News

Wstęp.

Artykuł pokazuje, na przykładzie jednego kontraktu, jak dalece, w stosunkowo krótkim czasie zmieniły się wymagania stawiane przez klienta producentom pomp i jakie stwarza to problemy techniczne, organizacyjne i logistyczne.

Kontrakt.

W lutym 2002 roku WAFAPOMP S. A. otrzymała od Spółki ALSTOM Power zaproszenie do złożenia oferty na dostawę dwóch nowych, bądź wykonanie remontu połączonego z modernizacją, istniejących głównych pomp wody chłodzącej dla bloku energetycznego o mocy 460 MW modernizowanej elektrowni Pątnów II. Blok ten ma zastąpić istniejące dwa bloki energetyczne Nr 7 i 8 o mocy 200 MW każdy. Będzie on wykorzystywał istniejący układ chłodzenia.

Złożona oferta okazała się najbardziej atrakcyjna i WAFAPOMP S. A. wygrała przetarg. Klient zdecydował się na remont eksploatowanych od 30 lat pomp 180P19 połączony z ich modernizacją. Decyzja ta ma uzasadnienie zarówno techniczne jak i ekonomicznie, gdyż użytkownik za cenę znacznie niższą od ceny no¬wej pompy otrzyma pompę zmodernizowaną o bardzo dobrych walorach eksploatacyjnych.

Opis pompy 180P19.

Zainstalowane w elektrowni Pątnów śmigłowe pompy typu 180P19 wyprodukowano w Warszawskiej Fabryce Pomp w 1972 roku. Były one przeznaczone do pracy z następującymi parametrami:
– wydajność nominalna Q = 29000 m3/h,
– wysokość podnoszenia H = 10 m.
Kinematyczny wyróżnik szybkobieżności wynosi 190, średnica wirnika 1400 mm, średnica króćca tłocznego 1800 mm. Masa kompletnego agregatu pompowego – 62 t, zaś jego długość 15,5 m. Do napędu pomp za-stosowano asynchroniczne silniki elektryczne o mocy 1250 kW i prędkości obrotowej n = 370 min-1. Gabaryty pompy oraz poziomy stropów, na których jest ona podparta w elektrowni Pątnów przedstawia rysunek 1.

Rys.1. Gabaryty pompy 180P19.

W stropie komory osadzony jest króciec dolotowy. W stropie pośrednim zabetonowano pierścień stropowy, na nim zaś posadzono kolano wylotowe. Podstawa pod silnik, na której zamontowano silnik napędowy, umieszczona jest na stropie górnym. Woda doprowa­dzona jest do króćca wlotowego pompy komorą ssawną ukształtowaną w betonie. Wylot wody z pompy nastę­puje przez króciec tłoczny kolana wylotowego. Wały pompy prowadzone są w panwiach gumowych, sma­rowanych czystą wodą, doprowadzoną przewodami do każdej z nich. Szczelność wału w miejscu wyjścia z po­krywy kolana zapewnia dławnica ze szczeliwem sznu­rowym. Obciążenia wzdłużne, pochodzące od naporu hydraulicznego oraz sił masowych zespołu wirującego pompy, przenosi łożysko ślizgowe typu Michella. Ło­żysko to  smarowane jest olejem chłodzonym wodą.

Konstrukcja pompy pozwala na demontaż zespołu wewnętrznego bez konieczności demontażu jej obu­dowy tj. rur tłocznych i kolana wylotowego.

Pompy 180P19 wyposażone zostały w mechanizm regulacji parametrów w czasie pracy przez zmianę ką­ta ustawienia łopat wirnika. Łopata wirnika podparta jest obrotowo w dwóch panewkach brązowych osa­dzonych w piaście wirnika. Zmiana kąta następuje za pomocą układu dwóch dźwigni połączonych ze sobą przegubowo.

Elementy pomp 180P19 wykonane są z materiałów gwarantujących żywotność i niezawodność w eks­ploatacji (np. łopaty wirnika i komora wirnika – ze staliwa stopowego).

Rys. 2. Kolano wylotowe.

Wymagania stawiane modernizowanym pompom.

Pompy muszą spełniać wymagania określone w kontrakcie:
– wydajność Q = 28050 m3/h dla trzech różnych wysokości podnoszenia, zależnych od poziomu wody w komorze ssawnej i charakterystyki rurociągu

H = 9,5 m , H = 11,4 m , H = 7,7-m,

–    minimalna gwarantowana sprawność

–    regulacja parametrów realizowana w czasie postoju pompy, poprzez zmianę kąta łopat wirnika,

–    trwałość łożysk pompy nie niższa niż 40000 godz,

–    zwiększona trwałość węzła dławienia,

–    poziom hałasu agregatu pompowego max 85 dBA,

–    przystosowanie konstrukcji pompy do rozruchu przy wstecznym przepływie wody,

–    zagwarantowana możliwość prze­ciążenia silnika o 40% przy rozru­chu pompy,

–    pierwsza pręd­kość krytyczna pompy większa o  25% od pręd­kości obrotowej pompy,

–    wyposażenie agregatu pompo­wego w apara­turę kontrolno- pomiarową, mo­nitorującą para­metry i stan dy­namiczny pom­py,

–    trwałość zabez­pieczeń antyko­rozyjnych (po­włoki malarskie) min. 5 lat,

–    przewidywany czas pracy pomp po re­moncie nie krót­szy niż 35 lat.

Rys. 3. Elementy korpusu.

Rys. 4. Kierownica pompy.

Wymagania dotyczące obliczeń do dokumentacji technicznej.

WAFAPOMP S.A. oprócz wykonania typowej do­kumentacji konstrukcyjnej i technologicznej, która wy­nika z zakresu modernizacji, zobowiązana jest do do­starczenia następujących dokumentów:

1. szczegółowych arkuszy danych pompy i silnika,
2. charakterystyk pracy pompy H = f (Q), P = f (Q), M = f (Q), 7 = f (Q), NPSH = f (Q) w zakresie wydaj­ności 0-120 % Qzn,
3. charakterystyk momentu oporowego i wysokości podnoszenia pompy w funkcji dodatniego i ujem­nego (wstecznego) przepływu przez pompę,
4. obciążeń statycznych i dynamicznych fundamentu,
5. dopuszczalnych obciążeń króćca tłocznego,
6. schematu technologicznego w granicach dostawy agregatu,
7. założeń do układu sterowania i zabezpieczeń pomp i silników,
8. planu kontroli i testów,
9. procedury napełniania układu wody chłodzącej z wykorzystaniem zmodernizowanych pomp 180P19,
10. 10. charakterystyk momentu i prądu rozruchowego dla silnika napędowego, M = f (n) i I = f (n) dla U = 70 %, 80%, 90% i 100 % napięcia znamionowego.

Opis instalacji wody chłodzącej.

Do chłodzenia bloku 460 MW w elektrowni Pątnów II woda chłodząca pobierana jest z jeziora i doprowadzana istniejącymi betonowymi kanałami do komór ssawnych pomp. Przed komorami ssawnymi zainstalowane są kra­ty i obrotowe sita czyszczące oraz urządzenia do kon­troli poziomu wody. Dwie pompy 180P19 będą tłoczyć wodę do dwóch niezależnych połówek kondensatora turbiny indywidualnymi rurociągami DN 1800/2000 długości 230 m każdy. Z kon­densatora woda zrzucana jest również indy­widualnymi rurociągami DN 2000, długości 75 m każdy, do studni zrzutowych. Końce rurociągów zrzutowych są zanurzone stale poniżej lustra wody.

Układ jest typowo lewarowy i dla opróżnienia go z poduszek powietrznych zainstalowane będą pompy próżniowe, odsysające powietrze z najwyżej położo­nych przestrzeni układu. Najwyżej położony punkt układu lewarowego to komory wo­dne kondensatora głównego, których gór­na krawędź znajduje się na poziomie + 0,4 m. Dla niskiego poziomu wody w komorze ssawnej (rzędna 8,5 m) i dla wysokiego poziomu wody w komorze zrzutowej (rzę­dna 7,4 m), przy napełnionej wodą instala­cji, geometryczna wysokość podnoszenia wynosi 1,1m.

Na rurociągach doprowadzających wo­dę, tuż przed kondensatorem, zainstalowa­ne zostaną filtry dokładnego oczyszcza­nia. Na rurociągach tłocznych, bezpośred­nio za pompami, w miejsce istniejących ciężarowych klap zwrotnych, przewidziane jest zainstalowanie zaworów zaporo- wo-zwrotnych, sterowanych hydraulicznie, z kontrolowanym czasem zamykania. Cha­rakterystyka pracy tych zaworów w sposób zasadni­czy wpływa na warunki rozruchu pompy i obciążenie silnika. Otwarcie zaworu zaporowo-zwrotnego odby­wać się będzie za pomocą siłownika hydraulicznego, a nie samoczynnie od natężenia przepływającej wody. Załączenie pompy 180P19 nastąpi po pełnym otwarciu zaworu zaporowo-zwrotnego, co oznacza rozruch pom­py przy wstecznym przepływie wody. Powoduje to ko­nieczność zabezpieczenia pompy przed obrotami przeciwnymi i właściwy dobór momentu silnika, więk­szego od momentu oporowego pompy, jaki wystąpi począwszy od przepływów ujemnych.

Zakres zmian konstrukcyjnych modernizowanych pomp.

Wymagania stawiane remontowanym pompom 180P19 wymuszają wprowadzenie szeregu nowych rozwiązań lub ulepszeń konstrukcji jej podzespołów

1.   Zastosowanie dwukierunkowych płytek ślizgowych w łożysku wzdłużnym,

2. Wyposażenie pompy w mechanizm zabezpieczający przed wystąpieniem obrotów wstecznych i równo­ważący moment obrotowy jaki wystąpi przy ujem­nym przepływie wody,

3.  Zwiększenie trwałości poprzecznych łożysk śliz­gowych pompy poprzez przekonstruowanie panwi i zastosowanie nowych elastomerów,

4. Zmiana konstrukcji dławnicy umożliwiająca dopro­wadzenie do niej wody przed uruchomieniem pompy oraz w czasie jej pracy,

5. Zastosowanie nowego mechanizmu regulacji para­metrów pracy pompy na postoju. Zmianie ulegnie również ustawienie dźwigni mechanizmu w piaście wirnika. Wpłynie to bezpośrednio na zwiększenie pewności ruchowej mechanizmu ustawiania kąta topat wirnika,

6. Wprowadzenie zmian w piaście wirnika I panewkach łopatek w celu zapewnienia szczelności i uniemoż­liwienia przedostania się wody do wnętrza piasty,

7.  Wprowadzenie zmian materiałowych, mających na celu zwiększenie niezawodności i trwałości, szcze­gólnie mechanizmu regulacji,

8.   Wyposażenie agregatu pompowego w aparaturę kontrolno-pomiarową:

–  czujniki poziomu i temperatury oleju w łożysku wzdłużnym,

–   czujniki temperatury płytek ślizgowych,

–   pomiar prędkości obrotowej i kierunku obrotów,

–   system monitorowania drgań łożysk.

Rozwiązywanie problemów.

Po zaakceptowaniu przez WAFAPOMP S.A. warun­ków umowy wyznaczono terminy realizacji i osoby od­powiedzialne za wykonanie określonych prac, dotyczą­cych dokumentacji technicznej, która ma być dostarczo­na klientowi w pierwszej kolejności. Określono zakres prac modernizacyjnych. Przeprowadzona została analiza budowy pompy, a na jej podstawie zaplanowano wpro­wadzenie określonych zmian konstrukcyjnych. Opra­cowano charakterystyki pracy pompy, wykres momen­tu oporowego, rysunek gabarytowy. Wykonano projekt wstępny hamulca (sprzęgło jednokierunkowe). Przepro­wadzono obliczenia hydrauliczne i wytrzymałościowe.

Opracowano program prób I testów, w którym po­łożono nacisk na kontrolę tych elementów pompy, które mają największy wpływ na parametry pracy, a w szcze­gólności na sprawność i niezawodność, w tym przede wszystkim na:

–   kształt płata łopatki, który ma być zgodny wymiara­mi obliczeniowymi,

–   kąty ustawienia łopat w palisadzie wirnika – wszyst­kie łopatki muszą mieć identyczny kąt ustawienia,

–   szczelinę (luz) pomiędzy średnicą zewnętrzną łopat, a komorą wirnika; od jej wielkości zależy sprawność wolumetryczna pompy.

Opracowano procedurę napełniania układu chło­dzenia za pomocą zmodernizowanych pomp 180P19. Opisano w niej wszystkie czynności jakie należy wyko­nać od chwili uruchomienia pompy aż do czasu napeł­nienia układu wodą.

Pompa podczas napełniania układu pracuje w wy­jątkowo niekorzystnych warunkach. W momencie uru­chomienia opory na tłoczeniu są bardzo małe, pompa pracuje więc przy bardzo dużej wydajności. Następnie wydajność maleje, ponieważ rosną opory tłoczenia, osiągając maksimum w chwili napełniania kondensa­tora. Wysokość podnoszenia pompy wyniesie wtedy około 17 m, silnik zaś będzie obciążony mocą ponad 1500 kW; przeciążenie silnika = 40 %.

W czasie napełniania układu chłodzenia pompa dwukrotnie przekraczać będzie niestabilny obszar pra­cy w tzw. „siodełku”.

Przeprowadzenie analizy pracy pompy 180P19 w stanach nieustalonych, tj. dla rozruchu przy wstecz­nym przepływie wody, okazało się zadaniem bardzo trud­nym, z którym nie mieliśmy dotychczas do czynienia. Dlatego też zwróciliśmy się do Politechniki Warszawskiej o pomoc w rozwiązaniu tego problemu. Merytorycznego wsparcia udzielił nam Zakład Pomp, Napędów i Siłowni kierowany przez profesora Waldemara Jędrala.

Dokonano wstępnej weryfikacji stanu technicznego elementów pomp. Wyeliminowano części nieprzydatne z powodu wprowadzanych zmian konstrukcyjnych i mate­riałowych. Pozostałe elementy pompy zostaną oczy­szczone metodą strumieniowo-ścierną, a następnie pod­dane dokładnym pomiarom. Części, których stan techni­czny budzić będzie zastrzeżenia, zostaną zastąpione no­wymi, pozostałe, po regeneracji, będą ponownie zamon­towane w pompach. Zakres prac jest bardzo obszerny, a termin dostawy dwóch zmodernizowanych agregatów pomp typu 180P19 upływa w grudniu 2002 roku.

Zakończenie.

Przedstawione w artykule szczegółowe warunki stawiane producentowi ilustrują, jak wymagający w tej chwili jest klient i jak trudnych i nietypowych zadań należy się podjąć, aby uzyskać zamówienie.

WAFAPOMP S. A. spełni wszystkie wymagania kon­traktu. Pompy opuszczające fabrykę będą wyrobami wy­sokiej jakości, jednak już dawno zauważono, iż w dużych pompach o wydajnościach Q > 25000 m³/h, projektowa­nych na podstawie wyników uzyskanych z badań pomp modelowych, występują rozbieżności między parame­trami obliczeniowymi, a uzyskanymi podczas badań pompy roboczej. Warunki działania i efekty skali wywie­rają znaczny wpływ na przebieg charakterystyk. Szcze­gólnie dużą rolę odgrywają odstępstwa od praw podo­bieństwa u wlotu pompy. Wpływ ukształtowania wlotu jest tym większy, im większa jest szybkobieżność pom­py, w znacznej więc mierze problem ten dotyczy pomp śmigłowych. Zaburzenia w obszarze wlotowym pompy mogą wystąpić również na skutek niewłaściwych kształ­tów i przekrojów kanałów dolotowych w przepompowni.

Kanały dolotowe doprowadzające wodę w Elek­trowni Pątnów II do pompy 180P19 nie mają niestety korzystnych kształtów, co stwierdzono podczas wizji lokalnej. Charakteryzują się one kilkukrotnymi zmianami kierunków przepływu, (prostopadłymi do siebie) skoko­wymi zmianami przekrojów, a co za tym idzie, i prędko­ści. Największa prędkość = 1,2 m/s występuje w miej­scu wlotu na sita obrotowe i przekracza dwukrotnie za­lecenia (c = 0,3 – 0,6 m/s ). Opisane czynniki mogą mieć wpływ na parametry pracy pompy.

Mgr inż. Andrzej Wesołowski

Inż. Lucjan Urbański

Komentarz autora po latach:

W 2002 roku otrzymaliśmy zamówienie od firmy ALSTOM Power na wykonanie remontu i modernizację 2 szt pomp 180P19 dla bloku energetycznego 460 MW w EL. Patnów II. Zaoferowaliśmy wtedy zainstalowanie mechanizmu regulacji kąta łopat wirnika podczas pracy pompy. Firma ALSTOM uznała jednak że taka regulacja nie jest potrzebna, gdyż pompy będą pracować ze stałym obciążeniem i wystarczająca jest regulacja „na postoju”. Zmodyfikowaliśmy wtedy konstrukcję całej pompy wraz z układem dźwigni, łożyskowania czopów łopat i wykonaniem nierdzewnym mechanizmu regulacyjnego w piaście wirnika.

Ponad 10-letnia bezawaryjna eksploatacja zmodernizowanych pomp 180P19 w bloku 460MW potwierdza poprawność przyjętych rozwiązań.

Obecnie do pomp typu 180P19 proponujemy mechaniczno-elektryczny układu regulacji ustawienia kąta łopat wirnika podczas pracy oraz na postoju . Rozwiązanie to połączenie sprawdzonych rozwiązań zastosowanych w pompach 180P19 pracujących w EL.Pątnów II i przebadanego rozwiązania dla pompy wody chłodzącej dla EL. Żarnowiec. Proponowany mechanizm regulacji kąta łopat wirnika na ruchu pompy 180P19 wyposażony jest w inteligentny , niezawodny siłownik elektromechaniczny z pozycjonowaniem położenia.

Zalety naszego nowego układu regulacji do pomp 180P19

1. Prosty i trwały mechaniczny układ zamiany ruchu obrotowego siłownika elektromechanicznego na ruch posuwisty drąga regulacyjnego.

2. Wysoka nośność zastosowanych łożysk trwałość 100 000 godz.

3. Smarowanie olejowe mechanizmu.

4. Duża sztywność korpusu mechanizmu.

5. Optymalny dobór materiałów konstrukcyjnych i wysoka dokładność obróbki elementów mechanizmu na obrabiarkach sterowanych numerycznie

6. Możliwość zabudowy układu regulacji w wyprodukowanych już pompach śmigłowych 180P19 przy niewielkim zakresie prac adaptacyjnych.

7 . Nie ma konieczności przeróbki silnika napędowego w tym drążenia wału silnika. Mogą być stosowane standardowe silniki.

9. Możliwość sterowania sygnałem analogowym 4-20mA lub cyfrowym

10. Możliwość regulacji prędkości przesterowania łopat wirnika.

11. Awaria siłownika elektromechanicznego, lub zanik napięcia zasilania nie ogranicza pracy regulowanej pompy   gdyż mechanizm jest samohamowny, możliwa jest również regulacja ręczna bez zatrzymywania pompy.

12. GPW SA jako uznany producent pomp śmigłowych i diagonalnych gwarantuje profesjonalny dobór mechanizmu regulacyjnego oraz kompleksowy   serwis tych pomp.

Mgr inż. Andrzej Wesołowski

1. Wstęp.

Wśród użytkowników pomp utrwalił się pogląd, że główną zaletą pomp o swobodnym przepływie jest obszerny prześwit między wirnikiem a ścianką pokrywy kadłuba, co zapewnia możliwość przepuszczania „grubych” ciał stałych znajdujących się w przepompowywanej cieczy.

Relacja między wydajnością pompy a wielkością „swobodnego prześwitu” jest w przypadku pomp o swobodnym przepływie bardzo korzystna, a ciała stałe o konkretnej wielkości mogą być przepompowywane przy relatywnie niewielkich wydajnościach.

Potencjalni użytkownicy biorą pod uwagę wyraźnie niższą sprawność pomp o swobodnym przepływie w porównaniu z pompami odśrodkowymi, zwykle o małych liczbach łopatek, a to w istotny sposób wpływa na ich decyzje.

Nierzadko występują jednak sytuacje, kiedy zastosowanie pomp o swobodnym przepływie jest uzasadnione nawet wtedy, gdy w pompowanej mieszaninie brak jest „grubych” ziaren.

2. Działanie pompy o swobodnym przepływie.

Pompy o swobodnym przepływie tak ukształtowaniem części przepływowej, jak i zjawiskami hydrodynamicznymi występującymi podczas działania, różnią się bardzo od konwencjonalnych pomp krętnych odśrodkowych. Badania prowadzone przez różnych autorów [ np.1,2,3 ] wykazały, że strumień cieczy dopływający do pompy przepływa przez otwarty wirnik ( z łopatkami wygiętymi lub rzadziej radialnymi ). Ponieważ jednak natężenie przepływu przez wirnik ( wydajność wirnika ) jest znacznie większe od wydajności pompy, przeto powstaje charakterystyczny dla pomp o swobodnym przepływie strumień krążący, który cyrkuluje przez kanały międzyłopatkowe wirnika i przestrzeń bezłopatkową ( swobodną) kadłuba, co poglądowo przedstawiono na rysunku 1. Strumienie cieczy wpływają do kanałów międzyłopatkowych wirnika na całej jego powierzchni czołowej [ 3 ], zaś w [ 1,3 ] wykazano, że natężenie strumienia krążącego jest ( przy optymalnej wydajności pompy ) 2 – 3 krotnie większe od wydajności pompy, w czym należy upatrywać głównej przyczyny niewysokiej sprawności pomp o swobodnym przepływie.

W okolicy średnicy zewnętrznej wirnika następuje rozdzielenie strumieni – tranzytowego i krążącego, przy czym strumień tranzytowy kieruje się do kanału zbiorczego pompy, a strumień krążący płynie w kierunku dośrodkowym, zarazem intensywnie wirując, zaś składowa obwodowa jego prędkości niewiele odbiega od prędkości obwodowej łopatek wirnika na danym promieniu, zaś w pobliżu obszaru dopływowego ( określonego średnicą króćca dopływowego ) jest nawet większa [1,3]. W okolicy obszaru dopływowego następuje połączenie ( poprzez wymieszanie ) części strumienia krążącego ze strumieniem cieczy dopływającej do pompy ( tranzytowym ). Podczas mieszania się obu strumieni następuje wymiana pędu miedzy nimi i w jej efekcie nadanie krętu wstępnego cieczy dopływającej do kanałów międzyłopatkowych. Zawirowanie wstępne może nawet ujawnić się już w króćcu dopływowym, mimo, że jest on oddalony od wirnika.

Obecność ciał stałych mocno komplikuje i tak już bardzo złożone zjawiska hydrodynamiczne występujące podczas pracy pompy.

W obrębie kanałów międzyłopatkowych wirnika na ciało stałe działa siła odśrodkowa ( zwykle 200 – 300 razy większa od siły ciężkości ) i siła Coriolisa ( znacznie mniejsza, około 50 – 100 razy większa od siły ciężkości ), które przedstawiono na rysunku 2. Określa się je następująco:

                             F_od = mω²r ( 1– ρ_w/ρ_s)                                                     ( 1 )

                             F_C = m2ωw ( 1– ρ_w/ρ_s)                                                     ( 2 )

zaś ich stosunek wynosi:

                F_od / F_C = ( ωr) / (2w ).

We wzorach ( 1 ) i ( 2 ):  m – jest masą cząstki, ω – jest prędkością kątową obrotu wirnika, w – jest prędkością względną cząstki w stosunku do wirnika, r – jest promieniem określającym położenie cząstki, ρ_s i ρ_w są gęstościami ciała stałego i wody, zaś człon (1– ρ_w/ρ_s) uwzględnia wpływ wyporu ( archimedesowskiego ).

W obrębie swobodnej przestrzeni przepływowej ( w której wirująca ciecz kieruje się w stronę osi pompy, ale i sukcesywnie wpływa do kanałów wirnika ) na ciało stałe także działa siła odśrodkowa. Oddziaływanie tych sił na ciała stałe powoduje, że ich trajektorie ruchu odbiegają od trajektorii ruchu cząstek cieczy.

Wreszcie wskutek dość raptownej zmiany kierunku przepływu strumienia cieczy dopływającej do wirnika z osiowego na promieniowy, ciała stałe będą „odrzucane” w stronę tarczy wirnika.

Na wielkość sił działających na ciała stałe wpływ ma także ich gęstość ( bo siły odśrodkowe i Coriolisa są proporcjonalne do różnicy gęstości ciała stałego ρ_s oraz cieczy ρ_c ) a także ich wielkość, gdyż opór jaki stawia ciecz poruszającemu się w niej ziarnu jest relatywnie ( w stosunku do ciężaru ziarna ) tym większy, im mniejsze jest ziarno.

Warto także zauważyć, że o ile ciała „drobne” przepływają przez kanały międzyłopatkowe wirnika, to przynajmniej część ciał „grubych” w efekcie zawirowania wstępnego cieczy w obszarze dopływowym i intensywnego wirowania cieczy w przestrzeni bezłopatkowej, pod wpływem oddziaływania siły odśrodkowej kieruje się przez przestrzeń bezłopatkową do kanału zbiorczego pompy, z pominięciem wirnika.

Wspomniane zjawiska niewątpliwie wywierają wpływ na parametry pracy pompy o swobodnym przepływie, zaś ocena tego wpływu jest w zasadzie możliwa wyłącznie na drodze eksperymentalnej.

Jeden z autorów prowadził przez kilka lat badania nad wpływem zawartości fazy stałej w mieszaninach drobnoziarnistych i zawiesinach na parametry pracy pompy o swobodnym przepływie, zaś wyniki tych badań stanowią obszerny zbiór informacji. Ich opracowanie i przeanalizowanie pozwoliło na sformułowanie interesujących tez i wniosków.

Rys. 1. Zasada działania pompy o swobodnym przepływie.                                                                        1 – strumień roboczy (tranzytowy), 2 – strumień krążący

Rys. 2. Siły działające na ciało stałe w kanale międzyłopatkowym.

Rys. 3. Główne cechy geometryczne układu przepływowego pompy.

3. Parametry pracy pompy o swobodnym przepływie przetłaczającej mieszaninę ciał stałych w wodzie.

Przeprowadzono obszerne badania [ np. 4, 5 ] pompy o swobodnym przepływie z wirnikiem usytuowanym w wolnej przestrzeni przepływowej, której układ przepływowy przedstawiono (z zachowaniem proporcji ) schematycznie na rysunku 3. Główne cechy geometryczne pompy oraz ich charakterystyczne stosunki bezwymiarowe przedstawiają się następująco:

d₂ = 0,190 m, b₂ = 0,023 m, b_k = d_t = 0,065 m, d_s = 0,080 m, b₂/ d₂ = 0,121 ; b_k/ d₂ = 0,342 ; d_s/ d₂ = 0,42. Liczba łopatek radialnych wirnika z = 10.

Badania pompy prowadzono przy prędkości obrotowej n = 1460 obr/min. Parametry pompy podczas pompowania wody przy wybranej wydajności Q = 0,01225 m³/s ( ≈12 l/s ) – bliskiej wydajności optymalnej – były następujące: wysokość podnoszenia H = 13,4 m, moc na wale P = 2,82 kW, sprawność η = 0,57. Kinematyczny wyróżnik szybkobieżności n_sQ = 23,1 ; zaś bezwymiarowy wyróżnik wysokości podnoszenia  ψ = 2gH/(u₂)² = 1,25.

Realnie przetłaczane mieszaniny ciał drobnoziarnistych lub zawiesiny zawierają przeważnie ciała stałe o granulacji pyłowej ( poniżej 0,1 mm ) lub drobnoziarnistej ( poniżej 1 mm ), wobec czego podczas badań użyto takich właśnie ciał stałych . W badaniach, których wyniki zostaną zaprezentowane, użyte były ciała stałe o następujących cechach:

• mielony węgiel               ρ_s = 1441 kg/m³ ,     δ₅₀ = 0,19 mm,
• drobny piasek                ρ_s = 2553 kg/m³ ,      δ₅₀ = 0,37 mm,
• popiół lotny                    ρ_s = 1930 kg/m³ ,      δ₅₀ = 0,071 mm,
• pył magnetytu                ρ_s = 3618 kg/m³ ,     δ₅₀ = 0,042 mm,

( przy czym δ₅₀ oznacza średnicę ziaren o udziale masowym 50% ).

Zaprogramowano i przeprowadzono badania pompy w warunkach przetłaczania różnych ( specjalnie w tym celu preparowanych ) mieszanin, w których koncentracja objętościowa fazy stałej ( udział objętościowy ) c_v wzrastała co 0,05 , aż do wartości maksymalnej c_vmax, różnej dla poszczególnych przepompowywanych mieszanin. W przypadku mielonego węgla i popiołu lotnego c_vmax = 0,45 , natomiast w przypadku piasku i pyłu magnetytu osiągnięto c_vmax odpowiednio 0,25 i 0,30. Mimo iż pompa pracowała z napływem geometrycznym ( na poziomie około 1 – 1,3 m ), to przy wartościach c_v > c_vmax prowadzenie pomiarów stawało się ryzykowne, ze względu na przytykanie się krótkiej rury (Ф 80 mm) łączącej zbiornik mieszaniny z króćcem wlotowym pompy, chociaż w zbiorniku umieszczone było mieszadło agitujące mieszaninę.

W przypadku zawiesin popiołu lotnego i pyłu magnetytu w wodzie ( mających charakter cieczy quasi-jednorodnych ) wyznaczano ich charakterystyki reologiczne. Stwierdzono przy tym, że gdy c_v > 0,15 – 0,18 to w zawiesinach ujawniają się i w miarę wzrostu c_v nasilają się cechy ciała plastyczno lepkiego ( Binghama ).

Aby zilustrować zagęszczenie mieszaniny w miarę wzrostu udziału objętościowego fazy stałej (c_v), na kolejnym rysunku 4 przedstawiono zawiesiny popiołowo-wodne z już wysedymentowanym złożem popiołów, które pierwotnie były rozproszone w całej objętości. Jak widać, przy większych udziałach ciał stałych ( c_v > 0,30 ) ilość wody nadosadowej jest niewielka, lub wręcz znikoma.

Po przeprowadzeniu pomiarów parametrów pompy wyznaczano jej charakterystyki wysokości podnoszenia H = f ( Q ), mocy na wale P = f ( Q ) oraz sprawności η= f ( Q ), uwzględniając w obliczeniach faktyczne gęstości mieszanin lub zawiesin.

W przypadku wszystkich mieszanin stwierdzano – w odniesieniu do wody jako czynnika porównawczego, że w miarę wzrostu udziału fazy stałej (c_v) charakterystyki przepływu H = f ( Q ) przesuwają się w stronę niższych wartości, zaś charakterystyki mocy na wale P = f ( Q ) przesuwają się w stronę wyższych wartości. Natomiast charakterystyki sprawności η = f (Q ) w miarę wzrostu c_v przesuwają się w początkowo w stronę wyższych wartości sprawności, zaś po osiągnięciu położenia najwyższego obsuwają się w stronę niższych wartości sprawności, zaś przy większych udziałach c_v osiągają położenia poniżej charakterystyki dla wody.

Dla przykładu, na rysunkach 5, 6 i 7 przedstawiono charakterystyki pompy przetłaczającej zawiesiny popiołowo – wodne. W przypadku innych mieszanin zmiany charakterystyk miały podobny charakter. Maksymalna sprawność osiągana była w zasadzie niezależnie od udziału objętościowego ciał stałych ( c_v ) i ich gęstości (ρ_s ) praktycznie przy takiej samej wydajności pompy Q ≈ 0,01225 m³/s.

Aby w sposób syntetyczny przedstawić wpływ udziału fazy stałej w poszczególnych zawiesinach na parametry pracy pompy, na rysunkach 8, 9 i 10 przedstawiono zmiany parametrów pracy H, P oraz η w zależności od udziału fazy stałej c_v, przy takiej samej wydajności Q = 0,01225 m³/s.

Rys. 4 Wysedymentowane popioły lotne w zawiesinach o różnych udziałach Cv.

Analizując te parametry można zauważyć, że:

● w miarę wzrostu udziału c_v fazy stałej użyteczna wysokość podnoszenia H zmniejszała się ( i to coraz szybciej ), przy czym spadek wysokości podnoszenia jest tym większy im większa jest gęstość fazy stałej, zaś wpływ uziarnienia jest niejednoznaczny,

Rys. 5. Charakterystyki przepływu H = f( Q ) dla różnych zawiesin popiołowo-wodnych.

Rys. 6. Charakterystyki mocy na wale P = f( Q ) dla różnych zawiesin popiołowo-wodnych.

Rys. 7. Charakterystyki sprawności η = f( Q ) dla różnych zawiesin popiołowo-wodnych.

Rys. 8 Wysokości podnoszenia pompy H ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

● ze wzrostem udziału c_v fazy stałej moc P na wale pompy zwiększała się ( w przybliżeniu liniowo ) – w całym zakresie zmian udziału objętościowego c_v, jednak w przypadku popiołu lotnego (o granulacji pyłowej ) można dostrzec, że moc na wale wzrastała szybciej gdy c_v > 0,3, gdy w zawiesinie nasilały się cechy cieczy nienewtonowskiej ( Binghama ),

● sprawność pompy η początkowo wzrastała, osiągała wartość maksymalną przy udziale objętościowym c_v ≈ 0,1 w przypadku piasku, – przy udziale c_v ≈ 0,2 w przypadku pyłu magnetytowego, – przy udziale c_v ≈ 0,25 w przypadku mielonego węgla, – przy udziale c_v ≈ 0,3 w przypadku popiołu lotnego, zaś następnie szybko obniżała się,

● sprawności maksymalne η_max osiągały poziom około 0,60 – 0,61 w przypadku ciał pylistych ( popiołu lotnego i pyłu magnetytu ), zaś nieco niższe wartości na poziomie 0,59 w przypadku ciał drobnoziarnistych ( mielonego węgla i piasku), natomiast w przypadku pompowania wody osiągnięto ( przy porównywalnej wydajności ) sprawność 0,57.

Podobny charakter zmian stwierdza się również i przy innych wydajnościach, znacząco mniejszych od wydajności nominalnej.

Rys. 9 Moce na wale pompy P ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

4. Dyskusja uzyskanych rezultatów pomiarów.

Aby w pewnej mierze uogólnić uzyskane rezultaty, wprowadzono następujące wyróżniki bezwymiarowe:

przy czym indeksy ( m, w ) oznaczają odpowiednio mieszaninę i wodę.

Wyróżniki te określa się przy takiej samej wydajności pompy ( Q_m = Q_w ) przetłaczającej mieszaninę lub wodę.

Wyróżniki k_H   i   k_η określają zmiany użytecznej wysokości podnoszenia lub sprawności pompy przetłaczającej mieszaninę lub zawiesinę w stosunku do parametrów uzyskanych w przypadku pompowania wody. Natomiast wyróżnik k_P   określa stosunek energii doprowadzanej do pompy w przeliczeniu na jednostkę masy pompowanego czynnika, w przypadku pompowania mieszaniny i wody.

Rys. 10 Sprawności pompy η ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

Rys. 11 Współczynniki KH ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

Rys. 12 Współczynniki Kη ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

Rys. 13. Współczynniki KP ( przy Q = 0, 01225 m3/s ) dla różnych mieszanin.

Inaczej bowiem zapisując k_P , otrzyma się

Wyróżniki k_η, k_H i k_P wiąże zależność

Zależności graficzne wyróżników k_H, k_η i k_P od udziału objętościowego c_v fazy stałej w mieszaninach ( obliczonych dla wydajności zbliżonej do optymalnej Q ≈ 0,0125 m³/s ), przedstawiono na rysunkach 11, 12 i 13.

Analizując te zależności graficzne, łatwo zauważyć, że:

● użyteczna wysokość podnoszenia pompy maleje w miarę wzrostu udziału fazy stałej c_v w mieszaninie, zaś spadek wysokości podnoszenia zwiększa się w miarę wzrostu gęstości fazy stałej, przy czym wpływ uziarnienia nie jest jednoznaczny,

● sprawność pompy w miarę wzrostu c_v początkowo zauważalnie wzrasta, a następnie maleje i tylko przy największych wartościach c_v jest mniejsza od sprawności osiąganej w przypadku pompowania wody,

● moc na wale pompy w miarę wzrostu c_v wzrasta wolniej niż to wynikałoby ze zwiększania się gęstości mieszaniny.

Rys. 14. Strefy przepływu mieszaniny w wirniku pompy ( 1 – strumień roboczy,         2 – strumień krążący ).

Rys. 15. Charakterystyki kawitacyjne H = f ( ps) dla wybranych wydajności ( woda ).

Zmiany parametrów pompy o swobodnym przepływie różnią się więc od zmian parametrów pompy krętnej odśrodkowej o podobnych parametrach, działającej w podobnych warunkach.

Użyteczna praca jednostkowa pompy o swobodnym przepływie zmniejsza się ze wzrostem udziału objętościowego c_v fazy stałej w mieszaninie, przy czym efekt ten jest wyraźnie większy w miarę wzrostu gęstości ciał stałych. W przedziale c_v < 0,3 – 0,4 ( zależnym od gęstości fazy stałej ) obniżanie się H ( lub k_H ) nie jest jednak spowodowane wzrostem strat hydraulicznych w pompie, gdyż nie towarzyszy mu zmniejszanie się sprawności pompy, a sprawność pompy w tym przedziale c_v nawet nieco wzrasta. Można postawić hipotezę, że zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy następuje w efekcie wzrostu zawirowania wstępnego strumienia dopływającego do pompy. Wymiana ilości ruchu zachodząca podczas mieszania się strumienia krążącego ( który charakteryzuje się znaczną składową obwodową prędkości ) ze strumieniem mieszaniny dopływającej do pompy, jest bardziej efektywna w przypadku mieszaniny pylistych i drobnoziarnistych ciał stałych z wodą, w porównaniu z mieszaniem się strumieni wody podczas pompowania wody. Hipoteza ta ma oparcie w wynikach badań nad efektywnością wymiany ilości ruchu między cząsteczkami fazy stałej a gazem, przytaczanych w [ 6 ].

Natomiast, gdy wskutek wzrostu udziału fazy stałej ( gdy c_v > 0,3 ) pogarszają się warunki wymiany ilości ruchu między mieszającymi się strumieniami, a ponadto gdy nasilą się właściwości nienewtonowskie mieszaniny ( ciała plastyczno-lepkiego ) to wywołuje to wzrost strat hydraulicznych w pompie, a to powoduje coraz szybszy spadek wysokości podnoszenia pompy.

Przeprowadzone inne badania eksperymentalne wykazały , że przypadku gdy pompa o swobodnym przepływie przetłaczała olej o zwiększającej się lepkości, to współczynnik k_P wzrastał, zaś współczynniki k_H i k_η zmniejszały się ze wzrostem lepkości oleju. Tak więc wzrost lepkości pompowanego czynnika zawsze powoduje pogarszanie parametrów pracy pompy.

W przypadku pompowania mieszanin, gdy udział objętościowy fazy stałej c_v < 0,3 – 0,4 to stwierdza się, że k_P < 1 i zarazem k_P < k_H. Można wnioskować, że następuje wówczas zmniejszenie się strat hydraulicznych w pompie, wywołane obecnością ciał stałych, ponieważ wskutek oddziaływania siły odśrodkowej ciała stałe przepływające przez wirnik pompy kierują się w większości do kanału zbiorczego pompy, a strumień krążący charakteryzuje się nieco zmniejszonym udziałem ciał stałych, jest więc „rozrzedzony” w stosunku do strumienia tranzytowego mieszaniny. Ponieważ generuje on dominującą część strat hydraulicznych w pompie [ 1,3 ], przeto nawet bardzo niewielkie zmniejszenie jego gęstości ma wpływ na wielkość tych strat, a w efekcie tego na zmniejszenie zapotrzebowania mocy i osiąganą sprawność. Przedstawiono to poglądowo na rysunku 14. Hipotezę tą potwierdziły badania zagęszczenia mieszaniny w komorze bezłopatkowej pompy, polegające na analizie zagęszczenia próbek mieszaniny pobieranych z przestrzeni bezłopatkowej [ 7 ].

Wynika z nich, że w obszarze przestrzeni bezłopatkowej pompy udział objętościowy ciał stałych w mieszaninie jest nieco mniejszy ( średnio o ∆c_v ≈ 0,01 – 0,03 ) niż w króćcu tłocznym pompy.

Przeprowadzono też sporadyczne pomiary w warunkach przetłaczania grubszych ziaren (grubego piasku, δ₅₀ ≈ 0,9 mm) i wówczas nie zaobserwowano wzrostu sprawności pompy, jednak spadki sprawności były małe.

5. Zdolność ssania pomp o swobodnym przepływie.

Wiadomo [ 8, 9 ], że pompy o swobodnym przepływie charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami ssania, co w pewnych warunkach może przesądzać o możliwości niezakłóconej pracy pompy.

Aby potwierdzić dobre własności ssawne zastosowanej w badaniach pompy, przeprowadzono ograniczone pomiary jej charakterystyk ssania. Na rysunku 15 przedstawiono charakterystyki ssania H = f ( p_s ) wyznaczone przy wydajnościach Q = 0,0089 oraz 0,01225 m³/s, stosując wodę jako ciecz roboczą.

Przy obu wydajnościach charakterystyki ssania H = f (p_s ) obniżają się powoli, zaś raptowne załamanie charakterystyk ma miejsce przy ciśnieniach ( bezwzględnych ) p_s < 9 lub 17 kPa. Odpowiadające tym ciśnieniom nadwyżki energii w króćcu dopływowym pompy odpowiednio wynosiły  około 1,20 m oraz 2,15 m, co potwierdza bardzo dobrą zdolność ssania badanej pompy.

Pomiary charakterystyk ssania z wykorzystaniem zawiesin nie zostały niestety przeprowadzone. Jednak można spodziewać się, że w przypadku pompowania zawiesin, zwłaszcza o rozsądnych zagęszczeniach, niezbędne nadwyżki energii w króćcu dopływowym pompy nie będą zbytnio różnić się od nadwyżek w przypadku pompowania wody. Drobne cząstki   stałe w zawiesinie będą bowiem w jakimś stopniu „tłumić” rozwój kawitacji.

Doskonałe własności ssawne są ważną cechą pomp o swobodnym przepływie, dzięki której w niektórych sytuacjach właśnie zastosowanie pompy o swobodnym przepływie umożliwia rozwiązanie potencjalnych problemów.

6. Uwagi końcowe.

Zaprezentowany w publikacji korzystny wpływ obecności drobnoziarnistej fazy stałej na parametry pracy pompy o swobodnym przepływie jest efektem mało znanym i nie jest zwykle brany pod uwagę. W wielokrotnie powtarzanych pomiarach z wykorzystaniem różnych ciał stałych stwierdzono, że obecność pylistych oraz drobnoziarnistych ciał stałych ( poniżej 0,5 mm ) w mieszaninach i zawiesinach ( i to nawet przy ich znacznym udziale objętościowym ), wywołuje niewielki wzrost sprawności pompy ( nawet do 3 punktów procentowych ) w porównaniu ze sprawnością osiąganą podczas pompowania wody. Ta cecha, jakkolwiek bardzo korzystna nie jest jednak na tyle istotna, aby rekomendować stosowanie pomp o swobodnym przepływie w każdej sytuacji, gdy trzeba przepompowywać zawiesiny i mieszaniny drobnoziarniste. Jednak w niektórych sytuacjach jest to uzasadnione.

W przypadkach, gdy w mieszaninach drobnoziarnistych mogą nawet okazjonalnie znaleźć się ciała „grube”, pompa o swobodnym przepływie umożliwi ich przetłoczenie bez obaw o ich „zablokowanie” się w pompie. Stosowanie w takich przypadkach pomp odśrodkowych – nawet o małych liczbach łopatek, często wiąże się z koniecznością zaakceptowania zwiększenia wydajności.

W sytuacjach, gdy pompa ma przetłaczać gęste zawiesiny lub mieszaniny drobnoziarniste, zastosowanie pompy o swobodnym przepływie może pozwolić uniknąć problemów, jakich przyczyną mogą być ograniczone zdolności ssawne pomp odśrodkowych.

Wykorzystywanie pomp o swobodnym przepływie powinno być brane pod uwagę wtedy, gdy istnieje potrzeba odmulania lub oczyszczania różnego rodzaju rząpi i osadników oraz zbiorników i wykopów, na dnie których zalegają warstwy mułu. Wówczas bardzo dobra zdolność ssania pomp o swobodnym przepływie może przesądzić o powodzeniu przedsięwzięcia.

Warto też brać pod uwagę, że pogarszanie się parametrów pompy wywołane zużyciem erozyjnym wirnika, ujawni się – w porównaniu z pompami odśrodkowymi – po znacznie dłuższym czasie. Wirnik pompy o swobodnym przepływie nietrudno jest też wykonać z tworzyw wysoko odpornych na ścieranie erozyjne.

Z wielu doniesień można wnioskować, że pompy o swobodnym przepływie są często stosowane i spełniają swoje zadania.

dr inż. Jerzy Rokita

mgr inż. Zbigniew Krawczyk

Literatura:

1. Grabow G.: Untersuchung der Energieübertragung das Fördermedium im Arbeitsraum von Freistrompumpen mit Hilfe von Geschwindigkeits- und  Druckverteilungsmessungen, Maschinenbautechnik, 2, ( 1970).

2. Schivley G.P., Dussourd J.L.: A analytical and experimental study of a vortex  pump, Journal of Basic Engineering, ( 1970), 12.

3. Błaszczyk A. i inni: Nowa konstrukcja pompy o swobodnym przepływie, Pompy Pompownie, Nr 5 ( 43 ), 1966.

4. Rokita J.: Wpływ koncentracji objętościowej popiołów lotnych w wodzie na parametry pracy pompy o swobodnym przepływie, Prace Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, Zeszyt 83-84, Gdańsk, 1984.

5. Bracha Z., Kowalski J. : Praca dyplomowa wykonana w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach pod kierunkiem J. Rokity, Gliwice, 1982.

6. Soo S.L.: Fluiddynamics of multiphase systems, Bleisdell Publishing Company, Waltham, Massachussets, 1968.

7. Tudaj J. : Praca dyplomowa wykonana w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach pod kierunkiem J. Rokity, Gliwice, 1982.

8. Rütschi K.: Die Arbeitsweise von Freistrompumpen, Schweizerische Bauzeitung, 32, ( 1968).

9. Łazarkiewicz Sz., Troskolański A.T., Pompy wirowe, WNT, 1973.

 I. Wprowadzenie.

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

1. Bezpieczeństwo obsługi.

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

2. Bezpieczeństwo pracy w warunkach zagrożenia wybuchem.

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

3. Skuteczność przewietrzania jako warunek bezpieczeństwa pracy załogi.

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

W praktyce o bezpieczeństwie wentylatorów decydują trzy podstawowe czynniki:

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

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

II. Wpływ konstrukcji wentylatora na jego bezpieczeństwo.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

W przepisach wprowadza się też rozróżnienie na:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

–  Ograniczona temperatura elementów zewnętrznych

–  Odpowiednie wymiary szczelin pomiędzy elementami stałymi i wirującymi

–  Sztywność i wyważenie elementów wirujących

–  Właściwy poziom drgań

–  Odporność konstrukcji na nieprzewidziane obciążenia

–  Osłony części wirujących

III. Wpływ sposobu eksploatacji na bezpieczeństwo wentylatorów.

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

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

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

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

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

IV. Właściwy dobór wentylatora jako podstawa bezpieczeństwa pracy.

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

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

a)       Kryterium energetyczne

b)      Kryterium statecznej pracy

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

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

V. Podsumowanie.

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

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

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

inż. Roman Pawlik

Kategorie kopalń.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Czynniki decydujące o wyborze systemu odwadniania:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fot. 1. Pompa zasilająca zatapialna dużej wydajności.

 Inne uwarunkowania techniczne.

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

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

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

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

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

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

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

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

Rysunek 1.                              Rysunek 2.

Odwadnianie pompami stacjonarnymi.

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

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

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

Pompy wałowe.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Rysunek 7.

Analiza techniczno-ekonomiczna.

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

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

Analiza ekonomiczna powinna uwzględniać trzy zasadnicze składniki:

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

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

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

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

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

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

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

Podsumowanie i wnioski.

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

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

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

mgr inż. Stanisław Perchał

dr inż. Grzegorz Pakuła

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

Założenia konstrukcyjne.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Parametry pompy ON-200BB.

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

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

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

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

Wersje rozwojowe.

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

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

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

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

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

Dr inż. Grzegorz Pakuła.

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

Komentarz autora:

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

Rys. 1. Pole pracy pomp typoszeregu ON.

Pompowanie mediów silnie zanieczyszczonych i agresywnych

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

Rysunek 1. Pompa EW-50.

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

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

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

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

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

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

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

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

Pompy zatapialne do nieoczyszczonych ścieków komunalnych.

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

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

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

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

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

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

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

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

Przy dużych mocach pomp stosowane są wirniki jedno lub dwukanałowe.

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

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

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

Pompy zatapialne do cieczy z zanieczyszczeniami ropopochodnymi.

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

Pompy zatapialne do cieczy silnie zanieczyszczonych ciałami stałymi.

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

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

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

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

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

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

Rysunek 9. Pompa P370-V175/6A.

Podsumowanie.

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

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

Roman Pawlik.

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

Komentarz autora po 15 latach:

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