15. Автоматизация турбомеханизмов и энергосбережение

15.1. Характеристика турбомеханизмов

Турбомеханизмы – машины массового применения. 25 % вырабатываемой электроэнергии расходуется на электропривод насосов, вентиляторов, компрессоров, из них 18 % – на электропривод насосов. Поэтому техническое совершенство и экономичность электроприводов турбомеханизмов в значительной степени определяют рациональность использования электроэнергии.

Мощность современных турбокомпрессоров доходит до 18 000 кВт, насосов – до 100 000 кВт, вентиляторов – до 5000 кВт. Скорости от тихоходных вентиляторов (около 100 об/мин) до сверхбыстроходных турбокомпрессоров (около 20 000 об/мин).

Несмотря на различие турбомеханизмов по назначению, условиям работы и основным параметрам, их характеристики с точки зрения требований и условий работы имеют много общего, что позволяет рассматривать турбомеханизмы как отдельный класс.

Основные условия работы:

• зависимость производительности, статического момента и мощности от скорости;

• длительный режим, отсутствие реверсов и торможений;

• ограниченный диапазон регулирования скорости;

• отсутствие перегрузок.

До недавнего времени для турбомеханизмов применялись почти исключительно нерегулируемые ЭП на базе синхронных или асинхронных двигателей. Исключение – испытательные установки в авиационной промышленности. Регулирование производительности вели с помощью аэро- и гидромеханических средств. Однако эти способы отличаются большой сложностью и неэффективностью.

Основные причины, обуславливающие необходимость использования регулируемых ЭП для турбомашин:

• стремление повысить эксплуатационный КПД установок;

• стремление улучшить качество продукции за счет регулирования и оптимизации технологического процесса;

• переход от частичной к полной или комплексной автоматизации производственных процессов;

• рост единичных мощностей турбомашин.

Важное обстоятельство целесообразности применения регулируемого привода для турбомеханизмов связано с тем, что режим работы многих турбомеханизмов (насосов коммунального и промышленного водоснабжения, энергетических турбокомпрессоров и т.д.) в большинстве случаев является принципиально неопределенным. Автоматическая экономичная оптимизация технологических параметров возможна, по существу, только при наличии регулируемого электропривода. Это становится особенно актуальным в связи с выпуском в настоящее время надежных и компактных преобразователей частоты.

Вопрос о выборе типа привода для турбомашин должен быть принципиально пересмотрен таким образом, чтобы при проектировании установок обосновывался отказ от применения регулируемого привода⁶.

15.2. Расчет мощности на валу турбомеханизма

Согласно закону сохранения энергии полная удельная энергия потока на единицу веса перемещаемого вещества состоит:

1) из потенциальной энергии Н_геод, м;

2) потенциальной энергии , м, которой обладает перемещаемая масса под давлением р;

3) кинетической энергии , м, присущей данной массе потока, движущегося со скоростью ;

4) тепловой энергии , которой обладает данная масса, имеющая температуру t, где С_р – удельная теплоемкость вещества, ккал·̣м/кгс·с²·С;  – тепловой эквивалент работы, t – абсолютная температура жидкости или газа.

Полная удельная энергия потока

Для того чтобы изменить состояние массы потока, т.е. поднять ее на некоторую высоту (насосы), увеличить скорость потока (вентиляторы), увеличить давление газа (компрессоры), необходимо затратить некоторую полезную работу Н_n и совершить работу по преодолению вредных сопротивлений в трубопроводе и турбомеханизме Н_R.

По закону сохранения энергии

Нужно учитывать, что у насосов не происходит изменения термодинамического состояния (жидкость не сжимаема). У вентиляторов или воздуходувок, где изменение давления воздуха хотя и имеет место, но незначительно ( 1,15), можно плотность и температуру тоже считать неизменными. У вентиляторов можно считать несущественным изменение геодезической высоты.

Тогда мы получим:

• для насосов H_n = DH_геод+ ,

• для вентиляторов .

Размерность везде в метрах:

DН_геод – высота, на которую нужно поднять жидкость;

 – высота, на которую жидкость поднялась бы под давлением Dр;

 – высота, падая с которой, жидкость приобрела бы данную кинетическую энергию;

DH_геод+  – приращение статического напора;

 – приращение скоростного напора.

Полный напор, например у насосов, должен быть достаточен для преодоления:

• DН – разницы высоты всасывания и нагнетания;

• разности внешних давлений в первичном и вторичном резервуарах;

• инерции массы перемещения жидкости (создание скоростного напора);

• вредных сопротивлений в трубопроводе, таких как некоторая дополнительная высота подъема, зависящая от конструктивных параметров трубопровода (сечения, качества обработки, кривизны участков и т.д.).

Скоростной напор может расходоваться бесполезно (потери на выброс). Стремятся в ряде случаев к уменьшению его (диффузоры у вентиляторов, спиральные кожухи у насосов и других технических средств). В этом случае давление в потоке увеличивается за счет сокращения скорости движения при увеличении площади сечения потока (трубопровода) по уравнению Бернулли:

.

Для вентиляторов и насосов конечная разность давлений в начале и в конце потока обычно равна 0, в то время как для турбокомпрессоров на ее преодоление идет основная часть напора. Кроме того, в турбокомпрессорах, где происходит сжатие газа, сопровождающееся повышением его температуры, необходимо учитывать и изменение тепловой энергии потока.

Для нагнетателей, не имеющих промежуточных холодильников, баланс энергии

а для турбокомпрессоров, являющихся машинами охлаждаемыми,

где g – количество тепла, отводимого от турбокомпрессора, на единицу массы сжимаемого газа.

Развиваемая турбомеханизмом полная мощность P_тм = , кВт,

где Q = VF – производительность (расход) (V – скорость, F – сечение), Н – полный напор, м.

Мощность приводного двигателя P_тм =

_тм – КПД турбомеханизма при данном режиме его работы.

В общем случае для турбомеханизма Н = Аn² + ВnQ + CQ²,

где n – скорость на валу турбомеханизма.

Р = А₁²Q + В₁nQ² + D₁n³.

Выражение для _тм = f (Q) носит еще более сложный характер. Реально для всех турбомеханизмов в справочниках приводятся кривые H_i = f(Q) при n_i = const, _тм = f (Q), Р_тм = f(Q). Для каждого значения n = const существует значение Q, для которого _тм = _тм. max. Причем n_max = const для кривых с различными n_i. Для насосов _max = 0,4…0,85 в зависимости от Q.