Параллельная работа насосов — почему пара не удваивает подачу

Параллель складывает подачи, а не напоры

Два насоса на общем коллекторе складывают подачи при одном и том же напоре — и только их. Правило построения совместной характеристики одно: берём любое значение напора, снимаем с кривой каждого насоса подачу и суммируем. Для двух одинаковых насосов это исходная кривая, растянутая вдвое по горизонтали: напор пары при подаче Q равен напору одиночного насоса при вдвое меньшей.

Отсюда следует то, что на объекте звучит как парадокс: параллельная работа не добавляет напора. Максимальный напор пары равен напору одного насоса. У фекального 250WQC380-7-11/4 напор при нулевой подаче по заводской кривой равен 12,995 м — столько же будет у пары таких насосов, у тройки и у любого их числа. Второй насос не добавляет ни метра, только кубометры.

Отсюда первая граница применимости: если не хватает напора, параллель бесполезна в принципе, сколько насосов ни ставь. Задачу «мало напора» решает другая модель или последовательное включение, где складываются как раз напоры. Параллель отвечает только на вопрос «мало подачи» — и отвечает скупее, чем принято считать.

Почему два насоса не дают двойную подачу

Ровно двойная подача возможна при одном условии: сеть должна принять удвоенный расход при том же напоре. Насос в паре при общей подаче 2Q отдаёт свою половину Q и развивает тот же напор, что развивал бы в одиночку при подаче Q. Значит, удвоение случится, только если характеристика сети на расходе 2Q требует того же напора, что и на расходе Q, — то есть если она строго горизонтальна.

Горизонтальной характеристики в реальной системе не бывает. Сеть складывается из статической составляющей, не зависящей от расхода, и динамической — потерь на трение и местных сопротивлений, растущих примерно пропорционально квадрату расхода. Удвоили подачу — потери выросли вчетверо. Даже короткий коллектор с задвижками и обратными клапанами даёт квадратичную добавку, и характеристика сети идёт вверх.

Дальше работает геометрия. Кривая пары идёт выше одиночной, кривая сети — круто вверх, и пересекаются они заметно левее удвоенной подачи. Насколько левее — зависит от того, какая доля напора приходится на статику, а какая на трение. Вывод: обещание «поставим второй такой же и получим вдвое больше» неверно всегда, а не только в неудачных случаях.

Как мы считали: метод и выборка

Все цифры ниже получены расчётом по оцифрованным кривым каталога FANCY, а не взяты из справочников. Метод такой. Кривую пары строим как напор одиночного насоса при половинной подаче, промежуточные значения — линейной интерполяцией между соседними точками. Характеристику сети задаём как статику плюс коэффициент, умноженный на квадрат расхода, и проводим через одиночную рабочую точку модели — точку максимума КПД на её кривой, режим, на который насос и подбирают. Пересечение двух кривых ищем делением отрезка пополам.

Крутизну сети задаём одним параметром — долей статики в напоре рабочей точки. Ноль — чисто фрикционная сеть, весь напор уходит на трение: водооборот, кольцо охлаждения, длинная нитка водопонижения. Значение 0,5 — половина на подъём, половина на трение: типичная канализационная станция. Значение 0,8 — почти горизонтальная сеть: подъём при коротком напорном трубопроводе.

Выборка. В каталоге FANCY 2744 модели, кривая не менее чем из пяти точек оцифрована у 2205, причём 2140 кривых начинаются с нулевой подачи. Для расчёта параллели нужна ещё и точка максимума КПД, поэтому основная выборка — 2133 модели с оцифрованным КПД. Модели без кривой или без КПД в расчёт не входят: додумывать за них форму характеристики мы не стали.

Сколько на самом деле добавляет второй насос

Медианный прирост подачи от второго одинакового насоса — 17,8 % при равном вкладе статики и трения. Это результат по всем 2133 моделям выборки: нижний квартиль 13,4 %, верхний 21,6 %. У половины каталога FANCY второй насос добавляет от тринадцати до двадцати двух процентов подачи — при удвоенном числе агрегатов, пусков и удвоенной стоимости.

Крутизна сети сдвигает результат сильно, но потолка не отменяет. На чисто фрикционной сети медиана прироста падает до 9,8 % (квартили 7,2 и 12,3 %), на почти горизонтальной поднимается до 35,0 % (квартили 27,9 и 40,0 %). Максимум по всей выборке — 30,2 %, 45,1 % и 65,6 % для трёх сценариев. Ни одна из 2133 моделей FANCY ни при одном сценарии не дала удвоения: прироста в 100 % нет ни у одного насоса.

Полезнее посмотреть на доли. Прирост меньше четверти получается у 99,9 % моделей на чисто фрикционной сети, у 89,3 % при равном вкладе статики и трения и лишь у 17,0 % на почти горизонтальной. Вывод: там, где преобладает трение, второй насос — это плюс десять процентов подачи, и планировать её надо не как способ поднять расход; зачем тогда — разбираем ниже.

Крутизна сети решает, крутизна насоса — почти нет

Форма кривой самого насоса на прирост влияет, но в разы слабее формы характеристики сети, и это проверяется на одной выборке. Мерой крутизны возьмём падение напора от середины к правому краю: интерполируем напор в точке половины максимальной оцифрованной подачи и сравниваем с напором в последней точке. По 2205 моделям с кривой от пяти точек нижний квартиль падения 34,2 %, медиана 43,5 %, верхний 58,6 %.

Разброс по каталогу огромный — от 5,0 до 97,2 %, — а прирост от второго насоса меняется в нём слабо. Разложив 2133 модели на четыре равные группы по крутизне, получаем медианный прирост при равном вкладе статики и трения: 12,2 % в группе самых пологих кривых (медиана падения 26,5 %), 16,6 %, 18,9 % и 22,6 % в группе самых крутых (медиана падения 79,3 %) — от края до края меньше чем вдвое. Для сравнения: смена доли статики с нуля до 0,8 двигает медиану с 9,8 до 35,0 %, то есть в 3,6 раза.

Видно это и по сериям. У линейных FTD кривые самые пологие в каталоге — медиана падения 21,4 % по 113 моделям, — и прирост от второго насоса у них наименьший: 7,7 %. У погружных WQ падение 81,9 % по 190 моделям и прирост 19,4 %, у WQAS — 81,3 % и 23,2 %. Крутая кривая чуть выгоднее для параллели: пара такого насоса поднимается над одиночной характеристикой выше. Вывод: считать надо сеть — перебирать модели ради «удачной формы кривой» смысла почти нет.

Три модели FANCY: расчёт пары по точкам кривой

Медианы полезны для ожиданий, но решение принимают по конкретному насосу. Ниже — расчёт по точкам заводских кривых для трёх моделей FANCY из разных разделов: одиночная рабочая точка в максимуме КПД, затем результат пары.

250WQC380-7-11/4, фекальный погружной на 11 кВт и 1450 об/мин. Одиночная точка: 277,9 м³/ч при 10,37 м и КПД 89,8 %. Пара на чисто фрикционной сети даёт 308,3 м³/ч — плюс 10,9 %. При равном вкладе статики и трения — 332,3 м³/ч при 12,60 м, плюс 19,6 %, и каждый насос идёт на 166,1 м³/ч с КПД 73,3 % вместо 89,8 %. На почти горизонтальной сети — 382,2 м³/ч, плюс 37,5 %, КПД каждой 79,3 %.

FTD200-16/4, линейный циркуляционный на 18,5 кВт, кривая пологая. Одиночная точка: 246,3 м³/ч при 19,05 м и КПД 83,89 %. Пара при равном вкладе статики и трения даёт 283,6 м³/ч при 22,15 м — плюс 15,1 %, каждый насос на 141,8 м³/ч и КПД 70,4 %. Многоступенчатый CDM 315-1-1 на 45 кВт с одиночной точкой 302,1 м³/ч при 35,91 м и КПД 88,44 % на той же сети выходит на 363,3 м³/ч — плюс 20,2 %, каждый насос на 181,6 м³/ч и КПД 73,0 %. Вывод по трём моделям один: прирост укладывается в пятнадцать-двадцать процентов, а КПД каждого падает на десять-шестнадцать процентных пунктов.

Общий коллектор, обратные клапаны и что будет без них

Параллельная схема существует только на общем напорном коллекторе, и обратный клапан на выходе каждого насоса обязателен. Причина следует из первого раздела: работающий насос держит в коллекторе давление своей рабочей точки, и для остановленного соседа оно приложено к напорному патрубку с обратной стороны.

Без клапана последствий два. Первое: вода из коллектора пойдёт назад через неработающий насос и раскрутит колесо в обратную сторону — система начинает гонять воду по кругу через простаивающий агрегат. Второе: обратное вращение означает удар при пуске, когда двигатель должен сначала остановить раскрученный в другую сторону ротор. Клапан отсекает эту дорогу, и каждый насос работает на коллектор независимо от соседей.

Есть и расчётное следствие. Клапаны, тройники врезки и участок коллектора до общего узла — местные сопротивления: они попадают в характеристику сети и делают её круче. Для пары это двойной проигрыш — те же элементы и уменьшают прирост от второго насоса, и добавляются к потерям одиночного режима. Вывод: считать потери напора нужно по фактической схеме обвязки, а не по одной длине трубы.

Неодинаковые насосы в параллели: слабую вытесняет

Два разных насоса на одном коллекторе работают не пропорционально размерам, а по правилу «кто держит напор»: пока давление в коллекторе выше напора насоса при нулевой подаче, его обратный клапан не откроется и подача будет нулевой. Слабый насос в такой паре не просто даёт меньше — он может не давать ничего.

Считаем по каталогу FANCY. Пара 200WQ250-15-18.5S4 на 18,5 кВт и 200WQ250-11-15S4 на 15 кВт: напор при нулевой подаче 18,92 и 15,49 м соответственно. На сети, проведённой через одиночную точку сильного насоса, пара выходит на 253,7 м³/ч при 15,38 м. Из них сильная даёт 240,0 м³/ч, слабая — 13,7 м³/ч, то есть 5,4 % общей подачи, а прирост против одиночной работы — 2,0 %.

Разница в напоре побольше — и слабый насос замолкает совсем. У 100WQ100-30-18.5S4 напор при нулевой подаче 33,80 м, у 100WQ100-20-11S4 — 24,20 м. Коллектор при работе сильного насоса стоит на 30,14 м, это выше порога слабого: его клапан не открывается, подача ноль, прирост ноль. Двигатель при этом крутится, не перекачивая ничего. Вывод: в параллель ставят насосы с близкими напорами при нулевой подаче, а пару подбирают по кривым, а не по табличной подаче.

Каждый насос уходит влево по своей кривой

Главная цена параллельной работы — не деньги за второй насос, а режим, в который попадает каждый. Прирост общей подачи невелик, а делится она пополам, поэтому каждый насос в паре работает на подаче заметно меньшей, чем работал бы один. По выборке из 2133 моделей медиана этой доли — 58,9 % своей одиночной подачи при равном вкладе статики и трения, 54,9 % на чисто фрикционной сети и 67,5 % на почти горизонтальной.

Смещение влево бьёт по КПД. Медианная потеря относительно максимума КПД модели — 11,5 процентного пункта при равном вкладе статики и трения, 13,6 на чисто фрикционной сети и 7,3 на почти горизонтальной. В энергии нагляднее: у 250WQC380-7-11/4 одиночная работа требует 8,63 кВт на валу и 31,1 Вт·ч на кубометр, пара при той же сети — 15,78 кВт и 47,5 Вт·ч, то есть на 53,0 % больше энергии на каждый кубометр. У FTD200-16/4 — 61,7 Вт·ч в одиночку против 85,6 в паре.

У смещения влево есть и механическая сторона. Работа левее зоны максимального КПД даёт рост радиальной нагрузки на вал и подшипники и обратные токи на входе в колесо — то, ради чего рабочую точку и держат в средней трети кривой. Кавитационный запас в новой точке тоже меняется: смотреть его надо по кривой конкретной модели, а не по серии. Вывод: проверяйте не режим пары, а режим каждого насоса в ней — он определяет и счёт за электроэнергию, и нагрузку на узлы.

Когда параллель оправдана, а когда нужен один большой насос

Параллель оправдана там, где нужен не максимум подачи, а переменный расход и резерв. Логика обратная привычной: ценность второго насоса не в том, сколько он добавляет при совместной работе, а в том, сколько система теряет, когда один выключен. По выборке из 2133 моделей при отказе одного насоса из пары остаётся 84,9 % подачи при равном вкладе статики и трения, 91,0 % на чисто фрикционной сети и 74,1 % на почти горизонтальной. Потеря половины парка стоит системе пятнадцати процентов расхода — это и есть главный аргумент за схему.

Отсюда два сценария, где параллель выигрывает. Первый — переменный расход: канализационная станция с суточной неравномерностью, повышение давления в здании, пожарный ввод с редким пиком. Один насос закрывает будни, второй включается на пик, и оба работают ближе к расчётным режимам, чем один большой, задросселированный под малый расход. Второй — резерв: при аварии система теряет проценты, а не останавливается; насосы при этом чередуют, чтобы наработка делилась поровну — об этом материал о резервном насосе и чередовании.

Когда расход постоянный, выгоднее один большой насос, и каталог FANCY позволяет проверить это счётом. Возьмём сеть, на которой пара FTD200-16/4 даёт 283,6 м³/ч при 24,29 кВт на валу. Одиночный FTD200-24/4 на 30 кВт на этой же сети выходит на 301,4 м³/ч при 24,54 кВт — подачи больше на 6,3 % при той же мощности на валу, КПД 78,8 % против 70,4 % у каждого насоса пары. Вторая пара: CDM 355-1 на 55 кВт против двух CDM 315-1-1 — 368,8 м³/ч при 50,67 кВт против 363,3 м³/ч при 58,09 кВт, то есть подачи больше при мощности на валу на 12,8 % меньше. Выигрыш и по энергии на кубометр: 137,4 Вт·ч против 159,9.

Порядок решения такой. Посчитайте потери в сети и определите долю статики — от неё зависит, даст второй насос десять процентов или тридцать пять. Расход постоянный и резерв не нужен — берите один насос на расчётную точку и смотрите её кривую. Расход переменный или резерв обязателен — ставьте параллель из одинаковых насосов с общим коллектором и обратными клапанами, проверив режим каждой. Не закрывайте параллелью нехватку напора и не закладывайте лишние метры «про запас»: на коллекторе они превращаются в дросселирование и нагрев. Ряды для параллельных групп — на страницах фекальных, циркуляционных и пожарных насосов.