Рабочая точка насоса | Аудит насосов
Рабочая точка насоса или рабочая точка – это точка пересечения характеристики насоса и характеристики системы.
Насос работает в режиме, который определяется пересечением характеристик насоса и системы.
Это точка баланса между требованиями системы характеристикой насоса.
Если рабочая точка была определена на кривой QH, то можно другим характеристикам можно определить другие параметры насоса – Мощность на валу насоса, КПД насоса по характеристикам насоса, кавитационный запас.
Как перемещается рабочая точка вдоль характеристики насоса при изменении кривой системы?
В зависимости от степени закрытия задвижки на линии нагнетания характеристика системы изменяется, а рабочая точка перемещается вдоль характеристики насоса.
Допустимый рабочий диапазон насоса – это диапазон на кривой QH, в пределах которого должна находиться рабочая точка, чтобы обеспечить эффективную и надежную работу насоса.
Допустимый рабочий диапазон насоса определяется производителем насоса для каждой модели насоса.
Но обычно допустимый рабочий диапазон для центробежных насосов определяется как 0,7 – 1,1 x Qbep.
Рабочий диапазон насоса показан на характеристике QH линиями Qmin и Qmax.
Только при условии, что рабочая точка насоса находится в пределах рабочего диапазона, производитель насоса гарантирует эффективную и безотказную работу насоса.
Перегруз насоса означает, что насос работает в рабочей точке, которая лежит дальше правой границы Qmax допустимого рабочего диапазона насоса.
В этом случае насос работает в зоне перегруза.
Что произойдет, если рабочая точка насоса выйдет за пределы допустимого рабочего диапазона?
Очевидно, что насос будет работать с низким КПД, что приведет к дополнительному потреблению энергии.
Но тот факт, что работа за пределами допустимого рабочего диапазона снизит надежность насоса, не очевиден для многих специалистов эксплуатирующих насосы.
На схеме ниже показано, как зависит надежность насоса от положения рабочей точки насоса относительно рабочего диапазона.
При выходе рабочей точки за пределы рабочего диапазона надежность насоса резко снижается.
В зависимости от положения рабочей точки возможны следующие проблемы.
ЧТО ТАКОЕ ТОЧКА МАКСИМАЛЬНОГО КПД НАСОСА?
Точка максимального КПГД – это точка, на напорной характеристике в которой насос работает с максимальным КПД. В этом режиме поток жидкости входит и выходит из насоса с минимальным разделением потока, турбулентностью и другими потерями.
1.1 Значительное повышение температуры.
2. Снижение ресурса подшипников и уплотнений из-за вибрации, вследствие:
2.1 Возможной кавитации.
2.2 – 2.3 Возникновения рециркуляции потока на входе и выходе рабочего колеса.
3. Снижение ресурса подшипников и уплотнений из-за вибрации, вызванной отрывом потока в проточной части.
4. Кавитация, перегрузка электродвигателя.
Выход из строя насоса в сознании многих специалистов часто ассоциируется с низким качеством насоса.
Но очень часто это следствие более глубоких проблем, связанных с ошибками при эксплуатации насосов и в том числе ошибками при подборе насоса.
Рабочая точка насоса и другие важные характеристики насоса для его правильного подбора
Рабочая точка насоса. Что это и для чего нам так необходимо ее знать, разберем в этой мини – статье совместно с другими не менее важными характеристиками.
Термин для новичков:
Рабочая точка – это точка пересечения характеристики насоса с характеристикой системы. Напор (откуда куда в метрах по вертикали и горизонтали) и подача (в каком объёме), которые нужны для того, чтобы получить желаемый результат в Вашей системе.
И более точное пояснение для специалистов:
Рабочая точка центробежного насоса является точкой пересечения кривой напора H(Q) и характеристической кривой установки HA(Q). При этом кривая H(Q) зависит от параметров насоса, а зависимость HA(Q) обусловлена параметрами установки.
Разберем более детально все параметры и их взаимосвязь.
Производительность (подача, расход) – объем жидкости, перекачиваемый насосом за единицу времени (м3/час, л/сек, и т.
д). В величину расхода входит только фактический объем перемещаемой жидкости без учета обратных утечек.
В насосах DP-Pumps (Голландия), благодаря заводским испытаниям и замерам, фактическая производительность совпадает с данными указанными в каталоге.
Напор – разница давлений между входным и выходным патрубком насоса, создаваемый рабочими колесами насоса.
Формулы для расчета прописывать не будем, так как здесь учитывается много индивидуальных параметров. Есть онлайн ресурсы, которые Вам помогут просчитать рабочую точку при наличии необходимых характеристик, после чего Вы сможете подобрать насос в программе подбора. Но в данном случае никаких гарантий того, что оборудование подобрано правильно и будет работать так как Вам нужно – нет.
Для точного и правильного подбора, соответствия всем спецификациям и долгого эксплуатационного срока – обратитесь к нашим специалистам. Это сократит Ваше время и даст гарантию того, что насосное оборудование подобрано верно и сможет удовлетворить все требования Вашей системы.
После подбора Вам будет отправлен лист характеристик. Давайте разберем на что нужно обратить внимание.
График 1. Рабочая точка.
На оси абсцисс подача (производительность, расход) насоса, выраженная в л/сек (или м3/час) . По оси ординат располагается напор насоса, выраженный обычно в метрах (м), на графике в кПа. Из графика видно, что при «нулевом» расходе насос выдает максимальный напор равный примерно 66 м. При максимальном расходе, примерно, 2,5 м3/час – напор около 30 метров. Это крайние рабочие точки по расходу и напору для данного, конкретного типа насоса. Теоретически, рабочая точка может располагаться в любом месте рабочей характеристики насоса.
За пределами рабочей характеристики эксплуатировать любой насос категорически запрещено!
График 2. Мощность двигателя.
Потребляемая мощность (мощность на валу) – мощность, потребляемая насосом при работе. Часть потребляемой мощности может теряться из-за протечек, трения в подшипниках и т.
д.
Полезная мощность – это энергия, отдаваемая жидкости за единицу времени при работе насоса.
Коэффициент полезного действия (КПД) определяет соотношение между этими величинами.
График 3. КПД
Полезная энергия меньше, чем потребляемая. Часть энергии неизбежно теряется при преобразовании. КПД насоса оценивает его энергетическое совершенство. Чем больше КПД насоса, тем эффективней он использует потребляемую энергию.
«Вечный двигатель» пока не изобретен, поэтому КПД всегда будет меньше 1, или меньше 100 %.
График 4. NPSH( кавитационный запас).
Кавитационный запас — NPSH [м.вод.ст] — минимальное давление во всасывающем патрубке насоса обеспечивающее безкавитационную работу. Значение кавитационного запаса определяется опытным путём производителями насосов и приводится в виде графика в зависимости от подачи насоса.
Чаще всего, а точнее где – то в 55 % случаев, из-за сложности процессов, происходящих на всасывающем патрубке насоса, этому параметру при подборе не уделяется должное внимание, а зря, так как это может значительно продлить срок службы насоса.
(изучите статью “От чего зависит срок службы насоса” по ссылке http://iwt.com.ua/blog/19 ).
Итак, в статье мы разобрали главные характеристики, которые необходимо учесть при подборе насосного оборудования. Эти знания можно применить, как и при самостоятельном подборе так и при проверке подбора подрядчика.
И помните, что для длительной и надежной эксплуатации насосного оборудования, необходимо учесть все вышеизложенные характеристики. Подобрать не только по оптимальным техническим значениям, что конечно же является первоочередным, но и по советующей стоимости. Не стоит покупать насосы с пластиковыми внутренностями исходя только из – за низкой стоимости, потом Вам придется выделить еще больший бюджет на обслуживание насосов или на частую замену. Также и в обратную сторону, не стоит переплачивать за невероятно мощные насосы или спец. исполнение, если этого не требует Ваш проект.
Оборудование должно быть энергоэффективным, надежным, высокотехнологичным.
При правильном подборе у Вас получится энергоэффективное экономичное решение с минимальными эксплуатационными затратами, полностью соответствующее требованиям Вашей системы.
Экономия энергии за счет правильной рабочей точки
В связи с постоянно растущими затратами на электроэнергию производители насосов должны предлагать энергоэффективные решения для перекачки жидкости. Помимо гидравлической оптимизации существующей технологии, производители запускают ряд новых высокоэффективных электрических приводов и мощных систем управления.
При акцентировании внимания на оптимизации существующих и новых технологий экономия, которая может быть получена за счет определения размеров трубопровода и определения правильной рабочей точки для насоса на этапе планирования, часто недооценивается.
Требования к мощности насоса
Пример расчета поможет проиллюстрировать потенциал экономии. Рабочая точка насоса обычно определяется требуемым расходом и соответствующим давлением. Последний часто обозначается как голова. Для турбулентных потоков ньютоновских жидкостей корреляция между потерей давления и напором соответствует квадратичной зависимости.
Формула 1 применяется к замкнутой системе трубопроводов с нулевым статическим давлением:
H ~ Q 2
H = напор
F = Расход
Формула 1. Зависимость напора и расхода в замкнутой системе трубопроводов.
Требование к мощности центробежного насоса определено в Формуле 2.
P 1 = Q • H • P • G
η GES
P 1 = Вход мощности 9003
P 1 = Power 9003
P 1 = 9003P 1 = 9003
. p = Плотность среды
g = Ускорение свободного падения
η ges = Общий КПД агрегата
Формула 2. Требуемая мощность центробежного насоса
Формула 2 подразумевает, что увеличение расхода увеличивает требуемую мощность в три раза. Другими словами, превышение расхода на 5 процентов приводит к увеличению потребности в энергии более чем на 15 процентов (при неизменном КПД).
Увеличенный поток на 10 процентов повышает потребление энергии до 30 процентов.
И наоборот, влияние потока на выполнение задачи потока зависит в высокой степени от приложения. Например, система отопления будет достигать более 80 процентов своей тепловой мощности, если будет обеспечена только половина расхода. Напротив, насос недостаточной мощности в канализационной или технологической технике может привести к фатальным последствиям.
Рис. 1. Увеличение потребляемой мощности следует за увеличением расхода в закрытых системах.
Средства планирования
Производители насосов должны поддерживать пользователей на этапе планирования, чтобы гарантировать эффективное использование насосов. Поддержка может быть оказана путем консультации в процессе выбора. Различные производители насосов также предлагают инструменты планирования в виде программного обеспечения, в частности веб-приложений. В то время как сложные системы трубопроводов требуют обширных расчетов, также доступны приложения для неразветвленных труб.
Многие производители насосов предлагают бесплатный доступ к программному обеспечению для расчета в сочетании с программой подбора насосов.
Веб-программное обеспечение, в частности, предлагает централизованный процесс обновления непосредственно на сервере и позволяет избежать установки на локальные ПК. В веб-программном обеспечении необходимо определить требуемый расход, чтобы определить размер трубопровода и рассчитать потери давления на втором этапе.
Определение расхода
Для каждого применения центробежного насоса требуется свой расчет требуемого расхода. Например, для тепловых насосов требуемый расход получается из расчета потребности в тепле, но расход в промышленных применениях зависит от конкретной транспортной задачи и параметров процесса. Во многих приложениях доступны международные инженерные стандарты (которые обычно интегрируются в программы расчета труб).
Бытовые сточные воды Согласно EN 12056, расход бытовых сточных вод, образующихся в результате дренажа, можно рассчитать путем сложения коэффициентов стока нескольких санитарно-технических устройств в зависимости от типа здания (см.
формулу 3).
Q ww = K · √ΣDU
Q ww = канализация сточных вод
K = показатель дренажа в зависимости от типа здания0003
Формула 3. Расчет дренажа сточных вод в соответствии с EN 12056
Программное обеспечение для расчета труб включает эту формулу и необходимые коэффициенты (см. рис. 2).
Рисунок 2. Расчет расхода хозяйственно-бытовых дренажных вод согласно DIN EN 12056
В качестве альтернативы расход может определяться количеством жителей населенного пункта и удельным пиковым стоком.
Ливневая вода Для планирования и реализации дренажных систем в мае 2008 г. была выпущена обновленная версия DIN 1986-100, которая должна применяться вместе с EN 12056. достаточная защита от затопления. Расход дождевых вод для ливневой акватории рассчитывается в зависимости от расчетного ливневого стока, который определяется статистически (см.
формулу 4).
Q = r (D,T) • C • A
r (D,T) = расчет ливневого стока
C = коэффициент стока
A = эффективная площадь ливневого стока
Формула 4. Определение стока дождевой воды согласно EN 12056/DIN 1986
Программное обеспечение для расчета труб должно содержать статистические значения для расчета, а также для аварийного дренажа. При желании площадь участка или крыши для участков ниже уровня подпорной воды можно рассчитать в соответствии с DIN 19.86, 14.7.
Для определения расхода питьевой воды в DIN 1988 указаны точки отбора проб воды и типы зданий (см. рис. 3).
Рис. 3. Определение расхода для подачи питьевой воды в соответствии с DIN 1988
Расчет потерь на трение
Если требуемый расход известен, можно рассчитать размер трубопровода и рассчитать потери на трение. Во многих программах система может быть разделена на несколько секций и может рассматриваться несколько насосов, работающих параллельно.
Для потерь на трение в прямой трубе применяется формула 5.
P V = U • L • P • V 2 • λ
4A D I
P V = FRICTION LOSS
P V = FRICTIO площадь сечения
U = длина окружности относительно A
L = длина трубы
p = плотность жидкости
v = средняя скорость потока
λ = коэффициент трения
D i = Внутренний диаметр трубопровода.
Формула 5. Потери на трение в прямых трубах
Потери на трение в прямых трубах зависят от коэффициента трения трубы, поперечного сечения, длины трубы и средней скорости потока. В зависимости от фигуры Рейнольдса коэффициент трения трубы λ подчиняется разным принципам в зависимости от того, является ли поток ламинарным или турбулентным. Потери давления в арматуре и арматуре определяются коэффициентом потерь.
Многие программы расчета труб предлагают часто используемые формулы, такие как формулы Коулбрука и Дарси-Вайсбаха или эмпирический метод Хазена-Вильямса.
Общий напор
Уравнение Бернулли описывает равенство геодезической, статической и динамической энергии. Общий напор состоит из потерь давления и статического напора. Последнее является результатом разницы геодезических высот между уровнями всасывающей и нагнетаемой жидкости и разницы статического давления. В замкнутых циклах статическая часть равна нулю.
Рис. 4. Схематическая демонстрация неразветвленной системы трубопроводов.
H GES = P A – P E + (Z A – Z E ) + H V (Q) + V A 2 • V 9003 2
P • G 2G
P A – P E = Разница давления между всасывающим и разгрузочным баком
Z A – Z E = H GES = Высота геодезии
H V (Q) = Потеря давления в расчете расхода
В A , V E = Длина трубы
V A , V E = Длина трубы V A , V E Формула 6.
Головка установки
Членом в формуле 6 можно пренебречь, если основное поперечное сечение на стороне всасывания и стороне нагнетания достаточно, поэтому скорость потока мала. Кроме того, перепад давления не применяется в открытых резервуарах, что упрощает уравнение формулы 7.
H ges = H geo + H v (Q)
Формула 7. Головка установки с открытыми баками с огромным поперечным сечением
Может применяться непосредственно в расчетах подбор насоса. Это особенно интересно для параллельной работы насосов, когда необходимо анализировать различные режимы работы.
Насосы и системы, июнь 2010 г.
Пять методов определения рабочей точки насоса
Первое, что делают медицинские работники при приеме пациентов, — определяют их состояние с помощью некоторых показателей жизненно важных функций. Это основа для определения того, необходимы ли какие-либо другие анализы для решения проблемы со здоровьем.
Основные жизненные показатели, которые они могут проверить, это артериальное давление, температура, пульс, и они могут даже сделать некоторые анализы крови. То же самое относится и к насосному оборудованию. Это требует сбора достаточного количества показателей жизнедеятельности для определения рабочей точки насоса, что позволит многое узнать о состоянии насосной системы. Рабочая точка насоса будет определять такие вещи, как эффективность насоса и надежность насоса.
Рабочая точка в пределах +5 процентов/-10 процентов от точки наилучшего КПД (BEP) обычно является нормальным состоянием. Чрезмерное отклонение от BEP в любом направлении приведет к снижению надежности насоса. Итак, вернемся к основной теме этой статьи: как определить, где работает насос? Если известен диаметр рабочего колеса, определение напора насоса, расхода или мощности позволит определить рабочую точку. Было бы легко получить точные показания с помощью расходомера в линии или ультразвукового измерения расхода. Однако это может быть сложно в некоторых производственных системах, где нет достоверных или надежных данных о расходе.
Когда данные о расходе недоступны, операторы могут использовать следующие пять способов, чтобы попытаться определить рабочую точку насоса.
1. Измерение общего динамического напора
Общий динамический напор (TDH) — это общий напор, развиваемый по осевой линии насоса при заданном наборе условий (скорость насоса, диаметр рабочего колеса и т. д.). В лучшем случае манометры должны быть установлены на напорной и всасывающей сторонах насоса. Для большинства систем манометры на стороне всасывания недоступны, и напор в резервуаре можно использовать как достаточно точную оценку напора на всасывании.
Возможно, потребуется принять во внимание некоторые поправки на регулировку относительно осевой линии насоса и любые значительные потери на фрикционных трубопроводах. Обычно потерями на трение можно пренебречь, когда известное давление близко к насосу. Если в системе имеется преобразователь давления, поправки на разницу давлений могут быть рассчитаны относительно осевой линии насоса, как показано на рис.
1.
После получения TDH насоса из этих давлений и правильной характеристики насоса можно легко определить рабочую точку. Когда получаются хорошие давления, это, вероятно, самый точный из всех методов. Это также предоставляет прямые данные для кривой производительности насоса, как показано на Рисунке 2, где была определена 100-футовая TDH. Этот метод может быть сложным для очень плоских характеристик насоса, для которых измерения давления должны быть чрезвычайно точными, чтобы определить рабочую точку насоса.
Тормозная мощность (BHP) также может быть рассчитана после измерения общего динамического напора. BHP из TDH можно использовать для сравнения с BHP, рассчитанным на основе электрической энергии двигателя. Это хорошая проверка, чтобы убедиться, что оба метода соответствуют друг другу. BHP можно рассчитать с помощью следующего основного уравнения.
BHP = H*Q*SG/(3960*η)
Где:
H = общий динамический напор насоса в футах
Q = расход насоса в галлонах в минуту
SG = удельный вес перекачиваемой жидкости
η = КПД насоса
2.
Измерение нагрузки двигателя/привода BHPХотя прямые измерения мощности могут быть легко выполнены на некоторых панелях привода, наиболее распространенные методы включают измерение отдельных параметров, таких как ток и напряжение. Измерьте или получите наиболее точные параметры для расчета и определения нагрузки двигателя из основного уравнения трехфазной мощности, как показано ниже.
BHP = 1,732(I)V(pf)η
Где:
V = напряжение, вольт
I = ток, ампер
Pf = коэффициент мощности
η = КПД двигателя
Для двигателя сюда входят сетевое напряжение и ток, а не напряжение или ток, указанные на паспортной табличке. Многие двигатели имеют на паспортной табличке «460 В», но заводское напряжение может варьироваться от 15 до 20 вольт. Измерьте силу тока двигателя на всех трех ветвях трехфазного двигателя, чтобы убедиться, что они сбалансированы, и повысить точность этого метода. Кроме того, используйте скорректированный коэффициент мощности и КПД двигателя на основе фактических условий нагрузки двигателя, а не значений, указанных на паспортной табличке.
Коэффициент мощности может быть резко снижен для легконагруженного двигателя, поэтому это необходимо тщательно оценить. Один только этот параметр может внести большие ошибки в этот метод.
КПД двигателя может немного варьироваться в зависимости от нагрузки двигателя, но он относительно мал по сравнению с коэффициентом мощности. Множественные ошибки в каждой переменной в этом методе могут привести к ошибкам начисления процентов при расчете. Этот метод является косвенным методом определения рабочей точки насоса, но также полезен для проверки рабочей точки насоса в сочетании с другими данными. Некоторые операторы могут соотносить ток двигателя с током, указанным на паспортной табличке, и мощностью двигателя (л.с.), чтобы получить фактическую мощность двигателя, но это может быть неточным из-за разницы коэффициентов мощности. Метод мощности также может быть затруднен для насосов с высокой удельной скоростью из-за формы кривой.
3. КИПиА и расчет баланса массы процесса
Если где-то в технологической системе имеется расходомер, его можно легко использовать для расчета рабочей точки.
Он также не всегда должен находиться в основной линии насоса. Использование простых расчетов баланса массы может позволить включить насос обратно в поток. Если жидкость представляет собой взвешенные твердые частицы или суспензию, уравнение консистенции также может быть полезным. Пример массового баланса в системе производства целлюлозы показан на рис. 3.
Использование накладных ультразвуковых расходомеров — еще один способ определения условий потока. Очень важно найти правильное место для установки накладного расходомера, но на некоторых участках трубопровода это может быть затруднительно.
4. Изменения объема резервуара
Если система представляет собой периодический процесс, можно выполнить расчет изменения объема системы. Это может быть сложно, если необходимо учитывать входящий поток, чтобы получить общий перекачиваемый поток. Процессы, в которых потоки сбрасываются в водослив, также могут быть эффективными при определении рабочей точки с использованием формулы или таблицы водослива.
Для расчетов объема бака измерение времени замены бака фиксированного объема даст скорость подачи насоса. В случае, показанном на рис. 4, отстойник запускается и останавливается на основе минимального и максимального уровней. В этом примере пакетной операции при расчете также учитывается входящий поток.
5. Другие рабочие данные
Хотя эти данные являются дополнительными для одного из предыдущих методов и не являются окончательными, они могут предоставить ценную информацию, когда точность одного из других методов вызывает сомнения. Всегда хорошо, когда все данные говорят об одном и том же. Некоторые из этих других данных относятся к вибрации насоса. Данные о вибрации могут отображать частоту прохождения лопастей, турбулентность потока и кавитацию. Насос, который работает с повышенной частотой прохода лопасти, скорее всего, работает не рядом с BEP, а слева или справа от BEP. Слева от BEP может выглядеть сигнатура вибрации на рис. 5, на которой насос работает с дросселированием и демонстрирует преобладающую частоту прохода лопасти.
Вибрационная сигнатура с проходом лопасти и фальшполом (турбулентность потока или кавитация), вероятно, является насосом, работающим справа от BEP. Требуемый чистый положительный напор на всасывании (NPSHR) значительно возрастает при высоких расходах, превышающих BEP. Если дросселирование этого насоса уменьшит вибрацию, это подтвердит наличие кавитации. Если дросселирование усиливает вибрацию, вероятно, насос работает слишком далеко от BEP.
Записи о техническом обслуживании или проверка крыльчатки насоса также могут дать представление о том, где обычно работает насос. Точечная коррозия лопастей может указывать на проблемы с кавитацией, а отказы уплотнений могут свидетельствовать о сильном дросселировании и отклонении вала.
Температура жидкости может выявить рециркуляцию и состояние мертвого напора. Высокие осевые нагрузки насоса также могут быть результатом высоких температур подшипников.
Не забывайте, что многие насосные системы имеют несколько рабочих точек.
Может быть только одна рабочая точка, которая является разрушительной для насоса, и одну из них может быть трудно наблюдать. Для обнаружения альтернативной рабочей точки могут потребоваться различные формы непрерывного мониторинга состояния, такие как температура и вибрация или отслеживание тенденций давления, расхода и нагрузки двигателя.
В реальном мире промышленных технологических систем чистые источники надежных данных редко доступны для выполнения полного анализа в соответствии с книгой каждый раз. Анализ насосной системы может включать сбор данных всеми методами для достоверного определения рабочей точки насоса, поэтому ищите эти другие методы моделирования, чтобы помочь понять работу насоса. Как и в судебном деле, много раз требуется совокупность доказательств, чтобы показать, что происходит в насосных системах.
Рэнди Ридделл, CMRP, PSAP, CLS, является менеджером по надежности Essity в Barton Mill, Алабама. Он имеет более чем 28-летний опыт работы в промышленности, специализируясь на надежности оборудования.