Компактный, энергоэффективный и малошумный вертикальный многоступенчатый насос: Руководство по проектированию

Механические помещения в коммерческих зданиях становятся все меньше. Энергетические кодексы становятся более строгими. Жилые и многофункциональные комплексы все чаще требуют бесшумной круглосуточной работы. А командам предприятий, которые находятся в крайне напряженных условиях, необходимо оборудование, которое они могут обслуживать, не вызывая специалиста для каждой проверки.

Эти четыре давления незаметно изменили то, на что обращают внимание инженеры и специалисты по закупкам при выборе насоса для водоснабжения. Агрегата, который просто перемещает воду с необходимым расходом и напором, уже недостаточно. Насос должен работать в ограниченном пространстве, с низкими эксплуатационными расходами, не беспокоя находящихся в нем людей и не требуя постоянного внимания. Такое сочетание требований последовательно указывает на один тип насоса: компактный, энергоэффективный, малошумный вертикальный многоступенчатый центробежный насос .

В этой статье каждое из этих четырех преимуществ рассматривается не как маркетинговые заявления, а как инженерные особенности с измеримыми последствиями для стоимости установки, эксплуатационных расходов и срока службы.

Компактная структура: больше, чем просто небольшая площадь

Компактные размеры вертикального многоступенчатого центробежного насоса достигаются за счет особого выбора конструкции: несколько ступеней рабочего колеса расположены в осевом направлении на одном валу, а не расположены рядом, как в горизонтальной многоступенчатой компоновке. Производительность насоса по созданию давления зависит от количества ступеней, а не от его горизонтального разброса. Установка с напором 100 метров занимает примерно ту же площадь, что и установка с высотой 30 метров — дополнительные ступени просто расширяют шахту вертикально.

С практической точки зрения это напрямую приводит к экономии на недвижимости. Стандартный блок серии ZHLF обычно занимает площадь на полу, сравнимую с основанием 400×400 мм, тогда как для эквивалентной горизонтальной многоступенчатой ​​установки может потребоваться в два-три раза больше площади плюс дополнительный зазор для доступа к выравниванию валов. В подвальном помещении, где расположены распределительные устройства, оборудование HVAC и системы пожаротушения, сэкономленные квадратные метры имеют значение.

Компактная интегрированная конструкция также упрощает прокладку трубопроводов. Поскольку в большинстве вертикальных многоступенчатых конфигураций всасывающие и нагнетательные порты соосны, соединительные трубопроводы проходят в одной плоскости и не требуют смещения изгибов для размещения горизонтального корпуса насоса. Меньшее количество изгибов означает меньшие потери на трение во всасывающей линии — прямое преимущество для запаса чистой положительной высоты всасывания (NPSH) — и более быструю установку с меньшими затратами на рабочую силу.

Для проектов с ограниченным пространством технических помещений или технологических блоков Вертикальные многоступенчатые центробежные насосы серии ZHLF, предназначенные для водоснабжения зданий. предлагают стандартные площади, которые подходят для ограниченной планировки предприятия, без специальных оснований или удлиненных трубопроводов.

Энергоэффективность, которая отображается в счетах за коммунальные услуги

Энергоэффективность центробежного насоса имеет два различных источника: гидравлический КПД конструкции рабочего колеса и КПД двигателя приводного устройства. Обе проблемы имеют значение, и обе проблемы можно решить с помощью хорошо продуманного вертикального многоступенчатого насоса.

Что касается гидравлики, то сама многоступенчатая конфигурация способствует повышению эффективности. Каждая ступень рабочего колеса работает при умеренном перепаде давления, чего легче достичь с низкими гидравлическими потерями, чем одна ступень высокого давления, пытающаяся выполнить ту же работу за один этап. Результатом является более пологая кривая точки наилучшей эффективности (BEP) и лучшая производительность при частичной нагрузке, что полезно при строительстве систем водоснабжения, где спрос постоянно меняется в течение дня.

Что касается двигателя, современные вертикальные многоступенчатые насосы в сочетании с двигателями класса IE3 обеспечивают значительно меньшие эксплуатационные потери, чем агрегаты, оснащенные двигателями стандартного КПД. Прирост эффективности суммируется за тысячи часов работы: повышение эффективности двигателя на 5 процентных пунктов при работе насоса мощностью 7,5 кВт, работающего 6000 часов в год, составляет примерно 2250 кВтч ежегодной экономии — цифра, которая оправдывает модернизацию двигателя практически при любом коммерческом тарифе на электроэнергию.

Однако наибольший прирост эффективности достигается при соединении насоса с частотно-регулируемым приводом (ЧРП). Потребность в воде в зданиях и промышленных системах редко бывает постоянной. Насос, работающий на фиксированной скорости против дроссельного клапана, тратит избыточную энергию в виде тепла и шума. Вместо этого насос, оснащенный ЧРП, снижает скорость двигателя в соответствии с фактической потребностью. Поскольку энергопотребление центробежного насоса подчиняется закону куба (уменьшение скорости вдвое снижает энергопотребление в восемь раз), даже умеренное снижение скорости обеспечивает значительную экономию. Исследования центробежных насосов с ЧРП в системах водоснабжения постоянно показывают снижение энергопотребления от 20 до 50 процентов по сравнению с работой с фиксированной скоростью в зависимости от профиля нагрузки.

Для применений, где спрос значительно варьируется (водоснабжение высотных зданий, промышленная техническая вода, подача обратного осмоса) — Серия насосов с интеллектуальным преобразованием частоты, созданная для систем с переменным спросом интегрирует управление ЧРП непосредственно в агрегат, устраняя необходимость в отдельном шкафу привода и упрощая ввод в эксплуатацию. Для применений, требующих оптимизированных гидравлических характеристик в фиксированной рабочей точке, Серия высокоэффективных вертикальных насосов с усовершенствованной гидравлической конструкцией обеспечивает лучшую в своем классе эффективность рабочего колеса без затрат на встроенный привод.

Низкий уровень шума: почему это важно помимо комфорта пассажиров

Шум от насосных установок имеет последствия, выходящие за рамки дискомфорта для людей, находящихся рядом с техническими помещениями. Постоянная вибрация, передаваемая через трубопроводы, со временем вызывает усталость соединений и подвесок. Структурный шум в жилых домах вызывает жалобы арендаторов и, на некоторых рынках, обязательства по соблюдению нормативных требований. А в больницах, лабораториях и центрах обработки данных чувствительные к шуму среды устанавливают четкие верхние пределы уровней звукового давления оборудования.

Низкий уровень шума хорошо спроектированного вертикального многоступенчатого насоса обусловлен тремя совпадающими конструктивными особенностями, а не одной серебряной пулей.

Во-первых, гидравлический баланс. Конфигурация рабочего колеса с аксиальным расположением друг друга создает радиальные гидравлические силы, которые в значительной степени компенсируют друг друга на разных ступенях. Это принципиально отличается от одного большого рабочего колеса, где радиальные силы сосредоточены в одной точке вала и передаются непосредственно на подшипники и корпус в виде вибрации. Многоступенчатая гидравлическая балансировка снижает нагрузку на подшипники и продлевает срок их службы одновременно со снижением шума.

Во-вторых, конструкция механического уплотнения. В отличие от старых сальниковых уплотнений, современные механические уплотнения практически не имеют контактных утечек и минимальной вибрации, вызываемой трением. Поверхности уплотнения скользят по тонкой пленке жидкости, а не истираются друг о друга, что устраняет значительный вторичный источник шума, который присутствовал в старых насосных установках.

В-третьих, геометрия соединения мотор-насос. В вертикальном многоступенчатом насосе двигатель расположен непосредственно над насосом с моноблочным соединением вала. Здесь нет гибкой соосности муфты, которая со временем ухудшается, нет ременного привода, создающего гармонический шум на частоте прохождения ремня, и нет увеличенного пролета вала, создающего резонансную вибрацию. Приводной механизм короткий, жесткий и демпфируется массой жидкости внутри корпуса насоса.

Практическим результатом является насос, который работает при уровнях звукового давления, обычно находящихся в диапазоне 60–72 дБ(А) в зависимости от размера и скорости, что сравнимо с обычным фоновым офисным шумом, а не на уровнях 80–90 дБ(А), характерных для старых горизонтальных многоступенчатых насосов или насосов с разъемным корпусом.

Простота обслуживания, заложенная в аппаратное обеспечение

В затратах на техническое обслуживание насосов преобладают не затраты на детали, а трудозатраты и время простоя. Замена механического уплотнения, которая занимает четыре часа на насосе с хорошим доступом, стоит в два-три раза дороже на насосе, который требует частичной разборки окружающих трубопроводов, чтобы добраться до корпуса уплотнения. Указание на ремонтопригодность при покупке — одно из наиболее экономически эффективных решений, которые может принять инженер по эксплуатации.

Вертикальные многоступенчатые насосы с двигателями, расположенными сверху, напрямую решают проблему доступа. Поскольку двигатель расположен над насосом на одной вертикальной оси, доступ к уплотнению, подшипникам и двигателю возможен сверху, не нарушая соединения трубопроводов на всасывающем и напорном фланцах насоса. В переполненном машинном помещении, где соседнее оборудование ограничивает боковой доступ, такая геометрия технического обслуживания с верхним доступом представляет собой разницу между двухчасовой заменой уплотнения и работой на полдня, требующей частичного вывода из эксплуатации соседних систем.

Модульная ступенчатая конструкция многоступенчатого насоса также упрощает ремонт. Каждая ступень рабочего колеса представляет собой стандартизированный повторяющийся блок. Замена изношенной ступени или добавление ступени для увеличения напора требует разборки пакета ступеней сверху, а не снятия всего насоса с его трубопроводных соединений. Упрощается инвентаризация запасных частей, поскольку в нескольких моделях насосов одной серии часто используются одинаковые компоненты ступени.

Конструкция из нержавеющей стали, стандартная для большинства современных вертикальных многоступенчатых насосов, перекачивающих чистую воду, исключает поверхностную ржавчину и образование накипи, из-за которых старые чугунные насосы становится все труднее разбирать в течение срока их службы. Крыльчатки и корпуса из нержавеющей стали аккуратно разбираются через интервалы технического обслуживания даже после многих лет эксплуатации, без корродированных крепежных деталей и заклинивших посадок, которые непредсказуемо увеличивают время обслуживания оборудования из черных металлов.

Для групп объектов, управляющих несколькими насосными установками в здании или кампусе, сочетание доступа сверху, модульных ступеней и конструкции из нержавеющей стали сокращает общую нагрузку на техническое обслуживание до запланированных интервалов предсказуемой продолжительности, а не переменных, часто длительных отключений, которые создают старые конструкции насосов.

Какие приложения больше всего выигрывают от этой комбинации

Четыре описанных выше преимущества — компактная структура, энергоэффективность, низкий уровень шума и простота обслуживания — наиболее сильно усиливают друг друга в приложениях, где одновременно активны как минимум два ограничения (пространство, стоимость энергии, чувствительность к шуму, доступ для обслуживания). В следующей таблице показаны распространенные приложения и преимущества, которые определяют решение по спецификации.

Водоснабжение высотных зданий находится на пересечении всех четырех ограничений и представляет собой наиболее требовательную среду для этого типа насосов. Насосное отделение обычно находится глубоко в подвале с фиксированными размерами, затраты на электроэнергию в коммерческих зданиях находятся под все более строгим контролем со стороны регулирующих органов, верхние этажи требуют передачи низкой вибрации через конструкцию, а команда управления зданием ожидает плановых окон технического обслуживания, а не экстренных вызовов.

Для циркуляции и повышения давления в системах здания Серия трубопроводных насосов, оптимизированная для повышения давления и циркуляции в линии дополняет вертикальные многоступенчатые агрегаты, где система требует распределенной поддержки давления, а не одной централизованной подпиточной станции.

Выбор подходящего насоса для любого из этих применений начинается с точного расхода, общего динамического напора и доступных данных NPSH. После подтверждения этих параметров выбор между гидравлическими конструкциями со стандартной и высокой эффективностью, а также между работой с фиксированной скоростью и с переменной частотой определяет профиль эксплуатационных затрат в течение срока службы насоса. Сегодня для большинства коммерческих и легких промышленных применений этот анализ последовательно отдает предпочтение вертикальной многоступенчатой ​​конфигурации по сравнению с одноступенчатыми или горизонтальными альтернативами — не потому, что это новейшая технология, а потому, что ее конструкция решает ограничения, которые фактически управляют современными насосными установками.