Изменение частоты вращения вала насоса

n₂≤n₁.

Удельные затраты энергии при регулировании производительности с применением метода дросселироания 1 – в работе один насос; 2 – в работе два насоса; 3 – в работе три насоса.

Методы и средства регулирования частоты вращения ротора насоса

Существуют три наиболее употребительных технических варианта регулирования частоты вращения ротора насосов:

1) двигатели с изменяемой частотой вращения;

2) специальные регулирующие муфты;

3) преобразователи частоты питающего переменного тока.

В качестве двигателей с изменяемой частотой вращения могут использоваться газотурбинные двигатели (ГТД) и двигатели внутреннего сгорания (дизели). В магистральном трубопроводном транспорте в качестве средства регулирования частоты вращения ротора насоса нашли применение ГТД,

Широкое распространение на магистральных трубопроводах за рубежом получили насосные установки с ГТД авиационного типа, которые обладают наиболее низким удельным весом и габаритами. У ГТД, предназначенных для предприятий нефтяной промышленности, конструкция топливной системы предусматривает работу на двух видах топлива - жидком дистилляте и природном газе, причем переход с одного вида топлива на другой полностью автоматизирован. В большинстве случаев насосы с приводом от ГТД включаются по параллельной схеме.

ГТД обладают рядом ценных качеств: мобильностью, быстротой набора мощности, простотой и надежностью в эксплуатации, легкостью автоматизации. Из-за ухудшения рабочих характеристик при повышении температуры всасываемого в компрессор воздуха, ГТД предпочтительнее применять в районах с относительно низкой среднегодовой температурой окружающего воздуха. Экспериментально установлено что повышение расчетной температуры всасываемого воздуха на каждые 10 ⁰С увеличивает расход топлива на 4...5 %.

Крупным недостатком ГТД является их низкий КПД, достигающий у двигателей с простой схемой 23...25 %. У стационарных установок при применении регенеративного цикла КПД ГТД достигает 31...35 % .

При проектировании НПС, оборудованных насосами с ГТД, возникает проблема со снабжением ГТД топливом, так как прямое применение сырой нефти как топлива ГТД без применения специальных присадок ограничивается из-за возникновения коррозии топливной аппаратуры и газовоздушного тракта двигателей. Возможно использование автономных малогабаритных ректификационных установок, снабжающих топливом ГТД на нефтепроводах. Прокладывание параллельного газопровода или топливопровода также позволяет решить задачу снабжения топливом ГТД.

Применение высокооборотных насосов позволяет повысить эффективность ГТД, так как дает возможность отказаться от промежуточных редукторов и соединить напрямую роторы силовой турбины и насоса.

Исследования области экономически эффективного использования ГТД показывают, что применение ГТД эффективно в районах с высоким тарифом на электроэнергию и при значительной степени удаления НПС от источника электроэнергии. Кроме того, установка ГТД исключает ущерб, связанный с перерывами в электроснабжении.

В качестве регулируемого привода в трубопроводном транспорте могут использоваться электродвигатели с постоянной частотой вращения ротора, скомпонованные с электромагнитными, гидравлическими или дисковыми муфтами скольжения. Сравнение способов регулирования режимов работы насоса по КПД показывает преимущество регулирования при помощи муфт скольжения перед дросселированием и перепуском.

Простейшая электромагнитная муфта скольжения состоит из двух вращающихся частей, разделенных воздушным зазором, из которых одна присоединена к приводному двигателю, а вторая - к рабочему. Передача вращающего момента с ведущей части на ведомую осуществляется вследствие их электромагнитного взаимодействия. Ведущая и ведомая части муфты образуют замкнутую магнитную систему, наибольшая часть магнитопровода которой выполняется из ферромагнитных материалов и содержит одну или несколько обмоток возбуждения, питаемых постоянным током. Одна часть магнитной системы имеет в воздушном зазоре зубцы, выполняющие роль полюсов, и является индуктором, вторая часть, не имеющая зубцов, служит якорем. При относительном вращении возбужденного индуктора и якоря последний пересекается переменным магнитным потоком, индуцирующим переменные ЭДС и вихревые токи, взаимодействие которых с потоком полюсов создает вращающий момент, увлекающий ведомую часть за ведущей.

К достоинствам привода с электромагнитной муфтой скольжения относятся простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокая надежность и долговечность, малая мощность управления, облегчающая автоматизацию режимов работы.

К недостаткам электромагнитной муфты можно отнести невысокую мощность с точки зрения применения их на трубопроводном транспорте. Применение электромагнитных муфт скольжения на трубопроводном транспорте в нашей стране носит постановочный характер.

В зарубежной практике магистрального трубопроводного транспорта наибольшее применение получили гидравлические муфты скольжения. Конструкция гидромуфты включает в себя два колеса (насосное и турбинное), имеющих форму полутора. С внутренней стороны рабочие полости, разделенные радиальными лопатками, заполняются рабочей жидкостью (маслом). Насосное колесо гидромуфты закрепляется на ведущем валу, соединенном с валом приводного двигателя, а турбинное закреплено на ведомом валу и соединяется с валом насоса. Насосное колесо, вращаясь с частотой n₁, через лопатки сообщает энергию жидкой среде, которая под действием центробежной силы перемещается к периферии. Далее, поступая на лопатки турбинного колеса, жидкая среда передает полученный запас энергии, заставляя его вращаться с частотой n₂. При передаче энергии от насосного колеса турбинному частоты их вращения не совпадают (n₂ < n₁) за счет проскальзывания. Величина скольжения, а, следовательно, и частота вращения ведомого вала зависит от степени заполнения полостей гидромуфты жидкой рабочей средой.

Применение гидромуфт позволяет плавно регулировать частоту вращения ротора насоса в широком диапазоне, относительно просто автоматизировать управление насосами и дает возможность запускать и останавливать центробежный насос с открытой задвижкой.

Весьма ответственной составной частью насосного агрегата с гидромуфтой, от которой во многом зависит его надежность, является масляная система. Работа маслосистемы проходит в очень напряженных условиях, при значительных тепловыделениях в гидромуфте и осложняется высокой степенью аэрации масла, которая ускоряет его.

В отечественной практике трубопроводного транспорта гидромуфты скольжения не нашли применения. Они используются в основном в приводе питательных насосов в контуре цикловой воды на тепловых и атомных электростанциях, в системе водоснабжения, а также в качестве привода буровых насосов.

В работе на основе ориентировочного расчета на примере насосного агрегата НМ-10000-210 с электродвигателем СТД-6300 и гидромуфтой ГМ-7000 показана значительная экономия электроэнергии перед другими способами регулирования.

Дисковые муфты основаны на принципе передачи крутящего момента за счет касательных напряжений, возникающих в тонком масляном слое между ведущими и ведомыми дисками. Регулирование усилия прижатия дисков позволяет получить желаемую частоту вращения ведомого вала. Тепло, вырабатываемое в результате вязкого трения, отводится маслом, циркулирующим в маслосистеме и охлаждаемым в аппаратах воздушного охлаждения. КПД дисковой муфты скольжения определяется отношением частот вращения ведомого и ведущего валов. Частота вращения ведомого вала не может быть снижена до нуля из-за наличия касательных напряжений в масляном слое между дисками, даже если усилия сжатия дисков отсутствуют.

Большинство из выпускаемых за рубежом дисковых муфт скольжения имеют встроенную зубчатую передачу (мультипликатор), позволяющую использовать высокооборотные насосы. При этом передаточное число зубчатой передачи выбирается технико-экономическим обоснованием исходя из характеристики насоса, характеристики трубопровода и его производительности.

Эффективность муфт скольжения возрастает с увеличением времени работы на регулируемом режиме и увеличении пределов регулирования производительности нефтепровода.

Фактическое значение КПД ввиду неизбежных внутренних потерь энергии (в подшипниках, сальниках, дисковые и др.) несколько меньше.

Частотно-регулируемый электропривод насосного агрегата строится на базе тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ). ТПЧ представляет собой полупроводниковое устройство, принцип работы которого состоит во включении - отключении (коммутации) во времени ключевых элементов (тиристоров) по определенному закону, обеспечивающему смену знака среднего значения напряжения (тока) с определенной частотой.

Существуют два основных вида ТПЧ: с непосредственной связью (циклоконверторы) и с промежуточным звеном. Последние, в свою очередь, подразделяются на ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и ТПЧ с промежуточным звеном постоянного напряжения.

Известны четыре основные системы электропривода с ТПЧ:

1. система частотного управления асинхронными и синхронными электродвигателями (управление со стороны статора);

2. асинхронный электропривод по схеме вентильного электрического каскада (управление со стороны ротора);

3. электропривод переменного тока по схеме машины двойного питания на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором (управление со стороны ротора);

4. вентильный двигатель на базе синхронного электродвигателя или синхронизированного асинхронного электродвигателя с фазным ротором.

В настоящее время отечественная промышленность освоила выпуск устройств для регулирования частоты вращения синхронных и асинхронных электродвигателей различной мощности. Однако внедрение этих устройств ограничивалось в основном системами водоснабжения и при регулировании режимов работы буровых насосов.

Основными достоинствами системы электропривода с ТПЧ являются возможность плавного регулирования числа оборотов как ниже, так и выше номинальной частоты вращения, высокий КПД во всем диапазоне регулирования, простота управления.

Не смотря на высокую экономическую эффективность работы регулируемого насосного агрегата на базе ТПЧ с точки зрения затрат на электроэнергию по сравнению с традиционными способами регулирования производительности, регулируемый электропривод на базе ТПЧ не нашел своего применения в магистральном транспорте нефти.

В настоящее время в нашей стране принята схема последовательного соединения магистральных насосных агрегатов на насосной станции, то есть каждый агрегат является полнорасходным, пропуская весь поток перекачиваемой жидкости. Однако за рубежом еще в 50-х годах приступили к производству высоконапорных центробежных насосов, позволяющих применять параллельную схему соединения насосных агрегатов на насосных станциях магистральных нефтепроводов.

Применение параллельной схемы имеет ряд преимуществ по сравнению с последовательной. Уменьшение габаритов и веса насосных агрегатов при параллельной схеме соединения высоконапорных агрегатов приводит к уменьшению размеров насосной станции и, следовательно, к сокращению строительно-монтажных работ.

В качестве привода высокооборотного насоса можно рассматривать высокоскоростные электродвигатели (до 6000 об./мин) с регулируемым числом оборотов. Регулируемый привод при параллельной схеме соединения насосных агрегатов нашел применение в системе питания котлов тепловых электростанций.

К недостаткам параллельной схемы работы насосов относят ухудшение всасывающей способности, характеризуемой величиной допустимого кавитационного запаса. Кроме того, переход на высокие обороты предъявляет повышенные требования к технологии производства высокооборотных насосов, так как увеличение частоты вращения до 6000 об./мин резко уменьшает величину допустимой амплитуды вибрации (20 мкм вместо 50 мкм). Значительно растет общая напряженность основных деталей насосного агрегата, повышаются на порядок требования к точности изготовления и чистоте обработки.

Применение параллельнй схемы работы насосов с постоянной частотой вращения ротора ограничивает применение метода оключения насосных агрегатов на станции для регулирования режима работы нефтепровода.

Методы дросселирования и байпасирования