Artykuł opublikowany w czasopiśmie Energetyka Cieplna i Zawodowa 2019, nr 3, s. 53-60.
Prawa autorskie do dalszego rozpowszechniania są zastrzeżone.

dr inż. Przemysław Szulc – Politechnika Wrocławska,
dr inż. Witold Lorenz – Główny Specjalista ds. Obliczeń Numerycznych Hydro-Vacuum S.A.

Słowa kluczowe: pompa wirowa, energetyka zawodowa, efektywność energetyczna pomp wirowych, układy pompowe
Zdarza się, że po wykonaniu obiektu i uruchomieniu agregatu, poprawnie dobrane jednostki nie pracują prawidłowo. Jednym z powodów może być niezgodność wykonanego obiektu z dokumentacją. Znane są przypadki, również poruszane na Kongresach Użytkowników Pomp, w których instalacja na etapie budowy pozbawiona została drugiej nitki rurociągu lub nawet całego segmentu technologicznego. Dobrane pompy główne, w obu przypadkach, pozostały bez zmian i nie przeprowadzono stosownych obliczeń weryfikacyjnych. Nie bez znaczenia jest również jakość prowadzonych obliczeń hydraulicznych. Należy mieć na uwadze, że powszechnie dostępne współczynniki i formuły wykorzystywane w kalkulacji strat zostały wyznaczone w pierwszej połowie XX wieku i nie uwzględniają nowych technologii w produkcji rurociągów oraz armatury. Ponadto producenci niestandardowych elementów instalacji często nie podają wartości współczynników oporu, co warunkowane jest szeregiem przyczyn, w większości ekonomicznych. Proces doboru komplikuje się, gdy przedmiotem analizy jest układ o niewielkich stratach, współpracujący z szybkobieżną pompą o płaskiej charakterystyce. W tym przypadku niewielkie niedoszacowanie lub przeszacowanie strat w układzie może doprowadzić nie tylko do pracy poza punktem optymalnym, ale również „wypadnięcia” pompy z charakterystyki zalecanej przez producenta i „wejście” w obszar niestabilności lub kawitacji. W artykule poruszono problem współpracy równoległej mieszadeł pompujących na przykładzie instalacji recyrkulacji wewnętrznej, w którym zidentyfikowano wspomniane problemy.

Wprowadzenie

Zmiana sposobu pracy pomp może korzystnie wpłynąć na zmniejszenie zużycia energii, tak ważnego w czasach, kiedy duży nacisk kładzie się na ochronę środowiska. Poza korzyściami środowiskowymi, działania te przynieść mogą również wymierne korzyści ekonomiczne.

Energia elektryczna nieodłącznie związania jest z rozwojem gospodarki. Udział przemysłu w jej zużyciu wynosi około 42%, a największym jej przemysłowym konsumentem są silniki elektryczne [8]. Wynika to z faktu, że stosowane są do napędzania wielu maszyn roboczych, w tym i oczywiście przetłaczających ciecze. Udział pomp w zużyciu energii pobieranej przez napędy stosowane w przemyśle oceniany jest różnie. Szacuje się go na poziomie od około 20% do ponad 35%. Uznaje się, że zużycie energii elektrycznej przez pompy sięga około 20-30%, w tym 5-7% przypada na potrzeby własne elektrowni, związane z ich pracą. W związku z powyższym, pompy oraz ich systemy są maszynami zużywającymi znaczne ilości energii, a zwiększenie efektywności maszyn wirowych (za pośrednictwem regulacji wieloelementowej [1, 4, 5, 6]) przyczynia się do zmniejszenia kosztów związanych z wytwarzaniem energii elektrycznej. Zwiększa to efektywność energetyczną procesu, zdefiniowaną jako zależność wymiernego wyniku danego procesu, odwrotnie proporcjonalną do ilości energii zużytej do osiągnięcia ww. wyniku [2, 3].

Zwiększenie efektywności energetycznej w procesie pompowania należy prowadzić wielopłaszczyznowo (rys. 1). Oznacza to, że poszukiwanie potencjalnych oszczędności należy przeprowadzić globalnie, a nie dla poszczególnych elementów systemu, takich jak pompy, silniki itp. Analizując łańcuch przekazywania energii w układach pompowych [7], można zdefiniować sześcioetapowy proces analizy ich pracy pod względem energetycznym:

• zastosowanie dopracowanych napędów elektrycznych zgodnie z regułą najlepszej dostępnej technologii (oszczędności w zużyciu energii około 2-3%),
• zastosowanie wysokosprawnych pomp zgodnie z regułą najlepszej dostępnej technologii (oszczędności w zużyciu energii około 3-5%),
• zastosowanie lepszego sposobu regulacji (oszczędności w zużyciu energii około 5-15%),
• lepsze dopasowanie pompy do układu (oszczędności w zużyciu energii około 8-10%),
• poprawa układu pompowego np. poprzez zmniejszenie strat wynikających z zastosowania odpowiedniej armatury, również optymalizacja celu pompowania (oszczędności w zużyciu energii około 10-15%),
• opracowanie planów i scenariuszy eksploatacji układu pompowego, korelując działanie różnych pomp pod względem oszczędności energii (oszczędności w zużyciu energii około 5-25%).

Uzyskanie relatywnie wysokich oszczędności w procesie pompowania cieczy możliwe jest pod warunkiem zastosowania wszystkich wyżej wspomnianych kroków.

Praca pomp w bloku energetycznym elektrowni cieplnej

Produkcja energii elektrycznej w Polsce, która w 2017 roku wyniosła niewiele ponad 165 TWh (wg PSE), pochodzi głównie z elektrowni opalanych węglem: kamiennym – około 50% i brunatnym – około 32%. Zakładając, że zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne elektrowni cieplnej związane z pracą pomp wynosi około 6,2%, przekłada się to na wartość wykorzystanej energii wynoszącej około 8,1 TWh, co odpowiada emisji CO2 na poziomie 5,3 Tg (przyjęto 630 kg CO2 na 1 MWh). Oszczędność w pracy pomp obiegu elektrowni zawodowej, przekłada się na znaczne ograniczenie śladu węglowego oraz niemałe zyski ekonomiczno-środowiskowe. Uzyskanie relatywnie wysokich oszczędności w procesie pompowania cieczy możliwe jest pod warunkiem zastosowania wszystkich wyżej wspomnianych kroków.

Działanie elektrowni cieplnej realizowane jest za pomocą obiegu Clausiusa-Rankine'a i trudno wyobrazić sobie jej pracę bez wykorzystania pomp. Na rys. 2 przedstawiono wybrane pompy w bloku elektrowni cieplnej [8]. Mimo przyjętych uproszczeń należy wskazać ich znaczną liczbę oraz krytyczny charakter działania, który warunkuje poprawną pracę bloku.

1– pompy zasilające (pompa wstępna, pompa główna, pompa częściowego obciążenia), 2 – pompa obiegowa kotła, 3 – pompa skroplin, główna, 4 – pompa skroplin z podgrzewaczy niskoprężnych, 5 – pompa wody chłodzącej, 6 – pompa wody uzupełniającej, 7 – pompa wody zdemineralizowanej, 10 – pompa oleju rozpałowego, 11 – pompa olejowa układu regulacji, główna, 12 – pompa olejowa układu regulacji, rozruchowa, 13 – pompy olejowe – główna, pomocnicza i awaryjna oleju smarowego, 14 – pompy generatora (chłodzenia i oleju uszczelniającego, 15 – pompa transportowa paliwowa, 16 – pompy hydrotransportu, żużla i popiołu, 17 – pompa wody powrotnej, 18 – pompy elektrofiltrów i instalacji odsiarczania, 19 – pompy instalacji odpopielania, 20 – pompy hydrotransportu węgla, A – kocioł, B – turbogenerator, C – zbiornik wody zasilającej, D – skraplacz, E – chłodnia kominowa, F – stacja uzdatniania wody, G – elektrofiltry i odsiarczanie, H – nawęglanie, J – składowisko żużla i popiołu

Analityczny opis regulacji bloku można przedstawić za pomocą funkcji Beziera, co pokazano na rys. 4. Krzywa Beziera umożliwia przewidywanie parametrów pracy pomp zależnych od mocy bloku energetycznego oraz ułatwia określenie ich efektywności energetycznej, dzięki czemu możliwa jest identyfikacja potencjalnych oszczędności wprowadzanych w układzie zmian.

Analiza pracy wybranych zespołów pompowych

Celem prowadzonych działań analitycznych było wykazanie, że możliwe i uzasadnione jest zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na potrzeby własne elektrowni. Realizowane było to przez najlepsze dopasowanie istniejących pomp do układów oraz zmianę dotychczasowych metod regulacji parametrów ich pracy. Pozostałe aspekty, tj. analiza układu pompowego oraz strategia prowadzenia jego eksploatacji, nie były brane pod uwagę ze względów ekonomiczno-technologicznych.

Przedmiotem analizy były wybrane zespoły pomp przedstawione w tab. 1.

Ze względu na znaczą liczbę pomp poddanych analizie, zdecydowano w skrócony sposób przedstawić ocenę działania jednej, wybranej maszyny – pompy kondensatu. Podejście to stanowi przykład oceny pompy, której parametry ściśle zalezą od mocy bloku (rys. 5). Analiza pozostałych pomp, o podobnym charakterze pracy wraz z uwzględnieniem cech charakterystycznych, jest zbliżona. Rezultaty ich analiz zestawiono w formie wyników przedstawiających potencjalne możliwości obniżenia strat energii podczas pracy w systemie technologicznym. Ocena nieregulowanych pomp lub regulowanych w wąskim zakresie prowadzono w sposób analogiczny, bez uwzględnienia zmiennej czasowej.

Do analizy wybrano jedną z pomp kondensatu oznaczoną jako (P3). Zapewnienie, wymaganych technologią obiegu, odpowiednich parametrów jej pracy, odbywa się przez regulację zaworem dławiącym, sterowanym poziomem cieczy w skraplaczu i zbiorniku wody zasilającej. Celem opisania parametrów pracy pompy, opracowano wykres uporządkowanej mocy pobieranej przez maszynę w odniesieniu do czasu jednostkowego (rys. 6). Obraz ten umożliwia określenie głębokości regulacji pompy.

Po odrzuceniu danych związanych z rozruchem i zatrzymaniem pompy, wynikających z przełączania obciążenia pomiędzy jednostkami połączonymi równolegle (zasadnicza i rezerwowa), otrzymano obraz pracy pomp pokrywający 98,6% czasu jej działania. W kolejnym etapie wykorzystano charakterystyki energetyczne pompy wyznaczone na stacji prób producenta. Określenie zakresu pracy analizowanych jednostek przeprowadzono na podstawie rejestracji wybranych parametrów, identyfikując przepływ, wysokość podnoszenia, moc pobieraną przez silnik oraz temperaturę pompowanej cieczy. Ostatecznie zakres pracy pompy porównano z krzywymi producenta, co przedstawiono na rys. 7.

Z przeprowadzonych analiz wynika, że pompa pracuje w obszarze charakterystyki zalecanej przez producenta. Uzyskane wyniki wskazują na pracę pompy po lewej stronie od punku optymalnego.

Do określenia potencjalnych korzyści wynikających z zastosowania przemiennika częstotliwości niezbędna jest znajomość krzywej oporów układu. Na podstawie wykonanych pomiarów wyznaczono przebiegi skrajnych krzywych strat układu określających obszar pracy analizowanej pompy (rys. 8).

Według przeprowadzonych analiz strata dławienia dla Q/Qn = 0,45 wynosi dHdl/Hn = 0,51, co odpowiada mocy hydraulicznej odniesionej do mocy znamionowej pompy, traconej na regulację, wynoszącej Ph/Pn = 0,135. Na rys. 9 przedstawiono wykres ilustrujący zachowanie się względnej straty dławienia wraz ze wzrostem głębokości regulacji pompy.

Alternatywą do zastosowanego sposobu regulacji dławieniowej jest aplikacja przemienników częstotliwości (regulacja zmiennoobrotowa). W celu wyzna- czenia potencjalnej straty regulacji przemienników częstotliwości i porównaniem jej ze stratą istniejącego układu stworzono model obliczeniowy odnoszący się do obszaru pracy pompy objętej analizą. Punkty pomiarowe, definiujące zakresy zmian parametrów charakterystycznych, posłużyły jako dane wejściowe do prowadzonych analiz. Założone parametry przemiennika to moc start wentylacji Pss/Pzn = 0,005, sprawność znamionowa ηzn = 0,975, całkowite straty w przemienniku Pscalk/Pzn = 0,025 i moc start przemiennika Pf/Pzn = 0,02. Stratę regulacji z wykorzystaniem przemienników częstotliwości wyznaczono z zależności

Przeprowadzona analiza pozwoliła na określenie potencjalnej straty przemiennika częstotliwości i jej zachowania się wraz ze zmianą obciążenia pompy. Symulacje przeprowadzono tak, aby zapewnić wymagane parametry hydrauliczne, tj. identyczne jak przy regulacji dławieniowej. Wartości względne uporządkowanych strat regulacji, w odniesieniu do czasu jednostkowego, przedstawiono na rys. 10.

Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdza się, że regulacja dławieniowa pompy kondensatu pochłania około 13,5% energii pobieranej przez silniki. Przy zastosowaniu regulacji zmiennoobrotowej z użyciem przemiennika częstotliwości około 2,7% energii będzie tracone na regulację, co pozwala ograniczyć stratę regulacji o około 82%. Potencjalne zastosowanie przemienników częstotliwości doprowadzi do zmniejszenia poboru energii elektrycznej o około 8-9% w okresie poddanym analizie.

Wyniki analiz pozostałych pomp przedstawiono skrótowo, opisując najważniejsze wnioski i zalecenia.

Analiza pomp zasilających (P1) i podporowych (P1a) wykazała, że roczna oszczędność energii wynikająca z zainstalowania jednego przemiennika wynosi średnio około 9,5%, dwóch 19,5%. W przypadku, kiedy jedna pompa pracuje ze sprzęgłem hydrokinetycznym, a druga z przemiennikiem częstotliwości, przy asymetrii obciążenia 55/45%, roczna oszczędność energii wynosi około 9,7%.

Wyniki przeprowadzonych analiz wykazały, że pompa skroplin podstawowych (P7) ma, podobnie jak pompa kondensatu (P3), liniową zależność poboru mocy w funkcji pary świeżej. Moc pobrana z sieci pozostałych, analizowanych jednostek nie wykazuje korelacji z mocą bloku, ilością pary świeżej lub obrotami podajników nawęglania. Przeprowadzone analizy wskazują, że pompa (P7) pracuje poza zakresem optymalnym, po lewej stronie od punktu maksymalnej sprawności. Zastosowany sposób (regulacji) agregatem generuje stratę wynoszącą około 8,4% energii pobieranej przez silniki. Zastąpienie dotychczasowej regulacji przemiennikami częstotliwości pozwoli ograniczyć zużycie energii o około 21% w skali roku.

Pompy wody chłodzącej (P2) zostały poprawnie dobrane pod względem hydraulicznym. Ewentualne oszczędności mogą wynikać ze zmiany silników na wysokosprawne. Oszacowano je na około 2%.

Głęboka regulacja pompy bagrowej (P8) powoduje znaczne straty – około 35% energii pobieranej z sieci jest tracona w sprzęgłach hydrokinetycznych. Zastosowanie przemienników częstotliwości, według przeprowadzonych analiz, pozwoli zredukować tę wartość do około 6-7%, co globalnie przełoży się na oszczędności poboru energii elektrycznej o około 30-35%.

Pompy wody ruchowej (P4) zostały poprawnie dobrane pod względem hydraulicznym. W zakresie wydajności, której odpowiada wartość sprawności maksymalnej, pompy pracują 57%-60% czasu pracy całkowitej. Ewentualne oszczędności mogą wynikać ze zmiany silnika na jednostkę o wyższej sprawności. Oszacowano je na około 2%.

Analiza pracy pompy uzdatniania kondensatu (P5) wykazała, że przeprowadzony proces modernizacji jednostki wpłynął niekorzystanie na uzyskiwane parametry hydrauliczne. Dodatkowo zastosowane silniki napędowe (ze względu na znacznie większą wartość mocy znamionowej od realnego zapotrzebowania pomp) pracują przy niedociążeniu, co negatywnie wpływa na ich sprawność. Zastosowanie maszyn zgodnie z zasadą najlepszej dostępnej technologii pozwoli zaoszczędzić, wg obliczeń, około 50% energii obecnie pobieranej.

Analiza pomp cyrkulacyjnych (P6) przetłaczających suspensję reakcyjną w MIOS wykazała, że część pomp napędzanych jest silnikami, które ze względu na zbyt małą wartość mocy znamionowej, nie zapewniają pracy ciągłej. Analiza hydrauliczna pomp (P6) pokazała, że jednostki pracują w polu największych sprawności całkowitych. Ewentualne oszczędności mogą wynikać ze zmiany silnika na jednostkę o wyższej sprawności. Oszacowano je na około 2%.

Zwiększenie efektywności energetycznej układów pompowych jest procesem wieloetapowym, podczas którego należy uwzględnić nie tylko sprawności pompy oraz silnika, ale przede wszystkim położenie punktu pracy w czasie, określając zakres jej pracy oraz pobraną energię. Należy zaznaczyć, że dobrze dobrana pompa, może pracować w układzie, który ma niepoprawną budowę pod względem generowanych strat przepływu, zatem efektywność energetyczna układu będzie niska. Ponadto energia hydrauliczna może być spożytkowana w odbiorniku w niewłaściwy sposób, a strategie prowadzenia eksploatacji pomp w skomplikowanych układach mogą być nieskoordynowane, co globalnie powoduje duże straty energii.

Przeprowadzona analiza wykazała, że możliwe jest zmniejszenie zużycia energii na potrzeby własne elektrowni o około 0,4% dla bloku referencyjnego w skali roku. W okresie objętym analizą poddanie ocenie pompy zużyły około 4,7% produkcji bloku.

Zastosowanie przemienników częstotliwości do regulacji parametrów pracy pomp w elektrowni cieplnej, choć uzasadnione pod względem ekonomicznym, należy przeanalizować ze względu na ryzyko związane z wrażliwością układu na uszkodzenia.

Należy zaznaczyć, że nie zawsze regulacja zmiennoobrotowa jest korzystna. W obiegach wody chłodzącej, lepiej jest zastosować pompy z regulacją prerotacyjną lub nastawialnym kątem położenia łopatek wirnika. Zyskujemy wtenczas większy i precyzyjniejszy zakres regulacji.

Powszechną opinię o dużej energochłonności regulacji dławieniowej i jej wątpliwej przydatności w układach pompowych należy skorelować z tym, że w przypadku płaskiej charakterystyki pompy i układu, zysk energetyczny z zastosowania regulacji zmiennoobrotowej może być wątpliwy.

Literatura

• Jackowski K., Jankowski Z., Jedral W., „Układy pompowe”. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1992.
• Jędral W., „Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych”. Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa, 2007.
• Jędral W., „Efektywność energetyczna jako ważny zasób energetyczny – porównanie z wybranymi źródłami energii”. Rynek Energii, 2011.
• Jędral W., „Pompy wirowe”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2014.
• Laudyn D., Pawlik M., i in. „Elektrownie”. Wydawnictwo Naukowo– Techniczne, 1997.
• Misiewicz W., Misiewicz A., „Napędy regulowane w układach pompowych źródeł ciepła”. Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa, 2008.
• Skowroński, M. „Układy pompowe”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2009.
• Świtalski P., Skowroński M. „Pompy Wirowe. Sprawność i niezawodność”. CEDOS, Świdnica, 2019.