Рациональное управление техническим состоянием центробежных насосов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.813, 621.815

ТИМОХИН Ю.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта), ТИМОХИНА В.Ю., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта),

ПАЛАМАРЧУК Т.Н., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)

Рациональное управление техническим состоянием центробежных насосов

Timokhin J. V., Associate Professor (DRTI), Timokhina V. J., Senior Lecturer (DRTI), Palamarchuk T.N., Assistant (DRTI)

Rational management of the technical condition of centrifugal pumps

Введение

Центробежные насосы широко применяются в системах водо - и теплоснабжения, в шахтном водоотливе, в системах для откачки воды при проходке тоннелей и др. Мощность насосов достигает 1600 кВт, и они потребляют значительное количество электроэнергии.

Материалы, применяемые при изготовлении центробежных насосов, не обеспечивают необходимую

износостойкость деталей проточной части при перекачивании агрессивных жидкостей или жидкостей с высоким содержанием абразивных примесей [1]. Эксплуатация насосов с изношенными рабочими органами сопровождается снижением напора, коэффициента полезного действия и увеличением расхода электроэнергии и платы за нее. Длительная эксплуатация насоса с пониженными энергетическими характеристиками может привести к тому, что прирост платы за электроэнергию превысит стоимость капитального ремонта или нового насоса, и поэтому экономически невыгодна. Более целесообразно провести капитальный ремонт или замену на новый насос при наработке насоса, соответствующей минимуму затрат на перекачивание жидкости. Выбор ресурса с учетом

технического состояния насоса рассмотрен в [2], [3], [4], [5] и др.

Постановка задачи

Суммарные эксплуатационные

затраты на функционирование насоса, а также их увеличение из-за изменения технического состояния насоса не могут быть критерием экономической

эффективности эксплуатации, поскольку не учитывают величины полезной работы, выполненной насосом.

Как критерий эффективности целесообразно применить

эксплуатационные затраты на перекачку 1 м3 жидкости (удельные эксплуатационные затраты), которые позволяют сравнить изменение затрат на перекачивание в процессе эксплуатации, а также при использовании насосов различных типов [2].

Цель работы

Разработка методики определения оптимальной наработки центробежных насосов до капитального ремонта или замены с учетом их технического состояния и изменения удельных энергозатрат насоса.

Основной материал

Затраты, связанные с эксплуатацией насоса, складываются из его стоимости, стоимости капитального ремонта и расходных материалов, применяемых при техническом обслуживании (масла, войлочная набивка,

быстроизнашивающиеся детали и т.д.), платы за заявленную пиковую мощность и потребленную электроэнергию, заработной платы обслуживающего персонала и начислений на нее и других расходов.

Удельные эксплуатационные затраты определяются делением эксплуатационных затрат при определенной наработке насоса на объем воды, перекачанной за это же время, и имеют размерность руб/м3. Различным наработкам насоса

соответствуют различные удельные издержки.

Наработка насоса, которая

соответствует минимуму удельных эксплуатационных затрат на

перекачивание, является оптимальной и ее целесообразно принять за ресурс насоса до капитального ремонта или замены.

Прямое вычисление удельных эксплуатационных затрат трудно реализовать из-за сложности выделения части эксплуатационных затрат

конкретного насоса и сложности постоянного измерения потребляемой электроэнергии и подачи насоса.

В [2] и [3] при определении ресурса до капитального ремонта или замены насоса предложено:

-определять техническое состояние насоса по изменению подачи при диагностических замерах через

определенную наработку;

-учитывать только ту часть эксплуатационных затрат, которая определяется техническим состоянием насоса (например, фонд зарплаты обслуживающего персонала не зависит от технического состояния насоса и, поэтому, его не учитывают);

-рассчитывать потребление

электроэнергии по удельным

энергозатратам (т.е. затратам

электроэнергии на перекачивание 1 м3 жидкости, размерность - (кВтч)/м3), которые принимаются независящими от технического состояния насоса [1].

Последнее допущение является недостатком методик [2] и [3], так как вносит существенную погрешность в определение ресурса насоса.

Методика разработана для условий:

- в работу включается одновременно на напорную сеть не более одного насоса;

- сопротивление напорной сети постоянно или в течение ресурса насоса изменяется незначительно;

- стоимость расходных материалов, применяемых при техническом обслуживании, в сравнении со стоимостью электроэнергии и капитального ремонта незначительна, поэтому ею можно пренебречь;

- техническое состояние насоса контролируется периодическими измерениями подачи насоса и удельных энергозатрат (расхода электроэнергии на перекачивание 1 м3 жидкости).

Методика и оборудование диагностических измерений зависят от условий эксплуатации и здесь не рассматриваются.

При выполнении двух первых условий уменьшение подачи насоса зависит только от изменения его технического состояния.

Из эксплуатационных расходов от насоса и его технического состояния зависят (с учетом условия 3) только стоимость самого насоса или его капитального ремонта и плата за потребленную электроэнергию. Остальные расходы не зависят от технического состояния и поэтому не влияют на оптимальную наработку насоса и не учитываются.

Удельные эксплуатационные затраты, зависящие от технического состояния насоса, при наработке насоса I

Сд (0 =

Се 0) + С V (г)

где Се(г) - плата за электроэнергию, потребленную насосом при наработке г;

Ср - стоимость нового насоса или стоимость капитального ремонта с учетом транспортировки и затрат на монтаж и демонтаж (расходы на монтаж и демонтаж учитываются при их выполнении сторонними организациями);

V(г) - объем жидкости, перекачанной насосом при наработке г.

Согласно [2] изменение подачи от наработки насоса может быть описано интерполяционным уравнением

ее) = а - кг,

к = е?

1=1_г=1_1=1

«X(1п г,)2 -(X 1п

П П

■X ад» - а)2-X ^ хмев - Q¡)

/=1 /=1

«X(1п ^)2 - (X 1п^)2

1=1

Е (г) = Еп + ^^^ ,

(5)

s, р - параметры эмпирической зависимости, определяемые по результатам диагностических измерений при

фиксированной наработке насоса по формулам методом наименьших квадратов

5 = ехр

XX(Еп -Е)Х(1п4)2-XX 1п(Еп -Е, )1пг,XX 1пг, . (6)

¿=1_/=1_/=1_,=1 5 ^ '

П П

пX (1п г, )2 - (X 1п г, )2

П П

'X 1п(Еп -Е)2-X 1пг,X 1п(Еп -Е,)

р = ■

1=1 1=1

( 7)

.X (1п г, )2 - (X 1п г, )2

(2)

где б - начальная подача насоса при г=0;

к, т - параметры эмпирической зависимости, определяемые по результатам диагностических измерений подачи насоса при фиксированной наработке насоса методом наименьших квадратов

где Е,, - соответственно, удельные энергозатраты и наработки насоса при ,-том диагностическом измерении.

С учетом (2) объем жидкости, перекачанный насосом при наработке г

П П П П

X(а -аХ(1пг)2-X ма-й)ьгXьг; (3)

V (г) = | б(г )Лг = Ор,

(8)

где бср - средняя подача насоса за время наработки г;

(4)

а.=1 I б (г л=а

т +1

гт . (9)

где б, и - соответственно, подача и наработки насоса при ьтом диагностическом измерении;

п - число диагностических измерений; минимальное значение п = 2 (без учета измерения бп начальной подачи при г = 0).

Изменение удельных энергозатрат (расхода электроэнергии на перекачку 1 м3 жидкости) от наработки насоса г может быть описана интерполяционным уравнением

Плата за

электроэнергию

потребленную С (г) = ЬШ(г), (10)

где Ь - цена 1 кВт ч электроэнергии;

Ш(г) - количество потребленной электроэнергии (кВтч) при наработке насоса г.

С учетом (2) и (5) количество потребленной электроэнергии при наработке насоса t

ш (/) = ф/Е (/) б(0 л = ф

бЕг+

Ект к5й'*р*т

р + 1 т + 1 1 + р + т

где Еп - удельные энергозатраты насоса при

г = 0;

(11)

где ф - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в двигателе и в

,=1

,=1

П

,=1

,=1

,=1

0

П

1=1

т =

1=1

электрической энергоснабжения

ф=

сети

{ТдеТм )'

участка

(12)

где г]дв, т]м - соответственно, коэффициенты полезного действия двигателя и электрической сети участка энергоснабжения.

Из (1) с учетом (8), (9), (10), (11) и (12) после преобразований получим уравнение удельных эксплуатационных затрат насоса, зависящих от его технического состояния

Суй (0 =

вер

вп Е +

(р + 1) (т + 1) (1 + р + т)

(13)

вСр(

Таблица 1 Данные диагностических измерений

Наработка насоса, ч 0 400 800 120 0 1600

Подача, м3/ч 340 332 325 319 312

Удельные энергозатраты, (кВтч)/м3 2,70 2,89 3,16 3,45 3,77

По данным таблицы по формулам (3), (4), (6) и (7) определены: к = 0,0638; т = 0,912; я = 0,00002324; р = 1,120.

2000 'опт 4000

5000

8000 (, час

Первое слагаемое в (13) представляет собой при наработке ^ удельную плату за электроэнергию, а второе - удельную стоимость капитального ремонта или замены насоса.

Для аналитического определения оптимальной наработки необходимо приравнять нулю первую производную по времени зависимости (13) и из решения уравнения определить оптимальную наработку насоса ¿опт. Полученные аналитические зависимости очень громоздкие, поэтому далее приводится пример графического решения.

На рис. 1 приведен график зависимости (13) удельных затрат насоса ЦНС 300-600, который построен для условий: р = 1,11; Ь = 3,20 руб/(кВт ч); Ср=381000 руб и по данным диагностических измерений табл. 1.

Рис. 1 - График удельных затрат

По графику на рис. 1 оптимальная наработка насоса до капитального ремонта составляет ¿опт = 3400 часов.

По зависимости (2) уменьшение подачи насоса до предельного (минимального допустимого) значения 220 м3/ч наступит при наработке насоса 8000 ч. Удельные энергозатраты по формуле (5) и удельные эксплуатационные затраты по формуле (13) для оптимальной и предельной наработок будут 2,91 и 3,25 кВт ч/м3 и 10,18 и 10,41 грн./ м3.

Выводы

Предлагаемый метод управления техническим состоянием центробежных насосов позволяет получить экономию затрат на электроэнергию и на эксплуатацию составит, 13% и 2,5%, соответственно.

Точность определения оптимального ресурса насоса определяется точностью экстраполяции подачи насоса и удельных энергозатрат зависимостями (2) и (5), которая может быть повышена увеличением количества диагностических измерений по мере увеличения наработки насоса. При необходимости в расчет может

1

быть включена стоимость расходных материалов.

Список литературы:

1. Нечушкин Г.М., Махинин А.И., Мазуренко В.В. Удельные энергозатраты при изменении характеристик насосов в процессе эксплуатации // Вопросы горной механики: Сб. науч. тр. ИГМТК им. М.М. Федорова. - М.: Недра, 1971. - с. 78-83.

2. Лень А.Г. Совершенствование управления техническим состоянием шахтных центробежных насосов в процессе эксплуатации /Автореф. канд. дисс., ДНИ. -Донецк, 1990. - 20 с.

3. Лень А.Г., Тимохин Ю.В., Логвинов Н.Г. Определение оптимальной наработки центробежных насосов // Разработка, эксплуатация и ремонт шахтных стационарных установок: Сб. науч. тр. НИИГМ им. М.М. Федорова. -Донецк, 1991. - с. 189-199.

4. Борисов Ю.С. Организация ремонта и технического обслуживания оборудования. М., Машиностроение, 1978, 360 с.

5. Ногорелов НИ., Ногорелов И.Н. Методика определения экономической эффективности ремонта // Вестник НТУ «Харьковский политехнический институт» Сб. научн. трудов. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2015. № 26 (1135), с. 166-175.

Аннотации:

При перекачивании центробежными насосами агрессивных жидкостей или жидкостей с абразивными примесями из-за износа проточной части снижается напор, коэффициент полезного действия и увеличивается потребление электроэнергии. В этих условиях целесообразно проводить капитальный ремонт или замену насоса при наработке, соответствующей минимуму удельных эксплуатационных затрат. Предложено техническое состояние насоса оценивать по изменению подачи и удельных энергозатрат по результатам периодических диагностических замеров потребления электроэнергии и подачи. Приведены зависимости для определения оптимального ресурса насоса на основе диагностических замеров.

Ключевые слова: Центробежные насосы, эксплуатация, износостойкость, эффективность, затраты.

When pumping centrifugal pump corrosive liquids or liquids with abrasive particles due to wear of the hydraulic pressure is reduced, the efficiency and power consumption increases. In these circumstances, it is advisable to carry out major repairs or replacement of the pump at the operating time, corresponding to the minimum unit operating costs. It is proposed to evaluate the technical condition of the pump to change the flow and the specific energy consumption as a result of periodic diagnostic measurements of power consumption and supply. The dependences for determining the optimum pump life based on diagnostic measurements.

Keywords: Centrifugal pumps, maintenance, durability, efficiency, costs.