CC BY
31
И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 628: 532.54
МЕТОДИКА ВЫБОРА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСОВ
ТИПА ЭЦВ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
1,3 Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;
2 Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
236000, г. Калининград, Советский пр., 1
Представлены основные этапы компьютеризации подбора центробежных скважинных насосов типа ЭЦВ. Получены эмпирические формулы, позволяющие оперативно, инженерными методами, рассчитать рабочие точки насосной установки в таких системах. Приведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными испытаний насосов. Представлены результаты расчета рабочих характеристик насоса, работающего в системе подачи трубопровода.
Ключевые слова: центробежные насосы, погрешность аппроксимации, напорные характеристики.
METHOD OF SELECTION OF CENTRIFUGAL SUBMERSIBLE PUMPS TYPE ECV
N.L. Velikanov, V.A. Naumov, S.I. Koryagin
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFUof Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1
Presents the main stages of the computerization of the selection of centrifugal borehole pumps ECV. Despite the broad, widespread use of centrifugal borehole pumps, no empirical formula for operational, engineering methods, to calculate the operating points of the pumping unit in such systems. The comparison of calculation results with experimental data test pumps. The polynomial approximation of third order is much better corresponds to the experimental points. Presents the results of calculating operational characteristics of the pump employed in the system supply piping.
Keywords: centrifugal pumps, error of approximation, pressure characteristics
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Повышение энергетической эффективности работы насосных установок в системах водоснабжения - одна из наиболее важных задач научных исследований в области водного хозяйства. Опубликовано большое количество работ, посвященных различным аспектам данной проблемы [1-6].
Статья посвящена разработке сервисных компьютерных программ для подбора центробежных скважинных насосов. Рассмотрим
на примере насосов типа ЭЦВ [7]. ЭЦВ - один из наиболее широко распространённых в России тип скважинных электронасосных агрегатов [8]. Благодаря простоте конструкции данный вид насосов эксплуатируется на большинстве предприятий водного хозяйства, в системах водоснабжения населённых пунктов.
Условия эксплуатации насосов ЭЦВ [7]: - температура воды - до 25 °С;
1 Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии
транспортных процессов и сервиса, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: monolit8@yandex.ru;
2
Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru
- общая минерализация (сухой остаток) -
до 1500 мг/л;
- содержание сульфатов - до 500 мг/л;
- содержание хлоридов - до 350 мг/л;
- содержание сероводорода - до 1,5 мг/л;
- содержание песка - до 100 мг/л.
Проектанты предусматривают возможность работы насосов самых разных областях:
- городское и сельское водоснабжение;
- ирригация, системы полива и орошения;
- промышленное водоснабжение;
- горнорудная промышленность;
- системы повышения давления;
- общепромышленное назначение;
- понижение уровня грунтовых вод.
В данной статье рассмотрены характеристики следующих насосов:
- ЭЦВ 4-2,5-65; ...; ЭЦВ 4-2,5-160;
- ЭЦВ 4-6,5-70; ...; ЭЦВ 4-2,5-150;
- ЭЦВ 4-10-140; ...; ЭЦВ 4-2,5-160.
Все насосы с внутренним диаметром обсадной трубы скважины 4 дюйма (первое число в условном обозначении после типа агрегата ЭЦВ). Второе число в условном обозначении - номинальная подача, м3/час; третье число - номинальный напор в метрах водяного столба).
Е.А. Прегер [9] предложил методику подбора лопастных насосов на основании аналитической зависимости напора от подачи И=/(й), которая была получена в результате анализа большого количества характеристик:
И(0 = /2(6) = «0 + «10 + «2^. (1)
Методика не получила широкого распространения, в том числе из-за большой трудоемкости ручного счета. Современные компьютерные технологии позволяют проводить массовые расчеты и для более общей аппроксимации п-го порядка:
И (0 = / (0 = «0 +«10+«202 + +...
(2)
Воспользуемся данными испытаний центробежных скважинных насосов [7]. Средняя квадратическая погрешность аппроксимации п —го порядка [10]:
Еп=100•
V
1
N Г
-х
N - (п +1)
1 —
И
\2
/п 0 )
(3)
и у
где N - объем выборки (количество экспериментальных точек).
В табл. 1 представлены результаты расчета по формуле (3) погрешности аппроксимации насосов наименьшего типоразмера ЭЦВ 42,5. Видно, что уже при п = 2 погрешность аппроксимации вполне приемлемая для инженерных приложений - менее одного процента. Поэтому можно использовать в расчетах формулу (1), как на рис. 1.
В табл. 2 показаны коэффициенты аппроксимации безразмерной напорной характеристики:
Хй) = И(0)/И0 = 1 + Ъ0 + Ь202, (4) где И0 = йо - напор насоса при нулевой подаче.
Таблица 1 - Погрешность аппроксимация напорной характеристики насосов ЭЦВ 4 (0ном = 2,5 м /ч.)
№ Марка насоса Погрешность аппроксимации
пп £2 , % £3 , % £4 , %
1 ЭЦВ 4-2,5-65 0,41 0,38 0,31
2 ЭЦВ 4-2,5-80 0,25 0,21 0,22
3 ЭЦВ 4-2,5-100 0,24 0,26 0,23
4 ЭЦВ 4-2,5-120 0,66 0,69 0,31
5 ЭЦВ 4-2,5-140 0,61 0,24 0,25
6 ЭЦВ 4-2,5-160 0,33 0,31 0,30
Таблица 2 - Коэффициенты многочлена аппроксимации (п = 2) напорной характеристики
насосов ЭЦВ 4 (0ном = 2,5 м3/ч.)
№ Марка насоса Коэффициенты аппроксимации
пп «00 «1 Я2 Ь1
1 ЭЦВ 4-2,5-65 97,31 -7,918 -1,545 -0,0814 —0,0159
2 ЭЦВ 4-2,5-80 112,29 -8,690 -1,763 -0,0774 —0,0157
3 ЭЦВ 4-2,5-100 141,85 -9,600 -2,754 -0,0677 -0,0194
4 ЭЦВ 4-2,5-120 170,41 -13,129 -2,741 -0,0770 -0,0161
5 ЭЦВ 4-2,5-140 206,01 -18,388 -2,937 -0,0893 -0,0143
6 ЭЦВ 4-2,5-160 237,47 -20,102 -3,681 -0,0846 -0,0155
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, С.И. Корягин
Н м
220
200
180
160
140
120
100
ЕО
60
40
20
\6
"ЧД
44
1^2
|—1 . N
1 ч
л(0 = 7,66 + 25,28 • 0 + 0,705 • 02 -...
(6)
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Р,м/час
Рисунок 1 - Напорная характеристика центробежных насосов ЭЦВ 4 (0ном = 2,5 м3/ч.): 1 - Нном = 65 м; 2 - 80 м; 3 - 100 м; 4 - 120 м; 5 - 140 м; 6 - 160 м. Точки - экспериментальные данные [7], линии -результаты расчета по (1)
По табл. 2 видно, что коэффициенты безразмерной напорной характеристики мало зависят от номинальной подачи. Сами безразмерные характеристики на рис. 2, практически, сливаются. Получена осредненная безразмерная напорная характеристика насосов ЭЦВ 42,5 (на рис. 2 - пунктирная линия 1):
Н(О) = 1 - 0,0796 • 0 - 0,0161-02. (5)
к
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
... 1 1
1
... - 2,216 • 03 + 0,283 • 04.
Из (5) следует формула для размерной напорной характеристики насосов ЭЦВ 4-2,5:
Н(0) = Н) • (1 - 0,0796 • 0 - 0,016102) . (7)
Погрешность формулы (6) не превышает 1 %.
В качестве примера рассмотрим трубопровод с гидравлической характеристикой
Нр = 60 + 4,76 • 02. (8)
На рис. 3 показано графическое определение рабочей точки насосов ЭЦВ 4-2,5, работающих на такой трубопровод. Однако графический метод неудобен при проведении массовых проектных расчетов. В таком случае целесообразно использовать компьютерную программу, в которой для подбора параметров насоса совместно анализируются равенства (6)-(8).
0 0.5
1.5
2.5
%
50 40 30 20 10 О
3 3.5 0 м7ч
200
160
120
80
40
___2
0.5
1.5
2.5
3.5 О м'/час
Рисунок 2 - Безразмерная напорная характеристика и КПД центробежных насосов ЭЦВ 4 (0ном = 2,5 м3/ч.): 1 - результат расчета по формуле (1)
Зависимость КПД от подачи согласно каталогу [7] также не зависит для типоразмера ЭЦВ 4-2,5 от номинального напора и может быть аппроксимирована многочленом (см. рис. 2):
Рисунок 3- Напорная характеристика трубопровода (линия 1) и центробежных насосов ЭЦВ 4
(0НОМ = 2,5 м3/ч.): 2 - НИ0М = 80 м; 3 - 100 м; 4 - 120 м; 5 - 140 м; 6 - 160 м
Несколько иные результаты получаются при изучении напорных характеристик насосов ЭЦВ 4 (0НОМ = 6,5 м3/час и 0НОМ = 10 м3/час), представленные в табл. 3 и табл. 4. Видно, что погрешность аппроксимации меньшая, чем 1 %, достигается лишь при порядке многочлена п = 3 (дальнейшее увеличение п не приводит к заметному повышению точности расчетов).
На рис. 4 приведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными испытаний насосов. Многочлен аппроксимации третьего порядка заметно лучше соответствует экспериментальным точкам.
Таблица 3 - Аппроксимация напорной характеристики насосов ЭЦВ 4 (2ном = 6,5 м3/ч.)
№ пп Марка насоса Погрешность аппроксимации Коэффициенты аппроксимации (n = 2)
£2 , % £3 , % £4 , % Ü0 a1 a2
1 ЭЦВ 4-6,5-70 1,27 0,53 0,57 94,09 -0,189 -0,538
2 ЭЦВ 4-6,5-85 1,17 0,26 0,25 108,91 -0,569 -0,489
3 ЭЦВ 4-6,5-115 1,94 0,84 0,36 141,18 -1,049 -0,516
4 ЭЦВ 4-6,5-130 1,52 0,40 0,35 155,54 -0,820 -0,520
5 ЭЦВ 4-6,5-150 1,66 0,86 0,23 184,19 -2,027 -0,537
Таблица 4- Аппроксимация напорной характеристики насосов ЭЦВ 4 (QHOM = 10 м3/ч.)
№ Марка насоса Погрешность аппроксимации Коэффициенты аппроксимации (n = 3)
пп £2 , % £3 , % £4 , % a0 a1 a2 £2 , %
1 ЭЦВ 4-10-40 3,19 0,40 0,43 78,36 -1,565 0,124 -0,0310
2 ЭЦВ 4-10-55 3,20 0,97 1,08 99,65 -2,591 0,183 -0,0364
3 ЭЦВ 4-10-70 3,30 0,80 0,89 125,92 -4,149 0,351 -0,0503
4 ЭЦВ 4-10-85 3,25 1,01 1,02 156,95 -5,558 0,383 -0,0543
5 ЭЦВ 4-10-95 2,10 0,89 0,88 176,38 -4,321 0,092 -0,0470
6 ЭЦВ 4-10-110 3,79 1,06 0,98 194,47 -8,466 0,785 -0,0814
20-------------
0123456789 10 11 12 й. м'/час
Рисунок 4 - Напорная характеристика центробежных насосов ЭЦВ 4 (2ном = 10 м3/ч.): 1 - Нном = 40 м; 2 - Ином = 55 м; 3 - Ином = 85 м; 4 -Нном = 85 м; 5 - Нном = 95 м. Точки - экспериментальные данные [7], штриховые линии - результаты расчета по (1), сплошные линии - результаты расчета по (2) при п = 3
Литература
1. Арцев А. И., Бочевер Ф. М., Лапшин Н. Н. и др. -М. Проектирование водозаборов подземных вод. -М.: Стройиздат, 1976. - 292 с.
2. Волков А.В., Панкратов С.Н., Чернышев С.А. Повышение эксплуатационных качеств центробежных насосов на основе применения фторопластовых покрытий // Вестник МЭИ. - 2008. - № 1. - С. 9-13.
3. Лямасов А. К., Орахелашвили Б. М. Исследование гидромашин МГЭС: центробежный насос и гидродинамическая передача // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2013. - Т. 17, № 3, (56). - С. 189-193.
4. Лысенко О.А. Режимы энергосбережения установок центробежных насосов с асинхронными двигателями // Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 325, № 4. - С. 133-139.
5. Григорьев С.В., Савин Л.А., Шахбанов Р.М. Обоснование возможностей повышения энергетических характеристик центробежных насосов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2015. - № 7-2. С. 122-127.
6. Иванов В. Б., Ситас В. И., Рихтер М. Оценка эффективности внедрения гидромуфт для регулирования производительности центробежных насосов // Технологический аудит и резервы производства. -2015. - Т. 4, № 1 (24). - С. 55-60.
7. ГМС группа. Каталог скважинных насосов ЭЦВ [Электронный ресурс]. URL: http:/ /eds-sib.ru/ as-sets/pdf/ECV_catalog.pdf (дата обращения 25.12. 2016).
8. АО «Ливенский завод погружныхнасосов» [Электронный ресурс]. URL: http://www.livnasos.ru /catalog/nasosy_ecv/ (дата обращения 25.12.2016).
9. Прегер Е.А. Подбор лопастных насосов по уравнениям их характеристик. Информационно -технический листок № 23 (46). - Л.: Дом научно-технической пропаганды, 1954. - 15 с.
10. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. - М.: Физматлит, 2006. - 816 с.
