СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 2006 года по МПК F04D15/00 

Предложение относится к системам водоснабжения, перекачки жидкостей и газов.

Известен способ регулирования производительности задвижкой на напорном патрубке насоса (дросселированием), основанный на увеличении сопротивления напорной линии (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, - 3-е изд., перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106). Способ характеризуется низким КПД, особенно при существенных диапазонах регулирования.

Близким к предлагаемому является способ регулирования производительности насосов перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой. Указанный способ регулировки экономичен для насосов с коэффициентом быстроходности n_s>300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшим коэффициентом быстроходности регулирования подачи перепуском ведет к увеличению мощности, потребляемой насосом, и может вызвать перегрузку электродвигателя (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, - 3-е изд., перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106-109).

Наиболее близким является устройство, в котором реализуется способ регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии [JP 1-0176675 В (SAYAMA SEISAKUSHO КК) 30.06.1998, фиг.1, 3].

Однако известный способ регулирования не экономичен.

Задачей изобретения является расширение области применения способа регулирования перепуском для любых центробежных насосов и экономия электроэнергии при регулировании.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии, согласно изобретению регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарным расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос.

Существенными отличительными признаками заявленного технического решения являются регулирование производительности одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек вместо регулирования одной байпасной задвижкой в прототипе и поддержание постоянным суммарного объема перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальной мощности, потребляемой электродвигателем, вращающим насос.

Сохранение суммарного расхода перекачиваемой жидкости или номинальной мощности, потребляемой электродвигателем, вращающим насос, позволяет избежать увеличения мощности потребляемой насосом и перегрузки двигателя при регулировании. Повышение давления на входе насоса, достигаемое при одновременном открытии байпасной и закрытии всасывающей задвижек, приводит к пропорциональной экономии электроэнергии.

Предлагаемый способ регулирования производительности центробежных насосов иллюстрируют схемы фиг.1 - 4.

На фиг.1. и 3 изображены предельные варианты, а на фиг 2 - промежуточный вариант реализации предлагаемого способа регулирования. Фиг.4 поясняет предлагаемый способ регулирования с помощью характеристики Q-H насоса и характеристики Р водопроводной сети.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит насос 1, байпасную задвижку 2, всасывающую задвижку 3, манометры 4, 5 и 6. На фиг.4 использованы следующие обозначения: производительность (расход) Qн - номинальный, Qp - регулировочный; характеристика сети Р - номинальная и Рр -регулировочная; характеристика паспортная насоса Q-H, где Н - высота подъема перекачиваемой жидкости.

На схеме фиг.1 изображен исходный вариант, когда всасывающая задвижка 3 на входе насоса 1 полностью открыта, а байпасная задвижка 2 полностью закрыта. Насос и двигатель, его вращающий, работают в номинальном режиме. Давление на выходе насоса, измеряемое манометром 4, определяется потребителями и параллельно работающими насосами и равно 10 атмосферам. Давление на входе насоса, измеряемое манометром 5, для простоты принимаем равным 0 атм. Производительность насоса Q₁=1000 м³/ч задаем для примера.

На схеме фиг.2 изображен промежуточный вариант регулировки, когда байпасная задвижка 2 на перепускной линии приоткрыта, а всасывающая задвижка 3 на входе насоса призакрыта. При этом часть жидкости Q₁=100 м³/ч, которую не нужно поставлять потребителю, циркулирует по обводной линии, перенося часть энергии с выхода насоса на его вход и повышая давление на входе, измеряемое манометром 5, например на 1 атмосферу, что эквивалентно поднятию воды на входе насоса на 10 метров. При этом уменьшается разность давлений на входе и выходе насоса на 1 атмосферу и разгружается электродвигатель, приводящий в движение насос. Однако скорость жидкости на входе и внутри насоса несколько (примерно на 10%) возрастает, что приведет к снижению кавитационного запаса насоса и к ограничению диапазона регулирования. Кавитационный запас можно сохранить, если при регулировании поддерживать мощность двигателя, равной номинальной, вместо поддержания номинальным расхода.

На схеме фиг.3 изображен предельный вариант регулировки, когда байпасная задвижка 2 на перепускной линии открыта полностью, а всасывающая задвижка 3 на входе насоса 1 полностью закрыта. При этом вся жидкость циркулирует по обводной линии. Давление на входе и выходе насоса равны (без учета потерь) и определяются потребителями, и параллельно работающими другими насосами.

Энергия двигателя тратится лишь на поддержание циркуляции жидкости в байпасной линии. Скорость жидкости в байпасной линии возрастает в несколько раз (например, в 5 раз), а потери в байпасной линии максимальны и пропорциональны квадрату скорости жидкости.

Если диаметр байпасного трубопровода равен диаметру напорного (выходного) трубопровода насоса, то при закрытой всасывающей задвижке и полностью открытой байпасной задвижке, скорость жидкости в байпасной линии будет максимальной и превышать скорость на выходе насоса при номинальной нагрузке, например, в 5 раз (почти как на свободный излив). Расход жидкости, перекачиваемой насосом, возрастет также в 5 раз. Если уменьшать диаметр байпасного трубопровода, а скорость жидкости считать оставшейся максимальной, то, чтобы обеспечить расход жидкости, равный номинальному, можно уменьшить диаметр байпасного трубопровода в 5^1/2 раз, то есть в 2,2 раза. Если учесть, что производительность насоса регулируют на 50% (в 2 раза), то диаметр байпасного трубопровода может быть уменьшен еще в 2^1/2 раза, то есть в 1,4 раза. Следовательно, диаметр байпасного трубопровода может быть меньше диаметра напорного примерно в 3 раза.

На практике требуется регулировка производительности насосов на 30-50%, поэтому скорость жидкости в байпасной линии и потери в ней незначительны и соизмеримы с потерями при регулировании производительности насоса за счет изменения частоты вращения насоса с помощью асинхронно-вентильных каскадов и преобразователей частоты.

Рисунок фиг.4 поясняет предлагаемый способ регулирования с помощью характеристики Q-H насоса и характеристики Р водопроводной сети. Точка расхода Q_н соответствует номинальному режиму работы насоса (фиг.1). Точка расхода Q_p соответствует регулировочной величине расхода (фиг.2). Поскольку суммарный расход насоса сохраняется при регулировке равным Q_н, то точка 1 показывает, где должна проходить регулировочная характеристика сети Р_р (выделена пунктиром). Величина Δh соответствует повышению давления на входе насоса при регулировке.

Возможность осуществления способа рассмотрим на практическом примере. Например, надо модернизировать действующую насосную станцию с насосными агрегатами мощностью 1 МВт и регулированием производительности дросселированием (Лобачев П.В. Насосы и насосные станции. Учеб. для техникумов, - 3-е изд. перераб. и доп. Москва, Стройиздат, 1990, с.106). При частичном открывании байпасной задвижки 2 (фиг.2) с целью уменьшения количества жидкости, поставляемой потребителю, дополнительно загружается насос и электродвигатель, например до 1,2 МВт, что недопустимо. Чтобы разгрузить насосный агрегат до допустимой номинальной мощности, согласно изобретению надо прикрыть всасывающую задвижку 3, одновременно контролируя расход жидкости. Если регулировка недостаточна, то вышеописанные операции надо повторить. Однако при поддержании номинальной мощности не полностью используется возможность экономии электроэнергии. Если далее прикрывать всасывающую задвижку можно получить большую экономию электроэнергии. Оптимальный результат достигается при сохранении суммарного расхода перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях.

На практике наиболее просто можно реализовать предлагаемый способ регулирования с помощью таблицы соответствия числа оборотов всасывающей задвижки числу оборотов ведущей байпасной задвижки для сохранения суммарного расхода жидкости. Можно изготовить специальную задвижку, в которой с помощью одного привода регулируются два потока жидкости.

Предлагаемый способ регулирования целесообразно применять в электроприводных насосах с мощными высоковольтными синхронными и асинхронными двигателями взамен регулирования с помощью дорогостоящих частотных преобразователей и асинхронно-вентильных каскадов.

Годовая экономия электроэнергии, например, для насоса типа Д4000-95-2, приводимого во вращение синхронным двигателем мощностью 1250 кВт, составит 1095000 кВт·ч даже при экономии в 10% (максимальная экономия электроэнергии при регулировании производительности на 30% близка к 30%).

Способ регулирования производительности центробежного насоса заключается в перепуске части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии. Регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос. Изобретение направлено на экономию электроэнергии и расширение области применения. 4 ил.

Способ регулирования производительности центробежного насоса перепуском части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии, отличающийся тем, что регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос.