Ekspert

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