Эффективность насосов и стремление к совершенству. Часть 1.

Если вы читали новости о насосах и двигателях за последние 10 лет, вы знаете, что возрастает спрос на все более эффективные насосы. Проекты по энергоэффективным насосам схожи с разработками в области электрических двигателей переменного тока, проводимыми в последние 15 лет.

 

Начав в 2011 году и добившись результатов к 2020 году, Министерство энергетики США выдвинуло требования (нормативы), согласно которым центробежные водяные насосы должны соответствовать минимальным уровням эффективности. Первые наработки появились еще в 1990-х годах, но нормативы ("Стандарты энергосбережения для насосов") выпустили много лет спустя.

 

Институт гидравлики стал инициатором множества программ, от привлечения внимания общественности до проведения углубленного обучения и создания специальных руководств. На сайте института говорится: "Институт гидравлики взял на себя обязанность представлять отрасль насосов в разработке надлежащих нормативов, направленных на достижения целей по энергосбережению".

 

Со мной недавно связались представители одного инженерного колледжа с просьбой внести свой вклад в разработку более эффективных насосов. Я с энтузиазмом готовился к встрече, однако проект закрыли из-за пандемии COVID-19. После этого я не мог выбросить из головы тему эффективности насосов, будто это была прилипчивая мелодия из рекламы. Идеи по повышению эффективности так и роились в моей голове, я так и слышал до боли знакомый педантичный голос своей бабушки по отцовской линии, говоривший: "Легче сказать, чем сделать" и "Нельзя получить что-нибудь, не дав ничего взамен". И так по кругу.

 

К слову сказать, мне кажется, что повышенная эффективность - это достойная цель и приоритетная часть моей работы. С другой стороны, лично я считаю, что, если вся насосная система спроектирована неверно, а насос эксплуатируется ненадлежащим образом, неважно, эффективен сам насос или нет. Насос и система должны работать совместно, они нужны друг другу.

 

Эффективность

 

Базовое определение эффективности выражается простой формулой. Эффективность - это результат производства, разделенный на затраты на это производство, умноженный на 100 для процентного выражения.

 

Если в вашем автомобиле установлен бензиновый двигатель, его эффективность составляет около 20%; если двигатель дизельный - эффективность может подняться до 30% и выше. Эффективность угольной или атомной электростанции может достигать 38%.  Газовые электростанции с комбинированным циклом могут иметь эффективность почти 60%. Современные асинхронные двигатели переменного тока недавно достигли 99% эффективности, но чаще это значение составляет 91-95% в режиме почти полной нагрузки.

 

Эффективность (%) = (результат ÷ затраты) x 100

Уравнение 1

 

Центробежные насосы могут достигать 94% эффективности, однако чаще всего это 55% для небольших насосов и 70% для больших насосов. Электроэнергия, потребляемая насосами на стандартном промышленном объекте, зависит от типа производства. Обычный целлюлозно-бумажный завод тратит 30% всех энергозатрат на работу насосов. Химический завод может тратить на то 27%, а нефтеперерабатывающий завод - до 60%. Довольно быстро затраты на энергию для питания насосов превысят изначальные расходы на закупку и установку. За 20 лет затраты на энергию для стандартного насоса мощностью 100 л.с. в 20 раз превысят первоначальные расходы на насос, включая установку.

 

Эффективность насоса

 

Эффективность насоса - это гидравлическая мощность, деленная на эффективную мощность и умноженная на 100 (см. формулу на рисунке 1).

 

Гидравлическая мощность - это инструмент проектирования системы; это мощность, которая потребовалась бы насосу для поддержания гидравлического состояния, если бы он работал со 100%-ной эффективностью. Эффективность насоса не учитывается в уравнении гидравлической мощности. Гидравлическая мощность определяет нижний предел требований к мощности. Можно сказать, что это минимальная мощность, необходимая для перекачивания жидкости (воды). Эта информация полезна на ранних стадиях проектирования оборудования. Обратите внимание, что при выполнении таких расчетов следует использовать относительную плотность.

 

Эффективная мощность - это мощность на валу, которая требуется насосу, чтобы справляться с нагрузкой. При расчете эффективной мощности необходимо учитывать КПД насоса, но не двигателя. Эти данные используются для определения мощности привода. Входную мощность насоса и КПД можно рассчитать по основной формуле эффективной мощности, но при составлении кривой характеристик производитель будет измерять скорость и крутящий момент вала двигателя. КПД насоса достаточно легко рассчитать, если у вас есть значения скорости и крутящего момента.

 

Полная эффективность - это количество энергии, которое передается перекачиваемой жидкости (воде), деленное на энергию, подаваемую электрической системой, или выполненная работа, деленная на приложенную работу. При использовании дробей или десятичных чисел можно выполнять умножение, а не деление. Тогда полная эффективность - это эффективность насоса, умноженная на эффективность двигателя. Эта информация позволяет правильно рассчитать электроснабжение двигателя. (Полную эффективность можно рассчитать для любой жидкости, не только воды).

 

К примеру, двигатель с эффективностью 90%, приводящий в движение насос с эффективностью 70%, дает фактическую эффективность 63% (0,90 x 0,70 = 0,63 или 63% КПД). Обратите внимание, что это не среднее значение этих двух факторов (это довольно распространенная ошибка). Полная эффективность становится существенным фактором и важным инструментом при вычислении энергозатрат на перекачивание определенного объема жидкости.

 

Рисунок 1. Формулы, необходимые для расчета эффективности центробежных насосов (изображение предоставлено автором статьи)

 

Почему насос не работает еще более эффективно?

 

Некоторые факторы, препятствующие повышению эффективности насоса: шум, вибрация, рециркуляция и тепло. Другие помехи повышения эффективности насоса:

 

  • механический КПД - в основном потери на трение от подшипников, корпусов, торцевых уплотнений, разбалансировки рабочего колеса/ротора, муфт и несоосности привода;
  • объемный КПД - это сумма потерь от утечки через компенсационные кольца, зазора между рабочим колесом и корпусом, межступенчатых втулок, балансировочных дисков, линий прогрева/ перепускных линий и внутреннего потока обратно в сальник/фонарное кольцо;
  • гидравлический КПД - наиболее проблематичные факторы. Это сумма всех потерь на жидкостное трение в насосе, включая трение диска и потери на гидравлический удар. Потери на гидравлический удар вызваны резким ускорением и замедлением движения жидкости, которые увеличиваются при низком расходе и зависят от геометрии рабочего колеса. Коэффициент ударной нагрузки - это фактор, от которого зависит то, что рабочие колеса с высокой приведенной частотой вращения обычно более эффективны.

 

Вторая часть этой статьи будет посвящена повышению эффективности насоса.

 

Джим Элси - инженер-механик, вот уже 48 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования и в основном занимается вопросами надежности почти во всех сегментах промышленного рынка по всему миру. Джим Элси - член Американского общества инженеров-механиков, Американского общества металловедения, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги. С Джимом Элси, главой компании MaDDog Pump Consultants LLC, можно связаться по эл. почте jim.elsey@spiohio.com.