Powody stosowania pomp wielostopniowych.

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

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

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

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

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

Mechanizm przekazywania energii.

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

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

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

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

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

Zagadnienia konstrukcyjne.

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

Prędkość obrotowa i liczba stopni.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Przeniesienie siły osiowej.

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

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

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

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

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

Dynamika.

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

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

Wymagania technologiczne.

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

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

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

Pompy wielostopniowe produkowane przez Powen.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

mgr inż. Władysław Tywoniak                                                                                                     dr inż. Grzegorz Pakuła

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

Komentarz autora po 15 latach:

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

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

Wprowadzenie.

W przemyśle cukrowniczym, energetycznym, hutniczym, chemicznym, stoczniowym oraz innych gałęziach przemysłu występuje potrzeba stosowania urządzeń umożliwiających usuwanie zanieczyszczeń powstałych w procesach technologicznych lub w trakcie ich eksploatacji.

Usuwanie zanieczyszczeń może odbywać się metodą mechaniczną lub hydrauliczną. Skuteczność czyszczenia jest zależna od wielkości wytwarzanego w danym miejscu ciśnienia rozrywającego zanieczyszczony osad, niezależnie od zastosowanej metody. Przy czyszczeniu mechanicznym ciśnienie rozrywające spowodowane jest ostrymi końcami czyszczącej szczotki bądź ostrzem noża. Przy czyszczeniu hydraulicznym spowodowane jest strumieniem wody wytworzonym przez pompę wysokociśnieniową. Stosowanie metody hydraulicznej usuwania zanieczyszczeń daje:

• dużą skuteczność czyszczenia,

• możliwość usuwania zanieczyszczeń w miejscach trudno dostępnych,

• zatrudnianie małej ilości pracowników (praktycznie dwóch operatorów),

• użycie jako czynnika czyszczącego wody, która dostępna jest praktycznie w każdych warunkach.

Te cechy powodują coraz szersze stosowanie tej metody w przemyśle.

Artykuł opisuje wysokociśnieniowe urządzenie czyszczące typu WUC-1 produkcji POWEN S.A. oraz przedstawia technologię i doświadczenia producenta w zakresie usuwania zanieczyszczeń za pomocą tego urządzenia.

Rysunek 1. Wysokociśnieniowe Urządzenie Czyszczące WUC-1. 1 – pompa nurnikowa T-65/45, 2 – zawór rozładowania ZR-100/45, 3 – zawór przelewowy ZP-100/50, 4 – dysza czyszcząca, 5 – lanca, 6 – przewody wysokociśnieniowe, 7 – wyposażenie elektryczne, 8 – zawór kulony ręczny lub zawór nożny, 10 – filtr wodny.

Budowa, zasada działania, dane techniczne i osprzęt urządzenia WUC-1.

Urządzenie WUC-1 przedstawione jest na zdjęciu i na rysunku 1. Pompa (poz. 1) poprzez filtr (poz. 10) zasysa wodę z hydrantu, bądź rurociągu, i tłoczy ją przez zawór rozładowania do magistrali zasilającej (poz. 6). Magistrala ta wykonana jest z odcinków węży wysokociśnieniowych o średnicy nominalnej dn = 12 mm na ciśnienie robocze pr = 45 MPa. Na końcu magistrali zasilającej jest zabudowany osprzęt czyszczący:

• kulowy zawór odcinający ręczny (poz. 8), zawór nożny (poz. 8) lub pistolet ręczny,

• lanca stała lub elastyczna (poz. 5),

• dysza czyszcząca stała lub obrotowa (poz. 4).

Układ przepływu wody (od filtra poprzez pompę, zawór rozładowania, węże, lancę oraz dyszę) jest zaprojektowany dla ciśnienia wytwarzanego przez pompę, tj. pr = 45 MPa. Zawór rozładowania po osiągnięciu przez pompę ciśnienia 45 MPa przełącza pompę na bieg jałowy. Pompa zasysa w tym czasie wodę z filtra i tłoczy ją bez ciśnienia z powrotem do filtra. W przypadku zatarcia bądź podwieszenia się zaworu rozładowania następuje wzrost ciśnienia w układzie do wielkości ok. 50 MPa i otwiera się zawór przelewowy, zabudowany na bloku zaworowym pompy, przez który pompa tłoczy wodę z zewnątrz. W ten sposób pompa oraz cały układ hydrauliczny zostają zabezpieczone przed przeciążeniem.

Dane techniczne urządzenia WUC-1

• Wydajność pompy – 65 dm3 /min

• Ciśnienie robocze – 45 MPa

• Moc silnika – 55 kW

• Napięcie zasilania – 380 lub 500 V

• Prędkość obrotowa wału silnika – 1475 min-1

• Masa urządzenia -1225 kg

Osprzęt urządzenia WUC-1.

W zależności od zastosowania urządzenie WUC-1 może być wyposażone w różnego rodzaju osprzęt czyszczący. Osprzęt ten zabudowany jest zawsze na końcu magistrali. W jego skład wchodzi: zawór ręczny lub nożny, lanca stała lub elastyczna, dysza stała, obrotowa lub pistolet ręczny. Zawór nożny jest otwierany i zamykany nogą operatora. Naciskając nogą na pedał powoduje on przepływ cieczy przez zawór, zaś zdejmując powoduje natychmiastowe zamknięcie zaworu – odcięcie przepływu wody z zaworu do lancy. Zastosowanie zaworu nożnego ma miejsce podczas czyszczenia długich rur np. w wyparkach. Na rysunkach 2 i 3 przedstawione są różne wykonania lancy. Rysunek 2 pokazuje lancę stałą z rury o średnicy zewnętrznej 20 mm (wykonywane są też lance z rury 16 mm), natomiast rysunek 3 przedstawia lancę elastyczną, która znajduje zastosowanie przy czyszczeniu zagiętych rur w urządzeniach grzewczych.

Rysunek 2. Lanca < p20.

Rysunek 3. Lanca elastyczna.

Do czyszczenia przewodów z osadów i kamienia kotłowego przewidziano cztery rodzaje dysz stałych, pokazanych na rysunku 4 (poz. l, 2, 4 i 5). Dysze stałe (poz. l, 4 i 5) dają strumień w kierunku przesuwu lancy zaś dysza (poz. 2) daje strumień cieczy w kierunku przeciwnym. W przypadku dyszy (poz. 2) siła odrzutu wciąga lancę z dyszą do przewodu. Dysza (poz. 4) umożliwia czyszczenie rur zatkanych całkowicie osadem lub kamieniem. Dysza (poz. 3) jest jednootworowa i przewidziana jest do współpracy z pistoletem ręcznym.

Na rysunku 5 przedstawiona jest dysza obrotowa. Jest ona stosowana do czyszczenia rur, bądź kanałów o przekroju kołowym (cylindrycznym).

W zależności od średnicy rury stosuje się dyszę o odpowiedniej średnicy zewnętrznej oraz potrzebnej ilości doprowadzanej wody, pod odpowiednim ciśnieniem. Dla urządzenia WUC-1 stosowane są dysze obrotowe na ciśnienie max. 45 MPa, przy przepływie wody w ilości 65 dm3 /min.

Skuteczność czyszczenia wodą.

Rysunek 4. Komplet dysz stałych.

Rysunek 5. Dysza obrotowa.                      Rysunek 6. Dane charakterystyczne dyszy.

Skuteczność czyszczenia wodą zależy od prawidłowego zaprojektowania układu czyszczącego. Cały układ – pompa, transport wody – przewody, zamiana ciśnienia wody na prędkość – dysze, powinien być zaprojektowany tak, aby powstawało jak najmniej oporów oraz szkodliwych zawirowań i zmian prędkości. Nieprawidłowa konstrukcja np. dyszy, bądź złe jej wykonanie prowadzi często do znacznych strat przy przepływie wody i utraty pełnej skuteczności działania urządzenia.

W praktyce oznacza to, że aby osiągnąć lepszą skuteczność pracy urządzenia przy stosowaniu złej dyszy potrzebne są znacznie większe ciśnienia wody. Przy założeniu optymalnego doboru dyszy do wydajności pompy oraz jej prawidłowego wykonania – szybkość wypływu strumienia wody z dyszy będzie zależna wyłącznie od ciśnienia roboczego pompy. Należy zawsze pamiętać o tym, że woda opuszcza dyszę w postaci skoncentrowanej wiązki – strumienia, który pozostaje w tej postaci w odległości równej ok. 100 średnicom otworów dyszy.

W tym zakresie odległość strumienia wody działa najbardziej skutecznie. Oddalając dyszę od powierzchni czyszczącej oddalamy strumień wody, który w dalszej odległości ulega rozdrobnieniu oraz osłabieniu w wyniku silnego hamowania poszczególnych kropelek wody przez otaczającą atmosferę. W ten sposób powstaje w dalszej odległości od dyszy mgła, która nie ma praktycznie żadnej skuteczności – rys. 6.

Zetknięcie się kropelek wody z zanieczyszczoną powierzchnią jest jednoznaczne z nagłym wyhamowaniem kropelek wody, co wywołuje na czyszczonej powierzchni lokalne ciśnienie o wielkości zbliżonej do ciśnienia wody przed dyszą. Wysokie ciśnienie kropelek wody oddziałując na twarde osady powoduje ich pękanie, następnie przenikanie wody do powstałych spękań – szczelin oraz rozrywanie zanieczyszczeń, a w końcowej fazie ich usuwanie z powierzchni. Takie zastosowanie strumienia wody pod wysokim ciśnieniem jest szczególnie przydatne tam, gdzie nie ma możliwości dojścia do czyszczonej powierzchni ostrym narzędziem. Wynika konieczność właściwego doboru kąta „a”, średnicy zewnętrznej dyszy „D” oraz średnicy otworów wylotowych „d” – rys. 6, dla każdej rury przewidzianej do czyszczenia strumieniem wody.

Dobór ciśnienia wody.

Z przeprowadzonych badań w zakresie praktycznego usuwania zanieczyszczeń wodą pod wysokim ciśnieniem wynika, że wysokość ciśnienia wody jest zależna od rodzaju osadu, stopnia zawartości oraz twardości warstwy zanieczyszczenia.

Do czyszczenia: rur, kanałów, zbiorników olejowych, bunkrów statków, urządzeń budowlanych, złóż filtracyjnych, ogrzewaczy powietrza, żeliwnych odlewów stosowane jest ciśnienie wody w zakresie 11-18 MPa. Ciśnienie takie jest stosowane także w przemyśle spożywczym do usuwania miękkich osadów słodowo-owocowych.

Do czyszczenia budowli wodnych, kadłubów statków z narostów alkalicznych, form odlewniczych, powierzchni cegieł fasady budynków jest stosowane ciśnienie wody w zakresie 18-30 MPa.

W cukrowniach do czyszczenia urządzeń technologicznych jest stosowane ciśnienie wody od 30-45 MPa. przy czym najtrudniej jest usunąć kamień w rurach stalowych o średnicy nominalnej 0 33 mm zabudowanych w wyparkach.

Do czyszczenia rur wykonanych z mosiądzu, skuteczna wielkość ciśnienia wynosi 30-35 MPa.
Urządzenie WUC-1 posiada możliwość regulacji ciśnienia w powyższym zakresie.

Dobór wydajności pompy.

Wydajność pompy ma podstawowy wpływ na efektywność czyszczenia. Im większa wydajność – więcej doprowadzanej wody pod wymaganym ciśnieniem, tym intensywniejsze wypłukiwanie zanieczyszczeń. Jednocześnie wraz ze wzrostem wydajności i ciśnienia wody w pompie wzrasta moc silnika napędzającego pompę, a tym samym masa i gabaryty urządzenia. Dla konkretnych warunków pracy istnieje możliwość stosowania silnika o niższej mocy.

Technologia czyszczenia rur wyparek w cukrowniach i rur w urządzeniach energetycznych.

Jedną z najbardziej pracochłonnych operacji po kampanii cukrowniczej jest czyszczenie wyparek. W każdej wyparce znajduje się ok. 4000 szt. rur o średnicy nominalnej 0 33 mm i długości 3,2 m. Rury są wewnątrz zarośnięte kamieniem wapiennym, który musi być dokładnie usunięty dla zapewnienia ich pełnej drożności i prawidłowej pracy wyparki.

W przypadku grubej warstwy kamienia i trudności włożenia do czyszczonej rury dyszy promieniowej 6-otworowej stosuje się dyszę z ostrzem 3-otworową, o dużym kącie nachylenia otworów, przez które wypływa woda. Ostre czoło dyszy umożliwia jej wejście w zarośniętą rurę, a skośnie 3 otwory zapewniają wstępne rozerwanie i usunięcie kamienia z rury. Jak wykazuje praktyka dla dokładnego wyczyszczenia rury konieczne jest powtórne jej czyszczenia dyszą promieniową 6-otworową lub dyszą obrotową. W przypadku rur o średnicy wewnętrznej, mniejszej od 30 mm zarośniętych kamieniem, należy stosować dyszę czołową 6-otworową lub dyszę obrotową.

W urządzeniach energetycznych niejednokrotnie znajdują się rury grzewcze zagięte. Czyszczenie takich rur jest możliwe dyszą wciągającą 6-otworową, która ma otwory wylotowe skierowane w kierunku odwrotnym do kierunku czyszczenia rury. Należy ją wtedy zamocować na lancy elastycznej (rys. 3). Wypływ wody przez otwory dyszy powoduje powstanie siły, która wciąga dyszę razem z lancą do czyszczonej rury. W ten sposób możliwe jest czyszczenie rur zagiętych łagodnymi łukami, których promień gięcia nie jest mniejszy od dopuszczalnego promienia gięcia lancy elastycznej wynoszącego R=150 mm.

Rysunek 7. Czyszczenie rury dn = 33 wyparnika zarośniętej kamieniem wapiennym.

Podsumowanie.

Urządzenie WUC-1 było poddane próbom eksploatacyjnym podczas kampanii remontowej w cukrowni Racibórz. Oczyszczono nim 7 wyparek o łącznej ilości ok. 28 tys. rur. Płaca urządzenia w całości została oceniona pozytywnie. Kolejne pozytywne doświadczenia z urządzeniem WUC-1 uzyskano przy czyszczeniu zbiorników w oczyszczalniach ścieków.

Roman Pawlik.

Artykuł został opublikowany w numerze 2 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Komentarz autora po 15 latach:

„Moim zdaniem artykuł nie stracił po 15 latach na aktualności a treści w nim zawarte są nadal aktualne. Urządzenie WUC-1 po odpowiedniej weryfikacji dokumentacji pod kątem dostosowania do aktualnych przepisów może być oferowane przez GPW S.A na rynku.”

---

 

Pompowanie i eksploatacja pompowni na ogół nie stanowi podstawowej działalności przed­siębiorstwa. Jest to zazwyczaj proces pomoc­niczy lub uboczny, traktowany jako „zło konie­czne” będące źródłem kosztów i problemów. Koszty te są bardzo często znaczne. Niektóre oszacowania wskazują, że około jedna piąta całej produkcji energii elektrycznej zużywana jest do napędu pomp. Inne składniki kosztów eksploatacji pompowni, takie jak koszty ob­sługi i remontów również są niebagatelne. Utrzymanie ciągłości ruchu pompowni stano­wi w wielu przypadkach problem absorbujący uwagę kierownictwa firmy. Minimalizacja kosz­tów pompowania i zapewnienie ciągłości ru­chu wymaga wiedzy specjalistycznej, nie zaw­sze dostępnej w firmach, których podstawowa działalność polega na czym innym. We współ­czesnej ekonomii występuje wyraźna tendencja do tzw. „outsourcingu” czyli koncentrowania się firm na podstawowych zadaniach i do zle­cania wszelkich zadań ubocznych firmom wy­specjalizowanym.

Pompowanie i eksploatacja pompowni stanowi typowy przypadek zadania, które z korzyścią można zlecić specjalistom z zewnątrz. W zadaniu tym wyróżnia się dwa podstawowe etapy. Jeden to dobór i zakup urządzeń, a drugi to eksploatacja.

Na etapie doboru urządzeń tradycyjnie pomocą użytkownikom służą biura projektowe. Zazwyczaj jest to rozwiązanie dobre, bo projektant, dzięki swojej wiedzy o projektowanym procesie oraz znajomości szerokiej oferty rynkowej jest w stanie zaproponować użytkownikowi zakup optymalnego rozwiązania. Zdarzają się jednak przypadki, że jednak przypadki, że tak nie jest, co może wynikać z kilku powodów:

• Niektórzy projektanci nie są wcale niezależni, lecz są powiązani z producentami urządzeń. Mogą to być powiązania kapitałowe, częste w przypadku dużych, międzynarodowych koncernów obejmujących udziały w polskich biurach projektów. Natomiast niektóre mniejsze biura projektowe pobierają prowizje od producentów za rekomendowanie ich urządzeń. Dobór pomp w takim przypadku nie jest wcale obiektywny. Przeciwnie, urządzenia preferowanych producentów są tendencyjnie promowane w sposób nie biorący pod uwagę interesów użytkownika.
• Czasem powodem jest po prostu rutyna i chęć ograniczenia zakresu pracy. Projektant zamiast przeprowadzić szeroką analizę porównawczą zmierzającą do optymalnego doboru rekomenduje wtedy urządzenie, którego katalog posiada akurat na półce.
• Niektóre biura wyspecjalizowane w projektowaniu specjalistycznych procesów nie posiadają pracowników z wystarczającą wiedzą o pompach i układach pompowych.

Ponadto, nawet w przypadkach, gdy projektant rzetelnie wywiąże się z zadania doboru optymalnych pompy, jego rola na ogół na tym się kończy i użytkownik pozostaje sam z pro­blemem eksploatacji i utrzymania ruchu. Z powyższych względów, w celu sprawnego radzenia sobie z problemami pompowymi, użytkownik powinien pozostawać w kontakcie z producentem pomp. Współpraca użytkownika z producentem jest utrudniona z tego względu, iż w gospodarce rynkowej ich interesy są z pozo­ru przeciwstawne, gdyż zwiększenie zysków u jednego z nich odbywa się kosztem ich zmniejszenia u partnera. Użytkownik traktuje zatem oferty producenta nie jako propozycje obiektywnie najlepszych rozwiązań, lecz jako propozycje najbardziej zyskowne dla produ­centa. Pomimo tego, możliwe jest zbudowanie długoterminowych relacji opartych na zaufaniu, gdyż dla poważnego producenta od jednorazo­wego, wysokiego zysku ważniejsza jest satysfak­cja klienta pozwalająca na zdobycie kolejnych zamówień.

Oprócz problemu braku wzajemnego za­ufania występują inne czynniki, które utrud­niają dialog pomiędzy użytkownikiem a pro­ducentem.

• Zakupy pomp dokonywane są często przez pośredników. Nie każdy producent utrzymuje własną sieć sprzedaży i strategia wielu firm zakłada sprzedaż przez pośredników. Nie ma w tym nic złego, o ile firma pośrednicząca posiada wiedzę fachową potrzebną do prawidłowego doboru pompy. Bywa jednak i tak, że pośrednik nie potrafi zebrać potrzebnych informacji, a co gorsza, w obawie o swoją prowizję stara się nie dopuścić do bezpośredniego kontaktu użytkownika i producenta. W rezultacie do producentów trafiają zapytania o „pompę niezatapialną do szlamów o średnio-niskiej gęstości, Q = 10m³/h, H = 10-15 m”, albo o pompę o następujących parametrach: „ciśnienie minimum 2 atmosfery przy 10 kranach % cala każdy, obieg wody 15-25 mb, wysokość podnoszenia ok. 2-2.5 m. Woda przy ostatnim odstojniku oczyszczona ok. 20%” (cytaty z autentycznych zapytań ofertowych od pośredników).
• Pompy stanowią często zaledwie znikomą część wartości instalacji, dostarczanej „pod klucz”. Wykonawca w takim przypadku często nie przywiązuje do ich doboru większej wagi, koncentrując się jedynie na cenie i terminie dostawy, gdyż kwestie eksploatacji po okresie gwarancyjnym nie są dla niego istotne. W takich przypadkach, ze względu na dążenie do uproszczenia zakupów preferowane są kompletne dostawy od jednego producenta, bez zwracania uwagi na prawidłowość doboru poszczególnych pomp i bez konsultacji z użytkownikiem, który będzie eksploatował instalację po jej rozruchu.
• W przetargach na obiekty finansowane ze źródeł zewnętrznych (na przykład funduszy europejskich) wymogi formalne są często zbyt rozbudowane i dominują nad kwestiami technicznymi. W zakresie tych ostatnich w niektórych przypadkach narzuca się bez uzasadnienia specyfikacje preferujące urządzenia importowane, nierzadko będące w sprzeczności z polskimi przepisami i praktyką inżynierską.

Generalnie, należy stwierdzić, że procedura przetargowa nie zawsze jest optymalną metodą zakupu. Teoretycznie, przetarg ma zapewniać równość szans wszystkich konkurentów i do­prowadzić do wyboru najkorzystniejszej oferty. W praktyce, jeśli ze strony zamawiającego występuje zła wola, to przy zachowaniu pozo­rów rzetelnego postępowania przetargowego, może on dokonać tendencyjnego wyboru. Wy­starczy w tym celu zawrzeć w specyfikacji technicznej cechy odnoszące się do określonego wyrobu, bądź nieoficjalnie przekazać prefero­wanemu dostawcy dodatkowe informacje. Przetarg nie stanowi zatem pewnego zabezpie­czenia przed nadużyciami, posiada natomiast następujące, niekorzystne cechy:

• Postępowanie przetargowe jest kosztowne zarówno dla kupującego jak i dostawcy. Sporządzenie oferty spełniającej rozbudowane zazwyczaj wymogi formalne jest pracochłonne. Ponieważ z definicji tylko jedna na kilka ofert przetargowych wygrywa, dostawca musi wkalkulować koszt przygotowania ofert w ceny wyrobów. Kupujący musi ze swojej strony ponieść koszt przygotowania dokumentacji przetargowej, gdyż braki formalne mogą stanowić podstawę do odwołań i kwestionowania wyników postępowania.

• Postępowanie przetargowe jest czasochłonne ze względu na czas potrzebny na przygotowanie dokumentacji, czas potrzebny na przygotowanie ofert, a także ich analizę. Ponadto, istnieje ryzyko uwikłania w proces odwoławczy bądź nawet sądowy.

• Postępowanie przetargowe utrudnia komunikację pomiędzy użytkownikiem a dostawcą. Ze względów formalnych wymagania i parametry powinny być określone z góry, gdyż inaczej może powstać zarzut manipulowania przetargiem. Tymczasem nie wszystko da się przewidzieć, gdyż dostawcy mogą wyjść z propozycjami lepszych rozwiązań, odmiennych od założeń przetargowych. Elastyczność wymagana do skorzystania z takich propozycji jest trudna do pogodzenia z formalną poprawnością przetargu.

• Jednoznaczny wybór oferty możliwy jest tylko w prostych sytuacjach, na przykład gdy jedynym kryterium jest cena. W praktyce wybór jest zazwyczaj wielokryterialny, gdyż obok ceny zakupu równie ważne są koszty eksploatacji jak i walory techniczne trudno przeliczalne na pieniądze (np. bezpieczeństwo ekologiczne, poziom hałasu itp.) Obok trudności z prawidłowym doborem wag poszczególnych kryteriów mogą wystąpić trudności z weryfikacją rzetelności ofert. Niektórzy oferenci mogą bowiem składać nierealistyczne obietnice dotyczące na przykład okresów międzyremontowych, które mogą zostać zweryfikowane dopiero po dokonaniu zakupu.

Dokonywanie zakupów w formie przetargu dla niektórych podmiotów jest wymogiem for­malno-prawnym, a w innych przypadkach jest wskazane gdy zachodzi obawa, że osoby re­prezentujące kupującego nie dbają w dostatecz­nym stopniu o interes swojej firmy, co może wynikać z niedbalstwa bądź stawiania wyżej interesów osobistych. Natomiast jeśli interes firmy jest zabezpieczony w inny sposób, na przykład poprzez skuteczny nadzór właścicielski, efektywniejszą formą może okazać się doko­nywanie zakupów w innym trybie.

Korzystną formą może być prowadzenie stałej współpracy z dostawcą wybranym na podstawie doświadczeń z eksploatacji posia­danych urządzeń, których zalety w stosunku do produktów konkurencyjnych znalazły po­twierdzenie w praktyce. Nie oznacza to ograni­czenia konkurencji, gdyż w obecnych realiach rynkowych dopływ innych ofert odbywa się w sposób ciągły, co pozwala na bieżącą we­ryfikację konkurencyjności urządzeń stałego dostawcy.

Stała współpraca zapewnia właściwą ko­munikację pomiędzy użytkownikiem i produ­centem. Może obejmować szeroki wachlarz elementów.

Sygnalizowanie przyszłych potrzeb.

Dla każdego producenta bardzo istotną kwestią jest rozeznanie przyszłego zapotrze­bowania na pompy w zakresie nowych rozwią­zań konstrukcyjnych i parametrów, z takim wyprzedzeniem aby możliwe było zakończenie prac konstrukcyjnych przed realizacją zakupu. Tradycyjne metody badania rynku, na przy­kład w formie ankiet, nie zawsze są skuteczne. Bezpośrednie sygnalizowanie przyszłych po­trzeb przez użytkownika daje korzyści obydwu stronom. Producent ogranicza ryzyko związane z inwestycją w nowy wyrób, natomiast użytko­wnik otrzymuje produkt ściśle odpowiadający jego potrzebom.

Przekazywanie informacji potrzebnych do prawidłowego doboru w warunkach prawidłowej komunikacji.

W trakcie stałych kontaktów można wy­praktykować efektywne procedury doboru nowych pomp. Użytkownik wie, które parame­try są niezbędne do dokonania optymalnego doboru i potrafi je określić, natomiast produ­cent znając warunki panujące u użytkownika nie musi za każdym razem żądać pełnego, standardowego zestawu informacji. W rezultacie można dokonać optymalnego doboru przy ograniczonym ryzyku pomyłki i umiarkowanym nakładzie pracy. Ważne jest także istnienie swobodnej dwustronnej ko­munikacji. W warunkach stałej współpracy producent nie tylko odpowiada na konkretne zapytania ofertowe zawierające sprecyzowane parametry lecz ma możliwość podjęcia dyskusji na temat przyjętych rozwiązań, zaproponować alternatywne wyjścia i dokonać weryfikacji pa­rametrów.

Zawarcie długoterminowej umowy na dostawę pomp.

W warunkach stałej współpracy możliwe jest uzgodnienie dostaw na dłuższy okres, na przykład roczny. Producentowi pozwala to obni­żyć ceny na skutek ograniczenia kosztów marke­tingu i lepszego planowania produkcji. Użyt­kownik, oprócz upustów cenowych odnosi korzyści w postaci gwarancji terminowości dostaw oraz korzystniejszych warunków płat­ności, które nie muszą być ściśle powiązane z terminami dostaw. Następuje też redukcja kosztów w dziale zaopatrzenia.

Zaangażowanie producenta w gospodarkę remontową i utrzymanie ruchu.

Bezpośrednia korzyść użytkownika ze stałej współpracy z producentem polega na tym, że służby eksploatacyjne remontowe są obeznane z eksploatowanymi urządzeniami, co redukuje koszty szkoleń i ogranicza ryzyko nieprawidło­wej eksploatacji. Jeżeli jednak użytkownik uznaje za korzystne ograniczenie własnych służb utrzymania ruchu producent może przejąć niektóre zadania w tym zakresie. Jest w stanie zaoferować stałym odbiorcom swoich pomp następujące formy usług serwisowych:

1. Reaktywna – tradycyjna forma serwisu, w której reakcja producenta następuje na żądanie klienta (z reguły w momencie pojawienia się problemów).
2. Kontrolna – oprócz reakcji na żądanie klienta producent przeprowadza okresowe oględziny, regulacje, porady i szkolenia (na przykład sprawdzenie osiowania, kontrola łożyskowania, regulacja dławnic, weryfikacja warunków pracy).
3. Pełna – producent podejmuje się pełnego utrzymania ruchu (tzn. planowania i organizowania remontów pod kontrolą klienta).
4. Eksploatacja pompowni za cenę ustaloną za m³ – producent podejmuje się kompleksowej usługi polegającej na prowadzeniu pompowania łącznie z gospodarką remontową. Ustalenie ceny za przepompowany metr sześcienny pozwala na jednoznaczne rozstrzygnięcie jaki typ pompy jest najbardziej ekonomiczny. Próby ustalania tego na etapie poszczególnych przetargów nie zawsze dają prawidłowe wyniki. Podjęcie się przez producenta pomp pompowania za cenę określoną w oparciu o metr sześcienny powoduje przyjęcie faktycznej odpowiedzialności za zapewnienia dotyczące rzeczywistych kosztów eksploatacji pomp.

Producent, w przypadku zainteresowania ze strony użytkowników, jest w stanie podjąć rozmowy na temat zapewnienia wybranej for­my usług serwisowych, bardziej złożonych niż tradycyjna, reaktywna, która stosowana jest standardowo.

Z gospodarką remontową związana jest ścisłe kwestia terminów dostaw części za­miennych. Celowe byłoby wdrożenie systemu, wprowadzającego podział części zamiennych na kategorie w zależności od częstotliwości ich wymiany i skali produkcji danego typu pompy. Kategorii tych może być pięć oznaczanych przykładowo literami od A do E, jak w tabeli.

Dla poszczególnych kategorii producent mógłby określić gwarantowane czasy dostawy, przykładowo:

Tabela 1. Kategorie części zamiennych.

A – na półce
B – 7 dni
C – 14 dni
D – 30 dni
E – 60 dni

Przynależność poszczególnych części do różnych kategorii powinna być określona przez producenta i podana do wiadomości użytkownika. Należy zdawać sobie sprawę, że utrzymywanie zapasu części zamiennych związane jest z kosztami. Możliwe powinno być negocjowanie ze stałymi klientami składów poszczególnych kategorii. Należy dodać, że zlecenie producentowi pomp prowadzenia gospodarki remontowej całkowicie uwalnia użytkownika od problemu terminu dostaw części zamiennych. Podsumowując należy stwierdzić, że nawiązanie stałej współpracy użytkownika z producentem pomp przynosi odczuwalne korzyści dla obu stron. Współpraca taka może zostać sformalizowana w postaci umowy, bądź pozostać nieformalną, opartą na długoletnich kontaktach i zaufaniu. Dalej idące formy stałej współpracy to:

• pełna standaryzacja użytkownika
• tzw. „partnerstwo globalne”, gdzie użytkownik – duża firma międzynarodowa – stosuje pompy jednego producenta we wszystkich swoich zakładach na całym świecie.

Przed zawarciem umów o współpracy należy rozważyć, czy korzyści wynikające z ograniczenia kosztów zakupu i gospodarki remontowej przewyższają straty związane z zawężeniem swobody pola wyboru pomp.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Referat wygłoszono na VI Forum Użytkowników i Producentów Pomp.

Został on również opublikowany na łamach czasopisma „Pompy-Pompownie”.

Komentarz autora po 15 latach:

„Pomimo tego, że tekst został napisany 15 lat temu w znacznej mierze zachował swoją aktualność. Niepokojącym zjawiskiem jest nasilanie się sygnalizowanej już 15 lat temu tendencji do przerostu wymagań formalno-prawnych ponad technicznymi w specyfikacjach przetargowych dotyczących pomp. Porównanie objętości zajmowanej w specyfikacjach na przykład przez opis wymagań co do gwarancji bankowych, formatu w jakim wymagane są dokumenty itp. z objętością zajmowaną przez opis wymagań technicznych wskazuje na wyraźną przewagę tych pierwszych. Bardzo często jako specyfikacje techniczne publikowane są standardowe dokumenty zawierające ogólne i nieistotne wymagania, przy jednoczesnym braku wyspecyfikowania parametrów o kluczowym znaczeniu dla doboru pompy. Powszechną praktyka staje się zamieszczanie w specyfikacjach przetargowych ogólnych wzorów umów nie przystających do danego przypadku, jak na przykład przenoszenie na poddostawcę pomp wszystkich klauzul kontraktu na budowę bloku energetycznego zawartego pomiędzy generalnym wykonawca a firmą energetyczną. Można odnieść wrażenie, że wiele specyfikacji przetargowych pisanych jest przez prawników i ekonomistów, a nie przez techników. Oczywiście, stworzenie prawidłowej struktury formalno-prawnej dla kontraktu jest ważne, lecz nie może to pomijać uzgodnienia zasadniczych kwestii technicznych. Biura projektowe, poza chlubnymi wyjątkami, często „nie czują” pomp i nie są w stanie prawidłowo sformułować wymagań ani kryteriów wyboru. Jednocześnie daje się jednak zauważyć pozytywna tendencja polegająca na tym, że pomimo formalno-prawnych utrudnień postulowana w artykule współpraca pomiędzy producentami i użytkownikami pomp w wielu przypadkach funkcjonuje. W ciągu 15 lat od napisania tekstu pojawiły się liczne przykłady nawiązania partnerskiej współpracy w postulowanej formie, dzięki czemu zostały zaprojektowane i zrealizowane układy pompowe stojące na wysokim poziomie technicznymm , a ich eksploatacja prowadzona jest prawidłowo. Tym niemniej apel o partnerską współpracę na polu technicznym zachowuje swoją aktualność.”

Wprowadzenie.

Proces pompowania mieszanin ciał stałych z cieczą występuje powszechnie w przemyśle, a w szczególności w takich branżach jak:

• górnictwo węgla kamiennego,
• górnictwo rud metali,
• energetyka,
• hutnictwo,
• przemysł cementowo-wapienny,
• przemysł kruszyw budowlanych,
• cukrownictwo.

Pompowanie mieszanin ciał stałych i cieczy posiada swoją specyfikę i pod wieloma wzglę­dami różni się od procesu pompowania cieczy jednorodnych np. wody czystej. Istotnym pro­blemem jest różnorodność mieszanin pod względem ich cech, w tym sposobu oddziały­wania na instalację pompową. W zależności od rodzaju ciała stałego, jego granulacji (składu granulometrycznego), koncentracji, kształtu i wiel­kości ziaren, pompowana mieszanina może mieć różne własności erozyjne, różną gęstość oraz lepkość.

Zestaw tych cech ma istotne znaczenie dla doboru elementów instalacji pompowej oraz materiałów konstrukcyjnych. Pompie, jako naj­ważniejszemu urządzeniu w procesie pom­powania mieszanin ciał stałych i cieczy, stawia­ne są szczególnie wysokie wymagania eksplo­atacyjne. Podstawowym kryterium dotyczącym pomp jest ich jak najwyższa trwałość oraz jak najdłuższy okres bezawaryjnej pracy (tzw. pew­ność ruchowa). Drugim w kolejności kryterium decydującym o doborze pompy jest sprawność energetyczna. Zakup stosunkowo szybko zuży­wających się elementów układu przepływowego oraz stosunkowo częste naprawy i remonty są podstawową pozycją kosztów przy eksploatacji tego typu pomp. Z tego względu kryterium trwałości i bezawaryjnej pracy ma największy wpływ na konstrukcję, parametry pompy i sto­sowane materiały.

Cechy konstrukcyjne pomp szlamowych.

Dla uzyskania wysokiej żywotności w skrajnie trudnych warunkach pracy nie wystarczy za­stosowanie bardziej odpornych tworzyw, przy zachowaniu konstrukcji pompy przeznaczonej do cieczy czystych.

Pompy do mieszanin ciał stałych i cieczy, określane jako pompy szlamowe, charakteryzują się pewnymi specyficznymi cechami konstruk­cyjnymi. Najczęściej są to pompy stacjonarne, odśrodkowe, jednostopniowe.

W przeszłości dla uzyskania wyższych wyso­kości podnoszenia prowadzono próby z zastoso­waniem pomp wielostopniowych. W przypadku pompowania szlamów pompy wielostopniowe wykazują jednak istotne mankamenty eksplo­atacyjne. Trwałość uszczelnień międzystopniowych oraz kierownic, narażonych na od­działywanie ciał stałych wypływających z dużą prędkością z wirnika, okazuje się niezadowalająca. Występują także problemy z blokowaniem układu przepływowego, ze względu na mniejsze przekroje występujące w pompach wielostop­niowych. Ponadto demontaż i remonty pomp wielostopniowych są bardziej skomplikowane i kosztowne. Z tych powodów, jeżeli zachodzi potrzeba uzyskania znacznych wysokości pod­noszenia, przy pompowaniu szlamów w praktyce korzystniejsze jest szeregowe łączenie pomp jednostopniowych.

Większość pomp szlamowych jest przysto­sowana do pracy z wysokim napływem i pod wysokim ciśnieniem wewnętrznym. Pompy szlamowe posiadają zazwyczaj niskie wyróżniki szybkobieżności z uwagi na stosowane niskie prędkości obrotowe. W pompach tych stosuje się wirniki specjalnej konstrukcji o dużych prze­krojach kanałów międzyłopatkowych, umożli­wiające pompowanie mieszanin, w których występują ziarna o większych wymiarach.

Rysunek 2. Pompa typu PH.

Rysunek 1. Pompa typu HC.

Tarcze oraz łopatki wirników posiadają znaczne grubości decydujące o trwałości. W celu umożliwienia pompowania mieszanin zawiera­jących ziarna o dużych wymiarach stosuje się także wirniki jednostronnie otwarte lub wirniki oswobodnym przepływie.

Wirniki łopatkowe posiadają zazwyczaj małą liczbę łopatek, najczęściej od l-5. Wirniki uszczelniane są szczeliną czołową, regulowaną przez przesuw całego zespołu łożyskowego wraz z wirnikiem. Pozostałe elementy układu przepływowego pomp szlamowych tj. kadłub, króciec i ścianki ochronne posiadają zwiększone grubości, uwzględniające naddatki na zużycie oraz zwiększone ciśnienie panujące w kadłubie pompy, ze względu na możliwość pracy z na­pływem. Często do pompowania szlamów stosuje się specjalnej konstrukcji pompy zatapialne. Jest to uzasadnione w przypadkach gdy ze względów lokalizacyjnych nie można stworzyć pompie stacjonarnej warunków do pracy z napływem, co jest konieczne przy pompowaniu mieszanin o gęstości powyżej 1100 kg/m³. Układ przepływowy tych pomp ma podob­ną konstrukcję jak w pompach stacjonarnych i wykonany jest z podobnych materiałów.

Materiały konstrukcyjne stosowane w pompach szlamowych.

Przy pompowaniu cieczy czystych, nawet agre­sywnych chemicznie, na powierzchniach ukła­du przepływowego wytwarza się warstwa pasywacyjna, powstrzymująca dalszą korozję. Przy pompowaniu szlamów, na skutek erozji warstwa ochronna jest bezustannie usuwana i materiały konstrukcyjne są stale narażone na oddziaływanie korozyjne przepływającego me­dium. Łączne oddziaływanie korozji i erozji stawia wysokie wymagania przed tworzywami, z których wykonuje się układy przepływowe pomp szlamowych. Stosuje się specjalne mate­riały, najczęściej wysokostopowe staliwa lub żeliwa, poddawane odpowiedniej obróbce ciepl­nej, która zapewnia uzyskiwanie twardości w zakresie 50-65 HRC, oraz wymaganej struk­tury materiału.

Niektóre tworzywa niemetaliczne np. guma lub poliuretan łączą wysoką odporność na ście­ranie z dobrymi własnościami antykorozyjnymi. Ich słabą stroną jest jednak niewielka wy­trzymałość mechaniczna oraz podatność na uszkodzenie przez ciała o większych wymiarach i ostrych kształtach. Ogranicza to ich zakres stosowania do szlamów o niewielkiej granulacji i pomp o umiarkowanej wysokości podnoszenia. W większości pomp szlamowych tworzywa specjalne stosuje się na wirniki oraz wymienne wykładziny umieszczone w dodatkowym, ze­wnętrznym kadłubie. Upraszcza to remonty, a także uwalnia materiały narażone na erozję od naprężeń pochodzących od ciśnienia we­wnętrznego, które przenoszone są przez kadłub.

Uwarunkowania związane z doborem pomp szlamowych.

Przy doborze pomp szlamowych należy stoso­wać zasady inne niż przy doborze pomp do cieczy czystej.

Żywotność pomp szlamowych maleje szyb­ko ze wzrostem prędkości obrotowej, nie należy więc dążyć do stosowania bezpośredniego na­pędu z prędkością synchroniczną silnika elek­trycznego, co jest powszechną praktyką przy pompowaniu cieczy czystych. Dla pomp szla­mowych wymagany jest precyzyjny dobór pręd­kości obrotowej.

Wówczas, gdy występuje zmienność para­metrów w czasie korzystne jest stosowanie na­pędów o zmiennej prędkości obrotowej, nato­miast dla stałych parametrów pracy optymalne dopasowanie pompy do układu można osią­gnąć przez zastosowanie odpowiedniej prze­kładni pasowej i wykonanie wirnika o właściwej średnicy.

Naturalną tendencją użytkowników jest stosowanie pojedynczych pomp nawet dla du­żych wysokości podnoszenia, co wymaga sto­sowania wysokich prędkości obrotowych. Tym­czasem przy pompowaniu szlamów często bardziej ekonomiczne jest łączenie pomp w sze­reg, gdyż pomimo zwiększonych nakładów inwestycyjnych osiąga się w ten sposób oszczęd­ności dzięki dłuższym okresom między remontowym.

Charakterystyki pomp szlamowych, poda­wane przez producentów, sporządzane są za­zwyczaj dla wody czystej. Parametry pompy przetłaczającej szlam są zwykle obniżone w sto­sunku do pracy na wodzie czystej. Nie istnieją uniwersalne sposoby przeliczania charakterystyk z wody czystej na szlamy. Poszczególni pro­ducenci pomp szlamowych posługują się w tym celu własnymi metodami, które dla nietypowych mieszanin mogą dostarczać niepewne wyniki.

Dodatkowym problemem jest trudność w określeniu wymaganej wysokości podnosze­nia, gdyż użytkownicy i projektanci nie zawsze są w stanie przewidzieć, jakie będą opory prze­pływu w instalacji, co wynika z faktu, iż własno­ści reologiczne niektórych szlamów są trudne do przewidzenia. Należy pamiętać, że przy spadku prędkości przepływu poniżej pewnej wartości następuje osadzanie cząstek stałych i blokowanie rurociągu.

Biorąc pod uwagę ograniczoną dokładność prowadzonych analiz wskazane jest wyposażenie użytkownika w pewne możliwości regulowania parametrów instalowanych pomp. Często wy­starczająca okazuje się zabudowa w agregacie pompowym przekładni pasowej, która umożli­wia poprzez zmianę przełożenia (np. wymianę koła pasowego) regulację prędkości obrotowej pompy dla uzyskania wymaganych parametrów. Wspomniane komplikacje przy doborze pompy do szlamów wymuszają ścisłą współ­pracę projektanta, użytkownika i producenta pompy przy określaniu wszystkich danych do­tyczących pompowanej mieszaniny, instalacji pompowej, doboru pompy i napędu Pompy szlamowe produkowane przez POWEN S.A.

Wiodącym producentem i dostawcą na krajo­wym rynku pomp szlamowych jest POWEN S.A., działająca dawniej pod nazwą Zabrzańska Fabryka Maszyn Górniczych POWEN. Firma posiada kilkadziesiąt lat doświadczeń w kon­strukcji pomp szlamowych, w doborze odpo­wiednich tworzyw konstrukcyjnych oraz w dobo­rze pomp do układów hydrotransportu. Przez ostatnie dziesięciolecia produkowane przez POWEN pompy typoszeregów: KA, PŁP, PŁK, PŁS, PC, OŁ, PG, PŻ i PH zaspokajały zdecy­dowaną większość potrzeb polskiej gospodarki w zakresie pompowania szlamów.

Wieloletnie doświadczenia pozwoliły na opracowanie prostej i pewnej ruchowo kon­strukcji pomp PH, wyposażonych w elementy układu przepływowego wykonane ze specjal­nych staliw stopowych, gwarantujących ich długą żywotność. Produkowane w podstawo­wych typowielkościach: PH-65, PH-80, PH- 100, PH-150, PH-200, PH-250, PH-300 pompy te doczekały się licznych wersji i odmian kon­strukcyjnych.

Wysiłki producenta kierowane były na roz­szerzenie pola pracy pomp typoszeregu. Efektem była pompa PH-100W (Qn=100 m³/h, Hn =95 m), popularna szczególnie w hut­nictwie.

Innym kierunkiem prac było zwiększenie przekrojów kanałów przepływowych. Efektem były pompy z wirnikami o swobodnym prze­pływie typu PH-100S. PH-150S oraz pompa typu PH-250M ze specjalnym wirnikiem ło­patkowym.

Na bazie układu przepływowego pompy PH-150 powstała pompa wałowa, pionowa typu PHP-150. Pompy PH dostosowano do pompowania cieczy o podwyższonej temperatu­rze w wyniku czego powstał typoszereg pomp PH-G. Duża popularność pomp PH u użyt­kowników i ciągle aktualne zainteresowanie tymi pompami są podstawą kontynuacji ich produkcji przez POWEN S.A.

W ostatnich latach prowadzone były prace nad nowym typoszeregiem pomp szlamowych. W ramach projektu celowego finansowanego przez KBN przy współpracy z Głównym Insty­tutem Górnictwa w Katowicach i Politechniką Śląską w Gliwicach opracowana została kon­strukcja typoszeregu pomp HC.

W opracowaniu konstrukcji tych pomp wzięto pod uwagę konieczność doskonalenia niektórych węzłów pod kątem wymagań eks­ploatacyjnych użytkowników. Skonstruowano nowy zespół łożyskowy rezygnując z chłodzenia wodnego, wprowadzono filtr oleju. Zastosowano specjalnej konstrukcji zespół redukcji naprężeń między wałem a wirnikiem, ułatwiający demon­taż. Wprowadzono konstrukcję układu prze­pływowego, umożliwiającą różne położenia króćca tłocznego. Zastosowano nowe, trwalsze tworzywo konstrukcyjne na elementy układu przepływowego.

Dzięki temu pompy HC stanowią obecnie atrakcyjną ofertę rynkową POWEN S.A., z po­wodzeniem konkurującą z ofertami firm zagra­nicznych.

Kolejnym osiągnięciem POWEN S.A. w za­kresie pomp szlamowych jest opracowanie i wprowadzenie do produkcji zatapialnej pom­py szlamowej typu P-370. Zastosowana do pompowania mieszaniny wody i żużla w jednej z elektrociepłowni z powodzeniem konkurowała z innymi tego typu pompami zagranicznymi pod kątem uzyskiwanych trwałości elementów układu przepływowego.

Podsumowanie.

Artykuł omawia problematykę doboru i eks­ploatacji pomp szlamowych. Zasygnalizowane zostały podstawowe pro­blemy, z którymi stykają się użytkownicy i współ­pracujący z nimi dostawcy oraz projektanci. Na przykładzie głównego producenta pomp szlamowych w Polsce, jakim jest POWEN S.A., omówiono zadania jakim musi sprostać produ­cent, aby dostarczać nowoczesne pompy szla­mowe, spełniające wymagania użytkownika. Zwrócono uwagę na celowość współpracy użytkownika i projektanta z producentem pomp. POWEN S.A. jako producent pomp szla­mowych z wieloletnią tradycją i bogatymi do­świadczeniami zaprasza do takiej współpracy wszystkich zainteresowanych.

mgr inż. Marek Coghen

Artykuł został opublikowany w numerze 6 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.

Komentarz autora po 15 latach:

„Przedstawione w artykule podstawowe zagadnienia dotyczące pompowania mieszanin cieczy i cząstek ciała stałego w dalszym ciągu pozostają aktualne. Produkty opisane 15 lat temu, produkowane wtedy przez POWEN S.A., są obecnie produkowane przez spółkę – Grupę Powen-Wafapomp SA. Oferta dotycząca pomp szlamowych została rozszerzona m.in. o typoszereg pomp MF z wykładzinami gumowymi, pompy typu HRC do instalowania na pogłębiarkach ssących, typoszereg pomp zatapialnych HZ. W Grupie Powen-Wafapomp SA kontynuowane są prace nad kolejnymi rozwiązaniami pomp, dostosowanymi do wzrastających wymagań użytkowników.”

---

Streszczenie.

Bloki energetyczne pracują obecnie w szerokim zakresie zmienności obciążenia co przekłada się na szeroki zakres regulacji wydajności pomp, szczególnie zasilających i kondensatu. Z tego powodu istotną sprawą jest wybór właściwej metody regulacji, która przede wszystkim powinna zapewnić wysoką sprawność energetyczną. Metoda regulacji ma jednak wpływ również na poziom drgań. Nominalna prędkość obrotowa pomp jest na etapie konstruowania dobierana tak aby wypadała z dala od prędkości krytycznych. W trakcie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej występuje jednak zagrożenie wejścia w rezonans. Ponadto, jeśli pompa współpracuje z układem o płaskiej charakterystyce, co jest typowe dla pomp zasilających i kondensatu, to zmniejszanie wydajności przy jednoczesnym utrzymywaniu ciśnienia tłoczenia powoduje wyjście pompy z optymalnego zakresu pracy. Powoduje to wewnętrzne przepływy recyrkulacyjne będące dodatkowym źródłem wymuszenia drgań o częstotliwościach innych niż obrotowa i łopatkowa.
W referacie omówiono powyższe zjawiska oraz metody ograniczania wzrostu poziomu drgań.

1. Wprowadzenie.

Podwyższony poziom drgań zespołu pompowego prowadzi do skrócenia jego żywotności, a w przypadku przenoszenia się drgań za pośrednictwem rurociągów na sąsiednie elementy, zwiększa również ryzyko ich uszkodzenia. Należy zatem monitorować stan dynamiczny zespołów pompowych, a w przypadku stwierdzenia podwyższonego poziomu drgań ustalić i usunąć przyczyny tego zjawiska.

Powszechnie znane są źródła wymuszeń drgań zespołów pompowych o charakterze mechanicznym takie jak brak osiowości pompy i silnika czy niewyważenie elementów wirujących. Dają one objawy w postaci drgań o częstotliwości obrotowej lub jej wielokrotności i są stosunkowo proste do zdiagnozowania oraz wyeliminowania.

Występują również wymuszenia o charakterze hydraulicznym mające źródło w przepływach recyrkulacyjnych i zawirowaniach jakie pojawiają się w pompie przy pracy z wydajnością odbiegającą od nominalnej. Zjawisko to nabiera szczególnego znaczenia w sytuacji gdy bloki energetyczne pracują w znacznym zakresie zmiany obciążeń sięgającym 50-100% mocy maksymalnej. Obniżenie parametrów bloku przekłada się na zmianę wydajności pomp co prowadzi do ich pracy poza optymalnych zakresem.

Przy wyborze metody regulacji parametrów pomp należy kierować się nie tylko minimalizacją zużycia energii lecz również ograniczeniem poziomu drgań. Oba aspekty są ze sobą powiązane, gdyż drgania wymuszane przez wewnętrzne zawirowania w pompie stanowią mechanizm dyssypacji energii hydraulicznej.

2.  Zagrożenie rezonansem przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej.

Niebezpieczny wzrost poziomu drgań następuje jeśli pompa pracuje z prędkością obrotową zbliżoną do prędkości krytycznej. Aby tego uniknąć pompy są zazwyczaj tak konstruowane aby prędkość nominalna była oddalona od krytycznej. Najczęściej pierwsza prędkość krytyczna jest co najmniej o 20% wyższa od nominalnej. W przypadku pomp o wysokiej nominalnej prędkości obrotowej (powyżej 3000 obr/min) niekiedy pierwsza prędkość krytyczna leży poniżej nominalnej. Są to tzw. „pompy nadkrytyczne”. W ich przypadku w trakcie rozruchu pompa przechodzi przez rezonans, a następnie po osiągnięciu prędkości nominalnej drgania się stabilizują.

Przy pracy ze stałą, nominalną prędkością obrotową nie występuję zatem ryzyko rezonansu wynikającego z pracy w pobliżu prędkości krytycznej. Ryzyka tego nie można natomiast wykluczyć w przypadku regulacji przez zmianę prędkości obrotowej. Przede wszystkim, w przypadku „pomp nadkrytycznych” może nastąpić rezonans w wyniku utrafienia w pierwszą prędkość krytyczną. Niebezpieczeństwo takie zachodzi jednak również dla pomp, dla których pierwsza prędkość krytyczna leży powyżej nominalnej. Rezonans wystąpić może bowiem nie tylko w przypadku pracy pompy z prędkością zbliżoną do krytycznej lecz również z prędkością zbliżoną do jej połowy. Jeśli, jak ma to najczęściej miejsce, pierwsza prędkość krytyczna znajduje się w zakresie 1.2 – 1.4 prędkości nominalnej to obniżenie prędkości do poziomu 0.6 – 0.7 nominalnej w wyniku regulacji doprowadzi do rezonansu. Zjawisko takie w praktyce najczęściej nie zagraża pompom zasilającym ani pompom kondensatu w blokach energetycznych, gdyż pracują one w układach o płaskiej charakterystyce (tzn. ciśnienie tłoczenia zmienia się w stosunkowo nieznacznym stopniu ze zmianą wydajności), a to powoduje, że zakres zmian prędkości obrotowej jest wąski, sięgający w dół nie dalej jak do 80% prędkości nominalnej. Zjawisko rezonansu spowodowanego pokryciem się prędkości pracy z połową prędkości krytycznej jest natomiast wysoce prawdopodobne lub wręcz nieuniknione dla pomp o głębokiej regulacji, gdzie zmiana prędkości obrotowej sięga w dół do 50% prędkości nominalnej. Jest ono szczególnie groźne dla długich pomp pionowych, z natury rzeczy bardziej podatnych na drgania.

Jeśli pompa, ze względu na szeroki zakres regulacji parametrów, ma pracować z napędem o częstotliwości zmieniającej się w zakresie kilkudziesięciu procent to natrafienie na którąś z częstotliwości rezonansowych jest w zasadzie nieuniknione. Dobierając pompę należy jednak zapewnić aby częstotliwość napędu, przy której pompa będzie pracować najczęściej nie była zbliżona do częstotliwości rezonansowej. Niestety, w praktyce wymóg ten jest często lekceważony. Wykorzystując fakt, że napęd o zmiennej prędkości obrotowej stwarza możliwość łatwej zmiany parametrów pompy pomija się wymagane analizy licząc na to, że parametry „ wyreguluje się na falowniku”. Jeśli pompa występujące najczęściej parametry osiąga przy rezonansowej częstotliwości napędu istnieje możliwość jej odstrojenia poprzez zmianę średnicy wirnika. Po redukcji wirnika pompa dla osiągnięcia określonych parametrów wymaga wyższej prędkości obrotowej, co pozwala na oddalenie się od częstotliwości rezonansowej.

3. Drgania powodowane wymuszeniami o charakterze hydraulicznym.

Oprócz wymuszeń o charakterze mechanicznym związanych z wirowaniem w pompach występują też wymuszenia pochodzące od przepływu cieczy. Ich źródłem są zawirowania powstające gdy wydajność pompy różni się od nominalnej. Kąty łopatkowe występujące w układzie przepływowym zaprojektowane są tak, aby przy wydajności nominalnej napływ na łopatki wirnika lub kierownicy odbywał się bezuderzeniowo. Natomiast gdy pompa pracuje z wydajnością różną od nominalnej kierunek napływu cieczy nie zgadza się z kątem łopatkowym i w przepływie pojawiają się zawirowania. (rys.1) Przy znacznej różnicy pomiędzy aktualną a nominalną wydajnością w obszarze dolotowym i wylotowym pompy pojawiają się przepływy recyrkulacyjne w postaci wirów o większej skali, które stanowią źródło drgań o niskich częstotliwościach. W sumie zawirowania te powodują pojawienie się drgań o różnych częstotliwościach (szumów), na ogół poniżej częstotliwości łopatkowej.

Innym czynnikiem wymuszającym drgania giętne wału pompy jest tzw. napór osiowy wynikający z nierównomiernego rozkładu ciśnień wokół wirnika w pompach ze spiralą, który występuje przy wydajnościach znacznie różniących się od nominalnej.

Rys.1. Zawirowanie przy wlocie na łopatkę.

Powszechnie przyjmuje się, że dopuszczalny zakres pracy pompy (rys.2) znajduje się od 0.8 do 1.1 wydajności nominalnej. W tym zakresie poziom drgań jest najniższy, natomiast przy wydajnościach niższych lub wyższych drgania wykazują wzrost na skutek wyżej opisanych wymuszeń hydraulicznych.

Rys. 2 Zależność poziomu drgań od wydajności.

Przy szerokiej regulacji przez dławienie lub przez upust pompa pracuje często poza zalecanym zakresem charakterystyki i przy zwiększonym poziomie drgań.
Stosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej nie zawsze zapobiega temu zjawisku. Dla każdej prędkości obrotowej pompa posiada charakterystykę, na której występuje podobny dopuszczalny zakres pracy. W rezultacie na zbiorczym wykresie dla różnych prędkości obrotowych dopuszczalny zakres pracy, w którym drgania są na niskim poziomie wygląda jak na rys. 3.

Rys. 3. Dopuszczalny zakres pracy dla zmiennej prędkości obrotowej.

Jeśli regulacja odbywa się w układzie o płaskiej charakterystyce, to zmiana wydajności odbywa się przy niewielkiej zmianie ciśnienia (wysokości podnoszenia) co pokazano strzałką na rys. 3. W takim przypadku pompa wychodzi z zalecanego zakresu pracy, co skutkuje wzrostem drgań. Sytuacja taka ma miejsce dla pomp zasilających i kondensatu, które pracują w układach o płaskiej charakterystyce, a przy obecnym sposobie eksploatacji bloków energetycznych ich wydajność jest często ograniczana do poziomu 50 % nominalnej. Zjawisko to jest nieuniknione dla pomp 100 %, które przy redukcji wydajności wchodzą w niekorzystny zakres pracy. Da się tego uniknąć stosując większą liczbę pomp pracujących równolegle (np. 2 x 50%, 3 x 33%). W układzie 2 x 50% przy znacznym spadku wydajności można wyłączyć jedną pompę w wyniku czego pompa pozostała w ruchu pracuje w korzystnym zakresie. Zatem w blokach przeznaczonych do pracy w szerokim zakresie regulacji mocy korzystniejsze od 100 % pomp zasilających i kondensatu jest stosowanie większej liczby pomp pracujących równolegle zarówno pod względem energetycznym jak i pod kątem poziomu drgań.

W wypadku pomp pracujących równolegle jeśli stosowana jest regulacja przez zmianę prędkości obrotowej to powinna być ona zastosowana do wszystkich pomp. Stosowany ze względów oszczędnościowych układ, w którym tylko jedna z pomp pracujących równolegle posiada regulowaną prędkość obrotową jest niekorzystny, gdyż pompa ta przy znacznym zmniejszeniu prędkości obrotowej zaczyna pracować przy zbyt niskiej wydajności i w niekorzystnym zakresie co prowadzi do silnego wzrostu drgań.

4. Pompy regulowane przez zmianę kąta łopatek wirnika.

W pompach, w których regulacja parametrów odbywa się przez zmianę kąta ustawienia łopatek wirnika występują problemy technologiczne z właściwym wyważeniem wirnika, co może prowadzić do wzrostu drgań o częstotliwości obrotowej. Wirniki wykonywane w technologii odlewniczej posiadają błędy kształtu powstające na skutek skurczu w trakcie krzepnięcia metalu w formie i wynikającą z tego niewywagę. Powszechnie stosowana metoda wyważania dynamicznego polega na odejmowaniu części materiału (np. przez frezowanie) w ustalonym miejscu. Zabieg taki jest jednak skuteczny tylko przy określonym położeniu łopatek. Jeśli następnie nastąpi zmiana kąta ich ustawienia to wyważenie przy poprzednim położeniu przestaje być skuteczne. Aby uniknąć tego zjawiska należy stosować łopatki o bardzo ograniczonych błędach kształtu, co jest trudne do uzyskania dla odlewów. Łopatki powinny zatem podlegać obróbce mechanicznej.

Zwiększeniu poziomu drgań sprzyjają też zwiększone luzy w mechanizmie nastawy łopatek, jakie mogą wystąpić po pewnym okresie eksploatacji.

5. Podsumowanie.

• Stosowana metoda regulacji parametrów ma wpływ nie tylko na pobór energii ale również na poziom drgań pomp, a tym samym na ich żywotność.

• Przy szerokim zakresie regulacji prędkości obrotowej zachodzi ryzyko rezonansu. Zagrożenie to powinno być analizowane na etapie doboru pompy.

• Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej w układach o płaskiej charakterystyce (jak dla pomp zasilających i pomp kondensatu) prowadzi do wyjścia pompy z zalecanego zakresu pracy. Z tego względu korzystny jest podział wymaganej wydajności na kilka pomp pracujących równolegle.

dr inż. Grzegorz Pakuła

1. Wprowadzenie.

Zastosowanie na szeroką skalę regulacji przez zmianę prędkości obrotowej stanowiło swego rodzaju rewolucję w technice pompowej i umożliwiło uzyskanie znacznych oszczędności energetycznych. W porównaniu z regulacją przez dławienie regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest zawsze korzystniejsza energetycznie co wynika z samej zasady działania gdyż w przypadku dławienia pompa najpierw przekazuje energię do cieczy, a następnie energia ta jest tracona na zaworze dławiącym, natomiast w przypadku regulacji przez prędkość obrotową następuje redukcja ilości energii przekazywanej do cieczy. Pytanie nie brzmi zatem „czy regulacja przez prędkość obrotową przyniesie oszczędności” tylko „po jakim okresie nakłady na zastosowanie takiej regulacji się zwrócą?” Przez długi okres barierę wobec stosowania regulacji przez prędkość obrotową stanowił koszt przetwornic częstotliwości (tzw. falowników). W miarę wzrostu skali produkcji koszt ten stopniowo ulegał zmianie i obecnie falowniki weszły do powszechnego użycia, stając się niemal standardowym składnikiem zespołu pompowego. Niestety, temu korzystnemu zjawisku towarzyszy niebezpieczny trend polegający na tym, że dysponując możliwością regulacji parametrów zaniedbuje się zasady prawidłowego doboru pomp („bo się wyreguluje na falowniku”) co ogranicza potencjalne oszczędności energii.

W intencji autora poniższe uwagi mają na celu ułatwienie optymalizacji stosowania przemienników częstotliwości oraz uniknięcie często popełnianych błędów.

Zagadnienie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej zostało szeroko omówione w [1], a uwagi zawarte w niniejszym tekście stanowią próbę uzupełnienia wiedzy przekazanej w [1] o przykłady praktyczne.

2. Ograniczenia „ruchowe”.

Zastosowanie napędu ze zmienną prędkością obrotową może powodować pewne problemy w eksploatacji. Silniki starszych typów nie były na ogół przystosowane do zasilania przez falownik. Problemy związane były głównie z chłodzeniem, gdyż zmiana zasilania z typowego sinusoidalnego prądu zmiennego na impulsy generowane przez falownik powoduje zwiększenie wydzielania ciepła w uzwojeniach, a jednocześnie wraz z prędkością obrotową spada skuteczność wentylatora chłodzącego silnik. Silniki obecnie produkowane są na ogół przystosowane do współpracy z falownikami, lecz w każdym przypadku wskazane jest skonsultowanie tego z producentem.

W przypadku pomp najpoważniejszym problemem jest możliwość wystąpienia rezonansu przy niektórych prędkościach obrotowych. Pompy tradycyjnie projektowane były na określoną, nominalną prędkość obrotową tak, aby prędkość krytyczna, przy której następuje wzrost drgań nie pokrywała się z prędkością nominalną wypadając najczęściej powyżej niej. Przy zmianie prędkości obrotowej w szerokim zakresie istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że prędkość obrotowa pokryje się z podzielnikiem prędkości krytycznej (np. połową prędkości krytycznej) co prowadzi do wzrostu drgań. W przypadku gdy prędkość obrotowa zmienia się w bardzo szerokim zakresie jest to zjawisko trudne do uniknięcia. Należy jednak w porozumieniu z producentem pompy ustalić w jakim zakresie prędkości obrotowych można się   go spodziewać i tak dobierać pompę, aby w tym zakresie nie pracowała.

Przy znacznym obniżeniu prędkości obrotowej może nastąpić obniżenie nośności łożysk ślizgowych. Problemów przy obniżaniu prędkości obrotowej można się spodziewać również w przypadku gdy stosuje się złożone systemy uszczelnień mechanicznych, w których przepływ cieczy chłodzącej wymuszany jest przez wirujące elementy. Nie są to zjawiska spotykane często w praktyce ale dobierając zakres regulacji należy mieć na uwadze możliwość ich wystąpienia.

3. Charakterystyki pomp wirowych regulowanych przez zmianę prędkości obrotowej i możliwe do uzyskania korzyści energetyczne.

W [1] i [2] opisano jak zmieniają się parametry pomp wirowych ze zmianą prędkości obrotowej.

Jeśli znana jest charakterystyka podstawowa H(Q) przy prędkości nominalnej to   charakterystyki dla innych prędkości można wyznaczyć przeliczając punkt po punkcie wg wzorów:

Q₂ = Q₁ n₂ / n₁,

H₂ = H₁ (n₂ / n₁)²,

gdzie indeksem 1 oznaczono parametry przy prędkości n₁, a indeksem 2 parametry przy prędkości n₂.

W ten sposób, znając parametry Q₁ i H₁ w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n₁ można obliczyć parametry Q₂ i H₂ w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n₂. Można przyjąć, że sprawność w obu punktach jest taka sama, a zatem linie stałej sprawności są parabolami. Założenie o stałości sprawności przestaje obowiązywać przy zbyt niskich prędkościach obrotowych, przy których pompy wirowe przestają działać prawidłowo, ze względu na to, że stosunek siły odśrodkowej do sił wynikających z lepkości przyjmuje zbyt niskie wartości.

Wyznaczając charakterystyki przy różnych prędkościach w opisany sposób uzyskujemy tzw. wykres muszlowy jak na rys.1. Oczywiście, charakterystyki przy różnych prędkościach obrotowych można też wyznaczyć na drodze pomiarowej, jednak uzyskane wyniki są na ogół zbliżone do wyznaczonych teoretycznie. Zasadnicza różnica jakościowa polega na tym, że zgodnie z teorią parabole stałej sprawności biegną aż do początku układu współrzędnych jak na rys.1, a w praktyce jak wspomniano poniżej pewnej prędkości obrotowej sprawność spada.

Rys. 1. Wysokość podnoszenia i sprawność pompy przy zmianie prędkości obrotowej.  

Patrząc formalnie na wykres jak na rys.1 można dojść do wniosku, że stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej można uzyskać każdy wymagany punkt pracy o parametrach Q i H. Stąd już blisko do kolejnego, niebezpiecznego wniosku, że w przypadku zastosowania falownika nie ma potrzeby przestrzegać zasad doboru pomp. Jest to wniosek błędny gdyż dopuszczalne pole pracy pompy przy zmiennej prędkości obrotowej jest ograniczone (rys.2).

Od dołu ograniczenie wynika z tego, że jak wspomniano, poniżej pewnej prędkości obrotowej następuje pogorszenie sprawności i wobec tego nie należy schodzić poniżej określonej nmin. Z kolei od góry ograniczenie wynika głównie z powodów wytrzymałościowych. Należy pamiętać, że ciśnienie wytwarzane przez pompę, a także moment skręcający wału rosną z kwadratem prędkości obrotowej. Współczesne falowniki na ogół są zdolne do zwiększania częstotliwości od 50 do 60 Hz, co oznacza zwiększenie prędkości obrotowej o 20%, a zatem wzrost ciśnienia i momentu skręcającego wału w stosunku około 1.22 = 1.44. Jest to wartość znajdująca się na ogół na granicy rezerw konstrukcyjnych pompy, dlatego dalsze zwiększanie prędkości obrotowej byłoby groźne. Oczywiście w każdym przypadku najbezpieczniej jest ustalić z producentem maksymalną, dopuszczalną prędkość obrotową pompy.

Rys. 2. Zalecany zakres pracy pompy przy zmianie prędkości obrotowej. 

Dla stałej prędkości obrotowej zazwyczaj przyjmuje się, że zalecany zakres pracy zawiera się w zakresie wydajności od 80 do 110% wydajności optymalnej. Poza tym zakresem nie tylko spada sprawność ale występują również niekorzystne efekty ruchowe jak wzrost drgań i hałasu. Podobny zakres zalecanej pracy obowiązuje w przypadku każdej charakterystyki dla poszczególnych prędkości obrotowych. W rezultacie zalecane pole pracy zawiera się wewnątrz obszaru zaznaczonego na rys.2 linią kropkową.

Ze względu na sprawność optymalny zakres pracy jest jeszcze węższy. Pompa powinna pracować w pobliżu paraboli najwyższej sprawności ƞmax. Jest to możliwe jeśli charakterystyka układu ma zbliżony przebieg, co zachodzi w układach obiegowych z zerową wysokością statyczną. Tego rodzaju charakterystyki są typowe dla sieci ciepłowniczych, a zatem w takim zastosowaniu przetworniki częstotliwości mogą przynieść najwyższe oszczędności energetyczne.

Aby wstępnie ocenić jakie efekty regulacja przez prędkość obrotową da w określonym układzie pompowym wystarczy jego charakterystykę nanieść na wykres muszlowy danej pompy. Jak stwierdzono, w idealnym przypadku charakterystyka ta może przypadać w obszarze najwyższej sprawności co zachodzi dla układu obiegowego z zerową statyczną wysokością podnoszenia. Często mamy do czynienia z układami o płaskiej charakterystyce, gdzie dominuje statyczna wysokość podnoszenia, a straty odgrywają niewielką rolę. W takim przypadku charakterystyka układu jest w przybliżeniu pozioma, a w trakcie regulacji punkt pracy przemieszcza się na tle wykresu muszlowego tak jak pokazano na rys.2 strzałką od punktu nominalnego w kierunku punktu 1. Jak widać w takim przypadku punkt pracy wraz ze zmniejszaniem wydajności punkt pracy opuszcza najpierw optymalny, a w dalszej kolejności zalecany obszar pracy.

Typowe przykłady takich układów to m.in:

a) Układy wodociągowe, w których utrzymuje się stałe ciśnienie zasilania
b) Pompownie głównego odwadniania w głębokich kopalniach
c) Pompownie melioracyjne

W tego typu układach pompowych oszczędności energetyczne możliwe do uzyskania na skutek zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej są mniejsze niż w układach obiegowych. W takich przypadkach wskazane jest stosowanie kilku pomp pracujących równolegle. Zgrubna regulacja wydajności powinna się odbywać przez zmianę liczby pracujących pomp, a zmianę prędkości obrotowej należy wykorzystywać w celu precyzyjnego doregulowania wydajności pompowni do wymagań. Jak stwierdzono w [2] korzystniejsze jest regulowanie prędkości obrotowej wszystkich pomp, a nie tylko jednej.

Ogólnie można stwierdzić, że zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej przynosi w stosunku do regulacji dławieniowej efekty:
a) Tym większe im większy jest udział strat w całkowitej wysokości podnoszenia
b) Tym większe im szerszy jest zakres regulacji wydajności.

Dopuszczalny zakres pracy pompy z regulacją prędkości obrotowej, jak w każdym innym przypadku, zależy też od właściwości ssawnych. Należy zatem sprawdzić czy w każdym punkcie pracy wymagane NPSHr jest niższe od dostępnego NPSHa. Komplikacja polega na tym, że charakterystyki NPSHr są zazwyczaj znane dla nominalnej prędkości obrotowej. Nie są znane powszechnie uznane wzory, przy użyciu których można przeliczać wymagania co do NPSH przy zmieniających się obrotach. Od strony jakościowej wpływ obrotów na wymagane NPSH pokazano na rys.3. Zmniejszanie obrotów powoduje, że wartości wymaganego NPSH na ogół spadają, a zatem regulacja obrotów w dół z reguły poprawia zapas antykawitacyjny. Niebezpieczeństwo może polegać na tym, że ze spadkiem obrotów zakres niskich wymagań wobec NPSHr przesuwa się w kierunku niższych wydajności. Jeśli regulacja przez zmianę obrotów odbywa się zatem po linii w kierunku p.2 jak na rys. 2, czyli zmniejszanie obrotów prowadzi do zmniejszania wysokości podnoszenia przy stałej wydajności, to w takim przypadku właściwości ssawne pompy mogą się pogorszyć.

Rys. 3. Wpływ prędkości obrotowej na NPSHr. 

Ze względu na wspomniany brak uniwersalnych formuł pozwalających na przeliczanie charakterystyk NPSHr sprawdzenie warunków ssania przy zmiennej prędkości obrotowej powinno odbywać się we współpracy z producentem pompy.

4. Falownik nie powinien zastępować poprawnego doboru.

Możliwość zmiany parametrów pompy przy pomocy falownika nie powinna zastępować prawidłowego doboru. Dla przykładu, jeśli pompa zostanie dobrana na zbyt dużą wysokość podnoszenia i z tego powodu ma tendencje do pracy z nadmierną wydajnością, to przy zastosowaniu falownika można dostosować jej wysokość podnoszenia do wymaganej przy danej wydajności. Oznaczać to będzie jednak regulację po linii pokazanej na rys. 2 w kierunku p. 2, co spowoduje wyjście pompy z zalecanego zakresu.

Autor spotkał się z błędnymi zaleceniami projektanta układu ciepłowniczego, w którym przewidziano cztery pompy regulowane przy pomocy falowników. Projektant zalecał, aby w przypadku zmniejszenia wydajności dwie pompy wyłączać a dwie pozostałe regulować poprzez zmniejszanie obrotów. Jest to zalecenie błędne, gdyż jeśli założyć że cztery pompy są prawidłowo dobrane na maksymalną wydajność i odpowiadającą jej w ciepłowniczym układzie pompowym wysokość podnoszenia wynikającą z oporów przepływu w sieci to przy zmniejszaniu wydajności wymagana wysokość podnoszenia zmniejsza się wzdłuż paraboli. Wobec tego wskazane byłoby regulowanie wszystkich czterech pomp. Natomiast jeśli zmniejszoną wydajność chcielibyśmy uzyskać z dwu pomp to ich optymalna wysokość podnoszenia byłaby wyższa niż to wynika z charakterystyki układu i w rezultacie pompy pracowałyby jak w p. 2 na rys.2 poza optymalnym zakresem. Prawidłowa praktyka eksploatacyjna w takim przypadku powinna polegać na równomiernym zmniejszaniu wydajności wszystkich pomp.

W [3] opisano przypadek gdy falowniki zostały zastosowane w celu ograniczenia wydajności śmigłowych pomp w pompowni melioracyjnej, które zostały dobrane na nadmierną wydajność do tego stopnia, że przepływ wody odbywał się z tak wysoką prędkością, że uszkodzeniu erozyjnemu ulegały brzegi kanałów prowadzących do pompowni. Jest to przykład błędnego doboru, który był szczególnie kosztowny, gdyż najpierw zakupiono większe, a zatem droższe pompy, a następnie zastosowano falowniki po to aby wydajność ograniczyć.

5. Podsumowanie i wnioski.

Jak wynika z powyższego stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej należy się kierować poniższymi zasadami:

1. Na etapie doboru należy na „wykresie muszlowym” nanieść charakterystykę układu i sprawdzić, czy ten jej zakres, w którym najczęściej ma pracować pompa leży w jej zalecanym obszarze pracy. Poza tym zakresem pompa powinna pracować jedynie sporadycznie.

2. Najlepsze efekty energetyczne uzyskać można dla układów obiegowych, gdyż wtedy istnieje możliwość pracy wyłącznie w obszarze wysokich sprawności. Jeśli w układzie obiegowym wymaganą wydajność uzyskujemy nie z jednej lecz z kilku pomp pracujących równolegle, to przy zmniejszaniu wydajności nie należy żadnej z nich wyłączać, lecz zmniejszać równomiernie wydajność wszystkich pomp.

3. W układach o płaskich charakterystykach, (czyli o niewielkim udziale strat w stosunku do wysokości statycznej) regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest mniej efektywna. W takich sytuacjach korzystne jest stosowanie kilku pomp połączonych równolegle i zgrubne dostosowywanie wydajności do wymagań przez włączanie odpowiedniej liczby pomp. Poprzez zmianę prędkości obrotowej należy następnie precyzyjnie doregulować wydajność, przy czym najkorzystniej jest jeśli regulowane są wszystkie pracujące pompy, a nie tylko jedna.

4. Zmiana prędkości obrotowej nie powinna służyć jedynie korekcie błędu doboru (np. zmniejszenie wysokości podnoszenia i wydajności). W takich przypadkach mniejszych korekt można dokonywać przez zmianę średnicy wirnika, a w przypadku błędów poważnych wskazana jest wymiana pompy.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Literatura:
1. P. Świtalski, W. Jędral, Akademia techniki pompowej, Regulacja zmienoobrotowa, za i przeciw, Pompy Pompownie, nr 3/2012
2. G. Pakuła, Regulacja wydajności dwu pomp pracujących równolegle, Pompy Pompownie, nr 3/2011
3. M. Świderski, Regulacja wydajności pompy śmigłowej przez zmianę prędkości obrotowej. Pompy Pompownie, nr 4/2012