Об оптимальном выборе насоса много говорится. В большинстве случаев речь идет об оптимизации конструкции насосной системы. Но чего в подобных рассуждениях не хватает, так это четкого определения, что же такое оптимизация, как ее добиться и какими должны быть ее результаты. Люди используют слово «оптимизированный», говоря о следующих характеристиках насосов:
- насос с самой низкой первоначальной стоимостью;
- насос, потребляющий минимум энергии;
- насос, требующий минимального технического обслуживания на протяжении всего жизненного цикла;
- насос с самым длительным сроком службы.
При выборе насоса каждая из этих характеристик привлекательна; чем больше из них удастся получить, тем более оптимизированным будет насос. Однако такие цели не всегда соотносятся с реальностью.
Их с большей вероятностью можно достичь в насосах, перекачивающих чистые жидкости без примесей. В случаях, когда перекачивается не просто вода, а среды содержат твердые частицы или воздух, этих целей достичь не так-то просто.
Прежде чем выбрать оптимальный насос, необходимо разобраться в особенностях конструкции всей системы и протекающих в ней процессах. Существует не так много насосов с плохой конструкцией. Однако для пользователей характерно винить в любом сбое сам насос.
Выход из строя насоса или повреждение механического уплотнения редко проистекают из плохой конструкции насоса или уплотнения. Скорее всего, в подавляющем количестве случаев преждевременный выход насоса из строя вызван следующими факторами:
- неправильный выбор насоса для данной системы;
- неправильная эксплуатация системы (использование системы не по назначению);
- неправильная установка.
Эта статья посвящена выбору и эксплуатации насосов. Хотя правильная установка имеет критически важное значение для успешной работы насоса, нам приходится ограничить охват данной статьи. Всегда следуйте рекомендациям по установке от производителя.
Определение оптимальной эксплуатации насоса
Чтобы понять, как выбрать оптимальный насос, прежде всего, нужно выяснить, что такое оптимальная эксплуатация насоса.
Производители насосов проводят испытания эксплуатационных характеристик, чтобы определить эффективность каждой модели насоса. Это называется точкой максимального КПД. Точка максимального КПД указывается на кривых характеристик всех центробежных насосов. В точке максимального КПД наименьшее количество жидкости возвращается на сторону низкого давления (всасывания). В этой точке насос работает наиболее плавно, жидкость протекает по насосу максимально стабильно и радиальная (боковая) нагрузка на подшипники минимальна.
В нормальных условиях общепринятым правилом считается, что центробежный насос должен эксплуатироваться в диапазоне между 50% и 120% от точки максимального КПД. Такой диапазон обусловлен физическими особенностями конструкции. Работа в этом диапазоне обеспечивает наибольшую эффективность и надежность с минимальными нагрузками на подшипники, наиболее низкой турбулентностью и вибрацией.
Расход снижается из-за ограничений системы, за делителем потока возникает область относительно низкого давления. Это приводит к возникновению силы, которая отклоняет рабочее колесо и вал в сторону этой области при вращении насоса (примерно на 300 градусов от верхней мертвой точки).
Если же в системе создается недостаточное ограничение расхода, область низкого давления возникает перед делителем потока, в результате чего вал и рабочее колесо отклоняются в сторону этой зоны низкого давления (примерно на 120 градусов от верхней мертвой точки).
Оба эти состояния вредны как для насоса, так и для механического уплотнения. На рисунке 1 представлен перепад давления внутри корпуса при этих состояниях.
Перепад давления увеличивает отклонение вала, вибрацию и нагрузку на подшипник. На рисунке 2 показана потенциально разрушительная радиальная нагрузка и отклонение вала относительно кривой характеристик, на которой наименьшая радиальная нагрузка расположена возле точки максимального КПД насоса.
Может показаться, что самое разумное решение — это выбрать насос с точкой максимального КПД, точно совпадающей с условиями эксплуатации. Но это предполагает, что в системе не происходит никаких колебаний. В реальности насосы редко функционируют в точности так, как в контролируемых условиях испытаний рабочих характеристик. При эксплуатации насосные системы, как правило, работают по-разному. Именно такие вариации зачастую не учитывают.
Если насос выбран исключительно по точке максимального КПД, колебания расхода могут привести к тому, что насос будет работать за пределами этой точки. Достаточно лишь 20% отклонения, чтобы уйти слишком далеко от точки максимального КПД на кривой и создать потенциал для кавитации и повышения радиальных нагрузок.
Таким образом, лучше рассматривать варианты около 85% от точки максимального КПД. Это позволит системе отклоняться на 35% вправо и влево от точки максимального КПД, не выходя за пределы допустимого диапазона от 50% до 120%.
На рисунке 3 показан оптимальный рабочий диапазон на кривой характеристик насоса. Зеленая область включает в себя диапазон от 50% до 120%; работа насоса становится более нестабильной при выходе за его пределы в красную область с любой стороны кривой. Обратите внимание на небольшое расстояние от точки максимального КПД, после которого работа насоса перестанет быть «оптимальной» и станет потенциально проблематичной.
Выбор оптимального насоса для системы
Теперь, когда мы установили оптимальный рабочий диапазон на кривой характеристик, выбрать оптимальный насос становится проще.
Зачастую для выбора насоса недостаточно определиться только с расходов и напором. Нужно учесть ряд условий, с которыми будет сталкиваться насос во время эксплуатации. Центробежный насос не оснащен ни датчиками, ни средствами управления процессом. Он просто перекачивает столько жидкости, сколько может перекачать.
Объем перекачиваемой жидкости ограничен сопротивлением потоку, физическими возможностями насоса и объемом жидкости, который можно подать в насос. Насос просто вращается и перекачивает жидкость независимо от требуемого расхода и давления.
Например, если система оснащена фильтром, граничные значения расчетного диапазона, обусловленные наличием фильтра, будут при чистом фильтре и при загрязнении фильтра. Перепад составит 15 фунтов/дюйм2 (полный динамический напор ~40 футов) или больше при перепаде давления на фильтре.
В системе, рассчитанной на 30 фунтов/дюйм2 (полный динамический напор ~70 футов), перепад давления в 15 фунтов/дюйм2 (полный динамический напор ~40) — это огромное значение.
Например, если требуется расход 100 галлонов/мин в конце системы трубопровода, конструкция насоса должна иметь возможность справляться со всеми потерями внутри трубопровода, включая те, что вызваны грязным фильтром. Представим, что во всей системе потери составляют 40 футов при чистом фильтре и 70 футов при грязном. Тогда инженеру по насосам нужно рассчитать размеры для обоих случаев: 100 галлонов/мин при полном динамическом напоре 40 футов и 100 галлонов/мин при полном динамическом напоре 70 футов.
Однако расход в насосе будет больше при меньшем напоре. По мере повышения расхода потери на трение также увеличатся. Таким образом, придется вычислить потери системы при большем расходе, чтобы определить рабочую точку при более высоком расходе. Обе точки должны быть в диапазоне от 50% до 120% от точки максимального КПД, если это возможно.
Поскольку невозможно предусмотреть все варианты рабочих условий, при проектировании системы и выборе насосе инженеры часто занижают свои ожидания, учитывая вариативность ситуаций.
Если в определенном случае требуется расход 100 галлонов/мин, можно добавить лишние 20 галлонов/мин в качестве коэффициента запаса, таким образом нужно будет выбрать насос с расходом 120 галлонов/мин. Далее, если известно о проблемах в конструкции, например, о наличии грязного фильтра как в приведенном выше примере, можно добавить к 70 футам полного динамического напора еще 20 футов.
Таким образом, разработчик системы может указать, что насос должен обеспечивать расход 120 галлонов/мин при полном динамическом напоре 90 футов. Проблемы возникают, когда насос устанавливают в систему, а система не обеспечивает ожидаемого сопротивление движению потока. В итоге, разработчик получает больший расход, чем было запланировано, а насос работает за пределами требуемого диапазона эффективной эксплуатации.
Эксплуатация насоса для получения оптимальных характеристик
Нестабильность самой системы вызывает множество проблем с насосом. Во многих случаях учитываются далеко не все состояния, которые могут возникнуть в системе. Если это так, насос может работать за пределами рекомендованного диапазона от 50% до 120% от точки максимального КПД. Далее, требуемый кавитационный запас и минимальная глубина погружения должны соответствовать заданным значениям во всех рабочих точках.
Если насос работает за пределами рекомендованного диапазона, возникают проблемы: кавитация на стороне всасывания или нагнетания, излишняя вибрации и вовлечение воздуха. Зачастую эти проблемы объединяются, и насос подвергается избыточным нагрузкам.
В условиях высокого расхода (более 120% от точки максимального КПД), поддерживать кавитационный запас становится проблематично, учитывая, что имеющийся кавитационный запас снижается, а требуемый кавитационный запас насоса возрастает по мере повышения расхода. Радиальные боковые нагрузки на подшипник также резко увеличиваются в условиях высокого расхода.
В условиях низкого расхода (менее 50% от точки максимального КПД) насос продолжает пытаться работать с большим расходом, однако из-за ограничений в системе часть потока возвращается со стороны высокого давления (нагнетания) на сторону низкого давления (всасывания). Этот обратный поток вызывает избыточную турбулентность и вибрацию насоса. В условиях низкого расхода радиальная боковая нагрузка на подшипники также может резко возрасти.
Такие ситуации часто приводят к преждевременному выходу из строя механического уплотнения, муфты вала, подшипников и металлических деталей. Поломка деталей редко обусловлена их низким качеством или неправильным выбором размера или типа насоса, а скорее условиями эксплуатации насоса.
Проектирование с учетом экстремальных условий
Выбор насоса требует компромиссов. При работе с чистой водой такие компромиссы минимальны. Большинство центробежных насосов могут перекачивать чистую воду, при этом расход и давление соответствуют заданным значениям. При оптимизации целью является выбор высокоэффективного (практически без потерь) и надежного насоса.
Если перекачивается не вода, а более сложная среда с высоким содержанием твердых частиц, с крупными частицами, вовлеченным воздухом или условия всасывания нестандартны, обычный центробежный насос окажется непригодным. В подобных системах различные условия существенно влияют на изначальный расход и давление.
В таких, более сложных условиях, вероятно, потребуется найти компромисс и пожертвовать эффективностью в пользу конструктивных особенностей, позволяющих работать в заданных условиях. Из-за особенностей перекачиваемой среды могут понадобиться сетчатые фильтры, измельчители, упрочненные и прорезиненные детали, которые, в свою очередь, снижают эффективность работы насоса. В крайних случаях перепады давления невозможно минимизировать, поэтому оптимальным решением будет отказ от стандартной конструкции системы. Бессальниковые и вихревые насосы, а также частотно-регулируемые приводы могут обеспечить более широкий спектр условий эксплуатации.
Бессальниковые насосы
Выход из строя механического уплотнения — это одна из самых распространенных причин вывода насосов из эксплуатации для ремонта. По оценкам некоторых специалистов, 85% ремонтов насосов в промышленности вызваны неисправностями механического уплотнения.
Механическое уплотнение подвержено риску повреждения в условиях сильных смещений, вибрации, перепадов температуры, вовлечения воздуха и загрязнений. В бессальниковых насосах этот проблемный компонент полностью отсутствует, а вместо него используется герметичная колонна, выполняющая функции механического уплотнения.
Хотя вертикальные бессальниковые насосы подходят не для всех областей применения (например, для систем с входами под давлением), они успешно применяются в ряде сложных ситуаций, даже при перекачивании сред с высоким содержанием твердых частиц или высокотемпературных сред.
В данном случае, компромисс минимален. Огромные преимущества, связанные с низкими расходами на техническое обслуживание и высокой надежностью, компенсируют изначальные затраты на переоборудование.
Вихревые насосы
Вихревые насосы имеют более широкий рабочий диапазон по сравнению со стандартными центробежными насосами. Благодаря своим физическим конструктивным особенностям, они могут справляться с определенным объемом вовлеченного воздуха и твердыми частицами. При их эксплуатации создается очень мало радиальной нагрузки на вал и подшипники, даже в экстремальных условиях работы.
Однако эффективность насоса гораздо меньше, зачастую на 30% и более, по сравнению со стандартными насосами.
Во многих случаях такая потеря эффективности является допустимым компромиссом, учитывая более длительный срок службы насоса.
Частотно-регулируемые приводы
Частотно-регулируемые приводы обеспечивают большую гибкость работы, позволяя регулировать скорость насоса. Зачастую изменения скорости помогают насосу оставаться в пределах рекомендованного диапазона относительно точки максимального КПД. В предыдущем примере более низкая скорость позволила разработчику поддерживать оптимальный рабочий диапазон насоса даже при более низком сопротивлении/большем расходе при наличии чистого фильтра.
Использование частотно-регулируемых приводов не решит всех проблем, однако может уменьшить влияние изменения рабочих условий внутри системы. В некоторых случаях затраты на приобретение и установку становятся приемлемым компромиссом в пользу безотказной работы.
Оптимизация не значит, что один размер подходит для всего
Общепризнанного определения оптимизированного насоса не существует, поскольку все зависит от конкретных целей и рабочих условий в каждом случае. Четко представляя рабочий диапазон относительно точки максимального КПД и реальные условия эксплуатации, можно найти баланс между изначальной стоимостью, потреблением энергии, требованиями к техническому обслуживанию и сроку службы и получить полностью оптимизированный насос для конкретного применения.
Дэн Ксомос — менеджер по продажам в компании Ruthman Companies. С Дэном Ксомосом можно связаться по телефону 513-159-1305 или по эл. почте dcsomos@ruthmancompanies.com.
Дополнительная информация представлена на сайте www.ruthmancompanies.com
