Гидродинамическая передача в приводе промышленных насосов. Надежность, техническое обслуживание и экономия энергии

Автор: Алексей Кобзев, Voith Turbo

Опубликовано на портале «Химическая техника», декабрь 2022

Энергетика и электроснабжение являются неотъемлемой частью современной жизни и важны для мировой экономики. Мировые тенденции в области энергетики демонстрируют спрос на интеллектуальные технологические решения, которые должны обеспечивать максимально возможную надежность и отвечать всем текущим потребностям. Для обеспечения безопасной эксплуатации необходимо соблюдать строгие требования стандартов, применяемых в этих отраслях промышленности. Современная экономическая парадигма также диктует необходимость максимизации операционной эффективности.

Динамическое оборудование, и промышленные насосы в частности, является наиболее критичным оборудованием как с точки зрения надежности, так и с точки зрения эффективности. Правильный выбор промышленного насоса чрезвычайно важен для всего процесса. Современные промышленные насосы также должны обеспечивать высокую эффективность в различных режимах работы, где меняются не только напор и производительность, но и характеристики жидкости, такие как удельный вес и вязкость. Для выполнения этого требования обычно используется регулирование насоса.

В статье описываются различные способы регулирования центробежного насоса и показаны относительные затраты на закупку и эксплуатацию. Показано, как частотное регулирование и, в частности, применение гидромуфты помогает значительно повысить надежность и эффективность всего процесса эксплуатации.

Различные методы регулирования параметров центробежного насоса

На рис. 1 показаны три основных метода регулирования параметров промышленного насоса: дросселирование (a), использование гидромуфты (b) и использование частотно-регулируемого привода (ЧРП) (c).

При использовании дросселирования насос приводится от двигателя с помощью муфты с проставком. Муфта жестко соединена с насосом и двигателем. Регулирование напора и расхода осуществляется с помощью дроссельного клапана, который, как правило, устанавливается на нагнетательном трубопроводе насоса (рис. 2). Высокий уровень износа дроссельного клапана и значительное падение КПД делают этот метод управления очень ограниченным в применении и обычно используют, если требуется только узкий диапазон регулирования.

Применение гидромуфты (см. рис. 1, b) и ЧРП (см. рис. 1, c) позволяют осуществить т.н. частотное регулирование. В случае применения ЧРП насос и двигатель вращаются с одинаковой частотой вращения, задаваемой ЧРП. В варианте с гидромуфтой используется стандартный двигатель с постоянной частотой вращения, а регулирование частоты вращения насоса осуществляется с помощью гидромуфты. Таким образом, насосные агрегаты с гидромуфтой и с ЧРП используют разные электродвигатели. В случае регулирования с использованием ЧРП двигатель должен быть оснащен изолированным подшипником, что делает его пригодным для работы с ЧРП. Также для ЧРП обычно выбираются двигатели с более высоким коэффициентом запаса, чем двигатели с постоянной частотой вращения. Это может привести к увеличению типоразмера двигателя и связанными с этим дополнительными расходами. Применение гидромуфты позволяет использовать стандартный двигатель с постоянной частотой вращения, что является дополнительным преимуществом с точки зрения стоимости и надежности.

Концепция гидромуфты использует принцип передачи крутящего момента посредством циркуляции жидкости между двумя рабочими колесами. Этот принцип был изобретен и запатентован немецким инженером Германом Феттингером (1877–1945) в 1905 году. Механическая энергия от привода преобразуется насосным колесом в энергию потока жидкости (масла), которая впоследствии преобразуется обратно в механическую энергию в турбинном колесе. Частота вращения турбинного колеса может быть изменена за счет изменения количества циркулирующего масла с помощью черпаковой трубы (такие машины называются черпательными гидромуфтами), либо с помощью регулируемых лопаток (такие машины называются гидротрансформаторами).

Так как нет прямого «металлического» контакта между приводом и приводимой машиной (в качестве среды, передающий крутящий момент, выступает масло), для такого типа передачи крутящего момента износ не характерен.

Конструкция и основные компоненты гидромуфты показаны на рис. 3.

Поток масла циркулирует через маслоохладитель 6 с помощью маслонасоса 7, который приводится в действие через зубчатое зацепление от вала привода. Поток масла подается на насосное колесо, жестко сцепленное с валом привода, где ускоряется и отводится на турбинное колесо, которое в свою очередь жестко скреплено с валом приводимого устройства (насоса). С помощью изменения положения черпаковой трубы 5 меняется количество масла в рабочей камере (оболочке) и, соответственно, между лопатками колес гидромуфты. При полностью поднятой черпаковой трубе (см. рабочие характеристики гидромуфты на рис. 4) количество масла в оболочке 4 максимальное и крутящий момент передается практически полностью (потери на проскальзывание составляют, как правило, около 2%). При поднятии черпаковой трубы количество масла уменьшается и, соответственно, снижается частота вращения турбинного колеса и приводимой машины. Типовой диапазон регулирования с помощью гидромуфты составляет от 20 до 98%. (см. рис. 4).

Еще одной особенностью использования гидромуфты является ее возможность работать в том числе в качестве маслосистемы для подшипников насоса и электродвигателя. Таким образом, применение отдельной маслосистемы не требуется (см. рис. 1, b).

Завершая общий обзор ЧРП, следует отметить, что мы говорим о довольно сложной технике с большим количеством компонентов, что, в свою очередь, усложняет всю насосную установку. Типовой ЧРП мощностью 4 МВт и напряжением 6 кВ состоит из шкафа трансформатора, шкафов силовых ячеек, секции управления и требует довольно много места по сравнению с гидромуфтой – его габаритные размеры составляют примерно 6000´1500´300 мм.

Сравнение экономических показателей различных методов регулирования параметров на примере питательного насоса на ТЭЦ

Сравним следующие основные экономические показатели: капитальные затраты, затраты на электроэнергию и затраты на техническое обслуживание. Данные приведем для оборудования со следующими характеристиками:

• питательный насос блока ПГУ;
• напряжение сети 6 кВ;
• номинальная мощность двигателя 4 МВт;
• 4 рабочие точки: насос работает 8 мес. в году на номинальной точке (напор насоса 2030 м и производительность 580 м³/ч) и 4 месяца в год в других 3 рабочих точках (на пониженной частоте вращения – 95%, 90% и 85% номинальной частоты вращения насоса);
• насос и электродвигатель оснащены подшипниками скольжения;
• цена на электроэнергию 6,3 рубля за 1 кВтч, ежегодная инфляция 1,5%.

Распределение капитальных затрат для всех трех вариантов управления показано на рис. 5.

Необходимо отметить следующее:

• насосный агрегат с прямым приводом требует оснащения дроссельным клапаном, который является частью гидравлической системы и не рассматривается в текущем исследовании как отдельный узел для закупки и технического обслуживания; однако его также следует учитывать при проектировании всей гидравлической системы;
• насосы одинаковы для всех трех насосных агрегатов; насос для варианта с гидромуфтой может иметь больший диаметр рабочего колеса, чтобы компенсировать проскальзывание в гидромуфте. Подрезка рабочего колеса на больший диаметр, как правило, не приводит к увеличению стоимости насоса;
• в вариантах с прямым приводом и гидромуфтой используется двигатель с постоянной частотой вращения, в то время как в варианте с ЧРП используется специальный двигатель, пригодный для работы с ЧРП (с изолированным подшипником). Как правило, такие двигатели на ~5% дороже электродвигателей с постоянной частотой вращения;
• насосные агрегаты с прямым приводом и приводом от ЧРП используют одну и ту же плиту-основание. Плита-основание для варианта с гидромуфтой обычно немного длиннее, поскольку гидромуфта устанавливается непосредственно на плите-основании между насосом и двигателем; однако, если требуется маслосистема для подшипников насоса и двигателя, то габаритные размеры плиты для всех трех опций приблизительно равны;
• для варианта с гидромуфтой требуется 2 соединительные муфты на агрегат, в то время как для вариантов с прямым приводом и ЧРП требуется только 1 соединительная муфта; однако следует отметить, что стоимость соединительной муфты в рамках насосного агрегата сравнительно мала;
• стоимость ЧРП сама по себе выше стоимости гидромуфты; для ЧРП также требуется отдельный контейнер или помещение с системой кондиционирования; в зависимости от проекта может потребоваться отдельное чистое и взрывобезопасное помещение – эти требования могут привести к значительным затратам на строительные работы, которые также должны быть учтены при проектировании энергоблока;
• капитальные затраты на насосный агрегат с гидромуфтой на 41% больше, а на насосный агрегат с ЧРП – почти вдвое выше, чем при использовании прямого привода.

Гидромуфта – это центробежная машина, работающая на масле, что характеризуется высоким уровнем надежности и малыми затратами на техническое обслуживание. Капитальный ремонт гидромуфты обычно производится 1 раз в 8 лет. ЧРП, напротив, обычно требует больше запасных частей и более комплексного ежегодного обслуживания. Кроме того, для ЧРП чаще проводятся капитальные ремонты в течение срока службы. На рис. 6 показана динамика затрат на техническое обслуживание за 30 лет для обоих вариантов привода с частотным регулированием (гидромуфта и ЧРП). Данные основаны на анализе рынка и отзывах конечных пользователей.

Как уже было указано, в приводимом примере насос работает 8 мес. в году на номинальной мощности и еще 4 мес. – на пониженной. На рис. 7 показаны характеристические кривые насоса для этих рабочих точек и соответствующее энергопотребление.

Пересечение кривой системы (S₁, S₂, S₃, S₄) и расходно-напорной характеристики насоса (H–Q) определяет рабочую точку насоса. Рабочая точка 1 – это номинальная рабочая точка насоса, в которой насос работает большую часть времени. Расходно-напорная характеристика насоса рассчитывается для номинальной частоты вращения двигателя, которая равна частоте вращения насоса в случае прямого привода. В случае использования гидромуфты частота вращения насоса равна частоте вращения выходного вала гидромуфты, которая немного меньше частоты вращения двигателя из-за проскальзывания в гидромуфте. Для того, чтобы сохранить те же значения напора и расхода, производители насосов, как правило, используют другую подрезку рабочих колес (большего диаметра), что обычно не приводит к изменению стоимости насоса, таким образом, насос по-прежнему работает в рабочей точке 1 как в номинальной точке для всех трех вариантов регулирования. Посредством закрытия дроссельного клапана на линии нагнетания насоса кривые гидравлической системы становятся круче, тем самым достигаются рабочие точки 2’, 3’ и 4’. В случае частотного регулирования кривая насоса перемещается вниз в соответствии с законами подобия и достигаются рабочие точки 2, 3 и 4. Законы подобия также позволяют получить кривые зависимости потребляемой насосом мощности от расхода насоса.

Законы подобия

Поскольку изменение потребляемой мощности пропорционально кубу изменения частоты вращения насоса, а частота вращения в нашем случае понижается, то частотное регулирование во всех трех точках обеспечивает более низкие значения потребляемой мощности насоса.

На рис. 8 показана экономия электроэнергии при применении частотного регулирования по сравнению с дросселированием для агрегатов с гидромуфтой и ЧРП (учтены также потери в трансформаторе и вспомогательном оборудовании). Оба варианта частотного регулирования обеспечивают значительную экономию по сравнению с дроссельным регулированием в течение 30-летнего срока службы.

Суммируя три основных экономических аспекта (капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание и энергозатраты), становится очевидным, что оба метода регулирования скорости не только обеспечивают требуемые режимы работы, но и позволяют значительно сэкономить средства. На рис. 9 показано, что гидромуфта окупается через 4 года, а ЧРП – на 6-м году эксплуатации.

Тысячи установок по всему миру и годы эксплуатации подтверждают, что во многих случаях гидромуфта является наиболее надежным, долговечным и экономичным решением для регулирования параметров насоса не только для энергетического рынка, где гидравлические муфты Voith очень хорошо себя зарекомендовали (рис. 10, 11), но также для многих применений в нефтегазовой промышленности (например, для магистральных нефтяных насосов, рис. 12).

Дальнейшим развитием регулируемых редукторных передач стало применение планетарного редуктора и принципа раздельной передачи энергии. Рассмотрим конструкцию и принцип действия (рис. 13).

Vorecon состоит из гидротрансформатора и планетарной передачи, которые установлены в одном корпусе. Примерно 75% мощности передается через планетарный редуктор, а 25% – через гидротрансформатор. Изменяя положение направляющих лопаток (показаны зеленым цветом) можно регулировать скорость и направление вращения сателлитов и тем самым регулировать частоту вращения солнечной шестерни, которая жестко соединена с выходным валом, который, в свою очередь, соединен с приводимой машиной (насосом, компрессором и др.). Одним из ярких примеров подобной передачи является модельный ряд Vorecon от компании Voith, который включает как самые сложные машины для высоких мощностей, частот вращения и диапазона регулирования (RW), так и компактные модульные конструкции (VoreconNX, где регулируется частота вращения солнечной шестерни), рис. 14.

В поиске наиболее эффективных и экономичных решений по передаче и регулированию частоты вращения с помощью комбинирования механического и электрического оборудования были созданы приводы с КПД до 96,5% (рис. 15). Принцип работы такой электромеханической передачи аналогичен принципу работы Vorecon, однако для привода сателлитов используется не гидротрансформатор (максимальный КПД которого достигает 85%), а регулируемые с помощью ЧРП низковольтные электродвигатели, КПД которых значительно выше (до 98–99%).

Выбор способа регулирования параметров насоса определяется конкретными задачами и условиями эксплуатации каждого отдельного проекта. Надежность и долговечность, а также высокая эффективность гидромуфт и зубчатых регулируемых передач делают их одним из наиболее привлекательных способов регулирования промышленных насосов.