Критерии подобия автономной перекачивающей системы и их влияние на показатели энергетической эффективности

Введение.

Сформулирована система уравнений, которая описывает течение жидкости в автономной перекачивающей системе (АПС) с центробежным насосом (ЦН). При решении задачи необходимо учесть изменение статического напора, особенности гидравлического сопротивления труб, влияние температуры. Показано, что при определенном выборе характерного значения расхода исследуемое течение имеет два критерия подобия, и оценено их влияние на показатели энергетической эффективности простой гидравлической сети.

Материалы и методы.

Гидравлический расчет АПС выполнен с насосом 1К 50-32-125, характеристики которого представлены в технической документации. Для решения сформирована математическая модель на основе уравнения Бернулли для нестационарного течения.

Результаты.

Решена нестационарная задача перекачивания жидкости ЦН в АПС при переменном уровне в автомодельной (квадратичной) области сопротивления. Для случая Str = 0, где Str - аналог числа Струхаля, найдено аналитическое выражение времени перекачивания заданного объема жидкости от значения критерия Θ (безразмерный комплекс, связывающий превышения напора ЦН над начальным статическим напором при нулевой подаче, крутизну напорной характеристики и гидравлическое сопротивление сети). Представлены результаты гидравлического расчета АПС с насосом 1К 50-32-125 при различных диаметрах трубопровода, с техническими параметрами, характерными для автономных систем водоснабжения и водоотведения. Для перекачивания воды определен показатель удельных энергозатрат E, который применяют при оценке энергетической эффективности систем водоснабжения и водоотведения.

Выводы.

Установлено, что вместе с диаметром трубопровода растут значения критерия подобия Θ, при этом КПД снижается, а показатель энергозатрат улучшается. В рассматриваемых условиях при подборе оборудования целесообразно в оценке энергетической эффективности ориентироваться на изменение величины E, а не КПД.

1. Pravinchandra M.M. Improving the head and efficiency of a pump // International Journal of Engineering Development and Research. 2016. Vol. 4. Issue 2. Pp. 275-281.

2. Volkov A.V., Parygin A.G., Naumov A.V., Vikhlyantsev A.A., Druzhinin A.A., Grigoriev S.V. Application of methods of the optimum control theory for development of high efficiency centrifugal pumps // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol. 12. Issue 19. Pp. 8768-8778.

3. Pochylý F., Haluza M., Fialová S., Dobšáková L., Volkov A.V., Parygin A.G. et al. Application of heterogeneous blading systems is the way for improving efficiency of centrifugal energy pumps // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. Issue 11. Pp. 794-801. https://doi.org/10.1134/S0040601517110088

4. Николенко И.В., Рыжаков А.Н., Умаров Р.С. Повышение энергетической эффективности регулирования силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 3 (55). С. 75-81.

5. Фисенко В.Н. Энергетическая эффективность насосов в системах водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 6. С. 52-56.

6. Примин О.Г., Громов Г.Н., Тен А.Э. Алгоритмы построения и калибровки электронных моделей системы водоснабжения // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. № 7 (118). С. 847-854. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2018.7.847-854

7. Ивановский В.Н., Карелина С.А. К вопросу об энергетической эффективности электроприводных лопастных насосов // Территория Нефтегаз. 2019. № 3. С. 36-43.

8. Lynn A.Z., Khaing C.C., Sein N.W. Prediction of centrifugal pump performance on theoretical and experimental observation at constant speed of impeller // International Journal of Scientific and Research Publications (IJSRP). 2019. Vol. 9. Issue 8. P. p92146. https://doi.org/10.29322/IJSRP.9.08.2019.p92146

9. Николенко И.В. Анализ энергетической эффективности силовых агрегатов насосных станций систем водоснабжения и водоотведения по удельным показателям // Строительство и техногенная безопасность. 2020. № 18 (70). С. 143-148.

10. Todini E. Extending the global gradient algorithm to unsteady flow extended period simulations of water distribution systems // Journal of Hydroinformatics. 2011. Vol. 13. Issue 3. Pp. 167-180. https://doi.org/10.2166/hydro.2010.164

11. Giustolisi O., Berardi L., Laucelli D. Generalizing WDN simulation models to variable tank levels // Journal of Hydroinformatics. 2012. Vol. 14. Issue 3. P. 562. https://doi.org/10.2166/hydro.2011.224

12. Волков В.Ю., Голибродо Л.А., Зорина И.Г., Кудрявцев О.В., Крутиков А.А., Скибин А.П. Применение метода контрольного объема для моделирования нестационарных процессов в трубопроводных системах // Математическое моделирование и численные методы. 2016. № 4 (12). С. 34-46. https://doi.org/10.18698/2309-3684-2016-4-3446

13. Христо П.Е. Оптимизация энергопотребления центробежной машины в нестационарных режимах в ограниченной области изменения переменных // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2014. № 12. С. 2-16.

14. Протопопов А.А., Виговский В.И. Анализ работы центробежного насоса в составе системы с изменяющимися параметрами // Политехнический молодежный журнал. 2017. № 11 (16). С. 13. https://doi.org/10.18698/2541-8009-2017-11-198

15. Наумов В.А. Анализ нестационарной математической модели простой гидравлической сети с центробежным насосом // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2020. № 4. С. 64-70. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2020.4.064-070

16. Jovic V. Analysis and modelling of non-steady flow in pipe and channel networks. John Wiley & Sons, Ltd, 2013. 544 p.

17. Ghanbari A., Farshad F.F., Reice H.H. Newly developed friction factor correlation for pipe flow and flow assurance // Journal Chemical Engineering and Materials Science. 2011. Vol. 2. Pp. 83-86.

18. Fang X., Xu Y., Zhou Z. New correlations of single-phase friction factor for turbulent pipe flow and evaluation of existing single-phase friction factor correlations // Nuclear Engineering and Design. 2011. Vol. 241. Issue 3. Pp. 897-902. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.12.019

19. Орлов В.А., Аверкеев И.А., Коблова Е.В. Гидравлическая составляющая альтернативных материалов труб и защитных покрытий при бестраншейной реновации напорных трубопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 6. С. 22-26.

20. Орлов В.А., Зоткин С.П. Исследование изменения коэффициента гидравлического трения материалов напорных труб при различных температурах // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 4. С. 54-59. https://doi.org/10.35776/VST.2021.04.08

21. Kumana J.D., Suarez M.R. Analyzing the performance of pump networks. Part 1: Basic theory // Chemical Engineering Progress. 2018. Vol. 114. Issue 1.

22. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Кузьмин А.В. К вопросу о выборе рабочей области характеристики центробежных насосов // Территория Нефтегаз. 2015. № 3. С. 88-92.