سری و موازی بستن پمپ ها

فرزین رضاقلی
مقالات, پمپ

محتوا نمایش

مقدمه

در زمینه سری و یا موازی بستن پمپهای گریز از مرکز در سیستم های انتقال مایعات باور غلطی در جامعه مهندسی ایران وجود دارد که به شدت بین مهندسین مکانیک، تاسیسات و پایپینگ مصطلح می باشد.

در این مقاله سعی میشود زیربنای این نگرش غلط مورد بررسی قرار گرفته و پاسخ مناسب برای آن ارائه گردد.

سوال : چه موقع پمپ های گریز از مرکز سری و چه موقع موازی بسته می شوند؟

معموال پاسخ رایج به این سوال بدین صورت است که هر موقع دبی بیشتر مورد نیاز باشد، پمپها به صورت موازی و هرگاه ارتفاع (Head ) بزرگتری مورد نظر باشد، پمپها به صورت سری بسته میشوند.

پذیرش همین باور غلط موجب میشود که در بسیاری از پروژهها تصمیمات نامناسبی در رابطه با سیستمهای پمپاژ جهت انتقال مایعات اتخاذ گردد، که موجب زیان و خرابی ناخواسته در سیستم میگردد.

برای رسیدن به یک پاسخ مناسب، نخست بایستی جایگاه دبی و فشار را در سیستمهای انتقال مایعات شناخت تا بر اساس آن بتوان به تحلیل مناسبی در این زمینه دست یافت.

در سیستم انتقال مایعات که عموما از پمپهای گریز از مرکز استفاده میشود، تامین دبی هدف اصلی بوده و فشار، ابزار دستیابی به آن می باشد.
درک درست از تفاوتهای جایگاه این دو پارامتر در سیستمهای انتقال مایعات میتواند به اصالح این باور عمومی اشتباه کمک بسیاری نماید.
در تمامی سیستمهای سیاالتی و علم هیدرولیک، فشار ارزش اجرایی نداشته مگر آنکه هدف، دستیابی به دبی مورد نظر باشد. شاید موارد خاصی وجود داشته باشند که در ظاهر با این نظریه در تضاد باشند؛ ولی اگر با دقت به محتوای این نظریه توجه شود در نهایت میبایستی صحت این دیدگاه را تایید نمود.

مثال: در پمپ تغذیه دیگ بخار، فشار خروجی پمپ می بایستی بالا باشد؛ در صورتی که این فشار پایین باشد!!!!! چه اتفاقی می افتد؟

آب به دیگ بخار نمیرسد. به عبارت دیگر یعنی دبی کافی نیست. این بدین معنی است که برای رسیدن به دبی مورد نظر باید فشار خروجی پمپ در حد کافی باشد تا آب به عنوان مایع تغذیه کننده در حد مورد نیاز به داخل دیگ بخار ارسال گردد. این مثال نیز تاکیدی بر هدف بودن دبی بوده که با ابزار فشار میتوان به آن دست یافت.

پذیرش چنین تفاوتی بین دبی و ارتفاع پمپ موجب میشود که معادله دو مجهولی (اینکه در یک سیستم انتقال مایع ، دبی میخواهیم و یا ارتفاع؟) تبدیل به معادله یک مجهولی (در سیستم انتقال مایع ، هدف تامین دبی مورد نیاز سیستم میباشد) میشود و درک و فهم موضوع و اتخاذ تصمیم مناسب آسان میگردد. بنابراین صورت مسئله به شکل زیر تغییر میکند:

حال که هدف ما دست یافتن به دبی مورد نظر است، سری بستن پمپها بهتر است یا موازی بستن آنها؟

پاسخ به این سوال در مرحله نخست، “نمیدانم” هست. در پاسخ به این پرسش می بایستی اشراف کامل به شکل منحنی مشخصه پمپهای موجود و منحنی مشخصه سیستم انتقال مایع مورد نظر داشت تا به کمک آن بتوان راه حل مناسبی برای طراحی بهینه سیستم انتقال مایع دست یافت.

برای ورود به این بحث، نخست باید قواعد سری و موازی بستن پمپهای گریز از مرکز مورد اشاره قرار گیرد.

اساسا در طراحی تمامی سیستمهای انتقال مایعات، نخست نظر بر این است که تمامی دبی مورد نظر توسط یک پمپ تامین گردد. این نگرش موجب کاهش هزینه های اولیه (خرید، نصب و راه اندازی) و هزینه های بهره برداری (هزینههای انرژی، تعمیر و نگهداری) میشود؛ ولی در عمل ممکن است شرایطی در سیستم به وجود آید که ما را ناگزیر به استفاده از سیستمهای پمپاژ سری (نظیر سیستمهای پمپاژ چند طبقه) و یا موازی گرداند.

به عنوان مثال، اگر نوسان دبی مورد نیاز در طی سال شدید باشد (نظیر سیستمهای آبرسانی شهری)، استفاده از یک پمپ ثابت
برای تامین آب مصرفی در تمام طول سال چندان منطقی به نظر نمیرسد.

چراکه نخست میبایستی پمپ را برای بالاترین میزان دبی مورد نیاز انتخاب نمود.

بدیهی است که در ایامی از سال (نظیر پاییز یا زمستان) که مصرف آب شهری کمتر است، کاهش دبی پمپ از هر طریق منجر به عوارض نامطلوبی بر روی عملکرد پمپ و کاهش راندمان آن (افزایش توان ویژه که همان توان مصرفی برای واحد دبی میباشد) خواهد شد.

در شرایط سری بستن پمپها در سیتم انتقال مایعات، خارج نمودن یکی از پمپها از مدار (چه در شرایطی که پمپها به صورت چند مرحله ای قرار گرفته باشند و چه در شرایطی که چند پمپ با فاصله مشخصی از یکدیگر به صورت سری نصب شده باشند) امکانپذیر نیست.
با توجه به مطالب گفته شده در این مقاله، سعی بر این است که عملکرد سیستم پمپاژ بطور جداگانه در دو حالت سری و موازی مورد بررسی قرار گیرد و با تحلیل تقابل هر یک از آنها در سیستم انتقال مایعات، برتری و مناسب بودن آنها برای سیستم مورد بررسی مشخص گردد.

بدین منظور، در ابتدا رفتار یک پمپ در سیستم پمپاژ مایعات مورد بررسی قرار میگیرد. سپس به تحلیل منحنی مشخصه معادل پمپهایی که به صورت سری و یا موازی در سیستم پمپاز قرار گرفته اند، می پردازیم.

در نهایت نحوه انتخاب مناسبترین شیوه بستن پمپها به یکدیگر (سری و یا موازی) و عوامل موثر در این زمینه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

برای آشنایی کامل با پمپ های صنعتی به این محصول مراجعه نمایید.

منحنی مشخصه پمپ، سیستم پمپاژ و نقطه کار

شرکتهای سازنده پمپهای گریز از مرکز، رفتار هیدرولیکی و الکتریکی پمپهای گریز از مرکز را در چهار دسته منحنی که شامل :

تغییرات ارتفاع
راندمان
توان مصرفی
NPSHR بر حسب دبی

میباشد، در یک صفحه نشان میدهند که نمونه ای از آن در شکل (1) نشان داده شده است.
در شرایطی که پمپ (ها) در یک سیستم انتقال مایع مورد استفاده قرار میگیرد، با دانستن پارامترهایی نظیر طول مسیر، قطر لوله، جنس لوله، تعداد اتصاالت و نوع آنها، همچنین ویسکوزیته و دانسیته مایع مورد انتقال، افت فشار ناشی از اصطکاک در آن با توان نزدیک به 2 دبی جریان رابطه مستقیم دارد و با استفاده از فرمولی که در ادامه آمده است محاسبه میگردد:

ز طرفی هر سیستم انتقال مایع ممکن است دارای اختالف در سطح انرژی پتانسیل (از نوع فشار و یا ارتفاع) بین مبدا و مقصد باشد که اصطالحا آن را ارتفاع استاتیکی می نامند.

ارتفاع کل مورد نیاز در سیستم، جمع جبری انرژیهای پتانسیل و دینامیک در مبدا و مقصد خطوط اتصال میباشد که بطور خالصه با رابطه زیر نشان داده میشود.

و رسم منحنی Ht با محاسبه Ht بر حسب دبی در نموداری نظیر نمودار شکل (2)، میتوان منحنی سیستم را نمایش داد.

نقطه کار ( Point Operating )

نقطه کار عبارت است از محل تلاقی منحنی مشخصه سیستم با منحنی مشخصه پمپ (شکل 3)

منحنی مشخصه سیستم، معرف انرژی پتانسیل مورد نیاز در سیستم به منظور دستیابی به دبی مورد نظر میباشد. این منحنی یک تابع صعودی هست. به عبارت دیگر با افزایش دبی، ارتفاع )فشار( مورد نیاز در سیستم نیز افزایش مییابد و همین موضوع خط بطالنی بر نظریه ” هر موقع ارتفاع (فشار) بیشتری بخواهیم، باید سری ببندیم ” میباشد.

به جای این نظریه میتوان گفت :
با افزایش دبی، اصطکاک در سیستم افزایش یافته و به دنبال آن، فشار مورد نیاز در سیستم افزایش خواهد یافت. افزایش دبی بدون افزایش فشار (افت فشار) غیرممکن است. لذا به منظور یافتن پاسخ مناسب، باید شکل و ساختار پرسش را اصلاح نمود.

الف) هدف از سری یا موازی بستن پمپها، همواره افزایش دبی است.
ب) افزایش دبی در سیستم موجب افزایش افت انرژی ناشی از اصطکاک بوده و به تبع آن، ارتفاع (فشار) مورد نیاز در سیستم افزایش خواهد یافت. در واقع میتوان گفت، سری و یا موازی بستن پمپها موجب افزایش دبی و افزایش ارتفاع (فشار) مورد نیاز در سیستم خواهد شد.
ج) در چه مواقعی بهتر است پمپها را به صورت موازی و یا سری بست تا به پاسخ مناسبتر که معادل ” دبی بیشتر” هست، دست یافت؟

پاسخ به این سوال به علت پیچیدگی های خاص خود، دارای پاسخ از پیش تعیین شده نمیباشد و نخست الزم است عوامل موثر در یافتن پاسخ این سوال مورد بررسی قرار گرفته و در پایان به یک جمع بندی مناسب دست یافت.

از آنجایی که هدف از نوشتن این مقاله آموزش سری و موازی بستن پمپ و رسم منحنی مشخصه معادل نمیباشد، لذا از بیان نکات مربوط به آنها صرف نظر شده و عالقهمندان میتوانند در صورت نیاز به مقاله ” کنترل ظرفیت در پمپ ها” که ضمیمه همین مقاله می باشد، مراجعه نمایند.

ضمنا در این تحلیل به علت سهولت کار فرض میشود که پمپهایی که قرار است به صورت سری و یا موازی بسته شوند از یک مدل بوده و در صورت تفاوت، تاثیری در نتایج این تحلیل نخواهند داشت.

موازی بستن پمپ ها

در این حالت فرض میشود که دو پمپ یکسان به صورت موازی در یک سیستم انتقال مایعات نصب شدهاست و نخست هر یک به طور جداگانه
و سپس هر دوی آنها به صورت موازی مورد بهرهبرداری قرار میگیرند.
در شکل 4، منحنی مشخصه پمپ معادل با دو پمپ مشابه که با هم به صورت موازی در حال بهره برداری باشند، نشان داده شده است.

در این شکل، Q1 و H1 دبی و ارتفاع در حالتی است که تنها یک پمپ در سیستم در حال بهره برداری بوده و پمپ دوم از مدار خارج میباشد.
همچنین، Q2p و H2p دبی و ارتفاع سیستم در حالتی است که دو پمپ مشابه بصورت موازی در حال بهره برداری میباشند (منظور از اندیسP موازی بودن است). همانطور که از شکل 5 پیداست، در موازی بستن پمپها:

الف) دبی سیستم افزایش می یابد ولی نه به اندازه دو برابر دبی در حالتی که تنها یک پمپ در مدار قرار گرفته است.

ب ) ارتفاع (فشار) در مقابل هر پمپ (H2p) از فشار در حالتی که تنها یک پمپ در مدار قرار داشت، بیشتر میباشد.

به عبارت دیگر، هر یک از پمپهایی که در مدار موازی قرار دارند، فشار بیشتری را در مقابل خود احساس کرده و اجبارا دبی هر یک (Q2p) در مقایسه با حالتی که به تنهایی در مدار قرار داشتند (Q1) کمتر خواهد شد.

نتیجه نهایی : با موازی بستن پمپ ها، هم دبی در سیستم و هم فشار (ارتفاع) در خروجی پمپ ها افزایش می یابد.

سری بستن پمپ ها

در سری بستن پمپها که پمپ چند مرحلهای نمونهای از آن میباشد؛ دو یا چند پمپ (پروانه) بطور سری قرار داشته و خروجی پمپ (پروانه) اول، ورودی پمپ (پروانه) دوم می باشد.

در این حالت منحنی مشخصه پمپ معادل از جمع ارتفاع هر پمپ در یک دبی معین به دست می آید.
در شکل 5 نمونه ای از منحنی مشخصه پمپ معادل دو پمپ که به صورت سری بسته شده اند، نشان داده شده است.

Q1 و H1 به ترتیب دبی و ارتفاع یک پمپ و Q2s و H2s دبی و ارتفاع در سیستم پمپاژ وقتی که دو پمپ مشابه به صورت سری بسته شده اند، می باشند. همانطور که در شکل 5 پیداست، سری بستن پمپها، دبی و ارتفاع قابل دسترس را در مقایسه با حالتی که یک پمپ در مدار بسته شده است، افزایش می دهد.

به عبارت دیگر، به هم بستن پمپ ها چه به صورت موازی و چه به صورت سری، موجب افزایش دبی در سیستم پمپاژ گردیده و این امر مستلزم بالا رفتن ارتفاع مورد نیاز در سیستم میباشد.
سیستمی وجود ندارد که افزایش دبی بدون افزایش انرژی مورد نیاز برای انتقال مایعات (افزایش ارتفاع) امکانپذیر باشد.

بر این اساس جمله کلیشه ای ” هر موقع دبی بیشتر بخواهیم، باید پمپها را موازی و هر موقع ارتفاع بخواهیم، باید پمپها را سری ببندیم، نادرست میباشد و به جای آن می بایستی گفت که سری و موازی بستن پمپها موجب افزایش توامان دبی و ارتفاع در سیستم خواهد شد”.
با توجه به نتیجه فوق، حال یک سوال مطرح میشود.

در چه مواقعی باید پمپ را به صورت سری و در چه مواردی باید به صورت موازی ببندیم؟

پاسخ صحیح به این پرسش، شکل منحنی مشخصه پمپها و سیستم انتقال مایع میباشد. برای دستیابی به پاسخ مناسب، الزم است که نخست عوامل زیر و تاثیر آن بر روی یافتن روش مناسب برای نصب پمپها مورد بررسی قرار گیرد.

برای مطالعه مقاله ” پمپ های پر کاربرد در نیروگاه ” از اینجا وارد شوید.

الف) تخت یا تیز بودن منحنی مشخصه سیستم

تیز یا تخت بودن منحنی مشخصه سیستم، تابعی از قطر لوله، تعداد اتصاالت، نوع اتصاالت به کار برده شده در سیستم، ویسکوزیته مایع مورد انتقال، طول لوله و … میباشد.

برای درک تاثیر شیب منحنی مشخصه سیستم بر روی تغییرات دبی در دو سیستم مجزا که در یکی دو پمپ بصورت موازی و در دیگری سری بسته شدهاند، به شکل 6 مراجعه شود.

همانطوری که در شکل 6 پیداست، در مواردی که منحنی مشخصه سیستم تخت میباشد، موازی بستن دو پمپ دبی بیشتری را در مقایسه با سری بستن در سیستم اعمال می کند.

ولی وقتی منحنی مشخصه سیستم تیز باشد، سری بستن برای باال بردن دبی مناسبتر از موازی بستن آنها میباشد.

ب) ارتفاع استاتیکی در ارتفاع کل مورد نیاز

ارتفاع استاتیکی مورد نیاز در سیستم انتقال مایعات، به اختلاف سطح انرژی پتانسیل (اختالف فشار و اختالف ارتفاع بین مبدا و مقصد) بستگی داشته و مستقل از دبی جریان مایع میباشد که در شکل 2 نشان داده شده است.

سهم ارتفاع استاتیکی در کل ارتفاع مورد نیاز (Ht) در سیستم پمپاژ، در انتخاب روشی مناسب در بهم بستن پمپها (سری یا موازی) تاثیرگذار میباشد.
همانطوری که از شکل 7 پیداست، در مواردی که سهم ارتفاع استاتیکی در سیستم پایین باشد، به هم بستن پمپها به صورت موازی مناسبتر میباشد (دبی بیشتری اعمال میکند).

ولی وقتی منحنی مشخصه سیستم تیز باشد، سری بستن پمپها برای بالا بردن دبی مناسبتر از موازی بستن آنها می باشد

ج) تخت یا تیز بودن منحنی مشخصه پمپ

رفتار هیدرولیکی پمپهای گریز از مرکز توسط 4 دسته منحنی از طرف شرکت سازنده در اختیار خریداران قرار داده میشود که عبارتند از :
H – Q , P – Q , n – Q و NPSHR – Q که در میان آنها منحنی H – Q از اهمیت بیشتری برخوردار است. این منحنی به شکل های
مختلفی نظیر تخت (flat)، تیز (steep)، پایدار (stable)، ناپایدار ( unstable )و … تقسیم میشوند.

در این بخش، تاثیر تخت و یا تیز بودن (شیب منحنی مشخصه H – Q ) بر روی انتخاب روش مناسب در به هم بستن پمپها مورد بررسی قرار میگیرد.

بنا بر قرارداد، منحنی تیز به منحنیای اطلاق میشود که با تغییر ارتفاع، تغییرات دبی در سیستم کم بوده، ولی در منحنی تخت با تغییر اندک ارتفاع، تغییرات دبی شدید میباشد.
مهمترین عامل موثر در تخت یا تیز شدن منحنی مشخصه پمپ، سرعت مخصوص (speed specific )پمپ میباشد.

در شکل ،9 انواع منحنی های مشخصه H – Q بر حسب سرعت مخصوص و کاربردهای آن نشان داده شده است. همانطور که در شکل پیداست، با کاهش سرعت مخصوص، شیب منحنی H – Q کم شده و از حالت تیز به تخت تغییر شکل میدهد.

برای پروانه هایی با قطر ثابت، تخت و یا تیز بودن منحنی مشخصه پمپ به پارامترهای زیر بستگی دارد:
– تعداد تیغه های (blades )پروانه
– زاویه پیچش تیغه ها
– عرض (width )پروانه
در شکل ،10 تاثیر پارامترهای فوق بر روی منحنی مشخصه پمپهای گریز از مرکز نشان داده شده است.

در ادامه این بحث تاثیر تخت یا تیز بودن منحنی مشخصه پمپ بر روی سری و یا موازی بستن پمپهای گریز از مرکز مورد بررسی قرار میگیرد.

الف) در حالت تخت بودن منحنی مشخصه پمپ

در حالت تخت بودن منحنی مشخصه پمپ، موازی بستن، بیشتر از سری بستن پمپها موجب افزایش دبی در سیستم انتقال مایعات می گردد.

ب) در حالت تیز بودن منحنی مشخصه پمپ

تاثیر تیز بودن منحنی مشخصه پمپ در دو حالت سری و موازی در شکل 12 نشان داده شده است. در این حالت:

به عبارت دیگر، با وجود تیز بودن منحنی مشخصه پمپ، باز هم موازی بستن پمپهای گریز از مرکز افزایش دبی بیشتری را در مقایسه با سری بستن در سیستم انتقال سیال اعمال میکند.
در یک جمع بندی کلی، مهمترین عامل در انتخاب مناسب بین سری و یا موازی بستن پمپهای گریز از مرکز، ساختار منحنی مشخصه سیستم میباشد.

به عبارت دیگر، اگر ارتفاع استاتیکی سهم بالایی در ارتفاع کل داشته باشد، سری بستن پمپها به منظور دستیابی به دبی بیشتر مناسبتر است؛ ولی در سیستمهایی که ارتفاع استاتیکی در مقایسه با ارتفاع دینامیکی کمتر باشد، بهتر است که پمپها به صورت موازی بسته شوند.

شیب منحنی مشخصه سیستم نیز میتواند بر روی انتخاب سری و یا موازی بودن بستن پمپها تاثیرگذار باشد. در مواردی که منحنی مشخصه سیستم انتقال سیال تیز باشد، سری بستن پمپها توصیه میشود و در مواردی که منحنی مشخصه سیستم تخت باشد، بهتر است پمپها به صورت موازی بسته شوند.

جمع بندی

در به هم بستن پمپ ها چه به صورت سری و چه به صورت موازی، همواره دبی پمپ و ارتفاع مورد نیاز برای دستیابی به آن در
مقایسه با بهره برداری در حالت تکی افزایش مییابد.
افزایش بیشتر دبی در دو حالت سری و موازی به ساختار منحنی مشخصه سیستم بستگی دارد. در حالت تیز بودن منحنی مشخصه سیستم ، به هم بستن به صورت سری موثرتر بوده و در حالت تخت بودن منحنی مشخصه سیستم، موازی بستن مناسب تر می باشد.
اکیدا توصیه می شود، قبل از هرگونه تصمیم گیری در زمینه انتخاب سری و یا موازی بستن پمپ ها، نخست موارد خاصی نظیر تغییرات توان مصرفی در حالت بهره برداری تکی و دوتایی، کاویتاسیون، شکل منحنی مشخصه پمپ از نظر پایداری و یا ناپایداری و … نیز باید مورد توجه قرار گیرد.