75 группа 2 вариант / Тепломеханическое и вспомогательное оборудование ТЭС / Часть 1 / 1. Курс лекций ТМиВО ТЭС_для ФЗВО

ухудшение структуры потока при входе на рабочие лопасти вследствие местных по- токов через разгрузочные отверстия.

Применение разгрузочного диска (гидравлической пяты, гидропяты). В конструк-

циях многоступенчатых центробежных машин осевую силу можно уравновесить специальным диском, называемым разгрузочным (или гидравлической пятой) (рис. 3.33), который жестко крепится за последним колесом насоса на валу. Давле- ние Р2 за последним рабочим колесом машины (это давление соответствует давле- нию на стороне нагнетания насоса) распространяется через радиальный зазор и дей- ствует на диск, как это показано стрелками. В полости за диском поддерживается давление, приблизительно равное давлению Р1 во всасывающем патрубке насоса. Это достигается соединением полости А со всасывающим патрубком отводящей трубкой Б. Ясно, что давление, близкое к Р1 может поддерживаться в полости А только при условии, что осевой зазор между диском и поверхностью кольцевого вы- ступа корпуса достаточно мал по сравнению с диаметром отводящей трубки Б. В противном случае, когда размер увеличен и кольцевая щель имеет малое гидрав- лическое сопротивление, давление в полости возрастет и диск, находящийся под действием разности давлений будет создавать меньшую осевую силу. При нормаль- ных соотношениях между размерами и диаметром отводящий трубки Б разгрузоч- ный диск создает осевую силу, прилагаемую к валу и направленную вправо, равную осевой силе, создаваемой рабочими колесами.

Рис. 3.33. Уравновешивание осе- вой силы при помощи гидропяты

30

Гидропята является слабым конструктивным элементом, так как даже однократ- ное нарушение режима эксплуатации насоса, повлекшее его срыв или запаривание, приводит к недопустимому осевому смещению рабочего колеса, задиранию гидро- пяты и моментальному выходу насоса из строя. Для исключения крупных поломок ответственных насосов с гидропятой, предусматривается защита по недопустимому осевому сдвигу ротора насоса, действующая на отключение работающего насоса.

Перейдем к конструкции осевых и диагональных насосов. На ТЭС в качестве циркуляционных насосов широко применяются вертикальные осевые насосы с по- воротными лопастями типа ОПВ с подачей в диапазоне от 10 000 до 120 000 м3/ч и напором от 5 до 50 м вод. ст. Аббревиатура ОПВ означает «осевой поворотно- лопастной вертикальный». Такие насосы являются модификацией осевых верти- кальных насосов типа ОВ (с жестким креплением лопастей). Насосы типов ОВ и ОПВ имеют трех- или шести-лопастное рабочее колесо и предназначены для пере- качивания воды с температурой до 36 оС.

Компоновка основных узлов всех вертикальных осевых насосов идентична (рис. 3.34); конструктивное исполнение отдельных узлов отличается для насосов разных типоразмеров. Приводной электродвигатель располагается в верхней части насосного агрегата за пределами корпуса насоса. Осевое усилие и масса всех вра- щающихся деталей воспринимается в большинстве конструкций насосов пятой электродвигателя. В насосах используются верхний и нижний радиальные подшип- ники. Смазка подшипников насоса – водяная.

В последнее время на электростанциях применяются также вертикальные диаго- нальные (центробежно-осевые) насосы типа ДПВ с подачей до 40 000 м3/ч и напо- ром свыше 20 м вод. ст. Как показано выше, диагональные насосы являются проме- жуточным вариантом между насосами осевого и центробежного типа. Поток жидко- сти, проходящий через рабочее колесо, направлен не радиально, как в центробеж- ном насосе, и не аксиально, как в осевом, а наклонно, как бы диагонально. Это об- стоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил. Диагональные насосы требуют меньшего подпора на всасе по условиям отсутствия кавитации, чем осевые насосы.

Конструктивно диагональные насосы выполняются обычно аналогично осевым насосам. Основные отличия состоят в конструкции рабочего колеса и проточной ча- сти насоса.

Поворотно-лопастные насосы типа ОПВ и ДПВ имеют механизм для разворачи- вания от руки или с помощью сервомотора (электрического или гидравлического) лопастей рабочего колеса от минимального угла до максимального.

Осевые и диагональные циркуляционные насосы используются при прямоточной системе водоснабжения (или оборотной системе с водоемом-охладителем), т.е. в случаях, когда требуется относительно небольшой располагаемый насос циркнасо- сов. Для дополнительного уменьшения затрат электроэнергии на циркуляционные насосы на сбросе воды из конденсатора в таких схемах используется сифон. При этом вода из сифонного колодца сбрасывается самотеком по открытому каналу. При использовании сифона (рис. 3.35) верхняя точка сливной водяной камеры конденса- тора (отметка 1) может располагаться значительно выше уровня воды в сифонном колодце 8.

31

Рис. 3.34. Насос типа ОПВ: 1 – вал; 2 – отвод корпусной части; 3 – диффу- зор корпусной части; 4 – направляю- щий аппарат; 5 – рабочее колесо; 6 – камера рабочего колеса; 7 – переход- ное кольцо; 8 – приводной электродви- гатель; 9 – всасывающая труба; 10 – напорный водовод

Закрытый слив под уровень воды в сифонном колодце обеспечивает неразрыв- ность потока воды и позволяет использовать действие сифона для уменьшения по- требного напора циркуляционных насосов. Геодезическая высота подъема воды, ко- торую должен преодолеть циркуляционный насос, в этом случае равна разности уровней воды на водосливном пороге (отметка 2) и в аванкамере перед насосом (от- метка 0). Теоретически высота сифона равна примерно 10 м вод. ст. (атмосферное давление). Но с учетом гидравлического сопротивления сливного участка и некото- рого запаса для предотвращения разрыва столба жидкости (срыва сифона) его высо- та обычно принимается не более 7–8 м.

32

Рис. 3.35. Использование сифона для уменьшения требуемого напора циркуляцион-

ных насосов: 1 – приемный ковш; 2 – циркуляционный насос; 3 – напорный циркуляцион- ный водовод; 4 – нижняя половина передней водяной камеры конденсатора; 5 – трубная система конденсатора; 6 – верхняя половина передней водяной камеры конденсатора; 7 – сливной циркуляционный водовод; 8 – сифонный колодец; 9 – закрытый сливной канал; 10 – водосливной порог; 11 – открытый сливной канал; 12 – эжектор циркуляционной си- стемы

При использовании сифона верхняя часть сливной камеры конденсатора находит- ся под разрежением, равным разности атмосферного давленая над уровнем воды в сифонном колодце и давления столба воды высотой Нсг за вычетом гидравлических потерь на сливном участке до сифонного колодца. В этом случае воздух, выделяю- щийся при нагреве воды в конденсаторе, может скапливаться в верхней части слив- ной камеры, что влечет за собой вероятность завоздушивания верхних рядов трубок конденсатора и ухудшение его эффективности из-за уменьшения площади поверх- ности теплообмена. Нормальная работа сифона восстанавливается путем удаления воздуха эжектором циркуляционной системы 12.

В завершение раздела рассмотрим конструктивное оформление насосного агрега- та. Насосный агрегат – это насос с приводным механизмом и вспомогательными си- стемами. В сосав насосного агрегата входят (рис. 3.36):

-гидравлическая часть насоса;

-рама, общая с приводным механизмом или раздельная;

-приводной механизм;

-корпус насоса с подшипниковым узлом;

-соединительная муфта вала привода и вала насоса;

-редуктор (гидромуфта) – в примере на рис. 3.36 не показана;

33

-защитные элементы (кожух полумуфт; кожух вентилятора двигателя; крышка клеммной коробки; заземление двигателя);

-элементы обвязки насосного агрегата (арматура, приборы КИП).

Рис. 3.36. Элементы обвязки насосного агрегата

Согласно требованиям Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, насосный агрегат должен иметь следующее оформ- ление:

а) покраску элементов агрегата; б) тепловую изоляцию собственно насоса при перекачке горячих жидкостей

(с температурой более 50 оС); в) надписи на элементах агрегата:

-эксплуатационное обозначение насоса;

-направление вращения ротора насоса;

-направление вращения ротора электродвигателя;

-обозначение запорной арматуры элементов обвязки насосного агрегата;

-стрелки, показывающие направление движения перекачиваемой среды.

Взавершение раздела необходимо остановиться на выборе мощности приводного электродвигателя насосов. В соответствии с требованиями нормативных докумен- тов, мощность электродвигателей центробежных насосов выбирается с учетом само- запусков насосов при открытых задвижках, а осевых насосов – с учетом возможно- сти работы при всех режимах, отвечающих характеристикам насосов. В случае не- возможности обеспечить все расчетные режимы работы насоса односкоростным двигателем применяются двухскоростные электродвигатели.

Самозапуск – восстановление нормальной работы электродвигателя без вмеша- тельства персонала после кратковременного перерыва электроснабжения или глубо- кого снижения напряжения.

34

Если по какой-либо причине исчезло (кроме отключения короткого замыкания в сети собственных нужд выключателем ввода) рабочее питание секции шин соб- ственных или всех собственных нужд энергоблока, с помощью устройства аварий- ного ввода резерва (АВР) будет подано резервное питание. За время отсутствия пи- тания частота вращения работающих механизмов собственных снижается. После восстановления питания в самозапуске будут участвовать все двигатели, которые остались подключенными к шинам.

Самозапуск следует применять только для тех механизмов, для которых он дей- ствительно необходим. При этом главная задача – сохранить работу энергоблока с заданной нагрузкой.

Важно, что при самозапуске начальный момент вращения двигателя больше, чем при пуске при том же напряжении (поскольку в момент пуска при самозапуске уже есть вращение ротора, имеется генерация в обмотке ротора обратной ЭДС). Пуска- ется уже нагруженный механизм (большая нагрузка на двигатель).

Г. Расчет рабочих характеристик центробежных насосов в различных усло- виях эксплуатации

Пересчет рабочих характеристик насосов требуется в условиях эксплуатации или при решении проектных задач в следующих случаях:

-при изменении частоты вращения ротора (замена электродвигателя, установка ЧРП, гидромуфты);

-при изменении диаметра рабочего колеса (ремонтная обточка, замена рабочего колеса);

-при изменении плотности перекачиваемой среды (работа на конкретную гидрав- лическую систему), и др.

Понятие о рабочих характеристиках насосов дано в разделе «Б». Пересчет рабо- чих характеристик при изменении условий эксплуатации выполняется с использова- нием формул пропорциональности для центробежных насосов. Пересчет исходных рабочих характеристик насосов к фактическим условиям их работы при изменении указанных параметров ведется по формулам:

Q = Qхар КDQ KnQ KρQ;	(3.11)
Н = Нхар КDH KnH KρH;	(3.12)
N = Nхар КDN KnN KρN,	(3.13)

где Q, H и N – значения соответственно объемной производительности, напора и внутренней мощности насоса, пересчитанные к фактическим условиям работы; К – поправочные коэффициенты; индексы при К указывают на параметр, изменение ко- торого учитывается данным коэффициентом (D – диаметр рабочего колеса насоса; n

– число оборотов ротора; ρ – плотность перекачиваемой среды), а также на пара- метр, к которому вводится поправка (Q, H или N); индекс «хар» соответствует пара- метрам насоса в исходной (до пересчета) рабочей характеристик.

Расчет поправочных коэффициентов к объемной производительности KDQ, ед., напору КDН, ед., и мощности KDN, ед., насоса на отклонение фактического диаметра рабочего колеса насоса D, мм, от принятого при построении исходных рабочих ха- рактеристик Dхар, мм, ведется по формулам:

35

КDQ = (D / Dхар )3;	(3.14)
КDH = (D / Dхар )2;	(3.15)
КDN = (D / Dхар )5.	(3.16)

Поправочные коэффициенты к объемной производительности KnQ, ед., напору КnН, ед., и мощности KnN, ед., насоса на отклонение фактического числа оборотов

ротора n, об/мин,	от принятого при построении исходных рабочих характеристик
nхар, об/мин, определяются следующим образом:
КnQ = n / nхар;	(3.17)
КnH = (n / nхар )2;	(3.18)
КnN = (n / nхар )3.	(3.19)

Поправочные коэффициенты к объемной производительности KρQ, ед., напору КρН, ед., и мощности KρN, ед., насоса на отклонение фактической плотности перека- чиваемой среды ρ, кг/м3, от принятой при построении исходных рабочих характери-

стик ρхар, кг/м3, рассчитываются как
КρQ = 1;	(3.20)
КρH = 1;	(3.21)
КρN = ρ / ρхар.	(3.22)

При выполнении практических расчетов часто бывает необходимо определить ха- рактеристики насосов, соединенных параллельно или последовательно.

Построение характеристик совместной работы при параллельном соединении насосов выполняется исходя из следующего принципа: насосы могут работать па- раллельно только в том случае, если они имеют одинаковый напор. Если один из насосов имеет бόльшую подачу и более высокий напор, то насос, имеющий меньшие подачу и напор, будет «задавлен» первым насосом и его подача на общий трубопровод будет равна нулю. Рассмотрим пример (рис. 3.37). В наиболее общем случае в параллель могут работать насосы с различными рабочими характеристика- ми (параллельная работа насосов с одинаковыми рабочими характеристиками – частный случай рассматриваемого примера). Общим условием параллельной работы насосов является равенство развиваемых ими напоров. То есть для построения сум- марной напорной характеристики нескольких насосов, работающих параллельно на общий напорный коллектор, необходимо складывать подачу насосов при одинако- вых напорах.

В рассматриваемом примере второй насос развивает больший напор. Первый насос может начать работу параллельно со вторым лишь после того, как напор вто- рого насоса уменьшится в связи с увеличением подачи до напора НА – максимально- го, который может развить первый насос при закрытой напорной задвижке. От точ- ки А и должно быть начато построение суммарной напорной характеристики HI+II путем сложения абсцисс обеих характеристик, соответствующих точкам с равными напорами. Нужно обратить внимание, что складывать следует абсолютные значения производительностей насосов.

36

Рис. 3.37. Характеристики параллельной работы двух насосов с различными рабочи-

ми характеристиками: обозначения приведены в тексте

Гидравлическая характеристика сети, на которую работают насосы, выражена кривой S. Нужно отметить, что точка, из которой выходит характеристика сети при Q = 0, соответствует статическому напору в сети, то есть такой разности давлений в напорном и всасывающем патрубках насоса, которая устанавливается из-за разно- сти геометрических высот расположения насосов и конечной точки сети при отсут- ствии расхода среды (при неработающих насосах). В большинстве случаев характе- ристика S выражается параболой, поскольку гидравлическое сопротивление сети пропорционально квадрату скорости среды, то есть квадрату её объемного расхода.

Точка Б, полученная пересечением совместной напорной характеристики двух насосов HI+II с характеристикой сети S является режимной точкой совместно рабо- тающих насосов. Ясно, что в условиях эксплуатации характеристика S оказывается «плавающей»: меняется не только топология гидравлической сети (включение или отключение участков), но и степень открытия регулирующих органов, имеющихся в этой сети. Следует отметить, что если характеристики HI+II и S пересекутся выше точки А, то совместная работа насосов будет невозможной.

Режим работы каждого насоса при их совместной работе определяется следую- щим образом: из точки Б проводим горизонталь до пересечения с напорными харак- теристиками каждого насоса НII и HI в точках 1 и 2. Через точки 1 и 2 проводим вер- тикали, точки пересечения которых с линиями рабочих характеристик насосов ηI, ηII и NI, NII определяют соответственно КПД и мощность каждого насоса при их сов- местной работе.

37

Точки 3 и 4 пересечения характеристик НII и HI насосов с характеристикой сети S определяют режим работы каждого насоса при одиночной работе.

Задача построения характеристик при последовательном соединении насосов ре- шается аналогично, однако исходный принцип здесь другой: для построения сум- марной напорной характеристики нескольких насосов, работающих последователь-

но на общую сеть, необходимо складывать напоры насосов при одинаковых подачах.

Необходимо сделать несколько замечаний относительно расчета рабочих харак- теристик насосов, работающих при переменном числе оборотов ротора (при частот- ном регулировании производительности).

Рассмотренные формулы пропорциональности при глубоком изменении числа оборотов ротора дают существенную (более 30 %) ошибку при определении основ- ных параметров насоса. Можно использовать формулы пропорциональности без упрощения, состоящего в полагании неизменности объемного и гидравлического КПД насоса при изменении условий:

Q

n

η

об

Н

n

2

η

г

N

n

3

ηхар

=

×

;

=

×

;

=

×

,

(3.23)

Q

n

η

η

N

η

хар

об ,хар

Н

хар

n

г ,хар

хар

n

хар

хар

хар

где ηоб, ηг, η – соответственно объемный, гидравлический и полный КПД насоса. Однако для практических расчетов формулы (3.23) не применимы, поскольку

функции изменения ηоб и ηг в зависимости от числа оборотов ротора в большинстве случаев отсутствуют.

Для расчета рабочих характеристик насосов при переменном числе оборотов ро- тора можно рекомендовать более сложную, но существенно более точную модель:

H

0 ,5

r +2

хар

n

А

Qхар

2

Q = Q

×

хар

H хар

,

(3.24)

nхар

-1

АQ

2

хар

				1						1						1
А =								×						-
																dвс
1620000 g π 2								dнап				4					4		,	(3.25)
				n		2
H = H																				(3.26)
			хар			,
			nхар
			ρ gH		харQхар								n			3
N =										×										(3.27)
		1000 ×3600ηхар														,
										nхар

38

H хар

0 ,5

r +1

n

А

Qхар

2

η =η

×

хар

H хар

,

(3.28)

nхар

-1

АQ

2

хар

где dнар и dвн – диаметры соответственно напорного и всасывающего патрубков насоса, м.

Имея характеристики насоса при номинальном (или ином) числе оборотов ротора (Qхар, Нхар, ηхар) в функциональном, табличном или графическом виде и задав один параметр идентификации r, можно рассчитать рабочие характеристики при откло- нении числа оборотов ротора (рис. 3.38). Параметр идентификации модели r может быть определен по результатам испытаний либо задан исходя из его физического смысла. По опыту использования модели значение r обычно близко к r = 0,5.

Е. Методы регулирования производительности насосов

Задача регулирования насосных установок состоит в обеспечении требуемого расхода перекачиваемой среды в сеть (эта задача может быть выражена в обеспече- нии поддержания требуемого давления в определенной точке сети).

Общая методическая основа регулирования: использование характеристик насо- сов и гидравлической характеристики системы, на которую насосы работают, а так- же определение рабочих точек совместной работы насосов и системы.

Наиболее распространенные способы регулирования:

-регулирование дросселированием;

-регулирование байпасированием (перепуском);

-регулирование изменением частоты вращения ротора насоса (гидромуфты, ча- стотно-регулируемый привод).

Рассмотрим указанные методы подробнее.

Регулирование дросселированием. Суть метода состоит в воздействии на харак- теристику сети путем изменения гидравлического сопротивления общего для всей

сети участка, как правило, с помощью регулятора (дросселя), установленного на стороне нагнетания насоса вблизи него (рис. 3.39).

Поскольку гидравлические характеристики элементов s и g расположены после- довательно, при построении общей характеристики (например, 1’’) их нужно сум- мировать при одинаковой подаче (в примере: а + б = с).

Каждой степени открытия дросселя соответствует своя характеристика сети (1’’, 2’’, 3’’ и при полном закрытии дросселя 4’’) и, следовательно, своя рабочая точка насоса: А, В, С, Д и Е (при полном закрытии дросселя).

Отметим, что установка регулятора (дросселя) на всасе насоса недопустима, по- скольку такое решение приводит к уменьшению давления во всасывающем патруб- ке, что, в свою очередь, повышает вероятность возникновения кавитации или даже срыва работы насоса.

39