Крылов А. В. , Маркин В. Н., инженеры, Орахелашвили Б. М., канд. техн. наук
АО Владимирэнерго - РАО “ЕЭС России” - МЭИ (ТУ)
Адаптация существующего насосного оборудования к существенно изменившимся условиям эксплуатации требует больших затрат ресурсов. Далее описывается метод и практическая реализация задачи по уменьшению расхода насосов береговой насосной станции Владимирской ТЭЦ. Замена осевого рабочего колеса на колесо диагонального типа, модернизированное по результатам математического моделирования, позволила с минимальными затратами уменьшить расход насоса в 4 раза при сохранении строительной части станции и напорных водоводов.
Береговая насосная станция Владимирской ТЭЦ предназначена для обеспечения технической водой нужд самой станции, а также для водоснабжения городских потребителей. Уровень воды в водоприемной камере на р. Клязьме в зависимости от времени года изменяется от отметки 91 до 91,5. Подача воды в напорный бассейн осуществляется через водовод, состоящий из двух стальных труб диаметром 1020 мм и длиной 2200 м. Отметка уровня воды в напорном бассейне должна составлять 97,2 - 97,5 м. Таким образом, статический напор системы составляет 5,7 - 6,5 м.
При проектировании насосной станции расчетный расход насосного агрегата был принят равным 11 000 м3/ч. Это обусловило выбор в качестве основного оборудования насоса ОПВ 2-87, который при частоте вращения 585 об/мин в оптимальном режиме имеет расход 3 м3/с, напор 13,6 м и допускаемый кавитационный запас 10,8 м. Насос снабжен электродвигателем ВАН 118-41-10УЗ, обеспечивающим максимальную приводную мощность 630 кВт.
В процессе эксплуатации насосной станции выяснилось, что внешние потребители нуждаются в гораздо меньшем количестве воды, чем было заказано при проектировании станции. Фактический потребный суммарный расход не превышает 2800 м3/ч в зимний период и 2400 м3/ч в летний период. Это привело к необходимости развернуть лопасти насоса на минимально возможный угол установки (меньше минус 10°). Несмотря на это, минимально допустимый по условиям устойчивой работы насоса расход (6800 - 7200 м3/ч при КПД менее 80%) оказывается чрезмерным для данной системы и насос приходится периодически отключать.
В связи с этим была поставлена задача разработать комплекс мероприятий, позволяющих с минимальными затратами обеспечить постоянный расход в системе порядка 2400 - 3200 м3/ч при напоре, обеспечивающем работоспособность системы. Далее будет показано, что его величина не должна превышать 12 м.
Рис. 1. Совмещение проточных частей осевого и диагонального насосов:
DT = 0,918 DK - диаметр горловины
Подача осевого насоса может быть уменьшена путем установки приводного двигателя с меньшей частотой вращения. Однако требуемое уменьшение расхода (более чем в 3 раза) обусловливает установку двигателя с частотой вращения не более 250 об/мин, что приведет к снижению напора насоса почти в 6 раз. В этом случае, даже при полном развороте лопастей на угол + 2°, напор насоса не превысит 3 м.
Заданные параметры насосного агрегата, в частности требования по напору, не позволяют установить вместо него центробежный вертикальный насос, развивающий значительно более высокие напоры. Из существующей номенклатуры осевых насосов наиболее подходящим является насос ОВ 5-55. При установке лопастей на угол минус 6,5° напор 10 м обеспечивается при расходе более 4000 м3/ч, что существенно больше требуемого значения. Габариты и присоединительные размеры этого насоса значительно отличаются от установленного на станции, что потребует проведения строительных работ.
Диагональные насосы серии “ВД”, выпускаемые заводом “Уралгидромаш”, также не могут быть использованы. Наименьший из них насос 96 ВД-4,5/23-0 имеет расход 10,5 м3/ч при напоре 12 м, что практически совпадает с установленным насосом. Диаметр рабочего колеса насоса 960 мм, т.е. даже больше существующего.
Наиболее рациональным способом модернизации насоса под изменившиеся условия эксплуатации является перепрофилирование лопастных систем рабочего колеса и выправляющего аппарата с сохранением габаритных и присоединительных размеров. Обязательным условием является использование существующего электродвигателя.
При требуемых параметрах работы коэффициент быстроходности составит
где n - частота вращения машины; Q - расход насоса; H - напор.
Опыт проектирования насосов показывает, что это значение не может быть обеспечено осевыми насосами. Наиболее рациональным является использование диагональной проточной части с углом установки лопастей 60°.
Наибольший опыт в проектировании и исследованиях диагональных насосов накоплен кафедрой гидромеханики и гидромашин МЭИ, которая разработала несколько десятков рабочих колес такого типа. Некоторые из них имели коэффициенты быстроходности, близкие к требуемому значению.
Оценим возможные размеры рабочего колеса и некоторые безразмерные параметры проектируемого насоса.
При существующем диаметре цилиндрической части камеры рабочего колеса осевого насоса Бк = 0,87 м наибольший диаметр рабочего колеса диагонального насоса, которое может быть вписано в данную проточную часть,
Конструктивные проработки показали, что наилучшим образом в имеющейся проточной части размещается рабочее колесо с Брк = 0,7 м (рис. 1).
Коэффициент расхода
где w - угловая скорость.
Коэффициент напора
Требуемый кавитационный коэффициент быстроходности
где требуемый кавитационный запас АН = 12 м может быть назначен из условия существующего подпора рабочего колеса 2 м.
В качестве исходной модели принят диагональный насос Дп 60-30.
Диаметр рабочего колеса модели составлял 0,35 м, число лопастей было равно восьми, втулочное отношение - 0,62. Оптимальный режим работы насоса соответствует точке Kq = 0,07 и Кн = 0,05. Сравнение с требуемыми параметрами показывает, что необходимо изменить геометрию лопастей для смещения оптимальной точки влево - вверх по рабочему полю.
Расчетно-теоретические исследования показали, что наибольший вклад в развиваемый напор вносят втулочные профили. В связи с этим было принято решение увеличить диаметр втулки до 0,5 м, что соответствует втулочному отношению до 0,718. Лопастная система была пересчитана на новые размеры в соответствии с диаметрами втулок модели и натуры, а периферийные профили были обрезаны сферической поверхностью. Это
улучшило условия размещения внутри втулки рабочего колеса механизма поворота шести лопастей и повысило напор лопастной системы при уменьшенном расходе. В соответствии с рекомендациями проектируемый насос получил обозначение ВДп-60-0,8/12-70.
На указанные параметры был разработан рабочий проект насоса, включающий следующие узлы и детали:
конфузор с диаметром горловины 0,915 Брк, устанавливаемый в штатное закладное кольцо;
сферическая разъемная камера рабочего колеса;
рабочее колесо с механизмом привода лопастей, который использует существующий у штатного насоса механизм перемещения крестовины. Разворот лопастей в диапазоне углов от минус 10 до + 10° осуществляется при остановленном насосе;
выправляющий аппарат с восемью лопастями, обеспечивающий установку штатного направляющего подшипника насоса.
Модернизированный насос был установлен на место ЦЭН-4 береговой насосной станции. Испытания проводились по общепринятой методике при работе насоса на одну нитку трубопровода. Уровень воды в напорном канале в течение всего эксперимента оставался практически постоянным на отметке 97,3, что при отметке уровня в приемной камере 91,3 соответствует статическому напору системы в 6,0 м.
Расход в трубопроводе измерялся ультразвуковым расходомером на достаточно протяженном прямолинейном участке. Напор определялся по показаниям манометра, подключенного к выходному колену насоса и установленного на отметке 95,8. Динамическая составляющая напора на всех режимах не превышала 0,1 м.
Перед началом испытаний была проведена тарировка механизма поворота лопастей рабочего колеса. Перемещение лопастей от полного закрытия (принятого за нулевое значение, S = 0) до полного открытия (S = 100%) соответствует 114 оборотам регулировочного ключа. Движение механизма происходило плавно, без заеданий, что свидетельствует о хорошем качестве изготовления и сборки механизма.
Рис. 2. Характеристика насоса ВДп-60-0,8/12-70:
1 - характеристика сети; перемещение лопастей: 2 - S = 0; 3 - S = 25%; 4 - S = 50%; 5 - S = 75%; 6 - S = 100%
Каждая серия испытаний проводилась при фиксированном положении лопастей и начиналась при полностью открытой задвижке напорного трубопровода. Последующие закрытия задвижки производились со щита управления насоса.
На рис. 2 показаны напорные характеристики насоса, из которых видно, что при полностью открытой напорной задвижке расход насоса может быть установлен в диапазоне 2400 - 3200 м3/ч, что полностью удовлетворяет условиям работы системы. Как и предполагалось, требуемый напор насоса при максимальном расходе и работе на одну нитку трубопровода не превышает 12 м.
При всех углах установки лопастей на режимах максимального расхода кавитационные шумы не прослушивались. Уровень вибраций опор двигателя и насоса на всех режимах не превышал допустимых значений.
Вывод
Испытания показали, что проведенная модернизация насоса обеспечила уменьшение расхода (2400 - 3200 м3/ч) при достаточной для данной трубопроводной системы величине напора.
По завершении испытаний насос был включен на длительную работу. К настоящему моменту насос проработал более 6000 ч без замечаний.
Предложенный метод модернизации насосного оборудования может быть рекомендован в случаях существенного уменьшения требуемого расхода насосных станций.
