Работа при расходах ниже или выше точки наилучшей эффективности (BEP) не только неэффективна, но и неоптимальна. Тем не менее, такие условия могут возникать в переходных или непредвиденных ситуациях. Рабочая точка будет смещаться на кривой производительности насоса в зависимости от изменений в системах выше и ниже по потоку, и при неправильном управлении рабочая точка может значительно отклоняться от BEP. Длительная работа вдали от BEP может вызвать множество проблем, поэтому цель состоит в том, чтобы гарантировать, что рабочая точка насоса всегда будет стабильной на уровне или вблизи BEP с помощью управления и мониторинга насоса, независимо от колебаний выше и ниже по потоку. Среди них условия, близкие к мертвой точке (низкий расход), требуют особого внимания. В этой статье будут подробно рассмотрены BEP и его влияние на выбор, управление и работу насоса с точки зрения реальной эксплуатации.

BEP и определение размера/конфигурации насоса

Выбор и проектирование насоса в первую очередь требуют всестороннего понимания рабочих параметров систем, расположенных выше и ниже по потоку, включая такие ключевые данные, как давление всасывания, давление нагнетания, требуемый напор, расход и NPSHa устройства, которые должны быть четко определены или рассчитаны.

Первым шагом в выборе и определении размера насоса является определение необходимого типа насоса и количества ступеней на основе заданных рабочих условий (обычно таких параметров, как диапазон подачи, напор, NPSHa и т. д.). Если насос должен соответствовать нескольким рабочим условиям, в идеале следует выбрать одно из рабочих условий в качестве номинальной рабочей точки, которая должна быть максимально близка к BEP насоса. Все остальные рабочие условия должны находиться в пределах допустимого рабочего диапазона выбранного насоса, то есть достаточно близко к BEP.

Для правильного выбора может потребоваться несколько итераций. Это означает, что необходимо выбрать тип насоса с подходящими рабочими характеристиками и подробными параметрами. Конкретные этапы: сначала сделайте первоначальный выбор, затем определите соответствующую характеристику насоса, рабочий диапазон и степень отклонения от оптимального рабочего диапазона (BEP) после завершения предварительного выбора, и при необходимости повторяйте вышеуказанные этапы до тех пор, пока требования не будут выполнены.

Что касается типа рабочего колеса, его можно разделить на три основных типа: закрытое рабочее колесо, полуоткрытое рабочее колесо и открытое рабочее колесо. В перерабатывающей промышленности практически все насосы имеют закрытую конструкцию рабочего колеса, которая также широко используется в насосном оборудовании в большинстве отраслей промышленности.

Закрытое рабочее колесо имеет значительные преимущества по сравнению с другими типами (полуоткрытыми или открытыми): его закрытая конструкция позволяет более эффективно направлять жидкость, обеспечивая более высокую эффективность работы. В то же время оно обладает большей механической прочностью и более высокой эксплуатационной надежностью.

Благодаря этим преимуществам закрытые рабочие колеса стали предпочтительным выбором для многих сфер применения, особенно в критически важных насосных системах.

Эксплуатационная стабильность насоса (т. е. минимальные колебания расхода и давления) зависит главным образом от двух ключевых факторов: формы кривой зависимости расхода от напора насоса и динамического отклика системной характеристики. Это фактически предполагает анализ двух основных вопросов: во-первых, как взаимодействуют кривая насоса и кривая системы в различных рабочих условиях? Во-вторых, насколько рабочая точка отклоняется от точки оптимального рабочего давления (BEP) при всех возможных рабочих условиях?

BEP и подъем головы

На графике зависимости расхода от напора критически важным является увеличение напора от точки максимального рабочего давления (BEP) до мёртвой точки. Особого внимания заслуживают два ключевых параметра:

1. Увеличение напора: то есть увеличение напора от точки максимального рабочего давления (BEP)/номинальной до мёртвой точки. При большом значении этого параметра и крутом наклоне кривой производительности небольшие колебания напора, требуемые системой, могут быть скомпенсированы лишь небольшой регулировкой расхода, при этом рабочая точка по-прежнему будет находиться вблизи точки максимального рабочего давления (BEP).

2. Минимальные технические стандарты:

1) Общие требования: Увеличение напора от точки максимального рабочего давления (BEP)/номинальной до мёртвой точки должно составлять не менее 8%.

2) Специальные условия: Например, для насосов стандарта API 610 при параллельной работе насосных групп увеличение напора от точки максимального рабочего давления (BEP)/номинальной до мёртвой точки должно составлять не менее 10%.

Работа в тупиковом режиме

Насосы не должны работать в тупиковом режиме или вблизи него в течение длительного времени (низкий расход, максимальный напор). Переходные режимы работы в тупиковом режиме могут возникать из-за сбоев или ошибок в работе, таких как неправильное закрытие основного клапана на выходе и т. д. Для некоторых насосов работа в тупиковом режиме должна быть ограничена 15–40 секундами. В некоторых насосных системах могут быть установлены специальные манометры/реле давления для отключения насоса при высоком давлении (низкий расход или отсутствие расхода). Для сложных и критически важных насосов следует использовать более сложные меры и средства управления, чтобы избежать работы в тупиковом режиме или вблизи него.

Большинство насосов не должны работать с расходом ниже определенного значения, который часто называют минимальным постоянным стабильным расходом. В качестве приблизительного показателя, насос не должен работать с расходом ниже 60% от расхода BEP без линии рециркуляции или аналогичных средств. Некоторые факторы, определяющие минимальный постоянный стабильный расход, включают:

1) Повышение температуры жидкости. Предел повышения температуры можно принять равным 8°C или 10°C. При работе насоса с очень низкой производительностью он может перегреться.

2) Радиальный гидравлический удар на рабочем колесе. Это серьёзная проблема, и повышенные силы/нагрузки могут сократить срок службы подшипников даже при расходе до 60% от предельно допустимой производительности. Более высокие силы могут привести к чрезмерному прогибу вала, повреждению уплотнения, трению рабочего колеса, поломке вала и т. д.

3) Рециркуляция потока в насосе (обратный поток на впуске). Это может привести к шуму, вибрации, кавитации и механическим повреждениям.

Если системе требуется низкий расход, следует использовать другие методы управления расходом, такие как линии рециркуляции или частотно-регулируемые приводы (ЧРП). Этот метод имеет двойное преимущество: с одной стороны, управление расходом достигается за счёт перепуска потока или регулирования скорости, а с другой стороны, насосный агрегат непрерывно работает в оптимальном диапазоне КПД, что позволяет избежать неэффективной работы.

Работа вблизи высоких расходов

Работа с высокими расходами вблизи конца кривой с правой стороны от точки оптимального расхода также проблематична. Насосы, работающие вблизи конца кривой, будут создавать заметный шум и сильную вибрацию, работать неэффективно и потреблять значительно больше энергии, что приведет к нестабильной работе и общему снижению производительности.

Управление и эксплуатация

Многие насосы должны работать с различными значениями расхода и давления (напора). Фактический расход насоса зависит только от точки пересечения его характеристики с кривой сопротивления системы. Для регулировки расхода необходимо изменить рабочие параметры – в идеале, чтобы рабочая точка оставалась близкой к точке максимального КПД. Этого можно добиться различными способами управления, такими как регулирующие клапаны, регулирование скорости и т. д.

Главное – поддерживать эффективную работу насоса вблизи точки максимального КПД, обеспечивая требуемые расход и напор. Достижение этой цели – это искусство управления и эксплуатации.

Регулирование расхода насосов с постоянной скоростью

Поскольку многие центробежные насосы малого и среднего размера приводятся в движение двигателями с постоянной скоростью, дросселирование с помощью регулирующих клапанов стало распространённым методом регулирования расхода (производительности) и напора. Обратное давление, создаваемое регулирующим клапаном (или дросселирующим клапаном), вносит переменные потери на кривой сопротивления системы:

1) Закрытие клапана увеличивает потери на дросселирование, делая кривую сопротивления системы более крутой, так что она пересекает кривую зависимости расхода от напора насоса в точке с более высоким напором и более низким расходом.

2) Широкое открытие клапана снижает потери на дросселирование, делает кривую сопротивления системы более плоской и смещает точку пересечения с кривой насоса в сторону более высокого расхода и более низкого напора.

Насос с частотно-регулируемым приводом

В настоящее время многие крупные насосы используют частотно-регулируемый привод (ЧРП). Работая с переменной скоростью, насос всегда может работать вблизи оптимальной рабочей точки (BEP). Другими словами, даже при значительном изменении расхода и напора насос может поддерживать практически постоянное и эффективное рабочее состояние. Другими словами, технология частотно-регулируемого привода динамически регулирует такие параметры, как скорость, чтобы насос мог работать в диапазоне BEP в различных рабочих условиях.