В статье «Кавитация 101» мы обсудили, что такое кавитация и почему она возникает, а также способы ее предотвращения. В этой статье мы более подробно объясним, что вызывает кавитацию, как ее можно обнаружить и как ее можно уменьшить, используя новейшую технологию работы частотно-регулируемого привода.
Более глубокое понимание кавитации
Кавитация подобна кипению воды, при котором вода переходит из жидкой фазы в газообразную. Переход воды из жидкого состояния в газообразное зависит как от температуры, так и от давления. При атмосферном давлении в один бар (14,7 фунтов/дюйм2) вода превращается в пар при температуре 100 °C (212 °F). Когда давление снижается, вода переходит из жидкого состояния в газообразное. В вакууме вода кипела бы при гораздо более низкой температуре — около 15 °C (59 °F).
Кавитация в насосах происходит аналогично. Хотя речь идет не столько об атмосферном давлении, сколько о давлении на входе и давлении в самом насосе. В нашей статье «Насосы 101» показано, что такой параметр, как кавитационный запас (NPSH), определяет давление, которое должно поддерживаться на входе в насос, чтобы избежать кавитации при нормальных условиях эксплуатации. Когда давление падает ниже NPSH, вероятно, возникает кавитация; однако вода не кипит, а образует небольшие заполненные паром полости или пустоты (пузырьки), которые схлопываются или лопаются, когда давление жидкости возвращается к нормальному или более высокому. Поскольку пузырьки быстро разрушаются, а пар внутри них поглощается жидкостью, это создает удивительно большое количество энергии в виде акустической ударной волны и видимого света. Энергия настолько концентрирована, что температура пара внутри пузырька может достигать нескольких тысяч Кельвинов, а давление — нескольких сотен атмосфер. Однако из-за своих малых размеров это оказывает минимальное влияние на общую температуру жидкости.
Рисунок 1. Кавитация может возникать в открытых системах, когда давление на входе в конкретный насос падает ниже NPSH. (Изображение предоставлено компанией ABB)
Даже при надлежащем давлении на входе при определенных условиях может возникать кавитация из-за высокой скорости жидкости на кромках лопастей насоса. Резкое увеличение скорости жидкости может привести к повышению давления на передней стороне лопастей и снижению давления на задней стороне. Пониженное давление жидкости на задней стороне приводит к тому, что вода испаряется, образуя пузырьки (рисунок 1). Когда эти пузырьки достигают областей с более высоким давлением, они лопаются, превращаясь обратно в жидкость и создавая ударные волны. Находясь достаточно близко к внутренним поверхностям насоса, ударные волны могут действовать подобно крошечным молоткам, отслаивая микроскопические части лопасти или корпуса и в конечном итоге приводя к образованию язв и усталости металла.
При этом повреждение лопасти насоса ускоряется, поскольку на корпус и лопасти оказывается дополнительная нагрузка из-за увеличения турбулентности потока жидкости, в результате чего в поврежденных участках образуются кавитационные пузырьки. В некоторых случаях в жидкость могут попадать металлические включения, которые создают другие опасности, особенно в пищевой промышленности и производстве напитков.
Способы обнаружения кавитации
Для обнаружения кавитации в насосной системе можно использовать множество методов. В большинстве, но не во всех, методах используются дорогостоящие датчики и контроллеры. Ниже приведены наиболее распространенные:
- для выявления условий, которые могут быть вызваны кавитацией в различных точках системы (трубопроводе, насосе, клапанах и т.д.) можно проводить измерение давления. Например, резкое падение давления в насосе может указывать на кавитацию;
- еще один метод — мониторинг производительности. Определенные параметры потока, давления и энергопотребления могут указывать на кавитацию;
- для определения кавитации также можно использовать анализ вибрации. При возникновении кавитации в насосе и трубах будут наблюдаться определенные вибрации;
- анализ акустической эмиссии подобен анализу вибрации, но здесь используются специальные датчики, которые улавливают акустические или ультразвуковые волны, для определения схлопывания пузырьков, образующихся в результате кавитации;
- в некоторых современных частотно-регулируемых приводах используется бесконтактный контроль производительности с помощью двигателя насоса для определения возникновения кавитации в насосе.
Рисунок 2. Рабочее колесо насоса повреждено в результате кавитации
Способы устранения кавитации с помощью регулирующих устройств
В самых плохих случаях насосы выходят из строя за считанные минуты. Одним из эффективных и практичных способов избежать кавитации является использование современной технологии частотно-регулируемых приводов. Как видно из приведенного ниже графика, алгоритм частотно-регулируемых приводов позволяет определять возникновение кавитации, сравнивая крутящий момент, измеренный на валу насоса, с ожидаемым требуемым крутящим моментом. Если начинается кавитация, кривая крутящего момента начинает расти. Исходя из полученных данных, программное обеспечение устанавливает заданную скорость (показана синим цветом) на более низкий уровень.
Это приводит к снижению фактической частоты вращения двигателя, как показано зеленым цветом. Алгоритм может быть скорректирован в соответствии с различными условиями эксплуатации. В некоторых случаях частотно-регулируемый привод может быть запрограммирован на подачу звукового сигнала тревоги, предупреждающего оператора о необходимости либо остановить двигатель насоса, либо вручную снизить частоту вращения, если кавитация продолжается дольше установленного времени. В других случаях может потребоваться автоматическая остановка двигателя при обнаружении кавитации.
Риск возникновения кавитации значителен для большинства насосных систем. Если его должным образом не снизить, это может привести к повреждению и перебоям в работе насоса, а также повлиять на качество продукции. Интеллектуальные частотно-регулируемые приводы нового поколения теперь позволяют устранять кавитацию локально, в приводе, в режиме реального времени. Поскольку в приводе предустановлено антикавитационное программное обеспечение, не требуется никаких дополнительных компонентов, таких как датчики. Единственное дополнительное усилие, которое требуется для установки, — это настройка рабочих параметров.
Torque RMS/Torque RMS normal — Среднеквадратичный крутящий момент/нормальный среднеквадратичный крутящий момент, Speed reference from application (rpm) — Заданная частота вращения (об/мин), Motor speed used (rpm) — Используемая частота вращения двигателя (об/мин), Time — Время
Рисунок 3. Антикавитационный алгоритм отслеживает изменение крутящего момента двигателя насоса с течением времени.
Джефф Моррис и Даниэль Гутьеррес
Компания ABB
Джефф Моррис проработал в сфере автоматизации и управления более 20 лет, начав с должности менеджера по выпуску приводов и занимаясь управлением ассортиментом продукции, которая включает промышленные системы управления и центры управления двигателями, датчики и системы безопасности и автоматизации. Кроме того, Моррис занимался продажей продуктов автоматизации, такие как ПЛК и ЧМИ. Будучи менеджером по развитию бизнеса производителей насосов и систем водоснабжения в США, Моррис помогает производителям насосов создавать более совершенные системы, демонстрируя преимущества использования приводов компании ABB, ПЛК и ЧМИ.
Даниэль Гутьеррес более 20 лет работает в области промышленной автоматизации и управления двигателями. Его опыт включает работу инженером по продажам продуктов промышленной автоматизации и инженером по прикладным задачам в области промышленной автоматизации, включая двигатели, частотно-регулируемые приводы, ПЛК и ЧМИ. Как технический специалист, Гутьеррес помогает производителям насосных и водопроводных систем модернизировать конструкцию систем управления.
