1225

15.АВТОМАТИЗАЦИЯ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ

ИЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

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.

351

Основные причины, обуславливающие необходимость использования регулируемых ЭП для турбомашин:

стремление повысить эксплуатационный КПД установок; стремление улучшить качество продукции за счет регулиро-

вания и оптимизации технологического процесса; переход от частичной к полной или комплексной автоматиза-

ции 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:

6 Более подробно о классе турбомеханизмов смотри тему «Нагнетательные машины» в работе Лыкова А.Н. Энергоснабжение промышленных предприятий: электронное учеб. издание. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та , 2008.

352

2) потенциальной энергии γр , м, которой обладает перемещае-

мая масса под давлением р;

имеющая температуру t, где Ср – удельная теплоемкость вещества,

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 Нn и совершить работу по преодолению вредных сопротивлений в трубопроводе и турбомеханизме НR.

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

353

тоже считать неизменными. У вентиляторов можно считать несущественным изменение геодезической высоты.

Тогда мы получим:

Размерность везде в метрах:

Нгеод – высота, на которую нужно поднять жидкость;

P – высота, на которую жидкость поднялась бы под давле-

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

Н – разницы высоты всасывания и нагнетания; разности внешних давлений в первичном и вторичном ре-

зервуарах; инерции массы перемещения жидкости (создание скорост-

ного напора);

354

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 Pтм = γ102QH , кВт,

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

355

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 Hi = f(Q) при ni = const, тм = f (Q), Ртм = f(Q). Для каждого значения n = const существует значение Q, для которого тм = тм. max. Причем nmax = const для кривых с различными ni. Для насосов

max = 0,4…0,85 в зависимости от Q.

15.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ТУРБОМЕХАНИЗМОВ

На рис. 15.1–15.5 приведены примерные характеристики турбомеханизмов, работающие на трубопроводную вентиляционную сеть различными способами регулирования производительности. Характеристика сети обычно имеет вид

H = Hст + RQ2,

где Hст – предварительный напор (высота, на которую приходится поднимать жидкость или преодолевать противодавление); Hдин характеризует гидравлическое сопротивление магистрали.

Из этих характеристик следует, что можно регулировать производительность турбомеханизмов четырьмя основными способами.

1.Изменить скорость (см. рис. 15.1).

2.Изменить сопротивление трубопровода с помощью заслонок

(дросселирование) (см. рис. 15.2).

356

3. Изменить угол наклона лопаток направляющего аппарата

(см. рис. 15.3).

Рис. 15.1. Q–H-характеристики турбомеханизма при регулировании скорости

Рис. 15.2. Q–H-характеристики турбомеханизма при дросселировании

357

Рис. 15.3. Q–H-характеристики турбомеханизма при применении направляющего аппарата

4. Изменить число параллельно или последовательно рабо-

тающих на одну сеть турбомеханизмов (см. рис. 15.4, 15.5). Регулировка производительности параллельным соединением

насосов выгодна при пологой характеристике сети (см. рис. 15.4), последовательное соединение – при крутой характеристике сети

(см. рис. 15.5).

Рис. 15.4. Q–H-характеристики при параллельном соединении турбомеханизмов

Рис. 15.5. Q–H-характеристики при последовательном соединении турбомеханизмов

358

Сравним первые основные четыре способа регулирования производительности. 1-й, 3-й, 4-й способы экономичны, так как одновременно со снижением расхода снижается и напор. 2-й способ – изменением сопротивления – пока наиболее широко применяемый, но самый затратный.

В последнем случае полезная мощность при снижении производительности (см. рис. 15.2) P2 = CQ2 H 2; расходуемая мощность

P 2 = CQ2H2.

Таким образом, мощность потерь на задвижке

Кроме того, снижается КПД самого насоса. По оценке специалистов, потери из-за неэкономичного регулирования составляют для городских водопроводных станций 10–15 % суммарного потребления электроэнергии.

Практика показывает, что в проекте закладываются завышенные расход и напор. При этом турбомеханизмы работают не на максимальных КПД (0,35–0,4 вместо 0,6–0,7). Учитывая, кроме того, что обычно еще на стадии проектирования мощность двигателя закладывается с запасом до 20 %, еще более понижается общий КПД.

Другие недостатки данного способа:

износ задвижек, необходимость их ремонта и замены (особенно в агрессивных средах);

износ электродвигателя и турбомеханизма из-за работы на преодоление дополнительного сопротивления регулирующей задвижки.

Следует отметить, что при необходимости поддерживать в магистрали постоянный напор при изменении гидродинамического сопротивления, что весьма желательно для долговременной работы

359

трубопроводов и предотвращение разрывов в ночное время, регулирование скорости – единственный способ регулирования производительности (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Регулирование производительности турбомеханизма скоростью при постоянстве напора

Необходимая степень снижения скорости может быть найдена, учитывая, что при Q = 0 напор прямо пропорционален квадрату скорости, т.е. для точек Е, С Hmax = HE = Anном2, Hпред = HС = Anmin2, откуда

низма ( тм = max), то при регулировании скорости будет обеспечен тм.max и для других характеристик.

360