Центробежные циркуляционные насосы находят широкое применение в теплоэнергетике и служат для обеспечения циркуляции теплоносителя в системах отопления, горячего водоснабжения, а также системах кондиционирования и охлаждения. Качество теплоснабжения во многом зависит от надежной работы центробежных циркуляционных насосов.
Для контроля рабочего состояния насосных агрегатов в теплоэнергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве широко используются датчики-реле разности давлений, называемые также реле перепада давлений. Это связано с тем, что они не требуют для своей работы подвода дополнительной энергии, просты по конструкции, надежны в эксплуатации и имеют невысокую стоимость.
Контроль осуществляется путем измерения перепада давлений (напора), создаваемого насосом, который определяется как разность между давлением нагнетания и давлением всасывания. Измеренное значение сравнивается с заданным пороговым значением — уставкой. При достижении разностью давлений на насосе значения уставки реле выдает команду, например, на отключение основного насоса и включение резервного насоса. Подробно примеры применения датчиков-реле разности давлений были рассмотрены в работе [1].
В таблице 1 приведены основные характеристики отечественных датчиков-реле перепада давлений.
Выбор достаточно велик даже среди представленных отечественных моделей приборов, а ведь на рынке присутствуют приборы и других производителей, в том числе иностранных. Какой прибор выбрать, с какими характеристиками, будет ли выбор оптимальным? В последнее время специалисты эксплуатирующих организаций все чаще стали обращаться к нам с вопросами: «..Установили приборы в соответствии с проектом, но насос не запускается! Что делать?» Или: «Насос работал в штатном режиме, но вдруг выключился и не запускается, почему? Какими критериями следует руководствоваться при выборе датчиков-реле перепада давлений, чтобы все работало?»
Рассмотрим более подробно специфику работы циркуляционных насосов, основной задачей которых является обеспечение требуемого расхода теплоносителя при изменяющейся гидравлической нагрузке в присоединенной сети. Различают три метода регулирования расхода: дросселирование, перепуск части расхода по байпасному каналу с выхода на вход в насос и регулирование частоты вращения привода насоса [2].
Работа насоса и присоединенной сети поясняется графиками, приведенными на рис. 1, где обозначено: 1 – характеристика насоса, 2 – характеристика присоединенной сети, А – рабочая точка, определяющая совместный режим работы насоса и присоединенной сети, Q1 – величина расхода в точке А, Qс – требуемый расход.
При регулировании дросселированием, что может быть обеспечено, например, работой регулятора температуры, увеличивается гидравлическое сопротивление нагрузки и точка пересечения характеристики насоса и сети перемещается из точки А в точку В. В результате расход в сети уменьшается до требуемого значения Qс, но при этом напор на выходе насоса возрастает до уровня Н2. Применение на выходе насоса регулятора давления после себя позволяет снизить напор в сети на величину дросселирования в регуляторе до уровня Н1 в точке требуемого расхода Qс. При этом сам насос работает все при том же напоре Н2, соответствующей точке В.
В случае регулирования методом перепуска при открытии перепускного клапана суммарный расход на выходе насоса за счет дополнительного расхода на рециркуляцию увеличивается, что сопровождается изменением режима работы насоса с перемещением из точки А в точку D и снижением напора до уровня Н1 и расхода сети в точке С до требуемого уровня Qс. Как и в первом случае, насос работает не в оптимальном режиме, а с повышенным расходом, что сопровождается дополнительными затратами электроэнергии, шумом и ведет к снижению ресурса насосного агрегата.
При частотном регулировании расхода в системах циркуляции, в отличие от дросселирования и рециркуляции, регулирование происходит за счет изменения частоты вращения вала электродвигателя с преобразованием характеристики насоса, как показано на рисунке 1, из кривой 1 в кривую 3 (с уменьшенной частотой вращения). При этом точка пересечения характеристики насоса и сети перемещается из точки А в точку С с уменьшением расхода и напора, соответственно, до значений Qс и Н1. Таким образом, если при дросселировании в условиях повышенной нагрузки со стороны присоединенной сети обычный циркуляционный насос продолжает работать при постоянной частоте вращения рабочего колеса с повышенным давлением и дополнительными потерями энергии, то насос с частотным регулированием в тех же условиях перемещается из точки А в точку С за счет снижения частоты вращения вала электродвигателя. Предельное снижение частоты вращения вала насоса определяется расчетным путем при проектировании, исходя из допустимого минимального расхода Qмин циркуляции теплоносителя в присоединенной сети и напора Нмин.
При выборе датчиков-реле перепада давления для контроля циркуляционных насосов необходимо учитывать следующие факторы:
- способ регулирования расхода теплоносителя;
- минимальное значение уставки и зоны возврата (гистерезиса);
- диапазон регулирования расхода;
- количество контролируемых насосов и их взаимное расположение.
Для начала рассмотрим циклограмму работы датчика-реле перепада давлений, представленную на рис. 2.
В начальный момент запуска, пока напор (перепад давлений) насоса не достиг расчетного значения, датчикреле перепада давлений выдает команду СТОП на останов насоса, однако эта команда не приводит к выключению насоса, так как на время задержки tзад, примерно в течение 30...45 с блокируется сигналом, поступающим от таймера запуска насоса. При достижении перепада давлений, соответствующего уровню уставки плюс зона возврата (ЗВ), которая направлена вверх относительно уставки, реле переключается, снимая команду на останов насоса и одновременно выдавая сигнал РАБОТА, подтверждающий, что насос исправен. При снижении перепада давлений на насосе (напора) ниже уровня уставки, датчикреле воспринимает эту ситуацию как неисправность и выдает команду СТОП на останов насоса и на запуск резервного насоса.
Таким образом, при выборе датчикареле перепада давлений необходимо обеспечить, чтобы выполнялось следующее условие: Умин + ЗВмин < Нмин, где Умин — минимальное значение уставки прибора, ЗВмин — минимальное значение зоны возврата (гистерезиса) прибора, Нмин — минимально допустимое значение напора работающего циркуляционного насоса.
Из таблицы 1 видно, что приборы ДЕМ-202-РАСКО-01-2 и ДЕМ-202С-01-2, из-за достаточно больших значений минимальной уставки и гистерезиса, следует применять в системах теплоснабжения с регулированием расхода методом дросселирования, причем только в тех случаях, когда напор насоса в рабочем состоянии не опускается ниже 10 м.
В системах регулирования расхода теплоносителя методами перепуска или дросселирования с применением регуляторов перепада давления, которые поддерживают перепад давлений, как правило, в диапазоне от 40 до 100 кПа, целесообразно применение датчиков-реле разности давлений ДЕМ-202-РАСКО-02-2, ДЕМ-202М-РАСКО-03 или ДЕМ-202С-02-2.
Исходя из тенденции к экономии потребления энергии, а также снижения шума и увеличения ресурса, современные циркуляционные насосы оснащаются все более совершенными системами частотного регулирования и автоматики. На рис. 3 показаны характеристики насоса Wilo-TOP-S 40/10 производства компании WILO (Германия). Из представленных характеристик видно, что на минимальном режиме работы насоса (при минимальной частоте вращения вала насоса) в точке пересечения характеристики насоса с характеристикой присоединенной сети 1 напор насоса составляет всего около 1 м. Например, насосы серии ALPHA3 фирмы GRUNDFOS (Дания) имеют диапазон регулирования частоты вращения вала электродвигателя 1:100, автоматически оптимизируют свою работу, чтобы соблюсти баланс между максимальным уровнем комфорта и минимальным энергопотреблением, оснащаются функцией ночного режима, обеспечивающей минимальное энергопотребление ночью с автоматической активацией рабочего режима днем. При этом в ночном режиме напор на выходе насоса может снижаться до уровня 1 м и ниже [3].
Для управления работой подобных циркуляционных насосов с частотным регулированием ООО «НПФ «РАСКО» предлагает новые реле перепада давлений серии ДЕМ-202Р, существенным отличием которых от других приборов является то, что они имеют минимальные значения уставки от 5 кПа и зоны возврата от 3 кПа, а также выпускаются как в одно-, так и двухканальном исполнениях. Внешний вид показан на рис. 4а и 4б, соответственно. Прибор в двухканальном исполнении совмещает в себе функции двух приборов в одном корпусе. Каждый канал может настраиваться на выбранную уставку независимо один от другого. Это удобное и вместе с тем экономичное решение, так как насосы, как основной, так и резервный, размещаются, практически рядом друг с другом, при этом один прибор может обеспечить контроль работоспособности как для основного, так и для резервного насоса.
Прибор состоит из следующих основных узлов: чувствительной системы, передаточного механизма, узла настройки уставок и микропереключателя. Принцип действия прибора основан на сравнении усилия, создаваемого разностью давлений контролируемой среды на чувствительную систему, и силы упругой деформации пружины, задающей порог срабатывания реле перепада давления — уставку. При достижении перепадом давлений значения уставки происходит срабатывание электрического переключателя и, соответственно, замыкание или размыкание электрических контактов. Возврат контактов переключающего устройства в исходное положение происходит автоматически, когда контролируемый перепад давлений изменится на величину зоны возврата.
Следует отметить, что благодаря высокой чувствительности и низкому гистерезису реле перепада давлений ДЕМ-202Р могут с успехом применяться не только для мониторинга и управления работой циркуляционных насосов в системах отопления и горячего водоснабжения, но также в системах вентиляции, кондиционирования и тепловых насосах.
Современные тепловые пункты имеют достаточно плотную компоновку и высокую насыщенность различным оборудованием и приборами контроля. При этом основной и резервный циркуляционные насосы и датчики-реле для их контроля устанавливаются, как правило, парами и недалеко друг от друга. Примеры размещения показаны на рис. 5а, б. Поэтому использование двухканальных реле перепада давлений в этих условиях является более предпочтительным по сравнению с одноканальными, что и учитывается в конструкции реле перепада давлений ДЕМ-202Р в двухканальном исполнении.
Выводы.
1. Определены критерии выбора датчиков-реле перепада давлений для контроля работы циркуляционных насосов и насосных агрегатов.
2. Реле перепада давлений ДЕМ-202Р могут быть рекомендованы к применению в системах сигнализации и управления работой электронасосных агрегатов, в том числе с частотным регулированием, при автоматизации технологических процессов в теплоэнергетике, ЖКХ и других отраслях промышленности.