Комплексная характеристика насоса

Характеристикой насоса называется графическая зависимость основных параметров насосов (напора Н, мощности N, К.П.Д. h, допустимого кавитационного запаса Dh_д или высоты всасывания Н_S от подачи Q).

Центробежные насосы, к которым относятся агрегаты НМ, НПВ могут иметь два вида характеристик – комплексную и универсальную. Основной характеристикой подобных насосов является комплексная. Общий вид её показан на рисунке 7.4.

                                     

Рисунок 7.4. Комплексная характеристика насоса

 

Рекомендуемая заводом-изготовителем область применения насосов по подаче (рабочая зона) отмечена на H-Q характеристике волнистыми линиями или выделяется в виде обособленного поля 1. Рабочей зоне отвечают наиболее высокие значения К.П.Д. насоса.

Область применения насоса может быть расширена обточкой их рабочих колёс. Насосы магистральных трубопроводов допускается обтачивать не более чем на 10%, т.к. при большем значении обточки рабочих колёс наблюдается заметное снижение К.П.Д. насосов. Предельно допустимому значению обточки рабочего колеса соответствует нижняя кривая H-Q из двух приведённых на характеристике. Верхняя H-Q кривая отвечает необточенному колесу.

Кавитация - процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или пустот), которые содержат растворенный в жидкости газ.

Явление кавитации в трубопроводном транспорте нефти/нефтепродуктов проявляется при работе насосных агрегатов при малых давлениях перекачиваемой среды во всасывающем патрубке насосного агрегата.

Рассмотрим явление возникновения кавитации на примере перекачиваемой среды – нефти. Согласно ГОСТ Р 51858-2002 «Нефть. Общие технические требования» среднее значение давления насыщенных паров нефти составляет 66,7 кПа. Атмосферное давление при нормальных условиях составляет 101,3 кПа. В нормальных условиях явления кавитации не наблюдается, поскольку насыщенные пары удерживаются в жидкости за счет поддержания давления выше атмосферного.

При снижении остаточного напора на всасе насоса ниже кавитационного запаса, давление нефти на входе в насос также снижается. После снижения давления ниже давления насыщенных паров начинается процесс кавитации, а именно выделения в потоке нефти микропузырьков растворенного в ней газа. Этот процесс также можно назвать «холодным кипением». Далее поток нефти с микропузырьками проходит на лопатки рабочего колеса насоса, которое при своем вращении увеличивает давление перекачиваемой нефти. При увеличении давления выше давления насыщенных паров нефти происходит «схлопывание» микропузырьков растворенного газа, которое и сопровождается локальными гидравлическими ударами. Схлопывание микропузырьков непосредственно в области перемещения нефти вдоль лопаток рабочего колеса при длительной работе насоса в режиме кавитации приводит к потере металла рабочего колеса и как следствие снижения коэффициента полезного действия насоса, и даже выходу его из строя. Процесс схлопывания пузырьков растворенного газа также приводит к повышению вибрации насосного агрегата.

Для защиты от работы насоса в режиме кавитации устанавливается минимальное рабочее давление на входе магистральной насосной станции. Для исключения работы магистральных насосов в режиме кавитации на выходе МНС устанавливают регулирующие заслонки, одной из задач которых является поддержания давления на входе в МНС не ниже минимального рабочего давления на входе в МНС путем прикрытия исполнительного механизма.

Допустимый кавитационный запас D h_д, приводимый на характеристике, есть минимально допустимый избыток удельной энергии перекачиваемой жидкости на входе в насос над удельной энергией насыщенных паров жидкости, при котором не происходит холодного кипения жидкости в насосе или кавитации. С помощью Dh_д рассчитывается минимально допустимое давление на входе в насос Р_вхmin

 ,

где Р_S – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при температуре перекачки, Н/м²; r – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; Dh_д – допустимый кавитационный запас, принимаемый по комплексной характеристике насоса для соответствующей подачи, м.

При давлениях на входе в насос, больших Р_вхmin, кавитации в насосе не наблюдается.

 

При решении многих инженерных задач H-Q характеристики насосов используются в аналитической форме, которую получают путём аппроксимации графической H-Q зависимости. Аппроксимацию выполняют на основе уравнения (1) и осуществляют следующим образом.

H = a - b×Q2                            (1)

На H-Q характеристике в её рабочей зоне берут две любые точки с координатами Q₁, H₁ и Q₂, H₂ соответственно. Затем эти координаты подставляют и дважды записывают уравнение (1). В результате получают систему двух уравнений с двумя неизвестными – a и b.

                              

Решение данных уравнений даёт зависимости для определения численных значений a и b через известные Q₁, H₁ и Q₂, H₂:

;             .

Подставив рассчитанные значения a и b в выражение (1) можно пользоваться этим выражением для определения напора насоса в зависимости от его подачи.