Dostosowanie parametrów pomp do potrzeb instalacji – część II.
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):
- Redukcja średnicy wirników
- Zmiana kąta wylotowego łopatek
- Zmiana liczby stopni
- Zmiana prędkości obrotowej
- Wymiana pompy na inną
- 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
