oběžného kola je vhodný jak pro dynamická čerpadla, tak pro objemová čerpadla. Je nutné počítat s tím, že průtok čerpadla je přímo závislý na počtu otáček a tlak (u odstředivých čerpadel) je v kvadratické závislosti.

Při současném stupni technologického rozvoje je tento způsob regulace provozu čerpacího agregátu nákladný, ale z hlediska energetických nákladů nejekonomičtější. Změna počtu otáček oběžného kola umožňuje regulovat posuv v poměrně širokém rozsahu. V tomto případě se účinnost instalace změní nevýznamně.

V praxi se počet otáček reguluje pomocí variátorů, kapalinových spojek, elektromagnetických kluzných spojek (EMC) nebo nastavitelného elektropohonu. Tato metoda výrazně zvyšuje náklady a komplikuje údržbu zařízení, ale umožňuje zachovat podobné charakteristiky čerpání.

Výhodou tohoto způsobu je, že pro skupinu více pracovních čerpadel stačí jedno nastavitelné čerpadlo, což výrazně snižuje provozní náklady čerpacích stanic. Největší jednotka s plošší charakteristikou je brána jako nastavitelná. Toto opatření zabraňuje vzniku „mrtvých zón“. Všechny provozní jednotky jsou vybaveny pohonem s proměnnou rychlostí pouze v případech, kdy změna rychlosti otáčení jednotky s proměnnou rychlostí uvede zbývající jednotky do abnormálního provozního režimu, například do zóny nízké účinnosti nebo kavitace.

Jako nastavitelné elektrické pohony se používají následující typy pohonů:

pohon s vícerychlostními elektromotory – dvou- a vícerychlostní asynchronní střídavé elektromotory s kotvou nakrátko;

pohon s indukčními kluznými spojkami – asynchronní střídavé elektromotory s kotvou nakrátko;

pohon podle kaskádového schématu asynchronního ventilu – asynchronní střídavé elektromotory s fázovým rotorem;

frekvenční pohon – asynchronní střídavé elektromotory s kotvou nakrátko;

pohon na bázi ventilového elektromotoru – synchronní střídavé elektromotory.

Použití nastavitelného pohonu na jedné straně stabilizuje tlak ve vodovodní síti; To zajišťuje úspory energie na zásobování vodou, snižuje úniky a neproduktivní spotřebu vody a umožňuje zmenšit plochu čerpacích stanic zvýšením jednotkové kapacity čerpacích jednotek a snížením jejich počtu. Na druhou stranu pohon s proměnnou rychlostí komplikuje provoz zařízení, vyžaduje kvalifikovanější údržbu a vede ke zvýšení investičních nákladů. Při zpracování studie proveditelnosti je třeba tyto faktory vzít v úvahu a porovnat je z hlediska snížení nákladů.

Použití automatického řídicího systému (ACS) s nastavitelným pohonem zpravidla poskytuje úsporu energie 5-15%. Spotřeba vody je snížena o 3-4% díky snížení úniků a neproduktivních nákladů.

Obvykle je vhodné u čerpacích agregátů o relativně vysokém výkonu (75-100 kW a vyšší), vyznačujících se výraznou nerovnoměrností dodávky a velkou dynamickou složkou výšky vodního zdvihu, použít systém automatického řízení s řízeným pohonem, tzn. vysoká strmost charakteristik sítě. Charakteristiky strmé sítě obvykle odpovídají dlouhým vodovodním potrubím a umístění čerpací stanice na stejných nebo vyšších geodetických značkách jako spotřebitel. Použití frekvenčního měniče SAR je obvykle ekonomicky opodstatněné u čerpacích agregátů s jednotkami 75 kW a vyššími s parametry X и N / _п ne více než 0,8-0,85.

Vícerychlostní elektromotory se doporučují pro použití v případech, kdy použití plynule nastavitelných pohonů není ekonomicky opodstatněné, např. při skokové změně spotřeby vody, stejně jako při absenci plynule nastavitelných pohonů s vhodnými parametry. Dvourychlostní a vícerychlostní motory umožňují zvýšit počet tlakových charakteristik čerpací jednotky bez zvýšení počtu čerpacích jednotek.

Na čerpacích stanicích jsou nejpoužívanější asynchronní motory nakrátko, které neumožňují změny rychlosti otáčení. Při konstantní frekvenci otáčení rotoru elektromotoru pro změnu frekvence otáčení oběžného kola jsou čerpadlo a elektromotor spojeny pomocí nastavitelné kapalinové spojky (obr. 2.2).

Pracovními prvky kapalinové spojky jsou kolo náběhového lopatkového čerpadla odstředivého typu 1 (čerpadlo) a hnané oběžné kolo, které funguje jako reakční turbína 2 (turbína). Obě kola mají obvykle ploché radiální lopatky. Během provozu je k čerpadlu připevněno otočné pouzdro. 3. Disky 4 и 5 Čerpadlo a turbína jsou vyrobeny ve formě misek s křivočarými generátory. Spolu s mezilopatkovými kanály je součástí dutiny kapalinové spojky uzavřené mezi čerpadlem a tělesy turbíny pracovní dutina. Mezi konci kol je malá axiální mezera, která umožňuje otáčení jednoho kola vůči druhému. Uzavřená dutina kapalinové spojky je naplněna pracovní kapalinou, nejčastěji nízkoviskózními minerálními oleji. V podmínkách nebezpečí požáru se používá voda a vodní emulze a také syntetické oleje zpomalující hoření.

Obr. 2.2. Kapalinová spojka

V pohonné jednotce je čerpadlo spojeno hřídelí 6 s motorem a hřídelem 7 turbíny s mechanickým převodem. Když je motor spuštěn, systém lopatek čerpadla způsobí rotaci pracovní kapaliny a vymrštěním na okraj pracovní dutiny ji nasměruje na lopatky turbíny. V turbíně se kinetická energie pracovní tekutiny uložené v čerpadle přeměňuje na mechanickou rotační energii, která je nezbytná k překonání sil odporu proti pohybu a setrvačnosti rotujících hmot stroje. Pracovní tekutina, proudící ve směru osy otáčení podél lopatek, na ně působí a po vydání energie je nasávána čerpadlem na svém nejmenším poloměru. Proces přenosu a přeměny energie z čerpadla na turbínu probíhá nepřetržitě během provozu kapalinové spojky a uzavřený oběh pracovní kapaliny neustále zajišťuje energetické spojení mezi koly.

Hlavním způsobem regulace rychlosti otáčení hnaného hřídele je změna plnění pracovního prostoru hydraulických spojovacích kol kapalinou. Změna náplně pracovní kapaliny a zavedení jednoduchého škrtícího kotouče do dutiny kapalinové spojky umožňuje rozšíření rozsahu přenášeného výkonu.

Hlavní výhodou nastavitelné kapalinové spojky je, že poskytuje plynulou, automatickou a rychlou změnu rychlosti otáčení hnaného hřídele. Navíc při použití kapalinových spojek získává pohon stroje řadu pozitivních vlastností:

zahájení práce s nulovými hodnotami počátečního momentu a zrychlení, jakož i plynulé zrychlení strojů na provozní rychlost;

ochrana hnacího motoru a mechanické převodovky před nepřijatelným přetížením při náhlém brzdění a rozjezdu;

možnost výměny složitých elektromotorů s fázovým rotorem za jednoduché a spolehlivější motory s kotvou nakrátko, zajišťující příznivé podmínky pro jejich spouštění při zatížení, včetně vysokého momentu setrvačnosti stroje;

součet výkonu několika motorů pracujících na společném pohonu s rovnoměrným rozložením zatížení na tyto motory a možností jejich spouštění jeden po druhém;

stabilita a automatický provoz při dané hodnotě mezního momentu a samoobnovení provozního režimu po odstranění přetížení;

možnost hydrodynamického a generátorového brzdění stroje a také jeho protisměrného brzdění při couvání motoru;

tlumení a potlačení torzních vibrací točivého momentu a rychlosti otáčení širokého rozsahu frekvencí, ke kterým dochází při provozu mnoha strojů;

vysoká účinnost kapalinové spojky (0,96-0,98), jednoduchost konstrukce a seřízení, absence dvojic třecích sil přenášejících kroutící moment.

Regulovatelné kapalinové spojky jsou obecně určeny pro relativně mělkou (do 30-40%) regulaci rychlosti otáčení hnaného hřídele pohonu. Tento typ regulace je nejekonomičtější pouze u strojů, u kterých se výkon zátěže za provozu mění úměrně třetí mocnině frekvence otáčení turbíny. Mezi tyto stroje patří odstředivá čerpadla s výkonem až 15 tisíc kW. Regulace pomocí kapalinových spojek je méně hospodárná v případech, kdy se výkon mění úměrně druhé mocnině frekvence otáčení. U mnoha lopatkových strojů má řízení kapalinové spojky řadu výhod oproti jiným metodám řízení rychlosti.

V poslední době se pro regulaci rychlosti otáčení široce používá pohon čerpadla s proměnnou frekvencí. Frekvenční pohon obsahuje frekvenční měnič a asynchronní elektromotor, který je nedílnou součástí čerpadla. Frekvenční měniče jsou výkonová elektronická zařízení určená k přeměně jednofázového nebo třífázového napětí s konstantní frekvencí 50 Hz na třífázové napětí s proměnnou frekvencí v rozsahu od 0 do 400 Hz. Tato vlastnost frekvenčních měničů umožňuje jejich použití pro plynulou regulaci otáček libovolných asynchronních elektromotorů, včetně elektromotorů čerpadel a kompresorů.

Rychlost otáčení asynchronního elektromotoru pomocí frekvenčního měniče je regulována změnou frekvence a napájecího napětí motoru. Účinnost takové přeměny je cca 98 %, ze sítě je spotřebována prakticky pouze aktivní složka zatěžovacího proudu, mikroprocesorový řídicí systém zajišťuje vysokou kvalitu řízení elektromotoru a hlídá řadu jeho parametrů, zamezujících možnosti vzniku nouzových situací.

Při připojení čerpadla k elektromotoru pomocí frekvenčního měniče se motor spouští plynule, bez rozběhových proudů a rázů, což snižuje zatížení motoru a mechanismů, zvyšuje jejich životnost. Použití řízeného elektrického pohonu na bázi frekvenčních měničů zajišťuje: snížení spotřeby energie s poklesem požadovaného tlaku;

provoz silových elektrických zařízení bez kompenzačních kondenzátorů;

zvýšení životnosti zařízení a potrubí a snížení nákladů na jejich údržbu;

minimální závislost technologického postupu na jednání obslužného personálu;

možnost úplné automatizace technologických procesů s eliminací subjektivního faktoru v operativním řízení;

možnost snížení počtu provozních čerpacích jednotek zvýšením kapacity jedné nebo dvou provozních jednotek a tím snížení stavebních objemů při investiční výstavbě nebo opravách;

možnost snížení deklarovaného elektrického výkonu eliminací významných startovacích proudů při tradičním spouštění čerpací jednotky;

snížení počtu poruch sítě a čerpacích jednotek díky možnosti použití měkkého startu;

možnost automatického restartu čerpadla; zvýšení spolehlivosti elektrického zařízení eliminací rázových rozběhových proudů.

Úspor energie je dosahováno snížením přetlaku na výstupu z čerpacích jednotek a také zvýšením jejich účinnosti.

Zařízení pro regulaci frekvence je řízeno vestavěným regulátorem, který zajišťuje udržení nastaveného tlaku při změně průtoku, provedení požadované sekvence spouštění a vypínání čerpadla, zajištění procesních blokování, identifikaci havárií, provádění operací pro restart nebo automatické zapnutí záložní jednotky a sběr informací o provozu čerpadla a jejich přenos do řídicího centra.

Náklady na zařízení frekvenční regulace jsou poměrně vysoké, ale úspory energie při regulaci dosahují 20-30 %, v důsledku čehož se náklady na zařízení obvykle vrátí do 2 let.

Moderní frekvenční měniče mají navíc širokou škálu funkcí a umožňují automatizaci čerpacích stanic.

Pokud charakteristika čerpadla neodpovídá stanoveným provozním podmínkám v relativně malých mezích a parametry systému jsou prakticky konstantní, lze charakteristiku čerpadla změnit otáčením oběžných kol čerpadla podél vnějšího průměru. Tento způsob regulace je v praxi hojně využíván. Změna průtoku čerpadla se provádí po určitou, dostatečně dlouhou dobu jeho provozu.

Otáčení nebo ořezávání vnějšího průměru oběžného kola se obvykle provádí u jednokolových čerpadel. Velikost otočení obvykle činí 10-15 % vnějšího průměru oběžného kola a v některých případech dosahuje 20 %. Při otáčení se objeví nové oběžné kolo s novým pracovním polem (2-Я, které se nachází pod a vlevo od starého pole. Při otáčení oběžného kola (zmenšení průměru kola) lze výrazně změnit pracovní pole čerpadla. Posuv 0 takové čerpací jednotky klesá úměrně poměru nového a starého průměru oběžného kola a při méně silném otáčení můžete měnit otáčky podle elektromotoru se stejným počtem otáček.

V současné době společnosti nabízejí spotřebitelům specifické úpravy čerpadel s různým natočením kol a tím i nižším výkonem souvisejícího elektromotoru.

Charakteristiky čerpadla s natočenými koly lze získat pomocí převodních vzorců. Typicky výrobci poskytují charakteristiky čerpadla s několika hodnotami průměru oběžného kola. V tomto případě lze mezilehlé charakteristiky získat přepočtem nejbližší tovární charakteristiky. Pro získání požadovaného tlaku čerpadla při otáčení kola je nutné vynásobit stávající tlak druhou mocninou poměru průměru soustruženého kola k průměru otáčeného kola.

Při otáčení kol se účinnost čerpadla poněkud snižuje, zvláště pokud je otáčení výrazné. Proto je pro každý typ čerpadla stanovena maximální hodnota pro natočení kola a v důsledku toho i spodní hranice pro změnu charakteristiky čerpadla.

Studium metod regulace výkonu odstředivého čerpadla

Dovgan S.V. 1 , Kulíková V.V. 1
1 FEFU (pobočka v Nakhodce)
Práce ve formátu PDF

Text práce je umístěn bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce “Job Files” ve formátu PDF

Relevantnost uvedeného tématu je v tom, že tento způsob regulace výkonu odstředivého čerpadla je ekonomický, což je velmi důležité v kontextu racionálního využívání přírodních zdrojů a zároveň tento způsob rozšiřuje rozsah použití. Účelem této práce je prozkoumat způsoby regulace výkonu odstředivého čerpadla. Předmětem studia je odstředivé čerpadlo a předmětem jsou metody regulace výkonu odstředivého čerpadla.

Způsob regulace výkonu odstředivého čerpadla spočívá v obtékání části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup obtokovým potrubím s regulačním ventilem a sacím ventilem na vstupním potrubí čerpadla do obtokového potrubí. Výkon se reguluje současným otevíráním obtoku a zavíráním sacích ventilů a udržováním konstantního celkového průtoku čerpané kapaliny v obtokovém a výstupním potrubí nebo jmenovitého výkonu spotřebovaného elektromotorem otáčejícím čerpadlem [2].

Návrh se týká vodovodních systémů, čerpání kapalin a plynů.

Známý způsob regulace výkonu ventilu na výtlačném potrubí čerpadla (škrcení) je založen na zvýšení odporu výtlačného potrubí. Metoda se vyznačuje nízkou účinností, zejména s významnými regulačními rozsahy.

Navrženému způsobu je blízký způsob regulace výkonu čerpadel obtokem části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup obtokovým potrubím s regulačním ventilem. Uvedený způsob nastavení je ekonomický pro čerpadla s rychlostním koeficientem n_s>300 a pro vířivá čerpadla, u kterých výkon klesá s rostoucím průtokem. U odstředivých čerpadel s nižším rychlostním koeficientem vede regulace průtoku obtokem ke zvýšení výkonu spotřebovaného čerpadlem a může způsobit přetížení elektromotoru [3].

Nejblíže je zařízení, které implementuje způsob regulace výkonu odstředivého čerpadla obtokem části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup přes obtokové potrubí s regulačním ventilem a sacím ventilem na vstupním potrubí čerpadla do obtokového potrubí [4].

Známý způsob řízení však není ekonomický.

Cílem vynálezu je rozšířit rozsah použití způsobu řízení obtoku pro jakákoliv odstředivá čerpadla a ušetřit energii při regulaci.

Technický výsledek je dosažen v tom, že u způsobu regulace výkonu odstředivého čerpadla obtokem části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup obtokovým potrubím s regulačním ventilem a sacím ventilem na vstupním potrubí čerpadla do obtokového potrubí podle vynálezu je výkon regulován současným otevřením obtoku a uzavřením sacích potrubí a točením sacího potrubí v průtoku elektrického proudu nebo udržováním konstantního průtoku kapaliny elektromotorem zapnutí čerpadla.

Podstatnými rozlišovacími znaky nárokovaného technického řešení je regulace produktivity současným otevíráním obtoku a zavíráním sacích ventilů namísto regulace jednoho obtokového ventilu u prototypu a udržováním konstantního celkového objemu čerpané kapaliny v obtokovém a výstupním potrubí nebo jmenovitého výkonu spotřebovaného elektromotorem otáčejícím čerpadlo [4].

Udržování celkového průtoku čerpané kapaliny nebo jmenovitého výkonu odebíraného elektromotorem otáčejícím se čerpadlem umožňuje vyhnout se zvyšování výkonu spotřebovaného čerpadlem a přetěžování motoru při regulaci. Zvýšení tlaku na vstupu čerpadla, dosažené současným otevřením obtokového ventilu a uzavřením sacího ventilu, vede k úměrné úspoře energie.

V praxi je nutné upravit výkon čerpadla o 30-50%, takže rychlost kapaliny v obtokovém potrubí a ztráty v něm jsou nevýznamné a srovnatelné se ztrátami při úpravě výkonu čerpadla změnou otáček čerpadla pomocí asynchronního ventilu kaskády a frekvenční měniče.

V praxi lze navržený způsob regulace nejsnáze realizovat přizpůsobením počtu otáček sacího ventilu počtu otáček předního obtokového ventilu, aby byl zachován celkový průtok kapaliny. Je možné vyrobit speciální ventil, ve kterém jsou pomocí jednoho pohonu regulovány dva průtoky kapaliny, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 – Šoupátko, ve kterém jsou dva proudy kapaliny řízeny jedním pohonem

Navržený způsob řízení je vhodný pro použití u elektricky poháněných čerpadel s výkonnými vysokonapěťovými synchronními a asynchronními motory namísto řízení pomocí drahých frekvenčních měničů a kaskád asynchronních ventilů.

Způsob regulace výkonu odstředivého čerpadla obtokem části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup obtokovým potrubím s regulačním ventilem a sacím ventilem na vstupním potrubí čerpadla do obtokového potrubí, vyznačující se tím, že výkon se reguluje současným otevřením obtoku a uzavřením sacího ventilu a udržováním konstantního celkového průtoku čerpané kapaliny otáčející se kapalinou v obtoku a elektromotoru [3] spotřebovává jmenovitý výkon čerpadla v obtoku a elektromotoru.

Na základě výše uvedeného lze uvést následující způsoby regulace výkonu odstředivého čerpadla, výkonu a typu asynchronního motoru:

regulace výkonu pomocí ventilu na výtlačném potrubí čerpadla (škrcení);

regulace výkonu čerpadla obtokem části čerpané kapaliny z výstupu čerpadla na jeho vstup obtokovým potrubím s regulačním ventilem.