Увеличение энергоэффективности и надёжности насосного оборудования

Последние несколько лет уверенно демонстрируют, что у специалистов коренным образом изменился подход к выбору насосного оборудования. Основными критериям выбора становятся энергетическая эффективность, надежность и минимальные затраты на техническое обслуживание. На первое же место выходит критерий совокупной стоимости владения или стоимости жизненного цикла оборудования, в котором расходы на приобретение насоса как такового, зачастую, являются минимальной статьёй затрат.

Энергетическая эффективность и надежность работы насоса зависят от положения его рабочей точки на характеристике относительно допускаемого рабочего диапазона. При выходе рабочей точки за пределы рабочего диапазона насос работает неэффективно и с низкой надежностью. Снижение КПД насоса при выходе рабочей точки за пределы рабочего диапазона (Рис. 1.) является достаточно очевидным и, имея на руках диаграмму с характеристикой КПД, пользователь всегда может оценить эффективность работы насоса в зависимости от положения его рабочей точки.

Рис. 1. Зависимость эффективности центробежного насоса от положения рабочей точки

При этом зависимость надежности насоса от режима его работы уже не является столь же очевидной и понятной для пользователей. График на рисунке 2 показывает, как зависит надежность насоса от положения рабочей точки относительно рабочего диапазона.

Рис. 2. График зависимости надежности насоса от положения рабочей точки

Работа насоса за пределами рабочего диапазона приводит к неблагоприятным для него последствиям:

• значительному повышению температуры насоса;
• снижению ресурса работы подшипников и уплотнений из-за возникающей вибрации как следствие возникновения кавитации в проточной части насоса или рециркуляции потока перекачиваемой среды на входе и выходе рабочего колеса, а также увеличения радиальных сил, действующих на ротор;
• снижению ресурса работы подшипников и уплотнений из-за вибрации, вызываемой отрывом потока перекачиваемой среды в проточной части насоса;
• кавитации и перегрузке приводного электродвигателя.

Во всех рассуждениях о надежности и эффективности насосных систем ключевым является понятие рабочей точки насоса и ее положения. Необходимо помнить, что рабочая точка насоса является пересечением характеристик насоса и гидравлической системы ― элементов, определяющих работу друг друга. Именно системный подход в решении задачи повышения энергоэффективности насосных систем является наиболее прогрессивным, что и определяет основные условия их энергоэффективной эксплуатации:

1. Высокая эффективность насосов и электродвигателей и других элементов системы.

2. Согласованная работа насоса и гидравлической системы.

2.1. Подбор насоса на требуемые параметры предельно близко к точке максимального КПД.

2.2. Характеристики насоса регулируются в зависимости от меняющихся условий, изменяющихся характеристик гидравлической системы или профиля нагрузки; при этом рабочая точка всегда находится в пределах рабочего диапазона насоса.

Задача производства такого насосного оборудования ― с высокой энергоэффективностью и надёжностью ― успешно решается и на АО «ГМС Ливгидромаш» (входит в Группу ГМС). Это ведущий производитель насосного оборудования для различных отраслей промышленности (в том числе для водоснабжения и водоотведения) с полным производственным циклом, включающим проектирование, литьё, механическую обработку и испытания насосов в реальных условиях эксплуатации. При создании нового насосного оборудования АО «ГМС Ливгидромаш» успешно реализует приведенные выше подходы. За последние несколько лет предприятием освоено производство новых линеек насосного оборудования.

Насосы двустороннего входа DeLium (ДеЛиум)
АО «ГМС Ливгидромаш» производит насосы двустороннего входа (тип Д) с 1953 года. За это время предприятием накоплен огромный опыт проектирования и производства насосов данного типа. Новая линейка насосов двустороннего входа, получившая название DeLium, включает более 70 типоразмеров, что позволяет подобрать насос на любые параметры и наиболее близко к точке максимального КПД. Линейка DeLium отличается впечатляющими максимальными параметрами:

• производительность: до 12 000 м³/ч;
• напор: до 250 м;
• рабочее давление: до 25 бар.

Насосы данной серии соответствуют максимальным требованиям по энергоэффективности, определяемых европейскими стандартами. При их проектировании учитывались требования к форме напорных характеристик, которые позволяют применять такие насосы для параллельной работы и работы с регуляторами частоты вращения. При разработке также активно использовались современные методы компьютерного моделирования, позволяющие получить оптимальные характеристики оборудования.

В конструкцию насосов этой линейки были заложены решения, которые значительно расширили область их применения: от систем водоснабжения до перекачивания нефтепродуктов и химически активных жидкостей. Основные преимущества насосов DeLium указаны на рисунке 3:

Рис. 3. Основные преимущества насосов DeLium
1. Усиленные подшипники с уменьшенным расстоянием между ними. 2. Сальниковое уплотнение / одинарное или двойное торцовое уплотнение. 3. Вал полностью изолирован от перекачиваемой среды. 4. Сменные кольца щелевых уплотнений. 5. Новая высокоэффективная гидравлика. 6. Двухзавитковая спираль. 7. Патрубки «в линию» 8. Фланцы по DIN/ANSI/ISO.

В рамках проекта освоения насосов DeLium была проведена масштабная реконструкция на АО «ГМС Ливгидромаш», включая литейное производство, участки механической обработки и испытательные стенды.

Насосы DeLium успешно эксплуатируются на водоканалах Санкт-Петербурга, Оренбурга, Воронежа и многих других городов и населённых пунктов, а также успешно поставляются на экспорт в Европу (в том числе в Германию и Италию), в страны Ближнего Востока и Северной Африки.

Насосы Kordis (Кордис)
Новая линейка консольных и консольно-моноблочных насосов Kordis включает в себя более 50 типоразмеров с производительностью до 2000 м3/ч, напором до 100 м и рабочим давлением до 16 бар. Эти насосы соответствуют требованиям ТР/ТС 048 «О требованиях к энергетической эффективности энергопотребляющих устройств» и ГОСТ 33970-2016 (EN 16480:2016) и имеют значение индекса энергоэффективности MEI>0.7, что является максимальным значением для оборудования такого типа.

Насосы Кордис имеют три конструктивных исполнения – консольное, консольно-моноблочное и исполнение с патрубками «в линию» («инлайн» / «inline»). Насосы в моноблочном исполнении и с патрубками «в линию» имеют встроенный подшипник, который позволяет применять для их привода стандартные серийные электродвигатели, широко доступные на рынке.

Рис. 4. Разрез насоса Kordis в моноблочном исполнении, серия KRL

Вертикальные многоступенчатые насосы Boosta и автоматические установки повышения давления APD на их основе
Установки повышения давления широко применяются в системах централизованного холодного и горячего водоснабжения, а также кондиционирования воздуха. Установка обычно включает от одного до шести насосов. Производительность насосной установки регулируется при помощи подключения или отключения необходимого количества насосов и частотного регулирования скорости их вращения.

В установках серии APD реализован каскадно-частотный способ регулирования, когда параметры установки регулируются за счет включения и отключения необходимого количества насосов, а также частотного регулирования каждого из них. Таким образом обеспечивается эффективная работа установки при значительных колебаниях профиля нагрузки. В настоящее время предприятием АО «Ливнынасос» (входит в Группу ГМС) освоен выпуск насосных установок APD с максимальной производительностью до 600 м3/ч и напором до 150 м. Установки комплектуются станциями управления с установленными частотными приводами для каждого насоса.

Рис. 5. Установка повышения давления APD

Аудит насосных систем
Основные проблемы с эффективностью насосного оборудования связаны с гидравлическими системами, которые находятся в эксплуатации длительное время. Типичными причинами низкой эффективности являются: неверный подбор насосов и их переразмеривание, применение неэффективных способов регулирования (в том числе дроссельного), изменившиеся за время эксплуатации характеристики трубопроводной системы и объемы водопотребления, изменившиеся характеристики трубопроводных сетей (коррозия, отложения на стенках труб), износ самих насосов.

Исходя из этого, при модернизации таких гидравлических систем необходимо проведение аудита насосной системы с целью определения требуемых параметров насосов. Такой аудит включает в себя проведение обследования оборудования и подготовку отчета с расчетом окупаемости различных вариантов модернизации.

При обсуждении таких программ модернизации насосного оборудования на объектах заказчика АО «ГМС Ливгидромаш», выступая в качестве поставщика комплексных решений для систем водоснабжения и водоотведения, включая производство современного энергоэффективного насосного оборудования и систем управления, также предлагает заказчикам и полный перечень услуг по проведению предварительного комплексного энергетического аудита насосов, насосных систем и насосных станций на их объектах.

Автор: А.В. Костюк, к. ф-м. н. заместитель директора - генеральный конструктор
Головной научно-технический центр (ГНТЦ), филиал АО «ГМС Ливгидромаш» (Москва)