Charakterystyki przepływowe pompy wiedza podstawowa o urządzeniu

Transkrypt

1 Autor Tomasz Słupik Andrzej Drajczyk ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Techniki Cieplnej Urządzenia pompowe stanowią największy udział w maszynach roboczych, w których następuje konwersja z energii mechanicznej w energię strugi czynnika. Pompy są zazwyczaj napędzane silnikiem elektrycznym, z którym są zespolone w sposób sztywny bądź poprzez przekładnię hydrokinetyczną, dającą najczęściej równocześnie możliwość zmiany prędkości obrotowej. Na każdym z etapów konwersji energii występują jej straty wynikające z niedoskonałości przemian rzeczywistych zachodzących w procesach przemysłowych. Z praktyki eksploatacyjnej wynika, że niezmiernie ważną sprawą jest świadomość rzeczywistego poziomu strat generowanych na każdym z etapów procesu pompowania.wiedza ta jest elementem koniecznym do prowadzenia uzasadnionych ekonomicznie działań, zmierzających do poprawy efektywności energetycznej układów pompowych. Posiadanie solidnej bazy wiedzy o pracy danego układu pompowego stanowić będzie cenne wsparcie w podjęciu decyzji inwestycyjnych, których celem jest minimalizacja nadmiernych strat występujących w układach technologicznych. Osiągnięcie celu w zakresie poprawy efektywności energetycznej układu pompowego, możliwe jest zazwyczaj w kilku wariantach realizacyjnych zróżnicowanych wskaźnikami efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia. W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe obszary generowania strat w układach pompowych oraz wnioski z wykonanej analizy możliwości dopasowania istniejącego układu pompowego do potrzeb pracy w warunkach zmiennej wydajności. Jednym z celów artykułu jest wskazanie na istotność analizy przedinwestycyjnej, która pozwala na wyłonienie najbardziej korzystnego wariantu modernizacji umożliwiającego dostosowanie urządzenia do pracy przy zmiennym obciążeniu hydraulicznym. Charakterystyki przepływowe pompy wiedza podstawowa o urządzeniu Każda pompa posiada swoje charakterystyki przepływowe, które najczęściej są wyznaczane na stanowisku odbiorczym w fabryce. Stanowią one wiedzę podstawową o urządzeniu. W ich skład wchodzą: - charakterystyka wysokości podnoszenia, - charakterystyka mocy na wale, - charakterystyka sprawności, - charakterystyka wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej. 1 / 5

2 Charakterystyki wymienionych wielkości w funkcji wydajności danej pompy stanowią bazę do oceny jej pracy na stanowisku roboczym, a także są jej charakterystykami referencyjnymi. Analiza pracy pompy na podstawie tylko jednej z charakterystyk, na przykład mocy na wale czy wysokości podnoszenia, jest dalece niewystarczająca, ponieważ pompa przy dotrzymaniu mocy na wale może pracować ze znacznie obniżoną wysokością podnoszenia, co w efekcie przełoży się na zaniżenie jej sprawności. Bardzo istotna jest również charakterystyka wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej, gdyż jej zapewnienie warunkuje właściwą pracę pompy w zakresie, w jakim została dobrana. Wiedza ta pozwala również na ocenę stanu układu napływowego pompy. Układy pompowe rodzaje strat energii W układach pompowych występują następujące straty energii, które swoje źródła posiadają poza obszarami wynikającymi z nieodwracalności przemian rzeczywistych: niedostosowania instalacji pompowej do potrzeb obiektu (pod względem ilości urządzeń, jak również hydraulicznie), nieodpowiedniego doboru pompy do instalacji (zbyt duża wysokość podnoszenia lub/i wydajność), złego stanu technicznego pomp, energochłonnego sposobu regulacji, niewłaściwego doboru silników napędowych. Przykładowa struktura strat w transporcie cieczy przedstawiona została na rysunku 1, na podstawie badań przeprowadzonych w USA [1]. Większość wymienionych strat wpływających na wzrost energochłonności w układach pompowych jest identyfikowalna w trakcie badań obiektowych, podczas których dokonuje się wyznaczenia charakterystyk przepływowych. Nieco inaczej sprawa wygląda w przypadku wyznaczania rzeczywistej sprawności silników napędzających pompy. Badania takie (zwłaszcza na dużych jednostkach) są realizowane niezmiernie rzadko z uwagi na problemy związane z ich wykonaniem (silnik najczęściej musi zostać zdemontowany ze stanowiska roboczego i przewieziony na stanowisko laboratoryjne). Z różnych publikacji i doświadczeń eksploatatorów, którzy w swojej praktyce zlecali tego typu badania wynika, że obniżenie sprawności silnika właściwie eksploatowanego w trakcie około dwudziestoletniego okresu eksploatacji jest na poziomie 1 3%. Tego typu silniki posiadają również gorszą sprawność katalogową od dostępnych obecnie silników wysokosprawnych. Różnica ta wynosi przeważnie 2 4% w punkcie pracy silnika. Sumaryczny poziom potencjału oszczędności na silniku napędzającym pompę osiąga zazwyczaj poziom kilku procent. Dostosowanie pompy do potrzeb układu Dosyć często na obiektach energetyki zawodowej i przemysłowej stosowane jest rozwiązanie 2 / 5

3 polegające na zainstalowaniu pracujących równolegle grup pomp o różnych wydajnościach dostosowanych do potrzeb pracy układu w zmieniających się skokowo warunkach. Przykład tak zaprojektowanego układu przedstawiono na rysunku 2. Taki układ jest stosunkowo mało elastyczny i jego optymalna praca ma miejsce wówczas, gdy pracuje bardzo blisko projektowego obciążenia hydraulicznego (w jednym z projektowych reżimów pracy). Został on dodatkowo doposażony w kaskady tyrystorowe umożliwiające regulację prędkości obrotowej i tym samym bardziej optymalną pracę w stosunku do warunków projektowych, które w zakresie obciążenia hydraulicznego uległy z czasem zmianie. Dodać należy również, że zainstalowane kaskady tyrystorowe są urządzeniami dosyć wiekowymi i awaryjnymi, tak więc często zdarza się, że dostosowanie parametrów pracujących pomp do potrzeb układu odbywa się metodą dławieniową. Strata ciśnienia na zaworze regulacyjnym w przypadku indywidualnej pracy jednej pompy typu B, w eksploatacyjnym zakresie wydajności (uzyskanym w trakcie pomiarów) m3/h, wynosi m. Taki stan rzeczy stał się podstawą do wykonania pomiarów układu i wykonania wariantowej analizy dostosowania obecnie pracujących pomp do potrzeb układu technologicznego. W trakcie pomiarów i analiz układu wyznaczono charakterystyki przepływowe, jak również wyznaczono opory hydrauliczne w układzie wraz z wyznaczeniem strat ciśnienia na zaworze regulacyjnym. Na tej podstawie dokonano analiz, które pozwoliły na: - wyznaczenie charakterystyk przepływowych, - analizę zasadności zastosowania kaskady tyrystorowej lub falownika, - analizę optymalizacji parametrowej, - wybór optymalnego wariantu dostosowania pomp do układu. Moc na wale pompy B przy regulacji kaskadą tyrystorową wyznaczono z bilansu mocy i strat silnika pierścieniowego z kaskadą tyrystorową w obwodzie wirnika. Moc elektryczną czynną silnika obliczano metodą iteracyjną, przyjmując w pierwszym przybliżeniu, że jest ona równa mocy elektrycznej pobranej z sieci. Następnie korygowano ją o wartość mocy poślizgowej z uwzględnieniem strat powstających na drodze przepływu energii elektrycznej. Obliczenia prowadzono aż do uzyskania stałej wartości mocy w obwodzie stojana silnika. Obliczenia przeprowadzono dla kilku prędkości obrotowych pompy w zakresie obr/min. Z wyznaczonych na tej podstawie charakterystyk regulacyjnych pompy z kaskadą tyrystorową można odczytać, że dla zapewnienia pracy pompy według krzywej oporów hydraulicznych (bez zaworu regulacyjnego) wymagana jest minimalna prędkość obrotowa 1150 obr/min. Regulacja prędkości obrotowej pompy kaskadą tyrystorową dla wydajności od wartości maksymalnych, leżących na linii oporów hydraulicznych sieci, do wartości minimalnych uzyskanych w czasie pomiarów powoduje obniżenie mocy pobieranej przez napęd pompy od wartości zmierzonej (przy regulacji dławieniowej) wynoszącej kw do wartości kw dla prędkości obrotowych obr/min. Dla referencyjnej (najczęściej występującej) wydajności pomp wynoszącej 500 m3/h obniżenie mocy pobranej przez napęd pompy (w odniesieniu do poboru przy regulacji dławieniowej) wynosi kw dla prędkości obrotowych obr/min. 3 / 5

4 Symulację regulacji pompy B falownikiem przeprowadzono w takim samym zakresie jak kaskadą tyrystorową. Zastosowano metodykę obliczeniową według normy dotyczącej pomiarów i wyznaczania parametrów pracy pomp [2]. Z wyznaczonych na tej podstawie charakterystyk regulacyjnych pompy z falownikiem można odczytać, że dla zapewnienia pracy pompy z falownikiem wedlug krzywej oporów hydraulicznych (bez zaworu regulacyjnego) wymagana jest minimalna prędkość obrotowa 1150 obr/min, czyli tak jak w przypadku regulacji kaskadą tyrystorową. Regulacja prędkości obrotowej pompy falownikiem dla wydajności od wartości maksymalnych, leżących na linii oporów hydraulicznych sieci, do wartości minimalnych uzyskanych w czasie pomiarów powoduje obniżenie mocy pobieranej przez napęd pompy od wartości zmierzonej (przy regulacji dławieniowej) wynoszącej kw do wartości kw dla prędkości obrotowych obr/min. Dla referencyjnej wydajności pomp wynoszącej 500 m3/h obniżenie mocy elektrycznej pobranej z sieci przez napęd z falownikiem (w odniesieniu do poboru przy regulacji dławieniowej) wynosi kw dla prędkości obrotowych obr/min. Symulację regulacji parametrowej pompy B przez stoczenia wirnika przeprowadzono dla średnicy wirnika z przedziału 93 79% wartości nominalnej, co odpowiada stoczeniu wirnika o 7 21%. Analogicznie jak w poprzednich wariantach wyznaczono charakterystyki regulacyjne pompy B, wykorzystując tym razem również metodykę według [3]. Przeprowadzając symulację pracy pomp w powyższych przedziałach stoczenia wirnika uzyskano zmniejszenie mocy pobieranej z sieci od wartości zmierzonej wynoszącej kw do wartości kw dla stoczenia średnicy wirnika w zakresie 7 21% Dla zapewnienia przepływu wody grzewczej w pełnym zakresie ( m3/h) wstępne stoczenie wirnika nie powinno przekroczyć 12%. Jeżeli po stoczeniu nadal pozostaje wystarczająca rezerwa wysokości podnoszenia, można dokonać ponownego stoczenia wirnika. Dla referencyjnej wydajności pomp wynoszącej 500 m 3 / h i stoczenia wirnika o 12% pobór mocy z sieci zmniejsza się o około 150 kw. Podsumowanie W przedstawionym przykładzie przeprowadzonej wielowariantowej analizy dostosowania pompy do potrzeb układu technologicznego wykazano, że największe efekty energetyczne można uzyskać dzięki optymalnemu doborowi parametrowemu pompy (tabela 1). Dobór parametrowy pompy jest działaniem najbardziej efektywnym i w dużej części przypadków także najtańszym, ponieważ jest zazwyczaj do zrealizowania na etapie prowadzenia planowanego remontu pompy. Takie działania muszą jednak być wykonywane każdorazowo przez wyspecjalizowane w tego typu pracach służby remontowe. Zmiany wprowadzone w pompie poprzez stoczenie wirnika są nieodwracalne i dlatego bardzo istotne jest doświadczenie w tym zakresie. Przeprowadzanie takich analiz jest bardzo istotne, ponieważ regulacja dławieniowa, która stanowi punkt odniesienia do kolejnych rozpatrywanych wariantów modernizacji, może czasem 4 / 5

5 być uzasadniona ekonomiczne. Zastosowanie kosztownych układów umożliwiających regulację prędkości obrotowej pompy może dać niewielkie efekty ekonomiczne, co z kolei będzie skutkować nieakceptowanym w skali przedsiębiorstwa okresem zwrotu dla takiego przedsięwzięcia. Podsumowując, wielowariantowa analiza pomaga w podjęciu trafnych decyzji. W przedstawionym przykładzie wskazała, że działaniem najbardziej uzasadnionym ekonomicznie był dobór parametrowy pompy, a w następnej kolejności powinny zostać podjęte działania mające na celu zastosowanie urządzeń umożliwiających regulację prędkości obrotowej. Literatura [1] Jędral W.: Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych. Krajowa Agencja Poszanowania Energii, Warszawa [2] Norma PN-EN ISO 9606.: Pompy wirowe. Badania odbiorcze parametrów hydraulicznych. [3] Stępniewski M.: Pompy. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [4] Skowroński M.: Układy pompowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław "Energetyka" 7/2010 Biuletyn Naukowo - Techniczny Energopomiaru nr 3-4 ( ) 5 / 5