Monthly: marzec 2015

 I. Wprowadzenie.

Bezpieczeństwo wentylatorów pracujących w podziemnych zakładach górniczych można rozpatrywać w trzech aspektach:

1. Bezpieczeństwo obsługi.

Wentylator, jak każda maszyna, nie może stwarzać zagrożeń dla obsługi lub pracowników, którzy mogą znaleźć się w jego pobliżu. Typowe zagrożenie to niebezpieczeństwo zranienia przez elementy wirujące, niebezpieczeństwo poparzenia przez elementy o podwyższonej temperaturze, niebezpieczeństwo przygniecenia w wypadku utraty stateczności itp. Ogólne wymagania w tym zakresie zawiera Dyrektywa Maszynowa (UE 2006/42/WE),

2. Bezpieczeństwo pracy w warunkach zagrożenia wybuchem.

Wentylatory przeznaczone do pracy w przestrzeniach zagrożony6ch wybuchem, jak na przykład podziemne wyrobiska górnicze, oprócz ogólnych wymagań bezpieczeństwa muszą dodatkowo spełniać wymogi wynikające z Dyrektywy Atex, które sprowadzają się do tego, że wentylator nie może stać się źródłem zapłonu powodującego wybuch metanu lub pyłu węglowego, na skutek zaiskrzenia lub na skutek wysokiej temperatury któregoś z elementów konstrukcyjnych.

3. Skuteczność przewietrzania jako warunek bezpieczeństwa pracy załogi.

Wentylator nie tylko nie może sam stwarzać zagrożeń ale przede wszystkim musi spełniać swoją funkcję polegającą na przewietrzaniu wyrobisk górniczych, co ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa zakładu górniczego, gdyż ma zapewnić atmosferę pozbawioną substancji szkodliwych dla pracowników, a także substancji grożących wybuchem.

W praktyce o bezpieczeństwie wentylatorów decydują trzy podstawowe czynniki:

• Jakość konstrukcji
• Prawidłowy dobór do danego zastosowania
• Sposób prowadzenia eksploatacji

Czynniki te zostaną omówione poniżej, ze szczególnym uwzględnieniem kwestii konstrukcji.

II. Wpływ konstrukcji wentylatora na jego bezpieczeństwo.

Wymagania, jakie spełniać musi konstrukcja wentylatorów górniczych są przedmiotem licznych aktów prawnych. Najważniejsze z nich to:

• Ustawa prawo geologiczne i górnicze z lutego 1994 r. (Dz.U. Nr 27 poz.96 wraz z póź. zm.),
• Ustawa o systemie oceny zgodności z sierpnia 2002 r. (Dz.U. Nr 166 poz.1360 wraz z póź. zm.),
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 22 grudnia 2005 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (Dz.U. Nr 265 poz.2203 rok 2005) dyrektywa (UE 94/9/WE Atex),
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 października 2008 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla maszyn (Dz.U. Nr 19 poz. 1228 rok 2008) dyrektywa UE 2006/42/WE,
• Normy zharmonizowane (stopień szczegółowości A,B,C).

Dla wentylatorów głównego przewietrzania istotne są m.in. następujące normy:

• PN-EN 14968: 2007. Projektowanie wentylatorów stosowanych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.
• PN-G 50080: 1996. Wentylatory górnicze głównego przewietrzania kopalń.
• PN-EN 13643-1 2003. Urządzenia nieelektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem cz.1. Podstawowe założenia i wymagania.
• PN-EN 13643-5: 2005. Urządzenia nieelektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Ochrona za pomocą bezpieczeństwa konstrukcyjnego „c”.
• PN-G-04161: 2003. Wentylatory górnicze głównego przewietrzania. Badania podstawowych parametrów pracy.
• PN-EN 1127-1: 2009. Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem.
• PN-EN 60529: 2003. Stopnie ochrony zapewnionej przez obudowy (Kod IP).
• PN-G-50000: 2002. Ochrona pracy w górnictwie. Maszyny górnicze. Ogólne wymagania bezpieczeństwa i ergonomii.
• PN-93/N-01359. Wyważanie wirników sztywnych.
• PN-N-01358: 1990. Metody pomiarów i oceny drgań.
• PN-N-01307: 1994. Dopuszczalne wartości hałasu w środowisku pracy.

Zgodnie z dyrektywą Atex maszyny przeznaczone do pracy w atmosferze zagrożonej wybuchem klasyfikowane są w następujący sposób:

1. Grupa I – obejmuje maszyny do pracy w podziemnych zakładach górniczych. Dzielą się one na dwie kategorie:

a) Kategoria M1 – maszyny zdolne do pracy w atmosferze wybuchowej

b) Kategoria M2 – maszyny, które należy wyłączyć w przypadku wystąpienia atmosfery wybuchowej.

Należy zaznaczyć, że wentylatory z napędem elektrycznym są maszynami kategorii M1, gdyż zbudowanie ich w kategorii M1, czyli w sposób, który uniemożliwiłby bezpieczną prace w atmosferze grożącej wybuchem jest w praktyce niemożliwe ze względu na niemożliwe do wyeliminowania zagrożenia stwarzane przez silnik elektryczny.

2. Grupa II – urządzenia przeznaczone do pracy na powierzchni, które dzielą się na 3 kategorie. Nie będą one tu omawiane, gdyż są poza zakresem niniejszego referatu.

Ponadto, przepisy wprowadzają rozróżnienie na urządzenia elektryczne i urządzenia nieelektryczne. wentylatory zaliczane są do urządzeń nieelektrycznych (za wyjątkiem konstrukcji na stałe zintegrowanych z silnikiem elektrycznym), gdyż z punktu widzenia przepisów traktowane są one osobno w stosunku do elektrycznego silnika napędowego.

W przepisach wprowadza się też rozróżnienie na:

a) Maszyny budowy przeciwwybuchowej, czyli takie które są odporne na wybuchy i mogą kontynuować pracę po wystąpieniu wybuchu,

b) Maszyny nie posiadające budowy przeciwwybuchowej tzn. nie będące w stanie przetrwać wybuchu.

Budowa przeciwwybuchowa mylona bywa z tzw. budową iskrobezpieczną, która oznacza, że maszyna nie jest w stanie przetrwać wybuchu, lecz nie nie jest też jego powodem na skutek wytworzenia iskry elektrycznej.

W praktyce wentylatory nie posiadają budowy przeciwwybuchowej, gdyż zapewnienie im wymaganej przepisami odporności na wybuchy oznaczałoby komplikację i wzmocnienie konstrukcji niemożliwe do pogodzenia z ekonomiczną budową i eksploatacją.

Należy podkreślić, że z chwilą przyjęcia unijnego systemu oceny bezpieczeństwa maszyn nastąpiła istotna zmiana podejścia. Przed wejściem do UE dokumentacja maszyn przeznaczonych do zastosowania w podziemiach kopalń podlegała badaniu przed wydaniem dopuszczenia, czyli bezpieczeństwo wentylatora było badane i weryfikowane przez jednostkę niezależną od producenta.

W myśl przepisów unijnych w przypadku maszyn nieelektrycznych grupy I kategorii M2 producent we własnym zakresie potwierdza spełnienie wymagań poprzez wydanie deklaracji zgodności WE. Oznacza ona spełnienie wymagań norm przez ich bezpośrednie zastosowanie lub poprzez wykazanie, że wymagania są spełnione w inny sposób. Producent jest zobowiązany złożyć dokumentację maszyny w jednostce notyfikowanej. Dokumentacja ta nie jest badana przez stronę trzecią, lecz służy jedynie ewentualnemu ustaleniu winy producenta w przypadku powstania problemu. Wynika z tego, że użytkownicy powinni weryfikować renomę producenta. Nie można bowiem wykluczyć sytuacji, że niektórzy producenci mogą dokonywać oceny bezpieczeństwa produkowanych przez siebie maszyn w sposób mało rzetelny. Interwencja stron trzecich, np. Urzędów Górniczych polegająca na weryfikacji deklaracji składanych przez producenta w myśl obowiązujących zasad następuje dopiero po zaistnieniu poważnych awarii, wymagających ustalenia winnych.

Fakt występowania licznych (w tym wymienionych wyżej) norm, nie oznacza, że konstrukcja wentylatora wynika wprost z tych przepisów. Normy cechują się różnym stopniem szczegółowości, niektóre zawierają tylko ogólne wytyczne. Natomiast nawet normy zawierające szczegółowe wytyczne nie muszą być obecnie obowiązkowo stosowane. Jak wspomniano, producent może tych norm nie stosować, o ile we własnym zakresie wykaże, że cel w zakresie bezpieczeństwa stojący przed normą osiągnął w inny sposób.

Z powyższego wynika, że bezpieczeństwo wentylatora nie wynika wprost z obowiązujących przepisów, które zawierają raczej wymagania niż zalecenia w jaki sposób wymagania te spełnić. Bezpieczeństwo zależy w decydującym stopniu od konstrukcji wentylatora, która z kolei zależy głównie od doświadczenia i potencjału konstrukcyjnego producenta. O bezpieczeństwie wentylatora, (głównie o eliminacji zagrożenia spowodowania wybuchu) decydują m.in. następujące czynniki:

–  Wykonanie materiałowe (nieiskrzące pary materiałowe, brak zagrożenia przez gromadzenie się ładunków elektrostatycznych, odporność na korozję)

–  Ograniczona temperatura elementów zewnętrznych

–  Odpowiednie wymiary szczelin pomiędzy elementami stałymi i wirującymi

–  Sztywność i wyważenie elementów wirujących

–  Właściwy poziom drgań

–  Odporność konstrukcji na nieprzewidziane obciążenia

–  Osłony części wirujących

III. Wpływ sposobu eksploatacji na bezpieczeństwo wentylatorów.

Podobnie jak w przypadku każdej innej maszyny, jej bezpieczna praca wymaga stosowania się przez obsługę do zaleceń podanych przez producenta w instrukcji obsługi, dotyczących , m.in. sposobu zainstalowania, rozruchu i eksploatacji. Kwestia kultury technicznej obsługi ma w tym wypadku nawet większe znaczenie niż w przypadku innych maszyn górniczych, gdyż wentylatory zaliczające się do grupy maszyn wirujących są mniej odporne na niewłaściwy sposób eksploatacji niż prostsze maszyny.

Szczególne znaczenie ma sposób wykonywania remontów, którym muszą periodycznie podlegać wszystkie maszyny pracujące w trudnych warunkach występujących w podziemiach kopalń. Jak wspomniano na zakończenie poprzedniego punktu o bezpieczeństwie pracy wentylatora decydują liczne czynniki konstrukcyjne, które muszą być dotrzymane w trakcie remontu. Ze względu na złożoność wentylatora będącego skomplikowaną maszyną wirującą, dotrzymanie ich wymaga posiadania odpowiedniego wyposażenia oraz dostępu do dokumentacji technicznej. Z tego powodu, najlepszą z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy metodą przeprowadzenia remontu wentylatora jest zlecenie go producentowi.

Z punktu widzenia prawnego kwestię remontów wentylatorów górniczych reguluje par. 428 rozporządzenia z dn. 9.06.2006, który mówi:

„Maszyny, urządzenia i instalacje eksploatuje się, konserwuje i naprawia w sposób określony w dokumentacji techniczno-ruchowej”.

Ponadto, należy mleć na uwadze, że wentylatory wprowadzone do ruchu przed wejściem Polski do UE pracują do swojej śmierci technicznej na podstawie decyzji dopuszczeniowych prezesa WUG. W tym przypadku również obowiązuje par. 428. Dodatkowo, decyzje dopuszczeniowe zawierają na ogół wykazy dokumentacji, na podstawie których zostały wydane oraz nakaz aby po remoncie maszyna została przywrócona do stanu zgodności z dokumentacją, która stanowiła podstawę dopuszczenia.

IV. Właściwy dobór wentylatora jako podstawa bezpieczeństwa pracy.

Każdy wentylator posiada pewne parametry nominalne, na które został skonstruowany. Praca przy parametrach zbliżonych do nominalnych jest korzystna zarówno pod względem energetycznym, gdyż osiągane są wtedy najwyższe sprawności energetyczne, jak i pod względem ruchowym, gdyż wtedy praca jest stabilna i odbywa się przy najniższym poziomie wibracji oraz hałasu.

Parametry wentylatora opisuje jego charakterystyka przepływowa będąca zależnością przyrostu ciśnienia jakie wytwarza wentylator (tzw. sprężu) od wydajności. Teoretycznie, wentylator może pracować przy każdej kombinacji parametrów wynikającej z charakterystyki. W praktyce o punkcie pracy wentylatora decyduje jego współpraca z układem, w którym został zabudowany. Układ ten to trasa, którą przetłaczane jest powietrze. Może to być kanał wentylacyjny jak w przypadku wentylatorów lutniowych, lub cały przekrój wyrobiska jak w przypadku wentylatorów głównego przewietrzania. Układ taki również posiada swoją charakterystykę, która pokazuje zależność strat ciśnienia od przepływu, czyli pokazuje jaka różnica ciśnienia jest potrzebna do przetłoczenia przez układ określonej wydajności. O punkcie pracy wentylatora w układzie decyduje przecięcie jego charakterystyki z charakterystyką układu. Dobór wentylatora do układu jest optymalny jeśli przy wydajności zbliżonej do nominalnej wydajności wentylatora jego sprzęż równa się stratom ciśnienia w układzie. W praktyce wentylator nie zawsze pracuje w swoim punkcie nominalnym lecz w jego pobliżu. Istnieją dwa kryteria pozwalające na oceną na ile parametry pracy mogą się różnić od nominalnych:

a)       Kryterium energetyczne

b)      Kryterium statecznej pracy

Pierwszy warunek jest spełniony gdy w punkcie pracy wentylator ma wysoką sprawność, niewiele odbiegającą od maksymalnej sprawności występującej w punkcie nominalnym. W takim wypadku straty energetyczne zachodzące podczas przetwarzania mocy doprowadzonej do wentylatora od silnika na energię przekazywaną do przetłaczanego gazu są nieznaczne. Dopuszczalny pod względem energetycznym zakres parametrów wentylatora powinien być zaznaczony na jego charakterystyce, a wielkość tego obszaru zależy od możliwości regulacyjnych wentylatora.

Drugi warunek prawidłowego doboru wentylatora do sieci (wymóg statecznej pracy) wynika z tego, że większość wentylatorów nie ma charakterystyk spiętrzenia Ap (Q) monotonnie opadających ze wzrostem wydajności. W szczególności wentylatory osiowe i wentylatory promieniowe o łopatkach zagiętych do przodu mają charakterystyki z tzw. siodłem, względnie z punktem nieciągłości. Część monotoniczna takiej charakterystyki znajduje się w prawo od wierzchołka charakterystyki (czyli dla większych wydajności) i jest to zakres stabilnej pracy wentylatora. Jeśli charakterystyka wentylatora przecina się z charakterystyką sieci w lewo od wierzchołka charakterystyki, to może dojść do sytuacji, w której występuje więcej niż jeden punkt przecięcia charakterystyk, co oznacza że wentylator może pracować przy różnych kombinacjach parametrów, zmieniając je skokowo. Jest to tzw. „pompaż” cechujący się tym, że wentylator pracuje przy zmiennej wydajności i poborze mocy, czemu towarzyszy zwiększenie hałasu i wibracji. Na skutek tego następuje zwiększone obciążenie niektórych węzłów konstrukcyjnych wentylatora, co może doprowadzić do jego awarii. W praktyce zjawisko takie zachodzi gdy wentylator jest źle dobrany do sieci i na skutek zbyt niskiego sprężu pracuje w obszarze zbyt niskich wydajności. Sytuacja taka zagraża bezpieczeństwu zakładu górniczego po pierwsze z tego powodu, że wentylacja jest wtedy nieskuteczna, a po drugie na skutek niestatecznej pracy zwiększa się prawdopodobieństwo awarii wentylatora. Aby tego uniknąć, przyjmuje się że spręż wentylatora w punkcie pracy nie powinien przekraczać 90% sprężu maksymalnego.

V. Podsumowanie.

Wentylatory mają wpływ zarówno na bezpieczeństwo pracy obsługi, jak i na bezpieczeństwo całego zakładu górniczego poprzez potencjalne zagrożenie spowodowania wybuchu oraz brak skutecznego przewietrzania.

Celem eliminacji tych zagrożeń budowa wentylatorów musi być zgodna z obowiązującymi przepisami, co jest warunkiem koniecznym lecz nie wystarczającym, gdyż przepisy te nie są dość szczegółowe. Istotną rolę odgrywa doświadczenie i renoma producenta wentylatorów.

Bardzo istotny wpływ na bezpieczeństwo ma prawidłowy dobór wentylatora do układu, a także sposób jego eksploatacji, w tym szczególnie jakość prowadzonych remontów.

inż. Roman Pawlik

Kategorie kopalń.

Kopalnie, w których wstrzymano eksploatację można podzielić na dwie kategorie:

• kopalnie, w których przerwano eksploatację, lecz zachowano możliwość jej wznowienia w przyszłości,
• kopalnie likwidowane w sposób nieodwracalny.

Do pierwszej grupy należą zakłady, w których eksploatacja jest w danej chwili ekonomicznie nieopłacalna, lecz dysponujące znacznymi zasobami surowca, dostęp do którego zachowuje się na wypadek zmiany uwarunkowań ekonomicznych. W takiej sytuacji odwadnianie powinno odbywać się metodą taką samą jak dla kopalni pracującej, a zatem przy użyciu pomp stacjonarnych zainstalowanych w tradycyjnej pompowni.

Nie wymaga to inwestycji, poza ewentualną wymianą samych pomp w celu przystosowania ich do pracy z optymalną sprawnością w zakresie wydajności zmniejszonych o dopływy technologiczne.

Decyzja o nieodwracalnej likwidacji kopalni nie budzi wątpliwości w przypadku wyczerpania zasobów, natomiast w innej sytuacji wymaga rozwagi. Jeśli już decyzja taka zapadnie, można ją technicznie zrealizować na kilka sposobów:

• zasypanie szybu bez żadnego odwadniania (przypadek w artykule nie rozpatrywany),

• zasypanie szybu z jednoczesnym potraktowaniem go jako ujęcie wody. Oznacza to pozostawienie studni o niewielkiej średnicy i zastosowanie pomp głębinowych,

• zalanie szybu, przy czym poziom wody ulega znacznym wahaniom. W tym przypadku najłatwiej zastosować pompy głębinowe. Sytuacja, kiedy poziom wody w szybie zmienia się szybko w znacznym zakresie, w praktyce jest jednak mało prawdopodobna ze względu na znaczną pojemność zalanych wyrobisk. Poza tym. jeżeli już podejmuje się decyzję o odwadnianiu szybu, to po to, aby z pewnych względów kontrolować w nim poziom wody, a nie dopuścić do jego znacznych wahań,

• zalanie szybu, przy czym ustalony jest maksymalny, dopuszczalny poziom.

Potrzeba kontroli poziomu wody może wynikać z zachowania wyżej położonych poziomów wydobywczych, bądź z konieczności zapobiegania penetracji wody do sąsiednich, czynnych wyrobisk przez połączenia znajdujące się powyżej określonego poziomu,a także z powodu ochrony przed zalaniem terenów, które uległy obniżeniu w wyniku wieloletniej eksploatacji górniczej. Sytuacja taka prawdopodobnie w praktyce wystąpi najczęściej. Możliwe jest wtedy zastosowanie kilku rozwiązań technicznych omawianych w artykule.

Czynniki decydujące o wyborze systemu odwadniania:

Uwarunkowania ekonomiczno-prawne.
O wyborze konkretnego rozwiązania decyduje wiele względów. Oto niektóre z nich:
• koszt prac likwidacyjnych i wartość terenu na powierzchni,
• sytuacja hydrogeologiczna, w tym szczególnie bezpieczeństwo sąsiednich czynnych kopalń oraz zagrożenie zalaniem
terenów na powierzchni, obniżonych w wyniku wieloletniej eksploatacji górniczej,
• możliwość i potrzeba wykorzystania wód kopalnianych do celów komunalnych
i wpływ likwidacji kopalni na ich jakość (możliwość skażenia substancjami toksycznymi znajdującymi się w zalewanych wyrobiskach),
• możliwość i potrzeba wykorzystania nieczynnych wyrobisk jako składowiska odpadów,
• kwestie prawne, w tym pytanie, jak z punktu widzenia przepisów górniczych jest traktowany zalewany szyb.

Decyzja o wyborze systemu odwadniania likwidowanej kopalni powinna być poprzedzona dyskusją obejmującą co najmniej powyższe aspekty, a nie ograniczoną do wycinków problemu.

Uwarunkowania z zakresu techniki pompowej.
Odwadnianie kopalń prowadzi się z reguły przy pomocy pomp odśrodkowych. Teoretycznie możliwe jest zastosowanie pomp wyporowych, np. przeponowych, które uzyskują wysokie sprawności energetyczne. Pompy wyporowe cechują się jednak dużymi gabarytami i masą, co stawia pod znakiem zapytania możliwość ich zabudowy i obsługi w szybie nieczynnej kopalni. Ponadto cena pomp wyporowych i nakłady na ich instalację są o wiele wyższe niż dla pomp odśrodkowych. Przy stosunkowo niewielkich wysokościach podnoszenia, z jakimi mamy do czynienia w nieczynnych kopalniach, ewentualne korzyści energetyczne nie uzasadniają tak znacznego wzrostu nakładów inwestycyjnych.

Z tych powodów w praktyce należy rozważać jedynie zastosowanie pomp odśrodkowych. W teorii pomp używa się pojęcia wyróżnika szybkobieżności, który ujmuje zależność pomiędzy prędkością obrotową, wydajnością i wysokością podnoszenia ze stopnia pompy odśrodkowej. Niższy wyróżnik oznacza niższą prędkość obrotową, niższą wydajność bądź wyższą wysokość podnoszenia ze stopnia.

Doświadczenia konstrukcyjne wskazują, że wartość wyróżnika określa optymalne proporcje i kształt wirnika pompy, a także możliwe do uzyskania sprawności. Optimum występuje dla tzw. pomp średniobieżnych, natomiast zarówno dla niższych, jak i wyższych od optymalnej wartości wyróżnika osiągane sprawności są gorsze.

W przypadku, gdy w pompowanej cieczy występują ciała stałe, stosuje się niższe wyróżniki szybkobieżności ze względu na trwałość, bowiem przy większych prędkościach obrotowych elementy pompy (szczególnie krawędzie wlotowe łopatek oraz pierścienie uszczelniają-ce) ulegają przyspieszonemu zużyciu. Dlatego, a także w celu uzyskania lepszych własności ssawnych, tradycyjne pompy głównego odwadniania, przystosowane do pompowania wody zanieczyszczonej, konstruowane są jako wolnobieżne, co oznacza obniżenie sprawności w stosunku do możliwego optimum. Z kolei pompy głębinowe konstruuje się tak, aby uzyskać minimalną średnicę zewnętrzną, gdyż pozwala to na minimalizację kosztów drążenia studni. Oznacza to przyjęcie wyróżnika szybkobieżności wyższego niż optymalny, wraz z wynikającym z tego obniżeniem sprawności. Ponadto, do napędu pomp głębinowych stosu¬je się silniki „mokre”, które mają sprawności niższe od tradycyjnych silników elektrycznych, co wynika, między innymi, z oporów, jakie napotyka wirnik w cieczy.

Wynika z tego, że z energetycznego punktu widzenia do odwadniania nieczynnych kopalń, gdzie nie występują w wodzie cząstki stałe, i gdzie nie ma ograniczenia średnicy pompy, należy stosować pompy o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, cechujące się sprawnościami lepszymi zarówno od tradycyjnych pomp górniczych, jak i od pomp głębinowych.

Ponadto, trzeba wziąć pod uwagę straty energetyczne w rurociągach. Stosowanie pomp głębinowych opuszczanych na rurociągu z powierzchni powoduje konieczność ograniczenia średnicy rurociągu, ze względu na ciężar i koszt. Powoduje to zwiększenie strat przepływu w rurociągach, w porównaniu z innymi sposobami odwadniania, które pozwalają na wykorzystanie istniejących rurociągów o większych średnicach.

W celu zminimalizowania kosztów eksploatacji pompy stosowane do odwadniania likwidowanej kopalni powinny umożliwiać zautomatyzowaną pracę bez dozoru. Wyklucza to w zasadzie stosowanie takich rozwiązań jak uszczelnienia dławnicowe, tarcze odciążające lub łożyska ślizgowe smarowane olejem, gdyż wymagają one stosunkowo częstej regulacji i obsługi.

Fot. 1. Pompa zasilająca zatapialna dużej wydajności.

 Inne uwarunkowania techniczne.

Pompowana woda podziemna, będzie wodą z minimalną zawartością zanieczyszczeń stałych, oraz o składzie chemicznym właściwym dla wód rozpatrywanej kopalni. Wartości dopływu w stosunku do kopalni pracującej zmniejszą się nie tylko o ilości wody technologicznej, lecz także stosownie do podniesienia poziomu wody w szybie.

Ze względu na przepisy bezpiecznego prowadzenia eksploatacji szybu (studni) należy przyjąć, że w szybie będą musiały być prowadzone rewizje kontrolne oraz że w szybie nie będą się mogły zbierać gazy wybuchowe i trujące w stężeniach zagrażających życiu ludzkiemu lub mogących spowodować wybuch. W związku z tym szyb będzie musiał być wyposażony w układy: wentylacyjny i kontrolujący stężenie gazów.

Konieczność przeprowadzenia rewizji kontrolnej szybu wymaga zabudowy stałego lub przenośnego urządzenia do jazdy ludzi. Na każdym odwadnianym szybie konieczne również będzie zabudowanie stałego lub przenośnego urządzenia do opuszczania układów pompowych (zespołów pompowych, rurociągów itp.). Rodzaj, a tym samym cena tych urządzeń będzie zależeć od przyjętego rozwiązania.

Analiza porównawcza możliwych sposobów odwadniania likwidowanych kopalń.
W praktyce wahania poziomu wody będą najczęściej nieznaczne. Możliwe będzie, zatem zastosowanie zarówno pomp głębinowych, jak i stacjonarnych napędzanych silnikami „suchymi”.

Odwadnianie pompami głębinowymi.
Zalety pomp głębinowych to niewrażliwość na niekontrolowane zmiany poziomu wody i bez- obsługowa praca. Natomiast do wad należą:
• nie najwyższe sprawności pomp i silników głębinowych,
• wysokie nakłady inwestycyjne (pompy, silniki i rurociągi),
• drogie części zamienne oraz wysokie koszty przeglądów i remontów maszyn importowanych w kompletach,
• skomplikowana budowa niektórych konstrukcji pomp głębinowych
oraz silników, co wydłuża czas przeglądów oraz remontów,
• utrudniony dostęp do serwisu.

Zabudowa pomp głębinowych polega na zawieszeniu ich na rurociągu tłocznym, zwykle opuszczanym w głąb szybu z powierzchni – rysunek 1.

Dodatkowe wady takiego rozwiązania to:
• duże ciężary opuszczanych i podnoszonych układów pompowych,
• utrudniony dostęp do sprzętu dźwigowego do opuszczania i podnoszenia układów pompowych oraz kabli zasilających i wysokie koszty z tym związane,
• duże straty energetyczne w rurociągach, które ze względu na koszt i ciężar mają mniejsze średnice niż rurociągi stacjonarne w szybie,
• wszelkie, nawet najdrobniejsze, prace obsługowe wymagają podniesienia pompy wraz z silnikiem na powierzchnię, co wiąże się z koniecznością demontażu całego rurociągu tłocznego, przewidywane trudności w demontażu rurociągów, w obecności rozpuszczonych substancji chemicznych w wodzie, utrudniające operację podnoszenia pomp do przeglądu,
• brak zamocowania rurociągu w szybie, co sprzyja powstawaniu drgań.

Wady z tej grupy można wyeliminować podwieszając pompy głębinowe na krótszych rurociągach pod pomostem w głębi szybu i wykorzystując istniejące rurociągi tłoczne – rysunek 2.

Rysunek 1.                              Rysunek 2.

Odwadnianie pompami stacjonarnymi.

Ponieważ w kopalni, w której wstrzymano eksploatację w wodzie nie będą występować w większych ilościach zanieczyszczenia mechaniczne, do odwadniania można zastosować pompy stacjonarne o optymalnym wyróżniku szybkobieżności i nowoczesnej konstrukcji pozwalającej na bezobsługową pracę.

Zalety pomp stacjonarnych to:
• najwyższe sprawności energetyczne,
• bezobsługowa praca,
• niskie ciężary zespołu pompowego dopuszczające stosowanie urządzeń transportowych o średnich udźwigach,
• przystępna cena pomp i silników (szczególnie w przypadku pomp i silników krajowych),
• prosta i niezawodna konstrukcja,
• dostępny i niezbyt kosztowny, krajowy serwis,
• niewielkie straty energetyczne w rurociągach,
• łatwy montaż i demontaż zespołów pompowych.

Pompy stacjonarne mogą występować w kil¬ku wariantach, przy czym wymienione wyżej zalety są wspólne dla każdego z nich.
Poniżej omówiono podstawowe warianty zabudowy pomp stacjonarnych, zwracając uwagę na związane z nimi wady.

Pompy wałowe.

Na pomoście w szybie można zainstalować pio­nowy agregat pompowy, w którym silnik zabu­dowany jest ponad pomostem, a pompa zanu­rzona w wodzie – rysunek 3. Całość podłączona jest do istniejącego w szybie rurociągu tłocznego.

Wadą pomp wałowych są koszty zakupu wyższe niż dla poziomych pomp stacjonarnych, (szczególnie dla większych długości wału pom­py), bardziej skomplikowane i kosztowne prze­glądy oraz remonty, a także mały zakres do­puszczalnego wahania poziomu wody, ograni­czony długością wału.

Na pomoście zabudowanym w szybie moż­na zainstalować pompę w układzie pionowym –    rysunek 4, o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, pozwalającym na uzyskanie wysokich sprawności energetycznych. Zespół pompowy pracujący na pomoście zasilany jest przez pompę zatapialną, co eliminuje konieczność zalewania agregatu przed uruchomieniem, oraz pozwala na znaczne wahania poziomu wody. Pompa tłoczy wodę przez istniejący rurociąg.

Do wad takiego rozwiązania należy zaliczyć koszt silnika kołnierzowego, wyższy niż dla silnika poziomego oraz nieco niższą sprawność pompy zasilającej, która ponadto stanowi o jedno urządzenie więcej w łańcuchu nieza­wodnościowym.

Pompy stacjonarne poziome zbudowane na pomoście w szybie z pompą zasilająca (zatapialną). Jeżeli w szybie istnieje wystarczająca ilość miejsca, na pomoście można zainstalować pompę w układzie poziomym – rysunek 5, o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, zasilaną przez pompę zatapialną i podłączoną do istniejącego rurociągu tłocznego.

Wadą jest to, że układ poziomy pomp wymaga więcej miejsca do montażu na pomoście (ograniczeniem są wymiary szybu). Zastosowanie pompy zasilającej ma dobre i złe strony jak w poprzednim przypadku.

Rysunek 3.                                              Rysunek 4.                                 Rysunek 5.                             Rysunek 6.

Pompy stacjonarne poziome zabudowane we wnęce przy szybie z pompą zasilająca (zatapialną).

Odmianą ostatniego wariantu może być zabu­dowanie poziomej pompy stacjonarnej we wnę­ce przy szybie – rysunek 6, zamiast na pomoście. Jest to szczególnie korzystne, jeśli wnęka taka istnieje. W przeciwnym przypadku wadą jest koszt jest wykonania.

W trzech ostatnich wariantach można zre­zygnować z zastosowania pompy zasilającej. Ogranicza to jednak zakres wahania poziomu wody do kilku metrów i utrudnia rozruch pom­py ze względu na konieczność zalania w przy­padku nieszczelności zaworu stopowego.

Odwadnianie z istniejącej pompowni głównej z pompami zatapialnymi zasilającymi chodniki wodne.

W przypadku, gdy powyżej oczekiwanego po­ziomu wody w zalanym szybie istnieje pom­pownia, można ją wykorzystać, podając wodę do chodników wodnych pompą zatapialną. Ewentualnie, pompę z istniejącej pompowni można przenieść do wnęki przy szybie, położonej w pobliżu oczekiwanego poziomu wody – rysu­nek 7.

Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt in­westycyjny oraz zastosowanie pomp dostoso­wanych do pracy w trudnych warunkach gór­niczych. Wadą wykorzystania istniejących pomp jest to, że posiadają one sprawności energetyczne niższe niż pompy konstruowane z myślą o pom­powaniu wody czystej, a także to, że wymagają one obsługi w trakcie pracy oraz częstszych prze­glądów.

Rysunek 7.

Analiza techniczno-ekonomiczna.

Wymienione powyżej warianty nie wyczerpują wszystkich możliwości rozwiązania problemu odwadniania likwidowanych kopalń. Każdy indywidualny przypadek będzie się różnić, ze względu na parametry pompowania (dopływ i wysokość podnoszenia) oraz stan istniejącej infrastruktury. Zawsze będzie to jednak sytuacja jakościowo inna niż dla nowej inwestycji. Z oczy­wistych względów należy dążyć do wykorzysta­nia istniejących urządzeń, na przykład rurocią­gów bądź całych pompowni, co z jednej strony ogranicza nakłady inwestycyjne, a z drugiej obniża koszt prac likwidacyjnych.

Każdy przypadek przed podjęciem decyzji o wyborze sposobu odwadniania wymaga prze­prowadzenia analizy techniczno-ekonomicznej. Punktem wyjściowym powinno być ustalenie parametrów pompowania, co nie jest zagad­nieniem prostym, gdyż nie zawsze da się łatwo przewidzieć jak zmienią się dopływy wody po zaprzestaniu eksploatacji. Także wybór pozio­mu wody, jaki ma być utrzymywany w szybie wymaga przeanalizowania wielu czynników. Należy podkreślić, że utrzymywanie zdolności do odwadniania przy szerokiej zmienności parametrów nie zawsze jest celowe. Ewentualne krótkotrwałe zmiany dopływów, wynikające na przykład ze zwiększonych opadów atmosferycz­nych można kompensować zmianą liczby go­dzin pompowania na dobę. Natomiast, jeśli przewiduje się, że zmiana parametrów może nastąpić w perspektywie kilku lat, to ekono­micznie uzasadnione jest wykonanie w odpo­wiednim czasie modernizacji układu zamiast długotrwałego pompowania przy parametrach odbiegających od optymalnych.

Analiza ekonomiczna powinna uwzględniać trzy zasadnicze składniki:

• koszt inwestycyjny,
• koszt energii elektrycznej,
• pozostałe koszty eksploatacji, głównie koszty obsługi i remontów.

Koszty ponoszone w kolejnych latach po­winny zostać zdyskontowane, co oznacza, że największy wpływ na wynik analizy posiadają koszty ponoszone w pierwszych kilku latach. Analiza techniczno-ekonomiczna może dać różne wyniki dla indywidualnych przypadków. Można jednak sformułować wnioski obowią­zujące w każdej sytuacji:

• koszt inwestycyjny dla agregatów głębinowych jest zawsze wyższy niż dla pomp z silnikami „suchymi”, co wynika z bardziej złożonej budowy. W przypadku pomp głębinowych z importu nakłady inwestycyjne są szczególnie wysokie w porównaniu ze stacjonarnymi pompami krajowymi,

• pompy głębinowe mają niższe sprawności energetyczne niż pompy stacjonarne   optymalnym wyróżniku szybkobieżności napędzane silnikami „suchymi”. Wobec tego zwiększone nakłady inwestycyjne na zakup pomp głębinowych nie zwrócą się z tytułu niższych kosztów energii elektrycznej, lecz przeciwnie, koszty te dla pomp głębinowych będą wyższe,

• w zakresie pozostałych kosztów eksploatacji pompy głębinowe także nie wykazują przewagi nad pompami stacjonarnymi. Nowoczesne pompy stacjonarne mogą osiągać okresy między przeglądami remontami równie długie jak pompy głębinowe, natomiast koszt remontu pompy głębinowej i silnika do jej napędu jest zawsze wyższy niż koszt remontu pompy z silnikiem „suchym”,

• dla pomp głębinowych opuszczanych na rurociągu ze zrębu szybu dużą niedogodnością jest to, że wszelkie, nawet najdrobniejsze prace obsługowe wymagają podnoszenia pompy na powierzchnię, co wiąże się z koniecznością kosztownego demontażu całego rurociągu tłocznego i kabli zasilających, koszty związane z utrzymywaniem infrastruktury szybu niewiele różnią się dla pomp głębinowych i stacjonarnych. W obu przypadkach wymagane jest przewietrzanie szybu. Pompy stacjonarne nie wymagają utrzymywania maszyn wyciągowych, które można zastąpić prostszymi urządzeniami do jazdy ludzi. Urządzenia takie powinny być stosowane także w przypadku stosowania pomp głębinowych, w celu umożliwienia inspekcji stanu szybu,

• nie należy wykluczać wykorzystania do odwadniania kopalń likwidowanych istniejących dotychczas w kopalniach pomp głównego odwadniania. Rozwiązanie takie cechuje się bardzo niskimi nakładami inwestycyjnymi. Koszty eksploatacji istniejących pomp głównego odwadniania będą oczywiście wyższe od kosztów eksploatacji nowoczesnych pomp do wody czystej, ze względu na wymaganą obsługę i niższe sprawności. Może się jednak okazać, że w niektórych przypadkach będzie to rozwiązanie najtańsze.

Podsumowanie i wnioski.

Sposób postępowania z kopalniami, w których wstrzymano wydobycie jest problemem o po­ważnych skutkach finansowych. Ponieważ środ­ki na restrukturyzację górnictwa pochodzą w znacznej części z budżetu państwa, jest to także problem o znaczeniu ogólnonarodowym. Pod względem technicznym jest to problem multidyscyplinarny obejmujący wiele specjalno­ści związanych z górnictwem. Należy ubolewać, że przy próbach jego rozwiązania pomija się instytucje i firmy posiadające największe do­świadczenie w dziedzinie odwadniania kopalń.

Jak wykazano wyżej, technicznych sposo­bów odwadniania nieczynnych kopalń jest wiele. Preferowanie niektórych z nich na pod­stawie niejasnych kryteriów jest nieracjonalne. Należy przeprowadzić głęboką analizę, która umożliwi wypracowanie założeń dla właściwej praktyki. Dopiero na tej podstawie należy for­mułować specyfikacje przetargowe dla poszcze­gólnych instalacji, a nie narzucać z góry pewne rozwiązania bez należytego uzasadnienia tech­niczno-ekonomicznego.

Jeżeli w wyniku postulowanej powyżej ana­lizy powstaną i zostaną ogłoszone przejrzyste reguły wyboru optymalnych rozwiązań w zakre­sie odwadniania nieczynnych kopalń, to zarów­no POWEN, jak również inni krajowi produ­cenci, będą w stanie zaoferować konkretne pompy bądź spośród tych, które obecnie znaj­dują się w ofercie produkcyjnej albo w trakcie projektowania, bądź specjalnie skonstruowane przy uwzględnieniu sformułowanych wymagań.

mgr inż. Stanisław Perchał

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w numerze 3 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Założenia konstrukcyjne.

Fabryka Pomp POWEN w przeszłości produ­kowała głównie pompy przeznaczone do trud­nych zastosowań, takich jak pompowanie wód kopalnianych i hydrotransport mieszanin zawie­rających znaczne ilości ciał stałych.

W przypadku pomp o takim przeznaczeniu zazwyczaj najważniejszym kryterium kon­strukcyjnym jest odporność na niekorzystne warunki pracy, a inne względy, takie jak gabary­ty, lub nawet do pewnego stopnia sprawność, odgrywają mniejszą rolę. Z tego powodu zakres stosowania tego typu pomp poza przemysłem ciężkim jest ograniczony.

Ponieważ zapotrzebowanie na pompy dla przemysłu ciężkiego wykazuje tendencje spad­kowe Fabryka Pomp POWEN przed kilku laty podjęła prace nad skonstruowaniem typosze­regów pomp, przeznaczonych do łatwiejszych zastosowań, takich jak pompowanie czystej, zimnej wody. Potencjalne zastosowania takich pomp to przede wszystkim instalacje wodocią­gowe oraz przemysłowe obiegi wody chłodzącej.

Przed przystąpieniem do prac konstrukcyj­nych przeprowadzono badania rynku mające na celu, oprócz określenia pola wymaganych parametrów pracy, również ustalenie, jakie cechy pomp są dla użytkowników najistotniej­sze. Dzięki uprzejmości naszych potencjalnych odbiorców, przede wszystkim pracowników firm wodociągowych, którzy znaleźli czas aby odpowiedzieć na opracowaną przez nas ankietę, udało się sprecyzować szczegółowe wymagania użytkownika. Wyniki nie zawierają w zasadzie żadnych niespodzianek. Każdy doświadczony konstruktor jest oczywiście w stanie z góry przewidzieć, czego od pompy może oczekiwać użytkownik. Badanie rynku natomiast pozwo­liło na ustalenie hierarchii tych oczekiwań. Jak wynika z uzyskanych odpowiedzi w przypadku pomp wodociągowych zdecydowanie najwyżej stawiane są trzy kryteria:

• niezawodność pracy i zdolność pompy do pracy bezobsługowej,
• wysoka sprawność energetyczna,
• umiarkowana cena.

W drugiej grupie, pośród kryteriów rzadziej wymienianych, lecz również istotnych znalazły się:

• dostępność serwisu i części zamiennych,
• hałas generowany przez pompę.

Z badań wynika, że użytkownicy stosunkowo mało uwagi przywiązują do gabarytów pomp oraz do ogólnej estetyki ich wyglądu.

W pierwszej kolejności opracowano typo­szereg monoblokowych pomp jednostopniowych, gdyż, jak wynika z badań rynku, pompy tego typu są w stanie obsłużyć przeważająca część pola wymaganych parametrów.

W trakcie prac konstrukcyjnych uwzględ­niono wszystkie powyższe postulaty użytkowni­ków. Elementem pompy, który wymagał naj­częstszej obsługi, była zwykle dławnica sznuro­wa. W nowym typoszeregu przyjęto założenie, że stosowane będą wyłącznie uszczelnienia mechaniczne, a na zainstalowanie dławnicy nie przewidziano miejsca. Dało to dodatkową korzyść w postaci zwartej konstrukcji i minimal­nego wysięgu wału, co eliminuje potencjalne problemy z drganiami pompy.

Innym zagadnieniem, mogącym powodować problemy z niezawodnością, jest przeniesienie siły osiowej. Dla przykładu, stosowanie tradycyj­nych otworów odciążających jest skuteczne tyl­ko, dopóki występuje odpowiednie dławienie na szczelinach ograniczających przepływ przez otwory. Jeśli, na skutek zużycia, wymiary szcze­lin dławiących powiększają się, nie tylko wzra­stają straty hydrauliczne, ale również spada skuteczność odciążenia na skutek wzrostu ci­śnienia za wirnikiem. Z tego powodu, po doko­naniu testów, w nowym typoszeregu zdecydo­wano się przenieść siłę osiową w całości na łożyskach tocznych silnika.

Należy podkreślić współpracę ze strony pro­ducenta silników – Celmy Cieszyn, który do­konał odpowiedniej modyfikacji łożyskowania. Przeniesienie siły osiowej przez łożyska toczne nie tylko eliminuje problemy z niezawodnością, ale również nie powoduje pogorszenia spraw­ności, jakie towarzyszy innym sposobom od­ciążenia.

Pompy monoblokowe nowego typoszeregu, dzięki swojej konstrukcji, nie wymagają żad­nych zabiegów obsługowych pomiędzy okre­sowymi przeglądami, poza nieuniknionymi czynnościami związanymi z rozruchem, takimi jak zalewanie i odpowietrzanie.

W celu uzyskania wysokiej sprawności pa­rametry pomp zostały tak dobrane, aby znaj­dowały się w pobliżu optymalnej wartości wy­różnika szybkobieżności. Początkowo zakłada­no opracowanie, przy współpracy specjalistów z Politechniki Śląskiej i Wrocławskiej, całego typoszeregu nowych układów przepływowych.

Program ten został częściowo zrealizowany, jednak sytuacja uległa zmianie po utworzeniu grupy kapitałowej obejmującej oprócz Fabryki Pomp POWEN również Warszawską Fabrykę Pomp i Armatury oraz Świdnicką Fabrykę Pomp. WFPiA oraz ŚFP dysponowały już ukła­dami przepływowymi o odpowiednich parame­trach i wysokiej sprawności (np. pompy typo­szeregów A oraz CH). Typoszeregi te są jednak przewidziane do pracy w trudniejszych zasto­sowaniach (woda gorąca, chemikalia) i z tego powodu posiadają własne łożyskowanie i bar­dziej rozbudowany system uszczelnienia wału. Na skutek tego, przy zastosowaniu do czystej, zimnej wody, są mniej konkurencyjne cenowo. Zastosowanie istniejących układów hydrau­licznych do pomp monoblokowych pozwoliło na przyspieszenie prac nad typoszeregiem i uła­twiło spełnienie kolejnego postulatu użytkowni­ków – uzyskanie umiarkowanej ceny. Nowy typoszereg otrzymał oznaczenie ON. Pełna nazwa pompy obejmuje jeszcze średnicę króć­ca tłocznego w milimetrach oraz dwie dodat­kowe litery. Ostatnia litera B oznacza pompę monoblokową, a przedostatnia typ układu przepływowego, różniący się parametrami (np. ON-200BB, ON-200CB, ON-150BB). Ponie­waż możliwe jest wykorzystanie praktycznie wszystkich istniejących w grupie kapitałowej układów przepływowych do budowy pomp monoblokowych, typoszereg obejmuje co naj­mniej pole pracy warszawskiego typoszeregu A, poszerzone o dodatkowe typowielkości ze Świdnicy i Zabrza.

Parametry pompy ON-200BB.

Jako przykład omówione zostaną parametry pompy ON-200BB (rys. 1), która posiada nowy, opracowany od podstaw układ przepływowy. Został on poddany bardzo szerokiemu pro­gramowi badań. Parametry nominalne wynoszą: wydajność 550 m³/h, wysokość podnoszenia 38 m, prędkość obrotowa 1480 obr/min, co daje wyróżnik szybkobieżności około 38, zbliżo­ny do optymalnego.

Maksymalna sprawność pompy w wersji standardowej wynosi 84%. Badania wykazały, że stosując pokrycia standardowych odlewów preparatami zwiększającymi gładkość można uzyskać dalszy wzrost sprawności rzędu 2-3%. Pompa ON-200BB cechuje się korzystną, pła­ską charakterystyką sprawności, dzięki czemu posiada bardzo szerokie pole efektywnej pracy. Na rys. 2 przedstawiono pole, w którym pom­pa pracuje ze sprawnością powyżej 80%. Wy­kres powstał w wyniku badań wirników o za­kresie średnic zewnętrznych od 300 do 369 mm. Zmienność parametrów oczywiście moż­na z równym powodzeniem zrealizować przez regulację prędkości obrotowej.

Podstawowa wersja pompy zblokowana jest z silnikiem o mocy 75 kW. Dla średnic zewnętrznych wirnika zredukowanych poniżej 340 mm możliwe, a nawet wskazane, jest za­stosowanie silnika o mocy 55 kW, co wymaga jedynie zmiany konstrukcji ramy.

Pompa ON200BB posiada bardzo dobre właściwości ssawne. Wymagane NPSH jest rzę­du 4 metrów. Dzięki prawidłowo zaprojektowa­nej hydraulice pompa pracuje cicho – zmie­rzony poziom hałasu na stanowisku pracy nie przekracza 53 dB i jest niższy od hałasu powodowanego przez silnik elektryczny.

Wersje rozwojowe.

Udany układ przepływowy pompy ON-200BB został już wykorzystany w innych konstrukcjach. Opracowana została pompa zatapialna o takich samych parametrach (wydajność 550 m³/h, wysokość podnoszenia 38 m, prędkość obro­towa 1480 obr/min, moc silnika 75 kW) oraz pompa wielostopniowa, która przy tej wydajno­ści osiąga wysokość podnoszenia do 230 me­trów. Te nowe, ciekawe konstrukcje zostaną zaprezentowane czytelnikom „Pomp-Pompowni” w osobnym artykule.

Pompa ON-200BB na życzenie odbiorcy może być wyposażona w układ monitoringu i diagnostyki, który rejestruje parametry pracy i automatycznie reaguje w przypadku niepra­widłowości w pracy.

Pompa ON-200BB po przejściu badań sto­iskowych na fabrycznej stacji prób doczekała się już zastosowań na rzeczywistych stanowi­skach pracy. Jednym z pierwszych było odwad­nianie rozlewiska, jakie tworzy się w trakcie intensywnych opadów na dnie odkrywki kopalni węgla brunatnego. Rozlewisko to jest trudne do odpompowania przy użyciu głównego, sta­cjonarnego systemu odwadniania. Specjaliści z KWB „Bełchatów” opracowali koncepcję pomp pływających na pontonach, połączonych z ela­stycznymi rurociągami (fot. 1 i 2). Wlot do pom­py znajduje się pod powierzchnią zwierciadła, co eliminuje problemy z zalewaniem i odpowie­trzaniem w trakcie rozruchu. Pompy ON-200 okazały się odpowiednie do takiego zasto­sowania, zarówno pod względem parametrów jak i gabarytów i pracują od wiosny 2001 roku.

Zastosowano dwie odmiany pompy (ON- 200BB i ON-200FB) różniące się wysokością podnoszenia (40-70 m), a co z tego wynika, również mocą silnika.

Pompy okazały się odporne na zanieczysz­czenia występujące w wodzie deszczowej. Ten oryginalny sposób zabudowy pompy (pokazany na zdjęciu w trakcie prób w base­nie) zasługuje na szerszą popularyzację, gdyż wydaje się możliwy do zastosowania na przy­kład w celu odwadniania rozlewisk w trakcie akcji powodziowych.

Dr inż. Grzegorz Pakuła.

Artykuł został opublikowany w numerze 3 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2002.

Komentarz autora:

„Artykuł napisany został w roku 2002, kiedy prace nad rozwojem typoszeregu ON trwały. Od tego czasu typoszereg został znacznie rozbudowany i obecnie obejmuje 10 typowielkości pokrywających obszar pracy pokazany na poniższym rysunku. Moce silników znajdują się w zakresie 11 – 160 kW. Pompy ON znalazły zastosowanie głównie w odwadnianiu powierzchniowym kopalń odkrywkowych. Najbardziej popularne są pompy z grupy ON-200 o wydajności nominalnej rzędu 500 m³/h i wysokości podnoszenia ( w zależności od typu) 30-80 m. Znane są zastosowania pomp ON w innych gałęziach przemysłu. Typoszereg ten posiada potencjał na dalsze, znaczne rozszerzenie zastosowań gdyż łączy niezawodność z umiarkowaną ceną.”

Rys. 1. Pole pracy pomp typoszeregu ON.

Pompowanie mediów silnie zanieczyszczonych i agresywnych

Technika pompowania za pomocą pomp zatapialnych została zapoczątkowana przez firmy skandynawskie. W 1948 r. wykonano pierwsze pompy do pracy przy całkowitym zanurzeniu. Historię pomp zatapialnych w polskim przemyśle pompowym zapoczątkowała Zabrzańska Fabryka Maszyn Górniczych, obecnie POWEN S.A. W 1952 r. w dawnej Zabrzańskiej Fabryce Maszyn Górniczych uruchomiono produkcję pomp zatapialnych typu EW-50 (rys. 1), przeznaczonych dla górnictwa i spełniających wymogi wówczas obowiązujących przepisów górniczych.

Rysunek 1. Pompa EW-50.

Pompy zatapialne były pierwotnie wyko­rzystywane tylko dla celu odwadniania. Następ­nie zakres ich zastosowań rozszerzył się o go­spodarkę ściekową, aby potem znaleźć zastoso­wanie również w procesach technologicznych w przemyśle. Stało się to możliwe dzięki rozsze­rzeniu produkcji pomp zatapialnych, stosowa­niu różnorodnych układów przepływowych i materiałów konstrukcyjnych, oraz wykorzy­stywaniu postępu technicznego w wielu dzie­dzinach, m.in. w branży uszczelnień mecha­nicznych i silników elektrycznych. Wszystko to wpłynęło na konstrukcje pomp zatapialnych do tego stopnia, że zaczęły one wypierać do­tychczas stosowane pompy stacjonarne.

POWEN S.A. wykorzystując swoje kilku­dziesięcioletnie doświadczenie przy konstru­owaniu, produkcji i eksploatacji pomp zatapialnych (w górnictwie i poza górnictwem), pomp stacjonarnych do cieczy silnie zanieczy­szczonych (szlamowych), opracował i wdrożył do produkcji typoszeregi pomp zatapialnych przeznaczone do trudnych warunków pracy.

Warunki pracy uznawane za trudne występują m.in. przy pompowaniu:

• mieszanin ciał stałych i cieczy o dużej gęstości właściwej (do 1700 kg/m³ ) i dużej (do 50%) zawartości ciał stałych w cieczy,
• ścieków nieoczyszczonych (surowych),
• cieczy silnie zasolonych,
• cieczy z zanieczyszczeniami ropoochodnymi.

Procesy pompowania tych mediów występują w szczególności w takich branżach jak:

• Energetyka – w hydrotransporcie żużla i popiołu,
• Gospodarka komunalna – przy pompowaniu ścieków nieoczyszczonych, osadów ciężkich, szlamów i usuwaniu osadu z piaskowników,
• Górnictwo – w hydrotransporcie w zakładach przeróbczych, hydrotransporcie podsadzki, transporcie mieszanin do lokowania odpadów, pompowaniu wód zasolonych i czyszczeniu chodników wodnych,
• Hutnictwo – przy pompowaniu wody ze zgorzeliną,
• Chemia – przy pompowaniu wody z zanieczyszczeniami ropopochodnymi,
• Kopalnie kruszyw – w hydrotransporcie piasku, żwiru, kamieni, itp.,
• Cukrownictwo – w hydrotransporcie buraków itp.

Pompy zatapialne stosowane są zamiast pomp stacjonarnych z powodu niższych nakła­dów montażowo-instalacyjnych i zalet eksplo­atacyjnych.

Dalsza część artykułu opisuje możliwości wykorzystania i zastosowań pomp zatapialnych produkcji POWEN S.A. przeznaczonych do ciężkich warunków pracy w oczyszczalniach ścieków, elektrowniach, ciepłowniach, górnic­twie podziemnym, kopalniach kruszyw, hut­nictwie, cukrownictwie, itp.

Pompy zatapialne do nieoczyszczonych ścieków komunalnych.

Pompy zatapialne przeznaczone do nieoczyszczonych ścieków komunalnych muszą być do­stosowane do pompowania cieczy zawierają­cych m.in.:

• ciała stałe, takie jak: piasek, żwir, kamienie, cegły, itp.,
• elementy metalowe tj.: krótkie pręty, śruby, itp.,
• materiały włókniste tj.: szmaty, bandaże, włókna splecione w tzw. warkocze lub zbite kule.

Przyczyną takiego stanu rzeczy jest wciąż jeszcze nieodpowiednia gospodarka odpadami użytkowymi i przemysłowymi. Powoduje to, że pompy stosowane do transportu ścieków nie- oczyszczonych (surowych) pracują w ciężkich warunkach eksploatacyjnych. Pompy zatapialne do ścieków są wyposażane w różnorodne układy przepływowe stosowane powszechnie w pompach stacjonarnych. Dla wyboru właści­wego układu przepływowego oprócz podsta­wowych parametrów (Q, H, n, n), ważne są również właściwości tłoczonego medium, które decydują o jego konstrukcji i rozwiązaniu ma­teriałowym.`

W pompach zatapialnych do ścieków nie- oczyszczonych najczęściej oferowane są:

• pompy z rozdrabniarkami lub nożami tnącymi,
• pompy z wirnikami otwartymi o swo­bodnym przepływie,
• pompy z wirnikami zamkniętymi jednokanałowymi lub dwukanałowymi, pompy z wirnikami zamkniętymi wielołopatkowymi.

Rysunek 2.                     Rysunek 3.                                 Rysunek 4.                              Rysunek 5.                  Rysunek 6.                  Pompa P-15-V80/4A    Pompa P110-S125/4A       Pompa P55-K100/4A    Pompa P75-Z100R/4A   PompaP75-Z100T/4A

Wiadomym jest, że żadne z rozwiązań nie jest rozwiązaniem uniwersalnym dla wszystkich przypadków przetłaczania ścieków. Pompy z urządzeniami rozdrabniającymi do ścieków surowych należy stosować tylko tam, gdzie prawidłowo funkcjonuje gospodarka segregacji odpadami. Często w ściekach nieoczyszczonych są obecne elementy metalowe, które powodują niszczenie noży tnących w urządzeniach roz­drabniających.

Wirniki wielołopatkowe o niewielkich śred­nicach zapychają się często długowłóknistymi materiałami zawartymi w ściekach i powodują niewłaściwą pracę pompy. Praca wirnika otwar­tego, dzięki jego symetrii i wyważeniu, jest znacznie korzystniejsza ruchowo niż wirnika jednokanałowego. Wirniki jednokanałowe osią­gają wyższe sprawności niż wirniki otwarte o swobodnym przepływie. Każdy z wirników ma swoje zalety, decyzja który wirnik zastosować zależy także od wielkości pompy. Przy małych mocach do 15kW, gdzie sprawność nie od­grywa tak dużej roli a decyduje kryterium pewności ruchu, wirniki otwarte o swobodnym przepływie znalazły szerokie zastosowanie.

Przy dużych mocach pomp stosowane są wirniki jedno lub dwukanałowe.

POWEN S.A. oferuje pompy nowego typo­szeregu P przeznaczone do ścieków nieoczyszczonych (surowych). Nowy typoszereg pomp umożliwia rozwiązywanie różnorodnych pro­blemów związanych z pompowaniem ścieków nieoczyszczonych i innych cieczy silnie zanie­czyszczonych.

Do pompowania nieoczyszczonych ście­ków surowych, zawierających ciała stałe, ele­menty metalowe i włókniste POWEN S.A. oferuje pompy z wirnikiem otwartym o swobodnym przepływie o rodzaju hydrauliki V (rys. 2),Pompy S (rys. 3) i K (rys. 4). Przeloty swobodne tych pomp zależnie od wielkości pompy wynoszą od 54-100 mm. Do rozdrabniania ścieków oferowane są pompy z urządzeniami rozdrabniającymi o rodzaju hydrauliki R (rys. 5) lub z nożem tnącym o rodzaju hydrauliki T (rys. 6). Układy przepływowe i obudowy pomp zatapialnych wykonywane są w zależności od potrzeby z żeliwa sferoidalnego. staliwa kwasoodpornego lub specjalnego staliwa o twardości 60HRC.

Jednym z nieodzownych elementów każdej oczyszczalni ścieków są piaskowniki. W piasko­wnikach usuwa się zanieczyszczenia ziarniste takie jak: popiół, węgiel, a przede wszystkim piasek. Do procesu wypompowywania osadu z płaskowników POWEN S.A. oferuje pompy zatapialne z wirnikami o swobodnym przepływie wraz z układem zapobiegającym sedymentacji zanieczyszczeń. Prototypowa pompa zatapialna do ścieków typu P15-V80/4A wraz z układem rozmywania osadu (rys. 7) była poddana pró­bom eksploatacyjnym w oczyszczalni ścieków w Piekarach Śl. Praca tej pompy wraz z układem rozmywania osadu uzyskała bardzo pozytywne oceny użytkownika.

Pompy zatapialne do cieczy z zanieczyszczeniami ropopochodnymi.

Do pompowania cieczy z zanieczyszczeniami ropopochodnymi pochodzącymi z osadników ściekowych w stacjach paliw, oferowane są przez POWEN S.A. pompy typu P-1BA/I (rys. 8). Pompa ta wykonana jest z materiałów odpor­nych na ciecze agresywne chemicznie i posia­da dopuszczenia do pracy w pomieszczeniach i strefach zagrożonych wybuchem mediów, zali­czanych do podgrupy IIA wg PN-84/E-08119.

Pompy zatapialne do cieczy silnie zanieczyszczonych ciałami stałymi.

Transport hydrauliczny cieczy zanieczyszczonych silnie spierającymi ciałami stałymi jest po­wszechnie stosowany w kopalniach węgla ka­miennego, rud żelaza i metali nieżelaznych, surowców mineralnych, w elektrowniach i cie­płowniach, dużych gospodarstwach rolnych itp.

Użyteczny efekt działania układu hydrau­licznego polega głównie na przenoszeniu ciał stałych, zaś woda jest TYLKO niezbędnym czynnikiem nośnym. Transportowane hydrau­licznie ciała stałe (węgiel, koncentraty rud, kru­szywa mineralne, piasek, popioły lotne i żużle energetyczne, glina itp.) różnią się bardzo znacz­nie między sobą, zarówno gęstością od 1400 do 3000kg/m³, twardością, jak i uziarnieniem mieszaniny z wodą, odznaczają się więc bardzo zróżnicowanym składem i muszą być transpor­towane przy różnych parametrach. Do pompo­wania ww. mediów stosowane są głównie pompy stacjonarne, specjalnie skonstruowane do cie­czy silnie zanieczyszczonych, które powszech­nie nazywane są pompami szlamowymi.

Cechy konstrukcyjne pomp szlamowych i uwarunkowania związane z ich doborem zostały szczegółowo przedstawione w artykule zamieszczonym w PP 6/2000 z czerwca br. Chcąc stosować pompy zatapialne do roz­wiązywania zagadnień transportu cieczy zanie­czyszczonych, tam gdzie dotychczas były sto­sowane wyłącznie pompy stacjonarne, należy przejąć ich wszystkie wyróżniające cechy.

POWEN S.A. w oparciu o wieloletnie do­świadczenia przy konstruowaniu, produkcji i eksploatacji pomp szlamowych stacjonarnych typu PH. PH-S i PHP opracował i wdrożył do produkcji pompę zatapialną szlamową typu P370-V175/6A (rys. 9) o mocy 37 kW i pręd­kości obrotowej n = 960 obr/min. Pompa jest prze­znaczona do medium o gęstości do 1700kg/m³ granulacji ciał stałych do 100 mm i zawartości ciał stałych w cieczy do 50%. Pompa P370- V175/6A jest wyposażona w nowatorskie roz­wiązanie konstrukcji wirnika z podwójnymi łopatkami. Zapewnia to niezawodne pompowanie cieczy zanieczyszczonych z wysoką sprawnością przez cały okres eksploatacji podnosząc znacznie ekonomię pompowania i obniżając jej całkowity koszt eksploatacji. W pompie P370-V175/6A uszczelnienie mechaniczne narażone jest tylko na ciśnienie wynikające z głębokości zanurzenia, a nie ciśnienie tłoczenia, jak w większości pomp. Specjalny system uszczelnienia zainstalowany bezpośrednio przy łożyskach umożliwił skró­cenie wysięgu wału, co ma wpływ na pewność ruchu. Obudowa pompy i wirnik wykonane są ze staliwa trudnościeralnego o twardości powy­żej 60HRC. Korpus silnika o specjalnej kon­strukcji pod względem odprowadzania ciepła pozwala na pracę pompy w warunkach częścio­wego zanurzenia. Silnik pompy zabezpieczony jest przed przegrzaniem wyłącznikami zabudowanymi w uzwojeniach stojana na każdej fazie oraz sterownikiem zabudowanym pod pokry­wą silnika. Sterownik wyłącza napęd pompy przy długotrwałej pracy na sucho. Wszystkie elementy złączne pompy wykonane są ze stali nierdzewnej. Pompy P370-V175/6A sprawdziły się ruchowo w instalacjach pompowania mie­szanin wody i żużla w elektrowniach i cie­płowniach.

Rysunek 7.  Pompa P15- V80/4A – układem rozmywania.

Rysunek 8. Pompa P-1BA/I na stacji paliw CPN.

Rysunek 9. Pompa P370-V175/6A.

Podsumowanie.

Artykuł omawia problematykę pomp zatapialnych do warunków pompowania cieczy silnie zanieczyszczonych i silnie ścierających. Produkowane w kraju i za granicą pompy zatapialne, dzięki dynamicznemu rozwojowi konstrukcji i inżynierii materiałowej, osiągnęły w ostatnich latach wysoką niezawodność.

Z uwagi na niekwestionowane korzyści w szczególności mniejsze nakłady montażowe-instalacyjne pompy zatapialne zdobywają coraz większe obszary zastosowania.

Roman Pawlik.

Artykuł został opublikowany w numerze 8 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Komentarz autora po 15 latach:

„Artykuł p.t.’Pompy zatapialne do eksploatacji w trudnych warunkach’ jest już nie aktualny w zakresie produkcji pomp zatapialnych  typów P15-V80/4A, P110- S125/4A, P55-K100/4A, P75-Z100R/4A i P75-Z100T/4A ( rys. 2 do 6 ), których produkcja  nie została podjęta.
Aktualność w/w artykułu może być na dzień dzisiejszy tylko w zakresie pompy zatapialnej przeznaczonej do pompowania cieczy z zanieczyszczeniami ropopochodnymi  pompa typu P-1A/I ( rys.8 )  oraz pompa zatapialna typu P-370 ( rys. 9 ) przeznaczona do pompowania cieczy silnie zanieczyszczonych ciałami stałymi ( medium o gęstości do 1700kg/m3 , granulacji ciał stałych do 100mm i zawartość ciał stałych w cieczy do 50% ). Jeżeli w/w pompy posiadają ważne certyfikaty to mogą być one oferowane na rynku.”

Powody stosowania pomp wielostopniowych.

Działanie pompy wirowej polega na tym, że energia mechaniczna pobierana od silnika napędowego jest w wirniku zamieniana głównie w energię kinetyczną pompowanej cieczy. W kolejnych elementach układu przepływowego (kierownice, kanały spiralne, dyfuzory) energia kinetyczna przekształcana jest we wzrost ciśnienia. Analizując mechanizm przekazywania energii w pompie dochodzimy do wniosku, że uzyskiwana wysokość podnoszenia (w przybliżeniu proporcjonalna do ciśnienia) zależy od maksymalnej prędkości, jaką uzyskuje ciecz w układzie przepływowym, natomiast maksymalna prędkość zależy od prędkości końca łopatki wirnika. Chcąc zatem powiększyć wysokość podnoszenia pompy musimy dążyć do zwiększenia prędkości łopatki wirnika na wylocie, co można uzyskać zwiększając średnicę wirnika bądź zwiększając prędkość obrotową. Wysokość podnoszenia możliwa do uzyskania z jednego wirnika jest jednak ograniczona, gdyż prędkości końca łopatki nie można powiększać w nieskończoność ze względów wytrzymałościowych. Przy zbyt wysokich prędkościach wirnik, aby wytrzymać naprężenia pochodzące od siły odśrodkowej, musiałby posiadać zbyt masywną budowę. Drugim powodem, który ogranicza wysokość podnoszenia możliwą do uzyskania z jednego stopnia są tak zwane straty brodzenia, czyli straty energii wynikające z tarcia obracającego się wirnika o ciecz, która go otacza. Ponieważ straty te rosną z piątą potęgą średnicy wirnika, przy powiększaniu średnicy strata brodzenia dość szybko powoduje pogorszenie sprawności, w stopniu, jaki dyskwalifikuje taką konstrukcję wirnika. Istotna jest nie bezwzględna wartość straty brodzenia, lecz jej stosunek do całkowitej energii przekazywanej cieczy przez wirnik. Obrazowo mówiąc, wirnik „wąski”, to znaczy posiadający dużą średnicę w stosunku do szerokości, wykazuje większy stosunek strat brodzenia do całkowitej energii przekazywanej cieczy, niż wirnik „szeroki”, gdyż większa szerokość wirnika oznacza większe natężenie prze¬pływu, a tym samym większą energię przekazaną cieczy przez wirnik. Mówiąc ściśle, zależność pomiędzy wysokością podnoszenia wirnika H [m], natężeniem przepływu Q [m3/s] i prędkością obrotową n [obr/min] ujmuje wyróżnik szybkobieżności: nsq = n-Q1/2-H-3/4.

Zwiększanie wysokości podnoszenia przy danej prędkości obrotowej i wydajności powoduje spadek wyróżnika. Optymalne sprawności daje się uzyskać w zakresie wyróżnika 30-55, natomiast poniżej tego zakresu sprawność spada, przede wszystkim na skutek wzrostu udziału strat brodzenia. Doświadczenia konstrukcyjne wskazują, że wartość wyróżnika szybkobieżności określa optymalne proporcje i kształt wirnika, co zostało schematycznie pokazane na rys. 1.

W praktyce, najniższe wartości wyróżników szybkobieżności stosowane w pompach są na poziomie kilkunastu.

Rysunek 1.  Zależność możliwej do uzyskania sprawności oraz optymalnego kształtu wirnika od wyróżnika szybkobieżności.

Przy wartości wyróżnika poniżej dziesięciu nie da się uzyskać zadowalającej sprawności pompy, dlatego konstrukcje cechujące się tak niskimi wartościami spotyka się sporadycznie, wyłącznie w specyficznych zastosowaniach, gdzie konieczność uzyskania kombinacji niskiej wydajności z dużą wysokością podnoszenia jest ważniejsza od sprawności energetycznej. Natomiast w podstawowych zastosowaniach wyróżnik szybkobieżności musi być w prawi­dłowym zakresie. Jest to powód dla budowy pomp wielostopniowych, gdyż jeżeli przy okre­ślonej wydajności i prędkości obrotowej chcemy zbudować pompę o dobrej sprawności, to nie możemy przekroczyć pewnej wysokości pod­noszenia z jednego wirnika. Jeśli natomiast potrzebna jest wysokość podnoszenia przekra­czająca tę wartość to jedynym sposobem jest zastosowanie kilku stopni w pompie, dzięki czemu wyróżnik szybkobieżności dla jednego stopnia mieści się we właściwym zakresie.

Mechanizm przekazywania energii.

W pompie wielostopniowej mechanizm prze­kazywania energii jest zatem następujący: w wirniku przepływająca ciecz pobiera energię mechaniczną, która na wypływie z wirnika w znacznej mierze istnieje w postaci energii kinetycznej związanej z prędkością obwodową cieczy (pewna część energii mechanicznej ulega zamianie w energię ciśnienia już w wirniku, w zależności od tak zwanego stopnia reakcyjności wirnika). Ciecz na wylocie z wirnika posiada zatem wyższe ciśnienie niż na wlocie i znacz­nie wyższą prędkość. Następnym elementem układu przepływowego jest kierownica międzystopniowa, której zadaniem jest wyhamowanie ruchu wirowego cieczy i przekształcenie zwią­zanej z nim energii kinetycznej w ciśnienie.

Kierownica międzystopniowa często składa się z dwu części: kierownicy odśrodkowej, gdzie następuje zasadnicza przemiana energii kinetycznej w ciśnienie i kierownicy dośrodko­wej, której zadaniem jest głównie doprowadzenie cieczy w kierunku osiowym do następnego wirnika, a przyrost ciśnienia jest tu już znacz­nie mniejszy niż w kierownicy odśrodkowej. W efekcie, po przepływie przez cały stopień pompy składający się z wirnika i układu kie­rownic, ciecz posiada taką samą prędkość jak na wlocie do stopnia, lecz wyższe ciśnienie.

Rysunek 2.  Zmiany energii kinetycznej oraz ciśnienia cieczy w poszczególnych elementach stopnia pompy.

W następnym stopniu cykl przemian energetycznych powtarza się. Przykładowy przebieg zmian energii kinetycznej i ciśnienia w poszczególnych elementach stopnia pompy pokazano schematycznie na rys. 2.

Należy wziąć pod uwagę, że rysunek ma na celu jedynie uproszczone zobrazowanie zachodzących przemian energetycznych, natomiast proporcje pomiędzy wartościami przyrostów energii kinetycznej i ciśnienia oraz dokładny przebieg linii zależą od konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego.

Zagadnienia konstrukcyjne.

Pompy wirowe jednostopniowe oferowane są przez liczne wytwórnie, gdyż ich budowa jest stosunkowo prosta. Natomiast konstrukcja pomp wielostopniowych oraz technologia ich wykonania są na tyle złożone, że zostały pomyślnie opanowane przez znacznie mniejszą liczbę producentów.

Prędkość obrotowa i liczba stopni.

Uzyskanie założonej wysokości podnoszenia i wydajności przy projektowaniu pompy jest zadaniem stosunkowo prostym, natomiast o wiele trudniej osiągnąć to, aby tym parametrom towarzyszyła wysoka sprawność.

O ile sprawność niewielkiej pompy jednostopniowej jest często traktowana jako kwestia drugorzędna, pod warunkiem, że dotrzymane są inne parametry, to w przypadku pomp wielostopniowych, ze względu na ich z reguły wysoki pobór mocy, sprawność jest jednym z istotnych elementów. Z tego powodu wytwórnie podejmujące się projektowania pomp wielostopniowych muszą stosować bardziej wyrafinowane techniki obliczeń hydraulicznych niż to wystarcza w przypadku pomp jednostopniowych.

Jedną z pierwszych decyzji, jaką należy podjąć na etapie projektowania pompy wielostopniowej jest dobór prędkości obrotowej. W większości przypadków zastosowanie znajduje prędkość synchroniczna silnika elektrycznego, gdyż w pompach wielostopniowych, ze względu na znaczny pobór mocy prawie wcale nie stosuje się przekładni pasowych, a urządzenia do regulacji prędkości obrotowej (tzw. falowniki) stosowane są rzadko. Jedynie w niektórych pompach zasilających kotły energetyczne znajdują zastosowanie przekładnie zębate, służące do podnoszenia prędkości obrotowej powyżej 3000 obr/min. Pompę z reguły projektuje się na daną wydajność, dobierając następnie prędkość obrotową i wysokość podnoszenia ze stopnia tak, aby wyróżnik szybkobieżności wypadł we właściwym zakresie.

W praktyce dla pomp wielostopniowych stosuje się głównie dwie prędkości synchroniczne: 1500 i 3000 obr/min. Każda z nich posiada swoje wady i zalety.

Niższa prędkość obrotowa powoduje zwiększenie gabarytów pompy, ale z drugiej strony ułatwia uzyskanie dobrych właściwości ssawnych. Ponadto podnosi trwałość pompy, szczególnie przy pompowaniu cieczy zanieczyszczonych, a także redukuje problemy związane z dynamiką zespołu wirującego.

Odwrotnie, wyższa prędkość obrotowa na ogół ułatwia uzyskanie optymalnego wyróżnika szybkobieżności, zmniejsza gabaryty i masę pompy, ale pogarsza właściwości ssawne, ogranicza trwałość i powiększa trudności z opanowaniem drgań.

Istotną decyzją jest także określenie maksymalnej, dopuszczalnej liczby stopni. Wynika z tego średnica wału, która musi pozwolić na przeniesienie momentu rosnącego z liczbą stopni, oraz zapewnić wymaganą sztywność wału.

Rzecz jasna, ze względu na unifikację elementów, średnica wału obliczona dla maksymalnej, przewidywanej liczby stopni stosowana jest też w wykonaniach pomp o mniejszej liczbie stopni. Jest to niekorzystne, gdyż podwyższona średnica piasty wirnika utrudnia uzyskanie wysokiej sprawności.

Aby częściowo usunąć tę sprzeczność, w niektórych rozwiązaniach przy liczbie stopni zbliżonej do maksymalnej stosuje się napęd dwustronny od dwu silników, co pozwala na zmniejszenie średnicy wału. Maksymalna liczba stopni narzuca również ciśnienie, jakie musi wytrzymać kadłub tłoczny i kadłuby stopniowe, a zatem grubość ich ścianek.

Wszystko to powoduje, że liczba stopni pompy może się wahać tylko w pewnym zakresie, gdyż inaczej wymiary wynikające z wymogów dla maksymalnej liczby stopni odbiegają zbyt znacznie od optymalnych dla minimalnej liczby stopni. Z tego powodu osobno konstruuje się pompy wielostopniowe wysoko i średniociśnieniowe.

Przeniesienie siły osiowej.

W pompach wielostopniowych trudnym problemem jest przeniesienie siły osiowej. Ciśnienie działające na tylną ściankę wirnika jest wyższe niż ciśnienie na wlocie do wirnika. Ta różnica ciśnień pomnożona przez powierzchnię pierścienia wlotowego zawartego pomiędzy szyją wirnika a piastą daje siłę działającą na zespół wirujący w kierunku przeciwnym do przepływu cieczy. Siły od poszczególnych stopni sumują się, w wyniku czego sumaryczna siła osiowa w dużych pompach wielostopniowych może dochodzić do kilkudziesięciu ton.

Jedną z metod równoważenia siły osiowej jest budowa pomp wielostopniowych składających się z dwu sekcji wirników ustawionych w przeciwnych kierunkach, od których siły osiowe się znoszą. Wymaga to stosowania przewału, którym ciecz po wyjściu z jednej sekcji wirników jest doprowadzana na wlot do drugiej. Wadą takiego układu pompy jest skomplikowanie konstrukcji, bowiem zamiast dwu występują cztery króćce, z których dwa połączone są ze sobą przewałem. W takim rozwiązaniu trudności konstrukcyjne i eksploatacyjne może sprawiać uszczelnienie wewnętrzne pomiędzy sekcjami. Istnieje też ryzyko, że w pewnych stanach dynamicznych siły od obu sekcji nie całkowicie się równoważą. Sytuacja taka może wystąpić na przykład w momencie rozruchu, gdy jedna sekcja jest dokładnie odpowietrzona, a druga nie. Chwilowa nierównowaga sił może spowodować awarię.

Inna metoda równoważenia siły osiowej to tarcza odciążająca, która pod wpływem siły osiowej dociskana jest do przeciwpierścienia osadzonego w kadłubie pompy. Pomiędzy tarczą a przeciwpierścieniem odbywa się wypływ cieczy z ostatniego stopnia pompy, czyli tarcza działa podobnie jak łożysko ślizgowe smarowane pompowaną cieczą, przenoszące siłę osiową. Zasadnicze znaczenie posiada tu jednak różnica ciśnień oddziaływających na tarczę z obu stron. Występuje tu zdolność samoregulacji szczeliny pomiędzy tarczą, a przeciwpierścieniem.

Gdy szczelina się powiększa, spadek ciśnienia w niej występujący maleje, w wyniku czego różnica ciśnień działająca na tarczę spada i siła osiowa przymyka szczelinę. Podobnie, gdy szczelina zostaje nadmiernie przymknięta narasta w niej spadek ciśnienia powodując różnicę ciśnień odsuwającą tarczę. Na skutek tego efektu tarcza odciążająca jest pewna ruchowo. Dodatkowa jej zaleta to znaczna redukcja ciśnienia działającego na uszczelnienie wału od strony tłocznej. Jej wadą natomiast jest obniżka sprawności pompy oraz wrażliwość na zawartość zanieczyszczeń mechanicznych w cieczy co powoduje spadek trwałości. Grozi również przyspieszone zużycie w przypadku uruchomienia niecałkowicie odpowietrzonej pompy. Zbliżonym rozwiązaniem jest tak zwany tłok odciążający, wykazujący jednak mniejszą pewność ruchową.

Siłę osiową można również zlikwidować stosując otwory odciążające w wirniku, którym towarzyszy pierścień dławiący na tylnej ściance wirnika, w wyniku czego ciśnienia działające na ściankę wirnika równoważą się. Zastosowanie otworów odciążających powoduje jednak pewien przepływ powrotny oraz zakłócenie struktury przepływu w wirniku, na skutek czego obniża się sprawność pompy. W pompach średniociśnieniowych do przeniesienia siły osiowej na ogół wystarczają łożyska toczne o odpowiedniej konstrukcji. Stosuje się też rozwiązanie polegające na zabudowie łożyska osiowego smarowanego olejem podawanym przez osobną pompę wyporową.

Dynamika.

Ze względu na długość wału ważnym zagadnieniem w pompach wielostopniowych jest dynamika układu wirującego. Przy konstrukcji wału i łożyskowania trzeba dokonać obliczeń prędkości krytycznych i częstości drgań własnych aby uniknąć rezonansu i nadmiernych drgań w trakcie pracy pompy.

Obliczenia te są utrudnione, gdyż metody zna¬ne z mechaniki ciała stałego nie są w tym przypadku w pełni dokładne, bowiem wzajemne oddziaływanie zespołu wirującego i przepływającej cieczy jest źródłem zarówno wymuszeń o charakterze hydrodynamicznym, jak i tłumienia, dla których brak w pełni dokładnych metod obliczeniowych. W tym kontekście należy zwrócić uwagę, że tradycyjne dławnice z wypełnieniem sznurowym stanowią dodatkowe podparcie wału o pewnej zdolności do tłumienia drgań. Stosowane czasem przeróbki polegające na zastąpieniu tradycyjnej dławnicy uszczelnieniem mechanicznym w niektórych przypadkach mogą spowodować wzrost drgań.

Wymagania technologiczne.

W budowie pomp wielostopniowych wymagania co do dokładności wykonania są znacznie zaostrzone w porównaniu z pompami jednostopniowymi. Ponieważ pomiędzy kolejnymi stopniami (a także obu stronami kierownicy i wirnika) występują znaczne przyrosty ciśnień, w celu ograniczenia przepływów należy stosować uszczelnienia wewnętrzne. Uszczelnienia pomiędzy elementami wirującymi i nieruchomymi mają postać szczelin dławiących przepływ. Aby działały skutecznie przekrój szczeliny musi być jak najmniejszy. Z drugiej strony, ze względu na to, że stosunkowo długi wał pompy wielostopniowej może wykazywać pewne ugięcie dynamiczne, szczeliny, aby uniknąć zatarcia, nie mogą być zbyt ciasne. Uzyskanie optymalnych wymiarów szczelin jest utrudnione przez fakt, że elementy kolejnych stopni są ze sobą pasowane tworząc łańcuch wymiarowy, co w niekorzystnym przypadku może doprowadzić do sumowania się odchyłek i przekroczenia dopuszczalnych tolerancji wymiarów szczelin.

Podobny problem dotyczy wymiarów osiowych. Zazwyczaj elementy montowane na wale (wirniki, tuleje dystansowe) tworzą łańcuch wymiarowy niezależny od łańcucha wymiarowego utworzonego przez kierownice i kadłuby, co grozi tym, że w przypadku niekorzystnego sumowania się odchyłek odpowiadające sobie wirniki i kierownice po zmontowaniu pompy nie znajdą się we właściwej pozycji względem siebie. Aby tego uniknąć należy stosować odpowiednie zabiegi konstrukcyjne, dochować zaostrzonych tolerancji wymiarów poszczególnych elementów, oraz realizować montaż według specjalnej technologii. Przy montażu bardzo istotna jest także kwestia uszczelnień pomiędzy elementami nie poruszającymi się względem siebie. Na przykład, po obu stronach wirnika występuje znaczna różnica ciśnień. Jeśli powierzchnia styku pomiędzy wirnikiem a ulokowanymi po jego obu stronach tulejami nie będzie właściwie uszczelniona, to wystąpi przepływ powrotny pod wirnikiem wzdłuż wału prowadzący do jego uszkodzenia. Przepływ o podobnym charakterze może też wystąpić wzdłuż styku kierownicy odśrodkowej i dośrodkowej oraz kilku innych miejscach pompy wielostopniowej. Uniknięcie takich efektów, obniżających sprawność oraz powodujących uszkodzenia wymaga stosowania właściwych rozwiązań konstrukcyjnych oraz starannego montażu.

Technologia wykonania wpływa też na dynamikę zespołu wirującego. Poszczególne jego elementy muszą być wykonane na tyle dokładnie, aby nie występowało niewyważenie. Każdy z elementów wirujących po obróbce podlega dodatkowo wyważeniu statycznemu likwidującemu pozostałą niewywagę, ale nawet to nie gwarantuje jeszcze spokojnej pracy pompy, gdyż po montażu, na skutek naprężeń montażowych mogą pojawić się odkształcenia (np. nieznaczne zukosowanie wirników) powodujące niewywagę dynamiczną. Z tego powodu zespół wirujący powinien zostać próbnie zmontowany i w takim stanie poddany wyważeniu dynamicznemu.

Pompy wielostopniowe produkowane przez Powen.

Powen jest jedną z nielicznych polskich firm pompowych, która opanowała problemy związane z konstruowaniem i wykonawstwem pomp wielostopniowych. Od kilkudziesięciu lat buduje pompy tego typu. Tradycyjną dziedziną, w której zastosowanie znajdują pompy wielostopniowe jest główne odwadnianie kopalń, gdzie wymagane wysokości podnoszenia przekraczają nawet 1000 m, a wydajności leżą w zakresie 80-800 m3/h (najczęściej 300-500 m3/h).

Aktualnie w produkcji znajdują się dwa typoszeregi pomp głównego odwadniania. Typoszereg OW obejmujący pompy w wersjach OW-AM i OW-B o średnicach króćca tłocznego 100, 150, 200, 250 i 300 mm pokrywa zakres wydajności od 80 do 800 m3/h i zapewnia wysokości podnoszenia do około 800 m.

Większe wysokości podnoszenia, sięgające 1050 m posiadają pompy typoszeregu OWH, o średnicach króćca tłocznego 200 i 250 mm, co odpowiada zakresowi wydajności nominal­nych 300-500 m³/h. Pompy OWH są przy­stosowane do pracy w połączeniu szeregowym, w wyniku czego można uzyskiwać wysokości podnoszenia dochodzące do 1400 m. Oba typo­szeregi oparte są na podobnych założeniach konstrukcyjnych: pracują przy prędkości obro­towej 1500 obr/min (za wyjątkiem pomp OW-100B i OW-150AM skonstruowanych na 3000 obr/min), co zapewnia im bardzo dobre właściwości ssawne oraz trwałość przy pom­powaniu wód zanieczyszczonych chemicznie i mechanicznie. Do przeniesienia siły osiowej zastosowano tarcze odciążające ze względu na pewność ruchową w krańcowo trudnych wa­runkach eksploatacji.

Pompy typoszeregu OS, służące między in­nymi jako pompy pomocniczego odwadniania są pompami średniociśnieniowymi, zapewnia­jącymi wysokości podnoszenia do 250 m.

Produkowane są w wersjach OS-AM, OS-B i OS-C przy średnicach króćca tłocznego 80, 100, 125, 150, 200 i 250 mm, co pokrywa zakres wydajności 30-550 m³/h. Skonstruowane są na 1450 obr/min, co za­pewnia im trwałość w trudnych warunkach eksploatacji. Przeniesienie siły osiowej zapewnia­ją łożyska toczne, w niektórych wielkościach pomp wspomagane otworami odciążającymi w wirnikach. Ze względu na różnorodność składu chemicznego wód kopalnianych w pom­pach typu OS, OW i OWH stosuje się kilka rozwiązań materiałowych, od żeliwa szarego po staliwa chromowe zapewniające odporność na agresywne solanki.

Ponadto Powen produkuje średniociśnieniowe pompy typu ZW-50, skonstruowane na 2950 obr/min, charakteryzujące się niewielką wydajnością, (18-22 m³/h) przy stosunkowo znacznej wysokości podnoszenia (190-325 m), która to kombinacja parametrów wymagana jest na przykład przy zasilaniu układów hy­drauliki.

Wszystkie pompy wielostopniowe produkcji Powenu spełniają surowe wymogi w zakresie bezpieczeństwa pracy stawiane przez Wyższy Urząd Górniczy i posiadają certyfikaty do­puszczające do pracy w podziemiach kopalń.

O niezawodności pomp Powenu świadczy fakt, że od ponad pięćdziesięciu lat oparte jest na nich odwadnianie wszystkich polskich kopalń i w całym tym okresie nie zdarzył się przypadek poważnego zagrożenia wodnego wynikłego ze złej jakości pompy.

Pompy wielostopniowe produkcji Powenu, a szczególnie pompy typu OW i OS, mimo, że skonstruowane głównie dla górnictwa, znalazły szerokie zastosowanie w wielu innych dzie­dzinach, szczególnie tam, gdzie występują trud­ne warunki pracy, i zyskały sobie uznanie dzię­ki swej solidnej budowie i pewności ruchowej.

Aktualnie Powen prowadzi prace kon­strukcyjne nad nowym typoszeregiem pomp średniociśnieniowych przeznaczonych do lżejszych zastosowań, a przede wszystkim do pompowania czystej wody. Stworzenie założeń konstrukcyjnych poprzedzone było szerokim zakresem konsultacji z potencjalnymi użytkow­nikami. W wyniku tego ustalono najbardziej pożądane przez użytkowników cechy pomp i tak sformułowano założenia konstrukcyjne, aby nowy produkt był w stanie je zapewnić. Na czołowych miejscach pośród cech nowego typoszeregu znalazły się wysoka sprawność energetyczna, niezawodność i zdolność do bezobsługowej pracy. W niedługim czasie Powen na łamach „Pomp-Pompowni” zaprezentuje użytkownikom nowy typoszereg, pokazując jak spełnione zostały powyższe wymogi te­chniczne, oraz, co równie ważne, jak udało się to pogodzić z niewygórowaną ceną. Autorzy wyrażają przekonanie, że nowy produkt stanie się standardem w polskim przemyśle, jak mia­ło to miejsce w przypadku innych typoszere­gów produkowanych przez Powen.

mgr inż. Władysław Tywoniak                                                                                                     dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w numerze 12 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Komentarz autora po 15 latach:

„Na przestrzeni 15 lat, jakie upłynęły od czasu napisania tekstu nie zmieniły się, oczywiście fizyczne podstawy działania pomp wielostopniowych, zaszły natomiast pewne zmiany w rozwiązaniach konstrukcyjnych związane z postępem w zbliżonych dziedzinach techniki. W roku 2000, jak stwierdzono w tekście regulacja parametrów pomp wielostopniowych przez zmianę prędkości obrotowej była rzadkością ze względu na wysoką cenę przetworników częstotliwości o wysokich mocach. Od tego czasu, ze względu na spadek ich cen urządzenia te znalazły powszechne zastosowanie nawet dla pomp wielostopniowych wysokiej mocy. Postęp nastąpił również w zakresie łożysk tocznych. Dostępne obecnie łożyska przenoszą m.in. wyższe obciążenia osiowe w wyniku czego w niektórych pompach wielostopniowych możliwa okazała się rezygnacja z otworów odciążających, co przyczynia się do zwiększenia sprawności pomp.

W wyniku konsolidacji polskiego przemysłu pompowego POWEN SA zbudowała Grupę POWEN-WAFAPOMP SA, która posiada w ofercie znacznie szerszy zakres pomp wielostopniowych niż omawiany w artykule. Opracowane zostały nowe górnicze pompy wielostopniowe zastępujące typy wymienione w tekście. Pompy wysokociśnieniowe typoszeregów OW-AM i OW-B będą stopniowo zastępowane przez pompy typoszeregu H, a pompy średniociśnieniowe typoszeregów OS-B, OS-AM i OS-C przez pompy typoszeregu M. Pompy typoszeregów M i H to zupełnie nowe konstrukcje zastępujące funkcjonalnie swoje poprzedniczki lecz posiadające zupełnie nowe rozwiązania techniczne.”