Author: admin

Streszczenie

W artykule opracowano wnioski z przeprowadzonych 36 audytów energetycznych układów pompowych. Przestawiono najważniejsze przyczyny strat energii oraz potencjalne oszczędności możliwe do uzyskania w wyniku proponowanych modernizacji. Zaprezentowano przykłady analizowanych układów pompowych.

1.  Wprowadzenie – źródło danych.

Artykuł napisany został w oparciu o wyniki 36 analiz układów pompowych przeprowadzonych przez Grupę POWEN-WAFAPOMP SA oraz Energopomiar Gliwice sp. z o.o. w niektórych przypadkach wspólnie, a w niektórych niezależnie. Analizy obejmowały zarówno formalne audyty energetyczne prowadzone w celu uzyskania „białych certyfikatów” jak również oceny opłacalności inwestycji w modernizację układów pompowych. Audyty obejmowały układy pompowe z różnych rodzajów przemysłu lecz znaczna ich część dotyczyła pompowni pracujących w systemach wodociągowych. Drugą znaczną grupę stanowiły układy uzdatniania i dystrybucji wody w zakładach przemysłowych wykazujące znaczne podobieństwo do wodociągów zaopatrujących w wodę ludność. Należy podkreślić, że analizowane układy pompowe w przeważającej większości pracowały w zakładach stojących na wysokim poziomie technicznym, między innymi wiele z analizowanych pomp było już wyposażonych w przemienniki częstotliwości.

Znaczna ilość przeanalizowanych układów pompowych pozwala na wyciągnięcie wniosków ogólnych o charakterze statystycznym. Należy jednak mieć ma uwadze, że analizowane układy pompowe nie były reprezentatywne dla wszystkich układów pompowych, jako że zostały wytypowane przez użytkowników do audytu z powodu domniemania występowania nadmiernych strat energetycznych.

2. Wyniki audytów.

Wyniki przeprowadzonych audytów pompowych pozwalają na sformułowanie poniższych stwierdzeń.

Daje się wyróżnić powtarzająca się grupa przyczyn nadmiernych strat energii:

a) Pogorszony stan techniczny pomp. Parametry każdej pompy w trakcie eksploatacji ulegają stopniowemu pogorszeniu. Dotyczy to również sprawności energetycznej. Jeśli nie jest prowadzona odpowiednia polityka remontowa to z czasem straty energii z tego tytułu osiągają znaczącą wartość. Częsty błąd polega na tym, że od wykonawców remontów egzekwuje się odtworzenie tzw. „sprawności ruchowej” (niski poziom drgań, niskie temperatury poszczególnych węzłów konstrukcyjnych itp.) natomiast nie zwraca się uwagi na parametry hydrauliczne. Sprawność pompy w znacznym stopniu zależy od geometrii i jakości wykonania elementów układu przepływowego (wirniki, kierownice). Jeśli remont ogranicza się do wymiany łożysk i uszczelnień, a elementy układu przepływowego nie są wymieniane lub wymieniane są na części nieoryginalne to sprawność tak wyremontowanej pompy może w znacznym stopniu odbiegać od sprawności pompy nowej. Paradoksalnie, stosowanie przemienników częstotliwości może mieć często skutek w postaci nieujawnienia pogorszonej sprawności bowiem jeśli pompa pracuje ze stałą prędkością obrotową to w miarę pogarszania stanu technicznego traci wydajność co mobilizuje użytkownika do przeprowadzenia remontu. Jeśli natomiast pompa pracuje z automatyczną regulacją prędkości obrotowej to w miarę pogarszania stanu technicznego układ regulacji podnosi stopniowo obroty dzięki czemu pompa utrzymuje wymaganą wydajność i ciśnienie lecz wykazuje zwiększony pobór mocy co nie zawsze zostaje zauważone. Jako ilustrację na rys. 1. pokazano wyniki pomiarów sprawności pięciu pomp tego samego typu pracujących równolegle na wspólny kolektor.

Rys. 1. Porównanie zmierzonych sprawności pomp tego samego typu pracujących równolegle.

Jak widać, stwierdzono, że maksymalne sprawności poszczególnych pomp wahają się w zakresie 62-80% co świadczy o mocno zróżnicowanym stanie technicznym wynikającym z jakości prowadzonych remontów. W przypadku pompowni, której dotyczy rys. 1. pompy były prawidłowo dobrane do wymagań i sprawność maksymalna wypadała w pobliżu wydajności roboczej. Fakt, że ta maksymalna sprawność w tak znacznym stopniu różniła się dla poszczególnych pomp był przyczyną znacznych strat energii.

Źródło strat w postaci sprawności pomp obniżonej w stosunku do wartości fabrycznej, mimo że z pozoru oczywiste, jest często w praktyce nieuwzględniane. W wyniku tego rozważa się różnego rodzaju modernizacje nie biorąc pod uwagę, że podobny efekt można uzyskać niejednokrotnie tańszym kosztem, po prostu doprowadzając pompę do właściwego stanu drogą prawidłowo wykonanego remontu.

b)  Niedopasowanie parametrów pomp do aktualnych wymagań.

Powód ten jest charakterystyczny dla wielu pompowni wodociągowych projektowanych w latach 80-tych XX w. lub wcześniej kiedy to przewidywane zapotrzebowanie na wodę było znacznie większe. W rezultacie obecnie, po spadku zapotrzebowania, wiele pomp pracuje przy wydajnościach znacznie niższych niż optymalne. Należy podkreślić, że wynikających z tego strat nie da się całkowicie wyeliminować drogą regulacji prędkości obrotowej, szczególnie w pompowniach wodociągowych, w których przyjęty sposób pracy polega na utrzymywaniu stałego ciśnienia w kolektorze niezależnie od wydajności. Zastosowanie regulacji prędkości obrotowej daje, oczywiście, dostrzegalne oszczędności w porównaniu z dławieniem, lecz nie eliminuje w pełni strat. Wynika to z tego, że optimum sprawności pompy wirowej przy zmniejszaniu prędkości obrotowej przesuwa się po paraboli, a zatem spadkowi wydajności towarzyszy znaczny spadek ciśnienia. Jeśli zatem przy zmniejszaniu wydajności utrzymywane jest stałe ciśnienie to pompa wychodzi z obszaru najwyższych sprawności. Efekt ten można zaobserwować na przykładowej charakterystyce pokazującej zmianę sprawności pompy wirowej przy zmianie obrotów jak na rys. 2.

Rys. 2. Przykładowa charakterystyka pompy wirowej przy zmiennej prędkości obrotowej.

Jeśli zatem występuje zbyt duża rozbieżność pomiędzy parametrami nominalnymi pompy a aktualnym zapotrzebowaniem, to uzyskanie pracy z optymalną sprawnością drogą regulacji prędkości obrotowej nie jest możliwe i wskazana jest wymiana pompy na mniejszą.

c) Nieoptymalna metoda regulacji.
Pomimo coraz powszechniejszego stosowania nowoczesnych metod regulacji, jak zmiana prędkości obrotowej, nadal spotykane są mniej efektywne sposoby, jak na przykład dławienie.

d) Nieoptymalny układ pompowy.
Oprócz w/w przyczyn nadmiernych strat związanych z pompami występują przypadki, gdzie wadliwa jest koncepcja działania całego układu pompowego. Typowym przykładem jest zasilanie ze wspólnego kolektora kilku punktów odbiorów wody, w których wymagane są różne ciśnienia. W takiej sytuacji w punktach odbioru, gdzie wymagane jest ciśnienie niższe od panującego w kolektorze (wymuszonego wymaganym maksymalnym ciśnieniem odbioru) występuje strata dławienia.

Poszczególne, wyżej wymienione przyczyny nadmiernych strat energii występują najczęściej łącznie, aczkolwiek stwierdzono również przypadki, gdy jeden z powyższych powodów wyraźnie ominował. Na 36 poddanych audytowi układów pompowych stwierdzono:

a) 26 przypadków niedopasowania parametrów do wymagań,
b) 19 przypadków znacznie pogorszonego stanu technicznego pomp,
c) 7 przypadków błędnej koncepcji układu pompowego,
d) 6 przypadków nieoptymalnej metody regulacji. Stosunkowo rzadkie występowanie tej przyczyny, jak stwierdzono wyżej, wynikało z faktu, że audyty przeprowadzano w zakładach stojących na wysokim poziomie technicznym, gdzie nowoczesne metody regulacji w wielu przypadkach zostały już wdrożone.

Możliwości oszczędności energii można znaleźć w niemal 100% układów pompowych. Istotna jest jednak skala możliwego do uzyskania ograniczenia energii oraz stopa zwrotu z inwestycji w przedsięwzięcia modernizacyjne. W ramach przeprowadzonych audytów oszacowano potencjalne możliwości w zakresie oszczędności energii. Jeśli układ pompowy pracuje przy zmiennych parametrach to dla oszacowania zużycia energii istotny jest godzinowy rozkład parametrów. Metodologia obliczeń stosowana w trakcie audytów polegała na tym, że w miarę możliwości starano się uzyskać dane historyczne obejmujące szeroki okres, np. jednego roku. Ponieważ wiele badanych układów wyposażonych było w systemy rejestracji parametrów możliwe było analizowanie dokonywanych co godzinę zapisów wydajności i wysokości podnoszenia (Q i H). Jeśli nie było sugestii użytkownika dotyczących przewidywanych zmian w układzie przyjmowano, że przyszły rozkład parametrów będzie się pokrywał z zarejestrowanym rozkładem historycznym. Roczne zużycie energii obliczano przez zsumowanie zużycia energii w poszczególnych godzinach przy zarejestrowanych parametrach.

Na 36 poddanych audytowi układów pompowych stwierdzono:
a) w 4 przypadkach możliwość zaoszczędzenia do 10 % energii,
b) w 15 przypadkach możliwość zaoszczędzenia 10-20% energii,
c) w 8 przypadkach możliwość zaoszczędzenia 20-30% energii,
d) w 9 przypadkach możliwość zaoszczędzenia ponad 30% energii.

Jak widać skala możliwych do uzyskania oszczędności jest wysoka. Jedynie w 4 przypadkach na 36 (tj. w co 9-tym układzie) potencjalne oszczędności nie przekraczały 10% zużycia energii, a w pozostałych były wyższe. Na ponowne podkreślenie zasługuje fakt, że sytuacja taka ma miejsce w układach pompowych funkcjonujących w zakładach o dobrym poziomie technicznym, gdzie w wielu przypadkach wdrożone już są nowoczesne metody regulacji parametrów.

Z punktu widzenia ekonomicznego zasadnicze znaczenie ma wielkość nakładów wymaganych dla uzyskania oszacowanych wyżej potencjalnych oszczędności energii oraz okres zwrotu nakładów. W ramach audytu obliczano wskaźniki ekonomiczne jak NPV (wartość zaktualizowana netto) oraz wewnętrzna stopa zwrotu (IRR). W niniejszym artykule zaprezentowane zostaną jedynie proste okresy zwrotu nakładów (SPBT) obliczane na podstawie aktualnej ceny energii elektrycznej. Bardziej złożone wskaźniki ekonomiczne (NPV, IRR) obciążone są koniecznością arbitralnego przyjmowania pewnych założeń, jak np. wysokość stopy dyskonta lub prognoza zmiany cen energii elektrycznych w kolejnych latach i dlatego nie zawsze są w pełni porównywalne ze sobą.

W omawianych 36 przypadkach audytowanych układów pompowych wyliczono:
a) w 2 przypadkach prosty okres zwrotu powyżej 10 lat,
b) w 5 przypadkach prosty okres zwrotu 5 – 10 lat,
c) w 19 przypadkach prosty okres zwrotu 2 – 5 lat,
d) w 10 przypadkach prosty okres zwrotu poniżej 2 lat.

Można zatem stwierdzić, że oszacowane okresy zwrotu nakładów na modernizację w zdecydowanej większości były atrakcyjne lub bardzo atrakcyjne.

Podane wyżej wyniki dotyczące możliwych do uzyskania oszczędności energii oraz okresów zwrotu dotyczą wariantów modernizacji uznanych za optymalne. W ramach przeprowadzonych audytów rozważano bowiem różne warianty alternatywne. Ponieważ, jak wspomniano, różne przyczyny strat energii występowały często łącznie, możliwe były różne działania oszczędnościowe. Typowa była sytuacja gdy eliminując wszystkie przyczyny strat dało się uzyskać maksymalne oszczędności energii co wiązało się jednak ze znacznymi nakładami, a jednocześnie możliwe było działanie cząstkowe wymagające mniejszych nakładów i dające ograniczony efekt lecz o korzystniejszej stopie zwrotu nakładów. Jako przykład omówiony zostanie układ pompowy pokazany schematycznie na rys. 3.

Rys. 3. Schemat analizowanego układu.

Układ składał się z ujęcia brzegowego wody surowej, która była pompowana do zbiornika wieżowego zbudowanego na położonym wyżej terenie przy pomocy pompy z silnikiem o mocy 1 MW. Z tego zbiornika woda spływała grawitacyjnie na akceleratory. Rozpływy na poszczególne urządzenia były regulowane zaworami dławiącymi. Na podstawie zapisów z systemu rejestracji sporządzono wykres rocznego rozkładu parametrów Q, H dla pompy na ujęciu (rys. 4.) oraz wykres uporządkowany (rys. 5.) pokazujący przez jaką ilość godzin w ciągu roku układ pracował z określoną wydajnością.

Rys. 4. Roczny rozkład parametrów Q, H w analizowanym układzie pompowym.

Rys. 5. Wykres uporządkowany wydajności w analizowanym układzie pompowy.

Rozkład parametrów na rys.4. pokazuje dwa tryby pracy układu: z dławieniem (punkty układające się ukośnie wzdłuż charakterystyki pompy) oraz z regulacją prędkości obrotowej (punkty układające się poziomo tj. przy stałym ciśnieniu w kolektorze utrzymywanym przez zmianę prędkości obrotowej). Ilustruje to oszczędności wynikające z zastosowania regulacji prędkości obrotowej gdyż przy dławieniu nadmiar ciśnienia wynikający z charakterystyki pompy przy danej wydajności ponad ciśnienie w kolektorze był tracony na zaworach dławiących. Praca z dławieniem nie była w ramach audytu analizowana gdyż nie powinna mieć miejsca od czasu zainstalowania regulacji prędkości obrotowej. Jednak jak niżej wykazano możliwe były dalsze oszczędności energii w stosunku do pracy z regulacją prędkości obrotowej. Dokonane pomiary charakterystyk pompy pracującej na ujęciu brzegowym wykazały, że znajduje się ona w dobrym stanie technicznym gdyż punkty pomiarowe leżały blisko charakterystyki fabrycznej. Jak widać z rys. 4. pompa z regulacją prędkości obrotowej pracuje przy wysokości podnoszenia na poziomie 70 m w zakresie 1500 – 3500 m3/h. ten zakres pracy naniesiono na tle charakterystyki pompy przy zmiennej prędkości obrotowej (rys. 6).

Rys. 6. Zakres pracy pompy na tle charakterystyki istniejącej pompy przy zmiennych obrotach.

Jak widać pompa pracuje poniżej wydajności optymalnej. W rezultacie, pomimo regulacji przez zmianę prędkości obrotowej pompa pracuje ze sprawnością 65-76% podczas, gdy jej maksymalna sprawność jest zbliżona do 78%. Najprostszy wariant modernizacji polegał zatem na zastosowaniu pompy o niższej wydajności nominalnej. W celu ograniczenia kosztów zaproponowano przebudowę istniejącej pompy obejmującej wymianę układu przepływowego (wirnik, kierownica). Pozwalało to uniknąć nakładów na przebudowę stanowiska. Charakterystyka zmodernizowanej pompy z naniesionym zakresem pracy pokazana jest na rys. 7.

Rys. 7. Zakres pracy pompy na tle charakterystyki zmodernizowanej pompy.

Obliczenia wykazały, że taka modernizacja pozwoli zaoszczędzić 15% zużywanej energii (w stosunku do pracy aktualnej pompy z regulacją prędkości obrotowej) czyli 948 MWh rocznie, a szacowane nakłady zwrócą się po sześciu miesiącach.

Analiza układu wskazała na możliwość dalszych oszczędności. Wysokość podnoszenia rzędu 70 m, przy której pracuje pompa na ujęciu wynika z tego, że wysokość zbiornika wieżowego wynosi ok 20 m ponad poziom terenu. Wysokość napływu z tego zbiornika wymagana dla pracy akceleratorów wynosi około 8 m, a nadmiar 12 m wynika z potrzeby dławienia dla regulacji rozpływów. Zaproponowano alternatywny wariant pracy układu polegający na rezygnacji ze zbiornika wieżowego, budowy zbiornika na poziomie terenu, z którego akceleratory byłyby zasilane przez pompy o wysokości podnoszenia rzędu kilku metrów pracujące z regulacją prędkości obrotowej. Takie rozwiązanie pozwala na obniżenie wysokości podnoszenia pompy na ujęciu z 70 do ok. 58 m i znaczny spadek poboru mocy. Odbywa się to kosztem dodatkowego zużycia mocy przez nowe pompy zasilające akceleratory lecz obliczenia wykazały, że w takim wariancie można zaoszczędzić w stosunku do stanu aktualnego 31% energii czyli 2032 MWh rocznie. Ze względu na wysokie nakłady (wymiana pomp na ujęciu, budowa nowego zbiornika i nowych pompowni) okres zwrotu w takim przypadku jest dłuższy i wynosi ok. 4.5 roku.

Na podkreślenie zasługuje fakt, że przeprowadzenie audytu energetycznego w niektórych przypadkach pozwala uniknąć zbędnych nakładów na modernizacje, które nie przyniosą oczekiwanych efektów. Przykładem tego jest pompa ściekowa pracująca aktualnie w zakresie wydajności 500-800 m³/h i z wysokością podnoszenia rzędu 10 m z regulowaną prędkością obrotową. Parametry nominalne pompy wynoszą Q = 1000 m³/h i H = 28 m. Wobec takiej różnicy pomiędzy parametrami aktualnymi a nominalnymi użytkownik wytypował pompę do wymiany, co wydaje się racjonalną decyzją. Pomiary dokonane w ramach audyty pozwoliły oszacować przebieg charakterystyki układu, po jakiej pracuje pompa oraz stwierdzić, że znajduje się ona w dobrym stanie technicznym. Aktualne parametry pracy zostały naniesiona na tle charakterystyki pompy (rys. 8).

Rys. 8. Aktualne parametry na tle charakterystyki pompy.

Jak widać w tym przypadku pomimo nadmiaru parametrów nominalnych pompa przy zredukowanej prędkości obrotowej pracuje w obszarze optymalnej sprawności. Straty związane są jedynie z niedociążeniem silnika, który przy znacznie obniżonym poborze mocy wykazuje nieco pogorszoną sprawność. Gdyby dokonywano zakupu nowej pompy na aktualnie wymagane parametry to oczywiście zakup pompy o takim nadmiarze parametrów jak dla pompy istniejącej byłby nieuzasadniony, przede wszystkim ze względu na wyższą cenę. Skoro pompa już jednak jest zainstalowana to jej wymiana na mniejszą nie jest uzasadniona gdyż istniejąca pracuje w korzystnym obszarze sprawności.

   3.  Podsumowanie i wnioski.

Dane uzyskane z 36 audytów układów pompowych w firmach stojących na dobrym poziomie technicznym pozwalają sformułować następujące wnioski:

• w zdecydowanej większości analizowanych układów pompowych stwierdzono znaczny potencjał oszczędności,
• większość proponowanych modernizacji wykazuje atrakcyjne wskaźniki ekonomiczne,
• występuje powtarzająca się grupa przyczyn strat energii,
• powszechnie stosowane przedsięwzięcia modernizacyjne polegające jedynie na instalowaniu przemienników częstotliwości nie wyczerpują potencjału oszczędności. Nawet w układach z nowoczesną regulacją prędkości obrotowej istnieje pole do dalszej optymalizacji. Należy brać pod uwagę inne czynniki, jak niedopasowanie parametrów pompy do aktualnych potrzeb, stan techniczny pomp, wady technologii w układzie,
• często występująca przyczyna nadmiernych strat energii w układach pompowych jaką jest pogorszona sprawność pomp jest z reguły niedoceniana. Jedną z prostszych możliwości oszczędzania energii na pompowanie jest prowadzenie polityki remontowej zapewniającej utrzymanie wysokiej sprawności energetycznej pomp w całym okresie eksploatacji,
• celowe jest przeprowadzanie profesjonalnych audytów układów pompowych gdyż umożliwiają one wskazanie źródeł oszczędności energii, a w niektórych przypadkach pozwalają uniknąć nakładów na nieuzasadnione przedsięwzięcia modernizacyjne.

dr inż. Grzegorz Pakuła

mgr inż. Mateusz Kasprzyk

Wprowadzenie.

Prawidłowe zaprojektowanie pompowni melioracyjnej wymaga połączenia wiedzy z kilku dziedzin. Obok znajomości melioracji i hydrologii, wymagana jest wiedza z zakresu budownictwa hydrotechnicznego, elektroenergetyki, automatyki, a także z zakresu techniki pompowej. Zamiarem autora niniejszego tekstu jest dostarczenie projektantom pompowni melioracyjnych podstawowych informacji z tej ostatniej dziedziny. Wydaje się to celowe między innymi z tego powodu, że pompy stosowane w tego rodzaju pompowniach cechują się specyficznymi właściwościami. Autor nie jest specjalistą z zakresu melioracji i hydrologii, dlatego zawarte w tekście informacje dotyczące tych działów wiedzy są jedynie ogólnikowe i ograniczone do zakresu koniecznego dla zrozumienia problematyki pompowej.

Pompownie melioracyjne.

Pompownie melioracyjne stosowane są do odpompowania wód z obszarów, z których ich naturalny, grawitacyjny odpływ nie jest możliwy. Dotyczy to w pierwszym rzędzie naturalnych obszarów depresyjnych lub bezodpływowych lecz również obszarów, z których naturalny odpływ wód został uniemożliwiony w wyniku działalności człowieka, jak na przykład w rezultacie budowy obwałowania sztucznego zbiornika lub wałów przeciwpowodziowych wzdłuż rzek. Przykładowy schemat pompowni melioracyjnej pokazano na rys. 1.

Pompownia posiada z reguły zbiornik (1) gromadzący dopływające wody i dysponujący pewną (zazwyczaj niewielką) retencją, tzn. zdolnością do zgromadzenia określonej objętości. Zadaniem pompowni jest przerzut wody do odbiornika (5) , którym najczęściej jest rzeka lub inny ciek wodny (kanał itp.). Co do zasady poziom wody w odbiorniku jest wyższy niż w zbiorniku dopływowym, gdyż w przeciwnym razie stosowanie pompowni byłoby nieracjonalne pod względem energetycznym, jako że możliwy byłby odpływ grawitacyjny. W typowym przypadku geometryczna różnica poziomów pomiędzy zbiornikiem dopływowym a odbiornikiem H g = H t – H s jest niewielka tzn. rzędu kilku metrów. Oba poziomy mogą ulegać zmianom np. na skutek ilości opadów, topnienia śniegu itp. O ile jednak poziom w zbiorniku dopływowym może być w znaczniej mierze kontrolowany poprzez zmianę wydajności pompowni, to na poziom wody w rzece będącej odbiornikiem nie ma w praktyce wpływu. Poziom wody w rzece z reguły przez większość czasu zbliżony jest do pewnej średniej wartości H t , i przy takiej wartości pompownia powinna pracować z maksymalną sprawnością energetyczną. Należy jednak uwzględnić, że w pewnych okresach poziom w odbiorniku może wzrastać do H tmax i pompownia musi być zdolna do pracy przy tak podwyższonym stanie wody, aczkolwiek w takim przypadku praca z optymalną sprawnością może nie być już możliwa.

Rys. 1. Przykładowy schemat pompowni melioracyjnej.

Dopływy do pompowni melioracyjnych są z reguły znaczne w porównaniu do innych rodzajów pompowni, tzn. liczone co najmniej w tysiącach metrów sześciennych na godzinę. Dopływy te wykazują zmienność związaną z pogodą, porą roku itp., a okresowo osiągają ekstremalnie wysokie wartości. Należy zdawać sobie sprawę, że budowa pompowni zdolnych do przyjęcia każdych, nawet katastrofalnych, powodziowych dopływów nie jest możliwa. Pompownie powinny być projektowane tak, aby w określonym, typowym zakresie dopływów pracować z maksymalnie wysoką sprawnością energetyczną, gdyż decyduje to o kosztach eksploatacji poprzez koszty energii. Powinny także wykazywać zdolność do przepompowania dopływu zwiększonego w pewnym zakresie. Ponieważ takie zwiększone dopływu występują jedynie w krótkich okresach, sprawność pompowania nie musi być w takich awaryjnych przypadkach podstawowym kryterium projektowania, musi natomiast występować zdolność do osiągnięcia założonej, maksymalnej wydajności. Należy pogodzić się z faktem, że pompownia nie będzie w stanie uchronić terenu przed zalaniem w wyjątkowych przypadkach gdy dopływy przekroczą tę maksymalną wartość.

Jak z tego wynika, podstawą do zaprojektowania pompowni melioracyjnej pracującej z optymalną sprawnością są dane hydrologiczne dotyczące poziomu wody w odbiorniku oraz wielkości dopływu. Typowy zakres pracy powinien być określony precyzyjnie. Nie powinno to być problemem w przypadku modernizacji pompowni pracującej od dłuższego czasu, gdyż powinny wtedy być dostępne dane zarejestrowane na przestrzeni poprzednich lat eksploatacji. Natomiast maksymalne parametry pompowni muszą być określone arbitralnie jako pewna wielokrotność normalnych parametrów z uwzględnieniem kosztów związanych z podwyższaniem parametrów.

Należy dodać, że w przypadku gdy w wyniku powodzi dojdzie do zalania terenu, na którym pracuje pompownia (jak na rys.1) to usuwanie skutków drogą pompowania wody za wał jest rozwiązaniem wątpliwym. Jeśli poziom wody w odbiorniku jest ponownie niski, to bardziej skuteczne i mniej kosztowne pod względem energetycznym jest wykonanie przerwy wale umożliwiającej spływ grawitacyjny. Korzystnym rozwiązaniem byłoby przygotowanie na taką okoliczność zamykanych przepustów w wałach.

Dla pracy pompowni istotne znaczenie ma sposób odprowadzenia wody do odbiornika. W niektórych przypadkach może się to odbywać otwartym kanałem. W przypadku stosowania rurociągów (poz. 3, rys.1) należy przestrzegać poniższych zasad mających znaczny wpływ na energochłonność pompowania:

• Wylot rurociągu, co do zasady powinien się znajdować na poziomie wody w odbiorniku. Umieszczenie wylotu powyżej tego poziomu powoduje wzrost zużycia energii na zbędne zwiększanie energii potencjalnej wody, która to energia jest następnie tracona w swobodnym spadku po wypływie z rurociągu. Umieszczanie wylotu poniżej poziomu w odbiorniku nie powoduje oszczędności energii, gdyż wysokość geometryczna pompowania jest liczona wtedy do tego poziomu.
• Jeśli do pokonania jest wał przeciwpowodziowy (poz. 4, rys.1) to rurociąg powinien w miarę możliwości przechodzić przez niego. Prowadzenie rurociągu ponad wałem co prawda nie musi powodować znacznego zwiększenia zużycia energii, gdyż jeśli rurociąg po przeciwnej stronie wału schodzi w dół to działa efekt lewara (aczkolwiek tylko wtedy gdy przepływ odbywa się pełnym przekrojem). Zwiększają się jednak w pewnym stopniu straty przepływu. Co najważniejsze jednak, prowadzenie rurociągu ponad wałem powoduje, że w przypadku startu pompy na pusty rurociąg musi ona pokonać większą wysokość podnoszenia, co powoduje konieczność zainstalowania silnika większej mocy. Jeśli wylot z rurociągu znajduje się na średnim poziomie wody w odbiorniku, a rurociąg przechodzi przez wał (jak na rys.1) to należy zainstalować klapy zwrotne uniemożliwiające przepływy powrotne w przypadku zwiększenia się poziomu w odbiorniku.
• Należy minimalizować straty przepływu w rurociągach gdyż odpowiadają one za znaczą część zużycia energii. Jeśli całkowita wysokość podnoszenia pompowni jest rzędu kilku metrów to kilkadziesiąt centymetrów strat powoduje zwiększenie zużycia energii rzędu dziesięciu procent. Aby tego uniknąć należy stosować średnice odpowiednie do wydajności, ograniczyć ilość armatury na rurociągu do niezbędnego minimum oraz stosować armaturę o minimalnych oporach w stanie otwartym. W szczególności dotyczy to klap zwrotnych, które powinny być wyposażone w przeciwwagi, tak aby otwierały się bez konieczności znacznego zwiększania ciśnienia przed nimi, a po otwarciu stawiały minimalny opór dla przepływu.
• Wskazane jest stosowanie dyfuzorów zmniejszających prędkość na wypływie z rurociągu. Zalecana przez normy prędkość przepływu w rurociągach jest na poziomie 2-3 m/s. Odpowiada to energii kinetycznej v²/2g odpowiadającej wysokości 20 – 46 cm. Energia ta stanowi w całości stratę wylotową o takiej wartości. Dlatego celowe jest spowolnienie prędkości na wypływie (związane z zamianą energii kinetycznej na ciśnienie) drogą stosowania zwiększenia przekroju rurociągu na wypływie. Może to dać stałą oszczędność zużycia energii rzędu kilku procent.

Specyfika pomp stosowanych w pompowniach melioracyjnych.

Jak wynika z powyższego w typowym przypadku w pompowniach melioracyjnych zastosowanie znajdują pompy o wydajności rzędu kilku tysięcy metrów sześciennych na godzinę i wysokości podnoszenia rzędu kilku metrów. Na takie parametry stosuje się pompy śmigłowe o przepływie osiowym. Są one zaliczane do grupy pomp wirowych, lecz wykazują daleko idącą odmienność w stosunku do innych pomp tej kategorii. Już sama zasada ich działania jest inna. O ile w pozostałych pompach wirowych mechanizm przekazywania do cieczy energii przez wirnik oparty jest głównie o wykorzystanie działania siły odśrodkowej to w przypadku pomp śmigłowych mechanizm ten ma mniejsze znaczenie gdyż przepływ odbywa się w kierunku osiowym. Dla rozpędzania cieczy (czyli przekazywania jej energii kinetycznej) znaczenie ma różnica ciśnień występująca po obu stronach łopatki. Z tego powodu w pompach śmigłowych należy stosować łopatki o specjalnych profilach hydrodynamicznych.

Charakterystyki pomp śmigłowych mają specyficzny przebieg. Cechują się one znaczną stromością, co oznacza, że przy zmianie wydajności silnie zmienia się wysokość podnoszenia. Ujmując to inaczej, można stwierdzić, że pompa śmigłowa w przypadku wzrostu ciśnienia po stronie tłocznej jaki musi pokonać „stara się” utrzymać stałą wydajność. Pompy śmigłowe mają zatem znaczną zdolność do dostosowania się do pracy przy zmiennej wysokości podnoszenia.

Rys. 2. Przykładowa charakterystyka pompy śmigłowej.

Oczywiście, stromość charakterystyki nie powinna być oceniana optycznie, bo widoczny efekt stromości można uzyskać zmieniając skalę wykresu. Ocena stromości polega na obliczeniu gradientu charakterystyki czyli ΔH / ΔQ. Dla zademonstrowania różnic na rys. 2 pokazano przykładową charakterystykę pompy śmigłowej, a na rys. 3 przykładową charakterystykę pompy odśrodkowej dwustrumieniowej.

Rys. 3. Przykładowa charakterystyka pompy odśrodkowej dwustrumieniowej.

Pompa śmigłowa o charakterystyce jak na rys. 2 posiada parametry nominalne Q = 3900 m³/h i H = 8.8 m. Przy spadku wydajności o 20% czyli do 0.8 Q_n (3120 m³/h) wysokość podnoszenia rośnie do 12.3 m, a zatem o 3.5 m czyli około 40% H_n.

Dla porównania pompa odśrodkowa o charakterystyce jak na rys. 3 posiada parametry nominalne Q = 1050 m³/h i H = 44.5 m. Przy spadku wydajności o 20% czyli do 0.8 Q_n (840 m³/h) wysokość podnoszenia rośnie do 48.5 m, a zatem o 4 m czyli około 9% H_n.

Pompy śmigłowe wykazują też większa stromość charakterystyki sprawności, co jest niekorzystne gdyż oznacza to, że wykazują wysoką sprawność w węższym zakresie wydajności. Dla przykładu, obie pompy z rys. 2 i 3 wykazują sprawność maksymalną zbliżoną do 86%. Porównajmy zakresy pracy, w którym pompy te pracują ze sprawnością powyżej 0.9 sprawności maksymalnej czyli 0.9 x 86% = 77.4 %. Jak widać z powyższych charakterystyk pompa śmigłowa utrzymuje sprawność powyżej 77.4 % w zakresie od około 0.86 Q_n do około 1.13 Q_n, a pompa odśrodkowa w zakresie od około 0.57 Q_n do około 1.43 Q_n, czyli niemal trzykrotnie szerszym.

Skutkiem tego, że charakterystyka pompy śmigłowej jest stroma (czyli że wydajność spada wolno ze wzrostem wysokości podnoszenia) jest to, że ze wzrostem wysokości podnoszenia (czyli ze spadkiem wydajności) rośnie pobór mocy, osiągając wartość maksymalną przy Q =0 czyli przy zamkniętej zasuwie. Dławienie pomp śmigłowych powoduje zatem wzrost poboru mocy. Jest to zjawisko odwrotne w stosunku do innych rodzajów pomp, które najczęściej przy zamkniętej zasuwie wykazują najmniejszy pobór mocy. Pompa śmigłowa w optymalnym zakresie pracy wykazuje zatem znacznie niższy pobór mocy niż przy niskich wydajnościach. Ze względów ekonomicznych zazwyczaj stosuje się silniki napędowe dobrane na optymalny zakres pracy, co oznacza, że przy silnym zadławieniu pompy silnik zostaje przeciążony. Dla przykładu pompa o charakterystyce z rys. 2 w optymalnym zakresie pracy ( tj. około Q = 3900 m³/h i H = 8.8 m) wykazuje pobór mocy na poziomie 110 kW. Gdyby stosować powszechne reguły dotyczące doboru rezerwy mocy silnika, to najzupełniej wystarczyłby silnik o mocy 132 kW. To by jednak oznaczało, że ze względu na przeciążenie, wydajność nie mogłaby spadać poniżej 3500 m³/h lub inaczej mówiąc wysokość podnoszenia nie mogłaby rosnąć powyżej 11 m. Z tego względu do pompy takiego typu zalecany byłby silnik o mocy 160 kW, który wystarcza do pracy pompy na odcinku charakterystyki zaznaczonej na rys. 2 liniami ciągłymi. Praca na jeszcze niższych wydajnościach, na odcinku charakterystyki zaznaczonym liniami przerywanymi wymagałaby silnika jeszcze większej mocy. W szczególności, aby umożliwić start pompy przy zamknie tej zasuwie konieczny byłby silnik o mocy co najmniej 250 kW. Takie rozwiązanie jest jednak niekorzystne ze względy na gabaryt, masę i cenę silnika, ze względu na konieczność zaprojektowania całego układu zasilania na wyższą moc, a także ze względu na fakt, że silnik o tak wysokiej mocy w optymalnym zakresie pracy pompy byłby niedociążony, a zatem wykazywał niższą sprawność. Z powyższych powodów do napędu pomp śmigłowych stosuje się zazwyczaj silniki o mocach dobranych na przewidywany, optymalny zakres pracy, które nie umożliwiają pracy pompy przy skrajnie niskich wydajnościach. Pompownie powinny być zatem tak projektowane aby start pompy nie odbywał się przy zamkniętej zasuwie.

Pompy śmigłowe najczęściej pracują w układzie pionowym, aczkolwiek znane są też rozwiązania w układzie poziomym, gdzie wał pompy wychodzi przez kolano na zewnątrz rurociągu, do poziomego silnika napędowego. Tradycyjne rozwiązanie polegało na zastosowaniu tzw. wałowych pomp pionowych, których zespół hydrauliczny zanurzony był w wodzie, pompowana ciecz przepływała rurą wzdłuż wału i była odprowadzana w bok przez kolano, a stacjonarny silnik umieszczony był powyżej na osobnej podstawie. W ostatnim czasie powszechne zastosowanie znajdują pompy śmigłowe w wersji zatapialnej, w których wirnik montowany jest bezpośrednio na końcówce wału silnika elektrycznego, a silnik jest uszczelniony przez uszczelnienia mechaniczne pracujące w komorze olejowej. Powodem stosowania pomp zatapialnych jest oszczędność kosztów przy budowie infrastruktury pompowni. Pompy są najczęściej instalowane w tzw. szybach rurowych. Przykładowy wariant takiego sposobu instalacji pokazany jest schematycznie na rys. 4. Pompa stanowiąca całość z silnikiem jest opuszczana w głąb szybu i osadzana pod własnym ciężarem w stożkowym gnieździe znajdującym się na spodzie szybu. Po instalacji pompy szyb zamykany jest od góry pokrywą zawierającą uszczelnione wyjście kabla zasilającego. Wypływ wody odbywa się poziomym rurociągiem wychodzącym prostopadle z szybu. Na szkicu na rys. 4 pokazano proste wyjście rurociągu. Ze względu na wspomnianą wyżej konieczność minimalizacji strat przepływu wskazane jest zastosowanie bardziej złożonych rozwiązań konstrukcyjnych wyjścia rurociągu z szybu zapewniających minimalizację współczynnika oporu.

Celem uniknięcia nadmiernego poboru mocy podczas uruchomienia pompy w trakcie jej postoju rurociąg tłoczny nie musi być zalany. Woda może opaść do poziomu w zbiorniku dopływowym (linia przerywana na rys. 4). Po starcie pompa pracuje przy minimalnej wysokości podnoszenia lecz na skutek wysokiej wydajności w krótkim czasie wypełni rurociąg.

Rys. 4. Schemat zabudowy pompy śmigłowej zatapialnej.

Regulacja parametrów pomp w pompowniach melioracyjnych .

Prawidłowy dobór pomp powinien umożliwić ich pracę z maksymalną sprawnością energetyczną. Zagadnienie to byłoby proste, gdyby pompownia pracowała w jednym, stałym punkcie pracy określonym przez wydajność Q oraz wysokość podnoszenia H. W praktyce jednak oba te parametry się zmieniają. Wymagana wydajność zależy od wielkości dopływu wód, zależnej od warunków atmosferycznych i pory roku. Podobnie zmienia się wysokość geometryczna wynikająca głównie z poziomu wody w odbiorniku. Jeśli zwiększony dopływ wynika z intensywnych opadów to na ogół towarzyszy mu wzrost wysokości podnoszenia gdyż poziom wody w odbiorniku rośnie. Nie musi to być jednak regułą gdyż zwiększenie poziomu wody w rzece będącej odbiornikiem może wynikać z opadów, jakie wystąpiły w górnej części jej zlewni, podczas gdy w okolicy pompowni zwiększone dopływy nie wystąpiły. Wynika z tego, że pomiędzy wymaganą wydajnością a wysokością podnoszenia nie ma ścisłej relacji, a pompownia powinna być zdolna do pracy przy różnych kombinacjach Q i H. Można jedynie stwierdzić, że mało prawdopodobna jest sytuacja kiedy zwiększonemu dopływowi towarzyszy spadek wysokości podnoszenia, co by odpowiadało charakterystyce pompy pracującej bez żadnej regulacji. Jakaś metoda regulacji parametrów pompowni jest zatem potrzebna.

W przypadku pomp śmigłowych niekorzystna jest regulacja przez dławienie polegająca na doborze pomp z nadmiarem wydajności oraz dławieniu zaworem w przypadku gdy wymagana jest wydajność zmniejszona. W przypadku pomp śmigłowych spadkowi wydajności związanemu z dławieniem towarzyszy wzrost poboru mocy, a zatem dławienie, które nigdy nie jest korzystną pod względem energetycznym metodą regulacji, w tym przypadku jest wyjątkowo szkodliwe.

Stromość charakterystyki pomp śmigłowych jest cechą korzystną w tym sensie, że pozwala im utrzymać wydajność oraz utrzymać się w korzystnym zakresie sprawności przy wysokości podnoszenia zmieniającej się w stosunkowo szerokim zakresie. Dla przykładu pompa śmigłowa o charakterystyce jak na rys. 2 o parametrach nominalnych Q = 3900 m3/h i H = 8.8 m i sprawności maksymalnej 85.8% pracuje ze sprawnością powyżej 0.9 ɳ max przy wysokości podnoszenia od 5.5 do 11.5 m zmieniając wtedy wydajność od 4400 do 3350 m3/h. Zatem przy bardzo znacznych zmianach wysokości podnoszenia (od 0.625 do 1.31 Hn) jest w stanie pracować ze sprawnością powyżej 0.9 ɳ max utrzymując się w zakresie wydajności 0.86 do 1.13 Qn. Oznacza to, że pompy śmigłowe bez dodatkowej metody regulacji są w stanie dostosować się do znacznych zmian wysokości podnoszenia, np. spowodowanych zmianą poziomu wody w odbiorniku, bez dużej zmiany wydajności.

Stromość charakterystyki powoduje jednocześnie, że pompy śmigłowe pracując przy wysokości podnoszenia zmieniającej się w niewielkim zakresie nie są w stanie samoczynnie zmieniać wydajności, a zatem dostosowanie się do zmiennej wielkości dopływu wymaga pewnej metody regulacji.

Konstrukcja pomp wirowych umożliwia regulację przez zmianę ustawienia kąta łopatek wirnika. (rys. 5) Jest to metoda regulacji korzystna w warunkach gdy należy zmieniać wydajność w szerokim zakresie przy stałej wysokości podnoszenia. Jak widać z charakterystyki pokazanej na rys. 5 pole pracy z najwyższą sprawnością układa się niemal poziomo, wzdłuż linii H = const. Niestety, zastosowanie mechanizmu zmiany kąta ustawiania łopatek możliwe jest tylko w większych pompach stacjonarnych wałowych, natomiast w zatapialnych pompach śmigłowych mniejszej i średniej wielkości ta metoda regulacji z reguły nie jest stosowana.

Parametry pomp śmigłowych regulować można również przez zmianę prędkości obrotowej. (rys. 6) Przy zastosowaniu tej metody regulacji pole pracy z optymalną sprawnością, jak wynika z charakterystyki na rys. 6, położone jest wzdłuż paraboli co powoduje, że przy pracy ze stałą wysokością podnoszenia i zmienną wydajnością pompa dość szybko wychodzi z optymalnego zakresu sprawności. Ponadto, ze wzrostem prędkości obrotowej szybko wzrasta pobór mocy, a zatem dla regulacji wydajności w szerokim zakresie należałoby zastosować napęd (silnik- falownik) wysokiej mocy.

Rys. 5. Przykładowa charakterystyka pompy śmigłowej ze zmiennym katem ustawienia łopatek.

Rys. 6. Przykładowa charakterystyka pompy śmigłowej przy zmiennej prędkości obrotowej.

Przy pracy ze stałą (w przybliżeniu) wysokością podnoszenia wydajność pompy da się efektywnie regulować tylko w pewnym otoczeniu wydajności nominalnej (rzędu wydajność nominalna +/- 25%). Jeśli natomiast wydajność pompowni ma się zmieniać w szerszym zakresie to regulacja jednej pompy staje się nieefektywna. W takim przypadku konieczne staje się zastosowanie kilku pomp pracujących równolegle i włączanie do pracy odpowiedniej ich liczby. Korzystne może być zastosowanie nie kilku pomp o tej samej wydajności lecz o wydajności zróżnicowanej. Na przykład, jeśli wydajność pompowni ma się zmieniać od 0.5 Q do 3 Q, to zamiast stosowania trzech pomp o wydajności Q korzystniejsze może być zastosowanie dwu pomp o wydajności 0.5 Q i dwu o wydajności Q, gdyż wtedy można uzyskać łączne wydajności 0.5Q , Q , 1.5Q , 2Q , 2.5Q oraz 3Q, czyli wymagany zakres wydajności jest pokryty z mniejszym interwałem pomiędzy optymalnymi wydajnościami pompowni.

Wydajności pośrednie pomiędzy wydajnościami będącymi wielokrotnością wydajności nominalnych poszczególnych pomp można uzyskać przez doregulowanie jedną z dwu metod:

a)      Zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej na jednej lub kilku pompach

b)      Dopasowanie wydajności pompowni do wielkości dopływu poprzez zmianę czasu pracy pomp. Takie rozwiązanie pozwala na pracę pompy przy optymalnej sprawności lecz wymaga istnienia zbiornika dopływowego o znacznej retencji celem umożliwienia zgromadzenia nadmiaru dopływającej wody w okresie pracy z mniejszą ilością pomp.

Jeśli poziom wody w odbiorniku utrzymuje się na stałym w przybliżeniu poziomie to regulacja parametrów pompowni melioracyjnej polega na zastosowaniu jednej z opisanych wyżej sposobów regulacji wydajności przy stałej wysokości podnoszenia. Stałość (przybliżona) wysokości podnoszenia przy zmiennej wydajności wynika z tego, że w prawidłowo zaprojektowanej pompowni melioracyjnej straty przepływu powinny być nieznaczne, a zatem charakterystyka rurociągu powinna być płaska.

Innego rodzaju zagadnienie powstaje w przypadku gdy pompownia musi zapewnić określoną wydajność przy znacznych zmianach wysokości podnoszenia przekraczających zakres możliwy do pokonania przez pompę wynikający ze stromości jej charakterystyki. Taka sytuacja zachodzi np. gdy poziom wody w odbiorniku gwałtownie rośnie. Można w takich sytuacjach stosować regulację przez zmianę prędkości obrotowej jednak, jak wynika z charakterystyki na rys. 6 zwiększanie wysokości podnoszenia przy stałej wydajności drogą zwiększania prędkości obrotowej powoduje szybkie wyjście poza obszar optymalnej sprawności co jest akceptowalne w sytuacjach alarmowych. Zwiększanie prędkości obrotowej powoduje jednak gwałtowny wzrost poboru mocy co wymaga zainstalowania napędów (silnik – falownik) o odpowiedniej mocy. Nie tylko zwiększa to koszt inwestycyjny lecz także powoduje że napęd dobrany na stan alarmowy w normalnym trybie pracy pracuje ze znacznym niedociążeniem, a zatem z obniżoną sprawnością.

Alternatywą może być stosowanie pomp różnego typu, o zbliżonej wydajności lecz zróżnicowanej wysokości podnoszenia: pomp o zwiększonej wysokości podnoszenia pracujących sporadycznie w stanach alarmowych oraz pomp o mniejszej wysokości podnoszenia pracujących w normalnych warunkach.

Interesującym rozwiązaniem może być instalacja pomp pozwalająca na ich pracę zarówno w układzie równoległym jak szeregowym rys. 7. Wymaga to zastosowania połączenia pomiędzy dwoma szybami rurowymi oraz zasuw odcinających. W normalnych warunkach pracy (niższe wysokości podnoszenia) zasuwa 2 jest zamknięta, a zasuwy 1 i 3 są otwarte. Obie pompy mogą wtedy pracować równolegle. Natomiast w stanach alarmowych gdy wymagane jest podwojenie wysokości podnoszenia po zamknięciu zasuw 1 i 3 oraz otwarciu zasuwy 2 pompy pracują w układzie szeregowym generując wymaganą wysokość podnoszenia. W takim przypadku zbędne jest instalowanie na którejkolwiek z pomp napędu o zwiększonej mocy.

Rys. 7. Pompy śmigłowe w szybach rurowych z możliwością pracy szeregowej.

Monitoring i sterowanie pracy pomp w przepompowniach melioracyjnych.

Obecny poziom rozwoju techniki pozwala na budowę pompowni pracujących bez obsługi. Pompy mogą być wyposażone w czujniki rejestrujące parametry ich pracy i pozwalające na ocenę stanu technicznego takie jak: temperatura łożysk i uzwojeń silnika, czujnik obecności wody w komorze olejowej uszczelnień, czujnik zawilgocenia silnika, kontrola kierunku obrotów i tym podobne w zależności od typu pompy. Dane dostarczane przez czujniki mogą być przekazywane zdalnie do centralnego systemu np. za pomocą sieci GSM, a tam archiwizowane. Dostarczone przez producenta dane o poziomach ostrzegawczych i alarmowych poszczególnych sygnałów mogą służyć do racjonalnego planowania przeglądów i remontów.

Z punktu widzenia efektywności energetycznej istotny jest sposób sterowania pompami w przypadku gdy stosowany jest pewien sposób regulacji parametrów pompowni. W najprostszym przypadku dostosowanie wydajności pompowni do wielkości dopływu polega wyłącznie na włączaniu i wyłączaniu odpowiedniej liczby pomp w oparciu o czujnik poziomu wody w zbiorniku dopływowym. Po przekroczeniu określonego poziomu włączane są dodatkowe pompy, a gdy poziom opada poniżej dolnego progu, są wyłączane. W takim przypadku kryterium optymalizacji zużycia energii jest bardzo proste – poziom w zbiorniku dopływowym należy utrzymywać możliwie wysoko. Ograniczeniu podlega jedynie różnica pomiędzy poziomem załączenia a wyłączenia pomp. Z punktu widzenia energetycznego oba poziomy powinny znajdować się jak najwyżej, lecz zbyt mała różnica pomiędzy nimi powodowałaby z byt częste włączanie i wyłączanie pomp, co niekorzystnie mogłoby wpłynąć na ich trwałość.

W sytuacji gdy oprócz włączania i wyłączania pomp istnieje możliwość bardziej precyzyjnego doregulowania wydajności, np. przez zmianę prędkości obrotowej jednej lub kilku pomp wybór optymalnego tryby pracy nie jest już oczywisty. Dla każdej z możliwych kombinacji dopływu Q i wysokości podnoszenia H możliwe są różne tryby pracy pompowni różniące się ilością pracujących pomp, długością okresu pracy pomiędzy włączeniami i wyłączeniami   oraz prędkością obrotową pomp regulowanych. Przykładowo, dla jednej pompy z regulowaną prędkością obrotową tę samą ilość wody można przepompować pracując krócej z wyższą prędkością obrotową lub dłużej z niższą prędkością, a zużycie energii w obu przypadkach będzie się różnić. Dla większej ilości pomp regulowanych zagadnienie jeszcze bardziej się komplikuje na skutek zwiększenia liczby możliwych kombinacji sposobu pracy. Obsługa o typowym stopniu znajomości techniki pompowej nie jest na ogół w stanie samodzielnie wybrać optymalnego pod względem energetycznym trybu pracy pompowni. Dla uzyskania optymalnych wskaźników energochłonności wskazane jest zatem opracowanie instrukcji pracy pompowni w zależności od aktualnych parametrów Q i H. Instrukcja taka może przyjąć postać algorytmu automatycznego sterowania pompownią. Opracowanie takiego algorytmu zapewniającego eksploatację pompowni przy minimalnym zużyciu energii nie jest zadaniem banalnym i wymaga znajomości techniki pompowej. Nie powinno być zatem powierzane firmom specjalizującym się wyłącznie w informatyce i automatyce przemysłowej. Opracowanie optymalnego algorytmu wymaga analizy charakterystyk pomp oraz ich współpracy z konkretnym układem. W jego opracowaniu wskazany jest zatem udział producenta pomp lub innej firmy specjalizującej się w technice pompowej. Optymalne algorytmy sterowania pracą pompowni mogą się istotnie różnić dla poszczególnych przypadków, nie jest zatem wskazane stosowanie jednego, ogólnego algorytmu dla wszystkich pompowni melioracyjnych. Powinien on zostać co najmniej skalibrowany, bądź zmodyfikowany dla poszczególnych pompowni w zależności od specyfiki ich pracy. Optymalny algorytm sterowania pompownią powinien być rozpatrywany już na etapie jej projektowania gdyż bez tego nie jest możliwe dokonanie wyboru rozwiązania zapewniającego minimum zużycia energii.

Podsumowanie.

Podstawą prawidłowego doboru pomp do pompowni melioracyjnej musi być określenie pola wymaganych parametrów, przy czym powinno ono być podzielone na dwa zakresy:

1. Zakres pracy podstawowej, występujący przez co najmniej 90% czasu. Zakres ten powinien być pokryty przez pompy pracujące ze sprawnością energetyczną możliwie bliską maksymalnej. Pokrycie całego zakresu wymaganych w podstawowej pracy parametrów wymaga zastosowanie efektywnej metody regulacji, której wybór powinien uwzględniać optimum pomiędzy kosztem inwestycyjnym a kosztem zużycia energii. Optimum to można określić stosując tzw, metodę LCC czyli przez poszukiwanie minimum całości kosztów pompowania na przestrzeni lat uwzględniającego zarówno koszty inwestycyjne jak i koszty eksploatacji.
2. Zakres pracy alarmowej przy zwiększonych parametrach. Dobór pomp w tym przypadku powinien zapewnić uzyskanie przez pompownię wymaganej wydajności przy określonej wysokości podnoszenia. Kryterium wyboru powinien tu być głównie minimalny koszt inwestycyjny gdyż przy sporadycznej pracy w warunkach alarmowych sprawność energetyczna ma mniejsze znaczenie.
3. Jeśli stosowane są bardziej złożone systemy regulacji parametrów to pełne wykorzystanie dostarczanych przez nie możliwości w zakresie oszczędności energii wymaga zastosowania określonego trybu eksploatacji, którego wybór może przekraczać kompetencje obsługi. Wskazane jest zatem opracowanie przez specjalistów z zakresu techniki pompowej optymalnego algorytmu sterowania, który będzie realizowany przez automatyczny system komputerowy w oparciu o wskazania czujników pomiarowych.

Wybór optymalnego rozwiązania dla konkretnej pompowni w znacznej mierze zależy od zakresu zmienności wymaganych parametrów zarówno w trybie pracy normalnej jak i alarmowej. Powielanie jednego rozwiązania pompowni melioracyjnej nie zawsze musi być optymalne. W zależności od wymaganych parametrów należy analizować i wybrać jedno z rozwiązań omawianych w artykule.

dr inż. Grzegorz Pakuła

W pierwszej części artykułu stwierdzono, że w wielu przypadkach zachodzi potrzeba korygowania parametrów pomp w celu lepszego dostosowania ich do wymagań układu pompowego.

W tym zakresie występują następujące, najczęściej stosowane, możliwości (podkreślmy jeszcze raz, że w tym miejscu mowa o jednorazowej korekcie parametrów pomp, a nie o ich ciągłej regulacji, o której wspomniano w części pierwszej).

Redukcja średnicy wirników.

Jest to powszechnie stosowana metoda korygowania (obniżania) parametrów pomp, możliwa do zastosowania w ograniczonym zakresie. Optymalny punkt pracy pompy przesuwa się w taki sposób, że wydajność maleje w przybliżeniu proporcjonalnie do średnicy wirnika a wysokość podnoszenia wraz z jej kwadratem. Redukcji średnicy wirnika towarzyszy pewien spadek sprawności, tym większy im większa jest redukcja. Można przyjąć, że spadek sprawności nie jest znaczący, jeśli redukcja średnicy nie przekracza 10% dla pomp z kierownicami łopatkowymi i 20% dla pomp ze spiralą. Tą metodą, bez znacznej szkody dla sprawności, można zatem korygować parametry w zakresie 90-100% wydajności i 81-100% wysokości podnoszenia dla pomp z kierownicami oraz 80-100% wydajności i 64-100% wysokości podnoszenia dla pomp ze spiralą. (Są to orientacyjne, uśrednione zakresy dla całej populacji pomp. Szczegółowe dane dla poszczególnych typów pomp można uzyskać od ich producentów). Ponieważ koszt dokonania redukcji średnicy nie jest wysoki, bez skomplikowanych analiz można przyjąć założenie, że jest to optymalna metoda korekty parametrów pomp we wspomnianym wyżej, ograniczonym zakresie.

Zmiana kąta wylotowego łopatek.

Wysokość podnoszenia pompy można zwiększyć w zakresie kilku procent, dokonując „podcięcia” łopatek od strony biernej na wylocie z wirnika, co zwiększa kąt wylotowy strugi. Zabieg taki nie ma znacznego wpływu na sprawność pompy. Wadą tej metody jest to, że musi być wykonywana dość prymitywnymi metodami ślusarskimi, a ponadto pocienienie łopatki na wylocie na dłuższą metę może skrócić żywotność wirnika, w przypadku pompowania mediów zawierających ciała stałe, które „wygładzają” wylotową część łopatki.

Zmiana liczby stopni.

W pompach wielostopniowych wysokość podnoszenia zmienia się proporcjonalnie do liczby stopni przy niezmienionej, optymalnej wydajności. Jeśli zatem korekta parametrów pompy wielostopniowej ma polegać na znacznej zmianie wysokości podnoszenia przy ustalonej wydajności, to jest to metoda odpowiednia w tym celu. Pompę można albo całkowicie skrócić, zmniejszając liczbę stopni i stosując odpowiednio krótszy wał i śruby ściągowe, albo zachować jej wymiary przyłączeniowe, zastępując wewnątrz usunięte stopnie tulejami prowadzącymi ciecz na kolejne stopnie. Jeśli pompa nie posiadała maksymalnej, dopuszczalnej liczby stopni to można ją rozbudować do większej liczby stopni, co oczywiście wymaga zastosowania nowego wału i śrub ściągowych.

Zmiana prędkości obrotowej.

Zmiana prędkości obrotowej jest powszechnie stosowana jako metoda regulacji, ale można ją także rozpatrywać jako sposób na jednorazową korektę parametrów. Parametry optymalnego punktu pracy zmieniają się tak, że wydajność jest proporcjonalna do prędkości obrotowej, a wysokość podnoszenia zmienia się z kwadratem prędkości obrotowej. Istotne jest to, że w bardzo szerokim zakresie zmiana prędkości nie powoduje pogorszenia sprawności, w wyniku czego zakres stosowalności tej metody jest szerszy niż w przypadku redukcji średnicy wirnika. Technicznie zmianę prędkości obrotowej najłatwiej zrealizować w przypadku pomp napędzanych przez przekładnię poprzez zmianę jej przełożenia. Jednak również w przypadku pomp napędzanych bezpośrednio od silnika można to osiągnąć przez zastosowanie przetwornika częstotliwości, który w takim przypadku nie jest wykorzystywany do płynnej regulacji prędkości, lecz do jednorazowej zmiany. Wadą takiego rozwiązania jest koszt przetwornika, aczkolwiek przy obecnej tendencji do spadku cen tych urządzeń rozwiązanie to może się okazać celowe nawet w zastosowaniu do jednorazowej korekty, szczególnie dla niższych napięć zasilania.

Analizując takie rozwiązanie należy pamiętać, że w falowniku oraz w silniku pracującym przy niższej częstotliwości powstają dodatkowe straty energii. Zaletą jest natomiast fakt, że możliwe są dalsze korekty, jeśli w przyszłości przewiduje się kolejne zmiany wymaganych parametrów.

Zmiana prędkości obrotowej w górę jest możliwa tylko w takim zakresie, w jakim nie przekroczy to możliwości wytrzymałościowych elementów pompy, w związku ze wzrostem ciśnienia i poboru mocy. W każdym przypadku, zmieniając prędkość obrotową, należy się skonsultować z producentem pompy, gdyż zmiana taka może spowodować problemy ruchowe (np. rezonans przy pracy z prędkością krytyczną, problemy z nośnością łożysk ślizgowych, pracą uszczelnień itp.).

Wymiana pompy na inną.

Wymiana pompy na nową o innych, odpowiadających aktualnym wymaganiom parametrach jest rozwiązaniem oczywistym, lecz zazwyczaj kosztownym. Z tego względu wyjście takie nie jest zazwyczaj stosowane w przypadkach, które da się rozwiązać innymi, tańszymi metodami. Podejmując decyzję, należy mieć jednak na uwadze fakt, że zakup nowej pompy jest rozwiązaniem długofalowym, gdyż jej eksploatacja przy właściwie prowadzonej polityce remontowej będzie możliwa przez kilkadziesiąt lat. Natomiast dokonywanie różnego rodzaju zabiegów i modernizacji na pompie w znacznym stopniu wyeksploatowanej jest rozwiązaniem na znacznie krótszą metę, gdyż jej stan techniczny (zmęczenie materiału, degeneracja pasowań po licznych regeneracjach, stopień skorodowania i „wypłukania” elementów) może uniemożliwić utrzymanie jej w eksploatacji przez dłuższy okres. Zatem, ze względu m.in. na niezawodność pracy i koszty utrzymania pompy w eksploatacji, zakup nowej pompy powinien być brany pod uwagę jako realna alternatywa, szczególnie gdy wymagana zmiana parametrów jest znaczna.

EC Siekierki.

Modernizacja pompy – nowy układ przepływowy.

Modernizacja pompy, polegająca na zachowaniu istniejących korpusów pompy i zaprojektowaniu nowego układu przepływowego, wydaje się interesującą alternatywą dla zakupu pompy nowej, gdyż pozwala uzyskać parametry hydrauliczne odpowiadające zmienionym potrzebom przy wykorzystaniu elementów pompy istniejącej i bez konieczności dokonywania zmian w zabudowie na miejscu pracy. Metoda taka ma też jednak słabsze strony:

• Jeśli zachowane mają być korpusy pompy, to zakres możliwej korekty parametrów jest ograniczony. Prędkości przepływu (związane z wydajnością) w króćcach, elementach doprowadzających i odprowadzających podlegają  pewnym ograniczeniom projektowym i nie mogą być zmieniane w zbyt szerokim stopniu bez szkody dla sprawności pompy;

• Powierzchnie korpusów po pewnym okresie eksploatacji są skorodowane i wypłukane. Ma to niewielki wpływ na sprawność pompy wielostopniowej o znacznej wysokości podnoszenia, lecz w znacznym stopniu wpływa niekorzystnie na sprawność pomp o znacznej wydajności w stosunku do wysokości podnoszenia, takich jak pompy diagonalne lub dwustrumieniowe, gdyż w takim przypadku straty przepływu (związane z chropowatością powierzchni) w elementach odprowadzających ciecz stanowią istotny procent wysokości podnoszenia. Regeneracja tych powierzchni jest kłopotliwa, a stosowanie powłok poprawiających gładkość na silnie zdegradowane powierzchnie nie gwarantuje trwałości ich przylegania. W wyniku tego pompa, nawet jeśli posiada nowy, wysokosprawny układ przepływowy, traci na sprawności w stosunku do pompy nowej;

• Jak wspomniano przy omawianiu p. 5, żywotność tak zmodernizowanej pompy będzie ograniczona na skutek  wyeksploatowania elementów;

• W odróżnieniu od pompy nowej, lecz znanej na rynku, której parametry są znane, parametry uzyskane z układu przepływowego projektowanego od podstaw dla konkretnego przypadku są obarczone niepewnością. Metody projektowania hydraulik pomp nie są w pełni precyzyjne, zależne są w pewnym stopniu od doświadczenia i intuicji konstruktora. Nawet najlepsi projektanci układów przepływowych nie zawsze za pierwszą próbą „trafi ają” w oczekiwane parametry;

• Modernizacja, polegająca na zaprojektowaniu nowego układu przepływowego, nie jest zabiegiem tanim. Pomijając koszty samego projektu (które zależą od tego, na ile doświadczony konstruktor wycenia swoją wiedzę) należy pamiętać, że wymaga to wykonania omodelowania dla wirnika i zestawu kierownic. Rynkowy koszt takiego omodelowania jest na poziomie kilkudziesięciu tysięcy złotych, co wyklucza opłacalność indywidualnego zaprojektowania układu przepływowego do pompy o umiarkowanej cenie. Biorąc pod uwagę fakt, że jak wspomniano wyżej, zaprojektowanie wysokosprawnego układu przepływowego o zadanych parametrach wymaga zazwyczaj wykonania i przebadania kilku wersji, koszt omodelowania wymaga pomnożenia razy kilka;

• Omodelowanie układu przepływowego zajmuje znaczną objętość, co powoduje, że koszt jego magazynowania jest istotny. Zachodzi zatem obawa, czy omodelowanie układu przepływowego zaprojektowanego dla indywidualnego przypadku będzie dostępne po latach, kiedy zajdzie potrzeba wymiany części przepływowych. Obawa ta nie zachodzi w przypadku pomp produkowanych seryjnie;

• Należy brać też pod uwagę aspekt formalnoprawny. Zmiana układu przepływowego powoduje na tyle znaczące zmiany parametrów pompy (ciśnienie, siły osiowe, prędkości krytyczne drgań), że pompa nie może być po modernizacji eksploatowana na podstawie dokumentów, na jakich wprowadzono ją do ruchu. Modernizacja wymaga zatem opracowania na nowo analizy zagrożeń, deklaracji zgodności z normami itp. zgodnie z wymogami obowiązującego  systemy oceny bezpieczeństwa maszyn. Powoduje to zwiększenie kosztów modernizacji.

Dokonać wyboru.

Mając do dyspozycji sześć wspomnianych, podstawowych metod korekty parametrów pomp (oraz w niektórych przypadkach inne, niestandardowe sposoby nadające się do szczególnych okoliczności), stajemy przed koniecznością dokonania wyboru. Wybór ten powinien wynikać z analizy techniczno-ekonomicznej, co jest stwierdzeniem oczywistym, lecz trudnym do zrealizowania w praktyce. Rzetelna analiza tego rodzaju jest w praktyce trudna z powodów zarówno technicznych, jak i ekonomicznych.

Od strony technicznej nie da się w pełni przewidzieć uzyskanych efektów, np. dlatego, że nie wiadomo z góry, jaką sprawność uzyska zmodernizowana pompa (często przyjmuje się w tym zakresie nadmiernie optymistyczne założenia), ale również dlatego, że sprawności poszczególnych egzemplarzy pomp tego samego rodzaju – zgodnie z obowiązującymi normami – mogą się pomiędzy sobą różnić o kilka procent w ramach dopuszczalnych tolerancji. Od strony ekonomicznych nie jest ustalona ogólnie obowiązująca metodologia oceny takich przypadków.  W ostatnim czasie popularność zdobywa tzw. metoda LCC (Life Cycle Cost), która opiera się na poszukiwaniu rozwiązania dającego najniższą sumę kosztów inwestycji oraz kosztów eksploatacji. Jest to metoda słuszna co do zasady, lecz jej zastosowanie pozwala również na pewną dowolność (np. nie jest ustalone, w jakim okresie należy brać pod uwagę koszty eksploatacji – wzięcie krótszego preferuje rozwiązania o niskich nakładach inwestycyjnych, lecz dające mniejsze efekty w eksploatacji, a przyjęcie dłuższego okresu odwrotnie; nie jest jasne, jaką stopę dyskonta brać przy uwzględnianiu kosztów w odległych latach itp.). Odpowiednio manipulując ww. parametrami można uzyskiwać różne rezultaty. Autorowi znane są przypadki wybitnie nierzetelnych analiz, na przykład takie, w których efekty w zakresie sprawności uzyskane w rezultacie modernizacji odnoszono do sprawności istniejącej, wyeksploatowanej pompy obniżonej w stosunku do pompy nowej o kilkanaście procent, nie biorąc pod uwagę, że o wiele lepsze efekty można było uzyskać, zastępując wyeksploatowaną pompę nową, bez żadnej modernizacji. Co gorsza, weryfikacja uzyskanych efektów w praktyce też nie jest prosta, gdyż powszechnie wiadomo, że dokonywanie pomiarów parametrów pomp w warunkach przemysłowych często obarczone jest poważnymi błędami (np. ze względu na problemy z precyzyjnym pomiarem wydajności).

Jak postępować?

W podsumowaniu, w celu uzyskania postępu w ograniczaniu energochłonności pomp, można zalecić następujące zasady postępowania:

• Należy zacząć od ogólnego audytu układu pompowego mającego na celu ocenę, czy w ogóle istnieje, a jeśli tak to jaki, potencjał do uzyskania oszczędności;

• Dalszą uwagę należy skoncentrować na przypadkach, w których z ogólnej oceny wynika, że pompy są niedopasowane do wymagań, co powoduje ich pracę z obniżoną sprawnością i w których jest perspektywa na uzyskanie oszczędności w wyniku korekty parametrów;

Pompy pracujące w Fortum Częstochowa.

• Należy rozważyć wszystkie możliwości (np. sześć wymienionych powyżej) i nie odrzucać a priori żadnej z nich, lecz wszystkie poddać ocenie np. metodą LCC;

• Dobra praktyka polega na tym, że po to, aby ocena była obiektywna, firma, która dokonuje oceny i wyboru możliwych metod, nie powinna być zainteresowana ich realizacją. Jeśli firma proponująca pewne rozwiązanie sama dokonuje jego porównania techniczno-ekonomicznego z innymi wariantami, to zachodzi obawa, że taka analiza ma charakter bardziej marketingowy niż merytoryczny. Ze względu na to, że założenia przyjmowane na wstępie do tego rodzaju analiz  mają zawsze charakter upraszczający i w pewnym zakresie intuicyjny, celowe jest zasięgnięcie opinii innej, niezależnej instytucji, która zweryfikuje przyjęte założenia;

• Inwestor, dokonując wyboru na podstawie wyników analizy, nie powinien korzystać z wniosków bezkrytycznie, lecz powinien zapoznać się z założeniami przyjętymi, a stanowiącymi podstawę do analizy celem upewnienia się, czy założenia te są dopuszczalne w konkretnym przypadku. Wskazane jest przeprowadzenie rachunku symulacyjnego mającego na celu sprawdzenie, jak zmiany w założeniach wpływają na wyniki analizy;

• W wyniku analiz należy odrzucić rozwiązania wyraźnie niewłaściwe. Jeśli pozostanie do wyboru grupa rozwiązań różniących się efektami w niewielkim zakresie (w granicach dokładności metody), można wziąć pod uwagę dodatkowe czynniki nieuwzględniane zazwyczaj w typowej analizie techniczno-ekonomicznej, takie jak renoma wykonawcy bądź ryzyko uzyskania efektów odmiennych od zakładanych.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w magazynie „ECiZ” nr 11/2010

Powszechnie znany jest fakt, że każda pompa pracująca przy stałej prędkości obrotowej osiąga parametry wynikające z jej charakterystyki, tzn. przy określonej wydajności wytwarza określoną wysokość podnoszenia i osiąga określoną sprawność, z których to parametrów wynika pobór mocy. Aczkolwiek pompa może pracować przy każdej kombinacji parametrów wynikających z charakterystyki, to prawidłowo pracuje jedynie w pobliżu tzw. parametrów nominalnych, to znaczy takich na jakie została zaprojektowana. W tym zakresie pompa osiąga najwyższą sprawność. Im bardziej rzeczywisty punkt pracy pompy oddala się od punktu nominalnego, tym bardziej sprawność różni się na niekorzyść od maksymalnej, a ponadto pojawiają się inne niekorzystne zjawiska w postaci zwiększonego poziomu drgań i hałasu. To, w jakim punkcie swojej charakterystyki pracuje pompa, zależy od jej współpracy z układem, w którym jest zainstalowana – punkt pracy pompy wypada  bowiem przy takiej wydajności, przy której charakterystyka pompy przetnie się z charakterystyką układu pompowego. Prawidłowy dobór pompy polega zatem na dokładnym obliczeniu i narysowaniu charakterystyki układu pompowego, a następnie na znalezieniu takiej pompy, której charakterystyka przetnie się z charakterystyką układu w zakresie optymalnych sprawności.

Pompa zasilająca pracująca w EC Siekierki.

Właściwy dobór to podstawa.

Pomimo tego, że powyższe stwierdzenia powinny być oczywiste dla każdego inżyniera mechanika, w praktyce wiele pomp dobranych jest nieprawidłowo, na skutek czego pracują one ze sprawnością znacznie niższą niż możliwa do uzyskania. Fakt ten wynika nie tylko z własnych obserwacji autora, lecz potwierdzony jest badaniami tak uznanych instytucji, jak amerykański Hydraulic Institute czy europejskie stowarzyszenie producentów pomp Europump. Z ich szacunków wynika, że w rezultacie poprawy jakości doboru pomp do układów pompowych można uzyskać do 40%  oszczędności energii, a zatem znacznie więcej niż z podnoszenia sprawności samych pomp. W tym ostatnim zakresie możliwości postępu są ograniczone, gdyż obecnie konstrukcje pomp są na tyle dopracowane, że w wyniku dalszego rozwoju metod projektowania i technologii wytwarzania pomp nie należy spodziewać się wzrostu sprawności większego niż kilkuprocentowy. Stwierdzenie to dotyczy prawidłowo zaprojektowanych pomp produkowanych przez poważnych producentów, co nie wyklucza istnienia na rynku pomp złej jakości, które ze względów energetycznych powinny ulec zastąpieniu przez produkty o odpowiednim standardzie technicznym.

W zakresie doboru pomp do układu należy rozróżnić dwie jakościowo odmienne sytuacje:

1. Stały punkt pracy, czyli sytuacja, w której wymagane przez układ parametry nie zmieniają się. W takim przypadku nie ma technicznych powodów, aby pompa pracowała poza swoim optymalnym zakresem, a jeśli tak jest to  oznacza to błąd w sztuce inżynierskiej, który wymaga korekty jedną z metod, o jakich mowa w dalszej części tekstu.

2. Parametry okresowo zmienne na skutek zmiennego zapotrzebowania układu (w okresie dobowym, w zależności od pór roku itp.). Jeśli zachodzi taka sytuacja, to nie jest technicznie możliwe, aby pompa przy stałych obrotach pracowała optymalnie w każdej sytuacji. Można co najwyżej minimalizować straty, dobierając pompę na najczęściej występującą kombinację parametrów. Aby uzyskać poprawę jakości doboru, potrzebna jest pewna metoda regulacji parametrów pompy. Wspomniane wyżej dane, mówiące o potencjalnych możliwościach dotyczących uzyskania do 40% oszczędności energetycznych w układach pompowych, dotyczą w pierwszym rzędzie stosowania lepszych metod regulacji, gdyż możliwość uzyskania oszczędności tego rzędu w przypadku stałego punktu pracy zachodzi jedynie w rzadkich przypadkach rażąco błędnego doboru.

Regulacja parametrów.

Istnieją cztery najbardziej znane metody regulacji parametrów, z których każda posiada mocne i słabe strony (wymieniono tu jedynie metody mające zastosowanie do różnych typów pomp, pominięto natomiast metody znajdujące zastosowanie jedynie w specyficznych rozwiązaniach konstrukcyjnych, jak np. regulacja przez zmianę kąta ustawienia łopat w pompach śmigłowych lub przez kierownicę prerotacyjną):

a) Regulacja przez dławienie zaworem po stronie tłocznej – nie wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych, lecz nie przynosi dobrych efektów energetycznych. Najlepiej nadaje się do pomp i układów pompowych o płaskich charakterystykach oraz dla pomp o rosnącej charakterystyce mocy.

b) Regulacja przez upust – nadaje się wyłącznie dla pomp o poborze mocy malejącym z wydajnością (np. pompy śmigłowe i niektóre diagonalne).

c) Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej – wymaga znaczących nakładów  inwestycyjnych, lecz stwarza potencjał do znacznych oszczędności energetycznych w stosunku np. do regulacji dławieniowej. Najlepsze efekty daje w przypadku układów pompowych, gdzie wysokość strat dominuje nad wysokością statyczną (np. w układach obiegowych), natomiast słabiej się nadaje do sytuacji, gdy dominuje wysokość statyczna (np. zmiana wydajności przy utrzymaniu stałego, wysokiego ciśnienia na tłoczeniu).

d) Regulacja przez zmianę liczby pomp pracujących równolegle (nie jest to metoda regulacji pojedynczej pompy, lecz całej pompowni) – zaletą tej metody jest niski koszt, natomiast wadą to, że pompy o mniejszych wydajnościach z reguły mają sprawności gorsze niż jedna większa pompa je zastępująca. Metoda ta najlepiej nadaje się do sytuacji, w której należy uzyskać wydajność pompowni zmieniającą się w znacznym zakresie przy utrzymaniu w przybliżeniu stałego ciśnienia w kolektorze tłocznym.

Pomimo tego, że jak wspomniano, optymalizacja sposobu regulacji zawiera w sobie największy potencjał dla oszczędności energetycznych, kwestia ta nie będzie tu omawiana, gdyż wymaga to znacznie więcej miejsca, niż pozwalają na to ramy niniejszego artykułu. Kwestie regulacji  podsumujemy stwierdzeniem, że jest to sprawa bardzo istotna z punktu widzenia energetycznego i w każdym wypadku wymaga wyboru indywidualnego, optymalnego rozwiązania (na ogół spośród ww. czterech możliwości).

Pompa zasilająca pracująca w Fortum Częstochowa.

Dobór na stały punkt pracy.

W dalszej części skoncentrujemy się na prostszej kwestii doboru pomp na stały punkt pracy. Na wstępie należy zdać sobie sprawę z tego, skąd biorą się przypadki nieprawidłowego doboru w takiej, stosunkowo prostej od strony teoretycznej i dobrze znanej sytuacji. Można wyróżnić następujące, zasadnicze powody:

1. Prosty błąd doboru. W przypadku dużych inwestycji pompy często traktowane są jako drugorzędne maszyny pomocnicze i z tego powodu ich doborowi nie poświęca się tyle uwagi, co najważniejszym urządzeniom. Projektantami dużych instalacji są z reguły specjaliści od danego procesu technologicznego, którzy nie zawsze w dostatecznym stopniu rozumieją problematykę pompową i nie zawsze korzystają z konsultacji specjalistów z tej dziedziny. Jeśli realizacja dużej inwestycji odbywa się w systemie „pod  klucz”, to producent pomp rzadko jest generalnym wykonawcą (uczestnikiem przetargu) i z tego powodu ma ograniczone możliwości dokonania ustaleń z użytkownikiem.

2. Nadmierna ostrożność. Pomimo tego, że metody obliczania charakterystyki układu są teoretycznie znane, to istnieje jednak zakres niepewności w szacowaniu oporów przepływu. Z tego powodu, aby uniknąć takiej sytuacji, że pompa nie da oczekiwanej wydajności, projektanci z reguły dobierają ją z pewnym nadmiarem wysokości podnoszenia. Jeśli zapas ten jest nadmierny, to pompa „ucieka” na wyższe wydajności, wychodząc z optymalnego zakresu pracy.

3. Zmiana zapotrzebowania. Na przestrzeni lat wymagane parametry mogą się zmienić w stosunku do założeń projektowych. Dla przykładu, taka sytuacja jest typowa dla sieci wodociągowych i ciepłowniczych, w których na skutek rozwoju miast i zmian w technologii zachodzą znaczne zmiany w zakresie parametrów wymaganych od pomp.

4. Optymalizacja układu. Należy podkreślić, że jedną z podstawowych możliwości oszczędzania energii na  pompowanie jest optymalizacja układów pompowych polegająca na redukcji strat. Może to polegać na eliminacji elementów powodujących zbędne dławienie (odcinki rurociągów o zbyt niskiej średnicy, nieprawidłowa armatura) lub na wprowadzaniu nowych technologii (np. filtry lub wymienniki ciepła o mniejszych stratach ciśnienia). Paradoksalnie, wprowadzanie takich zmian prowadzących do oszczędności zużycia energii powoduje, że pompy w instalacji mogą się znaleźć poza zakresem optymalnej pracy, gdyż dysponują nadmiarem wysokości podnoszenia. Aby w pełni wykorzystać możliwości oszczędzania energii, wynikające z redukcji oporów, należy zatem dokonać modyfikacji parametrów pompy.

Jeśli zatem, z jakiejkolwiek przyczyny, mamy do czynienia z sytuacją, że parametry pompy nie odpowiadają wymaganiom układu, to w celu poprawy sprawności pompowania należy dokonać korekty ich parametrów.

Stosowane w tym celu metody zostaną przedstawione w drugiej części artykułu.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w magazynie „ECiZ” nr 11/2010

Polskie górnictwo węgla kamiennego znajduje się w trudnej sytuacji ekonomicznej. Zarządy firm górniczych, aby uniknąć strat szukają możliwości ograniczenia kosztów działalności. W tym zakresie poważną pozycję stanowią koszty remontów maszyn i urządzeń pracujących w kopalniach. Ze względu na wspomnianą trudną sytuację ekonomiczną zakupy nowych urządzeń są ograniczane, co powoduje konieczność remontowania posiadanego sprzętu.

Problem jest istotny ze względu na trudne warunki eksploatacji panujące w kopalniach, na skutek czego częstotliwość i zakres remontów są znacznie większe w porównaniu z innymi rodzajami przemysłu. Dodatkowo wchodzi w grę aspekt bezpieczeństwa – maszyny pracujące w podziemiach kopalń nie są maszynami ogólnego przeznaczenia lecz muszą spełniać szczególne wymogi, związane między innymi z kwestią bezpieczeństwa pracy w atmosferze zagrożonej wybuchem metanu lub pyłu węglowego. Z tego powodu maszyny górnicze są konstruowane według specjalnych wymogów oraz podlegają specjalnej procedurze atestacji.

Z powyższych powodów przepisy normujące zasady prowadzenia remontów maszyn i urządzeń pracujących w podziemnych zakładach górniczych obowiązujące w latach minionych były rygorystyczne. Przepisy te były kwestionowane z tego powodu, że ograniczały dostęp do rynku innym podmiotom niż oryginalni producenci maszyn i stwarzały niebezpieczeństwo zawyżania cen usług remontowych. Z tego powodu przepisy te zostały zliberalizowane. Kwestii tej poświęcony był raport NIK opublikowany przed kilkoma miesiącami, który był szeroko omawiany w mediach. Komentarze poświęcone raportowi koncentrowały się na interesującej medialnie kwestii rzekomego lobbingu producentów maszyn górniczych zmierzającego do monopolizacji rynku remontów, a liberalizacja przepisów w komentarzach tych była prezentowana jako zdrowa tendencja do otwarcia tego rynku. W rzeczywistości zagadnienie jest o wiele bardziej złożone i na przepisy regulujące sposób prowadzenia remontów maszyn górniczych należy spojrzeć nie tylko z jednego punktu widzenia. Omawiając raport NIK akcentowano przytoczone w nim przykłady zawyżania cen usług remontowych przez producentów maszyn wykorzystujących swoją uprzywilejowaną pozycję.

Nie zwrócono jednak uwagi, na zawarte również w raporcie NIK stwierdzenie, że samo obniżenie cen usług remontowych może w dłuższej perspektywie nie być korzystne dla interesów ekonomicznych firm górniczych, jeśli jednocześnie nie jest zapewnione utrzymanie jakości tych usług. Produkcja i remonty maszyn górniczych o odpowiedniej jakości wymaga stosowania właściwych technologii i posiadania w tym celu kosztownego wyposażenia. Oferujące usługi remontowe firmy o charakterze „garażowym” nie muszą wkalkulowywać w ceny usług kosztów tego wyposażenia, na skutek czego są w stanie wykonywać remonty taniej. Na dłuższą metę, skutki korzystania z takich usług mogą być dla firm górniczych kosztowne. Koszty przestoju i wstrzymania wydobycia na skutek awarii urządzeń mogą być wielokrotnie większe od kosztów usług remontowych. Podobnie rzecz przedstawia się w kwestii zużycia energii. Do urządzeń zużywających najwięcej energii zaliczają się pompy głównego odwadniania pompujące na powierzchnię wodę z podziemi kopalń. Można stwierdzić, że koszt dodatkowej energii zużywanej przez pompy na skutek niewłaściwego przeprowadzenia remontu jest wielokrotnie większy niż koszt samej usługi remontowej. Korzyści z obniżenia cen usług remontowych będą realne tylko wtedy jeśli obniżeniu cen nie będzie towarzyszyć obniżenie jakości usług. Raport NIK zwraca uwagę, że specyfikowanie wymaganych standardów jakościowych przy zamawianiu usług remontowych oraz egzekwowanie ich od wykonawców pozostawia w polskim górnictwie wiele do życzenia.

Oczywistym aspektem jest kwestia bezpieczeństwa pracy. Polskie górnictwo szczyci się systemem atestacji i certyfikacji maszyn i urządzeń przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń, dzięki któremu należy ono do najbezpieczniejszych na świecie, a tragiczny wskaźnik pokazujący liczbę ofiar śmiertelnych na milion ton wydobytego węgla jest znacząco niższy w porównaniu z niektórymi innymi krajami. Jest to wspólne osiągniecie samego górnictwa, jego zaplecza naukowego oraz producentów maszyn górniczych. Dopuszczenie do prowadzenia remontów maszyn, które przed wprowadzeniem do ruchu przeszły skrupulatną atestację pod względem bezpieczeństwa firm, dla których podstawowym kryterium działania jest niska cena usług remontowych, stwarza niebezpieczeństwo powstania luki w systemie oceny bezpieczeństwa. Pytań o to, czy maszyny pracujące w podziemiach kopalń zostały wyremontowane w sposób zapewniający poziom bezpieczeństwa jak dla maszyny nowej dostarczonej przez producenta nie można stawiać jedynie w trakcie prowadzenia dochodzeń mających na celu wyjaśnienie przyczyn tragedii kosztujących wiele istnień ludzkich.

Rzadziej dostrzeganym aspektem tej sprawy jest kwestia praw autorskich do dokumentacji maszyn górniczych. Są to maszyny produkowane na rynek niszowy, sprzedawane w stosunkowo niewielkich ilościach, a jednocześnie, ze względu na trudne warunki pracy i ostre wymagania dotyczące bezpieczeństwa, wymagające znacznych nakładów na zaprojektowanie i uzyskanie wymaganych certyfikatów. Powszechną praktyką pośród producentów światowych jest wkalkulowywanie kosztów rozwoju nie tylko w cenę nowego produktu, ale również w koszty części zamiennych i remontów, dzięki czemu cena nowego produktu nie jest nadmierna, a jednocześnie producenta stać na inwestowanie w dalszy rozwój. Dopuszczanie do sytuacji, w której zyski z remontów czerpią w pierwszym rzędzie firmy nie ponoszące nakładów na opracowanie bezpiecznych maszyn górniczych, na ich badania i certyfikację pod względem bezpieczeństwa, jest w istocie promowaniem nieuczciwej konkurencji. W dłuższej perspektywie grozi to tym, że polskim producentom nie będzie się opłacać inwestowanie w dalszy rozwój maszyn górniczych.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w 2010 r. na portalu gospodarczym wnp – www.wnp.pl

Doświadczenie ostatnich kilkunastu lat wskazuje, że zagrożenie powodziowe w naszym kraju występuje w sposób ciągły, i że kolejne powodzie na skalę lokalną mają miejsce co roku, a co kilka lat zdarzają się kataklizmy na skalę krajową.

Zmiany klimatyczne wiązane z efektem cieplarnianym przyczyniają się do zwiększenia częstotliwości występowania intensywnych opadów, na skutek czego powodzie zdarzają się coraz częściej.

Powódź, która miała miejsce w 2010 wykazała, że pomimo ofiarnego zaangażowania w zwalczanie jej skutków zarówno służb ratowniczych jak i ludności cywilnej, nasz kraj pod względem systemowym jest do powodzi słabo przygotowany. Jednym z przejawów tego faktu jest brak odpowiednich pomp do akcji przeciwpowodziowych. Należy zaznaczyć, że zapobieganie powodzi przekracza ludzkie możliwości techniczne, gdyż nie jest możliwe zbudowanie i utrzymywanie systemu ochrony, który byłby w stanie ochronić każde miejsce przed każdą ilością wody prowadzonej przez rzeki. Zbiorniki retencyjne, wały itp. są przygotowane na pewne statystycznie określone zwiększone opady.

Statystyka ma jednak to do siebie, że losowo występują opady przewyższające nawet oczekiwane maksima. W takich przypadkach systemy ochrony okazują się niewystarczające i mamy do czynienia z takimi zjawiskami jak przelewanie się zbiorników retencyjnych czy przerywanie wałów. Gdy nastąpi przerwanie wału ilość dopływającej wody jest taka, że żadne pompy nie są w stanie jej powstrzymać. Jedyne co można zrobić to ograniczyć negatywne skutki katastrofy przez odpompowanie wody z powstałych rozlewisk z powrotem do rzeki, gdy jej poziom już opadnie. W przeciwnym razie rozlewiska na dotkniętych klęską żywiołową terenach utrzymywałyby się przez dłuższy czas powiększając straty. Brak odpowiednich pomp do tego celu ponownie dał o sobie znać. Straż pożarna dysponuje głównie niewielkimi pompami, odpowiednimi do odpompowywania wody z piwnic, lecz nie z rozległych, zalanych terenów. W efekcie kierownictwo akcji przeciwpowodziowej było zmuszone wystąpić z apelem o udostępnienie pomp większej wydajności do instytucji, jakie nimi dysponują, a media donosiły o dostarczeniu takich pomp przez sąsiednie kraje w ramach pomocy. Nie świadczy to dobrze o systemie zabezpieczenia przed powodzią, ani o umiejętności wyciągania wniosków z poprzednich powodzi.

Należy zaznaczyć, że polski przemysł dysponuje rozwiązaniami konstrukcyjnymi i technologiami pozwalającymi na wyprodukowanie pomp do tego celu. Rzecz w tym, że cykl produkcyjny pomp o takich parametrach trwa kilka miesięcy, należy je zatem zamówić z odpowiednim wyprzedzeniem, a nie apelować o nie w momencie wystąpienia kataklizmu. Zapewnienie dostępności takich pomp to problem nie tylko techniczny i finansowy, lecz również organizacyjny i logistyczny. Ze względu na nieprzewidywalność czasu i miejsca wystąpienia powodzi przechowywanie pomp w każdym miejscu zagrożonym powodzią byłoby nieekonomiczne. Bardziej wskazane jest zgromadzenie ich w pewnym scentralizowanym magazynie, z którego byłyby dostarczane na miejsce wystąpienia powodzi. Utrzymywanie pomp, znajdujących zastosowanie jedynie sporadycznie, w stanie gotowości do następnej akcji, wymaga jednakże posiadania odpowiednich magazynów oraz wykwalifikowanego personelu do ich serwisowania, co wiąże się ze znacznymi kosztami.

Grupa Powen-Wafapomp SA, jako największy polski producent pomp przemysłowych, występuje z propozycją rozwiązania tego problemu. Firma deklaruje gotowość wyprodukowania odpowiednich pomp, a następnie ich przechowywania i serwisowania we własnych magazynach, co pozwoliłoby utrzymać je stale w stanie gotowości do użycia. Zwolniłoby to państwowe służby z konieczności posiadania magazynów i wykwalifikowanego specjalistycznego personelu. W razie wystąpienia kolejnej powodzi pompy zostałyby postawione do dyspozycji służb ratowniczych. Grupa Powen-Wafapomp SA posiada dwa zakłady: w Warszawie i w Zabrzu, których lokalizacja pokrywa się z regionami najbardziej zagrożonymi powodzią. Zabrze położone jest w rejonie górnej Wisły i Odry oraz stosunkowo blisko Małopolski i Dolnego Śląska, natomiast Warszawa w rejonie środkowej i dolnej Wisły. W rezultacie pompy z naszych magazynów mogą się znaleźć na miejscu akcji w przeciągu najdalej kilku godzin.

dr inż. Grzegorz Pakuła

1. Wprowadzenie.

Transport hydrauliczny ciał stałych w rurociągach jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu i gospodarki (np. górnictwo, energetyka, przemysł surowców mineralnych, przemysł spożywczy, chemia, ochrona środowiska) [ 1].

Nie wnikając bliżej w szczegóły, można stwierdzić, że najczęściej (i w dużych masach) transportowane są w strumieniu wody ciała stałe o granulacji pylistej (średnica tzw. średniego ziarna δs50 < 0, 075 mm) oraz drobnoziarniste (δs50 < 1 mm). Grubsze ciała stałe (kilka – kilkadziesiąt mm) transportowane są rzadziej i przeważnie dotyczy to przypadków hydrourabiania i późniejszego hydraulicznego transportu kruszyw mineralnych, a niekiedy płodów rolnych.

Ciała stałe charakteryzują się bardzo różnymi kształtami i to niezależnie od wielkości. Mieszaniny cząstek pylistych z wodą (nazwane zawiesinami) traktowane są jako ciecze jednorodne; prędkości cieczy i cząstek stałych podczas przepływu są praktycznie identyczne, a cząstki stałe są rozmieszczone równomiernie w przekrojach przepływowych pomp i rurociągów. W uproszczeniu można traktować takie zawiesiny jako ciecze jednorodne – jednak charakteryzujące się zwiększoną lepkością względem wody, co powoduje pewien wzrost oporów przepływu zawiesin w porównaniu z wodą. Traktowane są jako niesedymentujące. Stosowna płynność zawiesiny jest warunkiem możliwości jej przetłaczania przez pompy i transportowania w rurociągach oraz rozlewania się na powierzchni płaskiej. Zależy ona od zagęszczenia ciałami stałymi, które nie powinno przekraczać sensownych granic. Mieszaniny cząstek drobnoziarnistych z wodą są dwufazowymi cieczami niejednorodnymi, w których cząstki stałe poruszają się wolniej w stosunku do wody, co powoduje straty energii podczas przepływu ,mieszaniny. Pod wpływem grawitacji cząstki stałe w takich mieszaninach opadają w rurociągach (lub przemieszczają się pod wpływem sił odśrodkowych w kanałach wirujących), w związku z czym ich zagęszczenie w przekrojach przepływowych nie jest równomierne. Porównanie rozmieszczenia cząstek stałych pylistych (P) i drobnoziarnistych (D) w przekroju rurociągu podczas przepływu mieszaniny przedstawiono na rysunku 1.

Cząstki stałe znajdujące się w mieszaninie powinny pozo-stawać w stanie zawieszenia i w pewnej (w przypadku zawiesin nawet bardzo niewielkiej) odległości między sobą. Inaczej jest w przypadku ciał gruboziarnistych, które zwykle są „wleczone” po dnie rurociągu.

Rys. 1.

Ponieważ wydajność pompy i natężenie przepływu cieczy przez rurociąg mierzone są w jednostkach objętości w czasie (np. m³ /s , m³ /h), więc parametrem najpełniej charakteryzującym skład i stan zagęszczenia mieszaniny jest koncentracja objętościowa (udział objętościowy) c_v fazy stałej w mieszaninie, określona wzorem, w którym: V_s jest objętością fazy stałej w mieszaninie , V_w jest objętością fazy ciekłej (wody) w mieszaninie , zaśV_m jest objętością mieszaniny. Koncentracja objętościowa c_v jest wprawdzie wielkością niemierzalną, ale jej wartość ma zasadniczy wpływ na płynność (a przez to i „transportowalność”) mieszanin i zawiesin. Określa ona stopień „zajęcia” przestrzeni, w której znajduje się mieszanina, przez cząstki stałe.

Innym parametrem, nawiązującym do ilości masy znajdującej się w mieszaninie jest koncentracja masowa (udział masowy) c_M fazy stałej w mieszaninie. Związek między c_M a c_v jest następujący:

Gdy mieszaniny o takich samych udziałach objętościowych c_v fazy stałej zawierają ciała stałe różniące się gęstością, to ich koncentracje masowe (udziały masowe) c_M   fazy stałej są różne. Dla przykładu można podać, ,że hydromieszaniny o takiej samej koncentracji objętościowej c_v = 0,3 , w skład których wchodzi rozdrobniony węgiel (ρ_s = 1400 kg/m³), popiół lotny (ρ_s = 2200 kg/m³) lub drobny piasek (ρ_s = 2650 kg/m³) będą charakteryzowały się koncentracjami masowymi c_M odpowiednio 0,375 , 0,485 oraz 0,532, a wiec bardzo znacznie się różniącymi.

Na rysunku 2 przedstawiono poglądowo równomierne rozmieszczenie jednakowych ziaren kulistych ciał stałych w przekroju przepływowym, w mieszaninach o różnych udziałach objętościowych c_v.. Warto zauważyć, że już gdy c_v = 0,3 to cząstki stałe znajdują się blisko siebie.

Rys. 2.

Od koncentracji objętościowej cv zależy gęstość mieszaniny ρm, wyznaczana na drodze pomiaru lub obliczana z prostego wzoru,w którym: ρ_s – jest gęstością pozorną fazy stałej (uwzględniającą obecność porów i kawern otwartych i zamkniętych), zaś ρ_w – jest gęstością wody. Gęstość pozorną cząstek stałych należy wyznaczać stosując ciecz nośną w której będą one transportowane (w praktyce wodę).

Na rysunku 3 przedstawiono zależność gęstości mieszaniny ρ_m od udziału objętościowego fazy stałej c_v, dla ciał stałych o gęstościach ρ_s = 1400, 2200 i 2650 kg/m³. W takim właśnie przedziale mieszczą się gęstości zdecydowanej większości ciał stałych transportowanych hydraulicznie w dużych masach (np. popioły lotne, żużle energetyczne, odpady poflotacyjne w kopalnictwie rud miedzi, piasek i żwir, kamień wapienny, dolomit, znaczna część odpadów z procesu wzbogacania węgli kamiennych, rozdrobniony węgiel). Gęstość mieszaniny liniowo zwiększa się w miarę wzrostu c_v i w praktyce często przekracza 1500 kg/m³.

Rys. 3.

2. Wydajność układu hydrotransportu.

Wydajność objętościową (mieszaniny) Q_m układu hydrotransportu wyraża prosta zależność,

w której d – jest średnicą wewnętrzną rurociągu transportowego, zaś v_m – jest obliczeniową prędkością przepływu mieszaniny.

Należy pamiętać, że prędkości przepływu hydromieszanin w rurociągach są z reguły znacząco większe od prędkości przepływu wody, gdyż nie należy dopuszczać do osadzania się ciał stałych na dnie rurociągu. Dlatego objętościowe wydajności układu hydrotransportu są zwykle relatywnie znaczne.

Masowa wydajność układu hydrotransportu M_m jest określona wzorem:

lub w bardziej rozbudowanej postaci – wzorem,

z którego wynika, że masowa wydajność układu hydrotransportu szybko zwiększa się ze wzrostem średnicy rurociągu, zwłaszcza, że wówczas zwiększają się prędkości przepływu mieszaniny (aby uniknąć osadzania się cząstek stałych).

3.   Pompy w układach hydraulicznego transportu.

Ponieważ przepływ hydromieszanin w rurociągu (oraz ich ewentualne podniesienie na wyższy poziom) wymaga wykonania określonej pracy, zatem musi zostać wymuszony przez pompę. W układzie hydraulicznego transportu pompa jest elementem czynnym, w którym energia doprowadzana z zewnątrz (od silnika napędzającego) jest przekazywana strumieniowi mieszaniny.

Jeżeli strumieniowi mieszaniny o gęstości ρ_m i objętościowym natężeniu Q_m , przekazywana jest w pompie moc użyteczna P_u , to jednostka ciężaru mieszaniny   (1 N) uzyska przyrost energii H (wyrażony w J/N, a po formalnym uproszczeniu wymiarów w „m”) wynikający ze wzoru:

i nazywany użyteczną wysokością podnoszenia pompy. Nazwa ta nawiązuje do interpretacji tego pojęcia, według której określa ono geometryczną wysokość na która pompowana ciecz (a wiec także i hydromieszanina) może zostać podniesiona, ale bez strat z tym związanych.

Moc użyteczną pompy P_u wyraża znany wzór

Przekazywaniu energii hydromieszaninie towarzyszy występowanie różnego rodzaju strat energii w pompie, tak więc moc P (doprowadzana do pompy) jest większa od mocy użytecznej P_u . Sprawność pompy η definiowana wzorem charakteryzuje efektywność przekazywania energii pompowanemu czynnikowi.

4. Dobór pomp do układu hydrotransportu.

Dobierając pompę do konkretnego układu hydraulicznego transportu ciał stałych należy brać pod uwagę następujące czynniki:

– wymagane parametry pracy pompy osiągane w warunkach pompowania hydromieszaniny,

– rozwiązanie konstrukcyjne pompy właściwe dla konkretnej hydromieszaniny,

– oczekiwaną trwałość elementów wewnętrznych pompy.

4.1. Ustalenie parametrów pracy pompy.

Potrzebne parametry pracy pompy w przewidywanym punkcie pracy w układzie hydrotransportu powinny być możliwie dokładnie ustalone. Przy oczekiwanej wydajności objętościowej układu Q_m (identycznej z wydajnością pompy), energia przekazywana jednostce ciężaru mieszaniny w pompie musi zrównoważyć geometryczną wysokość H_z (na którą zostanie podniesiona mieszanina) oraz wysokość strat hydraulicznych ΣΔh_m w rurociągu transportowym (także odnoszących się do jednostki ciężaru mieszaniny), które powstają podczas przepływu hydromieszaniny. Suma jest wysokością podnoszenia układu transportu hydromieszaniny (H_i), którego najprostszy schemat przedstawiono na rysunku 4, zaś charakterystykę układu hydrotransportu H_i = f(Q) przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 4.

Rys. 5. (Oznaczono: M- mieszanina, W- woda ).

Ciała stałe znajdujące się w hydromieszaninie opuszczając wirnik mają pewną energię kinetyczną. W przypadku cząstek pylistych energia ta jest przekazywana cieczy w zasadzie całkowicie, w przypadku cząstek drobnoziarnistych – w pewnym stopniu, zaś w przypadku cząstek „grubszych” w całości jest rozpraszana.

Rys. 6. ( A –cząstki drobne, B – cząstki grubsze ).

Obecność ciał stałych w pompowanej mieszaninie wywiera więc wpływ na parametry pracy pomp, a w szczególności na użyteczną wysokość podnoszenia, sprawność i moc na wale, które zmieniają się w stosunku do parametrów osiąganych podczas pompowania wody.

Zmiany parametrów pompy są charakteryzowane przez następujące współczynniki bezwymiarowe:

– współczynnik zmiany wysokości podnoszenia K_H

– współczynnik zmiany sprawności K_η

Wartości współczynników K_H i K_η zależą od rodzaju ciał stałych (gęstości ρ_s oraz średniej wielkości ziaren δ_s50) i ich udziału objętościowego c_v. Wpływ na nie ma także wielkość pompy. Wykresy i zależności algebraiczne typu K_H = f (Q) oraz K_η = f (Q) zamieszczane w literaturze, umożliwiają  przybliżone prognozowanie wpływu obecności ciał stałych na charakterystyki H = f(Q) oraz η = f(Q) pompy przetłaczającej mieszaninę woda – ciała stałe. Nie należy ich jednak traktować bezkrytycznie, gdyż odnoszą się zwykle do konkretnej pompy i konkretnych ciał stałych. Przykład takich zależności przytoczonych z [ 2 ], przedstawiono na rysunku 7. Odnoszą się one do pompy z wirnikiem czterołopatkowym, jednak o nieokreślonej wielkości i nieznanych parametrach pracy.

Rys. 7. (Oznaczono: a – drobny piasek 0,8-0,35 mm, gruby piasek 0,3-2mm, drobny żwir 0,9-5 mm).

Na rysunku 8 przedstawiono poglądowo przebieg charakterystyk wysokości podnoszenia H – Q i sprawności η – Q pompy odśrodkowej przetłaczającej mieszaniny o takiej samej koncentracji objętościowej, ale zawierające ciała stałe o różnej wielkości ziaren – na tle charakterystyk odnoszących się do wody.

Rys. 8.

Dobierając pompę w konkretnej sytuacji, należy wiec w pierwszej kolejności określić wysokość podnoszenia instalacji pompowej H_im w warunkach pompowania mieszaniny (przy wymaganej wydajności układu Q_m), która w oczekiwanym punkcie pracy układu musi być tożsamościowo równa użytecznej wysokości podnoszenia osiągniętej przez pompę przetłaczającą mieszaninę (H_im = H_m). Wymagana użyteczna wysokość podnoszenia pompy H_m (w warunkach przetłaczania mieszaniny) nie może zostać bezpośrednio wykorzystana do wybrania konkretnej pompy, gdyż producenci pomp udostępniają charakterystyki pomp wyznaczone podczas pompowania wody. W związku z tym (po przyjęciu wiarygodnych wartości współczynników K_H i K_η), należy określić użyteczną wysokość podnoszenia H_w, jaką analizowana pompa osiągnęłaby przepompowując wodę (gdyż zawsze H_w ≥ H_m).

oraz obliczyć moc   na walepompy przetłacząjącej mieszaninę (P_m) z zależności:

Aby bardziej ściśle dostosować parametry pompy do wymaganych, może być konieczne zmniejszenie średnicy zewnętrznej wirnika lub zmiana prędkości obrotowej (np. przez dobór odpowiednich kół pasowych).

Należy zwrócić uwagę, że stosunek   K_H / K_η jest zwykle bliski 1 i tylko w przypadku mieszanin gruboziarnistych oraz bardziej zagęszczonych mieszanin drobnoziarnistych jest mniejszy, więc moc na wale pompy w warunkach przetłaczania hydromieszaniny wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do stosunku gęstości ρ_m / ρ_w . Wzrost zapotrzebowania mocy trzeba uwzględniać dobierając silnik (i ewentualne przekładnie pasowe) do napędu pompy.

Dobór pompy do konkretnego układu hydrotransportu mieszaniny jest często (ze względu na złożoność problemu) sprawą trudną i sensowne jest korzystanie ze wsparcia specjalistów. Renomowani producenci pomp do hydrotransportu dysponują zwykle doświadczeniem i wiedzą w tym zakresie, zaś opieranie się na sugestiach  oferentów bez doświadczenia jest ryzykowne.

4.2. Wybór rozwiązania konstrukcyjnego pompy.

Pompy odśrodkowe do hydrotransportu są z zasady jednostopniowe, choć zdarzały się wykonania wielostopniowe dla szczególnych potrzeb. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne pomp do hydrotransportu przedstawiono na kolejnych rysunkach 9 i10 [ 4 ] oraz 11. Wspólnymi cechami tych pomp są duże szerokości wirników (co umożliwia „przepuszczanie” ciał stałych o większych rozmiarach), obszerne kanały zbiorcze – o stałym przekroju lub w postaci „niepełnej” spirali, możliwość regulacji szczeliny promieniowej na wlocie wirnika – co pozwala ograniczyć przeciek wewnętrzny na wlocie wirnika, zastosowanie elementów bezpośrednio stykających się z pompowaną mieszaniną jako względnie łatwo wymienialnych, solidne ułożyskowanie zespołu wirującego ze wzglądu na zwykle znacznie większe siły osiowe i promieniowe oraz zamknięcie wodne dławnic. Pompa przedstawiona na rysunku 10 jest ponadto wyposażona w specyficzny wirnik odciążający dławnicę, co w przypadku niezakłóconego doprowadzania wody znacznie zwiększa jej trwałość. Jest to rozwiązanie z założenia przeznaczone do trudnych warunków pracy.

Rys. 9. Pompa typu PH ( Grupa Powen-Wafapomp SA ), [4].

Rys. 10. Pompa typu HC ( Grupa Powen-Wafapomp SA ), [ 4].

Pompy, których elementy wewnętrzne są wykonane z twardych tworzyw metalowych (np. rys. 9 i 10) można stosować do przetłaczania hydromieszanin zawierających ziarna o dowolnych rozmiarach. Twardy materiał przeciwstawia się „skrawaniu” – przez cząstki grubsze – zwłaszcza „kanciaste” oraz „szlifowaniu” przez cząstki drobne. Natomiast pompy (rys. 11) których elementy wewnętrzne wykonane są z elastomerów (gumy, poliuretany) z zasady przeznaczone są do przetłaczania mieszanin zawierających cząstki drobne. Elastomer o należytej odporności na ścieranie absorbuje energię uderzających cząstek i w jakiejś mierze powoduje ich odbijanie się od atakowanej powierzchni.

Rys. 11.

Ostatnio zauważa się tendencję do stosowania wirników staliwnych w pompach z kanałem zbiorczym i wykładzinami wykonanymi z elastomeru. Pozwala to na zauważalne zwiększenie sprawności pompy.

Wybór konkretnej pompy powinien być ukierunkowany przede wszystkim na osiągnięcie możliwie długich okresów pracy pomiędzy nieuchronnymi wymianami wirników i innych elementów (korpusy, wykładziny boczne), co jest uwarunkowane wysoką trwałością elementów wewnętrznych pompy, zaś to kryterium jest nawet istotniejsze od osiągnięcia nieco wyższej sprawności przez pompę.

Korzystne jest, gdy pompy do hydrotransportu są niskoobrotowe (750 – 1200 (1500) obr/min), gdyż stwierdzone jest, że zużycie wirnika (rozumiane jako ubytek masy elementu) zwiększa się w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej. Także i tempo powiększania się szerokości szczeliny promieniowej uszczelniającej wlot wirnika oraz zużycie uszczelnień dławnicy maleje wraz z obniżaniem prędkości obrotowej.

4.3. Trwałość elementów pompy.

Wirnik pompy do hydrotransportu jest elementem ulegającym najszybszemu zużyciu, zaś miejsca najintensywniejszego zużycia zaznaczono na rysunku 12. W przypadku zawartości w mieszaninie cząstek „grubych” G największe ubytki występują w obszarze wlotowym wirnika (krawędzie wlotowe łopatek i tylna tarcza wirnika), zaś w przypadku pompowania cząstek „drobnych” D wprawdzie ubytki w tych miejscach są mniejsze, ale obserwuje się znaczące ubytki na końcach łopatek, po ich czynnej stronie, które – gdy staną się dostatecznie duże – to wpływają    niekorzystnie na rozkład prędkości wypływającej mieszaniny, co prowadzi do zauważalnego obniżenia wysokości podnoszenia pompy. W związku z tym łopatki i tarcza tylna wirnika są pogrubiane, zwłaszcza w miejscach najintensywniejszego zużycia. Liczba łopatek jest niewielka z = 3 – 4 (niekiedy 5), aby utrzymać dostatecznie obszerne prześwity na wlocie wirnika i nie pogarszać nadmiernie zdolności ssania pompy.

Korpusy kanałów zbiorczych ulegają przyspieszonemu miejscowemu zużyciu w okolicy przejścia kanału w króciec wylotowy. wskutek „uderzeń” ciał stałych w krawędź spełniającą rolę szczątkowego „języka”.

Wirniki i wymienne elementy metalowe (korpusy kanałów zbiorczych i wykładziny boczne), wykonuje się ze staliw zawierających znaczne ilości dodatków stopowych, i poddaje obróbce cieplnej w celu zwiększenia ich twardości, co wymaga odpowiedniego poziomu technologicznego. Elementy wymienne wykorzystywane podczas wymian i remontów powinny odznaczać się właściwą jakością (zapewniającą stosowną trwałość) i z tego powodu ryzykowne jest stosowanie „zamienników” o nieudokumentowanej jakości, gdyż może to okazać się nieopłacalne. Pompy do hydromieszanin z oczywistych powodów ustępują sprawnością pompom do wody, wiec oczekiwana trwałość ich elementów jest decydującą przesłanką w ich doborze. Trzeba też brać pod uwagę, że szybsze zużycie elementów pompy prowadzi do wydłużenia okresu w którym pracuje ona przy zaniżonej sprawności.

Rys. 12.

5. Niektóre zagadnienia dotyczące eksploatacji pomp w układach hydrotransportu.

Zjawiska występujące podczas przepływu hydromieszaniny przez pompę są niepomiernie bardziej złożone niż podczas przetłaczania wody. Dlatego też należy zwracać uwagę na kilka okoliczności mających wpływ na prawidłową pracę pompy, od której zależy niezakłócone funkcjonowanie układu hydrotransportu jako całości.

5.1. Konsekwencje zwiększonej gęstości czynnika.

Relatywnie znaczna gęstość mieszaniny powoduje zwiększenie poboru mocy przez pompę (i konieczność zastosowania silnika o stosownej mocy) oraz zwiększenie ciśnienia w króćcu tłocznym pompy, co ma znaczenie w przypadku ewentualnej potrzeby połączenia szeregowego dwóch pomp. Nie każda pompa jest przewidziana do pracy w warunkach znacznego wzrostu ciśnienia, wiec taką niepewność należy jednoznacznie wyjaśnić. Należy też zadbać o doprowadzanie wody o odpowiednio zwiększonym ciśnieniu do „zamka” wodnego dławnicy drugiej w szeregu pompy.

5.2. Zapewnienie geometrycznego napływu do pompy.

Mieszanina powinna dopływać do pompy ze zbiornika (z dnem nachylonym w kierunku wlotu) do możliwie krótkiego rurociągu doprowadzającego położonego powyżej osi pompy (rys.4). Ciśnienie w króćcu dopływowym pompy p_sm podczas pompowania mieszaniny powinno być znacząco większe w porównaniu z sytuacją pompowania wody. Przy niedużych koncentracjach objętościowych ciał stałych w mieszaninach (c_v ≤ 0.1) nadwyżki antykawitacyjne są w obu przypadkach bliskie sobie (NPSH3_w ≈ NPSH3_m) [ 5 ] , ale nawet wtedy wymagane („bezpieczne”) ciśnienie w króćcu dopływowym pompy w przypadku pompowania mieszaniny musi być wyższe, ze względu na większą gęstość mieszaniny

(przy czym NPSH3_m jest nadwyżką antykawitacyjną pompy w warunkach pompowania mieszaniny).

Gdy udział objętościowyciał stałych w mieszaninach i zawiesinach c_v > 0,1, to NPSH3_m, a więc i potrzebna wartość ciśnienia w króćcu dopływowym pompy, szybko wzrastają, gdyż w obszarze wlotowym wirnika ciała stałe (zwłaszcza o większej granulacji) są „dociskane” siłą bezwładności do tylnej tarczy wirnika (rys.13) [ 6 ], a ich przemieszczanie się wywołuje znacznie większe straty, a wiec i lokalny spadek ciśnienia. Natomiast w przypadku zawiesin cząstek bardzo drobnych, w miarę wzrostu ich zagęszczenia powstają także dodatkowe straty ciśnienia wywoływane zaistnieniem cech cieczy nienewtonowskich w zawiesinie.

W związku z tym zapewnienie odpowiedniego geometrycznego napływu mieszaniny do pompy jest konieczne.

Rys. 13.

5.3. Eksploatacja pompy przy wydajności bliskiej optymalnej.

Pompa powinna trwale pracować przy wydajności bliskiej optymalnej, a więc w sąsiedztwie punktu najwyższej sprawności. Wówczas obciążenia łożysk wywołane istnieniem siły promieniowej działającej na wirnik są względnie małe, przepływ w kanałach międzyłopatkowych wirnika odbywa się przy najmniejszych zawirowaniach i jest najbardziej wyrównany, zaś zużycie wirnika jest najwolniejsze. Oczywiście praca pompy jest wówczas najbardziej ekonomiczna.

Praca pompy przy zwiększonej wydajności powoduje narastanie strat w obszarze wlotowym wirnika, zaś zmniejszenie wydajności podczas eksploatacji zwiększa ryzyko osadzania się ciał stałych w rurociągu.

5.4. Inne.

Obok kwestii wymienionych wyżej należy oczywiście sprawdzać stan pompy, a zwłaszcza ciśnienie w króćcu tłocznym pompy, dopływ wody do dławnicy, temperaturę łożysk, drgania zespołu wirującego i aktualny pobór mocy elektrycznej przez silnik (a co najmniej natężenie pobieranego prądu elektrycznego). Warto też mieć na uwadze, że dominujący wpływ na koszty ma prawidłowy dobór pompy i jej praca blisko punktu maksymalnej sprawności, a nade wszystko unikanie pompowania zbyt rozrzedzonych mieszanin, gdyż wówczas znaczna część energii zużywana jest na przetłaczanie nadmiernej ilości wody.

6. Zakończenie.

Układy hydrotransportu, mimo że zawierają podobne rodzajowo elementy (zbiorniki, pompy, rurociągi) jak i układy przepompowujące wodę, to jednak funkcjonują w innych warunkach. Pompy musza sprostać wymaganiom pod kątem „przepustowości” ciał stałych oraz trwałości. Zbiorniki powinny być odpowiednio zaprojektowane (ukośnie usytuowane dno i ewentualnie wyposażone w mieszadło), zaś rurociągi i armatura stosownie dobrane. Parametry pracy i wielkości charakteryzujące układ powinny być ustalone na podstawie rozpoznanych cech mieszaniny lub zawiesiny i wiarygodnej metodyki obliczeń, zaś dobór pompy powinien być dokonany z rozwagą

Pompy w instalacjach hydrotransportu muszą sprawdzić się w zwykle trudnych warunkach – przede wszystkim pod kątem trwałości i niezawodności ruchowej, zaś ich eksploatacja wymaga rozumienia problemów oraz wiedzy ze strony nadzoru, a także zwiększonego zaangażowania się obsługi. W efekcie ograniczy to jednak nieoczekiwane zakłócenia w funkcjonowaniu układu oraz w jakimś stopniu także i częstość remontów, a w średniej perspektywie czasowej obniży koszty.

Literatura:

Literatura dotycząca omawianych zagadnień jest bardzo obszerna, więc ze względu na charakter publikacji ograniczono się tylko do pozycji bezpośrednio nawiązujących do poruszanych kwestii.

1 .Palarski J., Hydrotransport, WNT, Warszawa, 1982

2..Surek J., Probleme der Flüssigkeits-Feststoffgemisch – Förderung mit Kreiselpumpen, Maschinenbautechnik, Heft 9, 1972.

3. Roco N.C., Wear mechanism in centrifugal slurry pumps, Journal of Science and Engineering, Vol. 46, Nr 5, 1990.

4. Krajowe Forum Producentów i Użytkowników pomp w górnictwie, Lubiatów, 6-8 maja 1998, (zbiór materiałów)

5. Źiwotowskij Ł.S., Smojłowskaja Ł.A., Techniczeskaja mechanika gidrosmiesiej i gruntowyje nasosy, Izd. Maszinostrojenije, Moskwa, 1986.  

6. Karielin W., Iznasziwanije łopastnych nasosow, Izd. Maszinostrojenije, Moskwa, 1973.

Dr inż. Jerzy Rokita

Mgr inż. Zbigniew Krawczyk