Rozruch pompy wirowej Rozruch pompy wirowej jest procesem zachodzącym w czasie, od chwili załączenia napędzającego ją silnika do chwili osiągnięcia przez pompę wymaganego stanu pracy. Zgodnie z tym założeniem osiągnięcie przez pompę roboczej prędkości obrotowej nie musi kończyć procesu rozruchu. Opis rozruchu pompy napędzanej silnikiem elektrycznym ma znaczenie dla poznania i dla oddziaływania na obciążenie silnika i sieci zasilającej. Większość pomp wirowych jest napędzana silnikami elektrycznymi, zwykle asynchronicznymi, klatkowymi. Rozruch pomp wirowych jest uznawany za wyjątkowo lekki. Wynika to z dużej nadwyżki momentu rozruchowego, jaką dysponuje silnik, nad momentem wymaganym przez pompę. Nadwyżka ta, wyznaczając czas niezbędny do uzyskania prędkości roboczej, jest różna dla różnych pomp oraz sposobów ich załączania do pracy. Charakterystyka momentu silnika Parametry nominalne silnika asynchronicznego odnoszą się do punktu jego charakterystyki, w którym prędkość obrotowa jest mniejsza od synchronicznej o nominalną wartość poślizgu. Prędkość synchroniczną wyznacza częstotliwość sieci i liczba par biegunów silnika n s =f/p. Poślizg, zależny od mocy, liczby biegunów i wykonania silnika, wynosi zwykle kilka procent. Przeciążenie silnika, w granicach, na które pozwalają zabezpieczenia prądowe, powoduje niewielki wzrost poślizgu. Poślizg silnika niedociążonego jest mniejszy od nominalnego, a przeciążonego - większy. Rysunek 1 przedstawia typową charakterystykę rozruchową silnika asynchronicznego. Moment silnika w chwili załączenia jest kilkakrotnie większy od nominalnego. W procesie rozruchu moment ten początkowo lekko wzrasta, następnie maleje. Podobnie pobór prądu przez silnik w momencie jego załączenia ma wartość kilkakrotnie przewyższającą wartość nominalną, następnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnie maleje.
Rys. 1. Charakterystyka rozruchowa silnika asynchronicznego klatkowego. Moment i pobór prądu w funkcji prędkości obrotowej, wyrażonej stosunkiem do prędkość synchronicznej n/n s. Charakterystyka momentu pompy W teorii wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wydajność pompy rośnie liniowo, wysokość podnoszenia z kwadratem, a moc z trzecią potęgą prędkości. Dotyczy to parametrów pracy, które ustalą się po zwiększeniu prędkości obrotowej. Wynika stąd, że moment obrotowy pompy, czyli moment pokonywany przez silnik: M = P/w = 9549 P/n, (M w Nm; P w kw; n w min -1 ), zależy od kwadratu tej prędkości. Podczas rozruchu, zwłaszcza w pierwszej fazie, te proste zależności, wynikające z teorii podobieństwa, nie są spełnione. Wynika to z rzeczywistych warunków przepływu w kanałach pompy, zwłaszcza oddziaływania masy cieczy w rurociągu [1], tym silniejszego, im dłuższy jest rurociąg. Przy najniższych obrotach paraboliczna zależność momentu od obrotów zostaje zakłócona wpływem oporów tarcia i bezwładnością mas cieczy we wnętrzu pompy. W wyniku tego przebieg momentu pompy w procesie jej rozruchu przedstawia się jak na rysunku 2.
Rys. 2. Teoretyczne zależności parametrów pompy w trakcie rozruchu (na krótki rurociąg) z uwzględnieniem wpływu tarcia i bezwładności cieczy wewnątrz pompy na przebieg momentu. Rozruch silnika Warunki rozruchu silnika determinuje czas, w jakim osiąga on prędkość roboczą. Krótki czas to lekki rozruch, czyli mniejsze obciążenie cieplne silnika. Czas rozruchu zależy od charakterystyki momentu maszyny napędzanej, a, ściśle rzecz biorąc, od różnicy między momentami silnika i tej maszyny w przedziale obrotów od zera do wartości, w której momenty się wyrównują. Im większa jest ta różnica, tym w krótszym czasie osiągnięty zostaje stan równowagi, czyli tym czas trwania poboru prądu o dużym natężeniu jest krótszy, łatwiejszy jest rozruch. Czas rozruchu określa w przybliżeniu zależność: gdzie: dm śr - różnica między średnią wartością momentu silnika i maszyny napędzanej w przedziale obrotów od zera do roboczych w Nm; l - moment bezwładności zespołu wirującego silnika i maszyny w kgm 2 ; n - prędkość obrotowa w końcowej fazie rozruchu w min -1. Zrównanie momentu silnika z momentem maszyny napędzanej wyznacza prędkość obrotową uzyskaną po rozruchu silnika - co przedstawia rysunek 3. Jest ona mniejsza lub większa od prędkości nominalnej, zależnie od obciążenia silnika pobieraną mocą. Warunki rozruchu, łatwiejsze lub trudniejsze, zależą od charakterystyki pompy.
Rys. 3. Końcowa faza rozruchu silnika. Wyżej przebiegająca charakterystyka maszyny wyznacza trudniejsze warunki rozruchu i pracę z większym poślizgiem. Niżej przebiegająca skutkuje łatwiejszym rozruchem i mniejszym poślizgiem. Rozruch pompy Rozruch silnika kończy się z chwilą uzyskania prędkości roboczej. Uzyskana w tym momencie wydajność pompy różni się zwykle od wymaganej. W większości przypadków zachodzi więc potrzeba ich zmiany, co wiąże się z przedłużeniem procesu rozruchu pompy. Zachodzą tu sytuacje, które warto omówić. W opisach, dla ich jasności, dokonano pewnych uproszczeń, niemających wpływu na poprawność ostatecznych, praktycznych wniosków, np. zmiany ciśnienia potraktowano jako zmiany wysokości podnoszenia, pominięto wpływ przepływu w rurociągu ssawnym. TYPOWE PRZYPADKI ROZRUCHU POMP ODŚRODKOWYCH Poniżej omówiono cztery praktycznie spotykane sposoby rozruchu na przykładzie pompy odśrodkowej. W każdym z nich charakterystyka HQ i charakterystyka zapotrzebowania mocy PQ (wzrastającej wraz z wydajnością) oraz charakterystyka rurociągu (z wyjątkiem przypadku pompy cyrkulacyjnej) i punkt pracy są identyczne. Rozruch bezpośrednio do punktu pracy Najprostszym przypadkiem jest rozruch pompy przy otwartym zaworze na sieć o oporach zależnych tylko od natężenia przepływu. Proces rozruchu pompy pokrywa się w czasie z procesem rozruchu silnika. Wszystkie parametry rosną od zera do wartości w punkcie pracy, który pompa osiąga wraz z osiągnięciem prędkości roboczej. Przypadek ten jest charakterystyczny dla rozruchu pomp cyrkulacyjnych i został przedstawiony na rysunku 4.
Rys. 4. Zmiana parametrów w trakcie rozruchu pompy bezpośrednio do punktu pracy. Rozruch pompy odśrodkowej przy zamkniętym zaworze na tłoczeniu Uruchomienie następuje przy Q=0 i H=0. Silnik zwiększa obroty do prędkości roboczej. W tym czasie ciśnienie na tłoczeniu oraz moc pobierana przez pompę osiągają wartości odpowiadające punktom S - rysunek 5.
Rys. 5. Zmiany parametrów w trakcie rozruchu pompy przy zamkniętym, a następnie stopniowo otwieranym zaworze na tłoczeniu. W trakcie stopniowego otwierania zaworu wysokość podnoszenia spada do wartości wyznaczonej charakterystyką rurociągu, moc pompy rośnie do wartości odpowiadającej punktowi R. Zmiany przebiegają po linach pogrubionych. Rozruch pompy odśrodkowej przy otwartym zaworze na pusty rurociąg Rurociąg tłoczny jest pusty, a jego objętość powoduje nieznaczne zwiększenia oporów w trakcie napełniania, w czasie rozruchu silnika. Uruchomienie następuje przy Q=0 i H=0. Silnik zwiększa obroty do prędkości roboczej. Ciśnienie pozostaje bez zmian, wydajność i moc pobierana rosną wraz z prędkością obrotową i uzyskują wartości odpowiadające punktom M na wykresach - rysunek 6. Jeśli od tej chwili ciśnienie w rurociągu zacznie wzrastać - zacznie wzrastać wysokość podnoszenia i zmniejszać się będzie pobór mocy, jak pokazano na wykresach liniami pogrubionymi. Dokonany opis upraszcza nieco przebieg zjawiska. W fazie rozruchu silnika wystąpić może pewien wzrost ciśnienia, np. gdy napełniany jest rurociąg pionowy. Punkt M przesunie się nieco w górę na charakterystykach (linia przerywana na rysunku 6). Uproszczenie w tym przypadku jest niewielkie.
Rys. 6. Zmiana parametrów w trakcie rozruchu pompy i napełnienia pustego rurociągu. Jeśli rurociąg nie posiada zaworu, proces rozruchu trwa do osiągnięcia całkowitego napełnienia. Rozruch pompy odśrodkowej z zaworem zwrotnym Zawór na rurociągu tłocznym otwiera się samoczynnie, gdy ciśnienie w pompie przekroczy wartość ciśnienia w rurociągu. Do tej chwili pompa pracuje z wydajnością Q=0. Po otwarciu następuje stopniowy wzrost natężenia przepływu odpowiednio do wzrostu oporów. Przypadek ten jest charakterystyczny dla instalacji ciśnieniowych, ilustruje go rysunek 7.
Rys. 7. Zmiana parametrów w trakcie rozruchu pompy z zaworem zwrotnym. Porównanie procesu rozruchu pomp odśrodkowych Rozruch pompy o typowych charakterystykach H (Q) i P(Q) oraz parametrach w punkcie pracy, z silnikiem prawidłowo dobranym do tych warunków, przebiegać może różnie. Rozpatrzone wyżej typowe procesy rozruchu można opisać, porównując funkcje momentu od prędkości obrotowej - rysunek 8. Założono tu, że rozruch w każdym przypadku kończy się po uzyskaniu punktu oznaczonego przez R. Najtrudniejsze warunki stwarza rozruch na pusty rurociąg. Z rysunku 6 wynika, że silnik musi pracować z mocą większą od odpowiadającej warunkom ustalonym. Długi czas pracy w warunkach przeciążenia, zanim samoczynnie wzrośnie wysokość podnoszenia i zmaleje pobór mocy, jest przyczyną występujących często awarii. Najkorzystniejsze obciążenie silnika w trakcie uruchamiania uzyskuje się, stosując uruchamianie pompy z zaworem zwrotnym. Krańcowo korzystnym przypadkiem jest tu rozruch pompy cyrkulacyjnej, której parametry QH wzrastają stopniowo od zera bez konieczności pokonania ciśnienia niezbędnego dla otwarcia zaworu.
Rys. 8. Porównanie procesów rozruchu pompy odśrodkowej. Rozruch pomp śmigłowych Specyfika działania wirnika śmigłowego powoduje odmienność charakterystyki pomp śmigłowych i odśrodkowych. Krzywa HQ pompy śmigłowej jest stroma, a w obszarze małych wydajności jej praca jest niestabilna, a tym samym niezalecana (lub niemożliwa). Podobnie przebiega charakterystyka zapotrzebowania mocy. Maleje ona silnie wraz z wydajnością. Wnioski dotyczące rozruchu pomp odśrodkowych nie dotyczą pomp śmigłowych i pomp diagonalnych o dużych wyróżnikach szybkobieżności. Najkorzystniejsze warunki rozruchu pomp śmigłowych występują w pompowniach o krótkich rurociągach i minimalnych geometrycznych wysokościach podnoszenia, rosnących po rozruchu (rysunek 9), co stwarza warunki porównywalne do rozruchu na pusty rurociąg - rysunek 6. Rozruch pomp diagonalnych wymagać może procedur podobnych do rozruchu pomp odśrodkowych lub śmigłowych, co zależy od ich szybkobieżności. Powinien być planowany na podstawie charakterystyk HQ i zaleceń producenta. Występujące w praktyce szczególne przypadki rozruchu, np. rozruch od stanu wstecznego przepływu, wymagają indywidualnych analiz [1]. Rys. 9. Rozruch pompy śmigłowej na krótki, poziomy rurociąg.
Inne ograniczenia warunków rozruchu W przypadku pomp odśrodkowych o niestatecznych charakterystykach przepływu, istnieje przekonanie o trudnościach występujących w przypadku ich pracy. Tymczasem rozruch, jak i praca przebiegać będą bez zakłóceń w całym zakresie wydajności, nawet w stanach bliskich Q=0. Rozruch odbywa się tak jak ilustrowany rysunkami od 3 do 7. Praca pompy ulegnie zakłóceniu tylko w szczególnym przypadku, gdy statyczna wysokość podnoszenia zwiększy się (przez podniesienie poziomu lub ciśnienia) do poziomu odpowiadającemu punktowi Q=0. Zmiany o charakterze dynamicznym spowodują wahania natężenia przepływu w szerokim zakresie - rysunek 10. Jeśli taka sytuacja ma miejsce przed uruchomieniem pompy, wówczas jej wprowadzenie do pracy może okazać się niemożliwe lub doprowadzi do nieustalonych warunków. Rys. 10. Rozruch i praca pompy o niestatycznej charakterystyce przepływu. a) pompa jest uruchamiana bez trudności, praca przebiega poprawnie w całym zakresie wydajności b) ciśnienie statyczne powoduje, że wysokość podnoszenia przy przewyższa wysokość podnoszenia przy Q=0; rozruch i praca pompy są niemożliwe. Stosowanie pomp o niestatecznych charakterystykach przepływu w układach wielopompowych jest szczególnie ryzykowne. We współpracy pomp o różnych charakterystykach na wspólny rurociąg warunkiem powodzenia rozruchu jest uruchamianie pompy o mniejszej wysokości podnoszenia jako pierwszej. Odwrotna kolejność uruchamiania może prowadzić do obciążenia pompy ciśnieniem, którego w fazie rozruchu nie jest w stanie pokonać. Trudności w fazie rozruchu, nawet uniemożliwiające rozruch, występują często w przypadku pomp
niewłaściwie dobranych do warunków pracy. Gdy wysokość podnoszenia pompy jest zbyt duża w stosunku do wymaganej, wówczas pompa pracuje w punkcie o zbyt dużej wydajności. Zdolność ssania pompy jest tym mniejsza, im większa jest jej wydajność, w krańcowych, jednak często spotykanych przypadkach, uruchomienie takiej pompy w sposób pokazany na rysunkach 4,6 i 7 staje się niemożliwe. Pompa musi być uruchamiana przy zamkniętym i następnie stopniowo otwieranym zaworze, jak na rysunku 5. WNIOSKI Rozruch pompy wirowej, napędzanej silnikiem asynchronicznym, klatkowym, traktowany jako proces kończący się uzyskaniem parametrów punktu pracy, ma charakter rozruchu lekkiego. Z uwagi na obciążenie prawidłowo dobranego silnika oraz sieci zasilającej stosuje się zwykle bezpośrednie włączanie silnika do sieci. W szczególnych warunkach zasilania uzasadnione może być stosowanie załączanie przy użyciu przełącznika trójkąt-gwiazda. Stosowanie urządzeń miękkiego rozruchu (soft startów) wydaje się niecelowe i powinno być rzetelnie analizowane pod kątem kosztów. Literatura: 1. 2. Jędral W., "Rozruch pompy śmigłowej przy początkowym przepływie wstecznym", "PP" 4/2002. Świtalski P., "Rozruch pompy wirowej. Obciążenie silnika i sieci", "PP" 1/1996. Opracowanie redakcja na podstawie materiałów z czasopisma "Pompy Pompownie" (4/2010). Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji.