Беспалов В.И. Системы и источники энергоснабжения

Подождите немного. Документ загружается.

120

При постоянной частоте вращения рабочего колеса рабочий уча-

сток характеристики центробежного насоса может быть приближенно

описан уравнением [39]

VsHH 

(6.1)

где H

– условный напор насоса при расходе V = 0; s

– условное

внутреннее сопротивление насоса, м ∙ с

/м

В приложениях 12 – 13 приведены характеристики ряда сетевых

насосов, применяемых в современных теплофикационных системах.

При постоянной частоте вращения мощность, потребляемая насо-

сом,

,)1(













 x

xNN

(6.2)

где V

, N

– подача и мощность насоса при номинальном режиме (при

максимальном КПД); N – мощность насоса при подаче V, х = N

/ N

–

коэффициент холостого хода; N

– мощность насоса при холостом

ходе (V = 0). Коэффициент холостого хода центробежных насосов нахо-

дится в пределах 0,2 < х < 0,5.

Мощность, Вт, потребляемая насосом при номинальном режиме,

определяется по формуле

н.уннн







pVN

(6.2 а)

где ∆p

– перепад давлений, развиваемый насосом при номинальном

режиме, Па; V

– подача насоса, м

/с;

н.у



— КПД насосной установки

(произведение КПД насоса



на КПД электродвигателя



При номинальном режиме в среднем

н.у



= 0,7 – 0,8. Так как по-

теря напора в тепловых сетях, как правило, подчиняется квадратичному

закону, то характеристика тепловой сети представляет собой квадра-

тичную параболу, описываемую уравнением

VsH  или

(6.3)

121

sVp  ,

(6.4)

где ∆Н – потеря напора, м; ∆р – падение давления, Па; V – расход воды,

/с; s

— сопротивление сети, выраженное через единицы напора (по-

теря напора при V = 1), Па∙с

/ м

;

s = s

= s

γ — сопротивление сети, выраженное через единицы давле-

ния (падение давления при V = 1), Па∙с

/ м

; ρ — плотность воды, кг/м

;

g = 9,81 м/с

– ускорение свободного падения; γ — удельный вес воды,

Н/м

Из совместного решения (5.7), (5.8), (5.9), (6.3) и (6.4) находим

25,5

/)( dllAs



(6.5а)

25,5

/)( gdllAs



(6.5б)

где А

= 0,0894

0,25

k м

0,25

Как видно из (6.5), сопротивление сети s зависит от ее геометри-

ческих размеров, абсолютной шероховатости внутренней поверхности

трубопроводов, эквивалентной длины местных сопротивлений и плот-

ности теплоносителя, но не зависит от расхода теплоносителя. Для

данного состояния сети ее характеристика может быть построена по

одному известному режиму. Для определения сопротивления s доста-

точно знать для одного какого-нибудь режима расход воды V и соот-

ветствующее этому расходу падение давления ∆р.

Найденное сопротивление относится к температуре теплоносите-

ля, имевшей место при данном режиме. При изменении температуры

теплоносителя сопротивление сети, строго говоря, должно изменяться

пропорционально его плотности: s

= γ

/γ

= ρ

/ρ

Однако если на основе режимных данных находить сопротивле-

ние при средней температуре теплоносителя, то в условиях работы во-

дяных тепловых сетей можно не учитывать зависимость сопротивления

от температуры воды, так как степень изменения плотности воды в

пределах изменения температур, имеющих место в тепловой сети, не-

значительна.

Сопротивление s

обычно используется при построении пьезо-

метрических графиков. В отличие от сопротивления s сопротивление s

не зависит от плотности теплоносителя.

При изменении частоты вращения центробежного насоса изменя-

ется и его характеристика. Объемный расход (подача), напор и требуе-

мая мощность насоса связаны следующей зависимостью с частотой его

вращения:

122

21212121

// NNHHVVnn  ,

(6.6)

H, м

/с

Рис. 6.2. Гидравлический режим системы при разной частоте вращения насо-

сов

где V

, H

, N

— подача, напор и мощность при частоте вращения n

;

, H

, N

— те же показатели при частоте вращения n

На рис. 6.2 приведена характеристика насоса при двух значениях

частоты вращения n

и п

Уравнение характеристики насоса при частоте вращения n

(кривая 1)

При сопротивлении сети s

, рабочая точка насоса А находится из

условия равенства напора, развиваемого насосом, потере напора в теп-

ловой сети:

откуда

.01

;

VsH









(6.8

)

001

VsHH 

10011

VsVsHH



(6.7)

123

При изменении частоты вращения с п

до n

рабочая точка насоса

перемещается из точки А в точку В. При частоте вращения n

условный

напор, развиваемый насосом при нулевой подаче (V=0),

H 

При этом уравнении характеристика насоса (кривая 2) принимает

вид

2001

20022

VsH

VsHH 

Из условия равенства напора, развиваемого насосом, потере на-

пора в тепловой сети следует

;

.02

сс

















(6.8б)

С увеличением сопротивления тепловой сети s

возрастает напор,

развиваемый насосом, и снижается его подача.

При s

= ∞, V= 0 и Н = Н

характеристика насоса совпадает с

осью ординат. При s

= 0,

sHV  и H = 0 характеристика насоса

совпадает с осью абсцисс. При 0 < s

< ∞,

sH > V > 0;

0<Н<Н

Часто на станции работает совместно несколько насосов. Для оп-

ределения режима их совместной работы необходимо построить сум-

марную характеристику. Порядок суммирования характеристик насо-

сов зависит от способа их включения. Если насосы включены парал-

лельно, то суммарная характеристика строится посредством сложения

расходов (подач) при одних и тех же напорах. Например, если

(рис. 6.3, а) AB — характеристика насоса 1, а AC – характеристика на-

соса 2, то суммарной характеристикой этих насосов служит кривая AD.

Каждая абсцисса кривой AD равна сумме абсцисс кривых AB и АС. На-

пример, ab+ ac = ad.

124

Суммарная характеристика группы т параллельно включенных

насосов, имеющих одинаковые характеристики, описывается прибли-

женным уравнением

,)(

2пар

00пар



 VsHH

(6.9а)

где

пар

- напор насосной группы;

пар

/mss  - условное внутреннее сопротивление насосной группы,



V — суммарная объемная подача насосной группы.

Построение суммарной характеристики последовательно вклю-

ченных насосов проводится путем сложения напоров при одних и тех

же расходах. Например, если (рис. 6,3, б) АВ – характеристика насоса

1, а CD – характеристика насоса 2, то суммарная характеристика обоих

насосов изобразится кривой KL. Каждая ордината кривой KL равна

сумме ординат кривых АВ и CD. Например, аb + ac = al.

б)

)

Рис.6.3. Построение суммарной характеристики насосов:

а) – параллельно включенных; б) – последовательно включенных

Суммарная характеристика группы m последовательно включен-

ных насосов, имеющих одинаковые характеристики, описывается при-

ближенным уравнением

).(

пос

VsHnH 

(6.9б)

Степень изменения подачи при параллельном включении насосов

зависит от вида характеристики сети. Чем более пологий вид имеет ха-

рактеристика сети, т.е. чем меньше s

, тем эффективнее параллельное

125

включение насосов. Чем круче характеристика сети, т. е. чем больше s

тем меньший эффект дает параллельное включение.

На рис. 6.4 приведена суммарная характеристика двух параллель-

но включенных насосов, имеющих одинаковые характеристики:

АВ – характеристика одного насоса, AD – суммарная характеристика

двух насосов. Если характеристика сети имеет вид представленной на

рисунке линией ОК, то при работе одного насоса в сеть подается объем

V воды, а при работе двух насосов – объем

V .

Таким образом, два

насоса подают больше

воды, чем один. Если

характеристика сети

имеет вид OL, то пода-

ча воды остается одной

и той же, как при од-

ном, так и при двух на-

сосах.

При проектировании

насосных установок,

состоящих из несколь-

ких параллельно рабо-

тающих насосов, сле-

дует выбирать все на-

сосы

Рис. 6.4. Изменение расхода воды в сети при па-

раллельном включении насосов

с одинаковыми характеристиками, а расчетную подачу каждого из них

принимать равной суммарному расходу воды, деленному на число ра-

ботающих насосов, не считая резервных.

Подача насосов при последовательном включении также зависит

от вида характеристики сети. Чем круче характеристика сети, т.е. чем

больше

s , тем эффективнее последовательное включение.

Определение суммарной характеристики сети может быть прове-

дено как графическим, так и аналитическим методом. Метод графиче-

ского сложения характеристик участков сети аналогичен графическому

суммированию характеристик насосов. Практически более удобно про-

водить суммирование характеристик участков сети аналитически. При

этом пользуются следующим правилом, вытекающим из квадратичной

зависимости между потерей давления и расходом воды: суммарное со-

противление равно арифметической сумме сопротивлений, последова-

тельно включенных участков.

126

Пусть s

, s

и s

– сопротивления трех последовательных участков

сети, Суммарное сопротивление этих участков

ssss





(6.10)

Если участки соединены параллельно, то для суммирования ха-

рактеристик удобно пользоваться другим гидравлическим показателем

– проводимостью, под которой понимается величина, обратная корню

квадратному из сопротивления:

.1 pVsa 

(6.11 )

Пусть а

, а

, a

— проводимости трех параллельно соединенных

участков сети. Суммарная проводимость этих участков равна их ариф-

метической сумме

а = a

+ а

. (6.12)

Таким образом, суммирование характеристик участков тепловой

сети выполняется по следующему правилу: при последовательном со-

единении складываются сопротивления, при параллельном — прово-

димости.

Приведенный на рис. 6.3 метод построения суммарной характе-

ристики параллельно работающих насосов справедлив только в том

случае, когда эти насосы расположены в одном и том же узле, т.е. под-

ключены к одним и тем же подающим и обратным коллекторам. Если

же параллельно работающие насосы расположены в разных узлах сис-

темы теплоснабжения, то для построения их суммарной характеристи-

ки необходимо предварительно привести характеристики этих насосов

или насосных установок к одному общему узлу.

Метод приведения характеристик насосов к заданному узлу сис-

темы заключается в алгебраическом сложении напоров насосов с поте-

рей напора в линии, соединяющей насос с заданным узлом.

На рис. 6.5, а показана схема тепловой сети с двумя параллельно

работающими насосными установками А и Б, подающими воду в район

теплоснабжения, условно показанный в виде одного потребителя теп-

лоты П.

От насоса А вода поступает в район теплоснабжения по участку

магистральной тепловой сети С. Для построения суммарной характери-

стики двух насосных установок необходимо предварительно привести

характеристику насоса А из узла 1-1, где он установлен, в узел 2-2, где

127

установлен насос Б. Такое приведение показано на рис. 6.5, б и в. На

приведенной характеристике насоса А

напоры при любом расходе во-

ды равны разности действительных напоров, развиваемых этим насо-

сом, описываемых характеристикой А

, и потери напора в сети на уча-

стке С.

Рис. 6.5. Построение гидравлической

характеристики системы с насосными

установками, включенными в разных

узлах

a — принципиальная схема; б —

приведение характеристики насоса А к

узлу 2-2; в — определение расходов во-

ды и напоров при параллельной работе

насосов

Рис. 6.6. Параллельная работа двух насосов

I и II на общую систему П

После приведения характеристик насосов А и Б к одному и тому

же общему узлу 2-2 они складываются по обычному методу сложения

характеристик параллельно работающих насосов, приведенному на рис.

6.3, а. На рис. 6.5, в показаны приведенная характеристика насоса А (А

характеристика насоса Б, их суммарная характеристика (А

+Б) и харак-

теристика системы потребителя П. Как видно из рисунка, при работе

только одного насоса Б напор в узле 2-2 равен Н’

, расход воды V’

. При

подключении второго насоса А напор в узле 2-2 возрастает до Н > Н’

, а

суммарный расход воды насосной установки увеличивается до V > V’

Однако непосредственная подача насоса Б уменьшается при этом до

V’’

< V’

Б.

128

На рис. 6.6 приведены характеристики насосов I и II, их суммар-

ная характеристика (I+ II) и характеристика сети П, на которую они ра-

ботают.

При работе только одного насоса I на сеть II развиваемый напор

равен Н

и подача воды в сеть V

. Аналогично при работе одного насо-

са II на сеть П развиваемый напор равен Н

и подача воды V

. При од-

новременной работе обоих насосов на сеть П развиваемый напор равен

Н, а подача воды в сеть равна V. При этом подача каждого из насосов

при их параллельной работе меньше, чем при раздельной работе на ту

же сеть. Так, при параллельной работе подача насоса I

VV  , а подача

насоса II

VV  .

Характеристику сети П при параллельной работе двух насосов

можно условно представить как суммарную характеристику двух па-

раллельно включенных сетей ПI и ПII. Сопротивление каждой сети и

больше суммарного сопротивления s сети П.

Сопротивление сети П1 s

= Н/ sVHV 

222

)( ; сопротивле-

ние сети ПII s

= Н/ sVHV  )(

222

, где φ— долевые расходы по-

токов; φ

= VV

; VV

 .

Из приведенных соотношений следует, что

sVHss 

(6.13)

Таким образом, при одновременном поступлении в систему не-

скольких потоков воды гидравлическое сопротивление, испытываемое

каждым потоком, равно сопротивлению системы, деленному на квадрат

долевого расхода данного потока.

6.2. Гидравлический режим открытых систем

Основная особенность гидравлического режима открытых систем

теплоснабжения заключается в том, что при водоразборе расход воды в

обратном трубопроводе тепловой сети меньше расхода в подающем

трубопроводе. Разность расходов воды в подающем и обратном трубо-

проводах равна водоразбору плюс утечки из системы.

На рис. 6.7 показан пьезометрический график открытой системы

теплоснабжения, в которой абонентские вводы оснащены автоматикой

и работают по принципу связанного регулирования.

129

В рассматриваемой

системе пьезометриче-

ский график подающей

линии тепловой сети со-

храняется неизменным

при любом водоразборе,

так как расход воды в по-

дающей линии тепловой

сети поддерживается по-

стоянным с помощью ре-

гуляторов расхода, уста-

новленных на абонент-

ских вводах.

Положение пьезо-

метрического графика

обратной линии тепловой

сети зависит от водораз-

бора.

Рис. 6.7. Пьезометрнческий грфик открытой сис-

темы теплоснабжения со связанным автоматиче-

ским регулированием на абонентских вводах

1— подающая линия; 2 — обратная линия при от-

сутствии водоразбора (1'„= 0); 3 — обратная линия

при водоразборе, равном 30 % расхода воды в по-

дающей линии

С увеличением водоразбора уменьшается расход воды по обрат-

ной линии и пьезометрический график обратной линии становится бо-

лее пологим. Когда водоразбор равен расходу воды в подающей линии

тепловой сети, расход воды в обратной линии равен нулю, пьезометри-

ческий график обратной линии принимает вид горизонтальной прямой.

При одинаковых диаметрах подающей и обратной линий тепловой сети

и отсутствии водоразбора пьезометрические графики этих линий рас-

полагаются симметрично.

Часто в открытых системах теплоснабжения вместо регулятора

расхода устанавливаются постоянные сопротивления (ПС) – дроссели-

рующие вставки на подающей и обратной линиях сети перед узлом во-

доразбора. В таких сетях изменение водоразбора или перераспределе-

ние водоразбора между подающей и обратной линиями вызывает изме-

нение расходов воды не только в обратной, но и в подающей линии те-

пловой сети. В этих условиях осуществлять центральное регулирование

отопительной нагрузки можно только в том случае, если степень изме-

нения расхода воды через отопительные системы φ одинакова у всех

абонентов.

Теоретические исследования гидравлического режима открытых

систем теплоснабжения, проведенные С.А. Чистовичем [143], показы-

вают, что для выполнения этого условия начальная регулировка сети

при выключенном водоразборе должна проводиться по принципу так