1. Wprowadzenie.

Zastosowanie na szeroką skalę regulacji przez zmianę prędkości obrotowej stanowiło swego rodzaju rewolucję w technice pompowej i umożliwiło uzyskanie znacznych oszczędności energetycznych. W porównaniu z regulacją przez dławienie regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest zawsze korzystniejsza energetycznie co wynika z samej zasady działania gdyż w przypadku dławienia pompa najpierw przekazuje energię do cieczy, a następnie energia ta jest tracona na zaworze dławiącym, natomiast w przypadku regulacji przez prędkość obrotową następuje redukcja ilości energii przekazywanej do cieczy. Pytanie nie brzmi zatem „czy regulacja przez prędkość obrotową przyniesie oszczędności” tylko „po jakim okresie nakłady na zastosowanie takiej regulacji się zwrócą?” Przez długi okres barierę wobec stosowania regulacji przez prędkość obrotową stanowił koszt przetwornic częstotliwości (tzw. falowników). W miarę wzrostu skali produkcji koszt ten stopniowo ulegał zmianie i obecnie falowniki weszły do powszechnego użycia, stając się niemal standardowym składnikiem zespołu pompowego. Niestety, temu korzystnemu zjawisku towarzyszy niebezpieczny trend polegający na tym, że dysponując możliwością regulacji parametrów zaniedbuje się zasady prawidłowego doboru pomp („bo się wyreguluje na falowniku”) co ogranicza potencjalne oszczędności energii.

W intencji autora poniższe uwagi mają na celu ułatwienie optymalizacji stosowania przemienników częstotliwości oraz uniknięcie często popełnianych błędów.

Zagadnienie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej zostało szeroko omówione w [1], a uwagi zawarte w niniejszym tekście stanowią próbę uzupełnienia wiedzy przekazanej w [1] o przykłady praktyczne.

2. Ograniczenia „ruchowe”.

Zastosowanie napędu ze zmienną prędkością obrotową może powodować pewne problemy w eksploatacji. Silniki starszych typów nie były na ogół przystosowane do zasilania przez falownik. Problemy związane były głównie z chłodzeniem, gdyż zmiana zasilania z typowego sinusoidalnego prądu zmiennego na impulsy generowane przez falownik powoduje zwiększenie wydzielania ciepła w uzwojeniach, a jednocześnie wraz z prędkością obrotową spada skuteczność wentylatora chłodzącego silnik. Silniki obecnie produkowane są na ogół przystosowane do współpracy z falownikami, lecz w każdym przypadku wskazane jest skonsultowanie tego z producentem.

W przypadku pomp najpoważniejszym problemem jest możliwość wystąpienia rezonansu przy niektórych prędkościach obrotowych. Pompy tradycyjnie projektowane były na określoną, nominalną prędkość obrotową tak, aby prędkość krytyczna, przy której następuje wzrost drgań nie pokrywała się z prędkością nominalną wypadając najczęściej powyżej niej. Przy zmianie prędkości obrotowej w szerokim zakresie istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że prędkość obrotowa pokryje się z podzielnikiem prędkości krytycznej (np. połową prędkości krytycznej) co prowadzi do wzrostu drgań. W przypadku gdy prędkość obrotowa zmienia się w bardzo szerokim zakresie jest to zjawisko trudne do uniknięcia. Należy jednak w porozumieniu z producentem pompy ustalić w jakim zakresie prędkości obrotowych można się   go spodziewać i tak dobierać pompę, aby w tym zakresie nie pracowała.

Przy znacznym obniżeniu prędkości obrotowej może nastąpić obniżenie nośności łożysk ślizgowych. Problemów przy obniżaniu prędkości obrotowej można się spodziewać również w przypadku gdy stosuje się złożone systemy uszczelnień mechanicznych, w których przepływ cieczy chłodzącej wymuszany jest przez wirujące elementy. Nie są to zjawiska spotykane często w praktyce ale dobierając zakres regulacji należy mieć na uwadze możliwość ich wystąpienia.

3. Charakterystyki pomp wirowych regulowanych przez zmianę prędkości obrotowej i możliwe do uzyskania korzyści energetyczne.

W [1] i [2] opisano jak zmieniają się parametry pomp wirowych ze zmianą prędkości obrotowej.

Jeśli znana jest charakterystyka podstawowa H(Q) przy prędkości nominalnej to   charakterystyki dla innych prędkości można wyznaczyć przeliczając punkt po punkcie wg wzorów:

Q₂ = Q₁ n₂ / n₁,

H₂ = H₁ (n₂ / n₁)²,

gdzie indeksem 1 oznaczono parametry przy prędkości n₁, a indeksem 2 parametry przy prędkości n₂.

W ten sposób, znając parametry Q₁ i H₁ w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n₁ można obliczyć parametry Q₂ i H₂ w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n₂. Można przyjąć, że sprawność w obu punktach jest taka sama, a zatem linie stałej sprawności są parabolami. Założenie o stałości sprawności przestaje obowiązywać przy zbyt niskich prędkościach obrotowych, przy których pompy wirowe przestają działać prawidłowo, ze względu na to, że stosunek siły odśrodkowej do sił wynikających z lepkości przyjmuje zbyt niskie wartości.

Wyznaczając charakterystyki przy różnych prędkościach w opisany sposób uzyskujemy tzw. wykres muszlowy jak na rys.1. Oczywiście, charakterystyki przy różnych prędkościach obrotowych można też wyznaczyć na drodze pomiarowej, jednak uzyskane wyniki są na ogół zbliżone do wyznaczonych teoretycznie. Zasadnicza różnica jakościowa polega na tym, że zgodnie z teorią parabole stałej sprawności biegną aż do początku układu współrzędnych jak na rys.1, a w praktyce jak wspomniano poniżej pewnej prędkości obrotowej sprawność spada.

Rys. 1. Wysokość podnoszenia i sprawność pompy przy zmianie prędkości obrotowej.  

Patrząc formalnie na wykres jak na rys.1 można dojść do wniosku, że stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej można uzyskać każdy wymagany punkt pracy o parametrach Q i H. Stąd już blisko do kolejnego, niebezpiecznego wniosku, że w przypadku zastosowania falownika nie ma potrzeby przestrzegać zasad doboru pomp. Jest to wniosek błędny gdyż dopuszczalne pole pracy pompy przy zmiennej prędkości obrotowej jest ograniczone (rys.2).

Od dołu ograniczenie wynika z tego, że jak wspomniano, poniżej pewnej prędkości obrotowej następuje pogorszenie sprawności i wobec tego nie należy schodzić poniżej określonej nmin. Z kolei od góry ograniczenie wynika głównie z powodów wytrzymałościowych. Należy pamiętać, że ciśnienie wytwarzane przez pompę, a także moment skręcający wału rosną z kwadratem prędkości obrotowej. Współczesne falowniki na ogół są zdolne do zwiększania częstotliwości od 50 do 60 Hz, co oznacza zwiększenie prędkości obrotowej o 20%, a zatem wzrost ciśnienia i momentu skręcającego wału w stosunku około 1.22 = 1.44. Jest to wartość znajdująca się na ogół na granicy rezerw konstrukcyjnych pompy, dlatego dalsze zwiększanie prędkości obrotowej byłoby groźne. Oczywiście w każdym przypadku najbezpieczniej jest ustalić z producentem maksymalną, dopuszczalną prędkość obrotową pompy.

Rys. 2. Zalecany zakres pracy pompy przy zmianie prędkości obrotowej. 

Dla stałej prędkości obrotowej zazwyczaj przyjmuje się, że zalecany zakres pracy zawiera się w zakresie wydajności od 80 do 110% wydajności optymalnej. Poza tym zakresem nie tylko spada sprawność ale występują również niekorzystne efekty ruchowe jak wzrost drgań i hałasu. Podobny zakres zalecanej pracy obowiązuje w przypadku każdej charakterystyki dla poszczególnych prędkości obrotowych. W rezultacie zalecane pole pracy zawiera się wewnątrz obszaru zaznaczonego na rys.2 linią kropkową.

Ze względu na sprawność optymalny zakres pracy jest jeszcze węższy. Pompa powinna pracować w pobliżu paraboli najwyższej sprawności ƞmax. Jest to możliwe jeśli charakterystyka układu ma zbliżony przebieg, co zachodzi w układach obiegowych z zerową wysokością statyczną. Tego rodzaju charakterystyki są typowe dla sieci ciepłowniczych, a zatem w takim zastosowaniu przetworniki częstotliwości mogą przynieść najwyższe oszczędności energetyczne.

Aby wstępnie ocenić jakie efekty regulacja przez prędkość obrotową da w określonym układzie pompowym wystarczy jego charakterystykę nanieść na wykres muszlowy danej pompy. Jak stwierdzono, w idealnym przypadku charakterystyka ta może przypadać w obszarze najwyższej sprawności co zachodzi dla układu obiegowego z zerową statyczną wysokością podnoszenia. Często mamy do czynienia z układami o płaskiej charakterystyce, gdzie dominuje statyczna wysokość podnoszenia, a straty odgrywają niewielką rolę. W takim przypadku charakterystyka układu jest w przybliżeniu pozioma, a w trakcie regulacji punkt pracy przemieszcza się na tle wykresu muszlowego tak jak pokazano na rys.2 strzałką od punktu nominalnego w kierunku punktu 1. Jak widać w takim przypadku punkt pracy wraz ze zmniejszaniem wydajności punkt pracy opuszcza najpierw optymalny, a w dalszej kolejności zalecany obszar pracy.

Typowe przykłady takich układów to m.in:

a) Układy wodociągowe, w których utrzymuje się stałe ciśnienie zasilania
b) Pompownie głównego odwadniania w głębokich kopalniach
c) Pompownie melioracyjne

W tego typu układach pompowych oszczędności energetyczne możliwe do uzyskania na skutek zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej są mniejsze niż w układach obiegowych. W takich przypadkach wskazane jest stosowanie kilku pomp pracujących równolegle. Zgrubna regulacja wydajności powinna się odbywać przez zmianę liczby pracujących pomp, a zmianę prędkości obrotowej należy wykorzystywać w celu precyzyjnego doregulowania wydajności pompowni do wymagań. Jak stwierdzono w [2] korzystniejsze jest regulowanie prędkości obrotowej wszystkich pomp, a nie tylko jednej.

Ogólnie można stwierdzić, że zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej przynosi w stosunku do regulacji dławieniowej efekty:
a) Tym większe im większy jest udział strat w całkowitej wysokości podnoszenia
b) Tym większe im szerszy jest zakres regulacji wydajności.

Dopuszczalny zakres pracy pompy z regulacją prędkości obrotowej, jak w każdym innym przypadku, zależy też od właściwości ssawnych. Należy zatem sprawdzić czy w każdym punkcie pracy wymagane NPSHr jest niższe od dostępnego NPSHa. Komplikacja polega na tym, że charakterystyki NPSHr są zazwyczaj znane dla nominalnej prędkości obrotowej. Nie są znane powszechnie uznane wzory, przy użyciu których można przeliczać wymagania co do NPSH przy zmieniających się obrotach. Od strony jakościowej wpływ obrotów na wymagane NPSH pokazano na rys.3. Zmniejszanie obrotów powoduje, że wartości wymaganego NPSH na ogół spadają, a zatem regulacja obrotów w dół z reguły poprawia zapas antykawitacyjny. Niebezpieczeństwo może polegać na tym, że ze spadkiem obrotów zakres niskich wymagań wobec NPSHr przesuwa się w kierunku niższych wydajności. Jeśli regulacja przez zmianę obrotów odbywa się zatem po linii w kierunku p.2 jak na rys. 2, czyli zmniejszanie obrotów prowadzi do zmniejszania wysokości podnoszenia przy stałej wydajności, to w takim przypadku właściwości ssawne pompy mogą się pogorszyć.

Rys. 3. Wpływ prędkości obrotowej na NPSHr. 

Ze względu na wspomniany brak uniwersalnych formuł pozwalających na przeliczanie charakterystyk NPSHr sprawdzenie warunków ssania przy zmiennej prędkości obrotowej powinno odbywać się we współpracy z producentem pompy.

4. Falownik nie powinien zastępować poprawnego doboru.

Możliwość zmiany parametrów pompy przy pomocy falownika nie powinna zastępować prawidłowego doboru. Dla przykładu, jeśli pompa zostanie dobrana na zbyt dużą wysokość podnoszenia i z tego powodu ma tendencje do pracy z nadmierną wydajnością, to przy zastosowaniu falownika można dostosować jej wysokość podnoszenia do wymaganej przy danej wydajności. Oznaczać to będzie jednak regulację po linii pokazanej na rys. 2 w kierunku p. 2, co spowoduje wyjście pompy z zalecanego zakresu.

Autor spotkał się z błędnymi zaleceniami projektanta układu ciepłowniczego, w którym przewidziano cztery pompy regulowane przy pomocy falowników. Projektant zalecał, aby w przypadku zmniejszenia wydajności dwie pompy wyłączać a dwie pozostałe regulować poprzez zmniejszanie obrotów. Jest to zalecenie błędne, gdyż jeśli założyć że cztery pompy są prawidłowo dobrane na maksymalną wydajność i odpowiadającą jej w ciepłowniczym układzie pompowym wysokość podnoszenia wynikającą z oporów przepływu w sieci to przy zmniejszaniu wydajności wymagana wysokość podnoszenia zmniejsza się wzdłuż paraboli. Wobec tego wskazane byłoby regulowanie wszystkich czterech pomp. Natomiast jeśli zmniejszoną wydajność chcielibyśmy uzyskać z dwu pomp to ich optymalna wysokość podnoszenia byłaby wyższa niż to wynika z charakterystyki układu i w rezultacie pompy pracowałyby jak w p. 2 na rys.2 poza optymalnym zakresem. Prawidłowa praktyka eksploatacyjna w takim przypadku powinna polegać na równomiernym zmniejszaniu wydajności wszystkich pomp.

W [3] opisano przypadek gdy falowniki zostały zastosowane w celu ograniczenia wydajności śmigłowych pomp w pompowni melioracyjnej, które zostały dobrane na nadmierną wydajność do tego stopnia, że przepływ wody odbywał się z tak wysoką prędkością, że uszkodzeniu erozyjnemu ulegały brzegi kanałów prowadzących do pompowni. Jest to przykład błędnego doboru, który był szczególnie kosztowny, gdyż najpierw zakupiono większe, a zatem droższe pompy, a następnie zastosowano falowniki po to aby wydajność ograniczyć.

5. Podsumowanie i wnioski.

Jak wynika z powyższego stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej należy się kierować poniższymi zasadami:

1. Na etapie doboru należy na „wykresie muszlowym” nanieść charakterystykę układu i sprawdzić, czy ten jej zakres, w którym najczęściej ma pracować pompa leży w jej zalecanym obszarze pracy. Poza tym zakresem pompa powinna pracować jedynie sporadycznie.

2. Najlepsze efekty energetyczne uzyskać można dla układów obiegowych, gdyż wtedy istnieje możliwość pracy wyłącznie w obszarze wysokich sprawności. Jeśli w układzie obiegowym wymaganą wydajność uzyskujemy nie z jednej lecz z kilku pomp pracujących równolegle, to przy zmniejszaniu wydajności nie należy żadnej z nich wyłączać, lecz zmniejszać równomiernie wydajność wszystkich pomp.

3. W układach o płaskich charakterystykach, (czyli o niewielkim udziale strat w stosunku do wysokości statycznej) regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest mniej efektywna. W takich sytuacjach korzystne jest stosowanie kilku pomp połączonych równolegle i zgrubne dostosowywanie wydajności do wymagań przez włączanie odpowiedniej liczby pomp. Poprzez zmianę prędkości obrotowej należy następnie precyzyjnie doregulować wydajność, przy czym najkorzystniej jest jeśli regulowane są wszystkie pracujące pompy, a nie tylko jedna.

4. Zmiana prędkości obrotowej nie powinna służyć jedynie korekcie błędu doboru (np. zmniejszenie wysokości podnoszenia i wydajności). W takich przypadkach mniejszych korekt można dokonywać przez zmianę średnicy wirnika, a w przypadku błędów poważnych wskazana jest wymiana pompy.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Literatura:
1. P. Świtalski, W. Jędral, Akademia techniki pompowej, Regulacja zmienoobrotowa, za i przeciw, Pompy Pompownie, nr 3/2012
2. G. Pakuła, Regulacja wydajności dwu pomp pracujących równolegle, Pompy Pompownie, nr 3/2011
3. M. Świderski, Regulacja wydajności pompy śmigłowej przez zmianę prędkości obrotowej. Pompy Pompownie, nr 4/2012

1. Wprowadzenie.

Celem remontu pompy jest przywrócenie jej do stanu technicznego zbliżonego do stanu pompy nowej. To na ile stan po remoncie będzie zbliżony do stanu wyjściowego, zależy od zastosowanych technologii remontowych. Wybór technologii wykorzystanych w trakcie remontu jest przedmiotem optymalizacji, gdyż poniesione nakłady muszą znajdować uzasadnienie w efektach, jakie przynoszą. Niniejszy artykuł zawiera informacje pomocne w podejmowaniu decyzji o wyborze optymalnych technologii.

Drugim elementem podlegającym optymalizacji jest ustalenie okresu międzyremontowego, gdyż z oczywistych względów przeprowadzanie remontów z nadmierną częstotliwością podnosi koszty remontowania, a z drugiej strony wydłużanie okresów pomiędzy remontami prowadzi do zwiększenia kosztów eksploatacji na skutek zwiększenia kosztów energii. Istnieje zatem pewna optymalna długość okresu międzyremontowego. Metodyka jej ustalania omawiana jest w punkcie 3 artykułu.

Należy podkreślić, że w przypadku pomp poważnym błędem jest dążenie do odtwarzania w trakcie remontów jedynie tzw. sprawności ruchowej, która definiowana jest w oparciu o parametry takie jak poziom drgań, temperatury węzłów konstrukcyjnych, hałas generowany w trakcie pracy oraz brak nieszczelności i wycieków. Dla pomp bardzo istotna jest sprawność energetyczna, która decyduje o zużyciu energii będącym podstawowym źródłem kosztów eksploatacji. Możliwa i prawdopodobna jest sytuacja, że nieprawidłowo wyremontowana pompa cechuje się określoną jak wyżej sprawnością ruchową, lecz pracuje z obniżoną sprawnością energetyczną. Optymalna gospodarka remontowa wymaga kontrolowania sprawności energetycznej uzyskiwanej po remoncie, gdyż jak wykazano niżej różnice w kosztach zużycia energii na skutek różnic w sprawności energetycznej są o wiele bardziej istotne niż różnice w nakładach na remonty.

2.  Mechanizmy degradacji pomp w trakcie eksploatacji.

 Parametry pompy, w tym sprawność, zmieniają się w trakcie eksploatacji. Sprawność pompy nowej w początkowym okresie po uruchomieniu może nieznacznie wzrosnąć co jest spowodowane docieraniem współpracujących elementów oraz przede wszystkim wygładzeniem przez przepływającą ciecz chropowatości powierzchni będącej wynikiem procesu technologicznego. Następnie, w trakcie eksploatacji w pompie zachodzą procesy prowadzące do stopniowego niszczenia jej elementów, w wyniku czego parametry ulegają pogorszeniu.

Procesy te można podzielić na dwie podstawowe grupy:

• zmiany geometrii (powiększanie wymiarów szczelin, zużywanie się łopatek);
• zmiany stanu powierzchni (wzrost chropowatości na skutek korozji i/lub powstawania osadów).

Poniżej zostanie omówiony wpływ poszczególnych mechanizmów niszczenia na charakterystykę pompy. W rzeczywistości procesy te zachodzą jednocześnie i wpływ każdego z nich na parametry pompy trudno jest oddzielić.

2.1. Wpływ wzrostu chropowatości na straty brodzenia.

Moc jest przekazywana od wału do cieczy przez wirnik (wirniki w pompie wielostopniowej). Przekazywanie to zachodzi zasadniczo wewnątrz kanałów wirnika, głównie za pośrednictwem łopatek. Powierzchnie zewnętrzne tarcz wirników wirując w cieczy również pobierają energię od wału, lecz energia ta w zdecydowanej większości rozpraszana w postaci tzw. strat brodzenia, które mają istotny wpływ na sprawność pompy. Postępująca korozja i/lub tworzenie osadów powodują zwiększenie chropowatości zewnętrznych powierzchni wirników, a tym samym zwiększenie strat brodzenia. Efekt ten jest szczególnie ważny w pompach o niskich wyróżnikach szybkobieżności, czyli mówiąc w uproszczeniu – dla pomp o znacznych wysokościach podnoszenia przy umiarkowanej wydajności, jak np. pompy zasilające kotły.

2.2. Wpływ wzrostu chropowatości kanałów przepływowych.

Na skutek korozji i erozji w trakcie eksploatacji pompy wzrasta chropowatość powierzchni kanałów przepływowych. Wzrost chropowatości powierzchni kanałów przepływowych wirnika powoduje wzrost poboru mocy i może spowodować nieznaczny wzrost wysokości podnoszenia pompy, gdyż ciecz jest skuteczniej „zabierana” przez wirnik, co jednak niekorzystnie wpływa na sprawność. Natomiast w przypadku przepływu przez kanały kierownic, przewały w poszczególnych stopniach pompy oraz kanały w korpusie ssawnym i tłocznym, czyli przez wszystkie kanały przepływowe w elementach niewirujących pompy, zwiększenie chropowatości powierzchni nie wpływa na pobór mocy pompy (o poborze mocy decyduje stan wirników), powoduje natomiast na skutek wzrostu strat przepływu obniżenie wysokości podnoszenia pompy, gdyż zwiększone straty przepływu w kanałach powodują spadek ciśnienia. Wpływ wynikających z chropowatości ścianek strat przepływu na sprawność pompy jest najbardziej widoczny dla pomp o znacznych wydajnościach i niskich wysokościach podnoszenia, jak np. pompy diagonalne, śmigłowe lub dwustrumieniowe.

2.3. Wpływ zmiany geometrii łopatek wirnika.

 Łopatki wirników pomp ulegają stopniowemu zużyciu. Proces ten przyspiesza przy obecności cząstek stałych w pompowanej cieczy. Zniszczeniu ulegają głównie fragmenty początkowe, na skutek czego cała łopatka ulega skróceniu, oraz zakończenia łopatek w wyniku czego zmniejszeniu ulega kąt wylotowy strugi, co powoduje obniżenie wysokości podnoszenia pompy. Zużycie łopatek powoduje zatem zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy oraz spadek poboru mocy. Wpływy tych czynników na sprawność wzajemnie się kompensują, lecz sumarycznie sprawność na skutek zużycia łopatek ulega pogorszeniu.

2.4. Wpływ powiększenia szczelin uszczelniających.

W trakcie eksploatacji ulegają powiększeniu wymiary (szerokości) szczelin uszczelniających, na skutek czego stopniowo zwiększają się straty objętościowe związane z przepływami powrotnymi cieczy od obszarów o większym ciśnieniu do obszarów o ciśnieniu niższym. Przykładem tego jest przepływ powrotny z wylotu wirnika na jego wlot przez szczelinę uszczelniającą szyję wirnika. Ma to oczywisty niekorzystny wpływ na sprawność, gdyż przez wirnik przepływa wydajność większa od wydajności pompy o wielkość przepływu powrotnego, a energia przekazana przez wirnik do cieczy powracającej na stronę ssawną jest tracona. Tego rodzaju straty objętościowe mają szczególnie dotkliwe skutki dla pomp o znacznej wysokości podnoszenia ze stopnia i niewielkiej wydajności. Wynika to z tego, że ze względów ruchowych (unikanie zatarcia) możliwe do uzyskania wymiary szczelin uszczelniających są podobne, niezależnie od wydajności pompy, a przy zbliżonych wymiarach szczelin straty objętościowe mają procentowo większy udział dla pomp o niższej wydajności. Wielkość starty objętościowej przy tych samych wymiarach szczelin rośnie ze wzrostem wysokości podnoszenia ze stopnia.

2.5. Łączny wpływ zużycia pompy na jej charakterystykę.

Opisane powyżej efekty występują jednocześnie, a ich wpływy na przebieg charakterystyk się nakładają. Łączny wpływ na charakterystykę zależy od tego, który z opisanych wyżej mechanizmów niszczenia dominuje. Niezależnie od tego sprawność i wysokość podnoszenia w miarę postępowania zużycia pompy spadają. Towarzyszący temu pobór mocy również zazwyczaj się zmniejsza przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej. Aby przy postępującym zużyciu pompy zachować niezmienione parametry hydrauliczne (wydajność, wysokość podnoszenia) należy zwiększyć prędkość obrotową jeśli istnieje możliwość takiej regulacji. Wzrost prędkości obrotowej powoduje wzrost zużycia mocy w stosunku do pompy nowej przy tych samych parametrach hydraulicznych w rezultacie obniżonej sprawności. Jeśli w trakcie eksploatacji wystąpi wzrost poboru mocy przy stałej prędkości obrotowej i niezmienionych parametrach hydraulicznych to świadczy to zazwyczaj o problemach mechanicznych, takich jak wewnętrzne przycieranie części lub problemy z łożyskowaniem.

Oprócz wspomnianego pogarszania parametrów hydraulicznych w trakcie eksploatacji postępuje pogarszanie stanu mechanicznego pompy, wyrażające się m.in. zwiększaniem poziomu drgań. Przyczynami tego są utrata wyważenia zespołu wirującego na skutek jego nierównomiernego zużycia, pogorszenie stanu łożysk oraz stopniowa degeneracja pasowań skutkująca zmianą sztywności konstrukcji pompy.

Tempo i stopień pogarszania parametrów pomp w trakcie eksploatacji istotnie zależą od rodzaju pompowanego medium, a w szczególności od jego korozyjności oraz ilości zanieczyszczeń stałych. W przypadku znacznego zanieczyszczenia (np. woda ze znaczną ilością piasku) tempo postępowania zużycia oraz głębokość spadku parametrów pompy mogą być znaczne. Natomiast w przypadku pompowania wody czystej, a tym bardziej uzdatnionej, jak woda kotłowa, spadek sprawności pompy po kilku latach eksploatacji nie powinien przekraczać kilku punktów procentowych. Dostępne są wyniki pomiarów pomp zasilających wskazujące, że pompy te o sprawności wyjściowej powyżej 80% pracują ze sprawnością znacznie poniżej 70%. Tak głębokiego spadku sprawności przy pracy na wodzie czystej nie da się wytłumaczyć zużyciem pompy. Wskazuje to na zastosowanie niewłaściwych technologii remontowych, czego skutkiem było obniżenie sprawności po remoncie.

3.  Optymalny okres międzyremontowy.

Najprostszy sposób ustalania momentu kierowania pompy do remontu polega na pracy do czasu, gdy pompa przestaje spełniać swoją funkcję, a zatem do momentu gdy nie jest już w stanie dać wymaganych parametrów lub ulega awarii. Takie postępowanie rzadko spotykane jest w energetyce, gdzie stosuje się raczej prewencyjne planowanie remontów mające na celu ich wykonanie przed wystąpieniem poważnej awarii, co sprzyja ograniczeniu kosztów remontu i zapobiega awaryjnym przestojom instalacji.

Planowanie takie oparte jest zazwyczaj o jedną z dwóch najczęściej stosowanych metod:

1. Planowanie w oparciu o ilość godzin pracy;
2. Planowanie w oparciu o monitoring parametrów technicznych.

Pierwsza metoda polega na stosowaniu okresów międzyremontowych ustalonych na podstawie zaleceń producenta bądź własnych doświadczeń użytkownika. W niektórych przypadkach okres remontowy pompy wynikać może z okresu remontowego instalacji, w jakiej pompa pracuje. Taka sytuacja może mieć miejsce m.in. dla pomp pracujących w blokach energetycznych, kiedy to remont pompy przeprowadza się w okresie remontu całego bloku, zaplanowanego ze względu nie na stan techniczny pompy, lecz pozostałych maszyn i urządzeń.

Jest to metoda prosta co do zasady i nie wymaga ponoszenia kosztów na układy monitoringu, lecz z reguły jest konserwatywna, to znaczy prowadząca zazwyczaj do przeprowadzania remontów z większą częstotliwością niż wynika to z faktycznego stanu technicznego pompy.

W celu precyzyjnego ustalenia momentu, w którym remont jest wymagany, stosuje się metody planowania oparte o monitoring parametrów ruchowych pompy. W energetyce obejmuje to zazwyczaj monitoring poziomu drgań i/lub temperatur określonych węzłów konstrukcyjnych pompy.

Możliwa, a nawet prawdopodobna, jest jednak sytuacja, kiedy pompa znajduje się w dobrym stanie ruchowym, tzn. wykazuje akceptowalny poziom drgań i temperatur, lecz posiada obniżoną sprawność energetyczną. W takim przypadku, ze względu na redukcję kosztów zużywanej energii, wskazane jest przeprowadzenie remontu pomimo występowania właściwej sprawności ruchowej pompy.

W praktyce, aby ustalić optymalny moment, w jakim pompa powinna być skierowana do remontu, wystarczy rejestrować ilość przepompowanych m³ oraz ilość kWh zużytych do napędu pompy. Można przyjąć, że koszt eksploatacji pompy składa się z dwóch głównych składników: kosztu remontów oraz kosztu zużywanej energii (pozostałe koszty, jak np. koszt obsługi, są niższego rzędu). Należy w trakcie eksploatacji monitorować, jak oba te składniki wpływają na koszt przepompowania m³. Jeśli podzielić koszt remontu, który można traktować w przybliżeniu jako stały, przez ilość m³ przepompowanych od czasu poprzedniego remontu to uzyskamy koszt remontu na m³. Wartość ta zmniejsza się podczas eksploatacji wraz ze wzrostem ilości przepompowanej cieczy. Jeśli monitoruje się ilość energii zużytej do napędu pompy, to mnożąc ją przez cenę jednostki energii oraz dzieląc przez ilość przepompowanych m³ uzyskamy średni koszt energii na przepompowany m³. Wartość ta wzrasta w trakcie eksploatacji ze względu na pogarszanie sprawności w związku z postępującym pogarszaniem się stanu technicznego pompy. Zsumowanie kosztu remontu i kosztu energii daje całkowity koszt przepompowania m³. Wartość ta w trakcie eksploatacji początkowo spada ze względu na malejący składnik remontowy, ale w pewnym momencie zaczyna wykazywać wzrost – ze względu na wzrastający koszt energii. Z punktu widzenia ekonomii korzystne jest skierowanie pompy do remontu z chwilą stwierdzenia wystąpienia takiego wzrostu, nawet jeśli pompa nadal wykazuje sprawność ruchową.

Powyższy sposób ustalania optymalnego momentu skierowania pompy do remontu jest właściwy przy dwóch założeniach. Po pierwsze, iż pompa pracuje (w przybliżeniu) na stałych parametrach, gdyż w innym wypadku zmiana zużycia energii może wynikać nie z pogorszenia sprawności, lecz ze zmiany położenia punktu pracy. Po drugie, że remont spowoduje odtworzenie sprawności początkowej pompy, gdyż w innym wypadku nakłady poniesione na remont nie zostaną odzyskane w postaci oszczędności na kosztach energii.

4. Technologie remontowe.

Najogólniej mówiąc, w trakcie remontu poszczególne elementy pompy można wymieniać na nowe lub regenerować. Decyzja o wymianie lub regeneracji powinna być podjęta na podstawie oględzin danego elementu oraz pomiarów jego geometrii, z uwzględnieniem wpływu stanu danego elementu na parametry pompy.

Ponieważ najbardziej kosztownymi elementami pompy są korpusy, to w przypadku gdy nie nadają się one do regeneracji, prowadzenie remontu traci sens, gdyż alternatywą staje się wymiana pompy na nową. Korpusy pompy powinny zatem podlegać regeneracji. Regeneracja dotyczy wewnętrznych powierzchni korpusów będących w kontakcie z cieczą, które w trakcie eksploatacji ulegają korozji oraz „wypłukiwaniu”. Powstająca zwiększona chropowatość powierzchni kanałów przepływowych powoduje obniżenie sprawności pompy (punkt 2) i w trakcie remontu powinna być usunięta, a znaczniejsze ubytki naprawione. W przypadku kanałów przepływowych w korpusach dokładność odwzorowania początkowego kształtu nie jest tak istotna, jak w przypadku kanałów przepływowych wirników i kierownic, dlatego zregenerowanie ich powierzchni jest możliwe. Ubytki i wżery mogą być naprawione przez napawanie, a chropowatość można usunąć przez czyszczenie i podszlifowanie większych nierówności. Stosowane jest również nakładanie preparatów tworzących powłoki, które pozwalają na uzyskanie znacznie lepszej gładkości powierzchni niż w przypadku powierzchni surowego metalu. Doświadczenia i pomiary wskazują, że zastosowanie preparatów zwiększających gładkość pozwala na uzyskanie kilkuprocentowego (najczęściej 2–5%) wzrostu sprawności. Problemem w tym przypadku jest trwałość ich przylegania, dla uzyskania której wymagane jest ścisłe przestrzeganie technologii przygotowania powierzchni metalu przed powlekaniem preparatem.

Jak wspomniano w punkcie 2, jakość wewnętrznych powierzchni korpusów ma największy wpływ na sprawność pomp o wysokich wyróżnikach szybkobieżności i z tego powodu dla takich pomp regeneracja wewnętrznych powierzchni powinna być prowadzona ze szczególną starannością.

Należy mieć na uwadze, że korpusy pompy są elementami ciśnieniowymi i z tego powodu ich trwałość nie jest nieograniczona, gdyż po dłuższym okresie eksploatacji grubość ich ścianek na skutek zużycia może spaść poniżej wartości zapewniającej wymaganą wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne. W takich wypadkach można stosować naprawę korpusu przez napawanie, ale w tym celu wymagane jest stosowanie odpowiednich technologii spawalniczych, aby uzyskać wytrzymałość naprawionego korpusu porównywalną z wytrzymałością korpusu nowego. Zawsze jednak, zgodnie z wymaganiami dyrektyw unijnych, naprawiany korpus pompy należy poddać ciśnieniowej próbie wytrzymałości z zachowaniem warunków bezpieczeństwa.

Sprawność pompy w największym stopniu zależy od stanu wirników i kierownic. Jak wspomniano, na skutek „wypłukiwania” końcowych części łopatek wirników zmniejszeniu ulega kąt wylotowy cieczy, co powoduje zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy. Tego rodzaju zużycie wirnika jest trudne do stwierdzenia, gdyż przy oględzinach wirnik może wyglądać na nieuszkodzony, a pomiar kąta wylotowego łopatki jest trudny do przeprowadzenia. Wynikający z tego spadek parametrów ujawnia się dopiero w trakcie pomiarów charakterystyki. Jeśli występuje tego rodzaju zużycie to wirnik powinien być zakwalifikowany do wymiany, gdyż regeneracja łopatek obejmująca odtworzenie kąta wylotowego jest trudna do przeprowadzenia, a ponadto trwałość takiego zabiegu byłaby wątpliwa. W każdym razie weryfikacja stanu wirników obejmująca jedynie pomiary średnicy szyjek jest niewystarczająca do podjęcia decyzji o wymianie, gdyż o dalszej przydatności wirnika decyduje geometria łopatek, a szczególnie ich odcinków wylotowych.

W przypadku wymiany wirników i kierownic należy stosować oryginalne części według dokumentacji producenta. Różnego rodzaju „zamienniki”, na przykład wykonane na podstawie pomiarów zużytego elementu, mogą dawać katastrofalne wyniki w zakresie sprawności. O ile pomiary wymiarów pochodzących z obróbki skrawaniem (jak średnica zewnętrzna, średnica piasty i szyjki) i wykonanie na tej podstawie elementów pasujących do pompy jest możliwe do przeprowadzenia, to precyzyjne odtworzenie „z natury” odlewanych łopatek jest praktycznie niemożliwe, gdyż elementy odlewane cechują się znacznymi odchyłkami kształtu, natomiast parametry pompy są bardzo wrażliwe na niedokładności geometrii palisady łopatkowej. Duże znaczenie ma też jakość zastosowanej technologii odlewniczej, która decyduje o uzyskanej chropowatości powierzchni układu przepływowego, bardzo istotnie wpływającej na sprawność. Dla przykładu wirniki o identycznej geometrii, lecz wykonane przy zastosowaniu rdzeni ceramicznych pozwalają na uzyskanie sprawności wyższej do 3% w porównaniu z odlewami wykonywanymi w formach piaskowych. Podobne efekty w zakresie sprawności można uzyskać dokonując dogładzania powierzchni kanałów, co na ogół jest możliwe jedynie na drodze obróbki ręcznej. Niekiedy stosowane jest krótkotrwałe pompowanie wody zawierającej np. korund, co pozwala na wyszlifowanie powierzchni przepływowych. Zastosowanie oryginalnych wirników jest wymagane również ze względów bezpieczeństwa. Wirniki pomp podczas pracy podlegają znacznym obciążeniom pochodzącym od sił odśrodkowych, dlatego bardzo istotny jest skład chemiczny zastosowanego materiału, jak też drobnoziarnista wewnętrzna struktura odlewu wirnika. Wirniki o nieodpowiedniej wytrzymałości podczas pracy pompy z wysokimi obrotami mogą ulec rozerwaniu, co w każdym takim przypadku prowadzi do zupełnego zniszczenia pompy, a ponadto stwarza zagrożenie dla zdrowia obsługi.

Jeśli wirniki zostaną zakwalifikowane do regeneracji, to obejmuje ona przede wszystkim odtworzenie wymiarów szczelin uszczelniających. Dokonuje się tego zazwyczaj drogą „legalizacji” szyjki wirnika, tzn. wyrównania na obniżony wymiar, i zastosowania odpowiedniego, podwymiarowego pierścienia uszczelniającego. Dobór odpowiednich wymiarów szczelin uszczelniających wymaga doświadczenia. Zastosowanie nadmiernych luzów ułatwia montaż, lecz uniemożliwia uzyskanie wysokiej sprawności. Natomiast nadmierne zacieśnienie szczelin grozi zatarciem pompy. Należy tu brać pod uwagę dynamiczne odkształcenia wału zależne od typu pompy.

Aby uzyskać niski poziom drgań, konieczne jest wyważanie zespołu wirującego pompy w stanie zmontowanym. Wyważenie poszczególnych elementów z osobna nie wystarcza, gdyż po ściśnięciu zespołu wirującego przez siłę osiową lub na skutek skręcania nakrętek mocujących poszczególne elementy mogą ulec zwichrowaniu i wyważenie okaże się nieskuteczne. Konstrukcja wielu pomp uniemożliwia zamontowanie w całości wyważonego zespołu wirującego. Aby po zdemontowaniu i ponownym zamontowaniu w pompie zespół wirujący nadal był wyważony, konieczne jest stosowanie odpowiednich technologii montażu zapewniających zachowanie względnego, wzajemnego położenia poszczególnych elementów.

W efekcie zastosowania nieoryginalnych części, nawet tych z pozoru mniej ważnych jak np. korpusy łożyskowe, panewki ślizgowe czy dławnice, mimo prawidłowego wyważenia zespołu wirującego, częstość drgań własnych pompy po remoncie ulega zmianie i praca z dotychczasową prędkością obrotową może być niemożliwa, gdyż wypada w obszarze rezonansu.

Ze względów oszczędnościowych istnieje tendencja do stosowania w remontach dorabianych we własnym zakresie elementów o prostej geometrii, jak np. tulejki dystansowe lub nawet wał, które da się pomierzyć z natury i wykonać na stosunkowo prostych obrabiarkach. Należy jednak pamiętać, że dla właściwej pracy elementy takie powinny podlegać odpowiedniej obróbce powierzchniowej (utwardzanie, hartowanie powierzchniowe itp.), gdyż w przeciwnym wypadku łatwo ulegną degeneracji, np. pod uszczelnieniami wargowymi. Współpracujące pary elementów (np. szyjka wirnika – pierścień uszczelniający) muszą być tak obrabiane powierzchniowo, aby uzyskać różnicę w twardości, gdyż w przeciwnym razie może dojść do ich zespolenia. Wał jest elementem pompy narażonym na znaczne obciążenia, dlatego zastosowanie do jego wykonania niewłaściwego materiału (np. rezygnacja z kutych prętów jako materiału wyjściowego) może być przyczyną awarii. Wały w remontowanych wielostopniowych pompach muszą nie tylko być zgodne w zakresie wymiarów, ale wymiary te muszą być niezmienne w całym okresie eksploatacji, co przy pompach pracujących z prędkościami obrotowymi ponad 3000 obr./min i pompujących gorące ciecze o temp. 150°C wymaga zastosowania specjalnych metod obróbki plastycznej i obróbki skrawaniem. Każda zmiana kształtu walu, np. powiększenia bicia promieniowego, może być przyczyną zatarcia pompy i doprowadzić do jej poważnej awarii.

Ponieważ dla kosztów eksploatacji podstawowe znaczenie ma sprawność energetyczna pompy po remoncie, po jego wykonaniu należy przeprowadzić pomiary parametrów pompy. Zastąpienie ich tzw. próbą ruchową sprawdzającą jedynie stan mechaniczny maszyny jest niewystarczające.

5. Aspekty ekonomiczne.

Ostatnie stwierdzenie znajduje uzasadnienie w proporcjach pomiędzy kosztami remontu, a kosztami zużywanej energii wynikającymi ze sprawności pompy po remoncie, co zostanie niżej pokazane na przykładzie pompy zasilającej kocioł.

Dla pompy pracującej na parametrach Q = 450 m³/h, H = 1800 m przy ciężarze właściwym wody 9400 N/m³, które to parametry odpowiadają parametrom 50% pomp zasilających blok 200 MW pracujący przy pełnej mocy, moc hydrauliczna, czyli minimalna moc na wale pompy wymagana na podstawie praw fizyki, wynosi 2115 kW. Jeśli pompa po prawidłowo przeprowadzonym remoncie posiada sprawność 81% to rzeczywisty pobór mocy wyniesie 2611 kW. Natomiast jeśli remont zostanie przeprowadzony niewłaściwie, to można uzyskać sprawność rzędu 70%, a pobór mocy wyniesie wtedy 3021 kW. Zakres sprawności pomp zasilających po remoncie na poziomie 70–81% jest realnym zakresem, jaki spotyka się w praktyce, w zależności od poziomu technicznego firmy wykonującej remont. Jak wynika z przedstawionego przykładu, w wyniku zastosowania niewłaściwych technologii remontowych zwiększenie poboru mocy z powodu nieuzyskania właściwej sprawności pompy zasilającej może być na poziomie 400 kW, co przy pracy przez ok. 7000 godzin w roku daje różnicę zużycia energii około 2800 MWh na pompę (a pracują jednocześnie dwie). Koszt tej dodatkowej energii przy założeniu ceny 200 zł/ MWh wynosi 560 tys. zł i przekracza koszt remontu kapitalnego pompy. Jak widać różnice w cenach remontu kapitalnego oferowane przez różnych wykonawców mają znacznie mniejszy wpływ na koszt eksploatacji niż różnice w sprawności uzyskanych po remoncie.

6.  Ustalenie optymalnych parametrów pompy po remoncie.

Zlecając remont należy wyspecyfikować wymagane parametry, jakie pompa po remoncie ma uzyskać. Ponieważ, jak wynika z poprzedniego punktu, nieuzyskanie ich ma poważne konsekwencje kosztowe, konieczne jest przeprowadzenie po remoncie prób odbiorczych obejmujących pomiary charakterystyk energetycznych.

Zachodzi zatem potrzeba określenia wymaganych parametrów. Najbardziej oczywistą praktyką jest wyspecyfikowanie oryginalnych parametrów pompy podanych na tabliczce znamionowej. Mogą jednak zachodzić sytuacje, kiedy parametry te nie są optymalne, gdyż od czasu zainstalowania pompy nastąpiły zmiany w układzie skutkujące zmianą parametrów wymaganych od pompy. Remont kapitalny jest okazją do dostosowania parametrów pompy do aktualnych wymagań. Dostosowanie takie, w pewnym zakresie, można przeprowadzić prostymi metodami, niewiążącymi się ze wzrostem kosztów, jak np. korekta średnicy wirnika. Z tego powodu przed zleceniem remontu kapitalnego wskazane jest przeprowadzenie analizy układu pompowego mającej na celu zweryfikowanie wymaganego, optymalnego punktu pracy.

7. Podsumowanie i wnioski.

• Po remoncie pompa powinna odzyskać nie tylko tzw. sprawność ruchową, lecz także, a nawet przede wszystkim, sprawność energetyczną.

• Wzrost kosztów zużycia energii związany z nieuzyskaniem po remoncie odpowiedniej sprawności zazwyczaj przewyższa różnice w cenach remontu oferowane przez różnych wykonawców.

• Konieczne jest sprawdzanie parametrów energetycznych pomp po remoncie na stacji prób poprzez pomiar charakterystyk.

• Do sprawdzenia parametrów energetycznych pomp nie jest wystarczająca tzw. próba ruchowa. Ta ostatnia powinna jednak również wchodzić w zakres prób odbiorczych po remoncie, między innymi w celu sprawdzenia drogą pomiarów drgań, czy uzyskano wymagany stan dynamiczny pompy, stosując odpowiednie technologie wyważania zespołu wirującego

• Na jakość remontu i wynikającą z niego trwałość pompy wpływ ma również jakość materiałów zastosowanych do wykonania elementów pompy oraz technologia ich obróbki powierzchniowej. Materiały i technologie powinny być zgodne z warunkami technicznymi ustalonymi przez producenta pompy. Sprawdzenie tych wymagań w trakcie prób odbiorczych nie zawsze jest możliwe. Z tego powodu wymagania tego rodzaju powinny być uwzględnione w specyfikacji technicznej, a ich spełnienie potwierdzone przez certyfikaty materiałowe, orzeczenia wymiarowe i/lub inspekcje dokonywane w trakcie remontu przez zleceniodawcę.

1. dr inż. Grzegorz Pakuła
2. mgr inż. Andrzej Wesołowski

W specyfikacjach technicznych towarzyszącym zapytaniom ofertowym na zakup pomp lub wchodzących w skład dokumentacji przetargowej często pojawia się wymóg stabilnej charakterystyki. Czasami można odnieść wrażenie, że wymóg ten pojawia się na zasadzie prostego kopiowania z wcześniejszych dokumentów, a nie wynika z analizy, która wskazywałaby czy jest on uzasadniony czy nie. W wielu przypadkach stabilność charakterystyki nie jest do niczego potrzebna, a wymaganie jej utrudnia prawidłowy dobór pompy, gdyż eliminuje pompy o dobrych parametrach lecz posiadające niestabilną charakterystykę. Wprowadzanie stabilności charakterystyki „na siłę”, drogą modyfikacji konstrukcji wirnika pompy prowadzi z reguły do pogorszenia sprawności. Warto się zatem zastanowić czy i jakich przypadkach stawianie tego wymogu ma sens, a kiedy jest szkodliwe.

Charakterystykę pompy nazywamy stabilną, jeżeli wysokość podnoszenia wzrasta w miarę zmniejszania wydajności i osiąga maksimum przy zerowej wydajności. Jeśli natomiast wysokość podnoszenia osiąga maksimum przy pewnej wydajności różnej od zera, a od tego punktu do punktu zerowej wydajności spada, to charakterystykę nazywamy niestabilną. (rys. 1). Jest to podstawowy, najczęściej spotykany rodzaj niestabilności charakterystyki. (Oprócz niego mogą występować inne odmiany niestabilności, przejawiające się przegięciem charakterystyki w innym zakresie wydajności, ale takimi przypadkami, występującymi stosunkowo rzadko, nie będziemy się tu zajmować).

Rys. 1. Charakterystyka stabilna (a) i niestabilna (b). 

W podręcznikach poświęconym teorii pomp spotyka się często stwierdzenie, że niestabilność charakterystyki prowadzi do niestabilnej pracy pompy, tzn. do pracy ze skokowo zmieniającą się wydajnością, co ilustrowane jest następującym wykresem:

Rys. 2. Współpraca pompy o niestabilnej charakterystyce z układem pompowym. (wysokość podnoszenia pompy przy zerowej wydajności mniejsza od statycznej wysokości układu pompowego). 

Ponieważ charakterystyka układu (linia przerywana) przecina się z charakterystyką pompy (linia ciągła) w dwu punktach A i B, pompa może pracować w danym układzie w obu tych punktach pracy, zmieniając skokowo wydajność. Jest to jednak przypadek czysto teoretyczny, który w praktyce nie może mieć miejsca. Sytuacja pokazana na rys. 2 może zajść tylko wtedy, gdy pompa dobrana jest w taki sposób, że jej wysokość podnoszenia przy zerowej wydajności jest niższa od wysokości statycznej układu Hst. Taki dobór jest jednak praktycznie niemożliwy, gdyż tak dobranej pompy nie dałoby się w ogóle uruchomić przy wypełnionym rurociągu. Ponadto, w praktyce pompa powinna być dobrana tak, aby jej punkt pracy (punkt przecięcia charakterystyki pompy z charakterystyką układu) przypadał nie w zakresie niskich wydajności lecz w pobliżu punktu optymalnej sprawności, który leży daleko w prawo (tj. przy wyższych wydajnościach) niż obszar niestabilności położony w okolicy maksimum wysokości podnoszenia.

W przypadku gdy wysokość podnoszenia pompy przy zerowej wydajności jest wyższa od statycznej wysokości układu charakterystyka pompy (również niestabilna) przecina się z charakterystyką układu tylko raz i praca pompy ze zmieniająca się skokowo wydajnością nie może mieć miejsca niezależnie od tego, z jaką wydajnością pompa pracuje we współpracy z układem. (rys.3).

Rys. 3. Współpraca pompy o niestabilnej charakterystyce z układem pompowym. (wysokość podnoszenia pompy przy zerowej wydajności większa od statycznej wysokości układu pompowego).

Można zatem stwierdzić, że niestabilność charakterystyki w praktyce nie prowadzi do żadnych problemów we współpracy z układem pompowym, za wyjątkiem przypadków całkowicie nieprawidłowego doboru, jakie są niedopuszczalne z innych względów niezależnie od stabilności charakterystyki.

Odpowiedź na pytanie dlaczego jedne pompy posiadają charakterystykę stabilną, a inne niestabilną nie jest łatwa, gdyż wymagałaby szczegółowego zrozumienia mechanizmu przekazywania energii od wirnika do cieczy w zależności od geometrii wirnika. Autor niniejszego artykułu nie znalazł w literaturze prostej odpowiedzi na tak postawione pytanie. Wiadomo natomiast, że stabilność/niestabilność charakterystyki jest związana z wyróżnikiem szybkobieżności pompy, a zatem z geometrią wirnika. Niestabilność charakterystyki jest typowa dla pomp o niskich wyróżnikach szybkobieżności (pomp odśrodkowych wolnobieżnych), natomiast z reguły nie występuje dla pomp o wysokich wyróżnikach szybkobieżności (pomp helikoidalnych, diagonalnych i śmigłowych), które mają z natury strome charakterystyki H(Q). Dla pomp odśrodkowych średniobieżnych, o przestrzennej krzywiźnie łopatki zdarzają się zarówno charakterystyki stabilne jak i niestabilne, aczkolwiek te drugie występują tym rzadziej im wyższy wyróżnik szybkobieżności. Można zatem stwierdzić, że niestabilność charakterystyki dla pomp wolnobieżnych odśrodkowych jest cechą naturalną. Próby skonstruowania takich pomp o stabilnych charakterystykach oznaczałyby konieczność odejścia od sprawdzonych, optymalnych metod projektowych, co w wyniku mogłoby doprowadzić do uzyskania pomp o obniżonej sprawności.

Można stwierdzić, że wysoka sprawność w pewnym zakresie sprzyja niestabilności charakterystyki. Aby uzasadnić to stwierdzenie wyobraźmy sobie pomiar charakterystyki pompy na stanowisku pokazanym na rys.4.

Rys. 4. Pomiar charakterystyki pompy.

W celu wyznaczenia charakterystyki mierzymy moc pobierana przez pompę (N), jej wydajność (Q) oraz ciśnienie na ssaniu (ps) i tłoczeniu (pt). Wyobraźmy sobie, że pomiędzy króćcem tłocznym pompy a rurociągiem tłocznym zainstalowana jest kryza dławiąca przepływ. W takim układzie manometr podłączony do rurociągu tłocznego zarejestruje ciśnienie tłoczenia pompy pomniejszone o stratę ciśnienia na kryzie. Załóżmy, że charakterystyka pompy zmierzona bez kryzy jest niestabilna (linia ciągła na rys.5). Strata ciśnienia na kryzie jest proporcjonalna do kwadratu wydajności, więc charakterystyka kryzy jest parabolą (linia kropkowana na rys. 5). W pokazanym układzie pomiarowym zmierzona charakterystyka pompy (linia przerywana na rys. 5) powstanie w wyniku pomniejszenia wysokości podnoszenia wynikającej z charakterystyki pompy bez kryzy o wartości strat wysokości podnoszenia na kryzie. Ponieważ straty te rosną z wydajnością charakterystyka dławionej kryzą pompy będzie wykazywać tendencję do przejścia od niestabilności do stabilności. W niniejszym przykładzie pokazano wpływ dławienia kryzą na króćcu pompy jedynie dla przejrzystego zademonstrowania efektu dławienia. W praktyce taka kryza nie występuje, lecz podobny efekt da wewnętrzne dławienie wynikające z chropowatości powierzchni pompy będących w kontakcie z cieczą. Oznacza to, że zabiegi polegające na wygładzaniu (polerowaniu) wnętrza pompy mające na celu poprawę jej sprawności jako efekt uboczny powodują pogorszenie stabilności charakterystyki, a nawet wystąpienie niestabilności. Należy dodać, że powyższe rozważania nie są jedynie teoretyczne, lecz znajdują potwierdzenie w praktyce. Autorowi znane są przypadki, gdy zmniejszanie chropowatości powierzchni układu przepływowego pompy, przynoszące kilkuprocentową (2-3%) poprawę sprawności powodowało opisany efekt pogorszenia stabilności charakterystyki.

Rys. 5. Charakterystyka pompy z uwzględnieniem dławienia kryzą.

Należy zdawać sobie sprawę, że niestabilność charakterystyki w pewnym zakresie może być efektem pomiarowym. Przede wszystkim ciśnienie na tłoczeniu pompy przy zerowej wydajności z reguły wykazuje znaczne pulsacje. Pulsacje te można było obserwować na tradycyjnych manometrach w postaci drgań wskazówki. W takich warunkach wynik odczytu, wpływający na wysokość podnoszenia przy zerowej wydajności, a zatem na stabilność charakterystyki, w pewnym stopniu zależał od subiektywnej oceny osoby prowadzącej pomiar. Przy zastosowaniu automatycznych (skomputeryzowanych) pomiarów ciśnienia należy zastosować odpowiednie filtrowanie i uśrednianie odczytu, gdyż zarejestrowanie pojedynczego, przypadkowego wyniku, może prowadzić do wzięcia pod uwagę wartości skrajnych wypaczających przebieg charakterystyki.

Kolejnym efektem pomiarowym mającym wpływ na stabilność charakterystyki jest efekt krętu wstępnego. Do wyznaczenia wysokości podnoszenia pompy, wynikającej z różnicy ciśnienia na tłoczeniu i ssaniu powinno się brać ciśnienie w osi króćca. W praktyce miernik ciśnienia nie jest podłączony w osi lecz przy ściance rurociągu. Dla niskich wydajności obserwuje się wsteczne oddziaływanie wirnika polegające na wystąpieniu zawirowania cieczy w odcinku rurociągu ssawnego przylegającym do pompy (kręt wstępny). Na skutek tego zawirowania i związanej z nim siły odśrodkowej ciśnienie przy ściance rurociągu ssawnego jest wyższe niż w osi. Takie pozorne zwiększenie ciśnienia na ssaniu powoduje zmniejszenie obliczonej wysokości podnoszenia przy małych wydajnościach i może prowadzić do pojawienia się niestabilności charakterystyki. Z tego powodu, aby wyeliminować wpływ krętu wstępnego pomiar ciśnienia na ssaniu nie powinien być dokonywany bezpośrednio w pobliżu króćca ssawnego, lecz w pewnej odległości przed nim. (należy oczywiście uwzględnić straty przepływu na tym odcinku rurociągu ssawnego).

Jak wspomniano, dla niektórych typów pomp niestabilność charakterystyki nie jest jednak spowodowana powyższymi efektami pomiarowymi lecz jest cechą charakterystyczną dla danej pompy. Taką niestabilność można zlikwidować stosując pewne zabiegi konstrukcyjne. Jednym z nich jest skośne stoczenie wirnika. (rys.6).

Rys. 6. Skośne stoczenie wirnika. 

Wpływ skośnego stoczenia na niestabilność można wytłumaczyć w taki sposób, że wysokość podnoszenia (ciśnienie na tłoczeniu) przy zamkniętej zasuwie zależy od prędkości z jaką wiruje w pompie ciecz rozpędzona przez wirnik. Prędkość ta zależy od średnicy wirnika, a zatem skośne stoczenie nie obniża w znacznym stopniu wysokości podnoszenia przy zerowej wydajności, gdyż łopatka wirnika przy przedniej tarczy nadal posiada wyjściową średnicę. Natomiast przy wydajności większej od zera ciecz płynąca po poszczególnych liniach prądu w wirniku uzyskuje rożne wysokości podnoszenia, zależne od średnicy wirnika w miejscu gdzie dana linia prądu go opuszcza, a zatem wysokość podnoszenia uzyskiwana przez ciecz płynącą w pobliżu stoczonej tarczy jest zmniejszona. W wyniku mieszania poszczególnych strug pompa daje wysokość podnoszenia mniejszą w porównaniu do wysokości podnoszenia przed stoczeniem wirnika. Przy tym skala tego zmniejszenia wzrasta z wydajnością, w wyniku czego charakterystyka staje się bardziej stroma i stabilna. Mieszane strug o różnej energii powoduje jednak straty i z tego powodu ten sposób usuwania niestabilności odbywa się kosztem sprawności pompy.

Poprawie stabilności charakterystyki sprzyja też zbliżenie języka spirali do zewnętrznej średnicy wirnika. Można to tłumaczyć w ten sposób, że wysokość podnoszenia (ciśnienie) pompy przy zamkniętej zasuwie zależy od prędkości z jaką wirująca ciecz „wpada” do wlotu do króćca tłocznego, w którym energia kinetyczna związana z prędkością zamienia się na ciśnienie spiętrzenia zatrzymanej cieczy. Gdy język spirali znajduje się blisko wirnika prędkość ta jest zbliżona do maksymalnej prędkości wirowania cieczy wytwarzanej przez wirnik. Jeśli natomiast (jak to ma miejsce w typowych pompach) różnica pomiędzy zewnętrzną średnicą wirnika a średnicą, na jakiej znajduje się język spirali wynosi od kilku do kilkudziesięciu milimetrów (szczególnie przy stoczonym wirniku) to w obszarze tym prędkość wirowania cieczy, zgodnie z zasadą swobodnego wiru spada ze wzrostem promienia i z tego powodu prędkość na wlocie do króćca tłocznego jest mniejsza niż za wirnikiem, co powoduje spadek wysokości podnoszenia pompy przy zerowej wydajności.

Jak wspomniano wyżej, stabilności sprzyja wewnętrzne dławienie spowodowane chropowatością powierzchni układu przepływowego. Można zatem próbować uzyskać stabilność charakterystyki sztucznie wprowadzając chropowatość, np. nacinając promieniowe rowki w okolicy zewnętrznej średnicy przedniej tarczy wirnika. Jest to jednak zabieg ewidentnie pogarszający sprawność.

Należy zaznaczyć, że pompy dość „kapryśnie” reagują na wymienione wyżej sposoby eliminacji niestabilności. Doświadczenie wskazuje, że w niektórych przypadkach udaje się uzyskać stabilność charakterystyki przy pomocy jednej lub kombinacji kilku opisanych metod, jednak zdarzają się przypadki niestabilności „uporczywej” nie dającej się usunąć w taki sposób.

Jak wynika z powyższego, sztuczne eliminowanie niestabilności charakterystyki pomp, dla których ta niestabilność jest naturalną cechą odbywa się zawsze kosztem sprawności. Należy sobie zatem zadać pytanie, czy stabilność charakterystyki jest naprawdę do czegoś potrzebna? Do napisania niniejszego artykułu autora sprowokował przypadek pewnego kontraktu na dostawę kilkudziesięciu pomp, w którym odbiorca postawił i w trakcie prób odbiorczych konsekwentnie egzekwował wymóg stabilnej charakterystyki. W przypadku kilkunastu pomp zmusiło to producenta do likwidowania niestabilności charakterystyki opisanymi metodami (głównie poprzez wprowadzanie skośnego stoczenia), w wyniku czego pompy posiadające bardzo dobre sprawności traciły jej po 1-3% procent. W rezultacie, moc pobierana w całej instalacji, na skutek administracyjnego egzekwowania wymogu stabilnej charakterystyki, wzrosła o kilkadziesiąt kilowatów. Należy zatem postawić pytanie czemu to miało służyć?

Jak wspomniano wyżej niestabilność charakterystyki w praktyce w niczym nie przeszkadza we współpracy pojedynczej pompy z układem pompowym. Nieco inna sytuacja zachodzi w przypadku współpracy równoległej pomp.(rys. 7).

Rys. 7. Współpraca równoległa pomp.

Weźmy pod uwagę dwie pompy 1 i 2 o niestabilnych charakterystykach (załóżmy, że w idealnym przypadku charakterystyki te są identyczne). Punkt A na charakterystyce oznacza punkt, w którym pompa uzyskuje taka samą wysokość podnoszenia jak przy zerowej wydajności. Charakterystyka łączna dwu pomp pracujących równolegle (1 + 2) powstaje przez dodawanie wydajności przy tej samej wysokości podnoszenia.

Gdyby pompy były dobrane do układu w taki sposób, że punkt pracy pojedynczej pracującej pompy wypadał by przy wydajności mniejszej od wydajności w punkcie A (jak ma to miejsce na rys. 7 w przypadku bardziej stromej charakterystyki układu a) to włączenie drugiej pompy do pracy równoległej byłoby niemożliwe, gdyż wysokość podnoszenia pompy startującej od zerowej wydajności byłaby mniejsza od wysokości drugiej, pracującej aktualnie pompy.
Prawidłowy dobór polega na tym, że punkt pracy pojedynczej pracującej pompy wypada dla wydajności większej niż wydajność w punkcie A (jak ma to miejsce na rys. 7 w przypadku bardziej płaskiej charakterystyki układu b). Wtedy uruchomienie kolejnej pompy nie sprawia problemów.

Należy podkreślić, że ten drugi przypadek jest przypadkiem naturalnym, gdyż zakres optymalnej pracy pompy przypada zawsze w prawo od punktu A, i w związku z tym pompy tak powinny być dobierane. Tym niemniej, w przypadku nieprawidłowego doboru, przy pracy równoległej pomp o niestabilnych charakterystykach mogą wystąpić wspomniane problemy przy uruchomieniu.

Innym powodem, dla jakiego stosowanie pomp o stabilnej charakterystyce jest korzystne jest jednoznaczność zależności wysokości podnoszenia od wydajności. Upraszcza to w niektórych przypadkach algorytmy automatycznego sterowania pompami, gdyż na podstawie prostego pomiaru ciśnień można jednoznacznie ustalić aktualny punkt pracy pompy.

PODSUMOWANIE

Niestabilność charakterystyki jest naturalną cechą pomp o określonych kombinacjach parametrów odpowiadających niższym wyróżnikom szybkobieżności. Pompy na te parametry zbudowane w optymalny sposób, tzn. tak aby uzyskać najwyższe możliwe sprawności, posiadają z reguły niestabilne charakterystyki.

Istnieją sposoby likwidowania niestabilności charakterystyki ale prowadzą one zawsze do pogorszenia sprawności pompy.

Niestabilność charakterystyki dla pompy pracującej pojedynczo nie prowadzi w zasadzie do żadnych poważnych problemów. Stabilność charakterystyki ułatwia jedynie wprowadzenie automatycznego sterowania pracą pompy, lecz takie automatyczne sterowanie jest również możliwe dla pomp o charakterystyce niestabilnej (co powoduje jedynie pewne skomplikowanie algorytmu sterowania).

Przy pracy równoległej pomp o niestabilnych charakterystykach mogą pojawić się problemy, ale jedynie w przypadku nieprawidłowego doboru pomp do instalacji (praca pomp poza zakresem optymalnym). W przypadku prawidłowego doboru eksploatacja równolegle pracujących pomp o niestabilnych charakterystykach nie stanowi problemu.
W tej sytuacji stawianie wymogu stabilnej charakterystyki przy doborze i zakupie pomp nie zawsze znajduje uzasadnienie, gdyż wymóg ten w wielu przypadkach nic nie wnosi, a zawsze utrudnia dobór pompy o optymalnej sprawności.

Zdaniem autora wymóg stabilnej charakterystyki stawiany jest często nie na podstawie analizy rzeczywistych potrzeb, lecz na zasadzie kopiowania wcześniejszych specyfikacji. Praktyka taka prowadzi do strat energii i z tego powodu wymóg stabilnej charakterystyki powinien być stawiany jedynie wtedy, gdy jest naprawdę uzasadniony.

Dr inż. Grzegorz Pakuła