Regulacja pomp diagonalnych pracujących jako pompy wody chłodzącej w blokach energetycznych dużej mocy.

2014-12-090

1. Wprowadzenie

W elektrowni parowej pompy wody chłodzącej pracują w obiegu chłodzenia skraplacza turbiny, którego zadaniem jest obniżenie temperatury kondensatu co sprzyja uzyskaniu wyższej wartości podciśnienia za turbiną, dzięki czemu wzrasta sprawność całkowita obiegu cieplnego. Spotykane są dwa zasadnicze rozwiązania. Jeśli elektrownia dysponuje zewnętrznym źródłem zimnej wody do chłodzenia (np. rzeka, jezioro morze) to przepływ odbywa się w obiegu otwartym, czyli pompy pobierają ze źródła zimną wodę, która po przepływie przez skraplacz wraca do źródła. W takim wypadku pompy wody chłodzącej nie muszą posiadać znacznej wysokości podnoszenia, gdyż mają za zadanie jedynie pokonać opory przepływu w układzie. Oznacza to, że do takich zastosowań na ogół nadają się pompy śmigłowe posiadające znaczną wydajność przy niewielkiej wysokości podnoszenia. Natomiast jeśli elektrownia nie posiada zewnętrznego źródła wody chłodzącej pompy pracują w obiegu zamkniętym, podając wodę podgrzaną w skraplaczu do chłodni kominowej, w której woda ulega schłodzeniu do wyjściowej temperatury. W takim układzie pompy wody chłodzącej muszą pokonać dodatkowo geometryczną wysokość podnoszenia związaną z wysokością chłodni. Ponieważ moc pobierana przez pompę jest proporcjonalna do jej wysokości podnoszenia, z punktu widzenia energetycznego korzystne jest projektowanie chłodni, które zapewnią wymaganą intensywność chłodzenia przy minimalnej wysokości. Z tego powodu na przestrzeni lat obserwuje się tendencję do budowy coraz niższych chłodni. W budowanych obecnie blokach energetycznych wysokiej mocy wyposażonych w chłodnie kominowe wysokość podnoszenia wymagana od pomp zazwyczaj jest na poziomie przekraczającym 20 m. Jednocześnie wymagana wydajność pomp w blokach o mocy kilkuset megawatów jest rzędu kilkudziesięciu tysięcy metrów sześciennych na godzinę, w zależności od mocy bloku oraz przewidzianej do zainstalowania liczby pomp. Oznacza to pobór mocy rzędu kilku MW, co stanowi znaczącą pozycję w zużyciu energii na potrzeby własne bloku. Przy takiej kombinacji parametrów jako pompy wody chłodzącej współpracujące z chłodniami kominowymi stosuje się pompy diagonalne.

Ze względu na wspomniany znaczny pobór mocy celowe wydaje się dostosowanie wydajności pomp do warunków atmosferycznych to znaczy zmniejszanie wydajności pomp wody chłodzącej w okresach kiedy ze względu na niższą temperaturę powietrza intensywność chłodzenia jest większa, a także dostosowanie wydajności pomp wody chłodzącej do obciążenia bloku. Fakt ten nie jest tak oczywisty jak może się wydawać, gdyż zmniejszenie wydajności pomp, oprócz efektu w postaci zmniejszenia poboru mocy powoduje też zmniejszenie intensywności chłodzenia skraplacza. Utrzymując wydajność pomp na tym samym poziomie pomimo niższej temperatury powietrza lub pomimo niższego obciążenia bloku można uzyskać większe podciśnienie w skraplaczu turbiny, a tym samym podnieść moc i sprawność obiegu parowego. Należy mieć na uwadze, że zakres regulacji mocy bloku nie powinien być zbyt szeroki gdyż bloki węglowe pracując ze zmniejszoną mocą wykazują obniżoną sprawność. W prawidłowo skonfigurowanym systemie energetycznym bloki węglowe o mocy rzędu 1000 MW nie powinny służyć do regulacji mocy systemu lecz pracować z pełnym obciążeniem i optymalną sprawnością. Natomiast dostosowanie generowanej w systemie mocy do zapotrzebowania powinno być realizowane przez elektrownie szczytowe lepiej nadające się do tego celu, jak elektrownie wodne i cieplne opalane gazem. W wielu elektrowniach węglowych, pomimo istniejących możliwości regulacji wydajności pomp wody chłodzącej są one eksploatowane ze stałą wydajnością. Ustalenie czy regulacja wydajności pomp wody chłodzącej, a jeśli tak to w jakim zakresie, jest optymalna pod względem energetycznym wymaga analizy obejmującej obieg parowy, charakterystykę skraplacza, chłodni oraz charakterystykę regulacyjną pomp. Analiza taka nie jest przedmiotem niniejszego artykułu, którego zamiarem jest jedynie dostarczenie danych do niej w postaci informacji o możliwych sposobach regulacji pomp. Z punktu widzenia regulacji pomp istotne jest stwierdzenie, że w przypadku pomp wody chłodzącej dla bloków energetycznych racjonalny zakres regulacji nie jest głęboki gdyż nadmierne ograniczenie strumienia cieczy chłodzącej przynosi więcej strat w obiegu parowym bloku niż korzyści z ograniczenia mocy pomp.

2. Charakterystyki układu wody chłodzącej i pomp

Należy stwierdzić, że pytanie „jaka jest optymalna metoda regulacji pomp diagonalnych” nie jest postawione właściwie, gdyż nie istnieje metoda regulacji najlepsza w każdym przypadku. Przede wszystkim, pompa nigdy nie powinna być rozpatrywana samodzielnie lecz zawsze we współpracy z konkretnym układem pompowym. Jeśli bowiem zamierzamy analizować pracę pompy przy zmiennej, regulowanej wydajności, to wydajności tej odpowiada pewna wymagana wysokość podnoszenia. Wysokość ta wynika z charakterystyki układu pompowego, gdyż z tej charakterystyki można odczytać wysokość podnoszenia wymaganą w celu przetłoczenia przez układ określonej wydajności.

W obiegu chłodni kominowej występuje znaczna, statyczna wysokość podnoszenia. Wynika ona przede wszystkim z geometrycznej wysokości chłodni, na jaką pompa musi podać wodę, a ponadto, jeśli chłodnia jest wyposażona w dysze rozpryskujące wodę, to wymagane jest pewne ciśnienie w kolektorze zasilającym te dysze. Oprócz stałej wysokości statycznej pompa musi pokonać straty przepływu w obiegu, które jak wiadomo rosną w przybliżeniu z kwadratem wydajności. Charakterystyka układu (rys. 1) jest zatem parabolą wychodzącą z pionowej osi współrzędnych w punkcie odpowiadającym wysokości statycznej.

Charakterystyka ta dla obiegu chłodni kominowej jest zazwyczaj płaska, co oznacza, że w roboczym zakresie wydajności straty przepływu są znacząco mniejsze od wysokości statycznej. Długość rurociągów nie jest bowiem znaczna, gdyż wynika z odległości chłodni kominowej od skraplacza, która zazwyczaj nie przekracza kilkuset metrów, a średnice rurociągów powinny być tak dobrane żeby zapewnić odpowiednią przepustowość. Zastosowanie rurociągów o zbyt niskiej średnicy, co skutkuje nadmiernym wzrostem strat, oznaczałoby ponoszenie w całym okresie eksploatacji bloku zbędnych nakładów na zużycie mocy potrzebnej do pokonywania nadmiernych oporów przepływu wody chłodzącej. Można zatem przyjąć, że tak jak na rys. 1, charakterystyka układu jest płaska, czyli zmianie wydajności w zakresie regulacji od minimalnej do maksymalnej wydajności towarzyszy nieznaczna zmiana wysokości podnoszenia. Parametry pompy będą się zatem zmieniać po odcinku charakterystyki układu zawartym jak na rys. 1 pomiędzy Qmin a Qmax, który jest w przybliżeniu poziomy, a w każdym razie zmiany wysokości podnoszenia przy zmianie wydajności nie będą znaczne w porównaniu z wysokością statyczną.

88

Analizując możliwe metody regulacji należy zatem brać pod uwagę jak sprawność pompy i jej pobór mocy będą się zmieniać w punktach leżących na wspomnianym odcinku charakterystyki, co decyduje o możliwych do uzyskania oszczędnościach energii z tytułu regulacji. W analizie należy ponadto uwzględnić przez jaki okres w ciągu roku pompa będzie pracowała w określonych punktach tego fragmentu charakterystyki układu. Możliwe do uzyskania oszczędności energii do napędu pomp należy skonfrontować z efektami wpływu zmniejszenia wydajności na pracę skraplacza i całego obiegu.

W celu oceny efektów regulacji pompy istotny jest przebieg jej charakterystyki mocy.

Dla pomp diagonalnych pracujących przy stałej prędkości obrotowej występują najczęściej dwa typowe przypadki przebiegu tej charakterystyki jak na rys. 2: pobór mocy malejący z wydajnością (krzywa A) lub charakterystyka z lokalnym maksimum (krzywa B), kiedy to ze wzrostem wydajności od zera do Q1 pobór mocy maleje, następnie przy dalszym wzroście wydajności od Q1 do Q2 wzrasta, osiąga przy Q2 lokalne maksimum, a przy dalszym wzroście wydajności ponownie spada.

89

3. Typowe metody regulacji

Do regulacji pomp diagonalnych można zastosować typowe metody stosowane dla wszystkich pomp oraz metody specyficzne dla pomp diagonalnych.

Do pierwszej grupy można zaliczyć:

3.1. Dławienie
W celu ograniczenia wydajności pompy przy stałej prędkości obrotowej można zastosować dławienie. Zaletą tej metody jest jej prostota lecz od strony energetycznej nie jest ona korzystna. Jeśli pompa posiada charakterystykę mocy malejącą z wydajnością (krzywa A na rys. 2) to dławienie jest zupełnie pozbawione sensu jako metoda regulacji gdyż ograniczenie wydajności nie tylko nie daje żadnych oszczędności energii lecz przeciwnie, prowadzi do wzrostu zużycia mocy. Pewne oszczędności można uzyskać w przypadku pomp z krzywą o lokalnym maksimum (krzywa B na rys.3) gdyż zmniejszanie wydajności na odcinku Q2 do Q1 prowadzi do zmniejszenia poboru mocy lecz jest to oszczędność niewielka w porównaniu z innymi metodami. Dławienie zostało tu omówione głównie dla porządku, gdyż jest mało prawdopodobne aby metoda ta w wyniku analizy okazała się optymalna.

3.2. Upust
Regulacja przez upust polega na otwieraniu zaworu upustowego umieszczonego na rurociągu tłocznym i zawróceniu części wydajności pompy na ssanie. Wydajność pompy wtedy wzrasta na skutek tego, że maleje ciśnienie po stronie tłocznej, lecz do rurociągu tłocznego płynie mniejsza wydajność niż przed otwarciem upustu. Różnica pomiędzy wydajnością pompy a przepływem przez rurociąg tłoczny powraca przez upust. Oszczędność energii występuje w przypadku gdy pompa posiada malejącą charakterystykę mocy, gdyż wtedy po otwarciu upustu jej pobór spada. Regulacja przez upust, podobnie jak dławienie jest stosunkowo prosta i mało kosztowna w realizacji lecz daje znaczące oszczędności jedynie dla pomp, które w wymaganym zakresie regulacji posiadają silnie opadającą charakterystykę mocy.

3.3. Włączanie i wyłączenie pomp pracujących równolegle.
Jeśli zainstalowanych jest kilka pomp pracujących równolegle to włączając i wyłączając odpowiednią ich liczbę można regulować wydajność w sposób skokowy. Ta metoda regulacji dobrze nadaje się do układów o płaskiej charakterystyce, jak na rys. 1 z tego względu, że w takim przypadku po wyłączeniu jednej z nich pozostałe pracują nadal przy zbliżonej wysokości podnoszenia, a zatem pozostają w obszarze wysokiej sprawności. Jak wspomniano, ten sposób regulacji wydajności jest jednak jedynie zgrubny. Ponadto, instalowanie większej liczby pomp komplikuje instalację, a dodatkowo zastąpienie pompy o większej wydajności większą ilością pomp o niższej wydajności zazwyczaj wiąże się ze spadkiem ich sprawności. Nie jest to jednak spadek znaczny. Dla przykładu, od pomp diagonalnych o wydajności rzędu 50 tys. m3/h można oczekiwać sprawności na poziomie 88-90%, natomiast od pomp o wydajności 10 tys. m3/h można oczekiwać sprawności rzędu 85-87%.

3.4. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej
Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej ze względu na efektywność energetyczną jest obecnie powszechnie stosowana w technice pompowej. W konkretnym zastosowaniu do regulacji pomp diagonalnych współpracujących z chłodniami kominowymi wykazuje jednak również pewne wady. Przede wszystkim, dla średnionapięciowych napędów elektrycznych o mocach rzędu kilku megawatów przetwornice częstotliwości wymagane dla zmiany prędkości obrotowej silnika cechują się znacznym kosztem. Ponadto, ich zabudowa wymaga specjalnych pomieszczeń o dużych wymiarach z rozbudowanym systemem wentylacji ze względu na znaczną generację ciepłą. Ponadto, typowa charakterystyka „muszlowa” pokazująca zmiany sprawności ma w przypadku regulacji przez zmianę prędkości obrotowej kształt jak na rys. 3. Punkt najwyższej sprawności przemieszcza się wzdłuż paraboli wychodzącej z początku układu współrzędnych, natomiast obszar o wysokich sprawnościach położony jest w pobliżu tej paraboli. Oznacza to, że w przypadku płaskiej charakterystyki układu, jak ta pokazana na rys. 3, pompa przy zmniejszaniu wydajności wychodzi z obszaru optymalnych sprawności.

90

4. Metody regulacji specyficzne dla pomp diagonalnych

Omówione wyżej powszechnie znane metody stosuje się w przypadku wszystkich pomp. Natomiast dla pomp diagonalnych znane są dodatkowe metody regulacji niestosowane np. dla pomp odśrodkowych.

4.1 Regulacja przez zmianę kąta łopatek wirnika
Budowane są pompy, w których łopatki nie są przytwierdzone na stałe do piasty wirnika lecz zamontowane są w niej na obrotowych trzpieniach, dzięki czemu można zmieniać kąt ich ustawienia. Nastawa kąta odbywa się zazwyczaj przez mechanizm znajdujący się wewnątrz piasty wirnika oraz wydrążonego wału i może być dokonywana podczas ruchu pompy. Przez analogię do turbin wodnych o podobnej konstrukcji pompy takie określane są czasem jako „pompy Deriaza”. Taki sposób regulacji jest skuteczny lecz oprócz tej zalety rozwiązanie to posiada również wady. Konstrukcja pompy w porównaniu z typową pompą diagonalną jest o wiele bardziej skomplikowana, co powoduje że ceny pomp tego typu są znacznie wyższe niż w przypadku pomp diagonalnych o stałych łopatkach. Aby łopaty obracające się wokół swojej osi nie tworzyły nadmiernej szczeliny względem piasty i osłony wirnika, piasta i osłona muszą mieć kształt kulisty, co nie jest korzystne z punktu widzenia hydrauliki przepływu i powoduje, że pompy z nastawnymi łopatkami uzyskują sprawności niższe w porównaniu z pompami diagonalnymi o stałych łopatkach. Występowanie szczeliny pomiędzy łopatką a piastą powoduje dodatkowe straty przepływów szczelinowych. W trakcie eksploatacji problemem jest utrzymanie właściwego, początkowego rozmiaru szczeliny. Jej powiększanie na skutek wypłukiwania przez przepływy szczelinowe prowadzi do wzrostu strat hydraulicznych, natomiast powstawanie osadów na piaście utrudnia ruch łopatek względem niej. Komplikacja konstrukcji prowadzi do potencjalnego obniżenia niezawodności pompy. Łopatki pomp diagonalnych, ze względu na znaczną powierzchnię, poddane są znacznym obciążeniom pochodzącym od hydraulicznych sił ciśnieniowych, co powoduje znaczne obciążenie piasty łopatki i innych elementów mechanizmu nastawy kąta. W konsekwencji prowadzi to powstawania luzów w tym mechanizmie i do wzrostu poziomu drgań pompy.

4.2 Regulacja przy pomocy wstępnej kierownicy prerotacyjnej

Mniej znaną metodą regulacji pomp diagonalnych jest zastosowanie prerotacyjnej kierownicy wstępnej. Rozwiązanie takie pokazane jest na rys. 4. Zasługuje ono na większą uwagę i z tego powodu zostanie tu szerzej omówione.

91

Rys. 4. Kierownica prerotacyjna

Zasada działania takiej kierownicy wynika wprost z podstawowego równania maszyn przepływowych tzw. równania Eulera, które podaje przybliżoną zależność wysokości podnoszenia pompy od składowych prędkości w przekrojach wlotowym i wylotowym łopatek pompy:

H = (u2 cu2 – u1 cu1 ) / g, (1)

w którym g oznacza przyspieszenie ziemskie, u1 i u2 prędkości obwodowe bezwzględne łopatki na wlocie i wylocie wynikające z ruchu obrotowego, a cu1 oraz cu2 to składowe w kierunku obwodowym bezwzględnej prędkości cieczy na wlocie i wylocie z łopatki. (Powyższy wzór ściśle obowiązuje dla palisady o nieskończonej liczbie łopatek lecz jest przydatny dla jakościowej analizy zjawiska również dla wirników o skończonej liczbie łopatek).

W typowej pompie napływ cieczy do wirnika odbywa się wzdłuż osi, co oznacza że rzut prędkości bezwzględnej na kierunek obwodowy cu1 jest równy zeru.

W takim przypadku równanie (1) sprowadza się do uproszczonej postaci:

H = u2 cu2 / g, (2)

Jeśli zastosujemy kierownicę wstępną jak na rys 4, to możemy wprowadzić prerotację, na skutek czego we wzorze (1) drugi człon przyjmuje wartość różną od zera i wpływa na wysokość podnoszenia uzyskiwaną przez pompę. Jeśli kierownica wstępna skieruje ciecz w stronę zgodną z kierunkiem obrotu wirnika, to składowa cu1 jest dodatnia i drugi składnik we wzorze (1) obniża wysokość podnoszenia. Obrazowo efekt ten można wyjaśnić w ten sposób, że ciecz „ucieka” przed łopatkami wirnika, na skutek czego wirnik przekazuje jej mniej energii. Jeśli prerotacja ma kierunek przeciwny do obrotu wirnika, to wysokość podnoszenia pompy ulega zwiększeniu.

Na stacji prób Grupy Powen-Wafapomp SA przeprowadzono badania modelowe dotyczące regulacji przy pomocy kierownicy wstępnej pompy 200D40 przewidzianej jako pompa wody chłodzącej do bloków o mocy 1000 MW. Pompa przy prędkości obrotowej 375 obr/min posiada parametry nominalne Q = 43 750 m3/h i H = 24.5 m. Długotrwałe badania pompy o tak wysokiej wydajności na stanowisku próbnym są niemożliwe dlatego w celu zbadania charakterystyk regulacyjnych zbudowano pompę modelową geometrycznie podobną do pompy głównej pomniejszoną w skali 1 : 5,4. Pompa modelowa posiadała następujące parametry : wydajność Q = 1100 m3/h, wysokość podnoszenia H = 13 m przy prędkości obrotowej n=1485 obr/min. Zdjęcie pompy modelowej pokazano jako rysunek 6.

91

Rys.5. Bezwymiarowa charakterystyka regulacyjna

Wyniki uzyskane na pompie modelowej (rys. 5) przedstawiono w postaci bezwymiarowej, odnosząc je do wartości wydajności, wysokości podnoszenia i sprawności w punkcie nominalnym. Pozwala to na prognozowanie charakterystyk wszystkich pomp geometrycznie podobnych i o tym samym wyróżniku szybkobieżności niezależnie od ich skali. Na rys. 5 pokazane są charakterystyki H(Q) dla różnych kątów ustawienia łopatek kierownicy prerotacyjnej. Kąt 90 o oznacza ustawienie cięciwy łopatek wzdłuż osi rurociągu, czyli brak prerotacji, natomiast zmniejszanie kąta oznacza wprowadzanie prerotacji zgodnej z kierunkiem obrotu wirnika, a zatem zgodnie z tym co napisano wyżej, obniżanie parametrów pompy.

Analiza wyników wskazuje, że zalecany zakres regulacji jest węższy niż przypadku pomp z nastawnymi łopatkami. Należy jednak mieć na uwadze, że jak stwierdzono na wstępie, wymagany zakres regulacji pomp wody chłodzącej w przypadku bloków energetycznych nie jest szeroki ze względów termodynamicznych. Regulacja z zastosowaniem kierownicy prerotacyjnej stanowi zatem interesującą alternatywę dla pomp z nastawnymi łopatkami, gdyż pozwala uzyskać oczekiwany efekt przy o wiele mniej kosztownym, prostszym, a z tego powodu bardziej niezawodnym rozwiązaniu. Kierownica wstępna cechuje się niskim kosztem inwestycyjnym, porównywalnym z kosztem zaworu dławiącego i wielokrotnie niższym od przetwornicy częstotliwości lub mechanizmu nastawy kąta łopatek pompy. Na podkreślenie zasługuje fakt, że mechanizm nastawy kąta łopatek kierownicy wstępnej jest całkowicie niezależny od pompy, co oznacza, że ewentualne problemy z jego funkcjonowaniem nie powodują problemów z ruchem pompy, co ma miejsce w przypadku awarii mechanizmu pompy z nastawnymi łopatkami.

92

Rys.6. Pompa modelowa do badania kierownicy prerotacyjnej.

5. Podsumowanie

Wybór metody regulacji parametrów pomp wody chłodzącej dla bloków energetycznych nie powinien być dokonywany a priori lecz powinien wynikać z analizy uwzględniającej zarówno aspekty termodynamiczne obiegu parowego elektrowni jak i charakterystyki pompy i układu pompowego. Po wstępnym ustaleniu w jakim zakresie wydajności regulacja pomp wody chłodzącej jest korzystna z punktu widzenia termodynamicznego należy zakres ten analizować na odpowiednim odcinku charakterystyki układu pompowego, z uwzględnieniem przewidywanej statystycznie liczby godzin, przez jaką układ będzie pracował w określonym punkcie charakterystyki. Następnie należy oszacować jakie oszczędności energetyczne można uzyskać stosując dla uzyskania tak określonych punktów na charakterystyce układu różne metody regulacji.

W artykule omówiono różne metody regulacji, koncentrując się na metodach specyficznych dla pomp diagonalnych. Zwrócono uwagę na możliwość regulacji przez zastosowanie wstępnej kierownicy prerotacyjnej, która to metoda nie jest powszechnie znana, a zasługuje na uwagę gdyż pozwala uzyskać interesujące efekty przy zastosowaniu mało kosztownego i prostego, a przez to niezawodnego, rozwiązania konstrukcyjnego. Rozwiązanie to szczególnie nadaje się do stosowania w sytuacjach gdy wymagany zakres regulacji wydajności nie jest szeroki, jak ma to miejsce w przypadku pomp wody chłodzącej dla bloków energetycznych.

Autorzy:

  • Dr Inż. Grzegorz Pakułą jest Dyrektorem Technicznym, członkiem zarządu POWEN SA,

  • Mgr Inż. Wiktor Piasecki jest Głównym Specjalistą ds. Pomp Diagonalnych i Śmigłowych w Biurze Konstrukcyjnym Grupy POWEN-WAFAPOMP SA

  • Mgr Inż. Artur Szarszewski jest absolwentem Wydziału MEIL PW, pracuje na Stacji Prób w Grupie POWEN-WAFAPOMP SA.

Literatura:

  1. A.Troskolański, Sz.Łazarkiewicz, Pompy wirowe, WNT, Warszawa. 1973         
  2. W. Jędral, Pompy wirowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001,
  3. Sz.Łazarkiewicz, A.Troskolański.”Nowoczesne kierunki w konstrukcji pomp wirowych” WNT, Warszawa 1966