Надежность и экономичность погружных насосов
Каким же образом можно обеспечить надежный и экономичный забор воды из скважины и подачу ее потребителю? Ответ прост: необходимо чтобы подача насоса при всех режимах работы не выходила за пределы его рабочего участка характеристики и не превышала расчетного дебита скважины; насос должен работать без гашения части развиваемого напора, или, в крайнем случае, с минимальным гашением. Очевидно, это может быть достигнуто только при соответствии характеристики насоса условиям его работы.
В отношении водозаборных скважин следует согласиться с мнением, что современные способы бурения и новые конструкции фильтров обеспечивают длительную и устойчивую работу скважин (но не насосов) независимо от режима их эксплуатации. Но ведь большинство эксплуатируемых скважин сооружено по устаревшим технологиям и нарушение режима их эксплуатации, особенно превышение расчетного дебита, приводит к печальным последствиям как для скважины, так и для насоса.
Если же расчетная подача обеспечивается путем гашения значительной части развиваемого напора, то это приводит к увеличению затрат энергии на привод насоса до двух и более раз.
Расчет параметров насоса
Приведем практические рекомендации по подбору и эксплуатации погружных насосов для относительно простых условий работы. Для облегчения наладки и эксплуатации рекомендуется установка на оголовке второго манометра после задвижки. Требуемый напор насоса при заданной подаче следует определять по формуле:
Нн = Нпотр + Нп + Нд + Нк
где
Нпотр - напор, требуемый потребителю (например, высота от оголовка до верхнего уровня воды в башне), м.;
Нп - потери напора в трубопроводе от оголовка до потребителя, м.
Нд - глубина динамического уровня воды в скважине, м.;
Нк - потери напора в водоподъемной колонне, м.
При совпадении фактического и требуемого напора задвижка на оголовке должна быть полностью открыта. При этом показания обоих манометров практически совпадут и составят:
Нм = Нпотр + Нп
Если же напор насоса выше требуемого, то, при открытой задвижке, подача насоса превысит заданную, увеличится глубина динамического уровня, возрастут показания манометров за счет увеличения потерь напора в трубопроводе от оголовка до потребителя. В результате режим работы может оказаться недопустимым. Требуемый режим работы может быть обеспечен путем гашения, задвижкой избыточного напора. При этом показание первого манометра должно составить:
Нм = Нн.ф. - Нд - Нк
Нн.ф. - фактический напор насоса при требуемой подаче, м.
Очевидно, что величина гасимого напора определяется разностью показаний первого и второго манометров.
Наличие двух манометров (можно обойтись и одним, переставляя его) позволяет экспериментально определять соответствие насоса характеристике скважины. Если насос работает с прикрытой задвижкой, то при его ремонте или замене на новый, напор следует уменьшить на величину, равную гасимому напору, что существенно снизит затраты энергии на подачу воды.
Обычно определенные трудности вызывает расчет потерь напора в водоподъемной колонне и трубопроводе от оголовка до потребителя.Расчет потерь напора в водоподъемной колонне выполняется по формуле:
Нк = 0,1 * L ( | Qн | ) | 2 |
----- | |||
Qт |
где
L - длина водоподъемной колонны, м.;
Qн - подача насоса, л/с или м3/час;
Qт - табличное значение расхода, л/с или м3/час соответственно.
Например: Насос ЭЦВ10-63-110 подвешен на трубе 114х7-Д длиной 75м. При подаче 65 м3/час потери составят:
Нк = 0,1 * 75 * ( | 65 | ) | 2 | = 9,79 м |
----- | ||||
59,9 |
К большим потерям напора и, следовательно, перерасходу энергии приводит подвеска насоса на трубах заниженного диаметра.
Рекомендации по эксплуатации
Правильному направлению вращения насоса соответствуют большие значения подачи и напора при одинаковой степени открытия задвижки. Иногда направление вращения определяют по силе потребляемого тока, что может приводить к ошибке. Дело в том, что при радиальных рабочих колесах насоса правильному направлению соответствует больший потребляемый ток, а для полуосевых - меньший.
С достаточной точностью подачу насоса можно определить только с помощью водомера, расходомера или мерной емкости. Судить о подаче по мощности, потребляемой двигателем, невозможно. С одной стороны, повышенная потребляемая мощность может быть вызвана неисправностью или плохим техническим состоянием, как двигателя, так и насоса. С другой стороны, не всегда потребляемая мощность растет с увеличением подачи. Например, для насосов ЭЦВ 10-63 потребляемая мощность растет до подачи 63-65 м3/час, после чего даже несколько снижается.
Наличие контрольно-измерительных приборов позволяет следить за техническим состоянием насоса и вовремя демонтировать его для ремонта. К сожалению, довольно часто приборы отсутствуют. Однако и в этом случае состояние насоса можно определить простейшим приемом. При работающем насосе следует на короткое время полностью закрыть задвижку на оголовке. Если состояние насоса хорошее, то потребляемый ток снизится примерно на треть. Разумеется, потребляемый ток при закрытой задвижке желательно определить и записать при включении в работу нового или отремонтированного насоса. При отсутствии амперметра силу тока можно замерить токоизмерительными клещами.
Небольшое снижение потребляемого тока при закрытой задвижке свидетельствует о значительном увеличении зазоров в уплотнениях рабочих колес, что приводит к их загрузке за счет перетока воды.
Если же при закрытой задвижке потребляемый ток возрастет, то помимо увеличения зазоров в уплотнениях произошла сработка узла пяты двигателя и передние диски рабочих колес опустились до уплотнительных колец. Закрытие задвижки приводит к повышению напора насоса и росту осевой силы, что и увеличивает механические потери.
Доля затрат на оплату энергии в структуре себестоимости воды уже поднялась до 40-45% а, например, насос ЭЦВ10-63-110 за 20 дней работы потребляет энергии на сумму, равную стоимости нового насоса. Эти данные говорят о недопустимости работы насоса с гашением части развиваемого им напора. Недопустима и работа при увеличении потребляемой мощности до 25%, что рекомендуется устаревшими нормами.
Избежать гашения напора можно путем энергосберегающей модернизации насоса (нового или ремонтируемого), которую выполняет НФП "Инвар Лтд", что, кстати, помимо снижения затрат энергии, значительно (иногда в несколько раз) увеличивает срок службы насоса. К сожалению, иногда задают вопрос: какой толк от такой модернизации, если мощность двигателя часто остается прежней? Конечно, не следует устанавливать двигатель завышенной мощности и, следовательно, более дорогой, если есть возможность укомплектовать насос двигателем требуемой мощности. Однако толк всегда есть. Ведь двигатель развивает ту мощность, которую потребляет насос. И если двигатель загружен не менее чем на 50%, то его КПД остается высоким. Следовательно, потребляемая им мощность будет практически такой же, как и двигателем меньшей мощности.
Сравнительная оценка различных типов насосов
В заключение считаем необходимым коснуться вопроса экономичности погружных насосов, производимых фирмами дальнего зарубежья, т.к. многие ошибочно считают, что они потребляют значительно меньше энергии, чем аналогичные насосы ЭЦВ. В действительности ряд импортных насосов по экономичности даже несколько уступает насосам ЭЦВ. Объясняется это значительно меньшим диаметром импортных насосов, что при прочих равных условиях снижает КПД, который частично компенсируется высоким качеством изготовления и применением более дорогих материалов. К примеру 250-ти мм двигатель мощностью 32 кВт Витебского завода "Эвистор", которым комплектуется насос ЭЦВ 10-63-11О, потребляет менее 2,1 А на кВт мощности, а у 150-ти мм двигателя, аналогичного по производительности и напору насоса фирмы KSB, удельное потребление тока составляет 2,23 А/кВт.
Основное преимущество импортных насосов - значительно меньший диаметр при той же производительности, что и у насосов ЭЦВ. К сожалению, это преимущество для Республики Беларусь не является существенным, т.к. диаметр сооружаемых скважин часто превышает необходимый даже для насосов ЭЦВ.
Результаты испытаний
Нашими сотрудниками были проведены испытания насоса ЭЦВ 10-63-110 с целью уточнения его напорной характеристики. В насосе установлены рабочие колеса и лопаточные отводы, изготовленные НПФ "Инвар" ЛТД. Испытания проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 6134-71. "Насосы динамические. Методы испытаний".
Измеренные величины и результаты их обработки приведены в таблице 1, в которой:
Т - время подачи насосом 1м3 воды, с.;
Рм - показания манометра, м. вод. ст.;
Q - подача насоса, в л./с., определяемая по формуле:
Q = | 1000 |
------- | |
Т |
Н - напор насоса в м., рассчитываемый по формуле:
Н = Рм + 0,75 + 0,0827 * | (0,001 * Q) | 2 | |
------------- | |||
0,1 | 4 |
где
0,75 - высота цапки манометра над свободной поверхностью воды в стенде, м;
0,1 - внутренний диаметр напорного трубопровода в точке подключения импульсной трубки манометра, м.
Таблица 1
№ изм. | Т, с | Pм, м.в.ст. | Q, л./с. | H, м |
1 | со | 138 | 0,00 | 138,75 |
2 | 95,2 | 130 | 10,50 | 130,84 |
3 | 70,5 | 120 | 14,18 | 120,91 |
4 | 57,3 | 110 | 17,45 | 111,00 |
5 | 57,6 | 110 | 17,36 | 110,99 |
6 | 51,5 | 100 | 19,42 | 101,05 |
7 | 47,1 | 90 | 21,23 | 91,11 |
8 | 43,5 | 80 | 22,99 | 81,17 |
9 | 40,6 | 69 | 24,63 | 70,23 |
10 | 40,9 | 69 | 24,45 | 70,23 |
11 | 42,6 | 75 | 23,47 | 76,19 |
12 | 45,4 | 85 | 22,03 | 86,14 |
13 | 49,1 | 95 | 20,37 | 96,08 |
14 | 52,4 | 105 | 18,45 | 106,02 |
15 | 63,2 | 115 | 15,82 | 115,95 |
16 | 81,1 | 125 | 12,33 | 125,87 |
17 | 134,2 | 135 | 7,45 | 135,79 |
18 | со | 138 | 0,00 | 138,75 |
С целью более точного определения напора при номинальной подаче, рассчитана аналитическая характеристика насоса для рабочего участка характеристики по методу наименьших квадратов, которая оказалась равной:
Н = 97,83 + 5,524 * Q - 0,2751 * Q | 2 |
В таблице 2 приведены сравнение опытных и вычисленных по аналитической характеристике значений напора.
Таблица 2
№ п/п | Q, л./с. | Ноп., м | Нвыч., м | Н, % |
1 | 14,18 | 120,91 | 120,84 | -0,06 |
2 | 15,82 | 115,95 | 116,37 | 0,36 |
3 | 17,36 | 110,99 | 110,82 | -0,16 |
4 | 17,45 | 111,00 | 110,45 | -0,49 |
5 | 18,45 | 106,02 | 106,10 | -0,07 |
6 | 19,42 | 101,05 | 101,35 | 0,30 |
7 | 20,37 | 96,08 | 96,20 | 0,13 |
8 | 21,23 | 91,11 | 91,11 | 0,00 |
9 | 22,03 | 86,14 | 86,01 | -0,15 |
Отклонения вычислительных значений напора от опытных рассчитаны по формуле:
Н = | Нвыч - Ноп | * 100% |
------------- | ||
Ноп |
Малая величина отклонений свидетельствует о высокой точности измерений при испытании насоса.
Вычисленный напор насоса составил:
1) при минимальной подаче (13,89 л./с.) - 121,48 м.;
2) при номинальной подаче (17,50 л./с) - 110,25 м.;
3) при максимальной подаче (22,22 л./с.) - 84,73 м.;
Выводы: Напор насоса на всем рабочем участке характеристики соответствует ГОСТу 10428-89Е "Агрегаты электронасосные скважинные для воды".
К вопросу об увеличении диаметра рабочего колеса
Часто наши партнёры предлагают увеличить наружный диаметр рабочего колеса насоса ЭЦВ 6-10 с 95 до 97 мм. Изучив это предложение, сотрудники НПФ "Инвар Лтд" пришли к выводу, что, действительно, при таком увеличении напор насоса, при работе в подобном режиме, возрастет на 4%. При реальных же условиях работы напор возрастет на 1,5-2,5 %, а потребляемая насосом мощность увеличится на 7-10%.
Однако следует учитывать, что щель между наружным диаметром рабочего колеса и входным диаметром направляющего аппарата (отвода) не должна быть слишком малой, т.к. в этом случае возникают сильные шумы. Общепринятым в мировой практике является: разность между входным диаметром отвода и наружным диаметром колеса должна составлять от 1/60 до 1/40 наружного диаметра колеса.
Особенно осторожно следует подходить к назначению ширины щели для насосов, работающих в пескующих скважинах, т.к. при этом повреждаются и теряют форму выходные кромки лопаток рабочих колес и входные кромки отводов. А это приводит к значительному снижению развиваемого напора.
В случае попадания в насос твердых частиц размером в несколько миллиметров возможен полный выход из строя всего насоса. Это происходит по следующей схеме: в первой ступени насоса выбивается часть лопатки колеса или отвода (возможно того и другого), которые вместе с твердой частицей, двигаясь с потоком воды, повреждают, а иногда полностью разрушают последующие ступени насоса.
По изложенным соображениям мы не рекомендуем увеличивать наружный диаметр колеса.
Для пояснения приведенного мнения прилагаем график, где разными цветами показаны:
|
- зависимость Q-H при номинальном диаметре рабочего колеса | |
|
- зависимость Q-H при диаметре рабочего колеса увеличенного в 1,1 раза | |
|
- характеристика водовода при геометрической высоте подъема 45 м | |
|
- кривая подобных режима работы |
Q1 и H1 - подача и напор насоса с номинальным диаметром колеса при работе его на реальный водовод
Q2 и Н2 - тоже при увеличенном в 1,1 раза диаметром рабочего колеса
Qc и Нс - тоже при подобном режиме работы насоса с увеличенным диаметром колеса
Рис. 1
Анализ графика позволяет сделать вывод, что при работе насоса с увеличенным диаметром колеса на реальный водовод, подача его возрастает в большей степени чем это определяется формулами подобия, справедливыми только для подобных режимов. Напор же, напротив, возрастает в меньшей степени по сравнению с формулами подобия.
Авторы: Твердохлеб И.Б., к.т.н., директор по НИОКР ОАО «УК «ГМС»
Костюк А.В., к.ф-м.н.,. директор программы ОАО «УК «ГМС»
Эксплуатирующие организации предъявляют все более высокие требования к качеству насосного оборудования, поэтому ОАО «Группа ГМС» постоянно проводит широкий спектр научно-исследовательских и экспериментальных работ по модернизации выпускаемой насосной продукции для водоснабжения и водоотведения, в частности, насосов ЭЦВ.
Стоимость жизненного цикла насосного оборудования представляет собой сумму затрат, которые потребитель понесет за все время эксплуатации насосного оборудования, начиная от его приобретения и заканчивая утилизацией. Для скважинных насосов типа ЭЦВ стоимость жизненного цикла состоит, в основном, из начальной стоимости приобретения, затрат на электроэнергию и монтаж. Поэтому при выборе насосов ЭЦВ на первый план выходит энергоэффективность и срок службы.
В связи с этим основной целью работы ОАО «Группа ГМС» по модернизации и расширению номенклатуры насосных агрегатов ЭЦВ является снижение стоимости жизненного цикла скважинных насосов, как по сравнению с производимыми в настоящее время насосами Группы, так и по сравнению с продукцией западных компаний, представленных на российском рынке.
Работа по модернизации разделена на два проекта – электродвигатели и насосные части.
Результатом работы по первому проекту стала разработка герметичных электродвигателей нового поколения серии ДАП.
Конструктивными особенностями герметичных электродвигателей ДАП являются:
1. Герметизация внутренней полости электродвигателя при помощи узла торцового уплотнения.
2. Использование торцовых уплотнений одного из ведущих мировых производителей.
3. Внутренняя полость электродвигателя заполнена жидкостью на основе воды, допущенной для контакта с питьевой водой, обладающей антифризными свойствами, что позволяет хранить и транспортировать насосные агрегаты при температуре до - 30 °С.
4. Осевой и радиальные подшипники изготовлены из современных полимерных материалов.
5. Применение обратного упорного подшипника, предназначенного для предотвращения осевого смещения ротора при «всплытии» рабочих колес при пуске насоса.
6. Для компенсации температурного расширения жидкости внутри электродвигателя предусмотрен узел «дыхания» в виде резиновой мембраны.
7. Для защиты торцового уплотнения от песка применен пескоотбойник.
8. Подшипниковые щиты и днище изготовлены из чугуна.
9. Корпус статора может быть выполнен как из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, так и из углеродистой стали с последующей окраской.
10. Все электродвигатели предварительно заполнены жидкостью на заводе-изготовителе, проходят стопроцентное тестирование и поставляются потребителю готовыми к применению.
Насосные агрегаты с герметичными электродвигателями ДАП выпускаются под маркой 2ЭЦВ. Срок гарантии на насосы 2ЭЦВ увеличен до 2 лет. Серийное производство насосов ЭЦВ с герметичными электродвигателями серии ДАП началось в 2008 году. Опыт эксплуатации данных насосов показал правильность принятых конструктивных решений.
В настоящее время продолжаются работы по модернизации насосных частей, как с целью улучшения рабочих характеристик, так и с целью расширения вариантов исполнений в зависимости от материалов основных элементов.
При проектировании геометрии ступеней насосов ЭЦВ используются современные программные комплексы вычислительной гидродинамики, позволяющие моделировать течение жидкости в каналах рабочего колеса и направляющего аппарата. В результате численного эксперимента получаются характеристики потока жидкости, такие как распределение скорости и давления. Визуальное представление структуры потока позволяет корректировать геометрию для получения оптимального результата.
Использование методов компьютерного моделирования позволяет заменить физический эксперимент на численный на этапе разработки геометрии проточной части и получить оптимальную геометрию с высоким показателями энергоэффективности.
В рамках этих работ освоен выпуск насосов ЭЦВ10-120,160 с улучшенными энергетическими характеристиками в нержавеющем исполнении (штампосварная конструкция), а также в литом исполнении. Материал рабочих органов – чугун, бронза, чугун с катафорезным покрытием. В настоящее время проводятся аналогичные работы по модернизации насосов ЭЦВ6-10,16,25, ЭЦВ8-25,40,65,100, ЭЦВ12-250-320. Постановка на производство насосов указанных моделей планируется в 2010 г.
Насосные агрегаты с герметичными электродвигателями ДАП и модернизированными насосными частями будут иметь маркировку 3ЭЦВ.
Для жидкостей с повышенным содержанием механических примесей и повышенной температуры началось производство насосов ЭЦВ8-25 ХТрГ. Содержание механических примесей в перекачиваемой среде 200 г/м3, температура воды до 70 °С. Для оценки правильности принятых конструктивных решений были проведены сравнительные анализы стоимости жизненного цикла насосов новых моделей в сравнении с аналогами ведущих зарубежных компаний.
Стоимость затрат жизненного цикла насосов ЭЦВ на 812 тыс. руб. меньше в сравнении с зарубежным аналогом за 30 тыс. часов эксплуатации.
В результате работ по модернизации насосов ЭЦВ созданы насосы, не уступающие ведущим мировым образцам по параметрам энергоэффективности, надежности и, соответственно, стоимости жизненного цикла.