Из-за повышенной вязкости при низких температурах негативное воздействие на производительность центробежного насоса имеет важное значение. Если вы перекачиваете холодную воду, вязкость не будет проблемой, но холодное трансформаторное масло — это совсем другое дело.
Исходная информация
Для запуска в морозную погоду иногда требуются мощные силовые трансформаторы (определяемые как трансформаторы мощностью более 200 мегавольт-ампер (МВА) и напряжением, обычно превышающим 120 кВ и до 760 кВ). Ситуация с пуском из холодного состояния чаще всего возникает во время аварий, обычно из-за зимнего шторма или сильного холодного фронта.
В трансформаторах этого класса используются циркуляционные насосы для перемещения диэлектрического масла через обмотки и теплообменники вместо использования естественной циркуляции. В некоторых силовых трансформаторах может быть установлено до 26 насосов. Запуск их холодного состояния особенно важен для передвижных трансформаторов более высокого класса из-за их сжатой конфигурации. Последствия эксплуатации трансформаторных насосов при температуре масла ниже минус 10 °C (+14 °F) обычно не рассматриваются производителями трансформаторов, что и побудило нас на написание этой статьи.
Increased Viscosity: Effects on Pump Performance — Повышенная вязкость: влияние на производительность насоса,
Case A — Блок A,
Viscosity (cSt) — Вязкость (сСт),
Temperature of Oil °C (°F) — Температура масла, °C (°F),
(O) Flow (GPM) Coefficient (Result) — (O) Коэффициент расхода (галлон/мин) (результат),
(H) Head Coefficient (Result) — H) Коэффициент напора (результат),
(E) Efficiency Coefficient (Result) — (E) Коэффициент полезного действия (результат)
(ВНР) Brake Horsepower Result — (ВНР) Эффективная мощность (результат)
NOTES and COMMENTS — Примечания и комментарии
Q and H based on 500 gpm at 45 feet (assumed ВЕР pt). Kinematic viscosity units centistokes assumed initial efficiency of 70 at Best Efficiency pt (10 cSt). Pump is a 4 x4 centrifugal at 4 pole speed 1750 RPM. Mineral based transformer oil density 0.88. Efficiencies expressed as decimals. Correction Factors based on HVANSI 9.6.7 2021. No oil viscosity data for minus 40 °С
Q и H рассчитаны исходя из 500 галлон/мин при 45 футах (предположительная точка максимального КПД). Единицы кинематической вязкости — сантистокс, предполагается начальный КПД 70 при максимальном КПД (10 сСт). Насос центробежный 4×4 с частотой вращения 1750 об/мин. Плотность трансформаторного масла на минеральной основе 0,88. КПД выражен в десятичных дробях. Поправочные коэффициенты в соответствии со стандартом HVANSI 9.6.7 2021. Нет данных о вязкости масла при температуре минус 40°С
Рисунок 1. Таблица коррекции вязкости (изображения предоставлены автором)
Насос трансформаторного масла
Допуск на утечку масла в трансформаторах равен нулю, поэтому используются бессальниковые мокростаторные насосы с электроприводом (герметичные насосы). В такой конструкции подшипники смазываются при перекачке. Несмотря на то, что перекачиваемая жидкость является “маслом”, обратите внимание, что все смазывающие свойства были намеренно удалены в процессе приготовления, чтобы улучшить требуемые диэлектрические свойства. Недостаточная смазывающая способность жидкости является основной причиной, по которой я выбираю гидродинамические подшипники, и я не рекомендую использовать подшипники качения (шариковые), которые применяют некоторые другие производители.
В холодную погоду, при отключенном трансформаторе, температура масла снижается, а вязкость увеличивается. Следовательно, напор, расход и производительность насоса снизятся. Из этих трех параметров производительность снижается больше всего, поэтому требуемая мощность для работы насоса увеличится.
При эксплуатации насосов при более низких температурах жидкости необходимо соблюдать меры предосторожности, влияющие на высокую силу тока двигателя, размер/нагрузку выключателя и другие эксплуатационные параметры. Было бы разумно изучить кривую зависимости частоты вращения от крутящего момента, чтобы убедиться, что двигатель способен работать на полной скорости. Если трансформатор уже работал при нормальных внутренних рабочих температурах, падение температуры окружающей среды не будет проблемой даже до минус 40 градусов (C или F).
Вязкость влияет на производительность центробежного насоса
Одним из основных недостатков центробежного насоса является заметное снижение эффективности при работе с вязкими жидкостями. Я часто называю вязкость криптонитом для центробежных насосов. Вязкие жидкости оказывают негативное воздействие на производительность центробежных насосов. Гидравлическая неэффективность и, следовательно, гидравлические потери, которые возникают во всех центробежных насосах, в значительной степени обусловлены вязкостью жидкости.
Использование центробежных насосов для жидкостей с вязкостью около 600 сСт, как правило, не рекомендуется из-за снижения производительности насоса. Однако во многих коммерческих и промышленных областях применения высокая надежность и универсальность центробежного насоса могут по-прежнему делать его лучшим вариантом в целом, даже если вязкость превышает эти параметры.
При общей оценке необходимо учитывать аспекты стоимости и надежности. Я был свидетелем успешного применения центробежных насосов, когда вязкость жидкости приближалась к 2000 сСт. Я знаю о применениях с еще более высокой вязкостью.
Чтобы обеспечить надежность и экологическую безопасность насоса, вы должны получить от производителя информацию о допустимом крутящем моменте на валу и предельных значениях мощности, которые обычно выражаются в максимально допустимой эффективной мощности (л.с.) на 100 оборотов в минуту (об/мин). Также будут установлены ограничения по мощности и, в редких случаях, по крутящему моменту при нагрузке на лопасти рабочего колеса. Настоятельно рекомендуется провести тщательный анализ затрат и уделить особое внимание требуемым эксплуатационным энергозатратам. Я всегда рекомендую проконсультироваться с производителем насоса или опытным инженером по насосам.
Вязкость
Вязкость — это мера сопротивления жидкости течению при данной температуре. Вы также можете рассматривать это как трение жидкости. Техническое определение объясняло бы вязкость как силу, необходимую для перемещения гипотетической плоскости жидкости (например, пластины) некоторой определенной единичной площади на определенное расстояние, размещенной над стопкой плоскостей равной площади — и все это за определенный период времени. Я часто определяю вязкость как сопротивление жидкости потоку или сопротивление перекачке. Примечание: в данной статье рассматривается перекачка жидкостей, а не двухфазных жидкостей или газов.
Вязкость обычно выражается либо в абсолютных, либо в кинематических единицах (абсолютную вязкость также часто называют динамической вязкостью). Абсолютная вязкость жидкости определяется как сопротивление течению и сдвигу под действием сил внутреннего трения. Внутреннее трение вызвано сопротивлением молекул жидкости, движущихся относительно друг друга. С другой стороны, объяснение заключается в кинематической вязкости, которая является мерой сопротивления жидкости течению и сдвигу под действием сил тяжести.
Более простой способ объяснить разницу заключается в том, что кинематическая вязкость — это рассчитанная по времени скорость потока через отверстия, где движущей силой обычно является сила тяжести, в то время как динамическая (абсолютная) вязкость — это мера силы, необходимой для преодоления сопротивления жидкости протеканию по трубке (капилляру). Проще говоря, кинематическая вязкость — это измерение времени, а динамическая вязкость — это измерение силы.
Рисунок 2. Однофазный трансформатор на 765 кВ, 4 насоса трансформаторного масла в основании.
Единицы измерения
Базовой единицей кинематической вязкости является стокс, один квадратный метр в секунду равен десяти тысячам стоксов. Поскольку эта единица измерения слишком неудобная, обычно используют квадратные миллиметры в секунду [(мм)2 ÷ с] или сСт.
Базовой единицей динамической вязкости является сантипуаз (базовая единица измерения — пуаз). Соотношение между ними показано в уравнении 1.
Уравнение 1) Сантистокс = сантипуаз ÷ относительная плотность
Трансформаторное масло
Трансформаторное масло обычно изготавливается из масла на минеральной основе, но также может быть на основе обычного эфира или силикона. Все эти масла обладают свойствами ньютоновской жидкости. То есть скорость сдвига линейно пропорциональна напряжению сдвига. Кроме того, вязкость ньютоновской жидкости зависит исключительно от температуры и не зависит от скорости сдвига или фактора времени. Существует косвенная зависимость между температурой жидкости и вязкостью. С повышением температуры вязкость уменьшается и наоборот. Вышеупомянутые свойства остаются неизменными для всех трансформаторных масел, будь то на минеральной, силиконовой или эфирной основе.
Трансформаторные масла предназначены для различных целей, но двумя наиболее важными из них являются передача тепла и использование в качестве диэлектрика (изоляция с возможностью гашения дуги). Трансформаторное масло предназначено для работы при высоких температурах, с которыми сталкивается работающий силовой трансформатор, часто в диапазоне 60 °C (140 °F) и приближающихся к 90 °C (194 °F).
Расчеты производительности насоса для вязких жидкостей
Вредное влияние вязкости на производительность центробежного насоса изучается уже более 100 лет и может быть предсказано с достаточной степенью точности на основе эмпирических данных и результатов испытаний — обычно с точностью до 5%. Институт гидравлики совместно с известными производителями насосов и несколькими конечными пользователями провел обширные испытания производительности центробежных насосов для вязких жидкостей. Заметим, что это все еще не точная наука. Большинство расчетов и результатов приведено в опубликованном стандарте (ANSI/HI 9.6.7: 2021 «Динамические насосы. Влияние вязкости жидкости на производительность»).
Поправки к производительности для типичного насоса трансформаторного масла 4×4 (OH9)
Недавно я выполнил фундаментальную оценку производительности насоса для типичного насоса трансформаторного масла в диапазоне низких температур. Для этих расчетов мне пришлось сделать несколько допущений, которые влияют на общую точность моих результатов, но не на общий масштаб/величину влияния (см. диаграмму). Общий прогностический поправочный коэффициент отсутствует, а уровень неопределенности находится в пределах 5%.
Допущения.
Исходная кривая основана на производительности насоса трансформаторного масла на минеральной основе при температуре около 21 °C (70 °F).
Также рассматривались масла на основе эфира и силикона, но это не меняет конечного результата.
КПД данного насоса составляет приблизительно 70% в точке максимального КПД (BEP). Основываясь на имеющихся знаниях и предположениях о числе Рейнольдса, для данной области применения и расчетов эффективной мощности обычно используется определенный диапазон коэффициентов быстроходности (Ns).
Значения вязкости, используемые для каждой температуры, основаны на данных, собранных из альтернативных, но надежных источников. Вязкость вашего масла при этих температурах может немного отличаться.
Я использовал два метода и усреднил два результата (старый и новый методы).
Я использовал значение относительной плотности 0,88.
Я не выполнял расчет для масла при температуре минус 40°C, поскольку у меня не было надежных данных о свойствах масла. Кроме того, очевидная экстраполяция от минус 20 °C демонстрирует, что КПД насоса приблизился бы к очень низкому значению и был бы, по существу, неэффективным, а также требовал бы высокой нагрузки на двигатель.
Основываясь на форме кривой производительности (наклон) и предположениях относительно быстроходности, входного и выходного углов лопастей и количества лопастей, я предположил, что BEP составляет 500 галлонов/мин (Q), а напор 45 футов (H).
Когда температура трансформаторного масла падает с плюс 60°C до минус 20°C, КПД насоса в среднем диапазоне падает с 70% до 19% (снижение на 51%), а требуемая мощность двигателя увеличивается примерно с 7 до 19 л.с. (разница увеличивается на 12 л.с. или в 2,7 раз).
На данном силовом трансформаторе насосы и вентиляторы теплообменника могут работать при температурах ниже нормальных, но это не всегда разумное решение для обеспечения безопасности трансформатора и с точки зрения экологии.
Стандартные рекомендации по включению силовых трансформаторов и вспомогательного оборудования при низких температурах описаны в стандарте IEEE C57.12.00 (Институт инженеров электротехники и электроники), где температура жидкости ниже минус 20 °C (минус 4 °F) рассматривается как “нестандартное обслуживание”.
Также можно изучить руководства по монтажу и техническому обслуживанию трансформаторов IEEE Std C57.93-2007 и рекомендации производителя трансформаторов, предложенные Международным советом по крупной электротехнике (CIGRE), глобальным сообществом, занимающимся совместной разработкой и обменом опытом в области комплексных систем электроснабжения.
Некоторые производители трансформаторов допускают запуск и эксплуатацию своих масляных насосов при температуре масла минус 40 °C или около нее, но следует отметить, что поставляемые двигатели, провода и выключатели (установленные на высокие значения отключения) имеют большие размеры, что поднимает вопросы эффективности.
При холодном запуске большинство маслонасосов имеют расчетный запас прочности вала и рабочего колеса, который более чем достаточен для работы с увеличенным крутящим моментом. При таких низких температурах жидкости возникает реальный вопрос: “Правильно ли подобраны двигатели и связанные с ними выключатели для повышенных нагрузок, возникающих при более низких температурах жидкости, особенно в диапазоне от минус 10°C до 15°C?” Другой вопрос: “Будет ли масло правильно поступать во внутренние каналы двигателя и подшипники?”
Я рекомендую дать трансформатору прогреть масло перед запуском насосов.
Список использованных источников
- “Влияние вязкости”, журнал Pumps and Systems, ноябрь 2017 г., Джим Элси
- “Перекачка вязких масел центробежными насосами”, журнал Oil and Gas Journal, май 1940 г., А. Дж. Степанофф
- “Влияние вязкости на производительность центробежного насоса”, ASME, выпуск 68 (1946), стр. 823-848, А.Т. Иппен
- “Понимание неопределенностей в прогнозировании вязкостных характеристик центробежных насосов”, TAMU 2020 / Скотт Лэнг, Стефан Бертен, кандидат наук, Хемант Сатиш, технологии нефтедобычи
Джим Элси — инженер-механик, вот уже 50 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования для промышленного и морского применения по всему миру. Джим Элси — инженер-консультант в компании Summit Pumps, член Американского общества инженеров-механиков, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги. Джим Элси также является директором компании MaDDog Pump Consulting LLC. С автором можно связаться по эл. почте jim@summitpump.com
