Regulacja parametrów pracy pomp wirowych

Regulacja parametrów pracy pomp wirowych

2013-09-30
Regulacja parametrów pracy pomp wirowych
Regulacja upustowa
Regulacja upustowa polega na odprowadzeniu części cieczy Qu z obszaru tłocznego pompy
do obszaru ssawnego lub do zbiornika dolnego. Ten sposób regulacji jest nieekonomiczny,
gdyż powoduje straty przy przetłaczaniu objętości cieczy Qu z powrotem do obszaru tłocznego.
Regulacja dławieniowa
Regulacja dławieniowa polega na zmianie wielkości otwarcia zaworu umieszczonego
na króćcu tłocznym w pobliżu pompy. Dzięki temu następuje zmiana oporów przepływu w
układzie i równa jej zmiana wysokości podnoszenia pompy, czemu towarzyszy samoczynne
dostosowanie się wydajności pompy.
Rys. 9.1. Regulacja pompy odśrodkowej przez dławienie H = f(Q), N =f(Q), η = f(Q)
- charakterystyki przepływu, mocy i sprawności pompy odśrodkowej,
Hp+Δhr =f'(Q), - charakterystyki przewodu przed zdławieniem przepływu,
Hp+Δh'T = f’(Q) - po zdławieniu przepływu,
Hp+Δhr = f"(Q) charakterystyka przewodu o większej potencjalnej wysokości podnoszenia,
H = = fi(Q) - charakterystyka pompy o mniejszym wyróżniku szybkobieżności,
Pn, P1 - punkty pracy przed i po zdławieniu,
Δhz - strata wysokości ciśnienia spowodowana przymknięciem zasuwy
1
2013-09-30
Rys. 9.2. Straty występujące przy regulacji prędkości przez dławienie
przy stałej prędkości obrotowej tj. pompy.
A więc dla wydajności QB moc tracona wyniesie:
Regulacja przez nastawianie łopatek kierownicy wlotowej
W pompach diagonalnych i śmigłowych o dużej wydajności stosuje się regulację parametrów
pracy przez zmianę nastawienia łopatek kierownicy wstępnej, umieszczonej przed wlotem do
wirnika. Zmiana kąta ustawienia łopatek powoduje zmianę kierunku i wielkości prędkości
cieczy c0 cieczy dopływającej do wirnika, powodując przy tym jednoczesną zmianę obu
parametrów: wydajności Q i wysokości podnoszenia pompy H.
Poprzez zmianę kierunku prędkości co następuje zmiana krętu cieczy przed wlotem do wirnika,
regulacja ta nosi również nazwę regulacji prerotacyjnej.
Rys. 9.3. Palisady kierownicy wstępnej z regulowanymi łopatkami
oraz palisady wirnika z łopatkami stałymi
2
2013-09-30
Rys. 9.4. Pagórki sprawności z regulacją za pomocą wstępnego krętu pomp:
a) odśrodkowej - nSQ = 20,5, c) diagonalnej – nSQ = 110.
Regulacja przez nastawianie łopatek kierownicy wylotowej
Kierownice wylotowe z nastawialnymi łopatkami, które jednocześnie pełnią funkcję
organu zamykającego, stosuje się w wyjątkowo (w pompach zasobnikowych).
Rys. 9.5. Krzywe charakterystyczne pompy.
3
2013-09-30
Regulacja przez nastawianie łopatek wirnika
W pompach o dużej wydajności i szybkobieżności, a zwłaszcza w pompach śmigłowych,
w celu uzyskania odpowiednich parametrów pracy stosuje się ręczną lub automatyczną zmianę
kąta nastawienia obrotowo osadzonych łopatek wirnika.
Zmniejszenie kąta β powoduje obniżenie wydajności pompy (bez znacznego obniżenia jej
sprawności i zmiany wysokości położenia.
Rys. 9.6. Wirnik pompy śmigłowej
o nastawialnych łopatkach.
Rys. 9.7. Charakterystyki: H = f(Q) i rj = f(Q) przy
różnych kątach łopatek na środkowej linii prądu
(β = 11°, 17°, 25°,30°, 35° i 40° (A. Schlimbach).
Regulacja parametrów pracy pomp przez zmiany
konstrukcyjne wirnika
W praktyce niejednokrotnie okazuje się, że parametry pracy pompy przewyższają nominalne
natężenia i opory przepływu wymagane przez układ pompowy.
Aby uniknąć strat spowodowanych dławieniem parametry pracy pompy obniżamy przez
zmniejszenie średnicy zewnętrznej wirnika (lub wirników w pomp wielostopniowych).
Ulegają wówczas zmianie warunki przepływu cieczy przez wirnik; zmienia się bowiem
prędkość obwodowa wirnika u2 oraz ( w mniejszym stopniu ) kąt wylotowy łopatki β2
szerokość b2 długość i stopień pokrycia łopatek.
Na rys. 9.8 przedstawiono wirniki pomp oraz sposób ich obtaczania z pierwotnej średnicy d2
na mniejszą średnicę d2’.
Z uwagi na zrównoważenie masy wirnika, dokonane przy „pełnej" średnicy, obtaczaniu
podlegają przeważnie same łopatki, a tarcze boczne, których masa stanowi w przeważającym
stopniu masę całego wirnika, pozostają o niezmienionej średnicy.
Ponadto w wielostopniowych pompach obtoczenie tarcz bocznych wirnika zwiększyłoby
szczeliny między nim a wieńcem łopatek kierowniczych, powodując spadek sprawności
objętościowej.
4
2013-09-30
Średnice zewnętrzne wirników można zmniejszyć o ok. 20°/o, bez znaczniejszego obniżenia
sprawności pompy.
Rys. 9.7. Zasady obtaczanie średnicy zewnętrznej łopatek wirników pomp:
a) odśrodkowych, b) helikoidalnych, c) diagonalnych.
Średnicę d2’ wyznaczamy z nw zależności zakładając stałą sprawność
pompy przed i po obtoczeniu:
Założenie η’ ≈ η
Hx/H = (d2’/d2)2
Qx/Q = (d2’/d2)2
oraz ze wzoru wynikającego z ich połączenia
Hx /H = Qx/Q
Obrazem zależności jest na wykresie linia prosta przechodząca przez początek układu
współrzędnych H i Q (rys. 9.8).
Rys. 9.8. Wyznaczenie średnicy stcczenia wirnika d'2 w celu zmiany
parametrów pracy pompy.
5
2013-09-30
Chcąc zmniejszyć wydajność pompy z Q do Qx prowadzimy z punktu A określającego
pierwotne parametry pracy pompy, prostą l do początku układu współrzędnych.
W punkcie przecięcia prostej Z z odnoszącą odciętą Qx otrzymamy żądany punkt pracy B o
współrzędnych Hx i Qx.
Następnie średnicę stoczenia wirnika dó obliczymy na podstawie n/w wzorów:
Należy mieć jednak na uwadze, iż pompa współpracuje z rurociągiem o charakterystyce
Hr = Hp+Δhr = f(Q) i punktem pracy po obtoczeniu wirnika będzie punkt B" o mniejszej
wydajności, niż żądana Qx odpowiadająca punktowi B oraz B'.
Tym samym obtoczenie wirnika i charakteryzująca je krzywa - H" = f(Q) byłoby nadmierne.
Dla otrzymania żądanej wydajności Qx należy prostą l’ przesunąć przez punkt B' jako nowy
punkt pracy pompy, a do wzoru przyjąć parametry pracy odpowiadające punktom A" i B'.
Regulacja parametrów pracy pompy przez zmianę
prędkości obrotów wirnika
Regulacja parametrów pracy pompy przez zmianę jej prędkości obrotowej należy do
najbardziej sprawnych sposobów dostosowania pompy do zmieniających się warunków
pracy układu pompowego.
Obecnie powszechność jej stosowania wynika z zastosowania falowników ( przetworników
częstotliwości prądu) umożliwiających płynna zmianę regulację obrotów asynchronicznych
silników napędowych pomp.
Przy zmianie prędkości obrotowej n pompy ulegają zmianie jej trzy podstawowe parametry
pracy: Q, H i Pw .
Na podstawie podobieństwa dynamicznego przepływu występują następujące zależności
między parametrami pompy dla prędkości obrotowych n1 i n2
Zakładając:
η’ ≈ η
6
2013-09-30
Na rys. 9.9 przedstawiono wykreślnie współpracę pompy o charakterystyce H = f(Q) z
rurociągiem o krzywej charakterystycznej Hr = Hp+Δhr = f(Q).
Punkt przecięcia się obu krzywych C‘ wyznacza pierwotne parametry pracy pompy przy n.
Natomiast punkt Cx nowy punkt pracy po zmianie prędkości na nx.
Obrazem krzywej spełniającej warunek zachowania stałej sprawności η’ ≈ η w tym przypadku
jest parabola z wierzchołkiem w punkcie H=0 i Q=0.
Rys. 9.9. Wyznaczenie prędkości obrotowej wirnika dla nowych
parametrów pracy pompy.
Regulacja napowietrzająca
Regulacja napowietrzająca polega na wpuszczaniu niewielkich ilości powietrza do rury
ssawnej. Metoda ta jest bardziej ekonomiczna od metody dławieniowej, lecz jej stosowania
jest ograniczony możliwością przerwania słupa cieczy w przewodzie ssawnym; dlatego też
metoda ta stosowana jest niemal wyłącznie w badaniach laboratoryjnych.
Wyniki tych badań przedstawia rysunek 9.10.
Rys. 9.9. Wpływ doprowadzenia powietrza do rury ssawnej na działanie pompy (wg Stebrecht)
Vp — zawartość powietrza, Vw — zawartość wody
7
2013-09-30
Zmiany zapotrzebowania na moc na wale pompy
Rys. 9.10. Zapotrzebowanie mocy przy różnych rodzajach regulacji;
1 - dławieniowej, 2 - silnikiem elektrycznym dwubiegowym,
3 - za pomocą sprzęgła hydrokinetycznego,
4 – silnikiem komutatorowym prądu przemiennego,
5 – regulacją prędkości obrotowej.
INSTALOWANIE, USTAWIANIE I OBSŁUGA
POMP WIROWYCH
Instalowanie pomp
Uwagi ogólne dotyczące instalacji pompowych
Dobrze zaprojektowana instalacja pompowa powinna zapewnić:
- niezawodną pracę,
- niskie koszty eksploatacyjne,
- możliwie niskie koszty inwestycyjne.
8
2013-09-30
Niezawodność działania instalacji
Niezawodność działania instalacji będzie osiągnięta, jeżeli typ pompy i jej wielkość będą
trafnie dobrane do rodzaju cieczy, wymaganej wydajności i wysokości podnoszenia, a pompa
będzie prawidłowo zainstalowana.
Przy doborze pompy należy uwzględnić właściwości danego typu, tak aby były one jak
najlepiej wykorzystane. Jeżeli np. pompa zbudowana do podawania czystej wody zostanie
zastosowana do podnoszenia ścieków kanalizacyjnych zawierających grube zanieczyszczenia,
lub do wody zawierającej cząstki ścierające, to oczywiście pompa taka nie będzie sprawnie
pracowała i szybko się zużyje.
Wyniki będą również niepomyślne, gdy np. pompa zostanie zainstalowana tak, że wymagana
wysokość ssania okaże się większa od osiąganej przez dany typ pompy itd.
Wysokość kosztów eksploatacji
Koszty eksploatacyjne zależą w znacznym stopniu od współczynnika sprawności pompy.
Przy ciągłej pracy nawet stosunkowo niewielki wzrost sprawności może dać duże oszczędności
w zużyciu energii. Pompy o wyższej sprawności mogą w krótszym czasie (biorąc pod uwagę
okres pracy pompy, wynoszący średnio ~ 20 lat) pokryć oszczędności w kosztach zużytej
energii elektrycznej.
9
2013-09-30
Wysokość kosztów inwestycyjnych
Koszty inwestycyjne zależą od właściwego wyboru typu pomp, ich wielkości i ilości
potrzebnej do pokrycia zapotrzebowania na wodę oraz sposób ich zainstalowania.
Typowe pompownie wyposażone są
- w pompy o osi poziomej,
- w pompy o osi pionowej ( pompy zanurzalne i zatapialne ).
Szczególnie duże oszczędności otrzymuje się w przypadku samodzielnych pompowni na
ujęciu wody z rzek o poziomie wody wahającym się w dużych granicach, gdy zamiast pomp
o osi poziomej, zainstalowane są pompy o osi pionowej, zanurzone w wodzie.
Pompy te są napędzane za pomocą długiego wału od silnika elektrycznego ustawionego
powyżej najwyższego poziomu wody. Wymiary budynku pompowni w rzucie poziomym oraz
jego głębokość zmniejszają się tak dalece, iż różnica między kosztem pompowni
zaprojektowanej do pomp o osi poziomej, a kosztem jej do pomp o osi pionowej, może być
kilkakrotnie większa od kosztu pomp.
W pompowniach przeznaczonych do pompowania ściekowych obecnie wykorzystywane są
prawie wyłącznie pompy zanurzalne. Koszt wykonania takiej pompowni jest najniższy z
wszystkich możliwych, z uwagi na brak budynku (na pompownię składa się studnia, komora
zasuw, układy zasilania-sterowania oraz konstrukcje wsporcze z dźwignikami).
Dużą zaletą pomp o osi pionowej jest gotowość do uruchomienia w każdej chwili i ułatwiona
automatyzacja ich działania, toteż rozpowszechniają się one coraz więcej, pomimo iż koszt ich
jest większy od kosztu pomp o osi poziomej.
Znaczny wpływ na wymiary pompowni, a zatem i na jej koszt, ma umiejętne rozplanowanie
zespołów pompowych.
Sprawa instalowania pomp w sposób zapewniający wykorzystanie ich właściwości i
niezawodność działania jest tematem bardzo obszernym. Z konieczności zatem ograniczymy
się tylko do podania krótkich wskazówek dotyczących instalowania, ustawiania, uruchomiania
i obsługi pomp oraz omówimy najczęściej spotykane usterki w ich działaniu.
10
2013-09-30
Wskazówki dotyczące instalowania pomp
Wysokość ssania przy cieczach zimnych powinna być jak najmniejsza, zaś przy cieczach
gorących winna być zapewniona dostateczna wysokość napływu.
Przy określaniu wysokości ssania lub napływu należy opierać się na informacjach podanych
przez wytwórcę pompy. Jeżeli tych informacji brak, to można korzystać z zaleceń
przedstawionych w wykładzie na temat zapobiegania kawitacji.
Nie należy stosować kolan zwykłych przyłączonych bezpośrednio do wlotu pompy; powodują
one bowiem nierównomierne zasilanie wirnika. Jeżeli zastosowanie kolana jest konieczne, to
przed wlotem pompy należy umieścić prosty króciec o długości l > 2ds .
Jeżeli rurociąg ssawny jest większej średnicy od wlotu pompy, powinien być zastosowany
przejściowv króciec redukcyjny skośny (rys. 9.11).
Rys. 9.11. Króciec redukcyjny skośny
na wlocie do pompy.
Rurociąg ssawny powinien być możliwie jak najkrótszy, z najmniejszą liczbą kolan.
Najmniejsza głębokość zanurzenia smoka powinna wynosić ~ 3 ds , licząc od poziomu górnego
rzędu otworów w koszu smoka. Odległość spodu kosza od dna zbiornika należy przyjmować
~ 2 ds (rys. 9.12.).
Rys. 9.12. Umieszczenie smoka w
zbiorniku dolnym.
Rys. 9.13. Lej stożkowy otwartej
rury ssawnej.
11
2013-09-30
W przypadku otwartej rury ssawnej, na jej końcu należy umieścić lej stożkowy (rys. 9.13.)
o średnicy D1 P 2 ds . Optymalna odległość od dna zbiornika do krawędzi leja wynosi ~ 0,5 Dl;
przy zbyt dużej odległości istnieje skłonność do powstawania zaburzeń w przepływie cieczy na
wlocie leja i do powstawania wędrownych wirów sznurowych, przez które zostaje zassane
powietrze do rury ssawnej lub bezpośrednio do pompy (9.14.).
Rys. 9.14. Powstawanie wędrownych wirów sznurowych.
Rozkład prędkości w zbiorniku zależny jest od wielu czynników, jak: kształt zbiornika, sposób
doprowadzenia wody do zbiornika, rozmieszczenie rur ssawnych lub pomp o osi pionowej.
Wirowanie wody w samej rurze lub w jej pobliżu może być spowodowane przez wirnik, gdy
pompa pracuje przy Q < Qn, szczególnie, gdy rura ssawna jest krótka lub pompa jest diagonalna
albo śmigłowa, w której wirnik znajduje się blisko leja wlotowego.
Umieszczenie stożka pod lejem wlotowym sprawia, że dopływ wody do leja jest bardziej
uporządkowany (rys. 9.15.).
Rysunek 9.16. przedstawia schemat rozmieszczenia lejów ssawnych lub pomp, przy którym
powstawanie wirów jest utrudnione.
Rys. 9.15. Stożek zapewniający
osiowo-symetryczny dopływ
do leja stożkowego rury ssawnej.
Rys. 9.16. Schemat rozmieszczenia lejów
ssawnych pomp w zbiorniku.
12
2013-09-30
W trudniejszych przypadkach, gdy chodzi o rozmieszczenie kilku lejów lub pomp o dużej
wydajności w jednej komorze wodnej, jedynym: pewnym sposobem osiągnięcia pracy pomp
bez zakłóceń przy niskim poziomie wody w zbiorniku czerpalnym jest przeprowadzenie
wstępnych badań modelowych na instalacji pompowej. Za pomocą ruchomych ekranów
odpowiednio ukształtowanych i rozmieszczonych może być osiągnięte równomierne obciążenie
pomp i usunięcie wirów.
Na podstawie wyników badań modelowych wymiary pompowni często mogą być zmniejszone
a przez to koszt budynku zredukowany.
W istniejących pompowniach warunki pracy pomp mogą być również poprawione za
pomocą ekranów.
Rurociągi, szczególnie o większych wymiarach, powinny być podwieszone lub podparte, aby
nie obciążały pompy. Przy większej ich długości należy uwzględnić możliwość wydłużenia
pod wpływem zmian temperatury i zastosować łączniki wyrównawcze.
Siły działające wzdłuż osi rurociągu, występujące wskutek zastosowania łącznika wyrównawczego, nie mogą przenosić się na pompę.
Na tłoczeniu należy umieścić zawór zwrotny, w celu ochrony pompy przed skutkami uderzenia
wodnego oraz zabezpieczenia pompy i silnika przed obracaniem się w odwrotnym kierunku
(przy braku zaworu zwrotnego w koszu smoka), gdy pompa zostanie raptownie zatrzymana,
np. wskutek przerwy w dopływie prądu.
Za zaworem zwrotnym powinien być umieszczony "zawór "zasuwowy " odcinający pompę od
rurociągu i służący poza tym do regulacji wydajności pompy przy pomocy dławienia.
Rurociągi powinny być montowane, poczynając od pompy, a nie w jej kierunku. Często zdarza
się, że kołnierz rurociągu nie przylega dokładnie do kołnierza pompy, i przy dociąganiu śrub
łączących kołnierze może nastąpić obłamanie jednego z nich.
13
2013-09-30
Ustawianie pomp
Pompy wirowe są przeważnie sprzężone bezpośrednio z silnikiem elektrycznym na wspólnej
płycie podstawowej, żeliwnej lub spawanej z kształtowników.
Ustawianie ich na fundamencie powinno odbywać się w następującej kolejności:
Płytę podstawową z przykręconą do niej pompą ustawia się na fundamencie na kilku klinach
stalowych, mieszczonych w pobliżu śrub fundamentowych (wg poziomnicy, przykładanej do
obrabianych powierzchni płyty lub pompy). Położenie płyty jest regulowane podbijaniem klinów,
przy jednoczesnym lekkim dociąganiu śrub fundamentowych, które powinny być przed tym
zalane zaprawą cementową.
Sprawdzenie współosiowości pompy silnika odbywa się przez przykładanie liniału w kilku
miejscach na obwodzie połówek sprzęgła łączącego pompę z silnikiem (rys. 9.17). Na miejsce
styku pompy z silnikiem należy patrzyć pod światło. Zespół jest dobrze ustawiony, jeżeli liniał
przylega jednocześnie na. całej szerokości obu połówek sprzęgła, a odstęp między nimi jest
jednakowy na całym ich obwodzie.
Rys. 9.17. Sprawdzenie współosiowego
ustawienia pompy i silnika
Uruchamianie pomp
Przy uruchamianiu pompy należy wykonać następujące czynności:
1) Łożyska ślizgowe przemyć benzyną lub benzolem i napełnić, olejeni do poziomu wyznaczonego na olejowskazie. Zwykle stosowany jest olej mineralny o lepkości 5°E przy 50°C.
Sprawdzić, czy pierścienie smarowe znajdują się w rowkach panewek. Łożyska toczne
napełniane są zwykle smarem w wytwórni i nie wymagają uprzedniego smarowania.
2) Zalać pompę wodą przez otwór zalewowy lub z przewodu tłocznego, przy. otwartym kurku
odpowietrzającym. Gdy pompa pracuje z napływem, zalewa się ją przez otwarcie zaworu
zasuwowego na przewodzie ssawnym.
Jeżeli pompa nie posiada smoka z klapą zwrotną, zalewa się ją przez odpowietrzenie jej za
pomocą pompy próżniowej.
3) Przed uruchomieniem pompy należy zamknąć zawór tłoczny, a w pompach pracujących z
napływem otworzyć poza tym zawór na ssaniu.
Pompy o wyższym wyróżniku szybkobieżności, a więc pompy helikoidalne, diagonalne i
śmigłowe należy, ze względu na przebieg charakterystyki Nw = f (Q), uruchamiać przy
otwartym zaworze tłocznym, aby uniknąć przeciążenia silnika.
4) Uruchomić pompę po uprzednim sprawdzeniu prawidłowości kierunku obrotu.
5) Otwierać powoli zawór tłoczny (w pompach odśrodkowych), orientując się wskazaniami
amperomierza, a w braku tego ciśnieniem wskazanym przez manometr.
6) Otworzyć i wyregulować dopływ wody chłodzącej łożyska i ewent. dławnice.
14
2013-09-30
Zatrzymanie pompy
1) Zamknąć zawór tłoczny w pompach odśrodkowych.
2) Wyłączyć silnik.
(W przypadku elektrycznego silnika pierścieniowego: położyć szczotki
i cofnąć rączkę rozrusznika w położenie na rozruch).
3) Zamknąć dopływ wody chłodzącej.
Obsługa pomp
Przy obsłudze pomp wirowych należy przestrzegać następujących wskazań:
1) Nie dociskać dławików zbyt mocno; woda powinna wyciekać z dławnicy kroplami;
chłodzi ona wał i zmniejsza tarcie. Wymieniać szczeliwo w miarę zużycia.
2) Obserwować poziom oleju w łożysku na olejowskazie i sprawdzać temperaturę oleju,
która nie powinna przekraczać 50°C, bez względu na temperaturę otoczenia. Jeżeli olej
ściemnieje wymienić go na świeży, po uprzednim przemyciu łożysk.
3) Okres wymiany smaru stałego w łożyskach tocznych zależy od ich rodzaju, średnicy,
szybkości obrotowej.
4) Kontrolować pracę pompy, obserwując wskazania manometru, amperomierza i
przepływomierza.
5) W pompach wielostopniowych z hydrauliczną tarczą odciążającą obserwować wskaźnik
zużycia tarczy. Gdy zużycie osiągnie największą dozwoloną wartość, należy wymienić
tarczę lub nakładki ochronne. Dalsze zużycie tarczy grozi bowiem uszkodzeniem
pompy wskutek tarcia wirników o nieruchome przegrody wewnętrzne.
6) Okresowo, zależnie od warunków pracy pompy, poddawać oględzinom jej części, w celu
określenia stopnia ich zużycia i zanieczyszczenia oraz wyznaczenia zakresu i terminu
remontu.
15
2013-09-30
16
2013-09-30
17