РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОГО І АЛГОРИТМІЧНОГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ ВІБРАЦІЙНОГО ДІАНОСТУВАННЯ НАСОСНОГО АГРЕГАТУ

      Компанія Wilo реалізує цей принцип наступним чином. По-перше, насос з частотним перетворювачем конструкції мокрий ротор не вимагає додаткових датчиків (наприклад, датчик перепаду тиску). Насос самостійно відслідковує стан гідравліки, і реагує на зміни, що там відбуваються. Зовнішні датчики не потрібні, через те, що насос отримує інформацію (витрата теплоносія, гідравлічний опір), через навантаження на вал робочого колеса, а саме через величину струму, яка діагностується. Далі ці дані обробляються в електронному блоці, і насос відпрацьовує відповідні зміни. Мікрокомп'ютер порівнює дійсні значення з заздалегідь заданнимівелічінамі, і проводиться корегування робочої точки насоса за рахунок збільшення або зменшення частоти обертання валу. Циркуляційні насоси серії з електронним управлінням ідеальні для систем з термостатичним регуляторами (автоматичними, ручними регулюючими вентилями на радіаторах) та іншими елементами регулювання потоку. Коштують вони приблизно в 1,4 рази дорожче насосів з кроковим перемиканням. Вони розрізняються приводом, або системою управління, а сама «насосна» частина - практично без змін. Але їх витрату і напір постійно коректуються залежно від часу доби і кліматичних умов, а також під гідравлічні характеристики системи в кожний момент часу, що дозволяє уникнути надмірного завищення параметрів вибираного насоса, і таким чином підвищуючи ефективність роботи всієї опалювальної системи.

        Завдяки застосуванню нових технологій стає реальним зниження енергоспоживання насоса до 50% (Grundfos Alpha, Wilo Star E, DAB VEA). Доречно зауважити, що чим потужніший насос, тим більше він дозволяє заощадити. Підраховано, що при потужності 8-10 кВт різниця у вартості звичайного насоса та насоса з частотно-регульованим приводом окупається менш ніж через 1 рік. Потім такий насос просто починає економити гроші. У масштабах виробництва мова може йти про десятки, а то й сотнях насосів різної потужності і призначення, що працюють на одному тільки підприємстві. Економія від використання регульованого приводу стає дуже помітною. Розгорнута інформація про ефективні електронно-регульованих насосах з «мокрим» ротором виробництва фірм, що працюють на українському ринку, представлена в табл. 1.1 і 1.2.

         Наступний прогресивний стрибок у розвитку насосної техніки - дворазове збільшення ефективності, був зроблений компанією Grundfos в 2005 р. з появою насосів Grundfos Alpha Pro і компанією Wilo з появою Wilo-Stratos-Eco (побутові циркуляційні насоси з безступінчатим регулюванням), що доповнив ряд малих частотно- регульованих насосів UPE 2000 і ProfiStar. Головна ідея полягає в застосуванні новітніх електронно-керованих синхронних електродвигунів, що дозволяють заощаджувати до 80% споживаної енергії. Вперше електродвигун насоса для побутових систем опалення забезпечений постійними магнітами, що знижує втрати енергії. Так, максимальна споживана потужність моделі Alpha Pro 25-40 становить від 6 до 25 Вт, а Wilo-StratosEco - від 5,8 до 59 Вт За рахунок поєднання цієї технології із частотними перетворювачами, інноваційними методами виробництва, а також оптимізацією конструктивних особливостей насосів, вдалося отримати максимально високі результати.

       У насосах Wilo була виконана оптимізація гідравлічної частини насоса. Робоче колесо і спіральна збірка насоса мають тривимірну форму, що зменшує сумарні втрати тиску при протіканні рідини через гідравлічну частину, і тим самим підвищує гідравлічний ККД насоса. При цьому також максимально зменшений зазор між статором і ротором, а розділюючий стакан виконаний з принципово нового матеріалу, за рахунок чого зменшуються сумарні  втрати в електродвигуні і збільшується значення його електричного ККД. Все це дозволяє досягти високого значення сумарного ККД, сумісного в ряді випадків з ККД насосів з сухим ротором великих потужностей. Все це, у поєднанні з новим фільтром і функцією деблокування, забезпечує гарантований швидкий запуск і надійну роботу насоса. Насос швидко монтується, а основні параметри, як і в попередніх моделях, можуть легко бути задані за допомогою лише однієї «червоної кнопки». У насосах Grundfos Alpha Pro окрім застосування високоякісного постійно-намагніченого ротора, виготовленого з використанням унікальних технологій, велика увага приділялася зменшенню втрат в гідравлічній частині. Для цього використовувалися новітні комп'ютерні 3D технології, що дозволили розробити і виготовити оптимальну конструкцію. Вал з якнайтоншим отвором, отриманим за допомогою лазерного свердлення, запобігає попаданню домішок, що знаходяться у воді, в рухомі частини електродвигуна. Розділений на окремі сегменти статор сприяє ефективнішій роботі, знижуючи таким чином енергоспоживання.

          Окрім вищепереліченого, ці насоси володіють здатністю автоматичного переходу на нічний режим роботи — функція Autopilot у Wilo і Automatic Night Time Duty у Grundfos. А застосування передової електроніки, повно функціонального програмного забезпечення і сучасних методів виробництва гарантують тривалий термін служби і високоефективну експлуатацію устаткування. Безшумна робота, наявність вбудованої электро- і термозахисту, можливість контролю за енергоспоживанням завдяки вбудованому індикатору — переваги нових насосів. З останніх досягнень світових лідерів у виробництві насосного устаткування використовуєтся IR-монітор, який дозволяє проводити дистанційне керування і контроль функціонування насосів, а за допомогою додаткового роз'єму насос можна підключити до центральної системи автоматизації будівлі.

Моделі з бронзовим корпусом також можуть бути використані для  систем ГВС ( Grundfos Alpha Pro, Wilo-Stratos-Eco-Z ). А Wilo-Stratos — це єдиний насос з двигуном на постійних магнітах, який можна застосовувати не тільки в системах опалювання, але і в системах кондиціонування повітря. Високоефективні насоси з синхронними двигунами на постійних магнітах також виготовляються в здвоєного виконання — Grundfos Magna D, Wilo-Stratos-D. Особливо в середніх і великих системах опалювання і кондиціонування насоси «в здвоєній упаковці» забезпечують надійність і безпеку роботи, а також мінімізацію енергетичних витрат.  
Річ у тому, що такі насоси з електронним управлінням автоматично підстроюються під конкретні вимоги системи в кожен момент часу. Включення насоса пікового навантаження також відбувається автоматично, і притому в робочій крапці, а не з перевищенням заданих параметрів. І в цьому випадку два насоси, що працюють з меншою швидкістю, споживають енергії менше, ніж одиночний насос з великою частотою обертання мотора. При роботі в режимі резервування відбувається автоматична зміна насосів і рівномірний розподіл завантаження між ними. Окрім випуску нових високоефективних насосів, провідні виробники паралельно здійснюють модернізацію і удосконалення старих моделей з метою відповідності вищому рівню энегопотребления по класифікації Energy Labeling. Даний процес був ініційований асоціацією європейських виробників насосів Europump для розповсюдження і адаптації загальної класифікації, що існувала в Європейському Союзі, за енергоспоживанням також і на циркуляційні насоси. В результаті угоду про добровільну класифікацію своєї продукції в 2005 році підписали чотири компанії: Grundfos (Данія), Wilo (Німеччина), Circulating Pumps (Великобританія) і Smedegaard (Данія). Критерій, використовуваний для класифікації, припускає зіставлення енергоспоживання конкретного досліджуваного насоса з енергоспоживанням середнього насоса, що володіє такою ж гідравлічною потужністю. Нове маркування розподіляє ефективність енергоспоживання по класах, що позначаються буквами від «А» (вищий клас) до «G», і таким чином чітко видно енергозберігаючі властивості насосів.  
      Класифікація енергетичної ефективності опалювальних насосів проводиться на підставі вимірювань. Вимірюється споживана потужність насосів в чотирьох різних робочих точках відповідно до профілів завантаження. Результатом обчислень є індекс енергоефективності (EEI). Чим він нижчий, тим менше електроенергії споживає насос і тим вище його енергетичний клас. Діапазони значень індексу енергоефективності для всіх енергетичних класів приведені в

таблиці. 1.3.

        Різниця у витраті енергії між двома сусідніми класами складає близько 20% прийнятого за основу енергоспоживання класу «D». Тобто насос класу «А» споживає біля третини електроенергії рівня споживання насоса класу «D». Економічність насоса вищого енергетичного класу може бути, таким чином, обчислена за допомогою усереднених значень споживання енергії. Наприклад, якщо насос класу «D» з середньою споживаною потужністю P = 400 Вт замінити насосом однакової з ним гідравлічної потужності класу «А», то він споживатиме біля P = 0,33 . 400 Вт = 132 Вт.

        Таким чином, фахівці і кінцеві користувачі опалювальних насосів зможуть за допомогою відомої класифікаційної системи самостійно визначити енергетичну ефективність вживаного ними устаткування. Дана угода примушує виробників постійно удосконалювати свою продукцію, що приносить відчутну вигоду споживачеві (особливо зважаючи на зростаючі тарифи на електроенергію).  
        Нові насоси Grundfos Magna і Alpha Pro відповідають класу «А» за шкалою енергоефективності. А після проведеного удосконалення більшість циркуляційних насосів перейшло у вищий клас енергоефективності. Так, насоси Grundfos UPS 100 з напором 4 м і насоси Grundfos Alpha+ відповідають класу «B», а насоси Grundfos UPS 100 з напором 6 м — класу «C».

        До класу ефективності енергоспоживання  «В» віднесені енергозберігаючі насоси Wilo TOP-E . Стандартні ж насоси Wilo TOP-S, RS забезпечуватимуть ефективність енергоспоживання не нижче класу «С». На думку експертів, зараз середнє енергоспоживання нерегульованих циркуляційних насосів зарубіжних виробників, представлених на ринку України, відповідає в основному класам «С» і «D». Устаткування вітчизняних виробників має нижчий клас енергозбереження.

1.3 Причини і фактори,  що зумовлюють виникнення дефектів  та відмов насосних агрегатів.

       Для кращого розуміння процесів що відбуваються у насосних установках, які   знайшли широке застосування в тепловій і атомній енергетиці, нафто видобутку і трубопровідному транспорті, хімічною і інших галузях промисловості, комунальному і сільському господарствах,  потрібно знати причини та фактори які впливають на їх нормальну роботу та призводять до виникнення відмов та дефектів [4].

Причини появи дефектів механічного походження в роторних машинах досить добре висвітлені в технічній літературі стосовно водяних насосів.  Перелічимо їх стосовно   порядку зменшення частоти відмов насосів у зв’язку з підвищеною вібрацією, яка може бути викликаною наступними причинами [1]:

-розцентруванням агрегату в  процесі експлуатації (порушення співвісності валів електродвигуна і насоса);

-ослабленням жорсткості опорної  частини системи ротор - опори  (підшипники, місця посадки підшипників,  рама, фундамент), що відбувається  через збільшення зазорів у  підшипниках, зміни їх форми; розточення, ослаблення кріплення вкладишів у гніздах, ослаблення кріплення стійок підшипників до рами і рами до фундаменту, поганої заливки рам і відставання рам від фундаменту;

-дефектами підшипників ковзання  і цапф валів (надмірний або  недостатній натяг вкладишів у гніздах, перекіс вкладишів, погане прилягання валу до внутрішньої шийки підшипника, недостатній або надмірний зазор у підшипниках, нерівномірний знос шийок валів - биття, овальність, конусність шийок і т.п.);

-дефектами зубчатих муфт (забоїни, биття, нерівномірний знос, підвищені зазори між зубами);

-незрівноваженістю роторів електродвигуна  і  насоса, що виникла як  наслідок низької якості балансування  при виготовленні або ремонті  ротора або розбалансуванні ротора  в процесі експлуатації;

-іншими причинами: зачіпанням в ущільненнях і елементах проточної частини через малі зазори, порушенням в роботі системи змащування (“масляна” вібрація), ослабленням посадки роторних деталей, впливом стороннього джерела й ін.

В роботі [5] наводиться схожа класифікація причин що викликають дефекти та відмови насосів. До них відносять:

- дисбаланс мас, що  обертаються, викликаних неякісною  обробкою підшипникових шийок  ротора, ексцентричною посадкою  коліс на роторі, вигином ротора  та іншими дефектами, що призводять  до зсуву центру мас ротора.

- розцентровка або  неспіввісність з’єднаних валів двигуна-редуктора-насоса (і т.п.).

- елліпсність цапф  в підшипнику ковзання.

- масляна вібрація, що  викликається невідповідністю динамічних  якостей ротора і змащуючих  властивостей в підшипниках ковзання.

- неправильна установка  вкладишів в підшипниках ковзання.

- знос вкладишів в  підшипниках ковзання.

- зачіпання валу за  бабіт в підшипниках ковзання.

- дефекти зчеплення  зубчатих передач.

- дефекти зборки агрегатів.

- дефекти муфт.

Цей перелік був визначений з аналізу статистичних даних  відмов і включає лише причини, що викликають механічні дефекти, пов'язані з обертанням валів агрегату, які, в основному, й виникають на практиці в процесі експлуатації агрегатів. Потрібно сказати, що майже всі ці причини є зумовлені рядом конструктивних  та режимних факторів експлуатації насосів. Розглянемо та детальніше проаналізуємо фактори, що призводять до виникнення їх відмов і дефектів.

Згідно з [6], ефективність роботи насосів залежить від чотирьох факторів: правильної конструкції, точності виготовлення, якісного монтажу та правильної експлуатації з дотриманням нормального режиму та забезпеченням нормальних умов роботи насоса.

Серед режимних факторів при експлуатації насоса виділяють  три основні, які призводять до погіршення його робочих характеристик та до появи причин виникнення дефектів: знос внаслідок впливу абразивних домішок, корозійне та кавітаційне руйнування. Розглянемо детальніше їх вплив на агрегат.

Як правило, при роботі насосів на прісній воді фактором зносу внаслідок впливу абразивних домішок можна знехтувати, проте  він  є  одним з найбільш значимих при роботі на підтоварній воді яка, навіть пройшовши цикл очистки, все одно містить значну кількість твердих механічних домішок.

До основних чинників,  що впливають на інтенсивність зносу  деталей насосів природними водами абразивною суспензією, відносять фізико-механічні властивості твердих частинок суспензії (вага,  твердість, скругленість граней) і їх розміри;  кількість твердих частинок,  що потрапляють на одиницю поверхні тіла, що зношується,  і час їх дії; швидкість руху частинок; фізико-механічні властивості поверхні, що зношується, та її стан;   геометричні форми   тіл,   обтічних рідиною з суспензією; конструкцію вузлів і деталей, дотичних  з абразивною  суспензією [5]

Абразивний знос поверхонь  каналів насосів пропорційний третій степені значення швидкості, тобто відповідно і кубу частоти обертання. При роботі насоса з сталою подачею знос  поверхонь   пропорційний  квадрату частоті обертання. Відповідно, чим більший напір, тим більший абразивний знос колеса. Найшвидше в осьових насосах розробляється зазор між торцями лопатей робочого колеса та камерою. Це місце найбільшої величини окружної швидкості і  найбільшого зносу. Згідно з [4] допустиме зменшення товщини лопаток та дисків робочого колеса становить не більше 15% від початкових розмірів, зменшення його зовнішнього діаметру - не більше 1.5 %

Вплив фактору корозійного  руйнування спостерігається в усіх випадках, незалежно від характеристик води, що перекачується. Особливо схильні до корозійного руйнування вхідні ділянки всмоктуючої сторони лопатей коліс і лопаток направляючих апаратів.

Активність корозійних процесів залежить від ступеня насичення  перекачуваної води киснем з повітря, сірководнем і іншими газами.   Швидкість корозії ВНА значно знижується при вмісті у воді кисню не більше 1 мг/л, вільного вуглекислого газу — 1 мг/л і повній відсутності сірководню. Тому одним із заходів, направлених на зниження інтенсивності корозії, є підготовка, транспортування і закачування стічних вод за закритою системою.