Энергопотребление насоса при случайном расходе. Что определяет режим насоса

Работу электронасоса или его режим можно оценить подводимой электрической мощностью, определяемой напряжением и током и получаемой на выходном патрубке мощностью потока воды, определяемой давлением и расходом. Расход и давление являются основными характеристиками при оценке работы насоса или его режима. Эти две мощности имеют различные величины: первая больше второй на величину потерь, которые неизбежно возникают в процессе преобразования электрической энергии в гидравлическую энергию потока воды. Отношение второй мощности к первой позволяет определить числовое значение КПД электронасоса. Обычно потери разделяют на две составляющие: потери в электродвигателе, которые определяют его КПД и потери в насосе, которые определяют КПД насоса. Произведение этих двух КПД равно КПД электронасоса. В практике водоснабжения и других областях применения центробежных электронасосов для его выбора и расчета режимов работы, оценки затрат необходимо знать электрическую мощность электронасоса и потребляемую им электроэнергию (комментарий1). 1. Потребляемая электронасосом электрическая энергия равна произведению мощности электронасоса на время его работы: W [кВт•ч] = tP. Мощность определяется по формуле: (формула) где Н — давление, м вод. ст.; Q — расход, м³/ч; η_эн — КПД электронасоса при данном расходе Q; 367,2 — коэффициент, учитывающий физические свойства воды и размерность величин в формуле. Если в приведенной формуле расход, давление и КПД имеют номинальные значения, то и мощность будет номинальной. На практике эти величины отличаются от номинальных значений. Больше того, все они имеют переменный характер. Это объясняется тем, что выходной патрубок присоединен к трубопроводу (водопроводной сети), который заканчивается различными потребителями. Последние, потребляя воду в разных количествах, изменяют расход в трубопроводе, а значит и в насосе, поскольку насос и трубопровод образуют одну полость. Здесь сеть с потребителями можно рассматривать как некую большую задвижку, присоединенную к выходному патрубку насоса и непрерывно меняющую расход через него. Далее для упрощения описания процессов работы насоса под сетью будем понимать некий обобщенный трубопровод с некой обобщенной задвижкой на конце. Таким образом, потребление воды в сети или расход в ней и определяет работу насоса, а количественная оценка расхода будет в то же время и количественной оценкой режима работы насоса. Другая количественная оценка режима работы насоса — давление. Одновременно с расходом меняется и давление. Причем по мере уменьшения расхода давление на выходе насоса увеличивается. Электронасос и сеть при совместной работе представляют собой единое целое, где физические процессы сбалансированы, причем сеть в этом балансе играет роль нагрузки, т.е. элемента, определяющего баланс, а электронасос — роль источника, элемента обеспечивающего этот баланс. В точке баланса как бы «сходятся интересы» этих двух элементов. Эта точка имеет свое графическое изображение и называется рабочей точкой (РТ) электронасоса. Рабочая точка электронасоса на графике определяется пересечением линии напорной характеристики насоса и линии напорной характеристики сети. У характеристик есть свои параметры, которые позволяют рассчитать расход и давление в рабочей точке, при совместной работе насоса и сети (комментарий 2). 2. Графическая зависимость давления на выходе насоса от расхода Н(Q)_насоса называется напорной характеристикой насоса и показана на рисунке. Зависимость показывает, как увеличивается давление при уменьшении расхода на выходе насоса. Здесь же показана напорная характеристика сети Н(Q)_сети. Эта зависимость показывает, как изменяются потери давления в сети при различных значениях расхода. Давление в сети можно разделить на две составляющие: статическое давление, необходимое для преодоления разности геодезических высот расположения насоса и потребителя — Н_ст и динамическое, которое необходимо на преодоление сил трения в трубопроводе и задвижке или гидравлического сопротивления сети (Z) — Н_д. Динамическая составляющая зависит от расхода в степени b. В практических расчетах степень принимают равную двум, т.е. b = 2. Отсюда динамическая составляющая потерь давления равна H_д = ZQ², а аналитическое выражение напорной характеристики сети будет иметь вид H(Q)_сети = H_ст + ZQ². Аналитическое выражение напорной характеристики насоса также состоит из двух составляющих: давления при отсутствии расхода — Н_оn, и потерь на внутреннем гидравлическом сопротивлении насоса — S при расходе отличном от нуля Н(Q)_насоса = Н_оn – SQ². Совместное решение этих двух уравнений даст выражения для координат РТ: (формула) Действительно, как видно из полученных уравнений, основные числовые показатели работы насоса — расход и давление зависят от параметров насоса Н_оn, S и от параметров сети Н_ст, Z. Причем, если первые постоянны при использовании одной марки насоса, то последние принимают различные переменные величины в зависимости от состояния сети или от положения нашей задвижки на конце обобщенного трубопровода. Необходимо заметить, что геодезическая высота этой задвижки также будет изменяться, поскольку она определяется местоположением потребителей, которое имеет разную высоту над уровнем моря. Но предположим, что наш трубопровод с задвижкой находятся в ровной, как стол, степи. Тогда расход и давление будут зависеть только от положения задвижки или ее гидравлического сопротивления. Из уравнений, определяющих рабочую точку или режим работы насоса, видно, что при увеличении гидравлического сопротивления Z (закрытии задвижки) расход будет уменьшаться, а давление наоборот увеличиваться. Ранее мы рассматривали, как определить потери давления в трубопроводе через гидравлическое сопротивление, которое, напомним, состоит из сопротивления трубопровода и его элементов (поворотов, колен, переходов и пр.), а также задвижек и санприемников воды (комментарий 3). 3. Потери давления в трубопроводе определяют по формуле h = АlQ², где А — модуль удельного квадратичного сопротивления на единицу длины трубы; l — длина трубопровода в метрах; Q — расход воды в трубопроводе в кубических метрах за час. Модуль А для некоторых размеров водогазопроводных труб имеет следующие значения, (ч/м³)²10^–6: Ду50 — 853,16; Ду70 — 231,69; Ду80 — 89,86; Ду90 — 40,76; Ду100 — 21,66; Ду125 — 6,64; Ду150 — 2,61. Потери в местных гидравлических сопротивлениях элементов трубопровода для «длинных» труб принимаются равными 5 % от потерь в трубопроводе (Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения: Справочник — Л.: Стройиздат. 1986). Пример : Расход в рабочей точке электронасоса при напоре (давлении) 100 м вод. ст. равен 17,5 м³/ч, длина трубопровода с условным проходом Ду80 равна 103 м, А = 89,86•10^–6 (ч/м³)²Потери давления равны 2,9 м вод. ст. Как видим, потери в трубопроводе и его элементах незначительны, и составляют менее 3 % от давления в рабочей точке. Тогда как при действии задвижки расход и давление может изменяться в более широких пределах, вплоть до предельных значений, например при закрытой задвижке расход равен нулю, а давление максимальному значению Н_оn. Задвижка напрямую действует на расход и, вспомнив наши допущения об обобщенных частях сети, можно утверждать, что работу насоса через расход в сети определяют ее параметры и, прежде всего, гидравлическое сопротивление конечных санприемников (водоразборных кранов, смесителей, душевых аппаратов, клапанов поилок, бачков и др.) потребителей. Наконец, третья количественная оценка режима работы электронасоса — КПД (η_эн). Эта характеристика сложная по своей структуре, поскольку объединяет КПД гидравлической машины — насоса и электрической — электродвигателя. Величина КПД зависит от рабочей точки. Поэтому на практике используют графические либо аналитические зависимости КПД агрегата от расхода. На величину КПД, а значит и на форму зависимости влияют параметры сети, насоса (Н_ст, Z, Н_оn, S) и электродвигателя. Таким образом, чтобы оценить работу насоса, необходимо знать изменение параметров сети или определяемые ими расход, давление и КПД. В конечном итоге знание этих величин и будет определять знание о режимах работы электронасоса и потребляемой им электроэнергии. Начнем с расхода. В большинстве случаев расход носит случайный характер, и это обстоятельство является тем фактором, который затрудняет оценку режимов электронасосов и в частности потребляемую им электроэнергию. Во всех остальных случаях расход, так или иначе, является детерминированным, т.е. определен. Чтобы выработать методику оценки режимов при случайном расходе, необходимо иметь его математическую модель, которая будет отправной точкой при разработке методики.