Определение параметров насосов и энергозатрат на их функционирование на эксплуатационных режимах ЯЭУ

 

Как уже отмечалось, номинальная подача каждого насоса принимается с некоторым завышением по отношению к потребностям системы на наиболее нагруженном ее режиме (на износ насоса, на взаимное резервирование насосов и пр.). На эксплуатационных режимах работы ЯЭУ подачу насоса, как правило, снижают и приводят в соответствие с потребностями системы. Снижение подачи производят либо прикрытием регулирующего клапана системы, либо соответствующим снижением частоты вращения насоса. При этом происходит изменение мощности насоса и равной ему мощности приводного двигателя. Изменение мощности по отношению к номинальному значению может быть весьма значительным и должно быть учтено при определении энергозатрат на функционирование системы.

Очевидно, что на эксплуатационном режиме мощность насоса определяется по зависимости того же вида, что и для номинальной мощности, но при иных значениях входящих в нее величин:

_цн = Q_цн ×p_цн/(h_цн×10³), кВт, (12)

 

Подача насоса на эксплуатационном режиме, как уже отмечалось, за счет регулирования подачи приводится в соответствие с потребностями системы на режиме. Но при этом изменяется и давление насоса р_цн и его КПД h_цн. Характер изменения этих величин для каждого конкретного насоса определяется мерой снижения подачи Q_цн, способом регулирования подачи и типом насоса, т.е. характер изменения величин индивидуален для каждого насоса. Для динамического лопастного водяного насоса конкретного типа иногда строят универсальную характеристику, которая показывает соотношение Q_цн, р_цн, h_цн. Пример такой универсальной характеристики показан на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Универсальная характеристика динамического лопастного водяного насоса

 

Если регулирование подачи осуществляется арматурой системы (или подбором соответствующей дроссельной шайбы), то при этом возрастает давление насоса в соответствии с его характеристикой р-Q (см. рисунок 1).

Как уже отмечалось, мера роста давления (крутизна характеристики р-Q) зависит от типа насоса. Для динамического лопастного водяного насоса она однозначно определяется коэффициентом быстроходности насоса n_s. В относительных величинах характеристики водяных насосов показаны на рисунке 4.

 

 

Как следует из универсальной характеристики динамического лопастного насоса (см. рисунок 3), с изменением подачи насоса изменяется и его КПД. Это объясняется тем, что при изменении подачи деформируются треугольники скоростей в проточной части, что приводит к ударному обтеканию рабочих лопаток. В результате возрастают потери мощности в насосе, КПД снижается. Мера снижения КПД насоса может быть однозначно определена его коэффициентом быстроходности n_s. В относительных величинах изменение КПД насосов показано на рисунке 5.

 

Рисунок 5 - КПД динамических лопастных водяных насосов: 1 - n_s = 64 - двухсторонний вход; 2 - n_s = 106; 3 - n_s = 155; 4 - n_s = 212; 5 - n_s = 282; 6 - n_s = 402 - односторонний вход; 7 - n_s = 650

 

Если данные, представленные на рисунках 4 и 5, обработать по расчетной зависимости (12), то можно получить изменение мощности насоса с изменением его подачи. Результаты такой обработки в относительных величинах представлены в виде номограммы на рисунке 6.

 

Рисунок 6 - Изменение мощности динамических лопастных водяных насосов при регулировании подачи насоса регулирующим клапаном системы: 1 - n_s = 64 - двухсторонний вход; 2 - n_s = 106; 3 - n_s = 155; 4 - n_s =212; 5 - n_s =282; 6 - n_s = 402 - односторонний вход; 7 - n_s = 650

 

Если подача насоса регулируется изменением частоты вращения рабочих органов насоса, то для замкнутых систем, как показывает теория динамических лопастных насосов, с достаточной степенью точности в расчетах можно принять, что подача насоса на нерегулируемую систему меняется прямо пропорционально изменению частоты вращения насоса:

_цн / Q_цн^ном = n_цн / n_цн^ном. (13)

 

Графически регулирование подачи насоса частотой вращения показано на рисунке 7.

 

Рисунок 7 - Регулирование подачи насоса частотой вращения рабочих органов

 

Так как гидравлическая характеристика системы (р_с) - квадратная парабола, то

_цн / p_цн^ном = (Q_цн / Q_цн^ном)². (14)

 

Как следует из рассмотрения универсальной характеристики насоса (см. рисунок 3) при уменьшении частоты вращения насоса его КПД снижается. Однако при снижении частоты вращения и подачи насоса его давление не только не увеличивается, как это имело место в случае прикрытия регулирующего клапана системы, но даже снижается, причем достаточно резко, пропорционально квадрату подачи. Поэтому снижение мощности насоса по зависимости (12) будет значительно интенсивнее, чем при регулировании подачи прикрытием клапана. Но все же за счет ухудшения КПД насоса снижение мощности происходит менее интенсивно, чем по кубической зависимости, по которой снижается полезная мощность насоса. Результаты совместного рассмотрения зависимостей (13) и (14) с учетом изменения КПД насоса графически представлены на рисунке 8.

 

Рисунок 8 - Изменение мощности динамических лопастных водяных насосов при регулировании подачи изменением частоты вращения: 1 - n_s = 64; 2 - n_s = 106; 3 - n_s = 155; 4 - n_s = 212; 5 - n_s = 282; 6 - n_s = 402; 7 - n_s = 650

 

По мощности насоса, определенной из графических зависимостей, показанных на рисунках 6 и 8, определяют мощность приводного двигателя, т.е. его загрузку:

_дв = N_цн, (15)

 

(если между насосом и двигателем нет каких-либо передач). Очевидно, что эта мощность заметно ниже номинальной мощности двигателя. Коэффициент загрузки двигателя при работе насоса на эксплуатационном режиме составляет

 

К_з.дв = N_дв / N_дв^ном. (16)

С учетом значительной недогрузки двигателя его КПД h_дв может заметно отличаться от номинального КПД h_дв^ном. Если это электродвигатель, то для оценки характера изменения его КПД в зависимости от загрузки необходимо знать особенности серии электродвигателей, к которой принадлежит рассматриваемый двигатель. Однако на данной стадии проектирования ЯЭУ выбор приводных электродвигателей еще не конкретизирован до выбора двигателей определенного типа. Поэтому следует воспользоваться обобщенными данными по поведению КПД двигателей различных серий, которые сводятся к графической зависимости, представленной на рисунке

 

Рисунок 9 - Обобщенные данные по изменению КПД электродвигателей в зависимости от загрузки

 

Характер такого изменения КПД электродвигателя объясняется следующим.

Так как электродвигатели, принятые по номинальным параметрам насосов с заметным превышением мощности, всегда работают в эксплуатационных режимах с большой недогрузкой, то их целесообразно проектировать таким образом, чтобы они имели максимальный КПД не на полной мощности, а при заметной недогрузке.

Это позволит в довольно широком диапазоне нагрузок (примерно К_з.дв = 0,5...1,0) иметь достаточно высокий КПД электродвигателя. В наших оценочных расчетах можно принять, что при К_з.дв = 0,5...1,0 h_дв ~ h_дв^ном.

Обобщенные данные по изменению КПД паротурбинных приводов представлены на рисунке 10.

 

Рисунок 10 - Обобщенные данные по изменению КПД паротурбинных приводов в зависимости от загрузки

 

Если предусмотрен электропривод, то энергопотребление на функционирование насоса можно определить по зависимости:

 

Р_с = N_дв / h_дв, кВт, (17)

 

где N_дв - мощность двигателя насоса на режиме, кВт;

h_дв - КПД двигателя на режиме.

Но из выражения (16) следует

_дв = К_з.дв ×N_дв^ном. (18)

 

Тогда выражение для определения мощности, потребляемой из сети, можно записать в форме, широко используемой в практических расчетах:

 

Р_с = К_з.дв ×N_дв^ном / h_дв, кВт. (19)

 

Ниже представлены некоторые более детализированные рекомендации по определению параметров насосов контуров и систем, непосредственно обеспечивающих реализацию цикла теплового двигателя: циркуляционного насоса первого контура (ЦНПК), главных конденсатных и питательных насосов (КН и ПН), насосов охлаждающей технической воды, подаваемой на главные конденсаторы (ЦНГК) и на устройства охлаждения технической воды - градирни (ЦНГр) или брызгальные бассейны (ЦНБр).