Oszczędność energii w układach pompowych w związku ze zmianą wymaganych parametrów.
1. WPROWADZENIE.
Wiele pompowni wodociągowych, szczególnie zaopatrujących w wodę duże miasta, budowanych w latach osiemdziesiątych XX w i wcześniejszych, zaprojektowanych jest na wydajności przekraczające znacznie obecne zapotrzebowanie. Między innymi na skutek tego pracują one nieefektywnie pod względem energetycznym.
Znaczące zmiany w sposobie eksploatacji dotyczą również bloków energetycznych budowanych w tamtym okresie. Początkowo bloki te pracowały głównie z pełnym obciążeniem, natomiast obecnie pracują często z ograniczoną mocą co powoduje, że istotny staje się efektywny pod względem energetycznym sposób regulacji parametrów pomp, a szczególnie pomp zasilających kotły, wykazujących największe pobory mocy.
Dostosowanie parametrów pompowni lub pojedynczych pomp dobieranych na inne parametry i warunki pracy niż wymagane obecnie stanowi poważne źródło potencjalnych oszczędności energii.
2. METODOLOGIA.
Można stwierdzić, że w każdym układzie pompowym zaprojektowanym i zrealizowanym jakiś czas temu można uzyskać oszczędności energetyczne podejmując określone działania, co wymaga jednak poniesienia pewnych nakładów inwestycyjnych. Uzyskanie jakichkolwiek oszczędności jest zadaniem stosunkowo prostym, natomiast wyzwaniem jest wybór optymalnej drogi modernizacji układu, która pozwoli uzyskać najkorzystniejsze wskaźniki techniczno-ekonomiczne, takie jak czas zwrotu nakładów lub wewnętrzna stopa zwrotu. Wymaga to specjalistyczne wiedzy o pompach i układach pompowych oraz przyjęcia określonej metodologii. Pomimo, że wskazówki dotyczące prawidłowego przygotowania modernizacji układu pompowego można znaleźć w literaturze m.in. [1,2], to w praktyce spotyka się przykłady działań nieprzemyślanych, w wyniku których znaczne zainwestowane nakłady nie przynoszą takich efektów, jakie dałoby się uzyskać pod warunkiem zastosowania bardziej odpowiednich rozwiązań.
Grupa Powen-Wafapomp SA jest producentem wielu pomp pracujących we wspomnianych układach pompowych wymagających obecnie modernizacji. Wykorzystując wiedzę na temat techniki pompowej oraz dokładne informacje techniczne o swoich produktach firma opracowała metodologię pozwalającą na optymalizację energetyczną układów pompowych. Pierwszym krokiem jest wstępny audyt mający na celu zgrubną ocenę stanu układu pod względem energetycznym oraz oszacowanie możliwych do uzyskania efektów. Do jego przeprowadzenia wystarczają na ogół istniejące na obiekcie przyrządy pomiarowe oraz wywiad z obsługą. W wyniku tego można zgrubnie oszacować jak sprawność zespołów pompowych ma się do poziomu oczekiwanego oraz ocenić czy warto w optymalizację układu inwestować dalsze środki, to znaczy czy istnieje potencjał do uzyskania korzystnych okresów zwrotu nakładów w przedsięwzięcia mające na celu uzyskanie oszczędności ilości energii do napędu pomp.
W przypadku gdy audyt wstępny wskazuje na celowość dalszych działań polegają one zazwyczaj na przeprowadzeniu dokładniejszych pomiarów, analizie ich wyników, która pozwala na zidentyfikowanie powodów obniżonej sprawności. Najczęstsze powody to pogorszony stan techniczny na skutek zużycia zespołów pompowych, nieprawidłowy dobór pomp do układu lub nieefektywna metoda regulacji parametrów. Dopiero sformułowanie takiej diagnozy pozwala na zaproponowanie właściwych kierunków modernizacji. Wskazane jest wytypowanie kilku alternatywnych sposobów modernizacji układu oraz przeprowadzenie dla nich obliczeń obejmujących oszacowanie możliwych do uzyskania efektów energetycznych dla każdego wariantu oraz wskaźników energetycznych (IRR, NPV) co pozwala na wybór optymalnego rozwiązania.
Warto w tym miejscu podkreślić, że modernizacja polegająca na wymianie zespołu pompowego na nowszy o wyższej sprawności bez przeprowadzenia uprzedniej analizy zazwyczaj przynosi pewne efekty energetyczne lecz nie zawsze jest sposobem optymalnym. Wynika to z tego, że wymiana całego zespołu pompowego wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych. Często nie bierze się pod uwagę, że zbliżony efekt można uzyskać przeprowadzając w sposób prawidłowy remont istniejącego zespołu pompowego co pozwala na uzyskanie sprawności energetycznej zbliżonej do wyjściowej. Niestety, remonty pomp w praktyce prowadzone są często pod kątem uzyskania tzw. sprawności ruchowej bez odtworzenia sprawności energetycznej. Ponadto, jeśli parametry nowego zespołu pompowego są nieprawidłowo określone (np. jako bezkrytyczne powielanie parametrów istniejącego poprzednio zespołu) to nowa pompa pomimo wysokiej sprawności w punkcie optymalnym osiągać może o wiele niższą sprawność w punkcie pracy, gdyż jest on oddalony od optymalnego.
Dobre efekty można w wielu przypadkach uzyskać dokonując dostosowania istniejących pomp do aktualnych potrzeb, co w znacznym stopniu ogranicza wymagane nakłady finansowe.
Poniżej omówiono kilka przykładów modernizacji układów pompowych zaplanowanych w oparciu o opisaną metodologię.
3. PRZYKŁADY MODERNIZACJI UKŁADÓW POMPOWYCH W CELU OGRANICZENIA ZUŻYCIA ENERGII.
3.1. Pompa wody uzdatnionej.
Analizowano pracę pompowni ulokowanej przy zakładzie uzdatnianie wody znajdującej się przy ujęciu brzegowym. Zadaniem pompowni jest przerzut wody uzdatnionej do zbiornika ulokowanego na wzgórzu, z którego zasilane jest grawitacyjnie kilkusettysięczne miasto. System ten projektowany był w latach siedemdziesiątych XX w. na wydajności rzędu kilkunastu tysięcy metrów sześciennych na godzinę. Geometryczna różnica wysokości pomiędzy pompownią a zbiornikiem wynosi około 72 m, a pompowanie odbywa się przez rurociąg o średnicy 1400 mm. W założeniach projektowych dla uzyskania wymaganej wydajności planowano pracę równoległą kilku pomp. Regulacja wydajności miała odbywać się przez włączenie i wyłączanie odpowiedniej liczby pomp. Obecnie, w związku ze spadkiem zapotrzebowania na wodę występują okresy, w których wystarczająca jest praca jednej pompy z wydajnością nieznacznie przekraczającą 1000 m3/h. Wyłączanie wszystkich pomp poza jedną było jednak niewystarczającym sposobem na ograniczenie wydajności z tego względu, iż pompy były dobierane do pracy równoległej i ich wysokość podnoszenia dobrano z uwzględnieniem strat przy przepływie przez rurociąg wynikającym z pracy kilku pomp. W rezultacie pompy dobrane były na 88 m wysokości podnoszenia. Przy pracy jednej pompy straty w rurociągu są o wiele niższe w wyniku czego pojedyncza pompa pracuje z wydajnością znacznie przewyższająca nominalną. Powoduje to nie tylko obniżenie sprawności, ale również przeciążenie silnika. W rezultacie konieczne było dławienie w celu ograniczenia przepływu i poboru mocy. Dokonano pomiarów parametrów pompy na stanowisku pracy, które wykazały, że pompa znajdująca się w eksploatacji od około trzydziestu lat (pracująca od początku bez remontu) ma obecnie sprawność energetyczną obniżoną o ok 10% na skutek zużycia. Ponieważ stwierdzono znaczny potencjał do uzyskania oszczędności pompa została skierowana na dokładniejsze pomiary na fabrycznej stacji prób Grupy POWEN-WAFAPOMP SA. Na podstawie ich wyników zaproponowano kierunek modernizacji. W tym wypadku rozważano wymianę pompy na nową, lepiej dopasowaną do aktualnych wymagań oraz, jako alternatywę, remont pompy istniejącej połączony z redukcją średnicy wirnika. Na podstawie analizy wybrano ten drugi wariant, jako że pozwala on uzyskać efekty energetyczne zbliżone do zakupu pompy nowej przy daleko niższych nakładach. Po wyremontowaniu pompy i zainstalowaniu wirnika o odpowiednio dobranej średnicy uzyskano poprawę sprawności pompy oraz wyeliminowano konieczność dławienia, co łącznie dało ograniczenie poboru mocy z poziomu 340 do ok 220 kW, a zatem oszczędność rzędu 120 kW. Jest to przykład ilustrujący możliwość uzyskania znacznych efektów energetycznych przy niskich nakładach inwestycyjnych.
3.2. Pompa diagonalna na ujęciu brzegowym.
Ujęcie brzegowe wyposażone jest w cztery pompy diagonalne typu 80D25-4 z silnikami o mocy 1000 kW. Parametry nominalne pomp wynoszą Q = 5760 m3/h, H = 41 m, n = 740 obr/min. Zadaniem pomp jest podanie wody do zbiornika wody surowej w zakładzie uzdatniania położonym ok 2 km od ujęcia.
Cały system zaprojektowany został na wydajność ponad 10 000 m3/h, co zapewniała jednoczesna praca dwu pomp. Obecnie wobec zmniejszonego zapotrzebowania wydajność ujęcia zmienia się w zakresie 600 – 2500 m3/h, przy czym najczęściej wynosi około 1500 m3/h. Przy tak ograniczonym przepływie straty w rurociągu zaprojektowanym na znacznie większą przepustowość są nieznaczne, w wyniku czego charakterystyka układu jest płaska a wysokość podnoszenia wynika głównie z geometrycznej różnicy poziomów pomiędzy ujęciem a zbiornikiem. Dokonano pomiarów, na podstawie których stwierdzono, że w rozpatrywanym przedziale wydajności 600 – 2500 m3/h odpowiadająca temu zmiana wysokości podnoszenia zawiera się w przedziale 25 – 27 m.
W celu dostosowania pomp do aktualnych wymagań zastosowano przemiennik częstotliwości w celu regulacji prędkości obrotowej. Ten sposób regulacji nie był jednak w pełni efektywny, gdyż jak wiadomo z teorii, przy płaskiej charakterystyce układu (kiedy trzeba utrzymywać w przybliżeniu stałą wysokość podnoszenia) znaczne ograniczanie wydajności powoduje wyjście pompy z obszaru korzystnej sprawności. W tym przypadku uzyskanie z pomp o podanych wyżej parametrach nominalnych wydajności 1500 m3/h przy 26 m podnoszenia wymagało ograniczenia prędkości obrotowej pompy do ok. 540 obr/min. Dokładniejsza analiza wykazała, że pompa pracuje wtedy ze sprawnością zaledwie ok 42 % i przy poborze mocy rzędu 290 kW. Niska sprawność układu wynikała w tym przypadku przede wszystkim ze znacznego przewymiarowania pompy co powoduje jej pracę z dala od punktu optymalnego pomimo regulacji przez zmianę obrotów. Znaczenie miało też znaczne niedociążenie silnika elektrycznego oraz zły stan techniczny pompy i silnika znajdujących się w eksploatacji od kilkudziesięciu lat. W wyniku analizy możliwych rozwiązań stwierdzono, że w tym wypadku celowa jest wymiana zespołu pompowego na nowy, składający się z pompy dobranej na obecny zakres wydajności i silnika o odpowiednio mniejszej mocy. Właściwą pompą do tego zastosowania jest pompa 40D30 pracująca z prędkością obrotową regulowaną w zakresie 1260 – 1860 obr/min uzyskująca w przeważającej części wymaganego zakresu wydajności sprawność powyżej 80%. Aby zredukować do minimum wymagane nakłady inwestycyjne Grupa POWEN-WAFAPOMP SA zaoferowała dostawę pompy w wykonaniu specjalnym 80/40D30, składającym się z części hydraulicznej pompy 40D30 (wirnik i kierownica) o wymaganych parametrach połączonej z częścią wylotową pompy 80D (kolano wylotowe). Umożliwiło to zainstalowanie nowej, mniejszej pompy na istniejącym stanowisku bez konieczności jakichkolwiek zmian w fundamentach lub układzie rurociągów. Pobór mocy nowego zespołu pompowego przy 1500 m3/h jest na poziomie 140 kW, co oznacza oszczędność rzędu 150 kW w stosunku do stanu istniejącego.
Jest to przykład wskazujący, że samo zastosowanie przetwornika częstotliwości, bez całościowej analizy układu pompowego nie daje pełnych efektów. Przykład ten pokazuje również na możliwość ograniczenia kosztów modernizacji w wyniku elastycznego i indywidualnego podejścia producenta, który dostosował zespół pompowy do istniejącego stanowiska.
3.3. Pompa zasilająca kocioł w elektrociepłowni.
Analizie poddano pompy typu 15Z28x7V2 produkcji Grupy POWEN-WAFAPOMP SA, o parametrach znamionowych Q = 275 m3/h, H = 1820 m, n = 4660 obr/min zasilające kocioł parowy w elektrociepłowni. Pompy te napędzane są silnikami o mocy 2 MW o prędkości obrotowej 2980 obr/min. Napęd odbywa się przez przekładnię zębatą podnoszącą obroty oraz sprzęgło hydrokinetyczne służące do regulacji prędkości obrotowej.
Na podstawie pomiarów parametrów archiwizowanych w systemie rejestracji oszacowano sprawność zespołu pompowego, która zawierała się w przedziale od 45% dla 150 m3/h do 58% przy 250 m3/h.
Analiza wykazała, że powody tak niskiej sprawności są następujące:
a) Pogorszony stan techniczny pomp i innych elementów zespołu pompowego, które znajdują się w eksploatacji od lat 70-tych XX w.
b) Przewymiarowanie pomp. Jak wykazała analiza danych historycznych pompy nigdy nie pracują przy określonych wyżej parametrach nominalnych, natomiast przez większość czasu pracują przy wydajności poniżej 200 m3/h. Ponieważ charakterystyka układu jest płaska (wymagane jest określone, wysokie ciśnienie wody zasilającej) pompa dobrana na wydajność 275 m3/h w zakresie poniżej 200 m3/h pracuje przy obniżonej sprawności nawet przy regulacji przez zmianę prędkości obrotowej.
c) Niewłaściwy sposób regulacji obrotów. Sprawność sprzęgła hydrokinetycznego spada ze spadkiem prędkości po stronie regulowanej (czyli ze wzrostem poślizgu). Regulacja prędkości obrotowej przy pomocy sprzęgła hydrokinetycznego była właściwa w sytuacji gdy blok był przewidywany do pracy z pełną mocą lub przy jej nieznacznej redukcji gdyż wtedy głębokość regulacji prędkości jest niewielka, a straty z tego wynikające nieznaczne. Natomiast w sytuacji gdy blok pracuje przez zdecydowaną większość czasu ze znacznie zredukowaną mocą straty na sprzęgle hydrokinetycznym są dotkliwe.
Pod uwagę brano kilka wariantów modernizacji zespołu pompowego, m.in.:
– wymianę napędu przez sprzęgło hydrokinetyczne na napęd przez przetwornik częstotliwości bez zmiany pompy
– wymianę sprzęgła hydrokinetycznego na nowe z odpowiednio dobranym przełożeniem przekładni zębatej w celu likwidacji nadmiaru parametrów z jednoczesnym remontem pompy
– zastosowanie przetwornika częstotliwości do napędu przy jednoczesnym remoncie pompy połączonym z jej przebudową z 7 na 10 stopni. Przebudowa ta ma na celu uzyskanie wymaganych parametrów przy niższej prędkości obrotowej, co powoduje przesunięcie optimum sprawności w kierunku niższych wydajności, przy których pompa pracuje najczęściej.
Ten ostatni sposób w wyniku analizy okazał się optymalny. Pozwala on na uzyskanie oszczędności energii do napędu pompy o około 30% w porównaniu ze stanem obecnym przy założeniu rocznego rozkładu obciążenia bloku wynikającego z danych historycznych. Sposób ten wykazał najkorzystniejsze wskaźniki IRR oraz NPV.
Przykład ten ilustruje, że w celu uzyskania najlepszych efektów wymagana jest pogłębiona analiza. W tym wypadku lepsze efekty niż dla powszechnie stosowanego rozwiązania polegającego na zastosowaniu przetwornika częstotliwości można uzyskać łącząc to rozwiązanie z właściwie zaplanowaną modyfikacją pompy oraz jej remontem.
4. PODSUMOWANIE.
W celu uzyskania optymalnych efektów w zakresie oszczędności energii do napędu pomp wskazana jest analiza układu pompowego prowadzona według odpowiedniej metodologii przez osoby lub firmy dysponujące wiedzą i doświadczeniem z zakresu techniki pompowej.
Oczywiste i kosztowne rozwiązania, takie jak wymiana zespołu pompowego na nowy lub zastosowanie przemiennika częstotliwości dają z reguły efekty lecz nie zawsze są optymalne. Nie należy zapominać o konieczności prawidłowego doboru parametrów pompy do układu, co można uzyskać przez jej modernizację, ani o tym, że znaczne rezerwy w zakresie zużycia energii tkwią w prawidłowej gospodarce remontowej, gdyż często niska sprawność zespołu wynika ze zużycia pompy przy jednoczesnym braku właściwie prowadzonych remontów. Praktyczne doświadczenia zebrane w trakcie pomiarów i analiz układów pompowych wskazują, że aktualne sprawności zespołów pompowych są znacznie obniżone w stosunku do wartości wyjściowych. Wynika to albo z zupełnego zaniechania remontów kapitalnych, albo z wykonywania ich w sposób niewłaściwy, np. z zastosowaniem innych niż oryginalne części zamienne. Ten czynnik bywa pomijany w trakcie podejmowania decyzji zmierzających do uzyskania oszczędności zużycia energii. Nierzadko podejmuje się decyzje o wymagających znacznych nakładów inwestycjach, zapominając o tym, że podobne efekty energetyczne można uzyskać ponosząc znacznie niższe koszty na prawidłowo przeprowadzony (np. zlecony producentowi) remont.
Dobór optymalnego sposobu postępowania, jak wspomniano, wymaga całościowej analizy problemu oraz rozważenia wielokierunkowych działań nie ograniczających się do tych z pozoru oczywistych, które jednak nie zawsze okazują się optymalne w wyniku fachowej oceny. Profesjonalnie przygotowana modernizacja układu pompowego w wielu przypadkach pozwala na uzyskanie kilkudziesięcio procentowych oszczędności energii i korzystnych okresów zwrotu nakładów.
W zakresie analiz układów pompowych oraz w realizacji zaplanowanych na ich podstawie działań wskazana jest współpraca z producentem pomp, który posiada wymagane informacje techniczne na ich temat oraz niezbędną wiedzę i doświadczenie.
Dr inż. Grzegorz Pakuła
LITERATURA:
[1] Jędral W., Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych, KAPE, Warszawa, 2007
[2] Plutecki J., Ocena stanu, kierunki i efekty modernizacji układów pompowych, Pompy Pompownie, Nr 1 (148), kwiecień 2013, str. 23-26.
