Плунжерные насосы с инновационной конструкцией привода

Ян Шпракель, дипл.-инж., управляющий директор KAMAT GmbH & Co. KG (Германия)

Производитель насосов высокого давления, фирма КАМАТ, основательно переработал концепцию механического исполнения приводов трехплунжерных насосов для давления до 3500 бар. Этот тип насосов, особенно оснащенных системой регулирования скорости вращения рабочего привода, обеспечивает высокую производительность и значительную экономию энергии.

Насосы высокого давления используются как в горной промышленности, так и в технологиях водоструйного применения высокого давления, а также в качестве технологического оборудования в других производственных процессах. Предлагаемая ранее фирмой «классическая» конструкция плунжерного насоса с цельными редуктором и корпусом насоса давно и широко используется в различных сферах высоконапорной техники (до 3500 бар). До сих пор она остается во многих случаях самым оптимальным техническим решением для различных потребителей. В качестве гидравлических машин объемного принципа действия эти насосы имеют высокий КПД, что открывает возможности для их крупномасштабного применения, помимо «стандартных» отраслей промышленности, например, в горной промышленности, в водноструйной технике высокого давления, – еще и в технологиях обработки различных поверхностей. В химической и перерабатывающей отраслях промышленности, например, плунжерные насосы все больше вытесняют центробежные конструкции и позволяют при рабочем давлении от 80 до 100 бар значительно экономить энергию. Даже в тех отраслях, где ранее использовались мембранные насосы сложной конструкции, все чаще используют плунжерные насосы.

Цель новой разработки — создать новую конструкцию насоса, имеющую более высокую шумовую характеристику и существенно более низкий уровень вибраций. Современные заказчики все чаще стали предъявлять повышенные требования к бесшумности работы насосов высокого давления. Это требование трудно исполнимо при существующей концепции насосного привода, поскольку коленвал, приводящий в движение плунжеры посредством крейцкопфов, должен иметь асимметричную форму, позволяющую поместить его внутрь цельного корпуса насоса. Асимметричность формы стала причиной сильной вибрации и высокого уровня шума, к тому же она из-за возникающих колебаний затрудняет аккустическую изоляцию процесса работы насоса. В связи с этим фирмой-производителем насосов КАМАТ было принято решение модифицировать конструкцию редуктора, с тем чтобы достигнуть значительного снижения уровня шума с одновременным сохранением имеющихся преимуществ положительно зарекомендовавшей себя концепции редуктора. К числу таких преимуществ относятся удобство проведения технического обслуживания, долговечность продукции и высокая энергоэффективность.

Новая концепция конструкции редуктора

Вышеобъявленная цель была успешно достигнута созданием сборной конструкции корпуса, в который помещен симметричный сбалансированный коленвал, осуществляющий передачу усилия редуктора к плунжерам. А повышению плавности хода насоса способствовала еще одна примененная инновация в виде двойных косозубых шестерней редуктора.

Фирма КАМАТ производит редукторы в собственных цехах. Для этого еще в 1983 г. была приобретена компания одного из субпоставщиков, который занимался выпуском компонентов для механических приводов. С тех пор КАМАТ владеет соответствующим ноу-хау, обеспечивающим полное производство редукторов.

Насосная станция высокого давления для горной промышленности с частотным преобразователем

Насосная станция высокого давления для горной промышленности с частотным преобразователем

На протяжении последних лет новая конструкция редуктора последовательно внедрялась в полную линейку производства трехплунжерных насосов мощностью от 80 до 530 кВт. В качестве базовой конструкции приводного механизма она также стала основой пятиплунжерной конструкции насосов, уже запущенных в серийное производство, обеспечивающих в процессе эксплуатации большую производительность насоса при значительной экономии затрат на его эксплуатацию.

Трехплунжерный насос КАМАТ К 40000!3G, мощностью 400 кВт, укомплектованный сборным редуктором

Трехплунжерный насос КАМАТ К 40000-3G, мощностью 400 кВт, укомплектованный сборным редуктором

Наилучшие предпосылки для эффективной работы насоса

Механическое исполнение привода создает возможность управления работой насоса в требуемом режиме на базе технологии изменения частоты вращения привода, ставшей одной из основных компетенций компании КАМАТ, все чаще запрашиваемой многими заказчиками ее продукции. Основными деталями конструкции привода, передающего рабочие усилия, служат крейцкопфы, создающие благодаря своим большим размерам относительно низкое удельное давление. Вместе с тем они позволяют поддерживать отличный гидродинамический режим смазки привода насоса, включая и участки с наивысшей нагрузкой, даже при низкой скорости вращения привода.

Редуктор насоса КАМАТ К40000-3G

Редуктор насоса КАМАТ К40000-3G

Уникальность такой конструкции плунжерного насоса заключается в возможности обеспечения глубины регулировки привода в диапазоне от 10 до 100% номинальной частоты вращения, при сохранении полной его нагрузки.

Новый подход компании КАМАТ к принципу управления

Конструктивное исполнение новых насосов позволяет создать в настоящее время высокоэффективную, ориентированную на потребности заказчика, систему их управления. Если в насосной установке используются два насоса высокого давления, то работа основного насоса регулируется изменением частоты вращения его привода с помощью частотного преобразователя. Если потребность в рабочей жидкости выше подачи основного насоса, основную нагрузку перенимает вспомогательный насос. Таким образом, управление насосной установкой осуществляется с использованием лишь одного насоса, оснащенного регулятором частоты вращения привода с достаточно широким диапазоном регулирования. Этот факт, с учетом стоимости частотного преобразователя во взрывобезопасном исполнении согласно нормативам ATEX и при наличии его разрешения для использования в угольных шахтах, становится весьма существенным экономическим преимуществом, особенно в горнодобывающей промышленности. И в других отраслях промышленности применение нескольких гидравлических насосных агрегатов с одним частотным преобразователем приводит к существенной экономии затрат на их эксплуатацию.

Пятиплунжерный насос KAMAT K 50000M-5G, мощностью 530 кВт, укомплектованный сборным редуктором

Пятиплунжерный насос KAMAT K 50000M-5G, мощностью 530 кВт, укомплектованный сборным редуктором

Снижение износа на 90%

Еще одним важным фактором, обеспечивающим высокую эффективность эксплуатации таких насосов, стал способ регулирования, точнее, управления потоком рабочей жидкости в соответствии с потребностью в данный конкретный момент. В качестве стандартного решения для достижения этой цели используются байпасные клапаны, перенаправляющие 100% потока перекачиваемой жидкости либо к потребителю, либо в бак. На практике такое переключение может происходить до 3-х раз в течение десяти секунд, что при высоких давлениях и больших подачах насосов создает значительную нагрузку на всю гидравлическую систему, которая становится серьезным и нежелательным испытанием прочности насосов, трубопроводов, клапанов и баков.

С помощью датчика давления и преобразователя частоты вращения система управления насосными станциями позволяет избегать переключения байпасного клапана с целью корректировки подачи рабочей жидкости. На практике это приводит к снижению износа элементов конструкции насосов примерно на 90%, что значительно снижает затраты на их эксплуатацию и повышает коэффициент их эксплуатационной готовности.

Внутреннее устройство насоса KAMAT K50000M-5G

Сконструированы для сложных условий эксплуатации

Еще одна особенность новых насосов заключается в возможности их одинаково эффективной эксплуатации как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Литой корпус насоса может использоваться в различных температурных режимах как в горной, так и нефтегазовой отраслях промышленности. Заказчик может быть уверен в максимальном сроке эксплуатации оборудования даже в экстремально неблагоприятных условиях. Все модели выпускаются согласно международным нормам, как например API 674, коррозиостойкими к морской воде, и по желанию могут поставляться в исполнении, согласно нормативам АТЕХ, во взрывобезопасном исполнении. Они также подходят для перекачивания агрессивных, абразивных и летучих жидкостей.

Освоение новых областей применения

Новая концепция приводов насосов, обладающих вышеописанными достоинствами и особенностями, позволяет заказчикам из «классических» отраслей промышленности – таких, как горнодобывающая, высоконапорная очистка или гидравлика высокого давления, – пользоваться преимуществами в части эффективности, срока службы и технического обслуживания, бесшумности работы, а также снижения совокупных затрат. Эти преимущества по достоинству оценили специалисты других сфер их применения: спрос на плунжерные насосы высокого давления для использования в технологических процессах неизменно растет.

Теперь новые насосы используются в процессах высоконапорной гомогенизации (при давлениях до 3500 бар), в установках для очистки газа и нагнетания воды в пласт, а также в установках обратного осмоса. Внедрение плунжерных насосов в эти технологии четко демонстрирует сокращение расходов на их эксплуатацию не только благодаря более высокому КПД, но и чрезвычайно прочной их конструкции и очень широкому диапазону регулировки рабочих режимов.

Ключевые слова: Плунжерные насосы, инновации, современный привод

Журнал "Горная Промышленность"№2 (132) 2017, стр.51