Wstęp

Rosnące ceny energii elektrycznej i konieczność osiągnięcia nałożonych celów klimatycznych wymusza wykonanie pogłębionych analiz układów transportu cieczy i oceny, czy nie dochodzi w nich do strat energii na skutek dławienia ciśnienia lub jałowych zrzutów cieczy.
Doskonałym przykładem takich systemów są układy technologiczne chłodzenia wody w zakładach przemysłowych z centralną pompownią, zasilającą odbiorniki o różnym oporze hydraulicznym. Mogą to również być sieci wodociągowe lub ciepłownicze, w których ze względu na ukształtowanie terenu lub bliskości centralnej pompowni od odbiorcy, wymagane jest stosowanie regulatorów w celu obniżenia ciśnienia do wymaganej wartości. Wartość traconej energii w ilości od kilku do kilkunastu (czasami kilkudziesięciu) kilowatów sprawia, że zagospodarowanie takich „źródeł” jest ekonomicznie uzasadnione wyłącznie w przypadku niskich kosztów inwestycji. Dobrym sposobem na zagospodarowanie powyższych „źródeł” jest wykorzystanie pomp do pracy w ruchu turbinowym - PAT. Pewnym problemem w ich zastosowaniu są niedoskonałe modele matematyczne, służące do obliczenia rzeczywistych parametrów pracy w tym sprawności i w większości brak szeroko dostępnych rzeczywistych charakterystyk energetycznych pracy pomp jako PAT. Problem stanowi również wąski możliwy do uzyskania zakres regulacji przepływu w układzie z wykorzystaniem PAT.
W związku z powyższym w 2021 r. w Hydro-Vacuum S.A. rozpoczęto prace nad budową typoszeregu miniturbin o przełyku od 100 do 1000 m3/h, do których produkcji wykorzystane są elementy konstrukcyjne nowoprojektowanych pomp. Prace wykonywane są w ramach projektu pt. „Prace badawcze nad opracowaniem zintegrowanej innowacyjnej konstrukcji miniturbin i pomp normowych”.
Projekt współfinansowany jest z Funduszy Europejskich w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój - konkurs: Szybka Ścieżka. Głównym celem projektu jest opracowanie miniturbin o wyższej sprawności niż PAT umożliwiających szeroki zakres regulacji, przy zachowaniu ceny zbliżonej do ceny pomp. Wyniki pomiarów rzeczywistych charakterystyk pracy miniturbin będą zamieszczone w ogólnodostępnej bazie danych (PDP) znajdującej się na stronie: PDP, tak aby każdy mógł samodzielnie dokonać wstępnego doboru urządzania i wykonać rachunek ekonomiczny przedsięwzięcia.

Rodzaje konstrukcji miniturbin THV

W ramach przeprowadzonych prac badawczych opracowano trzy rozwiązania konstrukcyjne miniturbin:

• THV - miniturbina bez łopatkowej kierownicy wlotowej ze specjalnie ukształtowanym wirnikiem wielołopatowym (rys.1.)
• THVf – miniturbina z kierownicą wlotową o regulowanym z zewnątrz kącie ustawienia łopatek i wirnikiem o konstrukcji wzorowanej na turbinie wodnej typu Francisa (rys. 2.)
• THVfc - miniturbina z kierownicą wlotową o stałym kącie ustawienia łopatek i wirnikiem o konstrukcji wzorowanej na turbinie typu Francisa

Parametry energetyczne i zakres regulacji

Na skutek zastosowania specjalnej konstrukcji układu przepływowego, opracowane miniturbiny charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną o wartościach nominalnych od 80 do 84% i są to wartości o kilka % wyższe niż osiągają pompy w ruchu turbinowym (PAT).

Miniturbiny THV i THVfc zaprojektowano z myślą o pracy na stałe parametry. Zakres regulacji można rozszerzyć wyposażając układ w przekształtnik częstotliwości umożliwiający prace ze zmienną prędkością obrotową. W przykładzie pokazanym na rys. 3, zilustrowano pracę miniturbiny THV.150-400 w układzie, w którym wymagane jest dławienie o wartości 35m. Poprzez zmianę prędkości obrotowej od 770 do 1220 1/min uzyskano zakres pracy od 380 do 535 m³/h, co odpowiada wartości 31% nominalnego przełyku (Qn) miniturbiny. Sprawność w tym zakresie zaczyna się od 63% dla najmniejszego przepływu, poprzez 81,1% dla parametrów nominalnych i 76,5% dla maksymalnego przełyku. Graficzny rozkład wypadkowej sprawności w trakcie regulacji prędkości obrotowej zilustrowano czarną krzywą na rys. 3. Odnotowuje się dość niekorzystne zjawisko obniżenia sprawności dla przepływu odbiegającego od nominalnego.

Zastosowanie w turbinach THVf możliwości płynnej zmiany kąta ustawienia łopat umożliwia osiągnięcie znacznie szerszego zakresu regulowanej pracy niż w THV i THVfc. Dla analogicznego przypadku jak powyżej dobrano miniturbinę THVf.150-250 o mniejszym gabarycie niż THV.150-400, ale pracującą z wyższą nominalną prędkością obrotową (n=1520 1/min). Dla spadu 35 m, zakres regulacji wynosi od 418 do 643 m³/h, co odpowiada wartości 46% Qn. Dodatkowo uzyskiwane są znacznie wyższe sprawności zaczynające się od 73% dla najmniejszego przepływu, poprzez 82,3 dla parametrów nominalnych i 81% dla przełyku maksymalnego. Stromość wypadkowej charakterystyki sprawności zilustrowanej czarną linią na rys. 4 jest znacznie mniejsza niż dla THV.150-400, co w połączeniu z szerszym zakresem regulacji daje możliwość większej produkcji energii.