Ekspert

Powszechnie znany jest fakt, że każda pompa pracująca przy stałej prędkości obrotowej osiąga parametry wynikające z jej charakterystyki, tzn. przy określonej wydajności wytwarza określoną wysokość podnoszenia i osiąga określoną sprawność, z których to parametrów wynika pobór mocy. Aczkolwiek pompa może pracować przy każdej kombinacji parametrów wynikających z charakterystyki, to prawidłowo pracuje jedynie w pobliżu tzw. parametrów nominalnych, to znaczy takich na jakie została zaprojektowana. W tym zakresie pompa osiąga najwyższą sprawność. Im bardziej rzeczywisty punkt pracy pompy oddala się od punktu nominalnego, tym bardziej sprawność różni się na niekorzyść od maksymalnej, a ponadto pojawiają się inne niekorzystne zjawiska w postaci zwiększonego poziomu drgań i hałasu. To, w jakim punkcie swojej charakterystyki pracuje pompa, zależy od jej współpracy z układem, w którym jest zainstalowana – punkt pracy pompy wypada  bowiem przy takiej wydajności, przy której charakterystyka pompy przetnie się z charakterystyką układu pompowego. Prawidłowy dobór pompy polega zatem na dokładnym obliczeniu i narysowaniu charakterystyki układu pompowego, a następnie na znalezieniu takiej pompy, której charakterystyka przetnie się z charakterystyką układu w zakresie optymalnych sprawności.

Pompa zasilająca pracująca w EC Siekierki.

Właściwy dobór to podstawa.

Pomimo tego, że powyższe stwierdzenia powinny być oczywiste dla każdego inżyniera mechanika, w praktyce wiele pomp dobranych jest nieprawidłowo, na skutek czego pracują one ze sprawnością znacznie niższą niż możliwa do uzyskania. Fakt ten wynika nie tylko z własnych obserwacji autora, lecz potwierdzony jest badaniami tak uznanych instytucji, jak amerykański Hydraulic Institute czy europejskie stowarzyszenie producentów pomp Europump. Z ich szacunków wynika, że w rezultacie poprawy jakości doboru pomp do układów pompowych można uzyskać do 40%  oszczędności energii, a zatem znacznie więcej niż z podnoszenia sprawności samych pomp. W tym ostatnim zakresie możliwości postępu są ograniczone, gdyż obecnie konstrukcje pomp są na tyle dopracowane, że w wyniku dalszego rozwoju metod projektowania i technologii wytwarzania pomp nie należy spodziewać się wzrostu sprawności większego niż kilkuprocentowy. Stwierdzenie to dotyczy prawidłowo zaprojektowanych pomp produkowanych przez poważnych producentów, co nie wyklucza istnienia na rynku pomp złej jakości, które ze względów energetycznych powinny ulec zastąpieniu przez produkty o odpowiednim standardzie technicznym.

W zakresie doboru pomp do układu należy rozróżnić dwie jakościowo odmienne sytuacje:

1. Stały punkt pracy, czyli sytuacja, w której wymagane przez układ parametry nie zmieniają się. W takim przypadku nie ma technicznych powodów, aby pompa pracowała poza swoim optymalnym zakresem, a jeśli tak jest to  oznacza to błąd w sztuce inżynierskiej, który wymaga korekty jedną z metod, o jakich mowa w dalszej części tekstu.

2. Parametry okresowo zmienne na skutek zmiennego zapotrzebowania układu (w okresie dobowym, w zależności od pór roku itp.). Jeśli zachodzi taka sytuacja, to nie jest technicznie możliwe, aby pompa przy stałych obrotach pracowała optymalnie w każdej sytuacji. Można co najwyżej minimalizować straty, dobierając pompę na najczęściej występującą kombinację parametrów. Aby uzyskać poprawę jakości doboru, potrzebna jest pewna metoda regulacji parametrów pompy. Wspomniane wyżej dane, mówiące o potencjalnych możliwościach dotyczących uzyskania do 40% oszczędności energetycznych w układach pompowych, dotyczą w pierwszym rzędzie stosowania lepszych metod regulacji, gdyż możliwość uzyskania oszczędności tego rzędu w przypadku stałego punktu pracy zachodzi jedynie w rzadkich przypadkach rażąco błędnego doboru.

Regulacja parametrów.

Istnieją cztery najbardziej znane metody regulacji parametrów, z których każda posiada mocne i słabe strony (wymieniono tu jedynie metody mające zastosowanie do różnych typów pomp, pominięto natomiast metody znajdujące zastosowanie jedynie w specyficznych rozwiązaniach konstrukcyjnych, jak np. regulacja przez zmianę kąta ustawienia łopat w pompach śmigłowych lub przez kierownicę prerotacyjną):

a) Regulacja przez dławienie zaworem po stronie tłocznej – nie wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych, lecz nie przynosi dobrych efektów energetycznych. Najlepiej nadaje się do pomp i układów pompowych o płaskich charakterystykach oraz dla pomp o rosnącej charakterystyce mocy.

b) Regulacja przez upust – nadaje się wyłącznie dla pomp o poborze mocy malejącym z wydajnością (np. pompy śmigłowe i niektóre diagonalne).

c) Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej – wymaga znaczących nakładów  inwestycyjnych, lecz stwarza potencjał do znacznych oszczędności energetycznych w stosunku np. do regulacji dławieniowej. Najlepsze efekty daje w przypadku układów pompowych, gdzie wysokość strat dominuje nad wysokością statyczną (np. w układach obiegowych), natomiast słabiej się nadaje do sytuacji, gdy dominuje wysokość statyczna (np. zmiana wydajności przy utrzymaniu stałego, wysokiego ciśnienia na tłoczeniu).

d) Regulacja przez zmianę liczby pomp pracujących równolegle (nie jest to metoda regulacji pojedynczej pompy, lecz całej pompowni) – zaletą tej metody jest niski koszt, natomiast wadą to, że pompy o mniejszych wydajnościach z reguły mają sprawności gorsze niż jedna większa pompa je zastępująca. Metoda ta najlepiej nadaje się do sytuacji, w której należy uzyskać wydajność pompowni zmieniającą się w znacznym zakresie przy utrzymaniu w przybliżeniu stałego ciśnienia w kolektorze tłocznym.

Pomimo tego, że jak wspomniano, optymalizacja sposobu regulacji zawiera w sobie największy potencjał dla oszczędności energetycznych, kwestia ta nie będzie tu omawiana, gdyż wymaga to znacznie więcej miejsca, niż pozwalają na to ramy niniejszego artykułu. Kwestie regulacji  podsumujemy stwierdzeniem, że jest to sprawa bardzo istotna z punktu widzenia energetycznego i w każdym wypadku wymaga wyboru indywidualnego, optymalnego rozwiązania (na ogół spośród ww. czterech możliwości).

Pompa zasilająca pracująca w Fortum Częstochowa.

Dobór na stały punkt pracy.

W dalszej części skoncentrujemy się na prostszej kwestii doboru pomp na stały punkt pracy. Na wstępie należy zdać sobie sprawę z tego, skąd biorą się przypadki nieprawidłowego doboru w takiej, stosunkowo prostej od strony teoretycznej i dobrze znanej sytuacji. Można wyróżnić następujące, zasadnicze powody:

1. Prosty błąd doboru. W przypadku dużych inwestycji pompy często traktowane są jako drugorzędne maszyny pomocnicze i z tego powodu ich doborowi nie poświęca się tyle uwagi, co najważniejszym urządzeniom. Projektantami dużych instalacji są z reguły specjaliści od danego procesu technologicznego, którzy nie zawsze w dostatecznym stopniu rozumieją problematykę pompową i nie zawsze korzystają z konsultacji specjalistów z tej dziedziny. Jeśli realizacja dużej inwestycji odbywa się w systemie „pod  klucz”, to producent pomp rzadko jest generalnym wykonawcą (uczestnikiem przetargu) i z tego powodu ma ograniczone możliwości dokonania ustaleń z użytkownikiem.

2. Nadmierna ostrożność. Pomimo tego, że metody obliczania charakterystyki układu są teoretycznie znane, to istnieje jednak zakres niepewności w szacowaniu oporów przepływu. Z tego powodu, aby uniknąć takiej sytuacji, że pompa nie da oczekiwanej wydajności, projektanci z reguły dobierają ją z pewnym nadmiarem wysokości podnoszenia. Jeśli zapas ten jest nadmierny, to pompa „ucieka” na wyższe wydajności, wychodząc z optymalnego zakresu pracy.

3. Zmiana zapotrzebowania. Na przestrzeni lat wymagane parametry mogą się zmienić w stosunku do założeń projektowych. Dla przykładu, taka sytuacja jest typowa dla sieci wodociągowych i ciepłowniczych, w których na skutek rozwoju miast i zmian w technologii zachodzą znaczne zmiany w zakresie parametrów wymaganych od pomp.

4. Optymalizacja układu. Należy podkreślić, że jedną z podstawowych możliwości oszczędzania energii na  pompowanie jest optymalizacja układów pompowych polegająca na redukcji strat. Może to polegać na eliminacji elementów powodujących zbędne dławienie (odcinki rurociągów o zbyt niskiej średnicy, nieprawidłowa armatura) lub na wprowadzaniu nowych technologii (np. filtry lub wymienniki ciepła o mniejszych stratach ciśnienia). Paradoksalnie, wprowadzanie takich zmian prowadzących do oszczędności zużycia energii powoduje, że pompy w instalacji mogą się znaleźć poza zakresem optymalnej pracy, gdyż dysponują nadmiarem wysokości podnoszenia. Aby w pełni wykorzystać możliwości oszczędzania energii, wynikające z redukcji oporów, należy zatem dokonać modyfikacji parametrów pompy.

Jeśli zatem, z jakiejkolwiek przyczyny, mamy do czynienia z sytuacją, że parametry pompy nie odpowiadają wymaganiom układu, to w celu poprawy sprawności pompowania należy dokonać korekty ich parametrów.

Stosowane w tym celu metody zostaną przedstawione w drugiej części artykułu.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w magazynie „ECiZ” nr 11/2010