Насосы и насосные станции

Производительность центробежных насосов можно регулировать так называемым количественным методом, пользуясь регулировочной задвижкой. Этот метод регулирования довольно прост и широко распространен в практике, но, как указано выше, неэкономичен. Более экономичным является качественное регулирование производительности насоса путем изменения частоты вращения двигателя. Этот метод с успехом используется в паровых турбинах, которые в условиях сельского хозяйства не применяются и поэтому здесь не рассматриваются. В тихоходных стационарных двигателях внутреннего сгорания при постоянной подаче топлива изменять частоты вращения не рекомендуется, так как работа двигателя в этих условиях неэкономична. В быстроходных двигателях частота вращения при изменении нагрузки сохраняется постоянной, что достигается регулированием количества горючего. Следовательно, при использовании двигателя внутреннего сгорания в качестве привода для насоса, необходимо учитывать постоянство частоты вращения насоса. В некоторых случаях возможно ступенчатое изменение частоты вращения насоса, например при передаче энергии от двигателя к насосу через трансмиссию и при установке на трансмиссии ступенчатого шкива, от которого насос и будет получать энергию. Однако в настоящее время трансмиссия редко применяется; обычно делают индивидуальный привод от двигателя к насосу при помощи редуктора, ременной передачи или непосредственно соединяют валы муфтой. В электродвигателях постоянного тока изменение частоты вращения осуществляется способами регулирования: сопротивления в цепи якоря; изменения тока возбуждения; изменения напряжения, подводимого к двигателю, и др. В электродвигателях переменного тока частоту вращения изменяют: введением сопротивления в цепь ротора; переключением числа полюсов; изменением частоты подводимого к двигателю тока; каскадными включениями асинхронного двигателя с другими машинами; применением в передачах гидромуфт или электромагнитных муфт; импульсным методом регулирования скорости вращения двигателя небольшой мощности (этот метод может найти широкое применение в недалеком будущем). В каждом случае способ регулирования выбирают на основании технико-экономического сравнения ряда вариантов.

Рассмотрим совместную работу центробежного насоса и асинхронного электродвигателя при пуске, установившейся работе и остановке агрегата.

На рисунке 161, а показана типичная кривая зависимости вращающего момента от частоты вращения электродвигателя с двойной клеткой ротора, а на рисунке 161, б — электродвигателя с глубоким пазом ротора.

(рис. 161) Пусковые характеристики асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с двойной клеткой ротора (а) и асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с глубоким пазом ротора (б): 1 — кривая изменения безразмерной (относительной) величины пускового момента в долях от номинального (М_п/М_ном) при частоте вращения от n=0 до n=n_ном; 2 — кривая изменения безразмерной (относительной) величины пускового тока в долях от номинального (I_п/I_ном) при частоте вращения от n=0 до n=n_ном

На горизонтальной оси нанесены частоты вращения двигателя с глубоким пазом (% нормальной частоты вращения), а на оси ординат — отношения пускового момента к номинальному, а также отношения пускового тока к номинальному. Характерными являются безразмерные величины М_max/М_ном и М_пуск/М_ном.

При установившейся работе М/М_ном=1, n/n_ном=1 и I/I_ном=1.

Наиболее важной является совместная работа двигателя и насоса при пуске. Обозначив статический момент насосного агрегата М_ст, осуществив запуск насоса при закрытой задвижке на напорной трубе, получим характер изменения М_ст/М_ном в зависимости от n/n_ном в виде кривой, изображенной на рисунке 162.

(рис. 162) Пусковая характеристика центробежного насоса: 1 — кривая изменения безразмерной (относительной) величины пускового момента в процентах от нормального (М_ст/М_ном) при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, при частоте вращения от n=0 до n=n_ном; 2, 3 — то же, при открытой задвижке (разные степени открытия и разная арматура трубопроводов на станции)

В начальный период при n=0  М_ст/М_ном изменяется от 0,10 до 0,20, то есть от 10 до 20%. В этом случае момент сопротивления равен моменту холостого хода, который создается от преодоления трения в подшипниках и сальниках и дисков колеса о воду. При достижении n=n_ном, М_ст/М_ном=30÷40% (кривая 1 при Q=0).

Если пуск насоса проводится при открытой задвижке, то в зависимости от коммуникации арматуры на напорном трубопроводе (наличие обратного клапана, степень открытия задвижки) отношение М_ст/М_ном может быть изображено в виде кривых 2 и 5. Как видно из рисунка 162, пусковые кривые насоса как при открытой, так и закрытой задвижке не превосходят номинального момента.

На рисунке 163 показаны кривые пусковых моментов двигателя, работающего при напряжении u=u/u_ном=1 (кривая 3), u=u/u_ном=0,8 (кривая 4) и u=u/u_ном=0,5 (кривая 5).

(рис. 163) Кривые безразмерных (относительных) величин пусковых моментов (М_п/М_ном) асинхронного короткозамкнутого электродвигателя при разном напряжении (3, 4, 5): 1 — характеристика поршневого насоса (М=const) при частоте вращения от n=0 до n=n_ном; 2 — характеристика центробежного насоса

При характеристике 3 возможна работа как центробежного насоса (кривая 2), так и поршневого (кривая 1). При кривых 4 и 2 возможна совместная работа, но при кривых 5 и 2 двигатель затормозится в точке α при работе с центробежным насосом, а с поршневым пуск при u/u_ном≤0,5 невозможен. Если напряжение будет падать, то для предотвращения аварии необхо димо выбрать соответствующую защиту двигателя. Асинхронные двигатели небольшой мощности для уменьшения пускового тока можно пускать при помощи переключателя со звезды на треугольник. Это возможно в том случае, когда двигатель работает при соединении статорной обмотки в треугольник.

На крупной гидротехнической насосной станции установленны электродвигатели, приводящие в движение осевые насосы, — синхронные с асинхронным запуском, N_дв=3000 кВт, n=214 об/мин, u=6 кВ. На рисунке 164 показана пусковая характеристика двигателя при напряжениях u=u_ном и u=0,5 u_ном.

(рис. 164) Кривые пусковых моментов в относительных единицах (М_п/М_ном) : 1 — синхронного электродвигателя с асинхронный пуском при напряжении u=u_ном; 2 — то же, при напряжении u=0,5u_ном; 3 — осевого насоса с поворотными лопастями ОПВ-250

Для двигателей с асинхронным пуском существенное значение имеют М_пуск и подсинхронный (входной) вращающий момент М_вх, развиваемый двигателем при его пуске при частоте вращения, равной n=0,95 n_синхр, и М_mах, который должен быть вдвое больше М_ном. На рисунке 164 показан пуск двигателя. На канале имени Москвы разработан и осуществлен автоматический прямой пуск насосного агрегата с синхронным электродвигателем. Рассмотрим технологическую схему пуска. Выход воды из акведука в верхний бьеф канала перекрывается быстропадающим плоским затвором. Лебедка затвора имеет грузоподъемность 40 т. Для поворота лопастей установлены две полностью автоматизированные маслонапорные установки с давлением 2,0 МПа (20 ат). Поворот лопастей можно осуществить от —5° до +20°.

На рисунке 165 показана технологическая схема пуска агрегата.

(рис. 165) Технологическая схема пуска и остановки поворотно-лопастного осевого насоса (ОПВ-250) с синхронным двигателем и асинхронным пуском

После пуска двигателя лопасти рабочего колеса развертываются от пускового угла —5° до угла +2°, которому соответствует заполнение акведука водой. После этого затвор будет разгружен, так как давление на него будет с двух сторон, реле заполнения акведука водой (РЗА) осуществляет подъем быстропадающего плоского затвора. При подъеме его на 2 м путевой переключатель дает импульс на дальнейший разворот лопастей до величины угла +16°. Пуск агрегата будет закончен, когда затвор будет поднят на высоту 3,6 м, а угол поворота лопастей будет +16°.

При остановке агрегата операции выполняются в следующем порядке: свертывание лопастей, опускание затвора, отключение выключателя. При аварии сначала отключается выключатель, потом опускается затвор и свертываются лопасти. На схеме приведено время последовательных операций.

Вопрос о регулировании подачи насосов рассмотрен для двигателей, у которых мощность или вращающий момент превосходили потребляемую мощность и необходимый момент вращения насоса. При этом выбранная с некоторым запасом мощность двигателя гарантировала работу при уменьшенной подаче насоса. Увеличение подачи насоса при рассмотренных двигателях возможно лишь в очень ограниченных пределах и зависит от выбранной нормальной мощности двигателя. Исключение составляют осевые насосы, которые при уменьшении подачи требуют увеличенной мощности двигателя (по отношению к нормальной мощности). Это следует учитывать при определении условий совместной работы осевого насоса и двигателя. Если необходимо уменьшить подачу осевого насоса, то применяют регулирование посредством поворота лопастей насоса на определенный угол.

Для поршневого насоса выбирают такой электродвигатель, который имел бы пусковой момент выше пускового момента насоса (рис. 166).

(рис. 166) Пусковые моменты асинхронного электродвигателя с глубоким пазом ротора (1) и непосредственным включением в сеть и поршневого насоса (2) при частотах от n=0 до n=n₁

Если двигатель переключается со «звезды» на «треугольник», пусковой момент может оказаться недостаточным, так как поршневые насосы при наличии всасывания и отсутствии нагнетания имеют пусковой момент около 0,8—1 нормального. Некоторые двигатели при пуске с переключением «звезды» на «треугольник» дают пусковой момент, равный 0,6—0,7 нормального.

Центробежные насосы не требуют большого пускового момента и могут работать с короткозамкнутым двигателем простого типа. Если насос непосредственно включается в сеть при открытой задвижке, то требуется большой пусковой момент. В этом случае подходит двигатель с глубоким пазом и непосредственным включением в сеть. Если двигатель с глубоким пазом включить при пуске на «звезду», то можно удовлетвориться и пониженным моментом.

Двигатель внутреннего сгорания запускают вхолостую. Поэтому следует предусматривать у двигателей шкив — фрикционную муфту или рабочий и холостой шкивы у насоса. При отсутствии того или другого привод осуществляют через промежуточную трансмиссию.

В заключение следует указать, что в практике оросительных насосных станций регулирование расходов насосов не применяется. Регулирование расходов, подаваемых насосной станцией, осуществляется числом работающих насосов. При этом чем больше число насосов и меньше подача каждого, тем плавнее может быть регулирование. Но большое число агрегатов повышает стоимость строительства и эксплуатации станции. В крупных насосных станциях с агрегатами большой подачи в некоторых случаях, чтобы покрыть малые расходы пографику, следует ставить один или два насоса малой подачи, увязывая ее с подачей форсированного расхода и резервированием. Все эти возможные решения подлежат обоснованию технико-экономическими расчетами.

Остановимся на определении эксплуатационных показателей работы двигателя и насоса. Для электронасосов это будет затрата двигателем электроэнергии в киловатт-часах на одну тонна-метр поднятой воды (кВт·ч/тм).

На рисунке 167 показаны кривые изменения удельной энергии для модели осевого насоса с диаметром колеса 350 мм; первая кривая построена без учета к. п. д. электродвигателя, а вторая кривая — с учетом его.

(рис. 167) Удельный расход электроэнергии в кВт·ч на 1 тм поднятой воды: 1 — насосом O-35; 2 — двигателем насоса

Из рисунка видно, что при увеличении напора на 25% и при одновременном уменьшении вдвое подачи насоса удельная энергия возрастает почти вдвое. Отсюда следует, что осевой насос без поворотных лопастей дает хорошие эксплуатационные показатели лишь при его работе в зоне максимальных значений к. п. д.

На рисунке 168 приведены кривые удельной энергии для насоса 16НДн.

(рис. 168) Удельный расход электроэнергии в кВт·ч на 1 тм поднятой воды: 1 — насосом 16НДн (при n_s=220); 2 — электродвигателем насоса

Первая кривая относится к мощности насоса, а вторая — к мощности, потребляемой электродвигателем. Иногда строят кривые кВт·ч/м³= f(Q). При тепловых двигателях удельные показатели работы насосных агрегатов выражаются отношением расхода условного топлива в килограммах или тоннах к количеству поднятой насосом воды в тонна-метрах.