RU   EN

ДонНТУ   Портал магістрів

Ларіонов В'ячеслав Олегович

Електротехнічний факультет

Кафедра Електропривод та автоматизація промислових установок

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Оптимізація енергетичних показників роботи дренажних насосів

Науковий керівник: к. т. н., доц. Світличний Олексій Васильович

 Резюме  Біографія  Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд літературних джерел
• 3.1 Дренажні насоси та їх класифікація
• 3.2 Основні параметри насосів
• 3.3 Методи регулювання робочих параметрів насоса
• 3.4 Послідовна робота насосів
• 3.5 Паралельна робота насосів
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Однією з найважливіших проблем народного господарства є продуктивне використання енергії. Вирішення цієї проблеми дасть можливість знизити споживання енергетичних і матеріальних ресурсів при виробництві промислової продукції, звести до мінімуму великі непродуктивні витрати держави і населення в сфері житлово-комунального господарства, поліпшити екологію в країні. Вагому роль у вирішенні даної проблеми грає електропривод, який є основним споживачем електричної енергії.

В цілому енергозбереження може здійснюватися і в самому ЕП, і в обслуговуваних їм технологічних процесах, де використовується виробляється їм механічна енергія. При цьому застосування регульованого ЕП дозволяє забезпечити при реалізації багатьох технологічних процесів енергозбереження, іноді у багато разів перевершує економію енергії в самому ЕП.

1. Актуальність теми

Дуже важливим пунктом є зниження енергетичних витрат. Особливо це стосується великих підприємств, де витрати в основному здійснюються при постачанні електродвигунів. Застосування перетворювачів частоти вирішує деякі проблеми пов'язані з енергоспоживанням, проте є певні особливості. У більшості випадків використовують статичні перетворювачі частоти з використанням широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Ефективність сучасних ПЧ становить близько 95%. Використання ШІМ вносить додаткові гармонійні компоненти, наявність яких негативно позначається на продуктивності і ефективності електродвигуна. Таким чином, ПЧ впливає на характеристики АД і може бути небезпечним для мережі живлення. Внаслідок цього коефіцієнт корисної дії (ККД) АТ підключеного до ПЧ знижується. Наявність гармонік головним чином збільшує електричні втрати в міді. Збільшення втрат призведе до збільшення температури двигуна і як наслідок зменшує його ККД. У зв'язку з цими особливостями на сьогоднішній день дослідження енергетичних показників і подальше зменшення витрат є актуальною темою на сьогоднішній день.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою магістерської роботи є дослідження енергетичних режимів регульованого електроприводу працюючого від перетворювача частоти, і визначення умов забезпечення найбільш енергоефективного режиму роботи.

Завдання дослідження:

1. Огляд літературних джерел про принцип роботи, конструкції, характеристики та енергетичних показниках дренажних насосів;
2. Експериментальне дослідження зміни ККД перетворювача і двигуна при різних режимах роботи;
3. Дослідження впливу перетворювача на мережу;
4. Визначення методів підвищення ККД системи частотний перетворювач-асинхронний електродвигун і перевірка їх ефективності;
5. Розробка методичних рекомендацій по налаштуванню систем перетворювач частоти-асинхронний електродвигун для забезпечення високих енергетичних показників.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Дренажні насоси та їх класифікація

Будь-який насосний агрегат складається з електричного двигуна і власне насоса, який перетворить енергію обертального руху в спрямований потік перекачуваної рідини. Обидві складові частини можуть розміщуватися в єдиному корпусі або розташовуватися на загальній рамі, будучи пов'язаними роз'ємним з'єднанням. Є багато варіантів конструктивних рішень і принципу дії подібного устаткування, але для побутового застосування краще використати недорогі і зручні в експлуатації дренажні насоси.

Насоси за способом установки підрозділяються на два типи. У кожного з них є специфічні властивості, які виявляються найбільш затребуваними в тій або іншій ситуації [7].

Занурювальні дренажні насоси. Занурювальні насоси встановлюються всередині заглиблених ємностей, в колодязях або природних водоймах, перебуваючи повністю або частково під шаром води. Вони мають герметичну конструкцію і легко переносяться на потрібне місце. Їх двигуни ефективно охолоджуються за рахунок теплообміну з навколишнім рідиною. Щоб не допустити роботи в сухому режимі часто в комплект входить поплавковий вимикач, здатний зупиняти і запускати мотор в залежності від наявності рівня.

Для захисту від засмічення і пошкодження внутрішніх деталей заглибних насосів від попаданні крупного сміття вони обладнуються елементами, що фільтрують з отворами безпечного розміру. Головна перевага таких агрегатів - здатність відкачування з великої глибини і низька сприйнятливість до неоднорідності середовища, що перекачується.

Поверхневі дренажні насоси. Поверхневі насоси ставляться на березі водойми або поруч з ємністю. Вони стабільно працюють, коли рідина надходить в приймальний патрубок самопливом або за невеликої глибини. Їх електродвигуни охолоджуються повітрям, що при інтенсивній експлуатації може привести до перегріву. Такі агрегати більше підходять для установки на постійному місці і перекачування щодо чистої води. Вони простіше піддаються ревізії і ремонту і не так вимогливі до якості збірки [1].

Конструкція дренажного насоса розрахована на наявність у рідини сторонніх включень того чи іншого розміру. Цей показник обов'язково вказується в технічному паспорті виробу. З ним безпосередньо пов'язане призначення агрегату.

Розмежування дренажних насосів в залежності від величини твердих частинок наступне:

• до 5 мм – насоси призначені для перекачування води з забрудненнями до 5 мм, підходять для перекачування чистої і слабозагрязнённой води зі ставків, басейнів, резервуарів;
• до 30 мм – насоси допускають перекачування води з забрудненнями розміром до 30 мм можна використовувати при осушенні підвалів і котлованів;
• до 50 мм – насоси здатні перекачувати забруднення розміром до 50 мм застосовуються для відкачування талих вод, очищення стічних канав та зарослих водоростями природних водойм.

Максимальні витрати рідини - найважливіша характеристика будь-якого насоса. Він вимірюється в літрах за хвилину або в кубічних метрах на годину. Знаючи цей параметр, можна легко розрахувати, скільки часу буде потрібно на осушення або заповнення ємності відомого об'єму. При покупці або замовленні обладнання завжди орієнтуються на найскладнішу задачу.

Для можливості відкачування води насос повинен створювати надмірний тиск. Його вимірюють в атмосферах або МПа, але на побутовому рівні зручніше користуватися метрами стовпа рідини. Чим більше натиск, тим вище і далі можна здійснювати перекачку.

Створюване насосом тиск повинен подолати висоту підйому рідини і гідравлічний опір всіх труб, шлангів, трійників, вентилів та інших перешкод. Якщо натиск з запасом справляється з усіма перешкодами, то витрата буде близький до паспортному значенню. В іншому випадку вода стане ледве сочитися або зовсім зупиниться. При покупці насоса для конкретного завдання завжди потрібно знати перепад висот між крайніми точками і закласти втрату 1 метра стовпа рідини на кожні 10 метрів довжини трубопроводу.

У забруднених рідинах велика ймовірність присутності солей, слабких кислот або лугів. Подібна середовище є корозійно-активної, тому якісні дренажні насоси виготовляються з хімічно стійких пластиків або нержавіючої сталі. Перший варіант дешевше, але менш надійний. Другий дорожче і довговічніше.

3.2 Основні параметри насосів

Основними параметрами насосів (нагнітачів), що визначають діапазон зміни режимів роботи насосних станцій (НС) і ПНУ, склад обладнання, конструктивні особливості та економічні показники, є натиск, подача, потужність і коефіцієнт корисної дії (ККД) [2]. Для задач підвищення напору в водопостачанні важливий зв'язок функціональних параметрів нагнітачів (подача, напір) з характеристиками потужності:

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 – щільність рідини, кг/м³;

       g – прискорення вільного падіння, м/с²;

       Q – подача насоса, м/с³/c;

       Н – натиск насоса, м;

       Р – тиск насоса, Па;

     N₁, N – корисна потужність і потужність насоса (яка надходить до насоса через передачу від двигуна), Вт;

     N₂ – вхідна (споживана) і вихідна (видається для передачі) потужності двигуна.

ККД насоса враховує всі види втрат (гідравлічних, об'ємних і механічних), пов'язаних з перетворенням насосом механічної енергії двигуна в енергію рідини, що рухається. Для оцінки насоса в зборі з двигуном розглядається ККД агрегату, що визначають доцільність експлуатації при зміні робочих параметрів (напору, подачі, потужності). Значення ККД і характер його зміни суттєво визначаються призначенням насоса і конструктивними особливостями.

Конструктивна різноманітність насосів велика. Спираючись на прийняту класифікацію, засновану на відмінностях в принципі дії, в групі динамічних насосів виділимо лопатеві насоси, які використовуються на спорудах водопостачання і каналізації. Лопатеві насоси забезпечують плавну і безперервну подачу при високих ККД, мають достатню надійність і довговічність. Робота лопатевих насосів заснована на силовому взаємодії лопатей робочого колеса з оточуючим потоком рідини, відмінності механізму взаємодії в силу конструкції призводять до відмінності експлуатаційних показників лопатевих насосів, які поділяються за напрямком потоку на відцентрові (радіальні), діагональні і осьові (аксіальні).

З урахуванням характеру розглянутих задач найбільший інтерес представляють відцентрові насоси, в яких при обертанні робочого колеса на кожну частину рідини масою m, що знаходиться в межлопастном каналі на відстані r від осі вала, буде діяти відцентрова сила Fu:

F_u = m • ω² • r   (2)

де: ω – кутова швидкість вала, рад./с.

Основні параметри насосів – подача Q, натиск Н, тиск N, ККД η і частота обертання n – находяться в певній залежності, від якої потерпають характеристичними кривими. Характеристика (енергетична характеристика) насоса – графічно виражена залежність основних енергетичних показників від подачі (при постійній частоті обертання робочого колеса, в'язкості і щільності середовища на вході в насос).

Основною характеристичною кривою насоса (робочою характеристи-кой, робочою кривою) є графік залежності розвиваємого насосом напору від подачі H=f(Q) при постійній частоті обертання п = const. Максимальному значенню ККД відповідають подача Q и натиск Н в оптимальній режимній точці характеристики Q-H

3.3 Методи регулювання робочих параметрів насоса

Дросельне регулювання. Засувка встановлюється послідовно після насоса, дозволяючи регулювати робочу точку. Вона збільшує опір системи і знижує в ній витрата. Без засувки витрата буде Q₂. З засувкою, встановленої послідовно з насосом, витрата знижується до значення Q₁. Засувки можуть використовуватися для обмеження максимальної витрати. Наприклад, витрата ніколи не буде вище значення Q₃, навіть якщо характеристика системи буде абсолютно пологою, що означає відсутність в системі будь-якого опору. При регулюванні параметрів дросельним методом насос буде забезпечувати більш високий натиск, ніж необхідно для даної системи. При заміні насоса з засувкою на менший насос, останній забезпечить бажані витрати Q₁, але при більш низькому напорі і, отже, з меншим енергоспоживанням.

Регулювання байпасом. Засувка байпасного (перепускного) трубопроводу встановлюється паралельно з насосом і використовується для регулювання його параметрів. У порівнянні зі звичайною засувкою, яка встановлюється за насосом, байпасіровання забезпечить певні мінімальні витрати Q_бп насоса, незалежно від характеристик системи. Витрата насоса Q_Н дорівнює сумі витрат системи Q_С і витрати через байпасний трубопровід Q_бп. Засувка на байпасі буде забезпечувати максимально допустимий напір в системі Н_макс. Навіть якщо необхідне значення витрати в системі дорівнює нулю, насос ніколи не буде працювати на закриту засувку. Як і у випадку з дросельним регулюванням, необхідне значення витрати системи Q_С може бути забезпечено меншим насосом і без перепуску; в результаті витрата через насос буде нижче і, отже, споживання електроенергії теж знизиться.

Корекція діаметра робочого колеса. Іншим способом регулювання параметрів відцентрового насоса є корекція діаметра робочого колеса: при його зменшенні відбувається зниження робочих характеристик. Очевидно, що зменшення діаметра робочого колеса не може бути вироблено під час роботи насоса. У порівнянні з дросельним і байпасним методами регулювання, які можна проводити під час роботи насоса, корекція діаметра робочого колеса повинна бути виконана до монтажу насоса або під час проведення ремонтних робіт.

Регулювання швидкості. Регулювання швидкості за допомогою перетворювача частоти, поза всякими сумнівами, є найбільш ефективним способом регулювання характеристик насоса. Витрата насоса Q прямо пропорційний його швидкості обертання. Напір насоса Н прямо пропорційний квадрату швидкості обертання, а потужність його прямо пропорційна кубу швидкості обертання. На практиці зниження швидкості обертання насоса призводить до зменшення його ККД.

3.4 Послідовна робота насосів

Послідовне з'єднання насосів (мал. 6) зазвичай застосовують для збільшення напору в тих випадках, коли один насос не може створити необхідного напору. При цьому подача насосів однакова, а загальний натиск дорівнює сумі напорів обох насосів [8].

Сумарна характеристика виходить складанням ординат енергетичних характеристик насосів при одній і тій же абсциссе (мал. 7). Перетин сумарної характеристики насосів з характеристикою мережі дасть робочу точку A, яка визначає подачу насоса Q_A і сумарний напір H_A двух насосів.

Провівши через точку A вертикальну пряму, отримаємо на перетині її з енергетичними характеристиками насосів напір H₁^' і H₂^', що розвиваються кожним з насосів.

Для замкнутої насосної установки, зображеної на мал. 6, наноси використовуються для компенсації гідравлічних втрат при витраті рідини Q_A. При цьому можливі різні варіанти включення насосів в схему насосної установки.

При включенні їх безпосередньо один за одним сумарна напірна крива їх спільної роботи будується шляхом складання ординат характеристик кожного з послідовно працюючих насосів при однакових подачах. При цьому необхідно враховувати, що напір (тиск), що подається на другий і наступні насоси, збільшується, і міцність корпусу відцентрового насоса другого і наступних рівнів може не витримувати надлишковий тиск протягом тривалого часу. Крім того, гідравлічна запірна арматура піддається гідравлічним ударам, тому також вимагає підвищеної міцності. Трубопроводи, що з'єднують насоси в послідовних схемах, не повинні мати крутих поворотів і багато з'єднань.

Щоб уникнути перерахованих вище негативних факторів, потрібно насос H₁ видаляти від насоса H₂ на таку відстань l₁, при якому натиск на виході з насоса знижується до безпечного рівня. Найбільш ефективно використовувати багатоступінчасті відцентрові насоси, які відрізняються тим, що мають кілька робочих коліс, розташованих на одній осі. В результаті цього зміна напору відбувається поступово і в одному корпусі, міцність якого витримує багаторазове збільшення напору. Крім того, використання багатоступеневих насосів дуже вигідно, тому що гідравлічні втрати мінімальні.

При послідовному з'єднанні, як було сказано раніше, подача насосів залишається колишньою, а загальний натиск дорівнює сумі напорів обох насосів, взятих при одній і тій же подачі. Отже, сумарна енергетична характеристика насосів (крива 3 на мал. 8) виходить складанням ординат кривих напорів 1 и 2 обох насосів.

Перетин сумарною характеристики насосів 3 з характеристикою мережі 4 дає робочу точку А.

Абсциса і ордината цієї точки дають відповідно подачу Q_А і сумарний напір Н₃, який розраховується за формулою:

Н₃ = Н₁ + Н₂   (3)

где: де Н₁ и Н₂ – напори, створювані відповідно першим і другим насосами при подачі Q_А, м³/с.

3.5 Паралельна робота насосів

Паралельне з'єднання насосів застосовують для збільшення подачі. Насоси, що працюють паралельно на один трубопровід, зазвичай встановлюють близько один від іншого. Якщо гідравлічний опір загального трубопроводу велике, то опором підвідних і напірних трубопроводів до вузлової точки Д (мал. 9) можна знехтувати. Так як прийомні рівні обох насосів однакові і тиск в вузловій точці для обох насосів однаково, то і натиск H обох насосів однаковий. Якщо замінити обидва насоса одним, мають подачу, що дорівнює сумі подач обох насосів, взятих при однаковому напорі, то режим роботи насосного пристрою не зміниться. Для отримання енергетичних характеристик цього насоса або сумарної характеристики двох насосів слід скласти абсциси точок кривих H = f (Q) обох насосів, взятих при одній і тій же ординате (мал. 10) [8].

При паралельній роботі двох насосів, що мають характеристики 1 и 2 (мал. 11), їх сумарна характеристика 3 будується шляхом послідовного складання абсцис двох точок кривих 1 та 2, відповідних одному натиску Н.

Іншими словами, слід скласти криві напорів 1 та 2 по горизонталі. Перетин сумарною характеристики 3 з характеристикою трубопроводу 4 дає робочу точку А. Ордината і абсциса цієї точки дають відповідно напір Н_А і сумарну подачу Q_А, яка дорівнює

Q₃ = Q₁ + Q₂   (4)

где:де Q₁ и Q₂ – витрати, створювані відповідно першим і другим насосами при напорі H_А, м.

Висновки

У разі необхідності отримання великого напору при крутий характеристиці трубопроводу слід з'єднувати насоси послідовно. При пологої характеристиці трубопроводу послідовне включення насосів малоефективно, в цьому випадку доцільніше буде використовувати паралельне включення в роботу двох насосів. Послідовне з'єднання насосів зазвичай економічно менш вигідно, ніж застосування одного насоса з необхідним напором.

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Орієнтовна дата завершення магістерської роботи: червень 2021 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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.