Рис. 2. Зависимости напора, КПД и вибрации от расхода

Автор: А.А. Кобзев (Корпорация ITT).

Опубликовано в журнале Химическая техника №2/2015

Гидравлические характеристики насоса – основной показатель, отражающий эффективность и надежность работы всего насосного агрегата. Неправильный подбор гидравлики может привести как к некорректной работе всей системы (недостаточный или избыточный расход, недостаточный или избыточный напор, кавитация), так и к механическим неполадкам (повышенные вибрация, температура), что может вызвать выход из строя всего насосного агрегата.

Рис. 1. Гидравлические характеристики  центробежного  насоса
Рис. 1. Гидравлические характеристики центробежного насоса

Рассмотрим характеристические кривые центробежного насоса (рис. 1). Всего можно выделить 4 основные кривые: зависимости напора H, потребляемой мощности N,КПД насоса η и кавитационного запаса насоса NPSHr от расхода Q.

Рабочая точка (расход и напор), в которой работает насос, определяется пересечением гидравлической характеристики системы с напорной характеристикой насоса.

Для каждого центробежного насоса существует понятие точки максимального КПД (в западной литературе обозначается как BEP – Best EfficiencyPoint). Точка максимального КПД – это точка, при которой достигается максимальный КПД данного насоса. Соответственно, чем ближе находится рабочая точка к точке BEP, тем надежней и эффективней работает насос. В западной литературе вводится такое понятие как %BEP, т.е. выраженное в процентах отношение расхода в рабочей точке к расходу в точке максимального КПД: %BEP = (Qрасч/QBEP)100%.

Различные стандарты устанавливают предпочтительный и допустимый диапазоны работы. Так, стандарт 610 американского института нефти (API 610) устанавливает следующие требования: рабочий расход насоса должен составлять 80–110%, а допустимый – 70–120% расхода в точке максимального КПД.

Данное требование объясняется тем, что точка максимального КПД по сути является точкой, на которую насос проектируется; значения вибрации в ней минимальны (рис. 2).

Рис. 2. Зависимости напора, КПД и вибрации от расхода
Рис. 2. Зависимости напора, КПД и вибрации от расхода

Вибрация – основная причина выхода из строя подшипников насоса и торцовых уплотнений. Другими словами, из-за повышенной вибрации выходит из строя как гидравлическая, так и приводная часть насоса.

Рис. 3. Обеспечение запаса по напору: а – путем установки рабочего колеса большего диаметра d; б – путем увеличения частоты вращения вала насоса n
Рис. 3. Обеспечение запаса по напору:
а – путем установки рабочего колеса большего диаметра d;
б – путем увеличения частоты вращения вала насоса n

Другой важной составляющей правильного подбора гидравлических характеристик является обеспечение правильного запаса по напору. Данное требование связано с тем, что со временем трубопроводы могут засоряться, а также могут измениться параметры самой гидравлической системы. Все это может потребовать большего значения напора. Как известно из теоремы подобия, запас по напору может быть обеспечен как установкой рабочего колеса большего диаметра (рис. 3, а), так и повышением частоты вращения вала насоса (рис. 3, б). Если для регулирования частоты вращения применяется частотно-регулируемый привод (ЧРП), ременная передача или редуктор, то второй способ осуществить относительно легко.

При этом, однако, надо иметь в виду, что чем выше частота вращения, тем больше износ. Большинство промышленных насосов приводятся напрямую от электродвигателя, и повышение напора осуществляется заменой рабочего колеса колесом большего диаметра.

Каким же должен быть запас по напору? Как правило, все определяется требованиями технологического процесса. Если рассматривать конкретные цифры, то, например, стандарт API 610 устанавливает минимальное значение 5% для любого из указанных способов.

Если указанные выше требования являются скорее рекомендательными и служат для повышения надежности и эффективности работы, то требование безкавитационной работы для насоса является обязательным. Кавитация (так называемое «холодное кипение») возникает в случае, когда давление жидкости меньше давления насыщенных паров, и приводит к эрозийному механическому разрушению проточной части, повышенной вибрации и, как следствие, к выходу из строя всего агрегата. Для безкавитационной работы насоса требуется выполнение следующего требования: NPSHr < NPSHa, где NPSHr – кавитационный запас насоса – величина, определяемая конструктивными особенностями проточной части (кривую зависимости NPSHr от расхода Q, см. рис. 1);NPSHa – кавитационный запас системы – величина, которая определяется характеристиками гидравлической системы.

При наличии на всасывании насоса манометра величина NPSHa может быть рассчитана следующим образом: NPSHa = (pвс – pн.п)/(ρg), где pвс – давление на всасывании насоса; pн.п – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости; ρ – плотность перекачиваемой жидкости; g – ускорение свободного падения.

Наконец, после правильного подбора гидравлики, необходимо правильно подобрать мощность привода (как правило, промышленные насосы работают от электродвигателя). На рис. 1 приведена типовая зависимость потребляемой мощности центробежного насоса N в зависимости от расхода Q. Как правило, с увеличением расхода возрастает и потребляемая мощность. Соответственно, следует понять, при каком максимальном расходе будет работать насос и, исходя из параметров системы, подобрать ближайший больший номинал мощности электродвигателя. Хорошей практикой также считается обеспечение некоторого запаса по мощности. Например, стандарт API 610 устанавливает следующие коэффициенты:

  • для потребляемой мощности менее 22 кВт – 1,25;
  • от 22 до 55 кВт – 1,15
  • свыше 55 кВт – 1,1.

Все перечисленные критерии являются основными при выборе насоса. Их соблюдение позволяет обеспечить наиболее эффективную и надежную эксплуатацию насоса и всего насосного агрегата, увеличить межремонтный период и срок службы и снизить общую стоимость владения.