UA   EN

ДонНТУ   Портал магистров

Ларионов Вячеслав Олегович

Электротехнический факультет

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок

Специальность Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Оптимизация энергетических показателей работы дренажных насосов

Научный руководитель: к. т. н., доц. Светличный Алексей Васильевич

 Резюме  Биография  Реферат  Библиотека  Ссылки  Отчет о поиске  Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор литературных источников
• 3.1 Дренажные насосы и их классификация
• 3.2 Основные параметры насосов
• 3.3 Методы регулирования рабочих параметров насоса
• 3.4 Последовательная работа насосов
• 3.5 Параллельная работа насосов
• Выводы
• Список источников

Введение

Одной из важнейших проблем народного хозяйства является продуктивное использование энергии. Решение этой проблемы даст возможность снизить потребление энергетических и материальных ресурсов при производстве промышленной продукции, свести к минимуму большие непродуктивные расходы государства и населения в сфере жилищно-коммунального хозяйства, сделать лучше экологию в стране. Весомую роль в решении данной проблемы играет электропривод, который является основным потребителем электрической энергии.

В целом энергосбережение может осуществляться и в самом ЭП, и в обслуживаемых им технологических процессах, где используется вырабатываемая им механическая энергия. При этом применение регулируемого ЭП позволяет обеспечить при реализации многих технологических процессов энергосбережение, иногда во много раз превосходящее экономию энергии в самом ЭП.

1. Актуальность темы

Очень важным пунктом является снижение энергетических затрат. Особенно это касается больших предприятий, где затраты в основном осуществляются при снабжении электродвигателей. Применение преобразователей частоты решает некоторые проблемы связанные с энергопотреблением, однако есть определенные особенности. В большинстве случаев используют статические преобразователи частоты с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эффективность современных ПЧ составляет около 95%. Использование ШИМ вносит дополнительные гармонические компоненты, наличие которых отрицательно сказывается на производительности и эффективности электродвигателя. Таким образом, ПЧ влияет на характеристики АД и создает помехи в питающей сети. Вследствие этого коэффициент полезного действия (КПД) АД подключенного к ПЧ снижается. Наличие гармоник главным образом увеличивает электрические потери в меди. Увеличение потерь приведет к увеличению температуры двигателя и как следствие уменьшает его КПД. В связи с этими особенностями на сегодняшний день исследование энергетических показателей и дальнейшее уменьшение затрат является актуальной темой на сегодняшний день.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью магистерской работы является исследование энергетических режимов регулируемого электропривода работающего от преобразователя частоты, и определение условий обеспечения наиболее энергоэффективного режима работы.

Задачи исследования:

1. Обзор литературных источников о принципе работы, конструкции, характеристиках и энергетических показателях дренажных насосов;
2. Экспериментальное исследование изменения КПД преобразователя и двигателя при различных режимах работы;
3. Исследование влияния преобразователя на сеть;
4. Определение методов повышения КПД системы частотный преобразователь-асинхронный электродвигатель и проверка их эффективности;
5. Разработка методических рекомендаций по настройке систем преобразователь частоты-асинхронный электродвигатель для обеспечения высоких энергетических показателей.

3. Обзор литературных источников

3.1 Дренажные насосы и их классификация

Любой насосный агрегат состоит из электрического двигателя и собственно насоса, который преобразует энергию вращательного движения в направленный поток перекачиваемой жидкости. Обе составные части могут размещаться в едином корпусе или располагаться на общей раме, будучи связанными разъемным соединением. Есть много вариантов конструктивных решений и принципа действия подобного оборудования, но для бытового применения лучше использовать недорогие и удобные в эксплуатации дренажные насосы.

Насосы по способу установки подразделяются на два типа. У каждого из них есть специфические свойства, которые оказываются наиболее востребованными в той или иной ситуации [7].

Погружные дренажные насосы. Погружные насосы устанавливаются внутри заглубленных емкостей, в колодцах или естественных водоемах, находясь полностью или частично под слоем воды. Они имеют герметичную конструкцию и легко переносятся на необходимо место. Их двигатели эффективно охлаждаются за счет теплообмена с окружающей жидкостью. Чтобы не допустить работы в сухом режиме часто в комплект входит поплавковый выключатель, способный останавливать и запускать мотор в зависимости от наличия уровня.

Для защиты от засорения и повреждения внутренних деталей погружных насосов от попадании крупного мусора они оборудуются фильтрующими элементами с отверстиями безопасного размера. Главное преимущество таких агрегатов – способность откачки с большой глубины и низкая восприимчивость к неоднородности перекачиваемой среды.

Поверхностные дренажные насосы. Поверхностные насосы ставятся на берегу водоема или рядом с емкостью. Они стабильно работают, когда жидкость поступает в приемный патрубок самотеком или с небольшой глубины. Их электродвигатели охлаждаются воздухом, что при интенсивной эксплуатации может привести к перегреву. Такие агрегаты больше подходят для установки на постоянном месте и перекачки относительно чистой воды. Они проще поддаются ревизии и ремонту и не так требовательны к качеству сборки [1].

Конструкция дренажного насоса рассчитана на наличие в перекачиваемой жидкости инородных включений того или иного размера. Этот показатель обязательно указывается в техническом паспорте изделия. С ним непосредственно связано назначение агрегата.

Разграничение дренажных насосов в зависимости от величины твердых частиц следующее:

• до 5 мм – насосы предназначенные для перекачки воды с загрязнениями до 5 мм, подходят для перекачки чистой и слабозагрязнённой воды из прудов, бассейнов, резервуаров;
• до 30 мм – насосы допускающие перекачку воды с загрязнениями размером до 30 мм можно использовать при осушении подвалов и котлованов;
• до 50 мм – насосы способные перекачивать загрязнения размером до 50 мм применяются для откачки талых вод, очистки сточных канав и заросших водорослями естественных водоемов.

Максимальный расход перекачиваемой жидкости – важнейшая характеристика любого насоса. Он измеряется в литрах в минуту или в кубических метрах в час. Зная этот параметр, можно легко рассчитать, сколько времени потребуется на осушение или заполнение емкости известного объема. При покупке или заказе оборудования всегда ориентируются на самую сложную задачу.

Для возможности откачки воды насос должен создавать избыточное давление. Его измеряют в атмосферах или МПа, но на бытовом уровне удобней пользоваться метрами столба жидкости. Чем больше напор, тем выше и дальше можно осуществлять перекачку.

Создаваемое насосом давление должно преодолеть высоту подъема жидкости и гидравлическое сопротивление всех труб, шлангов, тройников, вентилей и прочих препятствий. Если напор с запасом справляется со всеми препятствиями, то расход будет близок к паспортному значению. В противном случае вода станет еле сочиться или вовсе остановится. При покупке насоса для конкретной задачи всегда нужно знать перепад высот между крайними точками и заложить потерю 1 метра столба жидкости на каждые 10 метров длины трубопровода.

В загрязненных жидкостях велика вероятность присутствия солей, слабых кислот или щелочей. Подобная среда является коррозионно-активной, поэтому качественные дренажные насосы изготавливаются из химически стойких пластиков или нержавеющей стали. Первый вариант дешевле, но менее надежен. Второй дороже и долговечней.

3.2 Основные параметры насосов

Основными параметрами насосов (нагнетателей), определяющими диапазон изменения режимов работы насосных станций (НС) и ПНУ, состав оборудования, конструктивные особенности и экономические показатели, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного действия (КПД) [2]. Для задач повышения напора в водоснабжении важна связь функциональных параметров нагнетателей (подача, напор) с мощностными:

N_п = ρ • g • Q • H = Q • P = N • η_н = (N₂ • η_пр) • η_н = ((N₁ • η_дв) • η_пр) • η_н = N₁ • η_дв • η_пр • η_н = N₁ • η_а   (1)

где: ρ – плотность жидкости, кг/м³;

       g – ускорение свободного падения, м/с²;

       Q – подача насоса, м/с³/c;

       Н – напор насоса, м;

       Р – давление насоса, Па;

     N₁, N – полезная мощность и мощность насоса (поступающая к насосу через передачу от двигателя), Вт;

     N₂ – входная (потребляемая) и выходная (выдаваемая для передачи) мощности двигателя.

КПД насоса учитывает все виды потерь (гидравлических, объемных и механических), связанных с преобразованием насосом механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. Для оценки насоса в сборе с двигателем рассматривается КПД агрегата, определяющий целесообразность эксплуатации при изменении рабочих параметров (напора, подачи, мощности). Значение КПД и характер его изменения существенно определяются назначением насоса и конструктивными особенностями.

Конструктивное разнообразие насосов велико. Опираясь на принятую в классификацию, основанную на различиях в принципе действия, в группе динамических насосов выделим лопастные насосы, используемые на сооружениях водоснабжения и канализации. Лопастные насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу при высоких КПД, имеют достаточную надежность и долговечность. Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим потоком перекачиваемой жидкости, различия механизма взаимодействия в силу конструкции приводят к отличию эксплуатационных показателей лопастных насосов, которые разделяются по направлении потока на центробежные (радиальные), диагональные и осевые (аксиальные).

С учетом характера рассматриваемых задач наибольший интерес представляют центробежные насосы, в которых при вращении рабочего колеса на каждую часть жидкости массой m, находящейся в межлопастном канале на расстоянии r от оси вала, будет действовать центробежная сила Fu:

F_u = m • ω² • r   (2)

где: ω – угловая скорость вала, рад./с.

Основные параметры насосов – подача Q, напор Н, мощность N, КПД η и частота вращения n – находятся в определенной зависимости, которая отражается характеристическими кривыми. Характеристика (энергетическая характеристика) насоса – графически выраженная зависимость основных энергетических показателей от подачи (при постоянной частоте вращения рабочего колеса, вязкости и плотности среды на входе в насос).

Основной характеристической кривой насоса (рабочей характеристи-кой, рабочей кривой) является график зависимости развиваемого насосом напора от подачи H=f(Q) при постоянной частоте вращения п = const. Максимальному значению КПД соответствуют подача Q и напор Н в оптимальной режимной точке характеристики Q-H

3.3 Методы регулирования рабочих параметров насоса

Дроссельное регулирование. Задвижка устанавливается последовательно после насоса, позволяя регулировать рабочую точку. Она увеличивает сопротивление системы и снижает в ней расход. Без задвижки расход будет Q₂. С задвижкой, установленной последовательно с насосом, расход понижается до значения Q₁. Задвижки могут использоваться для ограничения максимального расхода. Например, расход никогда не будет выше значения Q₃, даже если характеристика системы будет абсолютно пологой, что означает отсутствие в системе какого-либо сопротивления. При регулировании параметров дроссельным методом насос будет обеспечивать более высокий напор, чем необходимо для данной системы. При замене насоса с задвижкой на меньший насос, последний обеспечит желаемый расход Q₁, но при более низком напоре и, следовательно, с меньшим энергопотреблением.

Регулирование байпасом. Задвижка байпасного (перепускного) трубопровода устанавливается параллельно с насосом и используется для регулирования его параметров. По сравнению с обычной задвижкой, устанавливаемой за насосом, байпасирование обеспечит определенный минимальный расход Q_бп насоса, независимо от характеристик системы. Расход насоса Q_Н равен сумме расхода системы Q_С и расхода через байпасный трубопровод Q_бп. Задвижка на байпасе будет обеспечивать максимально допустимый напор в системе Н_макс. Даже если требуемое значение расхода в системе равно нулю, насос никогда не будет работать на закрытую задвижку. Как и в случае с дроссельным регулированием, требуемое значение расхода системы Q_С может быть обеспечено меньшим насосом и без перепуска; в результате расход через насос будет ниже и, следовательно, потребление электроэнергии тоже снизится.

Коррекция диаметра рабочего колеса. Другим способом регулирования параметров центробежного насоса является коррекция диаметра рабочего колеса: при его уменьшении происходит снижение рабочих характеристик. Очевидно, что уменьшение диаметра рабочего колеса не может быть произведено во время работы насоса. По сравнению с дроссельным и байпасным методами регулирования, которые можно проводить во время работы насоса, коррекция диаметра рабочего колеса должна быть выполнена до монтажа насоса или во время проведения ремонтных работ.

Регулирование скорости. Регулирование скорости с помощью преобразователя частоты, вне всяких сомнений, является наиболее эффективным способом регулирования характеристик насоса. Расход насоса Q прямо пропорционален его скорости вращения. Напор насоса Н прямо пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность его прямо пропорциональна кубу скорости вращения. На практике снижение скорости вращения насоса приводит к уменьшению его КПД.

3.4 Последовательная работа насосов

Последовательное соединение насосов (рис. 6) обычно применяют для увеличения напора в тех случаях, когда один насос не может создать требуемого напора. При этом подача насосов одинакова, а общий напор равен сумме напоров обоих насосов [8].

Суммарная характеристика получается сложением ординат энергетических характеристик насосов при одной и той же абсциссе (рис. 7). Пересечение суммарной характеристики насосов с характеристикой сети даст рабочую точку A, которая определяет подачу насоса Q_A и суммарный напор H_A двух насосов.

Проведя через точку A вертикальную прямую, получим на пересечении её с энергетическими характеристиками насосов напоры H₁^' и H₂^', развиваемые каждым из насосов.

Для замкнутой насосной установки, изображённой на рис. 6, наносы используются для компенсации гидравлических потерь при расходе жидкости Q_A. При этом возможны различные варианты включения насосов в схему насосной установки.

При включении их непосредственно друг за другом суммарная напорная кривая их совместной работы строится путем сложения ординат характеристик каждого из последовательно работающих насосов при одинаковых подачах. При этом необходимо учитывать, что напор (давление), подаваемый на второй и последующие насосы, увеличивается, и прочность корпуса центробежного насоса второго и последующих уровней может не выдерживать избыточное давление в течение длительного времени. Кроме того, гидравлическая запорная арматура подвергается гидравлическим ударам, поэтому также требует повышенной прочности. Трубопроводы, соединяющие насосы в последовательных схемах, не должны иметь крутых поворотов и много соединений.

Чтобы избежать вышеперечисленных отрицательных факторов, нужно насос H₁ удалять от насоса H₂ на такое расстояние l₁, при котором напор на выходе из насоса снижается до безопасного уровня. Наиболее эффективно использовать многоступенчатые центробежные насосы, которые отличаются тем, что имеют несколько рабочих колес, расположенных на одной оси. В результате этого изменение напора происходит ступенчато и в одном корпусе, прочность которого выдерживает многократное увеличение напора. Кроме того, использование многоступенчатых насосов очень выгодно, так как гидравлические потери минимальны.

При последовательном соединении, как было сказано ранее, подача насосов остается прежней, а общий напор равен сумме напоров обоих насосов, взятых при одной и той же подаче. Следовательно, суммарная энергетическая характеристика насосов (кривая 3 на рис. 8) получается сложением ординат кривых напоров 1 и 2 обоих насосов.

Пересечение суммарной характеристики насосов 3 с характеристикой сети 4 дает рабочую точку А.

Абсцисса и ордината этой точки дают соответственно подачу Q_А и суммарный напор Н₃, который рассчитывается по формуле:

Н₃ = Н₁ + Н₂   (3)

где: Н₁ и Н₂ – напоры, создаваемые соответственно первым и вторым насосами при подаче Q_А, м³/с.

3.5 Параллельная работа насосов

Параллельное соединение насосов применяют для увеличения подачи. Насосы, работающие параллельно на один трубопровод, обычно устанавливают близко один от другого. Если гидравлическое сопротивление общего трубопровода велико, то сопротивлением подводящих и напорных трубопроводов до узловой точки Д (рис. 9) можно пренебречь. Так как приёмные уровни обоих насосов одинаковы и давление в узловой точке для обоих насосов одинаково, то и напор H обоих насосов одинаков. Если заменить оба насоса одним, имеющим подачу, равную сумме подач обоих насосов, взятых при одинаковом напоре, то режим работы насосной установки не изменится. Для получения энергетических характеристик этого насоса или суммарной характеристики двух насосов следует сложить абсциссы точек кривых H = f (Q) обоих насосов, взятых при одной и той же ординате (рис. 10) [8].

При параллельной работе двух насосов, имеющих характеристики 1 и 2 (рис. 11), их суммарная характеристика 3 строится путём последовательного сложения абсцисс двух точек кривых 1 и 2, соответствующих одному напору Н.

Иными словами, следует сложить кривые напоров 1 и 2 по горизонтали. Пересечение суммарной характеристики 3 с характеристикой трубопровода 4 дает рабочую точку А. Ордината и абсцисса этой точки дают соответственно напор Н_А и суммарную подачу Q_А, которая равна

Q₃ = Q₁ + Q₂   (4)

где: где Q₁ и Q₂ – расходы, создаваемые соответственно первым и вторым насосами при напоре H_А, м.

Выводы

В случае необходимости получения большого напора при крутой характеристике трубопровода следует соединять насосы последовательно. При пологой характеристике трубопровода последовательное включение насосов малоэффективно, в этом случае целесообразней будет использовать параллельное включение в работу двух насосов. Последовательное соединение насосов обычно экономически менее выгодно, чем применение одного насоса с требуемым напором.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Березин С. Е. Насосные станции с погружными насосами: расчет и конструирование / С. Е. Березин. – М.: Стройиздат, 2008.
2. Карелин В. Я. Насосы и насосные станции / В. Я. Карелин, А. В. Минаев. – М.: Стройиздат, 1986. – 320 с.
3. Карттунен Э. Водоснабжение II: пер. с финского / Э. Карттунен; Ассоциация инженеров-строителей Финляндии RIL г.у. – СПб.: Новый журнал, 2005. – 688 с.
4. Кинебас А. К Оптимизация подачи воды в зоне влияния Урицкой насосной станции Санкт-Петербурга / А. К. Кинебас, М. Н. Ипатко, Ю. В. Руксин и др. // ВСТ. – 2009. – № 10, ч. 2. – с. 12 – 16.
5. Красильников А. Автоматизированные насосные установки с каскадно-частотным управлением в системах водоснабжения [Электронный ресурс] / А. Красильникова / Строительная инженерия. – Электрон, дан. – [М.], 2006. – № 2. – Режим доступа: https://promenergo.spb.ru/....
6. Лезнов Б. С Энергосбережения и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б. С. Лезнов. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360 с.
7. Николаев В. Потенциал энергосбережения при переменной нагрузке лопастных нагнетателей / В. Николаев // Сантехника. 2007. – № 6. – с. 6873; 2008. – № 1. – с. 72 – 79.
8. Промышленное насосное оборудование. – М.: ООО Грундфос, 2006. – 176 с.
9. Штейнмиллер О. А. Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей: автореф. дис. канд. техн. наук / О. А. Штейнмиллер. – СПб.: ГАСУ, 2010. – 22 с.