W ostatnich latach na rynku pojawiły się preparaty służące do pokrywania powierzchni układu przepływowego. Reklamowane są jako metoda na poprawę sprawności energetycznej pomp oraz zwiększenie ich odporności na zużycie. W ramach zabiegów marketingowych sugeruje się możliwość zwiększenie sprawności pomp sięgające kilkunastu procent.

Faktem jest, że sprawność hydrauliczna pompy zależy od chropowatości powierzchni układu przepływowego. Nadmierna chropowatość powoduje zwiększenie strat tarcia cieczy o ścianki, co powoduje obniżenie sprawności. W technice pompowej do wykonania zasadniczych elementów układu przepływowego stosuje się najczęściej technologię odlewniczą. W zależności od odmiany tej technologii (formowanie w piasku, odlewanie w kokilach itp.), od rodzaju odlewanego materiału oraz w zależności od staranności wykonania odlewu uzyskuje się chropowatość rzędu kilku do kilkudziesięciu μm. Końcową jakość powierzchni odlewu uzyskuje się w wyniku jego czyszczenia. Najprostszym sposobem jest piaskowanie, stosuje się też inne technologie, jak na przykład kilkugodzinne pompowanie przez wirnik zawiesiny korundu. Jest oczywiste, że jakość powierzchni odlewu związana jest ze stosowaną technologią, a zatem wpływa na cenę. Pokrywanie powierzchni odlewu preparatami poprawiającymi gładkość można rozpatrywać jako metodę pozwalającą wyeliminować chropowatość odlewu wykonanego przy zastosowaniu tanich technologii.

Aby ocenić możliwość oceny poprawy sprawności pompy na skutek pokrycia jej elementów preparatami poprawiającymi gładkość w naszej firmie wykonano szereg doświadczeń polegających na pomiarze sprawności pomp rożnych typów wykonanych w tradycyjnej technologii odlewniczej, a następnie na powtórzeniu pomiarów dla pomp z nałożonymi pokryciami oferowanymi przez różnych producentów. W wyniku uzyskano poprawę sprawności o 1.5 do 4 % w stosunku do wypiaskowanego odlewu żeliwnego średniej jakości. Należy przy tym zaznaczyć dla porównania, że pomalowanie odlewu zwykłą farbą antykorozyjną poprawiało sprawność o ok. 1%. Ze względu na to, że pokrywanie elementów pompy preparatami poprawiającymi gładkość nie jest zabiegiem tanim, przeprowadzono również eksperyment polegający na pokrywaniu preparatami kolejno poszczególnych elementów jednostopniowej pompy ze spiralą zbiorczą w celu oszacowania jaki wpływ na sprawność ma pokrycie danego elementu. Pokrywano kolejno: czynne strony łopatek, zewnętrzne tarcze wirnika, cały wirnik i wreszcie powierzchnię wewnętrzną spirali. Całkowity przyrost sprawności osiągnął ok. 3%, natomiast efekt ten narastał w przybliżeniu równomiernie w miarę pokrywania kolejnych elementów. Badana pompa była pompą średniobieżną o wyróżniku szybkobieżności rzędu 35. Na podstawie teoretycznych rozważań można dojść do wniosku, że dla pomp wolnobieżnych (o niższych wyróżnikach) największe korzyści można uzyskać z pokrycia wirnika, a dla pomp szybkobieżnych z pokrycia elementów odprowadzających ciecz (spirala, kierownica).

 Kolejnym zagadnieniem budzącym wątpliwości w przypadku tego rodzaju preparatów jest ich podatność na odpadanie z powierzchni pompy w trakcie pracy. Zależy to, rzecz jasna, od przestrzegania technologii powlekania zalecanej przez producenta, a w szczególności od jakości przygotowania odlewu. Przeprowadzono eksperymenty polegające na tym, że pokrycie preparatami wnętrza pompy powierzono ich producentowi, aby mieć pewność, ze zabieg został wykonany w sposób zalecany, a następnie pompę oddano do normalnej eksploatacji u użytkownika. Później dokonywano przeglądu pompy w celu oceny stanu pokrycia. Przeglądy takie przeprowadzane były po okresie pracy sięgającym od kilkuset do kilku tysięcy godzin. Za każdym razem stwierdzano większe lub mniejsze ubytki w pokryciu.

W podsumowaniu, na podstawie zebranych doświadczeń, można stwierdzić, że w wyniku pokrycia preparatami zwiększającymi gładkość powierzchni nowej pompy wykonanej w typowej technologii można oczekiwać poprawy sprawności na poziomie 2-4%. Trwałość tego rodzaju pokryć w trakcie eksploatacji nie jest w pełni zadowalająca. Prawdopodobnie zastosowanie pokryć dla pomp wyeksploatowanych, o mocno zdegradowanej powierzchni układu przepływowego może przynieść wyższe efekty w postaci poprawy sprawności, lecz trwałość przylegania preparatów do tak uszkodzonych powierzchni stoi pod jeszcze większym znakiem zapytania.

Dr inż. Grzegorz Pakuła      

Minimalne zużycie mocy wymagane dla przepompowania cieczy o ciężarze właściwym γ [N/m³] z wydajnością Q [m³/s] przy wysokości podnoszenia H [m] to tak zwana moc użyteczna, którą obliczamy ze wzoru:

N_u = γ Q H                 [W].

Zużycie mocy byłoby równe mocy użytecznej, gdyby pompowanie odbywało się bez żadnych strat, ze sprawnością 100%, to znaczy gdyby cała energia pobrana ze źródła zasilania została przekazana do cieczy. W rzeczywistości taka sytuacja nigdy nie występuje, gdyż zespół pompowy składający się z pompy i silnika (najczęściej elektrycznego) pracuje ze sprawnością mniejszą od stu procent. Sprawność silnika elektrycznego η_s to procent mocy pobranej z sieci przekazany na wale do pompy, a sprawność pompy η_p to procent mocy pobranej na wale przez pompę od silnika, przekazany do pompowanej cieczy. Sprawność zespołu pompowego jest iloczynem sprawności pompy i sprawności silnika, a rzeczywisty pobór mocy na pompowanie wynosi:

            N = γ Q H / ( η_s η_p).

Wynika z tego bezpośrednio, że w celu ograniczenia zużycia energii należy stosować pompy i silniki o możliwie wysokiej sprawności. Sprawności te różnią się dla poszczególnych typów pomp i silników, należy zdawać sobie jednak sprawę, że możliwość uzyskania znacznych oszczędności energii na drodze zastąpienia prawidłowo dobranej pompy lub silnika maszyną bardziej nowoczesną są ograniczone. W ostatnich latach powstały nowe konstrukcje energooszczędnych silników, Wzrost sprawności w stosunku do starszych konstrukcji jest na poziomie 2-3 procent. Podobnego rzędu korzyści można uzyskać zastępując starszą pompę bardziej nowoczesną. W sumie, dokonując wymiany zespołu pompowego na bardziej nowoczesny można uzyskać wzrost sprawności nie przekraczający 5%. Mówimy tu o porównaniu sprawności nowoczesnego zespołu pompowego z zespołem pompowym o starszej konstrukcji, lecz znajdującym się w dobrym stanie technicznym, czyli o możliwych korzyściach wynikających jedynie z postępu w budowie maszyn.

Oczywiście, wyższe oszczędności energii można uzyskać zamieniając wyeksploatowany zespół pompowy na nowy, gdyż sprawności silników, a zwłaszcza pomp obniżają się na skutek pogarszania stanu technicznego. Spadek sprawności pompy wynikający z jej złego stanu technicznego może przekraczać dziesięć procent. Należy jednak pamiętać, że prawidłowo przeprowadzony remont pozwala na odtworzenie początkowej sprawności pompy. Opieranie rachunku ekonomicznego na oszacowaniu oszczędności możliwych do uzyskania przez zastąpienie nowoczesną pompą pompy wyeksploatowanej nie jest w pełni prawidłowe, gdyż sprawność tej ostatniej można poprawić drogą remontu, co jest z reguły mniej kosztowne niż zakup pompy nowej, tym bardziej, że instalacja nowej pompy często wymaga dodatkowych nakładów na zmianę fundamentów i układu rurociągów. Przed podjęciem decyzji o wymianie pompy na nową należy zatem rozważyć jako alternatywę remont pompy istniejącej, który, w zależności od jakości wykonania oraz od stanu technicznego pompy pozwala uzyskać poprawę sprawności rzędu od kilku do nawet kilkunastu procent.

Jeszcze większe oszczędności energetyczne można uzyskać eliminując błędy w doborze pomp. Błędy te mogą dotyczyć zarówno typu pompy jak i jej parametrów.

            Przykłady zastosowania niewłaściwego typu pompy to między innymi:

a) Stosowanie pomp samozasysających tam, gdzie nie jest to konieczne. Pompy samozasysające umożliwiają rozruch bez kłopotliwego odpowietrzania i zalewania cieczą, ale ze względu na swoją konstrukcję maja z reguły sprawność obniżoną w stosunku do typowych pomp. Nie należy ich zatem stosować tam, gdzie zdolność do samozasysania nie jest konieczna.

b)  Stosowanie pomp ściekowych z tzw. wirnikami o swobodnym przepływie odpornymi na zatykanie ciałami stałymi, w miejscach gdzie takie zjawisko nie grozi. Wirniki o swobodnym przepływie umożliwiają pompowanie ścieków zawierających ciała włókniste lub inne ciała stałe o znacznych rozmiarach, lecz cechują się obniżoną sprawnością. Zastosowanie ich do pompowania ścieków wstępnie podczyszczonych, kiedy zatykanie wirnika jest mało prawdopodobne, prowadzi do strat energetycznych.

c)  Stosowanie pomp głębinowych w innych zastosowaniach niż studnie głębinowe. Pompy głębinowe napędzane silnikami mokrymi, dzięki konstrukcji umożliwiającej długotrwałą, niezawodną pracę bez obsługi, są świetnie przystosowane do zastosowania w studniach. Należy jednak pamiętać, że mokre silniki głębinowe posiadają sprawność energetyczną o kilka procent obniżoną w stosunku do tradycyjnych silników suchych. Wobec tego zastosowanie pomp głębinowych poza studniami (np. w tzw. płaszczach wodnych) powoduje zwiększenie strat energetycznych.

d) Stosowanie kilku mniejszych pomp połączonych równolegle zamiast jednaj większej. Możliwa do uzyskania sprawność pompy rośnie na ogół z jej wydajnością. Dlatego stosowanie kilku mniejszych pomp zamiast jednej większej, o ile nie jest to konieczne np. ze względu na potrzebę regulacji, obniża sprawność pompowania.

e) Stosowanie jednostopniowych pomp o niskich wydajnościach. Nie jest możliwe zbudowanie pompy o wysokiej sprawności jeśli jej wysokość podnoszenia jest zbyt duża w stosunku do wydajności. W takich przypadkach stosuje się pompy wielostopniowe umożliwiające uzyskanie lepszych sprawności, lecz posiadające wyższą cenę. Zastosowanie w takim przypadku pomp jednostopniowych pozwala na pewne oszczędności na koszcie zakupu lecz prowadzi do wzrostu zużycia energii podczas eksploatacji.

Należy sobie zdawać sprawę, że zastosowanie pompy o wysokiej katalogowej sprawności maksymalnej nie oznacza, że pompa będzie z taką sprawnością pracowała. Sprawność w punkcie pracy zależy bowiem od doboru pompy do układu pompowego. Jeśli dobór ten jest nieprawidłowy, to znaczy jeśli pompa pracuje przy wydajności mocno różniącej się od nominalnej, sprawność rzeczywista może być znacznie niższa od maksymalnej. Praktyka wskazuje, że z taką sytuacją mamy często do czynienia. Nie zawsze jest to wynikiem błędu w doborze pompy. Często dobór był prawidłowy, lecz zmieniły się wymagane parametry, na przykład pompa pracuje z niższą wydajnością niż zakładano na skutek spadku zużycia wody. Jeśli pompa posiada parametry (wydajność i wysokość podnoszenia) wyższe od wymaganych można ją lepiej dopasować do układu, a tym samym poprawić wskaźniki zużycia energii, przez zmniejszenie średnicy wirnika lub zmniejszenie prędkości obrotowej.

Bardzo duże możliwości oszczędności zużycia energii daje zastosowanie odpowiedniej metody regulacji przy współpracy pompy z układem pompowym, w którym wymagane parametry ulegają zmianie. Jest to sytuacja typowa dla sieci wodociągowych, w których zapotrzebowanie na wodę ulega znaczącym wahaniom w ciągu doby. W takim przypadku pompę dobiera się na parametry maksymalne, a w okresach gdy zapotrzebowanie maleje należy zastosować pewną metodę regulacji. Najprostsza z nich to dławienie pompy zaworem na rurociągu tłocznym. W porównaniu z tą metodą można uzyskać na ogół znaczne oszczędności energii stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej. Efekty zastosowania tej metody są tym większe im większy udział w wysokości podnoszenia pompy maja straty przepływu oraz w im większym zakresie waha się wydajność. Wybór właściwej regulacji parametrów pozwala na uzyskanie oszczędności energetycznych sięgających kilkudziesięciu procent.

Do tej pory omawialiśmy możliwości obniżenia zużycia energii drogą poprawy sprawności pompowania, zakładając, że na parametry (wydajność Q i wysokość podnoszenia H) występujące we wzorze na pobór mocy nie mamy wpływu. Założenie takie nie zawsze jest słuszne. Dla przykładu, wymagana wysokość podnoszenia pompy zawiera w sobie zarówno wysokość geometryczną (na którą mamy znikomy wpływ) jak i wysokość strat przepływu. Redukując straty możemy obniżyć wysokość podnoszenia pompy, a zatem, zgodnie ze wzorem podanym na wstępie obniżyć zużycie mocy nawet przy niezmiennym poziomie sprawności. Na wysokość strat bardzo silny wpływ ma średnica przewodów. Eliminując odcinki sieci o zbyt małej średnicy lub zbędne elementy armatury powodujące straty (kolana, zwężki) możemy zmniejszyć wymaganą wysokość podnoszenia pompy. Podobny efekt można uzyskać stosując strefy zróżnicowanego ciśnienia w sieci. Jeśli cała sieć jest zasilana przez jedną pompę to jej wysokość podnoszenia wynika z konieczności zapewnienia wymaganego ciśnienia w najbardziej odległym lub najwyżej położonym punkcie sieci. Wysokość podnoszenia pompy można zmniejszyć jeśli zasila ona tylko te części sieci gdzie wymagane jest ciśnienie niższe, a podwyższenie ciśnienia w określonych punktach uzyskuje się przez mniejsze pompownie strefowe. Sumarycznie prowadzi to do obniżenia zużycia energii.

Obniżając wymaganą wysokość podnoszenia pompy przez optymalizację układu pompowego musimy pamiętać o dostosowaniu pompy do zmienionych wymagań. Jeśli bowiem pozostawilibyśmy parametry pompy bez zmian to przy zmniejszonej wysokości podnoszenia wymaganej przez układ pompa pracowałaby z nadmierną wydajnością, a zatem przy nadmiernym zużyciu mocy. Zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy można uzyskać przez zmniejszenie średnicy wirnika, zmniejszenie wysokości podnoszenia lub wymianę pompy na inną, co może również okazać się opłacalne.

Podsumowując:

Oszczędności energii zużywanej na pompowanie można uzyskać korzystając z następujących sposobów:

1. Stosując nowocześniejsze pompy i silniki (efekty rzędu kilku procent)
2. Utrzymując zespół pompowy w odpowiednim stanie technicznym poprzez właściwą gospodarkę remontową (efekty rzędu kilku do kilkunastu procent)
3. Eliminując błędy doboru dotyczące zarówno typu pompy jak i jej doboru do wymogów układu (efekty rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu procent)
4. Stosując właściwą metodę regulacji i optymalizując układ (efekty rzędu kilkudziesięciu procent).

Możliwe do uzyskania efekty zależą od stanu wyjściowego i są tym wyższe im bardziej ten stan odbiega od optymalnego.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

1. WPROWADZENIE.

Zużycie energii do napędu pomp stanowi poważną pozycję w sumie zużycia energii na potrzeby własne bloku energetycznego. Dla przykładu, w przypadku bloków energetycznych o mocy 200 MW suma poboru mocy pracujących w nim pomp sięga 10 MW czyli 5% mocy bloku.

Największy pobór mocy wykazują pompy zasilające kocioł. W typowym rozwiązaniu bloku 200 MW stosowanym w polskiej energetyce pompy zainstalowane są w układzie 3 x 50%, to znaczy dwie pracujące równolegle pompy dają wymaganą wydajność, a trzecia pompa stanowi rezerwę. Pobór mocy każdej z dwu pracujących pomp zasilających jest rzędu 3 MW. Tak znaczny pobór mocy jest w pewnym stopniu nieunikniony gdyż wynika z konieczności podniesienia ciśnienia na określonym etapie obiegu termodynamicznego stanowiącego podstawę generacji energii w elektrowni cieplnej. Rzeczywisty pobór mocy przewyższa jednak niezbędne z punktu widzenia fizyczne minimum z powodu tego, że sprawność zespołu pompowego jest niższa od stu procent. Utrzymywanie tej sprawności na możliwie wysokim poziomie stwarza możliwość redukcji zużycia energii na potrzeby własne bloku energetycznego.

2. SPRAWNOŚĆ ZESPOŁÓW POMPOWYCH.

Pompy zasilające pracujące w elektrowniach są na ogół wyposażone w przyrządy pozwalające na pomiar podstawowych parametrów (wydajność, ciśnienie, pobór prądu silnika), na podstawie wskazań których można oszacować sprawność zespołu pompowego. Są to pomiary o dokładności przemysłowej, nie dające w pełni wymaganej dokładności lecz pozwalające na ocenę rzędu wielkości. Na rys. 1 pokazany jest uzyskana na podstawie pomiarów przykładowa zależność sprawności od wydajności zespołu pompowego, która powiązana jest bezpośrednio z obciążeniem bloku. Wyniki pokazane na rysunku można uznać za nieco lepsze od przeciętnych gdyż spotyka się dane z innych elektrowni wykazujące niższy poziom sprawności.

W celu oceny takiego stanu można przyjąć, że nowa pompa zasilająca tego typu powinna posiada sprawność rzędu 81%, natomiast silnik z okresu gdy zespół pompowy był instalowany powinien posiadać sprawność rzędu 94%. Jak z tego wynika oczekiwana sprawność zespołu pompowego powinna wynosić 0.81 x 0.94 = 76.1 %. Jak widać na rys.1 rzeczywista sprawność zespołu jest o ok. 10% niższa. Różnica ta powoduje nadmierne straty, eliminacja których umożliwia redukcję zużycia energii na potrzeby własne bloku. Poniżej omówione zostaną źródła strat oraz wskazane zostaną możliwości ich ograniczenia.

Rys. 1. Przebieg sprawności zespołu pompy zasilającej kocioł w bloku 200 MW w zależności od wydajności.

3. MOŻLIWOŚCI POPRAWY SPRAWNOŚCI POMP ZASILAJĄCYCH.

3.1. Zwiększenie sprawności początkowej pompy.
Najprostszą możliwością jaka się nasuwa byłoby zastosowanie pomp o sprawności wyższej niż wspomniane 81%. Ta z pozoru oczywista możliwość jest jednak mało realna gdyż dla parametrów, jakie tu występują wyższy poziom sprawności jest trudny do uzyskania. W monografii [1] można znaleźć wykresy pokazujące jakiej sprawności można oczekiwać od pompy w zależności od jej wydajności i wyróżnika szybkobieżności. Wynika z nich, że dla pomp o parametrach odpowiadających pompom zasilającym kocioł 200 MW poziom 81% sprawności jest poziomem oczekiwanym i dobrym w skali światowej. Być może w ofercie niektórych producentów pomp dałoby się znaleźć pompy o nieznacznie wyższej sprawności lecz ewentualne różnice są niższe niż dopuszczalne tolerancje dla sprawności konkretnego egzemplarza [3], więc nie ma pewności, że dostarczona pompa wykaże sprawność w pełni odpowiadającą ofertowej. Wynika z tego, że zamiana typu pompy nie jest efektywnym kierunkiem, gdyż wymaga znacznych nakładów na zakup pompy i przystosowanie do niej stanowiska, natomiast efekty są nieznaczne i niepewne.

3.2. Zastosowanie pompy 100% zamiast dwu 50%.
Można również rozważać zastąpienie pomp pracujących równolegle 2 x 50% jedną pompą. Rozwiązanie takie może przynieść pewne efekty w nominalnym punkcie pracy. Ze wspomnianych wykresów [1] podających zależność oczekiwanej sprawności od wydajności wynika, że dwukrotne zwiększenie wydajności z poziomu 400 na ok 800 m3/h może przynieść wzrost sprawności o ok. 1-2 %. Zatem również w tym przypadku uzyskany wzrost sprawności jest nieznaczny, a ponadto poprawa następuje jedynie przy pracy w okolicy parametrów nominalnych. Zastosowanie pompy 100% zamiast dwu 50% powoduje natomiast komplikacje przy regulacji i zwiększenie energochłonności przy pracy bloku z obniżoną mocą, o czym mowa niżej.

3.3. Zastosowanie energooszczędnego silnika.
Sprawność silników dużej mocy w okresie gdy budowane były bloki 200 MW znajdowała się na poziomie 94%. Obecnie dostępne są silniki energooszczędne, których sprawność przy tych parametrach sięga 97%. Celowe jest zatem rozważanie zastępowania wyeksploatowanych silników silnikami nowymi jako alternatywy dla ich remontu.

3.4. Gospodarka remontowa.
Należy zadać sobie pytanie czym tłumaczy się, stwierdzona (p.2) dziesięcioprocentowa różnica w pobliżu wydajności nominalnej, pomiędzy oszacowaną na podstawie pomiarów sprawnością zespołu pompowego a sprawnością oczekiwaną dla nowej pompy i silnika, która powinna być na poziomie 76%.

Po pierwsze sprawność 76% wynika z przemnożenia sprawności pompy i silnika i nie uwzględnia sprawności pracującego pomiędzy nimi sprzęgła hydrokinetycznego. Nawet pracując bez redukcji prędkości, przy minimalnym poślizgu sprzęgło hydrokinetyczne posiada sprawność na poziomie 97%. Wobec tego sprawność zespołu pompowego ze sprzęgłem hydrokinetycznym w punkcie nominalnym można oszacować jako 0.81 x 0.97 x 0.94 = 73.8%. Większy spadek sprawności przy pracy z wydajnością nominalną występuje gdy pompa dobrana jest z nadmiarem parametrów. W takim przypadku, nawet przy pracy bloku pod pełnym obciążeniem, na sprzęgle hydrokinetycznym następuje zmniejszenie prędkości obrotowej, co powoduje znaczny wzrost strat. Nadmierny zapas parametrów pompy jest zatem szkodliwy z punktu widzenia zużycia energii. Niekorzystny wpływ sprawności sprzęgła hydrokinetycznego na sprawność zespołu jest znacznie większy przy pracy na obniżonych parametrach, o czym mowa poniżej.

Nawet przy uwzględnieniu straty na sprzęgle hydrokinetycznym pomiędzy sprawnością oczekiwaną a zmierzoną występuje znaczna różnica, której nie da się wytłumaczyć inaczej niż przez obniżkę sprawności początkowej na skutek pogorszenia stanu technicznego maszyn.
Z pomiarów parametrów pomp zasilających pracujących w elektrowniach wynika, że aktualne sprawności pomp są nierzadko na poziomie 70% (wobec 81% dla pompy nowej), a w krańcowych przypadkach znanych autorowi, spotyka się pompy osiągające sprawność maksymalną nie przekraczającą 60%.

Wskazuje to na fakt, że dla poziomu energochłonności pomp zasilających mniejsze znacznie mają różnice w sprawności pomp nowych, które w zależności od producenta i jakości danego egzemplarza zawierają się najczęściej w przedziale 80-82%. Decydujące znaczenie ma natomiast sprawność eksploatacyjna, obniżona w stosunku do wyjściowej na skutek zużycia. Jak wspomniano, sprawności pomp znajdujących się eksploatacji mogą znajdować się w przedziale nawet 60-70%.

Dla pompy pracującej na parametrach Q = 450 m3/h, H = 1800 m przy ciężarze właściwym wody 9400 N/m3 , które to parametry odpowiadają parametrom 50% pomp zasilających blok 200 MW pracujący przy pełnej mocy, moc hydrauliczna (czyli minimalna moc na wale pompy wymagana na podstawie praw fizyki) wynosi 2115 kW. Jeśli pompa posiada sprawność 81 % to rzeczywisty pobór mocy wyniesie 2611 kW, natomiast przy sprawności 70% wyniesie 3021 kW. Jak z tego wynika, ze względu na pogorszony stan techniczny zwiększenie poboru mocy z powodu pogorszenia stanu technicznego pompy zasilającej może być na poziomie 400 kW, co przy pracy przez ok 7000 godzin w roku daje różnicę zużycia energii około 2800 MWh na pompę (a pracują jednocześnie dwie). Koszt tej dodatkowej energii przekracza koszt remontu kapitalnego pompy.

Eliminacja lub przynajmniej zmniejszenie tych dodatkowych strat jest możliwe dzięki odpowiedniej polityce remonto-wej. Poprzez naturalne zużycie postępujące na przestrzeni kilku lat można wytłumaczyć kilkuprocentowy spadek sprawności. Jeśli natomiast pompa wykazuje sprawność na poziomie 70% lub niżej, to sugeruje to iż była remontowana w nie-właściwy sposób, przy zastosowaniu części zamiennych nieodpowiedniej jakości, co spowodowało obniżkę sprawności. Decyzję o skierowaniu pompy zasilającej do remontu kapitalnego podejmuje się zazwyczaj na podstawie monitoringu tzw. parametrów ruchowych (drgania, temperatury itp.). Biorąc pod uwagę fakt, że koszt remontu jest niższy od kosztu dodatkowej energii zużywanej na skutek obniżenia sprawności częstotliwość remontów można by ustalać na podstawie monitoringu sprawności energetycznej, tak aby utrzymać sprawność eksploatacyjną pompy w pobliżu sprawności pompy nowej.

Dodatkowo należy zalecić stosowanie w polityce remontowej następujących zasad:
a) Przy wybieraniu wykonawcy remontu nie należy kierować się jedynie ceną lecz również, a raczej przede wszystkim efektem w postaci poziomu sprawności energetycznej uzyskanej po remoncie,
b) Kryterium odbioru remontu powinno być badanie parametrów pompy na stacji prób pozwalające na pomiar sprawności, jaką pompa uzyskuje po remoncie.

3.5. Regulacja parametrów.
Jak stwierdzono wyżej widoczne na rys.1 obniżenie sprawności zespołu pompowego dla wydajności nominalnej z oczekiwanego poziomu 74% do ok. 66% daje się wytłumaczyć pogorszonym stanem technicznym pompy. Podobnego rzędu efekt pogorszenia sprawności z tego powodu występuje w całym zakresie wydajności. Jak jednak widać na rys.1 przy zmniejszeniu wydajności następuje dalszy spadek sprawności zespołu, nawet do poziomu 45% przy wydajności obniżonej do połowy nominalnej co jest konsekwencją zmiany parametrów w stosunku do nominalnych, wymuszonej przez pracę bloku z obniżoną mocą.
Pompy zasilające kotły regulowane są zazwyczaj przez zmianę prędkości obrotowej. Jest to metoda regulacji zazwyczaj najlepsza pod względem efektów energetycznych, jednak w tym przypadku nie zapobiega wzrostowi strat. Jak opisano w [4], przy zmianie prędkości obrotowej dany punkt na charakterystyce pompy przesuwa się w taki sposób, że wydajność spada proporcjonalnie do prędkości obrotowej, a wysokość podnoszenia proporcjonalnie do jej kwadratu. Sprawność przy tym nie ulega w przybliżeniu zmianie. Jeśli taką metodą narysowane zostaną charakterystyki pompy przy różnych prędkościach obrotowych, to punkty o jednakowych sprawnościach leżą na parabolach (rys.2). Parabole te w teorii wychodzą z początku układu współrzędnych, jednak w praktyce poniżej pewnej prędkości obrotowej, zbyt mocno obniżonej w stosunku do nominalnej, teoria ta przestaje mieć zastosowanie gdyż następuje tam głębszy spadek sprawności. Z tego powodu na rys.2 pokazano jedynie fragment wykresu dla wyższych prędkości obrotowych, gdzie paraboliczny kształt linii stałej sprawności odpowiada rzeczywistości.

Rys. 2. Współpraca pompy regulowanej przez zmianę prędkości obrotowej z układem o płaskiej charakterystyce.

Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest najskuteczniejsza wtedy gdy parabola najwyższej sprawności pokrywa się z charakterystyką układu. Taka sytuacja jest możliwa w układach obiegowych (np. ciepłowniczych) gdzie nie występuje statyczna wysokość podnoszenia. Natomiast charakterystyka układa zasilania kotła jest płaska. Wynika to z tego, że wymagane jest wysokie ciśnienie zasilania kotła, do którego dochodzą straty w rurociągach rosnące, teoretycznie, z kwadratem wydajności lecz posiadające niższy rząd wielkości niż ciśnienie zasilania. Przykład charakterystyki układu zasilania kotła, czyli zależności wymaganej wysokości podnoszenia pompy od wydajności pokazano na rys. 3. Jest to charakterystyka wyliczona na podstawie tych samych danych pomiarowych co sprawność zespołu na rys.1. Jak widać z rys.3 ciśnienie zasilania (odpowiadające wysokości podnoszenia przy zerowej wydajności) jest na poziomie powyżej 1400 m. Ze wzrostem wydajności na skutek strat przepływu wysokość podnoszenia wzrasta do poziomu 1800 m. Poszczególne punkty pomiarowe wykazują rozrzut typowy dla pomiarów przemysłowych ale generalnie układają się zgodnie z teorią w pobliżu paraboli. (Dla porządku należy dodać, że charakterystyka tego układu może ulegać zmianie na skutek zmiany jego konfiguracji, np. pobierania wody do wtrysków).

Rys. 3. Charakterystyka układu pompy zasilającej określona na podstawie wyników pomiarów (dane dla jednej z dwu pomp pracujących równolegle).

W tym miejscu należy zwrócić uwagę, że jedną z możliwości redukcji zużycia energii do napędu pomp jest redukcja strat w rurociągu, np. przez stosowanie armatury (zaworów, filtrów itp.) o niższych współczynnikach oporu. Jest to oczywiste, lecz pozostaje poza zakresem niniejszego artykułu koncentrującego się na pompach.

Jak widać z rys. 3 z charakterystyki rurociągu wynika, że pompy zasilające kocioł przy pełnej wydajności odpowiadającej pracy bloku z pełną mocą muszą wytwarzać wysokość podnoszenia rzędu 1800 m, natomiast przy pracy z wydajnością ograniczoną o połowę wysokość podnoszenia spada do poziomu 1500 m. Jak pokazano poglądowo na rys. 2 przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej powoduje to, że pompy wychodzą z obszaru optymalnych sprawności. Położenie punktu optymalnej sprawności przesuwa się wzdłuż osi wydajności proporcjonalnie do prędkości obrotowej. Zatem, aby optymalna sprawność wystąpiła przy połowie wydajności nominalnej obroty powinny zmniejszyć się do połowy. Jednak przy płaskiej charakterystyce układu w celu obniżenia wydajności do połowy potrzebne jest zmniejszenie obrotów w mniejszym stopniu i punkt optymalnej sprawności nie przesuwa się po charakterystyce wraz z punktem pracy lecz pozostaje na wyższych wydajnościach.

Oprócz pogorszenia sprawności pompy wynikającego z jej charakterystyki regulacyjnej następuje pogorszenie sprawności napędu. Przy znacznym spadku poboru mocy wynikającym z obniżenia wydajności pogarsza się sprawność silnika w związku z jego niedociążeniem. Nie jest to jednak spadek znaczący i z reguły zawiera się w zakresie 1-2 %. Poważniejsze straty występują na sprzęgle hydrokinetycznym. Na rys.4 pokazano sprawności napędów z regulowaną prędkością obrotową wg [2]. Przy regulacji z zastosowaniem przetwornika częstotliwości straty są stosunkowo niewielkie w szerokim zakresie prędkości obrotowych. Natomiast dla tradycyjnego sprzęgła hydrokinetycznego sprawność szybko spada ze zmniejszaniem obrotów.

Rys. 4. Porównanie sprawności napędów o regulowanej prędkości.

Typowy zespół pompy zasilającej w bloku o mocy 200 MW według struktury z lat 70-tych XX w., kiedy bloki te były projektowane i budowane, składał się z pompy wielostopniowej napędzanej silnikiem elektrycznym przez przekładnię podnoszącą obroty oraz sprzęgło hydrokinetyczne służące do regulacji parametrów. Dostępne w tamtym czasie rozwiązania techniczne narzucały określone uwarunkowania doboru pomp. Regulacja poprzez sprzęgło hydrokinetyczne możliwa była jedynie w dół. W celu zapewnienia możliwości kompensacji obniżki parametrów na skutek zużycia pompy dobierane były z pewnym zapasem wysokości podnoszenia. Było to niekorzystne z punktu widzenia energetycznego gdyż na skutek tego zespoły pompowe pracowały ze zwiększonym poślizgiem na sprzęgle hydrokinetycznym, co powodowało wzrost strat w sprzęgle. Kwestia regulacji nie była jednak kwestią o zasadniczym znaczeniu, gdyż w tamtym okresie bloki pracowały z reguły z obciążeniem bliskim maksymalnemu.

Obecnie bloki energetyczne o mocy 200 MW pracują w szerokim zakresie obciążeń, w tym stosunkowo często przy połowie mocy nominalnej, co powoduje konieczność ograniczenia wydajności pomp również do około połowy. Rozpatrzmy dla przykładu pracę pomp na parametrach zarejestrowanych w rzeczywistości jak na rys 3. Są to zmierzone parametry jednej z dwu pomp pracujących równolegle, a zatem całkowita wydajność podawana przez pompy do kotła jest dwukrotnie większa niż na wykresie. Jak widać parametry koncentrują się wokół dwu typowych punktów pracy: Q = 760 m³/h i H =1730 m oraz Q = 400 m³/h i H =1500 m. Na rys. 5 pokazano typową, przykładową charakterystykę pompy 100% dobranej na punkt Q = 760 m³/h i H =1730 m, które to parametry pompa osiąga przy prędkości obrotowej ok. 4050 obr/min. Sprawność w tym punkcie wynosi 81%. Jeśli na skutek zmniejszonego obciążenia bloku zachodzi potrzeba ograniczenia wydajności do 400 m³/h, a z charakterystyki układu wynika, że wysokość podnoszenia przy tej wydajności wynosi 1500 m, to jak widać z rys. 5, aby osiągnąć te parametry prędkość obrotowa pompy powinna być zredukowana do ok. 3450 obr/min. Sprawność w takim punkcie pracy wyniesie 70%. Jak widać z rys. 4, przy takim stopniu redukcji prędkości obrotowej sprawność napędu z tradycyjnym sprzęgłem hydrokinetycznym wyniesie 80%, a całkowita sprawność zespołu pompowego 0.7 x 0.8 = 56 %. Pobór mocy przy Q = 400 m³/h i H = 1500 m wyniesie 2798 kW (zakładając gęstość 9400 kg/m³ jak dla typowej temperatury wody zasilającej).

Straty można ograniczyć zastępując regulację przez sprzęgło hydrokinetyczne starego typu regulacją przez przetwornik częstotliwości. Jak wynika z rys.4 sprawność napędu z przetwornikiem wyniesie ok. 92%, a sprawność zespołu pompowego 73.6%. Zastąpienie sprzęgła hydrokinetycznego falownikiem wymaga jednak znacznych nakładów inwestycyjnych.

Rys. 5. Regulacja pracy pompy 100%.

Należy podkreślić, że jakościowo z taką samą sytuacją mamy do czynienia jeśli zamiast pompy 100 % jak w powyższym przykładzie pracują łącznie dwie pompy 50%. Ich łączna charakterystyka, powstała ze zsumowania wydajności obu pomp przy danej wysokości podnoszenia, pokazana na rys. 6 jest zbliżona do charakterystyki pompy 100% i zachowuje się w podobny sposób przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej. W tym wypadku aby obniżyć wydajność z 760 na 400 m³/h należy obniżyć prędkość obrotową z 3490 na 3060 obr/min (do 87.6%). Sprawność pomp na zredukowanych obrotach przy wydajności 400 m³/h wyniesie 70 %. Ze względu na nieco niższy stopień redukcji prędkości obrotowej (87.6%) sprawność napędu z tradycyjnym sprzęgłem hydrokinetycznym wyniesie ok 83%, a sprawność całego zespołu pompowego 0.7 x 0.83 = 58.1 %. Pobór mocy przy Q = 400 m³/h i H =1500 m wyniesie zatem 2696 kW.

Rys. 6. Regulacja dwu pomp 50% pracujących równoległe.

Gdyby więc, co jest częstą praktyką, przy obniżaniu mocy bloku regulować wydajność przez zmniejszanie obrotów obu pomp jednocześnie, to również w takim przypadku sprawność zespołu spadnie do podobnego poziomu jak dla pompy 100%. Jeśli jednak dysponujemy układem pomp 2 x 50% to przy redukcji wydajności do poziomu 50% zamiast ograniczać wydajność obu pomp jednocześnie, można jedną z pomp wyłączyć i uzyskać wymaganą wydajność z jednej pompy, która pracuje wtedy w pobliżu swojej wydajności nominalnej. Sytuacja taka pokazana jest na rys. 7. Pracująca samodzielnie pompa uzyska Q = 400 m³/h i H =1500 m przy prędkości obrotowej ok. 3350 obr/min, a zatem zredukowanej w stosunku do prędkości przy pracy równoległej w punkcie Q = 760 m³/h i H =1730 m w stosunku 3350/3490 = 0.96.

Rys. 7. Praca pojedynczej pompy 50%.

Pompa pracując pojedynczo w punkcie Q = 400 m³/h i H =1500 m uzyska sprawność 81%, a napęd przez tradycyjne sprzęgło hydrokinetyczne uzyska przy danej redukcji prędkości obrotowej sprawność ok. 89%. W rezultacie sprawność zespołu pompowego wyniesie 0.81 x 0.89 = 72.1%, a pobór mocy 2173 kW. Jak widać zmiana sposobu regulacji polegająca na wyłączeniu jednej z dwu pomp zamiast równomiernego obniżania wydajności dwu pomp pracujących równolegle pozwala obniżyć pobór mocy przy obniżonej wydajności o ponad 500 kW. Jest to oszczędność nie wymagająca żadnych inwestycji, a jedynie zmiany sposobu eksploatacji. Dla porządku należy zaznaczyć, że częste wyłączanie jednej z pomp w pewnym stopniu skraca jej okres międzyremontowy, gdyż każdy rozruch i zatrzymanie jest dla pompy stanem niekorzystnym. Efekt ten nie niweluje jednak możliwych do uzyskania korzyści energetycznych.

Powyższe przykładowe obliczenia przeprowadzono na wybranych charakterystykach pomp o typowym przebiegu i dla punktów pracy stwierdzonych w rzeczywistej elektrowni. Dla innych typów pomp i innych parametrów pracy bloku wyniki mogą się różnić ilościowo, lecz w mocy pozostają ważne wnioski jakościowe, które sformułowano niżej w podsumowaniu.

Powyższe rozważania dotyczące regulacji wydajności dla przejrzystości przeprowadzono na charakterystykach jak dla pomp nowych. Efekt pogorszenia sprawności w trakcie eksploatacji, o którym była mowa wyżej nakłada się na zjawiska związane z regulacją.

4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI.

1. Na poziom zużycia energii przez pompy zasilające kocioł bloku energetycznego zasadniczy wpływ ma aktualna sprawność energetyczna pomp, która jak wskazują pomiary w wielu przypadkach zasadniczo odbiega od sprawności pomp nowych. W celu ograniczenia poważnych strat energii wynikających z te-go zalecana jest odpowiednia polityka remontowa uwzględniająca następujące zasady:
a) Pompy powinny być kierowane do remontu nie wy-łącznie na podstawie kryteriów ruchowych lecz na podstawie monitoringu sprawności energetycznej
b) Kryterium wyboru wykonawcy remontu (obok ceny) powinna być w pierwszym rzędzie sprawność ener-getyczna uzyskana po remoncie, która powinna być weryfikowana w trakcie pomiarów na stacji prób po wykonanym remoncie.

2. Dla bloków pracujących w szerokim zakresie zmian mocy (np. w dół do 50 % mocy nominalnej) znaczne oszczędności energetyczne przy pracy z obniżoną wydajnością można uzyskać zastępując sprzęgła hydrokinetyczne starego typu przez nowocześniejsze napędy regulowane, np. przetwornice częstotliwości. Wymaga to jednak nakładów inwestycyjnych, których okres zwrotu powinien być oszacowany przed podjęciem decyzji.

3. Znaczne oszczędności energetyczne można uzyskać bez nakładów inwestycyjnych zmieniając sposób eksploatacji pomp pracujących w układzie równoległym 2 x 50%. Wyłączając jedną z pomp zamiast ograniczania wydajności dwu pomp pracujących równolegle można uzyskać bardzo istotną poprawę sprawności w zakresie wydajności 50-60% maksymalnej.

4. Układ pomp 2 x 50% jest znacznie bardziej elastyczny pod względem regulacji niż jedna pompa 100% w układach o płaskiej charakterystyce, do jakich należy układ zasilania kotła bloku energetycznego. Pomimo tego, że pompa 100% jest w stanie uzyskać nieco wyższą sprawność w okolicy wydajności maksymalnej, dla bloków pracujących często z mocą obniżoną do poziomu 50% mocy maksymalnej zaleca się stosowanie układu pomp 2 x 50%. Pozwala to przy wyłączeniu jednej z pomp na pracę przy wydajności kotła z zakresu 50-60% nominalnej ze sprawnością bliską maksymalnej, co nie jest możliwe do uzyskania przy pompie 100%.

5. Dawna praktyka polegająca na doborze pomp na maksymalne parametry i regulacji wyłącznie w dół nie jest obecnie optymalna. Obecnie dostępne są sposoby regulacji umożliwiające również zwiększanie parametrów. Przy ich wykorzystaniu korzystne jest dobieranie pomp na parametry takie, na jakich najczęściej pracują (niekoniecznie maksymalne) gdyż wtedy uzyskuje się najwyższą sprawność w najczęściej występującym punkcie pracy. Dobór oparty na takiej zasadzie wymaga analizy dla każdego przypadku, której podstawą są dane o przewidywanym rozkładzie godzinowym parametrów pracy bloku.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

Literatura:

1. W. Jędral, Pompy Wirowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001,
2. W. Misiewicz, A. Misiewicz, Napędy regulowane w układach pompowych źródeł ciepła, Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA, Warszawa 2008
3. G. Pakuła, Sprawność ofertowa pomp, Pompy Pompownie, nr 2/2012
4. G. Pakuła, Regulacja wydajności dwu pomp pracujących równolegle, Pompy Pompownie, nr 3/2011

1. WPROWADZENIE.

Wiele pompowni wodociągowych, szczególnie zaopatrujących w wodę duże miasta, budowanych w latach osiemdziesiątych XX w i wcześniejszych, zaprojektowanych jest na wydajności przekraczające znacznie obecne zapotrzebowanie. Między innymi na skutek tego pracują one nieefektywnie pod względem energetycznym.

Znaczące zmiany w sposobie eksploatacji dotyczą również bloków energetycznych budowanych w tamtym okresie. Początkowo bloki te pracowały głównie z pełnym obciążeniem, natomiast obecnie pracują często z ograniczoną mocą co powoduje, że istotny staje się efektywny pod względem energetycznym sposób regulacji parametrów pomp, a szczególnie pomp zasilających kotły, wykazujących największe pobory mocy.

Dostosowanie parametrów pompowni lub pojedynczych pomp dobieranych na inne parametry i warunki pracy niż wymagane obecnie stanowi poważne źródło potencjalnych oszczędności energii.

2. METODOLOGIA.

Można stwierdzić, że w każdym układzie pompowym zaprojektowanym i zrealizowanym jakiś czas temu można uzyskać oszczędności energetyczne podejmując określone działania, co wymaga jednak poniesienia pewnych nakładów inwestycyjnych. Uzyskanie jakichkolwiek oszczędności jest zadaniem stosunkowo prostym, natomiast wyzwaniem jest wybór optymalnej drogi modernizacji układu, która pozwoli uzyskać najkorzystniejsze wskaźniki techniczno-ekonomiczne, takie jak czas zwrotu nakładów lub wewnętrzna stopa zwrotu. Wymaga to specjalistyczne wiedzy o pompach i układach pompowych oraz przyjęcia określonej metodologii. Pomimo, że wskazówki dotyczące prawidłowego przygotowania modernizacji układu pompowego można znaleźć w literaturze m.in. [1,2], to w praktyce spotyka się przykłady działań nieprzemyślanych, w wyniku których znaczne zainwestowane nakłady nie przynoszą takich efektów, jakie dałoby się uzyskać pod warunkiem zastosowania bardziej odpowiednich rozwiązań.

Grupa Powen-Wafapomp SA jest producentem wielu pomp pracujących we wspomnianych układach pompowych wymagających obecnie modernizacji. Wykorzystując wiedzę na temat techniki pompowej oraz dokładne informacje techniczne o swoich produktach firma opracowała metodologię pozwalającą na optymalizację energetyczną układów pompowych. Pierwszym krokiem jest wstępny audyt mający na celu zgrubną ocenę stanu układu pod względem energetycznym oraz oszacowanie możliwych do uzyskania efektów. Do jego przeprowadzenia wystarczają na ogół istniejące na obiekcie przyrządy pomiarowe oraz wywiad z obsługą. W wyniku tego można zgrubnie oszacować jak sprawność zespołów pompowych ma się do poziomu oczekiwanego oraz ocenić czy warto w optymalizację układu inwestować dalsze środki, to znaczy czy istnieje potencjał do uzyskania korzystnych okresów zwrotu nakładów w przedsięwzięcia mające na celu uzyskanie oszczędności ilości energii do napędu pomp.

W przypadku gdy audyt wstępny wskazuje na celowość dalszych działań polegają one zazwyczaj na przeprowadzeniu dokładniejszych pomiarów, analizie ich wyników, która pozwala na zidentyfikowanie powodów obniżonej sprawności. Najczęstsze powody to pogorszony stan techniczny na skutek zużycia zespołów pompowych, nieprawidłowy dobór pomp do układu lub nieefektywna metoda regulacji parametrów. Dopiero sformułowanie takiej diagnozy pozwala na zaproponowanie właściwych kierunków modernizacji. Wskazane jest wytypowanie kilku alternatywnych sposobów modernizacji układu oraz przeprowadzenie dla nich obliczeń obejmujących oszacowanie możliwych do uzyskania efektów energetycznych dla każdego wariantu oraz wskaźników energetycznych (IRR, NPV) co pozwala na wybór optymalnego rozwiązania.

Warto w tym miejscu podkreślić, że modernizacja polegająca na wymianie zespołu pompowego na nowszy o wyższej sprawności bez przeprowadzenia uprzedniej analizy zazwyczaj przynosi pewne efekty energetyczne lecz nie zawsze jest sposobem optymalnym. Wynika to z tego, że wymiana całego zespołu pompowego wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych. Często nie bierze się pod uwagę, że zbliżony efekt można uzyskać przeprowadzając w sposób prawidłowy remont istniejącego zespołu pompowego co pozwala na uzyskanie sprawności energetycznej zbliżonej do wyjściowej.   Niestety, remonty pomp w praktyce prowadzone są często pod kątem uzyskania tzw. sprawności ruchowej bez odtworzenia sprawności energetycznej. Ponadto, jeśli parametry nowego zespołu pompowego są nieprawidłowo określone (np. jako bezkrytyczne powielanie parametrów istniejącego poprzednio zespołu) to nowa pompa pomimo wysokiej sprawności w punkcie optymalnym osiągać może o wiele niższą sprawność w punkcie pracy, gdyż jest on oddalony od optymalnego.

Dobre efekty można w wielu przypadkach uzyskać dokonując dostosowania istniejących pomp do aktualnych potrzeb, co w znacznym stopniu ogranicza wymagane nakłady finansowe.

Poniżej omówiono kilka przykładów modernizacji układów pompowych zaplanowanych w oparciu o opisaną metodologię.

3. PRZYKŁADY MODERNIZACJI UKŁADÓW POMPOWYCH W CELU OGRANICZENIA ZUŻYCIA ENERGII.

3.1. Pompa wody uzdatnionej.

Analizowano pracę pompowni ulokowanej przy zakładzie uzdatnianie wody znajdującej się przy ujęciu brzegowym. Zadaniem pompowni jest przerzut wody uzdatnionej do zbiornika ulokowanego na wzgórzu, z którego zasilane jest grawitacyjnie kilkusettysięczne miasto. System ten projektowany był w latach siedemdziesiątych XX w. na wydajności rzędu kilkunastu tysięcy metrów sześciennych na godzinę. Geometryczna różnica wysokości pomiędzy pompownią a zbiornikiem wynosi około 72 m, a pompowanie odbywa się przez rurociąg o średnicy 1400 mm. W założeniach projektowych dla uzyskania wymaganej wydajności planowano pracę równoległą kilku pomp. Regulacja wydajności miała odbywać się przez włączenie i wyłączanie odpowiedniej liczby pomp. Obecnie, w związku ze spadkiem zapotrzebowania na wodę występują okresy, w których wystarczająca jest praca jednej pompy z wydajnością nieznacznie przekraczającą 1000 m³/h. Wyłączanie wszystkich pomp poza jedną było jednak niewystarczającym sposobem na ograniczenie wydajności z tego względu, iż pompy były dobierane do pracy równoległej i ich wysokość podnoszenia dobrano z uwzględnieniem strat przy przepływie przez rurociąg wynikającym z pracy kilku pomp. W rezultacie pompy dobrane były na 88 m wysokości podnoszenia. Przy pracy jednej pompy straty w rurociągu są o wiele niższe w wyniku czego pojedyncza pompa pracuje z wydajnością znacznie przewyższająca nominalną. Powoduje to nie tylko obniżenie sprawności, ale również przeciążenie silnika. W rezultacie konieczne było dławienie w celu ograniczenia przepływu i poboru mocy. Dokonano pomiarów parametrów pompy na stanowisku pracy, które wykazały, że pompa znajdująca się w eksploatacji od około trzydziestu lat (pracująca od początku bez remontu) ma obecnie sprawność energetyczną obniżoną o ok 10% na skutek zużycia. Ponieważ stwierdzono znaczny potencjał do uzyskania oszczędności pompa została skierowana na dokładniejsze pomiary na fabrycznej stacji prób Grupy POWEN-WAFAPOMP SA. Na podstawie ich wyników zaproponowano kierunek modernizacji. W tym wypadku rozważano wymianę pompy na nową, lepiej dopasowaną do aktualnych wymagań oraz, jako alternatywę, remont pompy istniejącej połączony z redukcją średnicy wirnika. Na podstawie analizy wybrano ten drugi wariant, jako że pozwala on uzyskać efekty energetyczne zbliżone do zakupu pompy nowej przy daleko niższych nakładach. Po wyremontowaniu pompy i zainstalowaniu wirnika o odpowiednio dobranej średnicy uzyskano poprawę sprawności pompy oraz wyeliminowano konieczność dławienia, co łącznie dało ograniczenie poboru mocy z poziomu 340 do ok 220 kW, a zatem oszczędność rzędu 120 kW. Jest to przykład ilustrujący możliwość uzyskania znacznych efektów energetycznych przy niskich nakładach inwestycyjnych.

3.2. Pompa diagonalna na ujęciu brzegowym.

Ujęcie brzegowe wyposażone jest w cztery pompy diagonalne typu 80D25-4 z silnikami o mocy 1000 kW. Parametry nominalne pomp wynoszą Q = 5760 m³/h, H = 41 m, n = 740 obr/min. Zadaniem pomp jest podanie wody do zbiornika wody surowej w zakładzie uzdatniania położonym ok 2 km od ujęcia.

Cały system zaprojektowany został na wydajność ponad 10 000 m³/h, co zapewniała jednoczesna praca dwu pomp. Obecnie wobec zmniejszonego zapotrzebowania wydajność ujęcia zmienia się w zakresie 600 – 2500 m³/h, przy czym najczęściej wynosi około 1500 m³/h. Przy tak ograniczonym przepływie straty w rurociągu zaprojektowanym na znacznie większą przepustowość są nieznaczne, w wyniku czego charakterystyka układu jest płaska a wysokość podnoszenia wynika głównie z geometrycznej różnicy poziomów pomiędzy ujęciem a zbiornikiem. Dokonano pomiarów, na podstawie których stwierdzono, że w rozpatrywanym przedziale wydajności 600 – 2500 m³/h odpowiadająca temu zmiana wysokości podnoszenia zawiera się w przedziale 25 – 27 m.

W celu dostosowania pomp do aktualnych wymagań zastosowano przemiennik częstotliwości w celu regulacji prędkości obrotowej. Ten sposób regulacji nie był jednak w pełni efektywny, gdyż jak wiadomo z teorii, przy płaskiej charakterystyce układu (kiedy trzeba utrzymywać w przybliżeniu stałą wysokość podnoszenia) znaczne ograniczanie wydajności powoduje wyjście pompy z obszaru korzystnej sprawności. W tym przypadku uzyskanie z pomp o podanych wyżej parametrach nominalnych wydajności 1500 m³/h przy 26 m podnoszenia wymagało ograniczenia prędkości obrotowej pompy do ok. 540 obr/min. Dokładniejsza analiza wykazała, że pompa pracuje wtedy ze sprawnością zaledwie ok 42 % i przy poborze mocy rzędu 290 kW. Niska sprawność układu wynikała w tym przypadku przede wszystkim ze znacznego przewymiarowania pompy co powoduje jej pracę z dala od punktu optymalnego pomimo regulacji przez zmianę obrotów. Znaczenie miało też znaczne niedociążenie silnika elektrycznego oraz zły stan techniczny pompy i silnika znajdujących się w eksploatacji od kilkudziesięciu lat. W wyniku analizy możliwych rozwiązań stwierdzono, że w tym wypadku celowa jest wymiana zespołu pompowego na nowy, składający się z pompy dobranej na obecny zakres wydajności i silnika o odpowiednio mniejszej mocy. Właściwą pompą do tego zastosowania jest pompa 40D30 pracująca z prędkością obrotową regulowaną w zakresie 1260 – 1860 obr/min uzyskująca w przeważającej części wymaganego zakresu wydajności sprawność powyżej 80%. Aby zredukować do minimum wymagane nakłady inwestycyjne Grupa POWEN-WAFAPOMP SA zaoferowała dostawę pompy w wykonaniu specjalnym 80/40D30, składającym się z części hydraulicznej pompy 40D30 (wirnik i kierownica) o wymaganych parametrach połączonej z częścią wylotową pompy 80D (kolano wylotowe). Umożliwiło to zainstalowanie nowej, mniejszej pompy na istniejącym stanowisku bez konieczności jakichkolwiek zmian w fundamentach lub układzie rurociągów. Pobór mocy nowego zespołu pompowego przy 1500 m³/h jest na poziomie 140 kW, co oznacza oszczędność rzędu 150 kW w stosunku do stanu istniejącego.

Jest to przykład wskazujący, że samo zastosowanie przetwornika częstotliwości, bez całościowej analizy układu pompowego nie daje pełnych efektów. Przykład ten pokazuje również na możliwość ograniczenia kosztów modernizacji w wyniku elastycznego i indywidualnego podejścia producenta, który dostosował zespół pompowy do istniejącego stanowiska.

3.3. Pompa zasilająca kocioł w elektrociepłowni.

Analizie poddano pompy typu 15Z28x7V2 produkcji Grupy POWEN-WAFAPOMP SA, o parametrach znamionowych Q = 275 m³/h, H = 1820 m, n = 4660 obr/min zasilające kocioł parowy w elektrociepłowni. Pompy te napędzane są silnikami o mocy 2 MW o prędkości obrotowej 2980 obr/min. Napęd odbywa się przez przekładnię zębatą podnoszącą obroty oraz sprzęgło hydrokinetyczne służące do regulacji prędkości obrotowej.

Na podstawie pomiarów parametrów archiwizowanych w systemie rejestracji oszacowano sprawność zespołu pompowego, która zawierała się w przedziale od 45% dla 150 m³/h do 58% przy 250 m³/h.

Analiza wykazała, że powody tak niskiej sprawności są następujące:

a) Pogorszony stan techniczny pomp i innych elementów zespołu pompowego, które znajdują się w eksploatacji od lat 70-tych XX w.

b) Przewymiarowanie pomp. Jak wykazała analiza danych historycznych pompy nigdy nie pracują przy określonych wyżej parametrach nominalnych, natomiast przez większość czasu pracują przy wydajności poniżej 200 m³/h. Ponieważ charakterystyka układu jest płaska (wymagane jest określone, wysokie ciśnienie wody zasilającej) pompa dobrana na wydajność 275 m³/h w zakresie poniżej 200 m³/h pracuje przy obniżonej sprawności nawet przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej.

c) Niewłaściwy sposób regulacji obrotów. Sprawność sprzęgła hydrokinetycznego spada ze spadkiem prędkości po stronie regulowanej (czyli ze wzrostem poślizgu). Regulacja prędkości obrotowej przy pomocy sprzęgła hydrokinetycznego była właściwa w sytuacji gdy blok był przewidywany do pracy z pełną mocą lub przy jej nieznacznej redukcji gdyż wtedy głębokość regulacji prędkości jest niewielka, a straty z tego wynikające nieznaczne. Natomiast w sytuacji gdy blok pracuje przez zdecydowaną większość czasu ze znacznie zredukowaną mocą straty na sprzęgle hydrokinetycznym są dotkliwe.

Pod uwagę brano kilka wariantów modernizacji zespołu pompowego, m.in.:

– wymianę napędu przez sprzęgło hydrokinetyczne na napęd przez przetwornik częstotliwości bez zmiany pompy

– wymianę sprzęgła hydrokinetycznego na nowe z odpowiednio dobranym przełożeniem przekładni zębatej w celu likwidacji nadmiaru parametrów z jednoczesnym remontem pompy

– zastosowanie przetwornika częstotliwości do napędu przy jednoczesnym remoncie pompy połączonym z jej przebudową z 7 na 10 stopni. Przebudowa ta ma na celu uzyskanie wymaganych parametrów przy niższej prędkości obrotowej, co powoduje przesunięcie optimum sprawności w kierunku niższych wydajności, przy których pompa pracuje najczęściej.

Ten ostatni sposób w wyniku analizy okazał się optymalny. Pozwala on na uzyskanie oszczędności energii do napędu pompy o około 30% w porównaniu ze stanem obecnym przy założeniu rocznego rozkładu obciążenia bloku wynikającego z danych historycznych. Sposób ten wykazał najkorzystniejsze wskaźniki IRR oraz NPV.

Przykład ten ilustruje, że w celu uzyskania najlepszych efektów wymagana jest pogłębiona analiza. W tym wypadku lepsze efekty niż dla powszechnie stosowanego rozwiązania polegającego na zastosowaniu przetwornika częstotliwości można uzyskać łącząc to rozwiązanie z właściwie zaplanowaną modyfikacją pompy oraz jej remontem.

4. PODSUMOWANIE.

W celu uzyskania optymalnych efektów w zakresie oszczędności energii do napędu pomp wskazana jest analiza układu pompowego prowadzona według odpowiedniej metodologii przez osoby lub firmy dysponujące wiedzą i doświadczeniem z zakresu techniki pompowej.

Oczywiste i kosztowne rozwiązania, takie jak wymiana zespołu pompowego na nowy lub zastosowanie przemiennika częstotliwości dają z reguły efekty lecz nie zawsze są optymalne. Nie należy zapominać o konieczności prawidłowego doboru parametrów pompy do układu, co można uzyskać przez jej modernizację, ani o tym, że znaczne rezerwy w zakresie zużycia energii tkwią w prawidłowej gospodarce remontowej, gdyż często niska sprawność zespołu wynika ze zużycia pompy przy jednoczesnym braku właściwie prowadzonych remontów. Praktyczne doświadczenia zebrane w trakcie pomiarów i analiz układów pompowych wskazują, że aktualne sprawności zespołów pompowych są znacznie obniżone w stosunku do wartości wyjściowych. Wynika to albo z zupełnego zaniechania remontów kapitalnych, albo z wykonywania ich w sposób niewłaściwy, np. z zastosowaniem innych niż oryginalne części zamienne. Ten czynnik bywa pomijany w trakcie podejmowania decyzji zmierzających do uzyskania oszczędności zużycia energii. Nierzadko podejmuje się decyzje o wymagających znacznych nakładów inwestycjach, zapominając o tym, że podobne efekty energetyczne można uzyskać ponosząc znacznie niższe koszty na prawidłowo przeprowadzony (np. zlecony producentowi) remont.

Dobór optymalnego sposobu postępowania, jak wspomniano, wymaga całościowej analizy problemu oraz rozważenia wielokierunkowych działań nie ograniczających się do tych z pozoru oczywistych, które jednak nie zawsze okazują się optymalne w wyniku fachowej oceny. Profesjonalnie przygotowana modernizacja układu pompowego w wielu przypadkach pozwala na uzyskanie kilkudziesięcio procentowych oszczędności energii i korzystnych okresów zwrotu nakładów.

W zakresie analiz układów pompowych oraz w realizacji zaplanowanych na ich podstawie działań wskazana jest współpraca z producentem pomp, który posiada wymagane informacje techniczne na ich temat oraz niezbędną wiedzę i doświadczenie.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

LITERATURA:

[1] Jędral W., Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych, KAPE, Warszawa, 2007

[2] Plutecki J., Ocena stanu, kierunki i efekty modernizacji układów pompowych, Pompy Pompownie, Nr 1 (148), kwiecień 2013, str. 23-26.

System odwadniania kopalń odkrywkowych składa się zazwyczaj z dwu podsystemów. Wokół terenu kopalni odkrywkowej wierci się studnie, w których instaluje się pompy głębinowe. Jest to tzw. bariera ochronna, której zadaniem jest obniżenie poziomu wód gruntowych w całej okolicy, tak aby wody te nie pojawiały się w wykopie kopalni. Jest to tzw. system odwadniania wgłębnego, który w tym referacie nie będzie omawiany. Oprócz niego w wykopie kopalni funkcjonuje system odwadniania powierzchniowego, którego zadaniem jest odprowadzenie z wyrobiska odkrywki wód deszczowych oraz resztkowych wód gruntowych, które omijają barierę pomp głębinowych i wyciekają z górotworu do odkrywki. Wody te zbierane są z terenu odkrywki przez system rowów odwadniających i kierowane do zbiorników pompowni. Pompownie te z reguły ulokowane są na półkach stałych odkrywki. Nadmiar wód opadowych, np. podczas opadów nawalnych, zbiera się w najniższym miejscu odkrywki, skąd po ustaniu opadów jest stopniowo przepompowywany do zbiorników pompowni głównych.

Pompownie te mogą być wyposażone w tradycyjne pompy stacjonarne. Rozwiązanie takie w warunkach odkrywki powoduje jednak pewne trudności eksploatacyjne. Po pierwsze, sytuacja w odkrywce jest zmienna, gdyż na skutek postępu w eksploatacji i związanego z typ „przesuwania się” wyrobiska lokalizacja pompowni musi ulegać zmianie. W przypadku tradycyjnych pompowni jest to związane ze znacznymi kosztami. Drugim problemem jest niestabilność skarp odkrywki, które pod wpływem intensywnych opadów lub nasilenia wypływu wód gruntowych wykazują tendencję do osuwania się grożąc zasypaniem pompowni.

Rys.1. Schemat systemu odwadniania z pompami stacjonarnymi i zatapialnymi.

Z powodu w/w niedogodności związanych z pompami stacjonarnymi opracowany został system odwadniania powierzchniowego odkrywek oparty o pompy zatapialne. Oprócz mniejszej wrażliwości na zagrożenie w postaci zalania, pompownie zatapialne wykazują inną cenną zaletę w postaci mniejszej zajmowanej powierzchni w porównaniu z pompami stacjonarnymi. Należy zdawać sobie sprawę, że każdy metr kwadratowy terenu w odkrywce jest cenny, gdyż wymaga usunięcia znad niego wielu ton nadkładu. Generalnie koszt budowy pompowni zatapialnych jest niższy w porównaniu z pompowniami wyposażonymi w pomy stacjonarne. Ponadto pompy zatapialne nie wymagają żadnej obsługi, nie wymagają odpowietrzania i zalewania przed uruchomieniem, co umożliwia budowę systemu odwadniania sterowanego zdalnie.

Wysokości podnoszenia pomp wymagane w systemach odwadniania powierzchniowego kopalń odkrywkowych z reguły nie przekraczają 200 m gdyż eksploatacja głębszych kopalń odkrywkowych jest nieopłacalna. Do wysokości podnoszenia rzędu 100 m można stosować pompy zatapialne jednostopniowe. Specjalnie w tym celu został opracowany typoszereg pomp OZ o nietypowej konstrukcji. Powszechnie spotyka się rozwiązanie konstrukcyjne zatapialnych pomp jednostopniowych polegające na zastosowaniu spirali zbiorczej i króćca tłocznego skierowanego w bok. W pompach OZ zastosowano odmienny układ. Silnik napędowy umieszczony jest poniżej pompy, a wlot do wirnika znajduje się od strony napędu poprzez użebrowaną szczelinę rozmieszczoną wokół obwodu pompy. Zastosowano kierownicę łopatkową, a króciec tłoczny pompy skierowany jest pionowo w górę.

Taki układ konstrukcyjny ma następujące zalety:
a) Silnik jest skutecznie chłodzony gdyż nie może dojść do jego wynurzenia.
b) Pompa nie zasysa silnie zanieczyszczonej wody z dna zbiornika lecz częściowo sklarowaną ciecz z wyższej warstwy
c) Uszczelnienie wału, składające się dwu uszczelnień mechanicznych pracujących w komorze olejowej nie jest narażone na ciśnienie tłoczenia lecz jedynie na ciśnienie hydrostatyczne co zmniejsza ryzyko nieszczelności
d) Łopatkowa kierownica odśrodkowa eliminuje występowanie znacznej siły promieniowej przy pracy poza punktem nominalnym, co w pompach ze spiralą tłoczną jest źródłem drgań końcówki wału sprzyjających awarii uszczelnienia.

Pompy OZ mogą być instalowane zarówno przez ustawienia na dnie zbiornika, jak i przez zawieszenie na króćcu tłocznym, czemu sprzyja symetryczne, osiowe położenie króćca. Ze względu na to, że wody powierzchniowe w kopalni odkrywkowej mogą zawierać znaczne ilości zanieczyszczeń stałych (piasek itp.) pompy OZ skonstruowane są na prędkości obrotowe 1500 obr/min, gdyż wyższe prędkości sprzyjałyby szybkiemu zużyciu na skutek erozji.

Rys. 2. Pompa zatapialna jednostopniowa typu OZ.

Zakres parametrów pomp OZ obejmuje wydajność do 1600 m3/h i wysokości podnoszenia do 100 m, co w pełni pokrywa zapotrzebowanie występujące w typowych kopalniach odkrywkowych. Dla głębszych odkrywek, gdzie wymagane wysokości podnoszenia przekraczają 100 m opracowano wielostopniowe pompy zatapialne OWZ pracujące w podobnym układzie konstrukcyjnym, tzn. pompa zabudowana jest pionowo nad silnikiem. Pompy te, w odróżnieniu od typowych pomp głębinowych, skonstruowane są z myślą o pracy na wodzie zanieczyszczonej i nie zawierają węzłów konstrukcyjnych wrażliwych na zanieczyszczenia, jak np. łożyska smarowane pompowaną cieczą. Zakres wydajności pomp OWZ sięga do 600 m3/h, a wysokości podnoszenia do 280 m.

Rys. 3. Pompy wielostopniowe zatapialne typu OWZ.

Jak wspomniano, w najniższym punkcie odkrywki gromadzić się może woda z opadów nawalnych, której nie są w stanie przejąć rowy odwadniające w trakcie intensywnych opadów. Woda zgromadzona w tym miejscu musi być wypompowana do zbiorników pompowni ulokowanych nieco powyżej, na skarpach. Ulokowanie jakiejkolwiek pompowni na terenie rozlewiska jest trudne, dlatego najlepszym rozwiązaniem okazuje się zastosowanie pomp pływających po powierzchni na pontonach i tłoczących wodę elastycznymi przewodami. Taki sposób instalacji pomp nie wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych i umożliwia pompowanie w trudnych warunkach przy zmiennym poziomie wody w rozlewisku.

Rys. 4. Ponton z pompą typu ON.

W podsumowaniu należy stwierdzić, że zastosowanie w systemie odwadniania powierzchniowego pomp zatapialnych zamiast tradycyjnych pomp stacjonarnych przynosi następujące korzyści:
a) Mniejsze nakłady inwestycyjne na budowę pompowni, w tym mniejsze koszty jej przemieszczania w obrębie odkrywki w wyniku postępu robót górniczych.
b) Większe bezpieczeństwa pracy systemu gdyż pompy zatapialne nie są wrażliwe na zalanie.
c) Brak problemów ze ssaniem, możliwość pracy pompowni w znacznie większym zakresie zmian poziomu lustra cieczy.
d) Brak wymagań co do obsługi, możliwość automatyzacji i zdalnego sterowania.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

Kopalnie głębinowe w celu utrzymania w ruchu wymagają odwadniania to znaczy wypompowania na powierzchnię wody napływającej do podziemnych wyrobisk. Woda ta pochodzi zarówno z naturalnej penetracji wód występujących w górotworze, jak i z procesów technologicznych prowadzonych w podziemiach kopalni, jak na przykład rozpylanie wody w pobliżu pracującego kombajnu mające na celu ograniczenie zapylenia. Gdyby zaprzestać odwadniania to po pewnym czasie kopalnia zostałaby wypełniona wodą do poziomu odpowiadającemu położeniu zwierciadła wód gruntowych. Oprócz kopalń czynnych, występują również kopalnie w których zaprzestano wydobycia, niejednokrotnie częściowo lub całkowicie zalane. W celu zapewnienia bezpieczeństwa sąsiednich kopalń czynnych, odwadnianie kopalń zlikwidowanych musi być kontynuowane,

Ponoszenie kosztów na odwadnianie jest zatem nieuniknione dla umożliwienia bezpiecznej eksploatacji kopalń. Rzecz w tym aby koszty odwaniania nie przewyższały uzasadnionego technicznie poziomu, co niestety nie zawsze ma miejsce. Poziom kosztów odwadniania ma znaczenie dla wyniku finansowego firm górniczych. Oprócz aspektu ekonomicznego wymiar ogólnospołeczny posiada też aspekt ekologiczny. Łączna moc zużywana na odwadnianie kopalń jest tego rzędu, że można stwierdzić iż co najmniej jeden blok energetyczny w elektrowni pracuje wyłącznie na ten cel. Jak wiadomo produkcja energii elektrycznej nieuchronnie wiąże się z zagrożeniem dla środowiska w postaci między innymi emisji CO₂ oraz odpadów ze spalania paliwa, które wymagają składowania. Moc zużywana na odwadnianie kopalń jest tego rzędu, że stanowi poważny czynnik zagrażający środowisku, a zatem stanowi problem społeczny wykraczający poza górnictwo.

Moc niezbędna do odwadniania kopalni zależy od dwuch zasadniczych parametrów: ilości wody w jednostce czasu, jaką należy odpompować, która przekłada się na wymaganą wydajność pomp oraz od głębokości kopalni, która wpływa na tak zwaną wysokość podnoszenia pomp. W znaczącym stopniu na moc wpływa też ciężar właściwy pompowanej wody zależny m.in. od stopnia jej zasolenia i zanieczyszczenia. Typowe parametry górniczej pompy głównego odwadniania to wydajność rzędu 500 m³/h i wysokość podnoszenia rzędu 700 m. Przy takich parametrach, dla typowego stopnia zanieczyszczenia wody minimalna moc wymagana do napędu pompy wynosi około 1 MW. Jest to moc teoretyczna, jaką pobierałaby idealna pompa pracująca bez jakichkolwiek strat. Wynika ona z praw fizyki, gdyż energia potrzebna do podniesienia wody o określonej masie na określoną wysokość jest ustalona. Poniżej tego poboru mocy nie da się zejść przy zastosowaniu żadnych rozwiązań technicznych. W praktyce pompy pobierają moc większą od teoretycznie wymaganej, gdyż rzeczywiste maszyny zawsze pracują nie według idealnego modelu teoretycznego lecz z pewnymi stratami wynikającymi między innymi z występowania tarcia i innych nieuchronnych zjawisk fizycznych.

Parametrem charakteryzującym pompę pod tym względem jest jej tzw. sprawność energetyczna, która wskazuje jaki procent całkowitej mocy pobieranej przez pompę stanowi pobór niezbędny z teoretycznego punktu widzenia. Pozostała część mocy jest w pompie tracona. Dla przykładu, sprawności energetyczne nowoczesnych pomp o parametrach określonych wyżej są na poziomie 80%. Oznacza to, że jeśli teoretyczny poziom poboru mocy wynosi wspomniany 1 MW, to pompa pobiera moc 1.25 MW (1 MW to 80% z 1.25 MW). Mowa tu o sprawności nowej maszyny, gdyż sprawność pompy w trakcie eksploatacji nieuchronnie spada. Wynika to między innymi ze wspomnianego zanieczyszczenia wód kopalnianych solami oraz ciałami stałymi powodującymi intensywną korozję oraz mechaniczne zużycie zasadniczych elementów pomp. Sprawność energetyczna silnie wyeksploatowanej pompy może spaść do poziomu 50-60%, co dla parametrów podawanych w powyższym przykładzie oznaczałoby wzrost poboru do 1.66 – 2 MW. W praktyce dla pojedynczej pompy w trakcie postępowania zużycia nie obserwuje się wzrostu poboru mocy, co wynika z faktu, ż pompa traci wydajność i pompuje mniej wody niż pompa nowa, a zatem pomimo pogarszającej się sprawności nie wykazuje dramatycznego wzrostu poboru mocy. Pamiętać jednak należy, że na koszt pompowania nie wpływa pobór mocy lecz jej zużycie wynikające z przemnożenia poboru mocy przez czas pracy pompy. Wyeksploatowana pompa aby wypompować tę samą ilość wody co pompa nowa musi pracować dłużej, a zatem zużycie energii przez nią rośnie w stopniu odpowiadającym spadkowi sprawności.

Z powyższych faktów wynika wniosek, że o poziomie kosztów odwadniania kopalń decyduje głównie polityka remontowa. Na koszt odwadniania, mówiąc w pewnym przybliżeniu składają się bowiem dwa zasadnicze elementy: początkowe nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacji, na które z kolei składają się koszty energii elektrycznej, koszty obsługi oraz koszty remontów. Można wykazać, że efekt ekonomiczny zależy w pierwszym rzędzie od zużycia energii elektrycznej. Koszt zakupu zespołu pompowego o parametrach zbliżonych do wyżej podanych jest rzędu kilkuset tysięcy złotych. Koszt obsługi pompy odpowiada w przybliżeniu kosztowi utrzymywania jednego etatu, a zatem wynosi kilkadziesiąt tysięcy rocznie. Pompa głównego odwadniania pracuje z reguły około 10 godzin na dobę, czyli 3650 godzin w ciągu roku. Jeśli jej zużycie mocy wynosi 1.25 MW, a koszt 1 kWh przyjąć jako 30 groszy to koszt energii zużytej przez pompę w ciągu roku wynosi 1,37 mln zł. Jest to wartość dla nowoczesnej pompy znajdującej się w bardzo dobrym stanie technicznym posiadającej sprawność 80%. Natomiast jeśli pompa posiada sprawność obniżoną do 60%, to roczny koszt zużycia energii rośnie do 1.82 mln zł, czyli o 450 tys. zł. Zwiększenie kosztu energii zużytej przez pompę jest zatem znacznie większe od kosztu obsługi i jest zbliżone do kosztu zakupu nowego zespołu pompowego.

Jak widać z proporcji kosztu zakupu pompy i kosztu zużycia energii wpływ nakładów inwestycyjnych nie jest decydujący. Na etapie zakupu nowej pompy należy oczywiście upewnić się, że jej sprawność energetyczna jest na odpowiednio wysokim poziomie, co z reguły ma miejsce w przypadku poważnych producentów pomp głównego odwadniania. Oprócz sprawności początkowej należy brać pod uwagę tempo, w jakim sprawność obniża się w trakcie eksploatacji. Tempo to zależy od konstrukcji pompy, jakości jej wykonania oraz użytych materiałów i może się różnić istotnie dla różnych producentów.

Znaczenie właściwej gospodarki remontowej dla kosztów odwadniania kopalń jest zwiększone przez fakt, że polskie kopalnie są od dawna wyposażone w pompownie, a nowe inwestycje zdarzają się stosunkowo rzadko. W praktyce eksploatowane są w większości pompy pracujące od wielu lat, niejednokrotnie całkowicie zamortyzowane. W tej sytuacji o kosztach odwadniania decydują praktycznie dwa zasadnicze czynniki: koszt prowadzenia remontów oraz koszt zużywanej energii. Koszt remontu pompy głównego odwadniania stanowi, w zależności od zakresu, pewien procent wartości pompy nowej i waha się od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy złotych. W każdym wypadku jest on jednak wielokrotnie niższy od kosztu zużycia energii. Koszt remontu ma wpływ na sprawność energetyczną pompy uzyskaną po remoncie. Podejmując decyzję o zleceniu remontu nie należy się kierować jedynie ceną tej usługi lecz w pierwszym rzędzie brać pod uwagę efekt w postaci uzyskanej sprawności energetycznej. Może się bowiem zdarzyć, że uzyskanie kilkudziesięciu tysięcy złotych oszczędności na koszcie remontu skutkuje kilkuset tysiącami strat na koszcie energii elektrycznej. Kryterium wyboru wykonawcy remontu nie może być zatem jedynie cena lecz w co najmniej równym stopniu uzyskane po remoncie parametry energetyczne. Przy zlecaniu remontu powinien bezwzględnie obowiązywać wymóg sprawdzenia sprawności energetycznej na odpowiednim stanowisku pomiarowym.

Zrozumienie powyższych faktów i wdrożenie ich w praktyce leży nie tylko w interesie kopalń lecz również, jak wykazano, służy ochronie środowiska.

Dr Inż. Grzegorz Pakuła

W pierwszej części artykułu stwierdzono, że w wielu przypadkach zachodzi potrzeba korygowania parametrów pomp celem 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):

1. Redukcja średnicy wirników
2. Zmiana kąta wylotowego łopatek
3. Zmiana liczby stopni
4. Zmiana prędkości obrotowej
5. Wymiana pompy na inną
6. Modernizacja pompy polegająca na zastosowaniu nowego układu przepływowego.

Ad 1. 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 spirala. 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.

Ad2. 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 ona 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.

Ad 3. 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.

Ad 4. 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.).

Ad. 5. 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 jest 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 kosztu utrzymania pompy w eksploatacji zakup pompy nowej powinien być brany pod uwagę jako realna alternatywa, szczególnie gdy wymagana zmiana parametrów jest znaczna.

Ad 6. 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:

a)    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

b)    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.

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

d)    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 pierwsza próbą „trafiają” w oczekiwane parametry.

e)    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, ze 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.

f)     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.

g)    Należy brać też pod uwagę aspekt formalno-prawny. 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 opracowanie na nowo analizy zagrożeń, deklaracji zgodności z normami itp. zgodnie z wymogami obowiązującego systemy oceny bezpieczeństwa maszyn. Powoduje to zwiększenie kosztów modernizacji.

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 też pozwala 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 przyjęci dłuższego okresu odwrotnie; nie jest jasne jaką stopę dyskonta brać przy uwzględnianiu kosztów w odległych latach itp.). Odpowiednio manipulując w/w 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).

Powyższych uwag dotyczących trudności w praktycznym dokonaniu wyboru optymalnej metody korekty parametrów nie należy rozumieć w tym sensie, że jest to niemożliwe. Z całą pewnością w wyniku rzetelnej analizy, np. prowadzonej metodą LCC, da się wyeliminować sposoby korekty całkowicie nieuzasadnione w danym przypadku. Trudności mogą powstać w przypadku oceny metod zbliżonych co do spodziewanych efektów, różniących się na poziomie kilku procent, gdyż te różnice mogą się mieścić w marginesie błędów i przybliżeń w przyjętych założeniach.

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

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

2. 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

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

4. Dobra praktyka polega na tym, że po to aby ocena była obiektywna, firma która dokonuje oceny i wyboru możliwych metod nie powinna być zainteresowana w ich realizacji. Jeśli firma proponująca pewne rozwiązanie sama dokonuje jego porównania techniczno-ekonomicznego z innymi wariantami to zachodzi obawa, że taka analiza ma to 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 zasięgniecie opinii innej, niezależnej instytucji, która zweryfikuje przyjęte założenia.

5. Inwestor, dokonując wyboru na podstawie wyników analizy nie powinien korzystać z wniosków bezkrytycznie lecz powinien zapoznać się z założeniami przyjętymi 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.

6. 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 nie uwzględniane zazwyczaj w typowej analizie techniczno-ekonomicznej, takie jak renoma wykonawcy bądź ryzyko uzyskania efektów odmiennych od zakładanych.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

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 rożni 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.

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.

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 w/w czterech możliwości).

W dalszej części skoncentrujemy się na prostszej kwestii doboru pomp na stały punkt pracy. Na wstępie należy zdać sobie sprawę 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 sytuacji, ze 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 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

Rady dotyczące bieżącej obsługi pomp można by w zasadzie sprowadzić do zalecenia zapoznania się z Instrukcją Użytkowania konkretnego egzemplarza i do podkreślenia konieczności stosowania się do niej. Nie umniejszając znaczenia przestrzegania Instrukcji można pokusić się o sformułowanie kilku ogólnych uwag mających zastosowanie do bieżącej obsługi pomp niezależnie od ich konstrukcji

Współczesne pompy są tak budowane, że wymagania w zakresie bieżącej obsługi są minimalne. Bieżąca obsługa sprowadza się praktycznie do monitorowania parametrów pracy w celu uchwycenia odstępstw od poziomu nominalnego. W zasadzie jedynym węzłem konstrukcyjnym potrzebującym stosunkowo częstej obsługi jest dławnica sznurowa, która wymaga regulacji wycieku, co realizuje się przez dociąganie bądź luzowanie śrub mocujących dławik dociskający szczeliwo. Prawidłowo wyregulowana dławnica powinna posiadać kroplowy wyciek (rzędu kilku kropli na minutę) co jest wymagane dla zapewnienia smarowania i chłodzenia powierzchni tulei współpracującej ze szczeliwem. Zbyt silne dociśnięcie dławika powodujące całkowite wstrzymanie wycieku skutkuje przegrzaniem i uszkodzeniem dławnicy. Należy dbać o właściwe uchwycenie i odprowadzenie wycieku (z reguły przez przewód podłączony do dolnej części korpusu dławnicy), gdyż woda rozlewająca się wokół pompy sprzyja korozji. Jeśli nadmiernego wycieku nie da się ograniczyć przez dalsze dokręcanie dławika konieczna jest wymiana sznurów uszczelniających. Jest to z reguły możliwe bez demontażu pompy, choć bywa kłopotliwe. Najpierw należy usunąć zużyte szczeliwo. Wyciągnięcie najgłębiej umieszczonych sznurów można zrealizować korzystając za specjalnych narzędzi w postaci elastycznych pręcików zakończonych gwintem służącym do wkręcenia w szczeliwo. Nowe sznury uszczelniające należy zakładać w postaci odcinków o długości odpowiadającej obwodowi wału. Niedopuszczalne jest spiralne nawijanie szczeliwa na wał. Miejsca łączenia końców kolejnych odcinków należy sytuować po przeciwnych stronach wału. Po wymianie szczeliwa dławnicy nie należy od razy mocno dociągać lecz pozostawić początkowo zwiększony wyciek, a następnie stopniowo go ograniczać. Wymiana szczeliwa nie przyniesie oczekiwanego skutku jeśli powierzchnia tulei jest zbyt zniszczona (nierównomiernie wytarta, skorodowana itp.) W takim przypadku należy tuleję wymienić, co z reguły wymaga już częściowego demontażu pompy.

 W odróżnieniu od tradycyjnych dławnic sznurowych coraz częściej stosowane mechaniczne, ślizgowe uszczelnienia wału nie wymagają z reguły żadnej bieżącej obsługi. Ich eksploatacji ogranicza się do obserwacji wycieku, który powinien być niewidoczny.Gdy się pojawi konieczna jest naprawa uszczelnienia, co ze względu na precyzję tego urządzenia najlepiej powierzyć serwisowi producenta. Uszczelnienia mechaniczne są jednak w porównaniu z dławnicami sznurowymi bardziej wrażliwe na niekorzystne warunki pracy. Zwiększone drgania wału zwiększają prawdopodobieństwo awarii uszczelnienia mechanicznego dlatego eksploatując pompy wyposażoną w takie uszczelnienia należy kontrolować i ograniczać poziom drgań. Ponadto, uszczelnienia mechaniczne łatwo ulegają awarii przy pracy na sucho, dlatego przed rozruchem pompa wymaga starannego odpowietrzenia.

Obsługa łożysk sprowadza się do utrzymywania właściwego poziomu czynnika smarującego (smaru stałego lub oleju) oraz do jego wymiany z częstotliwością zalecaną przez producenta. Zarówno zbyt niski jak i zbyt wysoki poziom czynnika smarującego prowadzi do niewłaściwej pracy łożysk objawiającej się wzrostem temperatury. Ważne jest też utrzymanie czystości czynnika smarującego co wymaga kontroli uszczelnień komory łożyskowej zainstalowanych w miejscu gdzie wychodzi z niej wał. Niedopuszczalne jest eksploatowanie pompy, na którą leje się woda lub która znajduje się w warunkach nadmiernego zapylenia, gdyż grozi to po pewnym czasie uszkodzeniem uszczelnień komory łożyskowej a w konsekwencji samych łożysk.

W trakcie eksploatacji ważna jest kontrola stanu zainstalowania pompy obejmująca kontrolę dociągnięcia śrub oraz kontrole osiowania z silnikiem. Ten ostatni zabieg powinien być przeprowadzany okresowo gdyż początkowe, prawidłowe wyosiowanie pompy i silnika może ulec pogorszeniu w trakcie eksploatacji. Poluzowanie śrub mocujących pompę do fundamentu prowadzi do zwiększenia poziomu drgań, a poluzowanie śrub mocujących rurociąg ssawny do kołnierza pompy grozi jej zapowietrzeniem.

W trakcie eksploatacji należy sprawdzać drożność orurowania doprowadzającego wymagane media (np., woda chłodząca łożyska, ciecz zaporowa do uszczelnienia, odprowadzenie wody spod tarczy odciążającej) oraz zadbać aby media te były dostarczane z wymaganym natężeniem przepływ

W trakcie eksploatacji ważne jest monitorowanie parametrów pracy pompy. Zwiększenie poboru mocy (lub prądu silnika) o ile nie jest związanie ze zmianą wydajności zawsze stanowi sygnał o nieprawidłowościach, może być np. oznaką przycierania wewnętrznych elementów pompy. Podobnie, sygnałem alarmowym jest wzrost temperatury łożysk. Najczęstszą przyczyna jest w tym przypadku niewłaściwa ilość czynnika smarującego, ale wzrost temperatury może też wynikać z nadmiernego obciążenia łożysk (np. na skutek braku osiowości pompy i silnika lub na skutek pracy przy parametrach mocno różniących się od nominalnych) albo może świadczyć o pogarszającym się stanie technicznym łożysk.

Należy też monitorować parametry hydrauliczne pompy tzn. wydajność i wysokość podnoszenia. Jeśli ulegają one zmianie, a nie wynika to ze zmiany w układzie pompowym (jak np. wzrost oporów przepływu spowodowany przymknięciem zaworów) to jest to objaw niepokojący, wskazujący z reguły na problem techniczny. Pompa powinna pracować jak najbliżej swoich parametrów nominalnych, gdyż praca z dala od nich powoduje wzrost drgań i hałasu, co przyspiesza zużycie węzłów konstrukcyjnych, a szczególnie łożysk. Ważna jest również obserwacja ciśnienia na ssaniu gdyż jego nadmierny spadek świadczy o niebezpieczeństwie wystąpienia kawitacji. Przyczynami mogą być zbyt niski poziom cieczy w zbiorniku ssawny, zatkany kosz ssawny lub rurociąg ssawny albo zbyt wysoka wydajność pompy.

Dr inż. Grzegorz Pakuła

I. Wprowadzenie.

Planowanie remontów pomp wymaga znalezienia odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania:
1. W jakim momencie pompa powinna zostać skierowana do remontu?
2. Jakie parametry po remoncie pompa powinna uzyskać?

W znalezieniu odpowiedzi na powyższe pytania pomocna jest analiza energetyczna układu pompowego oparta o badanie sprawności eksploatacyjnej pomp. Poziom tej sprawności zależy nie tylko od konstrukcji i jakości wykonania pompy ale także od jakości doboru pompy do układu pompowego. Sprawność energetyczna pompy jest ponadto funkcją czasu ze względu na pogarszanie się stanu technicznego w trakcie eksploatacji.

II. Planowanie remontów pomp na podstawie monitoringu energochłonności.
Prewencyjne planowanie remontów pomp ma na celu wykonanie remontu przed wystąpieniem poważnej awarii, co sprzyja ograniczeniu kosztów remontu i zapobiega awaryjnym przestojom instalacji. Planowanie takie oparte jest zazwyczaj o jedną z dwu najczęściej stosowanych metod:

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

Pierwsza metoda polega na stosowaniu okresów międzyremontowych ustalonych na podstawie zaleceń producenta bądź na podstawie własnych doświadczeń użytkownika. W niektórych przypadkach okres remontowy pompy wynikać może z okresu remontowego instalacji, w jakiej pompa pracuje. Taka sytuacja może mieć miejsce m.in. dla pomp pracujących w blokach energetycznych, kiedy to remont pompy przeprowadza się w okresie remontu całego bloku, zaplanowanego ze względu nie na stan techniczny pompy, lecz pozostałych maszyn i urządzeń
Jest to metoda prosta co do zasady i nie wymaga ponoszenia kosztów na układy monitoringu lecz z reguły konserwatywna, to znaczy prowadząca zazwyczaj do przeprowadzania remontów z większą częstotliwością niż wynika to z faktycznego stanu technicznego pompy.
W celu precyzyjnego ustalenia momentu, w którym remont jest wymagany stosuje się metody planowania oparte o monitoring parametrów ruchowych pompy. W energetyce obejmuje to zazwyczaj monitoring poziomu drgań i/lub temperatur określonych węzłów konstrukcyjnych pompy.
Możliwa, a nawet prawdopodobna jest jednak sytuacja, kiedy pompa znajduje się w dobrym stanie ruchowym, tzn. wykazuje akceptowalny poziom drgań i temperatur lecz posiada obniżoną sprawność energetyczną. Takie przejawy zużycia technicznego pompy jak zwiększenie chropowatości kanałów przepływowych na skutek korozji, powiększenie szczelin uszczelniających, wynikająca ze zużycia zmiana kątów wylotowych łopatek, nie dają często niekorzystnych objawów ruchowych w postaci drgań, powodują natomiast znaczące obniżenie sprawności. W takiej sytuacji wskazane jest przeprowadzenie remontu pomimo występowania sprawności ruchowej pompy, ze względu na redukcję kosztu zużywanej energii.

W Grupie Powen-Wafapomp SA przeprowadzono pomiary energetyczne pomp zasilających skierowanych do remontu jeszcze przed jego wykonaniem, co miało na celu stwierdzenie w jakim stopniu sprawność ulegać może obniżeniu w trakcie eksploatacji. Niektóre egzemplarze pomp zasilających, dla których sprawność pomp nowych powinna przekraczać 80 % nadchodziły do remontu ze sprawnością na poziomie 70%. Spowodowane to było znacznym wyeksploatowaniem lub niewłaściwie przeprowadzonym poprzednim remontem.
Przykładowo, dla pompy pracującej na parametrach Q = 450 m3/ h, H =1800 m, i przy temperaturze wody, dla której ciężar właściwy wynosi 9400 N/ m3 taka dziesięcioprocentowa obniżka sprawności oznacza wzrost poboru mocy o ok. 380 kW. Przyjmując koszt kilowatogodziny na poziomie 30 groszy oraz zakładając 8000 godzin pracy w ciągu roku można obliczyć, że koszt zwiększonego zużycia energii jest na poziomie 900 tys. zł rocznie. Jest to suma znacznie przewyższająca koszt remontu kapitalnego pompy tego typu.
Przykład ten wskazuje, iż warto skierować pompę do remontu gdy jej sprawność uległa pogorszeniu, nawet przy zachowaniu sprawności ruchowej, gdyż koszt remontu zwróci się w postaci zmniejszonego zużycia energii do napędu.

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

Powyższy sposób ustalanie optymalnego momentu skierowania pompy do remontu jest właściwy przy dwu założeniach. Po pierwsze, iż pompa pracuje na w przybliżeniu stałych parametrach, gdyż w innym wypadku zmiana zużycia energii może wynikać nie z pogorszenia sprawności lecz ze zmiany parametrów. Po drugie, że remont spowoduje odtworzenie sprawności początkowej pompy, gdyż w innym wypadku nakłady poniesione na remont nie zostaną odzyskane w postaci oszczędności na kosztach energii.
Pokazana wyżej przykładowa relacja pomiędzy kosztem remontu, a kosztami dodatkowego zużycia energii na skutek obniżonej sprawności wskazuje, iż zasadniczym kryterium odbioru remontu powinna być uzyskana po remoncie sprawność zespołu pompowego. Sprawność ta powinna też być podstawowym kryterium wyboru wykonawcy remontu, gdyż przytoczone liczby wskazują iż różnice w koszcie zużywanej energii przewyższają znacznie różnice w kosztach remontu. Każdorazowo po wykonanym remoncie pompa powinna być poddana badaniom odbiorczych na stacji prób w celu sprawdzenia nie tylko sprawności ruchowej lecz przede wszystkim sprawności energetycznej.

III. Ocena układu pompowego pod względem energetycznym jako podstawa planowania remontu.
Celem remontu kapitalnego pompy jest nie tylko przywrócenie jej do stanu pełnej sprawności ruchowej, ale również, a nawet przede wszystkim, powinno nim być uzyskanie przez pompę wymaganych parametrów hydraulicznych. Oznacza to, że pompa po remoncie powinna dawać określoną wydajność przy określonej wysokości podnoszenia, a praca w tak określonym punkcie powinna odbywać się z odpowiednio wysoką sprawnością energetyczną. Parametry te powinny być wyspecyfikowane w zleceniu na remont, a zleceniodawca powinien rozliczać wykonawcę remontu z ich uzyskania. W tym celu po remoncie powinny być przeprowadzone próby odbiorcze mające na celu sprawdzenie czy wyspecyfikowany punkt pracy jest spełniony z zachowaniem określonych tolerancji.
W praktyce remont najczęściej prowadzony jest jako tzw. remont odtworzeniowy, w trakcie którego oczekuje się uzyskania początkowych parametrów pompy. Bardzo często jako wymagane po remoncie parametry specyfikuje się parametry podane na tabliczce znamionowej. Jest to rozwiązanie proste i nie budzące wątpliwości formalnych lecz nie zawsze daje optymalne efekty z tego względu, iż w wielu przypadkach parametry znamionowe różnią się od optymalnych.

Może to wynikać z kilku powodów takich jak, między innymi:
a) Popełniony w przeszłości błąd w określeniu wymaganych parametrów lub w doborze pompy
b) Zmiana wymaganych parametrów, jaka nastąpiła od czasu początkowego doboru pompy
c) Zmniejszenie oporów przepływu w układzie jakie nastąpiło w wyniku wymiany armatury (zaworów, filtrów itp.) na urządzenia o nowocześniejszej konstrukcji.

Te lub podobne powody mogą powodować, że pompa nie pracuje z optymalną sprawnością, co powoduje, iż zużycie energii na pompowanie przekracza niezbędny poziom.
Z tego powodu przed zleceniem remontu wskazane jest dokonanie oceny energetycznej układu, w którym pracuje pompa przewidywana do remontu. Celem tej oceny powinno być ustalenie w jakim punkcie swojej charakterystyki pracuje pompa i jak punkt ten ma się do punktu optymalnej sprawności. Zadanie to jest stosunkowo proste do zrealizowania jeśli znana jest charakterystyka pompy H(Q) (zmiana wysokości podnoszenia ze zmianą wydajności). W takim przypadku wystarczający jest prosty do zrealizowania pomiar przyrostu ciśnienia wytwarzanego przez pompę, co pozwala oszacować wysokość podnoszenia. Na tej podstawie można ustalić w jakim punkcie charakterystyki pompa pracuje. Taka sytuacja zachodzi dla pomp stosunkowo nowych, nie wykazujących znacznego zużycia, dla których znana jest charakterystyka zmierzona na fabrycznej stacji prób. W taki sposób można ocenić czy pompa jest prawidłowo dobrana do układu, czyli czy pracuje w zakresie swoich najwyższych sprawności.

Dla pomp znajdujących się od dłuższego czasu w eksploatacji sytuacja się komplikuje, gdyż należy wziąć pod uwagę, że charakterystyka pompy mogła się zmienić na skutek zużycia. Zmierzony przyrost ciśnienia nie odpowiada już jednoznacznie wydajności wynikającej z charakterystyki pompy nowej. W takim przypadku pomiar przyrostu ciśnienia może służyć jedynie jako orientacyjny wskaźnik jakości doboru, pozwalający na stwierdzenie znacznych nieprawidłowości. Dla precyzyjnej oceny doboru pompy do układu należy w takim przypadku dokonać pomiaru wydajności. Co do zasady jest to również prosty pomiar, lecz jego wykonanie w niektórych przypadkach napotyka na problemy w instalacjach przemysłowych. Problemy te mogą wynikać między innymi z tego, że dla precyzyjnego pomiaru wymagany jest prosty odcinek rurociągu o określonej długości, na którym należy zainstalować przepływomierz. Spełnienie tego wymogu nie zawsze jest możliwe w instalacji przemysłowej. Jeśli to możliwe zalecane jest dokonanie precyzyjnego pomiaru charakterystyki pompy na fabrycznej stacji prób przed remontem, co pozwala jednoznacznie ocenić jej stan oraz punkt pracy, w którym znajdowała się przed remontem.

Drugim elementem jaki należy wziąć pod uwagę w ocenie jakości doboru pompy jest charakterystyka układu, bez znajomości której prawidłowy dobór jest niemożliwy. Ustalenie charakterystyki układu wymaga określenia statycznej wysokości podnoszenia (wysokości podnoszenia przy zerowej wydajności) oraz zależności strat wynikających z oporów przepływu od wydajności, która to zależność jest teoretycznie paraboliczna. Na etapie projektowania charakterystykę układu można oszacować na drodze obliczeniowej, co jednak zawsze obarczone jest pewnymi błędami lub odchyłkami związanymi z przyjętym zapasem bezpieczeństwa. Z tego powodu dobory pomp bywają obarczone błędem, gdyż często pompa dobierana jest ze zbędnym nadmiarem wysokości podnoszenia na skutek przyjęcia zapasu bezpieczeństwa przy szacowaniu oporów przepływu. Planowany remont pompy może być okazją do weryfikacji obliczeniowej charakterystyki układu. Rzeczywistą charakterystykę można uzyskać na drodze pomiarowej mierząc ciśnienia przy kilku wydajnościach.
Charakterystyka układu pompowego w trakcie eksploatacji zmienia się w mniejszym stopniu niż charakterystyka pompy. Wobec tego, przy znanej charakterystyce układu pomiar spadku ciśnienia na określonym odcinku pozwala na oszacowanie wydajności z lepszą dokładnością niż pomiar przyrostu ciśnienia wytwarzanego przez pompę, a tym samym na bardziej precyzyjne oszacowanie położenia punktu pracy w stosunku do punktu optymalnego.
Analizując charakterystykę pompy oraz charakterystykę układu można ocenić jakość doboru i na tej podstawie podjąć decyzję czy pompa po remoncie powinna być przywrócona do parametrów znamionowych czy też ze względu na poprawę energochłonności wskazana jest korekta jej parametrów. Ocena taka wymaga wiedzy i doświadczenia w zakresie audytów układów pompowych.

Podkreślenia wymaga fakt, iż praca pompy poza punktem optymalnym powoduje negatywne konsekwencje wykraczające poza wzrost energochłonności. Występuje też niekorzystny wpływ na trwałość pompy. Straty energetyczne występujące w pompie pracującej w pobliżu punktu optymalnej sprawności to głównie niemożliwe do całkowitego wyeliminowania straty objętościowe (przepływy powrotne przez szczeliny hydrauliczne) oraz straty brodzenia wirników i straty tarcia w przepływie przez stosunkowo wąskie kanały układu hydraulicznego. Natomiast przy pracy z dala od punktu optymalnego pojawiają się straty związane z wewnętrznymi zawirowaniami w pompie. W odróżnieniu od poprzednio wymienionych, straty te stanowią poważne źródło wymuszenia drgań niszcząco wpływających na stan techniczny pompy. Zatem eksploatując pompę poza optymalnym punktem pracy nie tylko tracimy energię, ale zużywamy ją na uruchomienie mechanizmu niszczącego pompę.

IV. Metody korekty parametrów pompy w trakcie remontu.
Jeżeli w wyniku analizy parametrów pompy stwierdzone zostanie, że nie jest ona prawidłowo dobrana do układu wskazane jest dokonanie odpowiednich korekt w trakcie remontu. Istnieją sposoby nie wymagające ponoszenia znacznych nakładów, możliwe do wykonania w ramach zakresu podstawowego remontu. Zaliczyć tu można dobór odpowiedniej średnicy wirnika. Staczając wirnik można na ogół obniżyć wysokość podnoszenia pompy w granicach ok 20% bez znaczącego pogorszenia sprawności, co skutkuje znacznym obniżeniem poboru mocy. Jest to zatem łatwa do zrealizowania metoda obniżenia parametrów pompy dobranej ze zbędnym nadmiarem wysokości podnoszenia. Zakres optymalnych sprawności przy redukcji średnicy wirnika przesuwa się w stronę niższych wydajności. Ustalenie optymalnej średnicy wirnika wymaga doświadczenia. Istnieje też możliwość podwyższenia parametrów pompy przez zastosowanie wirnika o średnicy ponadstandardowej, co jest w pewnym zakresie możliwe przy wykorzystaniu naddatków na obróbkę występujących na odlewie. Należy mieć na uwadze, że zmiany średnicy wirnika powinny być przeprowadzane w porozumieniu z producentem pompy. Znaczna zmiana wymiarów wirnika prowadzi do zmiany krytycznych prędkości obrotowych zespołu wirującego. Ponadto, ze względu na nieuniknione niedokładności technologii odlewniczych i wynikający z nich nierównomierny rozkład mas odlewu każdy wirnik po obróbce na końcową średnicę musi podlegać wyważeniu dynamicznemu, najlepiej wraz z całym zespołem wirującym pompy. Z tego powodu korekty średnicy wirnika powinny podejmować się tylko zakłady posiadające odpowiednie wyposażenie.
Należy podkreślić, że zmiana średnicy wirnika podczas remontu nie wpływa w zasadzie na jego koszt, a może pozwolić na znaczącą poprawę energochłonności. Jest to zatem niemal bezinwestycyjna możliwość uzyskania oszczędności energetycznych, gdyż jedyne nakłady w takim przypadku to nakłady na analizę układu.
Oprócz powszechnie znanego sposobu korekty parametrów polegającego na zmianie średnicy zewnętrznej wirnika istnieją też bardziej wyrafinowane metody obróbki wirnika pozwalające na zmianę charakterystyki pompy.

Należą do nich:
a) Zmiana kątów wylotowych łopatek przez tzw. ich „podcięcie”
b) Zmiana kąta krawędzi wylotowej łopatki w przekroju merydionalnym drogą skośnego stoczenia
c) Zaostrzenie krawędzi łopatek
d) Roztoczenie wlotu wirnika
e) Korekta geometrii części wlotowej łopatek

Zabiegi te, wykonywane łącznie lub osobno pozwalają nie tylko na zmianę parametrów nominalnych lecz również w pewnym stopniu na zmianę nachylenia charakterystyki oraz zmianę właściwości antykawitacyjnych pompy. Opracowanie projektu wirnika obrabianego w specjalny sposób wymaga znacznej wiedzy konstrukcyjnej, i jeśli ma przynieść pożądane efekty nie powinno być podejmowane przez osoby bez doświadczenia w tym zakresie. Podobnie jak w przypadku prostego stoczenia średnicy, a nawet w większym stopniu, wymaga to odpowiedniego wyposażenia zakładu.
Jeśli korekta parametrów pompy powinna wykraczać poza zakres możliwy na drodze zmiany sposobu obróbki wirnika należy zastosować dalej idące modyfikacje. Dla pomp wielostopniowych naturalnym sposobem może być zmiana liczby stopni co pozwala na zmianę wysokości podnoszenia pompy bez zmiany jej optymalnej wydajności. Producenci dla niektórych pomp posiadają różne wersje układów przepływowych (wirnik, lub wirnik-kierownica) dające się zabudować w tej samej pompie. Można zatem w trakcie remontu zmienić wersję układu przepływowego uzyskując w taki sposób lepsze dopasowanie do wymagań w danym układzie pompowym.
Jeszcze dalej idącym sposobem jest generalna modernizacja pompy polegająca na przeprojektowaniu jej elementów na nowe parametry. Zazwyczaj polega to na zachowaniu istniejących korpusów i wymianie elementów wewnętrznych. Sens ekonomiczny tego typu zabiegów powinien być jednak starannie analizowany. Koszt opracowania dobrego projektu hydraulicznego oraz wykonania omodelowania dla nowych odlewów jest bowiem znaczny i trudny do uzasadnienia w przypadku jednostkowej modernizacji. (co innego, jeśli jak opisano wyżej, tworzony jest alternatywny układ przepływowy z myślą o wielokrotnym zastosowaniu). Należy ponadto mieć na uwadze, że zakres zmian parametrów możliwych do uzyskania przy zachowaniu korpusów pompy i wymianie jej elementów wewnętrznych jest ograniczony, gdyż korpusy, a szczególnie ich króćce projektowane są na określone wydajności i ciśnienia. Zbyt dalekie odejście od wyjściowych parametrów grozi pogorszeniem sprawności (zbyt wysokie straty przepływu), a nawet poważną awarią w przypadku przekroczenia granic wytrzymałości konstrukcji.
Jeśli mamy do czynienia z przypadkiem drastycznego niedostosowania parametrów pompy do wymagań, niejednokrotnie optymalnym rozwiązaniem okazuje się jej wymiana na inną typowielkość, pomimo związanych z tym nakładów. Analiza kosztów nadmiernego zużycia energii często wskazuje, że jest to opłacalne.

V. Aspekty formalno-prawne remontu.
Pompa znajduje się legalnie w eksploatacji na podstawie dokumentów wydanych przez producenta z chwilą wprowadzenia produktu do obrotu. Od czasu wdrożenia unijnego systemu oceny bezpieczeństwa produktów dokumentami wymaganymi formalnie dla eksploatacji zespołu pompowego jest wydana przez producenta deklaracja zgodności z normami oraz oznaczenie znakiem CE. Producent ma prawo zastrzec, i na ogół tak czyni, że w przypadku znacznej ingerencji w strukturę pompy, na przykład podczas remontu obejmującego wymianę zasadniczych elementów, dokumenty te tracą ważność i producent nie bierze odpowiedzialności za dalszą bezpieczną eksploatację. Jeśli zatem wykonawca remontu wykroczył poza zakres dopuszczony przez producenta w instrukcji obsługi i użytkowania, to wykonawca remontu powinien dokonać ponownej analizy bezpieczeństwa zespołu pompowego i wystawić własną deklarację zgodności WE.

VI. Sprawdzenie parametrów pompy po remoncie.
Jak pokazano wyżej na przykładzie różnice w sprawności pomp mogą prowadzić do zwiększenia kosztów energii przewyższającego koszt remontu. Nawet z pozoru nieznaczne odchylenie sprawności zespołu pompowego od wartości oczekiwanej ma poważny wpływ na koszt zużywanej energii. Należy zaznaczyć że różnice w sprawnościach pomp uzyskiwane po remontach prowadzonych przez firmy stojące na różnym poziomie technicznym mogą być znaczne Ponadto, istotna jest nie maksymalna wartość sprawności w optymalnym punkcie charakterystyki lecz wartość sprawności w punkcie pracy. Warto podkreślić, że spadek sprawności eksploatacyjnej może wynikać nie tylko ze złej jakości remontu prowadzącego do uzyskania obniżonej sprawności maksymalnej, lecz również ze złego doboru do układu. Dla typowych pomp spadek sprawności o 3% występuje zazwyczaj już przy pracy z wydajnością różniącą się od optymalnej o 10-15%.
Oznacza to, że dla uniknięcia zbędnych kosztów energii elektrycznej, odbiór pompy po remoncie powinien obejmować jej pomiary energetyczne mające na celu sprawdzenie czy pompa osiąga ustalony punkt znamionowy i czy w punkcie tym posiada wymaganą sprawność.

VII. Podsumowanie.
Planowanie remontów pomp powinno odbywać się nie tylko w oparciu o monitoring parametrów ruchowych, lecz również, a nawet przede wszystkim, na podstawie monitoringu parametrów energetycznych.
Przed zleceniem remontu celowe jest przeprowadzenie analizy doboru pompy do układu mające na celu ustalenie czy parametry znamionowe pompy są optymalne. Remont pompy jest okazją do korekty jej parametrów, co w wielu przypadkach można przeprowadzić metodami nie wymagającymi znacznych nakładów.
Konieczne są badania odbiorcze charakterystyk pomp po remoncie mające na celu ustalenie czy osiąga ona punkt znamionowy i czy w punkcie tym posiada wymaganą sprawność gdyż konsekwencje ekonomiczne nawet stosunkowo nieznacznych odchyłek są poważne.

Dr inż. Grzegorz Pakuła