Насосы дозировочные плунжерные: принцип действия, конструкция и применение в энергетике
Плунжерный дозировочный насос (ПДН) представляет собой объемный насос прямого вытеснения, предназначенный для высокоточного дозирования и подачи реагентов, химикатов и других жидкостей в технологические потоки. Основное отличие от поршневых насосов заключается в конструкции вытесняющего элемента: плунжер (шток) представляет собой гладкий цилиндр, перемещающийся в уплотнении (сальнике), в то время как поршень движется в цилиндре с уплотнительными кольцами. Это обеспечивает высокое давление нагнетания, точность дозирования до ±0.5% и долговечность при работе с агрессивными, абразивными или высоковязкими средами.
Принцип работы и кинематическая схема
Работа ПДН основана на циклическом возвратно-поступательном движении плунжера, приводимого в действие электромеханическим или гидравлическим приводом. Рабочий цикл состоит из двух тактов:
- Такт всасывания: При движении плунжера назад в рабочей камере создается разрежение. Входной клапан (всасывающий) открывается под действием перепада давления, и жидкость поступает в камеру.
- Такт нагнетания: При прямом ходе плунжера давление в камере возрастает, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается. Жидкость вытесняется в напорный трубопровод.
- Приводной механизм (редуктор-кривошип): Преобразует вращательное движение вала электродвигателя в возвратно-поступательное. Обеспечивает плавность хода и точность позиционирования.
- Узел регулирования хода: Механизм (например, эксцентриковая кулиса), позволяющий изменять амплитуду движения плунжера от 0 до 100%.
- Гидравлическая головка (блок жидкости): Включает рабочую камеру, плунжер, сальниковое уплотнение, клапаны (шаровые, тарельчатые, мембранные). Изготавливается из коррозионно-стойких материалов: нержавеющая сталь (AISI 316, 304), Hastelloy, PTFE (тефлон), керамика (оксид алюминия), PVDF.
- Сальниковое уплотнение: Критически важный элемент. Для агрессивных сред применяют торцевые уплотнения, наборные сальники из графита, PTFE или Viton.
- Предохранительный и разгрузочный клапаны: Защищают гидравлическую систему от превышения давления.
- Химическая водоподготовка (ХВО): Точное дозирование растворов гипохлорита натрия, коагулянтов (сульфат алюминия), флокулянтов, ингибиторов коррозии и накипеобразования (фосфаты, амины), растворов NaOH и H2SO4 для коррекции pH.
- Системы очистки дымовых газов (DeSOx, DeNOx): Подача реагентов на основе аммиака (аммиачная вода, мочевина) в скрубберы и каталитические реакторы для нейтрализации оксидов серы и азота.
- Подача реагентов в котловую воду: Дозирование гидразина или его современных аналогов (кислородных поглотителей), фосфатов для поддержания требуемого режима котловой воды.
- Топливно-энергетический комплекс: Дозирование присадок в мазут, ингибиторов гидратообразования, реагентов для очистки теплообменных поверхностей.
- Системы охлаждения: Подача биоцидов и альгицидов для предотвращения биологического обрастания градирен и конденсаторов.
- Монтаж: Насос должен устанавливаться на жесткое, ровное основание. Всасывающая линия должна быть максимально короткой, иметь достаточный диаметр для предотвращения кавитации. Обязательна установка фильтра на линии всасывания. Напорная линия должна комплектоваться предохранительным клапаном и демпфером пульсаций (газонаполненным или пружинным).
- Пусконаладка: Перед первым пуском необходимо убедиться в свободном ходе плунжера, заполнить гидравлическую камеру перекачиваемой жидкостью (прокачать) для удаления воздуха. Регулировку производительности следует проводить на работающем насосе согласно инструкции.
- Техническое обслуживание (ТО): Регламентное ТО включает:
- Визуальный контроль на наличие протечек.
- Проверка и затяжка крепежных элементов.
- Контроль износа сальникового уплотнения, регулировка или замена сальниковой набивки.
- Ревизия и притирка всасывающих и нагнетательных клапанов, замена изношенных седел и тарелок.
- Замена масла в редукторе согласно наработке моточасов.
- Типовые неисправности:
- Снижение производительности: Загрязнение или износ клапанов, завоздушивание линии всасывания, износ плунжера или сальника.
- Повышенная вибрация и шум: Кавитация из-за недостаточного давления на всасе, износ кривошипно-шатунного механизма, ослабление креплений.
- Протечка по штоку: Естественный износ сальника, требует регулировки или замены.
- Демпферы пульсаций (газожидкостные или мембранные): Устанавливаются на напорной линии. Содержат газовую подушку (обычно азот), которая сжимается при пике давления и расширяется при его падении, сглаживая поток.
- Использование насосов с несколькими плунжерами (2, 3, 5): Работа плунжеров со сдвигом по фазе значительно снижает амплитуду пульсаций.
- Установка дроссельных диафрагм или длинных извилистых трубопроводов: Менее эффективный, но иногда применяемый пассивный метод.
- Высокая температура жидкости (близкая к температуре кипения). Снизить температуру или повысить давление на всасе.
- Большая высота всасывания или длинный всасывающий трубопровод. Увеличить диаметр всасывающей трубы, сократить ее длину, установить насос как можно ближе к источнику жидкости.
- Высокая вязкость среды или сопротивление всасывающего фильтра. Подогреть жидкость для снижения вязкости, регулярно чистить или увеличить площадь фильтра.
- Слишком высокая скорость вращения (частота ходов). Снизить частоту ходов, увеличив при этом длину хода плунжера.
Производительность насоса регулируется двумя основными способами: изменением длины хода плунжера (механически) и изменением частоты ходов (с помощью частотного преобразователя). Современные модели часто совмещают оба метода для максимальной гибкости.
Конструктивные элементы и материалы исполнения
Типичный плунжерный дозировочный насос состоит из следующих ключевых узлов:
Ключевые технические характеристики и параметры выбора
Выбор ПДН для конкретной задачи в энергетике требует анализа ряда параметров.
Таблица 1. Основные параметры плунжерных дозировочных насосов
| Параметр | Типичный диапазон | Влияние на выбор |
|---|---|---|
| Производительность (подача) | От 0.1 до 10 000 л/ч | Определяет необходимый объем дозирования в единицу времени. Зависит от диаметра плунжера и длины хода. |
| Максимальное давление нагнетания | От 10 до 3000 бар и выше | Критично для систем с высоким противодавлением (например, дозирование в котлы высокого давления). |
| Точность дозирования | ±0.5% – ±2% от максимальной подачи | Важно для процессов, где требуется строгое соблюдение концентрации реагента (химводоподготовка, кондиционирование дымовых газов). |
| Класс защиты привода (IP) | IP54, IP55 (для помещений), IP65 (для улицы) | Определяет устойчивость к пыли и влаге в условиях эксплуатации. |
| Материал гидравлической головки | Нержавеющая сталь, PTFE, PVDF, Hastelloy, керамика | Выбирается исходя из химической агрессивности, абразивности и температуры перекачиваемой среды. |
| Тип управления | Ручное, автоматическое (сигнал 4-20 мА, импульсный, по протоколу Modbus) | Определяет возможность интеграции в АСУ ТП для регулирования подачи по сигналу от датчиков pH, расхода, хлора и т.д. |
Применение в энергетической отрасли
Плунжерные насосы являются неотъемлемой частью технологических процессов на ТЭС, АЭС и в малой энергетике.
Сравнение с мембранными дозировочными насосами
Выбор между плунжерным и мембранным насосом является одним из ключевых при проектировании системы дозирования.
| Критерий | Плунжерный насос | Мембранный насос (гидравлический или механический) |
|---|---|---|
| Конструкция | Плунжер контактирует с перекачиваемой средой через сальниковое уплотнение. | Рабочая среда изолирована мембраной, приводной механизм отделен. |
| Давление | Очень высокое (до 3000 бар и более). | Высокое (обычно до 200 бар, специальные исполнения до 1000 бар). |
| Герметичность | Потенциальная протечка через сальник (требует обслуживания). Для токсичных сред требуются специальные уплотнения или система сбора протечек. | Абсолютная герметичность (при целостности мембраны). Предпочтителен для токсичных, летучих или дорогостоящих сред. |
| Обслуживание | Регулярная замена сальниковых уплотнений, притирка клапанов. | Контроль и замена мембраны, клапанов. | Стоимость | Зачастую ниже для высоконапорных применений. | Может быть выше, особенно для исполнений с двойной мембраной и системой контроля ее разрыва. |
Вывод: Плунжерные насосы выбирают для задач, требующих сверхвысокого давления, работы с вязкими жидкостями или когда допустима минимальная контролируемая протечка. Мембранные насосы незаменимы для токсичных, агрессивных или стерильных сред, где абсолютная герметичность является приоритетом.
Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания
Для обеспечения надежной и долговечной работы ПДН необходимо соблюдать ряд требований.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как правильно подобрать материал гидравлической головки плунжерного насоса?
Выбор материала осуществляется на основе химической совместимости с перекачиваемой средой при рабочей температуре. Необходимо использовать таблицы химической стойкости материалов. Для большинства кислот и щелочей при умеренных температурах (до 60°C) подходит AISI 316L. Для горячих концентрированных кислот (серной, соляной) применяют сплавы Hastelloy C или B. Для высокочистых или сильноагрессивных сред (гипохлорит, фториды) оптимальны полимерные головки из PTFE (тефлона) или PVDF. Плунжеры часто выполняют из керамики (Al2O3) для повышения износостойкости.
Какие способы управления производительностью наиболее эффективны?
Наиболее точным и современным способом является частотное регулирование (ЧРП) в сочетании с механической регулировкой хода. ЧРП позволяет плавно изменять производительность в широком диапазоне (до 10:1) дистанционно по аналоговому сигналу 4-20 мА или цифровому протоколу. Механическая регулировка длины хода (например, от 30% до 100%) используется для грубой настройки номинальной производительности. Комбинация обоих методов дает максимальную гибкость и точность.
Как бороться с пульсацией потока, характерной для плунжерных насосов?
Для снижения пульсаций применяют следующие решения:
Когда необходима установка предохранительного клапана и разгрузочного устройства?
Предохранительный клапан, отрегулированный на давление не более 110% от максимально допустимого для насоса или трубопровода, обязателен к установке на напорной линии. Он защищает систему от разрушения при случайном закрытии задвижки или блокировке линии. Разгрузочный (байпасный) клапан, настраиваемый на давление чуть выше рабочего, позволяет организовать рециркуляцию среды при падении расхода потребителя, что предотвращает перегрузку электродвигателя и нагрев жидкости.
Каковы основные причины кавитации в ПДН и как ее предотвратить?
Кавитация возникает при недостаточном давлении на входе в насос, когда жидкость в камере вскипает с образованием пузырьков пара, которые схлопываются на поверхности плунжера и клапанов, вызывая эрозионный износ, шум и падение производительности. Причины и меры профилактики:
Рекомендуется создавать на всасе положительное подпорное давление (не менее 0.5-1.0 бар).
Заключение
Плунжерные дозировочные насосы представляют собой высокоточное и надежное оборудование, критически важное для обеспечения стабильности и эффективности технологических процессов в энергетике. Их правильный выбор, основанный на анализе параметров среды, требуемого давления и точности, а также грамотный монтаж и системное техническое обслуживание являются залогом длительной и безотказной работы. Понимание принципов работы, конструктивных особенностей и сравнительных характеристик с насосами других типов позволяет инженерно-техническому персоналу принимать обоснованные решения при проектировании и модернизации систем химической подготовки и реагентного дозирования на энергетических объектах.