Раздел XIII . Электрооборудование общепромышленных установок

Силовые общепромышленные установки — это установки, которые имеются практически на каждом промышленном предприятии независимо от специфики и характера технологического процесса. К общепромышленным установкам относят компрессорные, насосные, вентиляционные, воздуходувные установки и подъемно-транспортные устройства. Расход электроэнергии силовыми общепромышленными установками составляет 45 — 60% общезаводского электропотребления, а именно (для крупного машиностроительного завода): 20 — 25% электроэнергии потребляют компрессорные для выработки сжатого воздуха; 15 — 20% — вентиляционные установки; 5 — 6% — насосные водозабора и перекачки воды; 7 — 8 % — подъемно-транспортные устройства. В силовых установках применяют асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и напряжением от 127 В до 10 кВ, а при необходимости регулирования производительности установок — двигатели постоянного тока. Мощность таких силовых установок в общем случае изменяется в широком диапазоне от долей единицы, единиц (например, электродвигатели задвижек, затворов, подачи масла) до десятков (30 — 60) мегаватт (кислородные турбокомпрессоры и воздуходувки доменных печей). Характер нагрузки, как правило, ровный, особенно для мощных компрессорных, насосных и вентиляционных установок, а толчки нагрузки имеют место только при пусках двигателей. Двигатели основных механизмов (компрессоры, вентиляторы, насосы) имеют продолжительный режим, а двигатели вспомогательных устройств (например, задвижки, затворы, дозаторы) — повторно-кратковременный или кратковременный режим работы. Коэффициент мощности таких приемников электроэнергии достаточно стабилен (0,8 — 0,9). Для электропривода крупных насосов, компрессоров и вентиляторов чаще всего применяют синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения (с опережающим коэффициентом мощности). Расположение электрооборудования силовых установок стабильно. Требуемая степень бесперебойного электроснабжения приемников электроэнергии силовых установок зависит от назначения и мощности установки, характера и требований технологического процесса конкретного производства.

Насосами называются машины, служащие для перекачки и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкостей с твердыми и коллоидными веществами и газов. Следует заметить, что машины для перекачки и создания напора газов (газообразных жидкостей) выделены в отдельные группы и получили название вентиляторов и компрессоров.

Компрессоры

Компрессорами называются нагнетатели, служащие для подачи сжатого воздуха или газа под избыточным давлением более 0,2—0,3 МПа. Повышенная степень сжатия в компрессорах обусловливает изменение термодинамических условий состояния воздуха или газов.

Области применения поршневых и центробежных компрессоров различны и соответствуют особенностям этих машин. Так, поршневые компрессоры, воздействующие с помощью поршня на определенный замкнутый объем воздуха в цилиндре в период нагнетания, могут создавать значительную степень сжатия р2/р1 при относительно ограниченной подаче воздуха или газа. Поршневые компрессоры обладают высоким коэффициентом полезного действия и применение их наиболее целесообразно при давлениях более 1 МПа и при малых подачах (не более 100—150 м3/мин).

Центробежные компрессоры (турбокомпрессоры) конструктивно и по принципу действия сходны с многоступенчатыми центробежными насосами. Отличие заключается в том, что рабочим телом является сжимаемый газ и поэтому имеют место тепловые процессы. Использование центробежных компрессоров наиболее целесообразно при подаче больших количеств воздуха (не менее 50 м3/мии) при сравнительно невысоком давлении (0,7-0,8 МПа).

Классификация компрессоров:

У каждого из типов компрессорных машин имеются свои преимущества и недостатки, которые должны быть учтены при выборе установки в каждом конкретном случае.

Центробежные машины имеют ряд существенных преимуществ перед поршневыми. У центробежных машин отсутствуют быстро изнашивающиеся части — поршни, клапаны и т. д. Они не требуют внутренней смазки и поэтому не загрязняют сжатый воздух или газ, что очень важно в пищевых производствах. Благодаря большой частоте вращения роторов центробежных компрессоров их можно непосредственно соединять с электродвигателями или паровыми турбинами.

Установки с трубокомпрессорами более компактны — они имеют меньший вес, занимают меньшую производственную площадь. Так как воздух или газ проходит равномерно через компрессор в одном направлении, отпадает необходимость установки рессиверов между отдельными ступенями. При работе турбокомпрессоров не возникают инерционные усилия, а поэтому их фундаменты легче, чем фундаменты поршневых компрессоров.

Существенным недостатком турбокомпрессоров является их меньший КПД и невозможность получения высоких давлений при относительно малых подачах.

Поршневые компрессоры

Принцип действия поршневого компрессора такой же, как и поршневого насоса. Отличием является только то, что поршень насоса выталкивает жидкость в течение всего нагнетательного хода, а компрессор выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре компрессора превысит давление в нагнетательной линии.

В зависимости от способа действия поршневые компрессоры бывают простого и двойного действия. По расположению цилиндров подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с наклонными цилиндрами; по числу ступеней сжатия подразделяются на одно-, двух- и многоступенчатые, а по способу охлаждения - с воздушным и водяным охлаждением.

По своему назначению различают компрессоры воздушные, кислородные, аммиачные, углекислотные и др. В пищевых предприятиях применяются стационарные и передвижные компрессоры.

Основные элементы компрессорной установки.

Обычная компрессорная установка производственного назначения должна обладать также некоторым вспомогательным оборудованием, необходимым для нормальной работы компрессора (рис. 1.).

Рис. 1. Схема установки воздушного поршневого компрессора.

Непосредственно за воздушным компрессором обычно устанавливают газосборник. Его назначение - выравнивать неравномерную синусоидальную подачу воздуха поршнем компрессора. Газосборник должен быть оборудован приспособлениями для улавливания масла и отделения сконденсировавшейся влаги. Газосборник - это закрытый резервуар 5, чаще всего цилиндрический, оборудованный предохранительным клапаном 4 и спускным краном 6, а также манометром 3. При нагревании смазки, подаваемой в цилиндр компрессора, наиболее летучие фракции ее испаряются и поступают с воздухом в газосборник, в результате чего может образовываться взрывчатая смесь, которая представляет особую опасность при недостаточном охлаждении компрессора.

Между компрессором и газосборником устанавливают обратный клапан 2 для предотвращения обратного течения газа в случае разрыва труб у компрессора. Перед воздушным поршневым компрессором обязательно устанавливают фильтр / (обычно масляного типа) для очистки всасываемого снаружи воздуха. Попадание в компрессор запыленного загрязненного воздуха приводит к быстрому загоранию и износу цилиндра.

Установки поршневых компрессоров отличаются многообразием схем выполнения и компоновки. В значительной степени это обусловлено:

а) подачи, которая колеблется в пределах от 1—2 л/мин до 500 м3/мин;

б) давлений, изменяются в пределах от сотых долей МПа до 150 МПа;

в) расхода мощности, которая зависит от подачи и давления и меняется от десятых долей киловатт до 7000 кВт и более.

Поршневые вакуум-насосы

Насосы, всасывающие газ или воздух при давлении ниже атмосферного и выталкивающие их в атмосферу, называются вакуум-насосами.

В пищевой промышленности вакуум-насосы применяются, главным образом, для отсасывания не сконденсировавшихся паров и газов в выпарных станциях, варочных станциях заводов и фабрик, оборудованных вакуум-аппаратами, а также для создания вакуума в секциях вакуум-фильтров. Чаще применяются вакуум-насосы низкого вакуума, которые создают у своего всасывающего патрубка вакуум до 93,3—96 кПа, т. е. до 92—95% от атмосферного давления (абсолютный вакуум 101,3 кПа).

По принципу действия вакуум-насосы являются компрессорами, всасывающими газ при пониженном давлении, сжимающими, а затем и нагнетающими его. Хотя практически давление нагнетания не намного превышает атмосферное, степень сжатия р2/р1 в вакуум-насосах оказывается значительно большей, нежели в обычных компрессорах.

Ротационные компрессоры

Ротационные компрессоры работают по тому же принципу, что и поршневые машины, т. е. по принципу вытеснения. Основная часть энергии, передаваемой газу, сообщается при непосредственном сжатии.

Сущность действия ротационного компрессора (рис. 2.) заключается в том, что, независимо от его конструктивных особенностей, всасывание газа или воздуха производится той полостью компрессора, объем которой увеличивается при вращении ротора. Засосанный газ попадает в замкнутую камеру, объем которой, перемещаясь при вращении ротора, уменьшается. Сжатие за счет уменьшения объема приводит к увеличению давления и выталкиванию газа в нагнетательный патрубок.

Ротационные нагнетатели, развивающие избыточное давление до 0,28—0,3 МПа (при атмосферном давлении на входе), называются воздуходувками, а создающие более высокое давление — компрессорами. Ротационные компрессоры и воздуходувки имеют ряд преимуществ перед поршневыми: уравновешенный ход из-за отсутствия возвратно-поступательного движения; возможность непосредственного соединения с электродвигателем; равномерная подача газа; меньший вес конструкции, отсутствие клапанов и т. д. Вместе с тем, по сравнению с поршневыми, ротационные компрессоры имеют более низкий механический КПД, развивают более низкое давление,

Рис.2. Ротационный пластинчатый компрессор.

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры — это центробежные компрессорные машины, работающие по такой же схеме, как центробежные насосы. Применяют их преимущественно при подаче относительно больших количеств газа или воздуха под небольшим давлением (0,15— 1,0 МПа).

Ввиду того, что плотность воздуха значительно меньше плотности капельных жидкостей, степень сжатия p2/p1 в одной ступени турбокомпрессора не превышает значений 1,2—1,3 при обычно применяемых окружных скоростях на ободе рабочих колес 2= 150—200 м/с.

Для получения более высоких степеней сжатия 1,6—1,8 необходимо довести окружную скорость до 400 м/с, что связано с применением стали высокого качества для изготовления рабочих колес. Часто для увеличения степени сжатия воздуха применяют многоступенчатые машины с сохранением обычных окружных скоростей.

Насосы

Насосы в настоящее время являются самым распространенным видом машин.

По принципу действия насосы подразделяются на:

а) центробежные, у которых перекачка и создание напора происходят вследствие центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса;

б) осевые (пропеллерные) насосы, рабочим органом у которых служит лопастное колесо пропеллерного типа. Жидкость в этих насосах перемещается вдоль оси вращения колеса;

в) поршневые и скальчатые насосы, в которых жидкость перемещается при возвратно-поступательном движении поршня или скалки. К этой группе можно отнести простейший вид поршневых насосов - диафрагмовые насосы, у которых рабочим органом служит резиновая или кожаная диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения;

г) тараны, работающие за счет энергии гидравлического удара;

д) струйные насосы, в которых перемещение жидкости осуществляется за счет энергии потока вспомогательной жидкости, пара или газа;

е) эрлифты (воздушные водоподъемники), в которых рабочим телом является сжатый воздух.

Насосы, применяемые в различных производственных установках, должны выполнять одну, две или все три перечисленные функции. Насосная установка состоит из собственно насоса 3; резервуара 5, из которого насос всасывает жидкость при помощи всасывающего трубопровода 4; напорного резервуара 2, в который подается жидкость с помощью нагнетательного трубопровода 1.

Расходом или подачей насоса Q называют объемное количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени в нагнетательный трубопровод. Следовательно, под расходом понимают то количество жидкости, которое получает потребитель. В действительности, через рабочие органы насоса, его проточную часть проходит большее количество жидкости Q0, которое учитывает объемные потери жидкости, например, через сальниковое или другое уплотнения.

Манометрическим называют напор, создаваемый насосом для преодоления геометрической высоты всасывания Z1 и высоты нагнетания Z2, для преодоления разности давлений на концах трубопровода р2 - p1, т.е. разности между внешним давлением над поверхностью жидкости в нагнетательном резервуаре р2 и внешним давлением на поверхности жидкости во всасывающем резервуаре р1. Кроме того, манометрический напор затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов насосной установки на всасывающей линии h’w и нагнетательной линии h’’w. Поэтому манометрический напор, создаваемый насосом, можно выразить так:

Одним из основных параметров работы насоса является расход мощности N, т. е. количество затрачиваемой насосом энергии для подъема, перемещения и нагнетания жидкости в единицу времени.

Различают теоретическую мощность NT, т. е. такую, которую необходимо было бы затратить для подачи жидкости, преодолевая необходимый манометрический напор при полном отсутствии потерь энергии в самом насосе.

Очевидно, теоретическая мощность (кВт) определяется величиной

В действительности, полная мощность, затрачиваемая двигателем, т. е. мощность на валу насоса или эффективная мощность N больше теоретической N> NT. Поэтому отношение NT:N всегда меньше единицы. Это отношение показывает, какая часть из всей использованной насосом энергии затрачивается полезно. Вследствие этого указанное отношение принято называть общим коэффициентом полезного действия насоса и обозначать

откуда следует, что

.

Дифференциальный насос

Рис. 4. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем

Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 4) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 или малый зазор со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F - f )l; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный fl. Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный

(F - f)l + fl = Fl

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.

Насос двойного действия

Рис. 5. Насос поршневой двойного действия

Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 5), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет

где f - площадь штока, м2.

Вентиляторы

Привод вентиляторов обычно электрический. Электрические вентиляторы состоят из набора вращающихся лопаток, которые размещены в защитном корпусе, позволяющем воздуху проходить через него. Лопасти вращаются электродвигателем. Для больших промышленных вентиляторов используются трёхфазные асинхронные двигатели. Меньшие вентиляторы часто приводятся в действие посредством электродвигателя переменного тока с экранированным полюсом, щёточными или бесщёточными двигателями постоянного тока. Вентиляторы с приводом от двигателей переменного тока обычно используют напряжение электросети. Вентиляторы с приводом от двигателя постоянного тока используют низкое напряжение, обычно 24 В, 12 В или 5 В. В вентиляторах охлаждения для компьютерного оборудования используют исключительно бесщёточные двигатели постоянного тока, которые производят намного меньше электромагнитных помех при работе. В машинах, которые уже имеют двигатель, вентилятор часто соединяется непосредственно с ним — это можно видеть вавтомобилях, в больших системах охлаждения и веятельных машинах. Также вентиляторы насажены на валы многих электродвигателей мощностью 1 кВт и более, протягивая через обмотки двигателя охлаждающий воздух — это называется самовентиляцией электродвигателя. Для предотвращения распространения вибрации по каналу вентиляторы комплектуются тканевыми компенсаторами или гибкими вставками.

В общем случае вентилятор — ротор, на котором определенным образом закреплены лопатки, которые при вращении ротора, сталкиваясь с воздухом, отбрасывают его. От положения и формы лопаток зависит направление, в котором отбрасывается воздух. Существует несколько основных видов по типу конструкции вентиляторов, используемых для перемещения воздуха:

· осевые (аксиальные);

· центробежные (радиальные);

· диаметральные (тангенциальные);

· безлопастные (принципиально новый тип).

Осевой (аксиальный) вентилятор

Данный вид вентилятора содержит лопасти (в некоторых случаях вместо понятия «лопасти» применяется понятие «лопатки»), которые перемещают воздух вдоль оси, вокруг которой они вращаются. В виду совпадения направления движения всасываемого и нагнетаемого воздуха, а также, в большинстве случаев, простоты изготовления, этот вид вентилятора является наиболее распространенным.

Примеры применения аксиальных вентиляторов: малые вентиляторы охлаждения электроники (кулеры), бытовые вентиляторы, вентиляторы для турбовентиляторных авиационных двигателей, шахтные вентиляторы, вентиляторы дымоудаления, вентиляторы аэродинамических труб.

Центробежный (радиальный) вентилятор

Данный вид вентилятора имеет вращающийся ротор, состоящий из лопаток спиральной формы. Воздух через входное отверстие засасывается во внутрь ротора, где он приобретает вращательное движение и, за счет центробежной силы и специальной формы лопаток, направляется в выходное отверстие специального спирального кожуха (так называемой «улитки», от внешнего сходства). Таким образом, выходной поток воздуха находится под прямым углом к входному. Данный вид вентилятора широко применяется в промышленности.

В зависимости от типа, назначения и размеров вентилятора, количество лопаток рабочего колеса бывает различным, а сами лопатки изготавливают загнутыми вперёд или назад (относительно направления вращения). Применение радиальных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад, даёт экономию электроэнергии примерно 20 %. Также они легко переносят перегрузки по расходу воздуха. Преимуществами радиальных вентиляторов с лопатками рабочего колеса, загнутыми вперёд, являются меньший диаметр колеса, а соответственно и меньшие размеры самого вентилятора, и более низкая частота вращения, что создаёт меньший шум.

Центробежные (радиальные) вентиляторы подразделяются на вентиляторы высокого, среднего и низкого давления.

Центробежные вентиляторы из алюминиевых сплавов, укомплектованные взрывозащитными электродвигателями, по уровню защиты от искрообразования относятся к вентиляторам с повышенной защитой, то есть к вентиляторам, в которых предусмотрены средства и меры, затрудняющие возникновение опасных искр. Вентиляторы предназначены для перемещения газопаровоздушных взрывоопасных смесей с температурой не выше 80º С, не вызывающих ускоренной коррозии проточной части вентиляторов, не содержащих взрывчатых веществ, взрывоопасной пыли, липких и волокнистых материалов с запыленностью не более 10 мг/м³.Температура окружающей среды должна быть в пределах от −40 до+45 °C. Вентиляторы с повышенной защитой от искрообразования предназначены для перемещения газопаровоздушных смесей 1-й и 2-й категории групп Т1, Т2, Т3 по классификации ПУЭ.