Еще раз о насосах с частотным приводом
Центробежные насосы широко используются для перекачивания различных жидкостей. Считается, что около 20% всей установленной электрической мощности в стране идет на привод насосов. Соответственно, на эти нужды электростанциями расходуется около 20% всего сжигаемого ими топлива. В коммунальном хозяйстве примерно 70% квартирной платы составляют платежи за услуги, связанные с перекачиванием воды (отопление, водоснабжение, канализация). Эти обстоятельства делают энергосбережение при перемещении жидкостей особенно актуальным.
Рассмотрим работу центробежного насоса в трубопроводной сети (рис. 1). Известно, что режим работы насоса определяется точкой пересечения его напорной характеристики, отражающей зависимость напора насоса от его подачи, с характеристикой сети, представляющей собой зависимость потери напора от расхода жидкости в трубопроводе (точка 1 на рис. 1). Характеристика насоса определяется конфигурацией его проточной части и для данной марки насоса при постоянной частоте вращения является неизменной. Характеристика сети определяется суммой геометрической высоты подъема жидкости Нg и гидравлического сопротивления Нi, значение которого изменяется пропорционально квадрату расхода жидкости в трубопроводе Нi = kQ2.
Рис. 1. Работа насоса в системе с переменным расходом
В случаях, когда режим работы насоса в процессе эксплуатации остается неизменным, энергосбережение сводится к подбору насоса, обладающего максимальным значением коэффициента полезного действия в рабочей точке (точка 1 на рис. 1). Большинство же применений центробежных насосов связано с изменением режима работы. Проанализируем взаимодействие насоса и системы в этом случае. Предположим, что расход в системе уменьшился от Q1 до Q2 (рис. 1). Для этого рабочая точка на характеристике насоса должна переместиться из точки 1 в точку 2, а напор насоса должен увеличиться от Н1 до Н2. В то же время рабочая точка на характеристике системы должна переместиться из точки 1 в точку 3, и требуемый напор уменьшится с Н1 до Н3. Рабочие точки насоса и системы пришли в противоречие: насос создает напор больший, чем требуется для преодоления гидравлического сопротивления. Чтобы приспособить характеристики насоса и системы к этим изменениям, традиционно используется два способа, проиллюстрированных на рис.1. Первый, наиболее распространенный способ, состоит во введении в систему дополнительного гидравлического сопротивления, равного разности напоров Н2 и Н3 за счет частичного закрытия задвижки А1. Второй способ состоит в том, что избыточная подача Q = Q1 — Q2 перепускается с напорной линии на всасывание через байпас, при этом расход Q регулируется задвижкой А2.
Чтобы представить себе эффективность описанных способов регулирования, выразим гидравлическую мощность через параметры потока в трубопроводе. По определению, мощность (N) равна произведению силы (F) на скорость (V) движения тела (N=FxV). Сила (F), действующая на выделенный объем жидкости, равна перепаду давления (H) на выделенном участке трубопровода, умноженному на площадь поперечного сечения (S) потока (F=HxS). Скорость движения (V) выделенного объема равна частному от деления объемного расхода жидкости (Q) на площадь поперечного сечения (S) потока (V=Q/S). Отсюда мощность потока: N=QxH. Из этого следует, что площади прямоугольников I, II и III, выделенных на рисунке 1, равны соответственно: I — мощности, необходимой для создания в системе расхода Q2; II — мощности, теряемой на задвижке А1 при дросселировании потока; III — мощности, теряемой на задвижке А2 при перепуске избыточного расхода жидкости через байпас. Из сопоставления площадей этих прямоугольников видно, что при обоих способах согласования характеристик значительная часть мощности насоса тратится впустую.
Более эффективный метод согласова-ния характеристик насоса и системы состоит в том, чтобы изменять характеристику насоса изменением его частоты вращения. Характеристика насоса при этом изменяется следующим образом: подача насоса изменяется пропорционально первой степени частоты вращения, напор насоса — пропорционально квадрату частоты вращения, мощность насоса — пропорционально кубу частоты вращения. Это означает, например, что если насос эксплуатируется на половинной частоте вращения, рабочая точка перемещается по квадратичной параболе, то есть подача составляет половину от номинальной, а напор — четверть номинального напора, а потребления мощности насоса составляет только восьмую часть номинальной мощности (рис. 2). Такие характеристики центробежного насоса позволяют изменить напор насоса в соответствии с изменением гидравлического сопротивления системы и дают существенное сбережение энергии.
Рис. 2. Характеристики насоса с переменной частотой вращения
Для изменения частоты вращения насосов с приводом от асинхронного электродвигателя, а такие насосы составляют подавляющее большинство, используются преобразователи частоты переменного тока. Производство этих преобразователей в настоящее время интенсивно развивается, в результате чего сегодня на рынке присутствует много игроков, предлагающих широкую гамму преобразователей — в основном это преобразователи универсального назначения. Из-за достаточно высокой цены преобразователей частоты используется, как правило, один преобразователь для управления группой насосов, при этом требуются внешние устройства управления и коммутации. В совокупности эти устройства образуют достаточно сложную станцию управления, включающую в себя преобразователь частоты, контроллер, пускатели и автоматы. Алгоритм управления этих станций предусматривает изменение частоты только одного насоса, а остальные насосы подключаются напрямую к сети. Кроме относительной высокой сложности, эти станции имеют еще один недостаток: при больших изменениях требуемого напора, например, при изменении давления в городском водопроводе в системах водоснабжения, режим насосов, подключенных напрямую к сети, выходит за допустимые пределы, что сокращает срок службы этих насосов.
Когда есть насос и преобразователь частоты, следующим логическим шагом является механическое соединение этих устройств, то есть установка преобразователя частоты непосредственно на двигатель насоса. Это привело к появлению нового типа насосов в производственных программах фирмы. Такой тип насосов может состоять из следующих компонентов: стандартный моноблочный насос с 3-фазным электродвигателем и преобразователь частоты.
Схемное решение насоса с преобразователем, регулируемого давлением в системе, состоит в следующем. Давление, измеряемое преобразователем давления, преобразуется в аналоговый электрический сигнал (например, 4–20 mA) и посылается на устройство управления. Этот блок управления сравнивает сигнал от датчика с сигналом, полученным от преобразователя частоты, и устанавливает такую частоту вращения, при которой насос создает требуемое давление в системе. Каждое изменение в потреблении сбалансировано с изменением частоты вращения так, чтобы текущее давление в системе всегда соответствовало давлению, заданному блоком управления.
Одно из главных преимуществ использования насоса с преобразователем частоты состоит в том, что любые дополнительные устройства типа выключателя и пультов управления, внешних датчиков давления и устройств измерения количества являются ненужными, и это позволяет уменьшить стоимость системы.
Дополнительное преимущество насоса с преобразователем частоты — это более простой пуск в эксплуатацию по сравнению с подобными машинами. Поскольку чаще всего все компоненты, требуемые для автоматического действия насоса, уже собраны и тестированы на заводе-производителе преобразователей, всё, что необходимо сделать, — это установить насос в гидравлической системе и соединять его с электропитанием. Желательный режим работы насоса должен быть введен в блок управления, после чего насос готов к действию.
Продолжение в следующем номере
| Автор: А. И. Красильников Дата: 11.08.2005 Журнал Стройпрофиль 5-05 Рубрика: энергосбережение Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |