Пример расчёта энергетических характеристик центробежного механизма

В качестве примера рассмотрен конденсатный насос типа Кс 80х155 с параметрами: подача  Q = 80 м³/ час, напор  H = 155 м.в.ст., потребляемая мощность  52 кВт, _{нас.,ном} = 0,65.

Приводной электродвигатель типа АО-93-2. Паспортные данные электродвигателя: Р_ном = 75 кВт, U_ном = 0,38 кВ, n_ном = 2960 об/мин, n_синхр = 3000 об/мин, s_ном = 1,33 %, _ном = 0,905, cos  _ном = 0,92, к _пуск = I_пуск/ I_ном = 6, m _пуск = M _пуск/ M_ном = 1,1, b = 2,3, J = 4,9 кг • м².

Характеристика H (Q) насоса:

2960 об/мин		2750 об/мин		2600 об/мин		2450 об/мин		2300 об/мин
Q, м^3/ час	H, м.в.ст.	Q, м^3/ час	H, м.в.ст.	Q, м^3/ час	H, м.в.ст.	Q, м^3/ час	H, м.в.ст.	Q, м^3/ час	H, м.в.ст.
0	198	0	171	0	152	0	1360	0	119
21	205	20	177	18	158	17	140	16	123
46	192	43	166	40	148	38	132	36	115
80	155	74	134	70	119	66	106	62	93

Характеристика H (Q) технологической сети:

Q, м^3/ час	0	21	46	80
H, м.в.ст	93	102	120	155

Задание: Построить технологические и энергетические характеристики насосной установки:

Вариант 1: при регулировании подачи насоса изменением частоты вращения приводного электродвигателя;

Вариант 2: при регулировании подачи насоса изменением сопротивления напорного тракта (установкой регулирующей зад-вижки в напорном тракте насоса) при неизменной частоте вращения.

Вариант 1

Питание электродвигателя осуществляется через регули -

руемый преобразователь частоты. К.п.д. преобразователя часто-

ты   _п.ч = 0,97.

Рис. П 10.1. Энергетическая блок-схема насосной установки

При данном способе регулирования производительности задвижки на всасе и напоре полностью открыты. Условно можно принять, что потери в них отсутствуют. В этом случае полезная мощность на выходе насоса N_2,нас равна мощности потока техно-логической сети N_п (гидравлическая мощность).

здесь Q  м³/ ч, H  м.в.ст,  = 1000 кг/ м³. Учитывая, что раз-мерность Q принята в м³/ ч, введён коэффициент 3600.

Подводимая к насосу мощность (механическая мощность на валу) в номинальном режиме (для насоса номинальный режим  это режим с номинальным к.п.д.):

Так как насос соединён с электродвигателем непосредст-венно без промежуточных передаточных устройств, то мощ-ность, подводимая к насосу N_{1, нас} равна мощности на выходе электродвигателя Р_{2, эл.дв} .

В номинальном режиме подводимая к электродвигателю мощность равна .

Потребляемая установкой в номинальном режиме мощ-

ность из электрической сети

Общий кпд установки в номинальном режиме

_{уст.,ном} = _{п.ч.,ном} • _дв.,ном • _{нас.,ном} = 0,97• 0,905 • 0,65 = 0,57

Энергетически в преобразователе частоты происходит преобразование электрической энергии одних параметров в электрическую энергию других параметров, в электродвигателе электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, в насосе механическая энергия преобразуется в гидравлическую энергию потока.

Из приведенных соотношений видно, что наибольшие потери мощности имеют место в насосе при преобразовании механической энергии в гидравлическую энергию потока.

Семейство подобных H(Q) (рис.П 10.2) характеристик насо-са при различных частотах вращения строим пользуясь соотно-шениями подобия при _нас = const 3.

.

Рис. П 10.2. Семейство технологических характеристик сети и

насоса и метод определения к.п.д. насоса

Рабочие точки (1,2,3,4,5) насосной установки находятся в точках пересечения H(Q) характеристик насоса и сети. Из рисун -

ка видно, что регулировочный диапазон ограничен наличием статического напора сети и составляет (0,251) Q_ном.

По координатам рабочих точек (рис.П 10.2) определяем характеристику мощности N_{2, нас} в функции загрузки насосного аг-

регата.

Энергетические характеристики установки определяем с

учётом потерь в насосе, электродвигателе и регулирующем устройстве

, ,

, _{уст., i} = _{п.ч.,ном} • _{дв. i} • _{нас., I} .

удельные расходы энергии:

, , .

К.п.д. насоса в рабочих точках определяем графо-аналитическим методом 3. По формуле подобия для каждой рабочей точки определяем координату сопряжённой точки на характеристике H(Q) при номинальной частоте вращения

.

Из этой точки опускаем перпендикуляр до пересечения с кривой к.п.д. и определяем к.п.д. в i-той точке.

К.п.д. двигателя в рабочих точках определяем по формуле

.

здесь

Результаты расчётов сводим в таблицу.

№ рабочей точки	1	2	3	4	5
кзагр	1	0,91	0,79	0,69	0,48
кf	1	0,929	0,878	0,828	0,777
n, об/мин	2960	2750	2600	2450	2300
Q, м^3/ час	80	73	63	55	38
H, м.в.ст.	155	142	131	123	113
N, 2, нас кВт	33,79	28,25	22,49	18,43	11,70
нас, о.е	0,65	0,65	0,64	0,63	0,62
P2, эл.дв, кВт	51,99	43,46	35,14	29,25	18,87
дв, о.е	0,8846	0,869	0,852	0,833	0,807
P1, эл.дв, кВт	58,77	50,01	41,24	35,11	23,38
Рэл.сети	60,59	51,56	42,52	36,2	24,1
уст, о.е	0,5577	0,5479	0,5289	0,509	0,4853
ап, о.е.	0,422	0,387	0,357	0,335	0,308
анас, о.е.	0,65	0,595	0,5578	0,5317	0,497
ауст, о.е.	0,757	0,706	0,675	0,658	0,6347

к_f = f_i / f_ном  кратность частоты питающего напряжения электродвигателя.

Энергетическая диаграмма насосной установки представ-лена на рис. П 10.3. Из диаграммы видно, что потребляемая установкой из электрической сети мощность увеличивается с увеличением производительности и что максимальные потери имеют место в насосе (р_нас) при преобразовании механи-ческой энергии в гидравлическую.

Рис. П 10.3. Энергетическая диаграмма насосной установки

Характеристики к.п.д. установки и удельные расходы энергии по элементам установки представлены на рис. П 10.4. Максимум к.п.д. установки наступает при максимальной произ-водительности.

Рис. П 10.4. Характеристики к.п.д. и удельных расходов

Удельные расходы энергии в технологической сети, насосе и в целом установки с увеличением производительности возрастают.

Экономичный режим работы имеет место при минимуме удельных расходов. Таким образом, при этом способе регулиро-вания с ростом производительности экономичность преобразо-вания энергии в установке снижается.

Вариант 2

Электродвигатель включён в электрическую сеть непос-редственно В этом случае Р_{1, эл.дв}= Р_{эл.сети}.

Энергетическая блок-схема насосной установки представлена на рис. П 10.5.

Рис. П 10.5. Энергетическая блок-схема насосной установки

При данном способе регулирования частоту вращения электродвигателя и насоса принимаем неизменной во всём диапазоне нагрузок и равной номинальной.

По исходным данным строим характеристики H(Q) техно-логической сети и насоса при номинальной частоте вращения (рис. П 10.6). По координатам этих характеристик определяем координаты характеристики потерь напора в задвижке

H_др(Q) = H(Q)_насоса  H(Q)_сети .

Характеристику мощности потока технологической сети в функции подачи (Q_i) определяем аналогично варианту 1

.

Потери мощности в дросселе (напорной задвижке)

.

Энергетические характеристики насосной установки опре-деляем по следующим выражениям:

; ;

Рис. П 10.6. Характеристики H(Q) насоса, технологической сети и

потерь в напорной задвижке

,

Потери мощности в насосе  N_{нас., I} = N_{1,нас., I}  N_{2,нас., I}.

При полностью закрытой напорной задвижке вся подводимая к насосу от электродвигателя мощность расходуется на покрытие потерь в насосе (механических и гидравлических), т.е.  N_{нас., 0} = N_{1,нас., 0}.

Удельные расходы мощности ( ): ;

; ; .

К.п.д. дросселирования .

К.п.д установки _{уст., i} = _{дв. i} • _{нас., I} • _др.,i.

К.п.д. насоса и электродвигателя определяем аналогично изложенному в варианте 1.

Результаты расчётов сводим в таблицу.

Q, м^3/ч	80	70	60	50	30	20
Nп, кВт	33,79	28,25	22,49	18,43	11,7	5,6
Nдр,кВт	0	6,68	9	9,54	7,78	5,6
N2, нас,кВт	33,79	34,93	31,49	27,97	19,48	11,2
Р2, дв,кВт	51,98	51,79	46,86	42,7	31,42	18,98
Nнас, кВт	19,2	14,7	13,5	12,2	13,2	15
Р1, двкВт	58,73	58,59	53,46	49,16	37,58	24,9
нас	0,65	0,675	0,672	0,655	0,62	0,59
дв	0,885	0,884	0,8765	0,8686	0,836	0,762
др	0,99	0,81	0,71	0,66	0,6	0,5
ап	0,42	0,4	0,375	0,369	0,39	0,28
ауст	0,73	0,837	0,891	0,983	1,25	1,245

Энергетическая диаграмма насосной установки представлена на рис. П 10.7.

Рис. П 10.7. Энергетическая диаграмма насосной установки

при дроссельном регулировании на напоре

Характеристики к.п.д. и удельных расходов мощности представлены на рис. П 10.8.

Рис. П 10.8. Характеристики к.п.д. и удельных расходов насосной

установки при частотном (1) и дроссельном регулировании

на напоре (2)

На этом же рисунке для сравнения приведены характерис-тики к.п.д. и удельных расходов насосной установки при частот-ном регулировании.

При дроссельном регулировании на напоре к.п.д. установ-ки значительно понижается при уменьшении производительнос-ти ( _{уст, (2)}) оставаясь во всём диапазоне значительно ниже, чем при частотном регулировании ( _{уст, (1)}). Удельные же расходы мощности при снижении производительности существенно возрастают (а _{уст, (2)}), в отличие от частотного регулирования, при котором они значительно меньше (а _{уст, (1)}) и уменьшаются при снижении нагрузки.

Таким образом, из сравнения двух рассмотренных спосо-

бов регулирования следует, что дроссельное регулирование на напоре является крайне неэкономичным, но его максимальная простота и надёжность, что является определяющим для систе-мы собственных нужд электрической станции, предопределили преимущественное использование именно этого способа регулирования для насосных установок в системе собственных нужд электрических станций. Кроме этого, его реализация осу-ществляется с минимумом оборудования, практически не требу-ющего дополнительных производственных площадей и объёмов зданий, следовательно, с минимумом этих статей затрат.

Рекомендуемая литература для выполнения расчётного задания:

1.Баженов, И.А. Режимы работы основного электрообо-рудования электрических станций / И.А.Баженов, С.И.Марьянова; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2011.

2. Баженов, И.А. Лабораторный практикум по эксплуата-ции электростанций / И.А.Баженов; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 1986.

3. Онищенко, Г.Б. Электропривод турбомеханизмов / Г.Б.Онищенко, М.Г.Юньков.  М.: Энергия, 1972.

4. Черкасский, В.М. Насосы, компрессоры, вентиляторы / В.М.Черкасский, Т.М.Романова, Р.А.Кауль.  М.: Энергия, 1968.

5. Электрическая часть электростанций и подстанций, справочные материалы для курсового и дипломного проектирования / под ред. Б.Н.Неклепаева. М.: Энергия

6. Тепловые и атомные электрические станции, справочник, кн.4 / под общ. ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1989.

БАЖЕНОВ Игорь Алексеевич,

МАРЬЯНОВА Светлана Игоревна