автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Энергосберегающие режимы мелиоративных насосных станций с крупными центробежными насосами

МНППСТКИГИЮ СЕЛЬСКОГО II йодного ХОЗЯЙСТВА РИС!IУШИ 11«I У31>ЕКИ(',ТЛ11 1\IIIГ, 11114 1x11II ППСТПТУТ ИПЖИИШЧЖ ИРРИГАЦИИ _ II МКХЛШШЛЦИМ СШПИЖОГО ХОЛИЙСГИА

п т- л п На нравах рукописи

|' I и 1/Л

о

ХАЛЕД СУЛЕЙМА11 АЛЬ-РАБ АБА

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ С КРУПНЫМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент - 1998

Работа выполнена в отделе автоматизированных систем унр ления (АСУ) Среднеазиатского научно-исследовательского инс чуга ирригации (САНИИРИ) им. В.Д.Журииа

Научный руководитель : доктор технических наук,

профессор Ш.РАХИМОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

О.Я.ГЛОВАЦКИЙ кандидат технических наук, Б.Р.УРАЛОВ

Ведущая организация - Институт водных проблем АН РУз.

Защита состоится 1998 г. час.

заседании Специализированного Совета К. 120.06.02 в Тс кентском институте инженеров ииригации и механизации се. ского хозяйства (ТИИИМСХ) по адресу: 700000, Ташкент, Г( ул. Кары-Ниязова, 39, ТИИИМСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиот! ТИИИМСХ.

Автореферат разослан " 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.н., доцент

А.А.ЯНГИЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы резко возросла роль энергосберегающих режимов систем машинного орошения в республиках Центральной Азии. Так, например, в Республике Узбекистан построены и эксплуатируются около двух тысяч насосных станций (НС) и установок, которые орошают более трети всех поливных земель. Ежегодно насосными станциями перекачивается свыше 50 млрд. м3 оросительной воды, затрачивая при этом около 8,5 млрд.кВт.ч электроэнергии.

Крупные мелиоративные насосные станции с центробежными насосами, такие как Хамза-1, Хамза-!1, Кизил-Тепа, Джизакский каскад, НС-7 Каршинского магистрального канала (КМК) и др. эксплуатируют центробежные насосы агрегаты единичной мощностью до 12,5 ГЛВт.

По конструктивным соображениям насосные станции проектируются, а основном, без учета гидравлических процессов, влияющих на работу агрегата, и степени этою влияния. При эксплуатации большого числа высокопроизводительных насосов уменьшение КПД, подачи и увеличение затрат электроэнергии и времени ремонта агрегатов снижает технико-экономические показатели и надежность системы машинного водоподъема (СМВ). Ущерб от этого достигает нескольких десятков миллионов сум 8 год. Мало исследований по изысканию рационального и эффективного способа расширения зоны работы центробежного насоса (ЦБН), изготавливаемых и применяемых на мелиоративных насосных станциях.

Установлено, что достаточно эффективным является изменение частоты вращения рабочего колеса насоса (РК). Однако этот способ трудно осуществлять и на практике он заменяется обточкой РК по наружному диаметру. Изменение размеров РК изменяет основные показатели работы насоса и его рабочие характеристики.

Исследования вопросов совершенствования режимов работы мелиоративных насосных станций систем машинного водоподъема в условиях острого дефицита водных и энергетических ресурсов, дадут возможность определить такие режимы эксплуатации, которые обеспечат снижение непроизводительных потерь электроэнергии на насосных станциях, являются акту-

альными и имеют большое народнохозяйственное значение.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованных энергосберегающих режимов работы крупных мелиоративных насосных станций, оснащенных центробежными насосами, путем совершенствования насосно-силового оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести на основе обзора развития СМВ в Узбекистане анализ современного состояния опыта эксплуатации насосных станций, оборудованных крупными центробежными насосами;

- разработать энергосберегающие режимы и методы изменения характеристик ЦБН на НС СМВ;

- исследования обоснованных способов расширения оптимальных характеристик центробежных насосов.

Методы исследований: Использовались методы расчета энергогидравлических показателей работы насосных станций и напорных систем, полученные на основе теории гидромашин и гидротехники. Исследования проводились по методикам с использованием ГОСТ 6134-77 по испытаниям насосов и методов математической статистики. Методика натурных исследований заключалось в синхронной регистрации показаний, станционных приборов (уровни воды мощности, разворот лопастей) и оценки степени развития неблагоприятных режимов НС (вибрация, кавитация агрегатов) и их устранение.

Обьект исследований: Обьектами натурных исследований выбраны НС-7 КМК и Джизакская головная насосная станция (ДГНС).

Научная новизна. На основе обобщения исследований по совершенствованию режимов работы крупных насосных станций с центробежными насосами, а таше разработок и исследований автора, научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методы оценки режимов эксплуатации насосной станции на базе станционных приборов и выбора оптимального режима эксплуатации насосно-силового оборудования;

- подтверждена качественная сторона расширения зоны использования крупных вертикальных центробежных насосов путем комбинированных видов обточки рабочего колеса.

Достоверность результатов. Выводы и рекомендации содержащиеся в диссертационной работе обоснованы проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями. Их достоверность подтверждена результатами натурных экспериментов и внедрением в производство.

Практическая ценность результатов исследований заключается в том, что использование разработанных методик позволяет определить рабочие параметры, обеспечивающие рациональные режимы эксплуатации, а также обеспечит минимизацию затрат электроэнергии для выполнения заданного графика водоподачи насосной станции.

Внедрение. Разработанные методы используются в Джизакской головной насосной станции (ДГНС) для определения рабочих параметров и затрат электроэнергии на водоподъем. Ожидаемый экономический эффект составляет 12 млн сум (в ценах на март 1997 г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на республиканской научной конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент" (Ташкент, 1997 г.), семинарах Лаборатории насосных станций и установок, отдела АСУ НПО "САНИИРИ", а также на заседаниях секции "Водное хозяйство и системы управления" Ученого совета НПО "САНИИРИ". (1995-98 г.) и научных семинарах в Институте Водных проблем АН РУз и ТИИИМСХ (1998 г.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы б научных трудов, из них 3 научные статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 129 источников, материал изложен на 150 стр. основного текста, содержащего 24 рисунка и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во. введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Приведены научная Новизна и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первом главе проведен обзор развития системы машинного орошения в Узбекистане и Иордании.

В настоящее время почти все сельхозпроизводство Центральноазиат-ского региона базируется на 7,5 млн.га орошаемых земель бассейна Аральского моря, реками Амударья и Сырдарья, из которых 4 млн.га приходится на Узбекистан. Средние ежегодные водные ресурсы региона оцениваются в 126 км3, из которых более 100 км3 расходуются на орошение.

Рельеф региона такоз, что значительная часть пахотных земель располагается вверх идущим террасами, требуют машинного водоподъема. В настоящее время в Узбекистане насосами перекачивается более 50 км3 воды, поэтому он является наиболее насыщенной насосами республикой, здесь сосредоточено более половины насосных мощностей всего региона.

Далее в главе рассмотрен процесс развития СМВ, с 1960 г. до настоящего времени, а также дана таблица основных крупных насосных станций Узбекистана. Изучено современное состояние эксплуатации крупных мелиоративных насосных станций, оборудованных центробежными насосами: Джизакский каскад насосных станций, Хамза-1, Хамза-11, Кизил-Тепа, Аму-Зангский двухступенчатый каскад и др., в которых несколько центробежных насосов подключаются параллельно на один напорный трубопровод. Режимы работы станций, в основном зависят от уровней, воды в нижнем и верхнем бьефах, от количества работающих насосных агрегатов и их схемы включения в напорный трубопровод. Регулирование подачи насосной станции осуществляется ступенчато, путем включения или отключения насосного агрегата.

В результате применения неэкономичных способов регулирования режимов работы насосных станций теряется в 5-12% потребляемой электроэнергии.

Вопросами, посвященных исследованиями, и задачами совершенствования режимов работы крупных насосных станций занимались Виссарионов В.И., Вишневский К.П., Гловацкий О.Я., Карелин В.Я., Коваленко П.И., Рахимов Ш.Х., Бегимов И., Усманов Р.А., Хусанов М.А., Халматов В.А., Хохлов А.В. и другие.

- S -

Обзор работы, посвященных совершенствованию режимов работы-крупных насосных станций с центробежными насосами, показал, что эти работы в основном, предназначены для использования их при проектировании. Поэтому возникла необходимость проведения исследований по совершенствованию режимов работы крупных насосных станций с центробежными насосами, которые бы обеспечивали минимизацию потерь электроэнергии на водоподъем.

Это относится к крупным насосам, з также к тем случаям, когда характеристики насоса существенно изменяются под влиянием условий эксплуатации. Так как кривая Q-ц имеет в зоне оптимальной точки пологий характер, то ма> практике пользуются рабочей частью характеристики насоса в пределах которой, рекомендуется его эксплуатация1. Рабочая часть характеристика зависит от допустимого снижения. КПД которое принимают, как правило, не более 2-3 % максимального его знзчетя.

Пользуясь зависимостям», подача st напора от диаметра рабочего колеса, можно построить кривые Q - Pi длт? любого значения диаметра рабочего колеса о пределах рекомендуемых нзшт степеней, их обточки (срезов): fW Н = (Do6 / D)2 ; до

Qo6/Q=(Do6/D)2 , т

где Но6 к Qo6 - соответственно напор» ст'подача нзсосз лри> обточенном рабочем колесе;

ЕУоб- - диаметр рабочего колеса после обточки.

Для. колес центробежных насосов с п» < 150 при изменении- зазоров- более точный результат определяют не по формулам1 (Т, 2) а> по выражениям

D'o5 = Е> VНо5/ Н! (1 + Щ ww Ообt® = E>o« t D> (3) где К - коэффициент вихревой слагающей, определяемый npm экспериментальных исследованиях.

Иллюстраций изложенных выше теоретических представлений, об изгле-нении характеристик центробежных насосоа может служить опыт увеличения подачи каскада Голодностепинских насосных станций. Он состоит из двух насосных станций, оборудованных насосами типа 52 B-II с вертикальными синхронными электродвигателями мощностью 7,5 мВт, из которых б установлены на первом подъеме и 4 на втором. Увеличением диаметра рабочего

колеса (РК) действующих насосов с 2,2 м до 2,28 м, получено увеличение по дачи каждого насоса при самостоятельной работе на 0,7-0,75 м3/с и при те трек насосов на одчу к^тку трубопровода по 0, 55-0,60 м3/с, при мощносп на валу не превышающей 7500 кВт.

Под нагрузкой, при закрытом дисковом затворе и нулевой подаче, насо< развивал напор 96.6 - 116.6 м .вод. ст. с подтоплением РК 4.5 м. Замеры по дачи насоса были произведены, после 2874 часов работы. Они составил! 7.28 м3 /с шли на 0,55 м3 /с больше подачи того же агрегата со старым, Н! увеличенным рабочим колесом.

Общая подача воды станцией, при работе 3-х агрегатов со старыми ра бочими колесами диаметром 2.2 м и 3-х агрегатов с модернизированным диаметром 2.28 м, составила 33.37 м3 /с, т.е. превышала подачу до модерм зации на 2.17 м3 /с.

При эксплуатации НС необходимо уделить особое внимание совместно работе насосов с различными характеристиками. При этом следует иметь виду, что не всегда насосы, работающие параллельно при максимальных п< дачах, смогут работать вместе при минимальных и наоборот.

Во второй главе приведены энергосберегающие режимы и метод изменения характеристик центробежных насосов.Технологическая нори расхода электрической энергии на единицу работ включает иесь расход их I основные и вспомогательные гидромеханические и энергетические процесс и НС и потери энергии: гидравлические, механические, тепловые, электрич ские, обусловленные характером применяемого оборудования (кроме вне1 них потерь).

Для совершенствования расчета энергосберегающих режимов и рш электрогатрат, в качестве объектов были рассмотрены крупные НС РУз:ДН КМ К, АБМК, Аму-Занг и др.

Наиболее полно поставленной задаче отвечают НС ДНС и НС-7 КМ которые шляются уникальными гидротехническими сооружениями, включз! наиболее широкий технологический набор элементов: разменные агрегат объединенные напорные трубопроводы, сложный диспетчерский график з> ллуатации.

Характеристика некоторых центробежных насосов (как правило, малой быстроходности) неустойчива. Кривая £Э-Н таких насосов имеет максимум а зоне небольших подач.

Вначале насос работает с большой подачей и система заполняется водой. Если при этом расход воды, отбираемой потребителем, меньше подачи (Опот < Он), то начнет подача насоса уменьшаться. При сохранении условия Опот < Он уровень должен был бы расти и дальше, но это невозможно, так как насос не в состоянии обеспечить больший напор.

При этом равновесие нарушается и система насос-сеть попадает в так называемый режим помпажа. Напор, раззиваемый насосом, падает до значения напора холостого хода Н0, насос уже не может удержать давящий на него столб жидкости высотой Итак, и жидкость начинает течь в обратном направлении (если на напорном трубопроводе насоса не установлен обратный клапан). Как только уровень понизится, насос возобновит работу с подачей,соответствующей характеристики О-Н. Если режим работы системы к этому времени не изменится, то описанное явление повторится вновь. Неустойчивый режим работы насоса в системе приводит к колебаниям подачи и напора и может сопровождаться гидравлическими ударами в напорном трубопроводе.

Как показано в диссертационной работе, если РК не обеспечивает потребных характеристик, то обычно пытаются обойтись доработками имеющегося образца, установленного в спиральном кожухе, потому что устранение соответствующих поверхностей трения здесь оказывает большее влияние, чем ухудшение распределения потока. У насосоз с направляющим аппаратом целесообразно сохранить стенки колеса в тех случаях, когда требуется стабильная напорная характеристика, потому что высота напора увеличивается при закрывании задвижки. При снятии боковых стенок могут также возникнуть повышенные потерн в зазоре между колесом и направляющим аппаратом, в особенности тогда, когда свободные объемы имеются не только между рабочим колесом и корпусом, но также между направляющим аппарат том и корпусом.

При определении значения ДО для обтачивания необходимо учесть, что высота напора уменьшается несколько больше, чем пропорционально квадрату диаметра, так как уменьшение передаваемой мощности растет, еследст-

ше уменьшения длины лопатки. Кроме того, расход, соответствующий оптимальному КПД, уменьшается, потому что абсолютная выходная скорость из колеса уменьшается. Расход О примерно обратно пропорционален диаметру йг- Если в расчет ввести новый диаметр 02, связанный с новым значением напора Н' соотношением

то можно вычислить рациональный размер обтачивания лй с помощью эмпирических коэффициентов.

Коэффициент полезного действия при обтачивании изменяется различно в зависимости от формы колеса и у тихоходных машин даже увеличивается, а при повышенной быстроходности уменьшается с самого нзчала. Это изменение сильно зависит от того, насколько перед обтачиванием соответствовали друг другу РК и направляющий аппарат. В некоторых условиях, например, при параллельной работе двух насосов периодические изменения О и Н могут начаться при подаче 0„. Эти изменения О - Н сопровождаются колебаниями мощности и числа оборотов агрегата. Если частота периодических изменений совпадает с частотой собственных колебаний системы, то ■ происходит опасная вибрация.

Зазор между окружностью РК и направляющими лопатками выполняется для центробежных насосов возможно малым, лишь бы посторонние частицы могли пройти без повреждения лопаток. Эгот зазор неблагоприятно влияет, в основном, на КПД, хотя он и представляет зону для выравнивания неравномерности поля скоростей, создаваемого рабочими лопатками.

Энергетические характеристики центробежных насосов с открытым рабочим колесом практически не зависят от относительного торцового зазора 5 / йг в широком диапазоне значений Б. Коэффициент напора Ч' = На/ и22 таких колес значительно выше, чем аналогичных колес закрытого типа с лопатками, очерченными по закону, близкому к логарифмической спирали.

В настоящее время Ает точной теории расчета открытых РК, поэтому при проектировании широко применяется метод модельного пересчета, который не всегда удобен при конструировании проточной части насосов.

(4)

Автором на примере балансовых испытаний в САНИИРИ открытых рабочих колес дается количественная оценка в распределении долей передаваемой энергии потоку от вихревой и струйной составляющих. Основные геометрические размеры испытанных колес приведены в таблицей

Таблица 1

Характеристики РК центробежных насосов

Рабочее колесо о2 ь2 02 г о, 0,2

РК-4а 65 4 75 12 35 65

РК-46 65 4 75 12 35 55

РК-4в 65 4 75 12 35 48

Испытания колес проводились на специальных стендах, которые позволили получить составляющие полной энергии колеса. К ним относятся:

- переносная скорость У = ю*г2, (5)

где со - угловая скорость; определилась путем замера частоты вращения ротора насоса;

- проекции абсолютной скорости на переносную

\/и2 = М / р О? пг (6)

где М - момент, з^. 'ср энный на периферии рабочего колеса;

статическое давление у- , у- соответственно на входе и выходе из коле--

са.

Полная удельная энергия, переданная колесом потоку, равняется Н-1^ £ (7)

С учетом внутреннего процесса в колесе насоса это выражение можно записать в виде

= (8)

У 2д

при = О

Гидравлический КПД колеса Лг = (9)

Коэффициент к вихревой слагающей энергии при одной и той же гео-

Н„

метрии колеса зависит от степени открытия лопаток колеса £ = 012/ 02. Балансовые испытания рабочих колес, у которых £ изменялся от1 до 0,7 , позволили определить зависимость К = 1 (£):

4.....1 0,85 0,74

К.....0.99т 1,01 1,15 1,42

Полученные расчетно-экспериментальные данные дают возможность точнее определить напор и потребляемую мощность насосов с открытыми рабочими колесами.

Однако, кроме вопросов экономии электроэнергии, новые конструкции РК центробежных насосов должны учитывать и другие вопросы ресурсосбережения, актуальные как для РУз, так и для Иорданских объектов. В результате обследования более 100 отработавших ресурс рабочих колес в указанных условиях зксллуатации установленны некоторые закономерности износг элементов колеса: области интенсивного износа поверхностей имеют ло кальный характер и расположены на входной кромке и рабочей поверхности лопатки вблизи ведущего диска, а на ведущем диске - вблизи рабочих по верхностей лопаток.

Эти закономерности легли в основу разработки новых характеристик РК Испытания модернизированных насосов показали, что с применением РК но вой конструкции последние могут перестать быть самым изнашиваемым эле ментом проточной части.

В процессе исследования условий стабильности напорных характера стик центробежных насосов были получены данные, позволяющие оценит количественную зависимость Оф от 01С(, / Рщ. Исследована структура поток на входе РК насосов в диапазоне п5 = 60 * 140 в условиях безкавитационно работы (т.е. без явных признаков кавитации). Результаты измерений локазг ли, что при достижении критической подачи Оф < 00, на входе в колесо дс статочно резко меняется знак меридиональной составляющей скорости пот< ка подачи и появляется тангенсиальные составляющие скорости на лериф! рии входного патрубка. В! табл.2 представлены некоторые геометрически параметры, включая отношение диаметра 0Нр / 01п. экспериментально опре деленную относительную критическую подачу и соответствующий ей относ тельный угол атаки вариантов испытанных рабочих колес

Таблица 2

Результаты испытаний

Варианты рабочего колеса Число попаток D2/DI D,cp/D,„ Pía, град Q«P / Qo APkp Pi„

1 6 2.88 0.855 17 0.51 0.47

1-0 6 2.88 1.0 23 0.31 0.68

2 6 2.14 0.835 25 0.51 0.53

3 6 1.875 0.81 25 0.49 0.50

4 5 1.63 0.84 19 0.54 0.45

Рабочие колеса 1, 1-0, 2, 3 рассчитаны на одну и ту же подачу при различных напорах. Вариант 1-0 отличзется от варианта 1 тем, что входные кромки лопаток обточены параллельно оси колеса.

Установленное экспериментально влияние расположения входной кромки на относительную критическую подачу можно связать с взаимодействием между натекающим потоком и лопатками РК. Возникающие в межлопаточном пространстве под влиянием "относительного вихря" вторичные течения приводят к изменению условий натекания на периферии и увеличению QKp/ Q0. В дальнейшем это использовано нами при апробации режимов НС-7 !<МК иДГНС.

3 третьей главе исследованы обоснованные способы расширения оптимальных характеристик центробежных насосов.

Обоснованные выше теоретическим и экспериментальными методами способы изменения характеристик центробежных насосоз наиболее целесообразно применить на НС-7 КМК, где существуют тяжелые режимы эксплуатации, связанные с резко меняющимися УВВБ и комбинациями работающих насосов, характеристика основных насосов 2400 ВР 25/25 приведены на рис.1

НС-7, запроектированная для заполнения крупнейшего наливного Та-лимзрджансюго водохранилища, эксплуатируется с 1.980 г. Основные насос-

Рис. 1.

Характеристика насоса 2400ВР £¡>/25 п = 18? об/мян, 2780 ии

ные агрегаты типа 2400 ВР 25/25 впервые оснащены направляющими аппаратами (НА). По проекту регулирование параметров агрегатов осуществляется комбинированно: дисковыми затворами на напорном трубопроводе и НА. Работа насосов в широком диапазоне напоров при заполнении водохранилища в рекомендуемых режимах (> 16 м) приводит к изменению рабочих характеристик. По проектным условиям работа на напоры < 16 м приводит к перерасходу электроэнергии. Существуют методы регулирования характеристик изменением конфигурации рабочих органов нгсосоэ (увеличение площади входного канала РК, подрезка и др.) Путем рационального сочетания описанных методом возможно оптимизировать режимы работы насосных агрегатов.

Гидротехнический узел НС-7 КМ К включает аванкамеру, водоприемник, здание насосной станции и водовыпуск с быстродействующими затворами. На станции запроектирована установка семи уникальных, крупнейших в СНГ центробежных насосов с расчетным напором Нр=25 м, подачей 0=25 м3/с, числом оборотов п=187,5 об/мин и коэффициентом полезного действия П=87%. Насосы обеспечивают подачу в водохранилище нормального расчетного расхода воды 142 м3/с. Приводом насосов служат синхронные вертикальные электродвигатели ВДС-375-89/32 мощностью 8000 кВт. Для соблюдения графика водоподачи на насосной станции установлены два разменных резервно-форсировочных насосов типа 1600 В 10/40 (Нр = 28 м, О = 8,7 м3/с.

Г1 = 88%).

На НС-7 КМ К мощность крайних агрегатов на 3...6% превышает мощность соседних. Необходимо учитывать и взаимное расположение насосов относительно коллектора напорного трубопровода, различие конструкций насосов (отсутствие, в частности, у двух крайних насосов направляющих аппаратов). Такой многофакторный анализ причин неадекватного энергетического состояния теоретически выполнить очень сложно, чем обусловлена необходимость натурных испытаний. Основной трудностью при такого рода испытаниях, особенно проводимых а производственных условиях, является обнаружение кавитации и количественная оценка степени ее развития.

Обычно началом кавитации считают снижение напора или КПД насоса на 2% по сравнению с величиной, соответствующей бескавитациснной работе.

На рис.2 приводятся результаты кавитационных испытаний центробежного насоса 1600 В 10/40. Сплошная линия показывает изменение требуемой величины кавитационного запаса HVj, которая определялась для различных режимов работы насоса по уменьшению напора. На том же графике пунктирной линией показано изменение с режимом величины Htu, подсчитанной для момента возникновения кавитации, зафиксированного путем визуальных наблюдений. Абсолютные значения величины Ньи, полученные двумя способами, близки друг другу только при режиме безударного входа (Q=12 м3/с). При всех других режимах возникновения кавитации и образование значительных по размеру кавитационных зон в рабочем колесе происходит задолго до снижения напора насоса вследствие кавитации. Развитие кавитации происходит чрезвычайно быстро, в связи с чем значение коэффициента кавитации а (рис.3) резко увеличиваются с возрастанием расхода выше оптимального. Опыт эксплуатации показывает, что одновременно с этим происходит и увеличение интенсивности кавитационного износа. При очень малых расходах отмечается резкое возрастание интенсивности износа РК, особенно элементов направляющего аппарата.

В связи со значительным колебанием уровня воды в водохранилище и соответствующего напора насосных агрегатов (от 16 до 32,5 м) предусмотрены следующие способы регулирования основных параметров насосных агрегатов:

-путем изменения угла установки лопаток направляющего аппарата агрегатов 2400 ВР-25/25. По заданному расходу из. совокупности рабочих характеристик, отвечающим различным углам установки лопаток НА выбирается обеспечивающая наивысший КПД (рис.1). Оценить возможный диапазон регулирования б помощью НА можно с помощью анализа приведенных (к точке объединения соответствующих напорных трубопроводов) характеристик агрегатов. Воспользовавшись характеристикой одного насосного агрегата 2400ВР-25/25 определим диапазон регулирования расхода НА при напоре, например 16 м (табл.3):

/В

н 12

Л)

4

\ v й/х

я—5

а, «У?

Рис.2. Изменение напитационного запаса насоса 1600 В 10/40

А а

I и 2 - натурные исследования:по уменьшении

напора (I) и при начале кавитаиии (2>; .3 - теоретическая хррактеристика.

4

Ю

В. 6 0А 0.2

У

У >

ч г""

18

27

в, , и */о

Рис.3. Функция коэффициента кавитации б" » | (СО насоса 2400 БР 25/25

-о— при различите открытиях направляющего аппарата;

----- для приведенных характеристик комбинаторного типа.

Таблица 3

Диапазон регулирования НА.

Параметры Углы установки лопастей НА

<Р° +40° +30° +20° +10° +0° -10°

О 26,1 29,1 23.5 31,5 32,5 33,5

Л 0,79 0,8' 0,8 0,78 0,76 0,72

Ауд 0,055 0,054 0,054 0,056 0,057 0,06

где ч>° - угол установки лопаток -НА;

О - подаваемый насосом расход, м3/ с;

П - развиваемый при этом КПД;

Ауд - удельные затраты электроэнергии на подъем 1 м3 воды, а - Мп°тр к Вт .и

Как видно из таблицы 3, при регулировании НА достигается изменение расхода в пределах 23%, при этом удельные затраты электроэнергии меняются менее значительно (до 8%);

- путем включения - отключения дополнительных насосных агрегатов, в том числе "разменных" марки 1600В 10/40. Диапазон применимости данного метода ограничен интервалом допустимых значений УВНБ НС-7.

Указанные методы регулирования не только дополняют друг друга, но и позволяют достичь искомого расхода различными независимыми способами.

Модельные испытания показали, что увеличение площади выходного сечения на 1% (в пределах до 11%) приводит, за счет снижения сопротивления в межлопаточном пространстве и изменения эпюры скоростей не, выходе из рабочего колёса, к увеличению подачи на -1,4% при тех же напорах и КПД. Рекомендуемое для рабочего колеса насоса 2400 ВР 25/25 увеличение площади межлопаточных каналов путем плавного утоньшения направленных по ходу вращения боковых поверхностей лопаток до толщины выходных кромок в окружном сечении, равном 70 мм составляет 4,9%. При этом подача увеличивается на 6.8%.

Подрезка РК по наружному диаметру, снижая нижнюю границу зоны без-кавитационной работы насоса, предотвращает перерасход электроэнергии при работе насоса на отметках водохранилища, расположенных ниже отметки порога водовыпускного сооружения. Кроме того подрезка нескольких колес расширяет возможности оптимального регулирования подачи НС.

Результаты расчета параметров насосов при ср (угол разворота лопаток НА) = 0° (табл.4) показывают, что граница безкавитацконной зоны насоса опустилось до 11,7 м.

Таблица 4

Расчетные параметры насоса 2400 ВР 25/25 при подрезке рабочего колеса

параметр Рабочие точки

О 35.0 30.0 25.0 20.0 32.5

Н 13.6 19.0 25.0 29.0 16.0

оп 29.8 25.5 21.2 17.0 27.6

нп 9.9 13.8 18.3 21.1 11.7

Рабочие точки характеристики насосов при увеличении площади выходного сечения рабочего колеса получают добавлением к подаче в искомой точке величины =' 0,038 О и КПД величины лп - 0,01 г| Результаты расчета удельных затрат по всем четырем вариантам представлены на рис.4. Как видно из рисунка через точку Н = 20,5 м проходит граница оптимальной работы различных модификаций рабочего колеса. При напорах меньше 20,5 м удельные затраты электроэнергии ниже у подрезанных колес, при напорах больше 20,5 м - у неподрезанных. При заполнении водохранилища до отметки 304.5 насосами с проектным рабочим колесом требуется искусственное повышение напора до 16 м. .Для подрезанного колеса границей безкавитацисн-ной работы является напор 11.7 м.

Удельные затраты в этом случае составляют: по проекту

Ауд = 0,057 кВт-ч/м3 с подрезкой

8,89-

СОТ

Ц0$

Щ-

I 1 н

7

к /

1 // \

/ V

А у

§

л ¥

/

к

/X к

и

А \3

гГ Ч(—

Рио.4« Зависимость Ауд= (Ь'> для различных вариантов

исполнения колеса насоса 2400ВР 25/25. • 1-проектное рабочее колесо; 2-токе, с увеличенной площадью выходного сечения; 3- подрезанное рабочее колесо 4-токе, с увеличенной площадью выходного сечении.

А"м = 0,043 кВт • ч/м3 ЛАуд = 0,014 кВт-ч/м1 При 0П=0,85 О общем объеме водоподачм в водохранилище 476 млн.м3 экономия электроэнергии составляет ДА = АуД • 0,523 • 478 о 10®=304 6700 кВт При стоимости электроэнергии 1,6 сум/кВт в марте 1997 г. ожидаемая экономия составит более 4864 тыс.сум

По данным отдела энергетики Управления эксплуатации КМ К ш НС, удельные затраты электроэнергии при заполнении водохранилища составили

0.079.кВт-ч/м3

Предложенное увеличение площади выходного сенгт.п рабочего колеса приводит к снижению затрат электроэнергии на 6,8%. Реализация предложения снижает удельные затраты электроэнергии до А0,074 кВт ч/м3.Лри среднем объеме водоподачи в 1,5 млрд.р/ экономия электроэнергии составит ДА=(0,079-0,074).1500000000=7500000 кВт (12 млн.сум).

Для выбора оптимальных вариантов подачи требуемых расходов исследуемой насосной станции представлены характеристики параллельной работы насосов 2400-ВР-25/25 и 1600-8-1 САШ а разшчкьчс сочетаниях. В результате анализа режимов ее эксплуатации рассмотрены альтернативные методы расширения характеристик центробежных насссов подрезкой рабочего колеса и вариацией сложения характеристик. На ДГНС проведено определение основных параметров НС в зависимости от количества включенных агрегатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обобщен опыт эксплуатации систем машинного водоподъема Республики Узбекистан с высоким техническим уровнем, который в будущем может быть применен при развитии, аналогичных систем Иордании. Обоснована недостаточность изученности данной проблемы и установлено несоответствие действительных рабочих характеристик насосоз проектным.

2. На основе проведенных исследс-гккй ;.2с-:::ггзз!:9 необходимость совершенствования режимов работы крупна; нггсосиьос станций с. центробежными насосами. Показано, что потери £.-:сргии с;:' 'ственно влияют на ре-

жимы эксплуатации насосно-силового оборудования. Наиболее экономичными являются режимы при работе центральных насосов.

3. Рассмотрены методы изменения характеристик центробежных насосов на насосных станциях машинного водоподъема, в том числе энергетические характеристики открытого рабочего колеса низкой быстроходности в рабочей зоне подач насоса при п,=20...40.

4. Выявлены некоторые особенности и характер износа центробежных насосов. Установлено, что значение критической подачи зависит от геометрии входа в рабочее колесо, а частности, от расположения входной кромш лопатки по отношению к оси вращения, характеризующегося параметром 1„. Экспериментально установленная зависимость относшельной критической

п,

подачи Окр / 00 от параметров о, 'СР. дает возможность оценить крито-

1п

ческую подачу на стадии модернизации рабочего колеса.

5. Опыт эксплуатации Талимарджанской насосной станции показал, что комплекс водоподводящих сооружений на этой станции при подпорных режимах обеспечивает благоприятные гидравлические условия подвода потока к насосам. Натурные испытания позволили оценить эффективность применения направляющих аппаратов на входе о центробежные насосы. Оптимальный угол разворота НА по минимуму гидравлических потерь оказался равным 12.4°.

6. Предложена модернизация рабочих колес, заключающаяся в увеличении площади выходного сечения холеса путем утоньшения лопаток со стороны рабочей поверхности. Выделение группы из 2-х насосов с подрезанными на 10% рабочими колесами устраняет перерасход электроэнергии при заполнении водохранилища до отметки порога водовыпуска НС. Ожидаемый экономический эффект от подрезки рабочих колес составляет 12 млн.сум.

7. Разработана методика определения рабочих параметров (подача и напор) насосных станций при данной геометрической высоте подъема воды в зависимости от схемы включения агрегатов, которая позволяет поддерживать КПД в оптимальной зоне.

На основе вышеизложенного, основными научными положениями диссертации, которые выносятся на защиту являются:

1. Методы оценки энергосберегающих режимов эксплуатации насосных станций, оснащенных центробежными насосами.

2. Рекомендации го выбору оптимальных характеристик модернизированных центробежных насосов, обточкой их рабочих колес по лопаткам с последующим утоныиением их выходных кромок.

Задачей дальнейших исследований является уточнение разработанных

методик и рекомендаций проведением исследований эффективности работы

насосно-силового оборудования на мелиоративных в НС в натурных условиях Иордании.

Основное содержанке диссертации отражено в следующих научных работах автора.

1.Рахимов Ш.Х., Халед Сулейман Аль-Рабаба. Износ центробежных насосов в условиях их эксплуатации-САНИИРИ, Ташкент, 1997 г., Депонировано в Государственном фонде научно-технической информации, № 2661-Уз97.

2. Рахимов Ш.Х., Халед Сулейман Аль-Рабаба. Эксплуатация насосных станций с центробежными насосами - САНИИРИ, Ташкент, 1997 г. Депонировано в Государственном фонде научно-технической информации, №2660-Уз97.

3. Рахимов Ш.Х., Очилов P.A., Халед Сулейман Аль-Рабаба. Натурные исследования осевой, силы крупных центробежных насосов//сб.научн.трудов-Ташкент: САНИИРИ, 1997, стр. 121-129.

4. Рахимов Ш.Х., Халед Сулейман Аль-Рабаба. Особенности эксплуатации мелиоративных насосных станций с параллельно работающих центробежными агрегатами //сб.науч.трудов. - Ташкент: САНИИРИ, 1997, стр. 60-65.

5. Халед Сулейман Аль-Рабаба. Гидр.ообразивный износ ценробежных насосов с открытыми раборчими колесами.// сб.науч. трудов. - Ташкент: САНИИРИ, 1997, стр. 91-102.

6.Рахимов Ш.Х, Тураев А., Халед Сулейман Апь-Рабаба. Математические модели работы параллельно работающих насосов. Тезисы докладов Республиканской конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент":-Ташкент: Уз НПО "Кибернетика* 1997, стр. 149.

ХАЛЕД СУЛЕЙМАН АЛЬ-РАБАБА

МЕЛИОРАТИВ НАСОС СТАНЦИЯЛАРИДА ЙИРИК МАРКАЗДАН КОЧМА 51АСОСЛАРНИНГ KAM ЭНЕРГИЯ САРФЛИ ^ОЛАТИ

$збскнстон Республнкасида, хозирда 2 мипга щ;ин ^урилгап па мунта-зам равищда ишлаб турган насос сшщиялар па ^урилмалар б?либ Гшлига 8,5 млрд.кВт.соат электроэнергаясини сарф цилдюкдо. Элсктроэиергилнииг сарфлшиишши каратллган ушбу нлмш! текшприш хознрда му^пм долзарб маеала юишлади,

Дисссртадияда машкиада суп кутариш тюимларида эксплуатация килпш тажрибаларпни умумлаштириш асоспда, маркаадан ¡;очма насосли Йирик ивсос (гтаиц1шлари1ш шалаш ^олатларшш мукаммаллаштиришшшг гарурлиги асослагпп. Бу пасосларшшг Tai>piu]uiapuiiH узгартприш услублари к^риб ЧНЦШ1Д», аскнлшшшларниш' тагьрифн на хусусиятларл апшупаидн. Кротнк суп мцедори (унумдорлнш) ни ¡угПыптн шичп гнлдиратго кирши гсомегршхига, xycyçaii, курак кирадкгаи атрофшшг айлапшп унпга иисба-тац НШ1Д&П жоГшашгаплига богдшушгн ашпуишдн.

Куракларшшг ншчи сирт томоиидаи gunpafmipiim усулн бнлаи пшднракшшг >ш1;иш цир^шшш ксигаГггиришп) асоелалгап ншчи шлдиракш такомнляаштиршп таклнф этилди.

Толшшржсш иасос сганцияснда угклянлган Ccnocirra илмш' тадцш;отлар марк&здаи 1;очма насосларга кнришда нуиатмлтнрувчи аппарат ларин |фшшшш1Г самарадорлипнш ба.\олаш па бу апиаратларнинг эиг кал й^цотишлар эртсобига буршшшшшг эиг оптимал бурчапшн aiunyiatura ердал берди.

Ншчи галдирак кесилгал насослар цнемига ажратиш, сув омбораи су Kyfliiiu еат^игача т^лдирнлганда электроэнергия сарфшш камайтиради.

Иигчи гилдиракларии цирцишдан кутиластган шугисодий самара 1 млн. cJîwhh гашкил атади.

KHALED SULEIMAN AL-RABABA

THE POWERSAVING MODES OF THE IRRIGATION PUMP STATIONS WITH LARGE CENTRIFUGAL PUMPS

Now in the Republic of Uzbekistan are constructed and are maintained about two thousand pump stations and installations, spending thus about 8,5 billion kWt.hour of the electric power. Therefore researches directed on decreasing of losses to the electric power are extremely urgent.

In the dissertation on the basis of generalzation of experience of operation of systems machine water lifting the necessity of fulfilment of modes of operations of large pump stations with centrifugal pumps is reasonable. The methods of change of the characteristics of such pumps are considered, the features and character of their deterioration are revealed. Is-established, that hte importacce of critical sumission depends on geometry of an input in the driving wheel, in particular from an arrangement entrance of the boundary of wheel in relation to an axis of rotation.

The modernization of driving wheels consisting in increase of target section of a wheel by away of thinness of the wheel on the part of a working surface is offered.

Are executed the tests on Talimardjan of pump station, which have allowed to estimate efficiency of application of directing devices on an input in centrifugal pumps and to determine an optimum comer of unwrap these devices on a minimum of losses. Allocation of group of pumps with cut driving wheels are eliminated the overexpenditura of ths electric power at filling reservoir up to a mark of threshold water ottake.

The expected economic benefit from cutting of driving wheels makes I2mln.sum.