Сравнение различных методов регулирования насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

Тип насоса: К 90/85

Сопротивление сети: S - 1, 15•10⁵ с²/м⁵

Необходимая подача: Q - 10 л/с

Статистическая высота: Н_ст - 24 м

Продолжительность работы: t - 8000 часов

КПД электродвигателя: ?_эл - 0,85

Плотность воды: с - 980 кг/м³

Частота вращения: n - 2900 об/мин.

По приведенным исходным данным определить наиболее энергосберегающий тип регулирования подачи насоса К 90/85.

Регулированием работы насоса называется процесс искусственного изменения характеристики насоса для обеспечения его работы в требуемой режимной точке, т.е. для сохранения материального и энергетического баланса системы.

Насос - гидравлическая машина, предназначенная для перекачки жидкости, где происходит передача механической энергии от приводного двигателя потоку перекачиваемой жидкости.

Насосы, в которых превращение энергии перекачиваемой жидкости происходит за счет реакции со стороны лопасти, причем поток жидкости в рабочем колесе имеет радиальное направление течения, называется центробежными насосами.

Н=f(Q), где Н-напор, который выдает насос;

Q-расход (подача) насоса.

Напорные характеристики приводятся в каталогах центробежных насосов.

Работу центробежного насоса на сеть можно анализировать графически и аналитически. Последний метод особенно удобен при использовании ЭВМ.

Аналитический метод допускает наличие соотношения, которое аппроксимирует напорную характеристику насоса и сети дает параметры рабочей точки, которая определяет напор и расход насоса, работающего на конкретную сеть.

Задачу решают графически или аналитически после получения уравнения характеристики насоса. В последнем случае параметры рабочей точки получают совместным решением уравнений:

Н=Н_ст+S•Q²

H=H_ф+S_ф•Q₂

Q=vH_ф - H_ст/S_ф - S

Из характеристики сети следует, что ее крутизна зависит от сопротивления трубопровода S. Чем больше сопротивление, тем круче характеристика. На действующем трубопроводе влиять на S можно практически только изменяя величину ?о, то есть, имея регулируемое местное сопротивление-дроссель.

В обычных гидравлических системах в роли дросселя используют заслонки, вентили, краны.

Характеристики сети, построенные для разных степеней открытия регулирующего органа, называют дроссельными.

Помимо дроссельного регулирования применяют также перепуск (байпасирование) и изменение частоты вращения рабочего колеса, описываемое соотношением:

D₁/D₂=Q₁/Q₂; D²₁/D²₂=H₁/H₂;

1. Дроссельное регулирование

Дроссельное регулирование, наиболее доступное и простое на практике, позволяет автоматизировать работу гидравлических сетей. В этом случае регулирование осуществляется дросселем, установленным на выходе из насоса.

Пусть по условиям эксплуатации расход в сети должен быть Q_з (см. рис. 1) Для обеспечения таких условий новая рабочая точка должна находиться в позиции В.

Следовательно, установив дроссель в сети необходимо увеличить потери в ней на величину ВВ^{ииииии1}=Дh_др, где Дh_др - потери в дросселе.

Сопротивление дросселя:

S_др=Дh _др/Q²_В; (с²/м⁵)

Уравнение характеристики сети принимает вид:

Н=Н_ст+(S+S_др) Q²; (м)

где S - сопротивление сети при открытом регулирующем органе.

Мощность, потерянная в дросселе:

N_др= (с•g•Дh_др•Q_в/?_эл•?_н) •t; (Вт/ч)

В условиях эксплуатации насосной установки подача должна изменяться при изменении режима работы сети. Такой процесс поддерживания условия совместной работы насоса и сети в режиме, соответствующей рабочей точке, называют регулированием подачи нагнетателя. При этом процесс изменения кривизны характеристики сети называют количественным регулированием, или дросселированием. Особенность дросселирования заключается в следующем.

Рассмотрим характеристику сети:

Н=Н_ст+S•Q²; (м)

Отсюда видно, что изменить работу данной сети, можно только изменением ее сопротивления. В реальных условиях в сети устанавливают переменное сопротивление, называемое дросселем (задвижка, вентиль), коэффициент местного сопротивления, которых зависит от положения регулирующего органа. Новая характеристика сети пойдет круче, и новый режим установится при меньшем расходе Q_з:

Отсюда следует вывод, что дроссельное регулирование требует большего исходного напора насоса. Дополнительная мощность вызывается затратами на дополнительные потери в дросселе и тем, что на новом, как правило, нерасчетном режиме насос работает с меньшим КПД.

Уравнение характеристики сети до дросселирования:

Н=Н_ст+S•Q² Н_ст=24 м - задано

Произвольно задаемся значениями расходов в диапазоне его измерения. Число задаваемых точек должно быть достаточно для надежного построения графика.

Н=24+115000•(0)²=24,0 м;

Н=24+115000•(0,004)²=25,84 м;

Н=24+115000•(0,008)²=31,36 м;

Н=24+115000•(0,012)²=40,56 м;

Н=24+115000•(0,016)²=53,44 м;

Н=24+115000•(0,020)²=70,0 м;

Н=24+115000•(0,024)²=90,24 м.



Q, л/с	0	4	8	12	16	20	24
H, м	24,0	25,84	31,36	40,56	53,44	70,0	90,24

Из напорной характеристики трубопровода определим: Дh_др=64 м.

Когда напор больше величины, соответствующей требуемому расходу, то в сети установится расход, превышающий требуемую величину. Для того чтобы уменьшить расход применяется его дроссельное регулирование. Дросселем называется регулируемое местное сопротивление, коэффициент которого зависит от положения регулирующего органа. Сущность дроссельного регулирования заключается в повышении сопротивления S за счет увеличения коэффициента местных потерь дросселя.

Откуда найдем насколько нужно увеличить сопротивление за счет дросселя:

S_др=Дh_др /Q_з²=64/ (10^-3)²=6, 4•10⁵ с²/м⁵

Уравнение характеристики трубопровода с учетом дросселирования примет вид:

Н=Н_ст+(S+S_др)•Q²

Н=24+(115000+640000)•(0)²=24,0 м;

Н=24+(115000+640000)•(0,004)²=36,08 м;

Н=24+(115000+640000)•(0,006)²=51,2 м;

Н=24+(115000+640000)•(0,08)²=72,32 м;

Н=24+(115000+640000)•(0,010)²=99,5 м;

Н=24+(115000+640000)•(0,012)²=132,7 м.

Q, л/с	0	4	6	8	10	12
H, м	24,0	36,08	51,2	72,32	99,5	132,7

Электрическая мощность, теряемая в регулирующем органе:

?N_эл^др=с•g•Дh_др •Q_з/?_н•?_эл=980•9,81•64•10^-3/0,85•0,43=16,8 кВт

N_эл^др= (с•g•Н_н •Q_з/?_н•?_эл) •t= (980•9, 81•100•10^-3/0, 85•0, 43) •8000=210, 4 МВт/ч

Дросселирование уменьшает мощность на валу машины и вместе с тем повышает долю энергии, расходуемой при регулировании. Поэтому оно не экономично. Чем более глубоко осуществляется процесс регулирования, тем более непроизводительна затрата мощности.

Энергетическая эффективность этого вида регулирования низка, однако ввиду чрезвычайной простоты этот способ имеет широкое применение.

2. Байпасное регулирование

Байпасное регулирование способ изменения расхода в сети, который заключается в том, что часть жидкости, подаваемая насосом, перепускается обратно на вход насоса и сбрасывается в приемный резервуар. В этом случае будет затрачиваться большая мощность, так как подача насоса возрастает и рабочая точка перемещается в зону меньших КПД.

В системе установится напор меньше предыдущего, при этом расход в трубопроводе уменьшится. Установив дроссель на байпасе, можно изменять диапазон регулирования расхода в сети.

При открытии регулирующего органа, установленного на байпасной линии, часть среды сливается в резервуар и расход в основной магистрали уменьшается.

Если Q_з - необходимый расход в сети, то сопротивление байпасной линии определяют из следующих соображений. Поскольку байпасная и основная линии соединены параллельно, то подача насоса складывается из потерь Q_з и Q₅. Поэтому характеристики складываются по расходам, а рабочая точка всей сети (основной и байпасной) должна находиться в позиции 4.

Следовательно, точку, которая лежит на характеристике байпасной линии (позиция 5), можно найти, если от оси напора отложить отрезок 3-5, который равняется 2-4.

Поскольку для байпаса Н_ст=0, то его характеристика выходит с начала координат (весь напор в начале этой линии расходуется Н_Н=Дh_Б).

Кроме того, для байпасной линии Н_Г=0. Характеристики складываются по расходам, следовательно, рабочая точка должна находиться в позиции 4, или характеристика байпасной линии должна пройти через точку 5, которая находится из условия равенства отрезков 3-4 и 2-4.

Таким образом, сопротивление байпаса:

S_Б=Дh_Б/Q²_Б, (с²/м⁵)

Характеристику байпасной линии будем строить согласно равенства:

Н_Б=S_Б•Q², (м)

Уравнение характеристики сети до байпасирования:

Н=Н_ст+S•Q², (м)

Из графика напорной характеристики находим Q_Б=32,8 л/с

Для обеспечения заданного расхода сети определим требуемые потери в трубопроводе байпаса:

S_Б=Дh_Б/Q²_Б=36/ (0, 0328)²=33462 с²/м⁵

Откуда уравнение характеристики байпаса будет иметь вид:

Н_Б=S_Б•Q²

Н_Б=33462•(0,004)²=0,53 м;

Н_Б=33462•(0,008)²=2,14 м;

Н_Б=33462•(0,012)²=4,82 м;

Н_Б=33462•(0,016)²=8,56 м;

Н_Б=33462•(0,020)²=13,38 м;

Н_Б=33462•(0,024)²=19,27 м;

Н_Б=33462•(0,028)²=26,23 м;

Н_Б=33462•(0,0328)²=36,0 м;

Н_Б=33462•(0,036)²=43,37 м;

Н_Б=33462•(0,040)²=53,54 м.

Q, л/с	0	4	8	12	16	20	24	28	32,8	36	40
H, м	0	0,53	2,14	4,82	8,56	13,38	19,27	26,23	36,0	43,37	53,54

Электрическая мощность, теряемая в байпасе:

?N_эл^Б=с•g•Н_н •Q_з/?_н•?_эл=980•9,81•36•10^-3/0,85•0,35=11,6 кВт

N_эл^др= (с•g•Н_н •Q_н/?_н•?_эл) •t= (980•9, 81•36•42, 8^-3/0, 85•0, 35) •8000 = 398, 3 МВт/ч

С точки зрения экономичности такой способ регулирования приемлем для насосов с коэффициентом быстроходности n_s=3,65•n•vQ/H^3/4>250 и для вихревых насосов, у которых мощность падает с увеличением подачи. Для центробежных насосов с n_s<250 регулирование перепуском вызывает увеличение потребляемой мощности и дополнительно нагружает двигатель.

3. Регулирование частотой вращения

Если имеется возможность изменять частоту вращения вала двигателя, то целесообразно регулировать подачу изменением частоты вращения. Этот способ регулирования наиболее экономичен, но его реализация усложняется необходимостью иметь приводной двигатель с регулируемой частотой оборотов. Основу метода составляют так называемые законы пропорциональности-соотношения, которые связывают параметры гидромашины с частотой оборотов ее вала.

Из теоретической части курса известно, что эти законы имеют вид:

n ₁/n ₂=Q₁/Q₂; n²₁/n²₂=H₁/H₂; n³₁/n³₂=N₁/N₂;

насос бейпасный частота баланс

Следует помнить, что законы справедливы не для каждой точки координатного поля Q-H, а лишь для тех, которые принадлежат кривой пропорциональности, которая является геометрическим местом точек подобных режимов. Уравнение кривой пропорциональности имеет вид:

Н=k•Q² K=H_тр/Q _тр²

Где H_тр, Q _тр - координаты точки, через которую должна пройти кривая пропорциональности. Рассмотрим методику решения задачи, нахождения частоты оборотов валов насоса, которая обеспечит необходимый расход в сети. Допустим, характеристика насоса при частоте оборотов вала n₁ и сети имеют вид (см. рис. 3).

Частота n₁ известна. Задача найти частоту n₂, при которой в сети установится расход Q_2. При снижении частоты характеристика насоса будет эквидистантно смещаться вниз и при значении n₂ займет место показанное пунктиром. Кривую пропорциональности строим так, чтоб она проходила через точку 2, то есть:

К=Н₂/Q²₂;

Согласно этому строим параболу. Точки 2 и 3 принадлежат параболе подобных режимов, следовательно, можно записать:

n₁/n₂=Q₃/Q₂ откуда: n₂=n₁•Q₂/Q₃

В отличие от способа регулирования при n=const данный способ позволяет регулировать подачу в любом направлении.

Потери энергии, обусловленные гидравлическим сопротивлением дросселя, здесь не имеют места, и поэтому данный способ в эксплуатации выгоднее первого. Однако применяется он реже. Большинство центробежных машин небольшой подачи приводится в движение короткозамкнутыми электродвигателями трехфазного тока, изменять частоту вращения вала которых с целью регулирования расхода невозможно.

Используя уравнение пропорциональности вида Н=К•Q², строим параболу подобных режимов, проходящую через точку 2.

К=Н₂ /Q²_з=36/(10^-3)²=360000

Откуда уравнение кривой пропорциональности будет иметь вид:

Н=360000•Q²

Н=360000•(0)²=0 м;

Н=360000•(0,004)²=5,76 м;

Н=360000•(0,008)²=23,04 м;

Н=360000•(0,010)²=36,0 м;

Н=360000•(0,012)²=51,84 м;

Н=360000•(0,014)²=70,56 м;

Н=360000•(0,016)²=92,16 м;

Н=360000•(0,018)²=116,64 м.

Q, л/с	0	4	8	10	12	14	16	18
H, м	0	5,76	23,04	36,0	51,84	70,56	92,16	116,64

Парабола пересекает характеристику насоса Q-H при частоте вращения 2900 об/мин. в точке 3 с координатами Q₃=16,6 л/с, Н₃=99 м;

Из уравнения n₁/n₂=Q₃/Q₂ находим искомое число оборотов:

n₂=n₁•Q₂/Q₃=2900•10/16,6=1747 об/мин.

Построим кривую Q₂-H₂ при числе оборотов n₂=1747 об/мин.

На кривой Q-H, соответствующей n₁=2900 об/мин. выбираем произвольно точки A₁, B₁, C₁, D₁, E₁ и снимем координаты этих точек:

точки	A	B	C	D	E
Q, л/с	8	16,8	24	32	40
H, м	100	99	90	74	48

По формулам: n ₁/n ₂=Q₁/Q₂; n²₁/n²₂=H₁/H₂, найдем координаты точек A₂, B₂, C₂, D₂, E₂

Q_А2=Q_А• (n₂/n₁) =8• (1747/2900) =4, 82 л/с;

Q_B2=Q_B• (n₂/n₁) =16, 8• (1747/2900) =10, 12 л/с;

Q_C2=Q_C• (n₂/n₁) =24• (1747/2900) =14, 46 л/с;

Q_D2=Q_D• (n₂/n₁) =32• (1747/2900) =19, 27 л/с;

Q_E2=Q_E• (n₂/n₁) =40• (1747/2900) =24, 1 л/с.

Н_А2=Н_А•(n₂/n₁)²=100•(1747/2900)²=36,3 м;

Н_B2=Н_B•(n₂/n₁)²=99•(1747/2900)²=35,93 м;

Н_C2=Н_C•(n₂/n₁)²=90•(1747/2900)²=32,66 м;

Н_D2=Н_D•(n₂/n₁)²=74•(1747/2900)²=26,85 м;

Н_E2=Н_E•(n₂/n₁)²=48•(1747/2900)²=17,42 м.

Точки	A2	B2	C2	D2	E2
Q2, л/с	4,82	10,12	14,46	19,27	24,1
H2, м	36,3	35,93	32,66	26,85	17,42

По полученным координатам наносим точки и, соединив, получаем кривую Q₂-H₂ при частоте вращения n₂=1747 об/мин.

Электрическая мощность, теряемая при изменении частоты вращения:

N_эл^ч= (с•g•Н₂ •Q_з/?_н•?_эл) •t= (980•9, 81•36•10^-3/0, 85•0, 59) •8000=36, 6 МВт/ч

Недостаток этого способа состоит в использовании более дорогого привода насоса с регулируемой частотой вращения.

Сравним затраты энергии при разных способах регулирования:

1. Дроссельное регулирование: N_эл^др=(с•g•Дh_др •Qз/?_н•?_эл)•t=210,4 МВт/ч

2. Байпасное регулирование: N_эл^др=(с•g•Н_н •Q_н/?_н•?_эл)•t=398,4 МВт/ч

3. Регулирование частотой вращения: N_эл^ч=(с•g•Н₂ •Q_з/?_н•?_эл)•t=36,6 МВт/ч

Вывод

насос бейпасный частота баланс

На практике эксплуатации насосов нередко приходится прибегать к регулированию их параметров, главным образом подачи. Сравнив затраты энергии при различных способах регулирования, определили, что регулирование изменением частоты вращения рабочего колеса в экономичном отношении значительно эффективнее остальных. Этот способ не вызывает дополнительных потерь энергии, т.к. напор в сети соответствует напору, развиваемому насосом. Однако это возможно только при использовании в качестве привода насоса двигателей, способных плавно изменять частоту вращения.

Список используемой литературы

1. О.Н. Цабиев, А.М. Грабовский «Гидравлика и нагнетатели» Киев УМК ВО 1992 г.

2. В.М. Черкасский «Насосы, вентиляторы, компрессоры» Москва Энергоатомиздат 1984 г.

3. В.В. Малюшенко, А.К. Михайлов «Энергетические насосы». Справочное пособие Москва Энергоатомиздат 1981 г.

4. О.Н. Цабиев, А.Г. Бутенко «Насосы, вентиляторы, компрессоры» Одесса 2001 г.

Размещено на Allbest.ru

...