Rurociągi tłoczne DN600 poszczególnych mieszadeł pompujących: P1 i P2, wyposażone są w zawory zwrotne (2) oraz nożowe zasuwy odcinające (3). Rurociągi tłoczne mieszadeł łączą się w trójniku skośnym (T), w jeden wspólny rurociąg DN600. Następnie na wspólnym rurociągu DN600 zamontowane są dwa kolana segmentowe o kącie 90° (3a). Bezpośrednio za kolanami i konfuzorem (4) zabudowany jest rurociąg pomiarowy o średnicy DN400. Na tym odcinku, w komorze pomiarowej (KP), zamontowane są: przepływomierz elektromagnetyczny (5), czujnik zawartości ciał stałych (5a) i kompensator gumowy (6). Za komorą pomiarową umieszczono nożową zasuwę odcinającą DN400 (8). Zmianę średnicy DN600/DN400 i DN400/DN600 zrealizowano za pomocą konfuzora i dyfuzora (4) o kątach rozwarcia 8°. Na wylocie z rurociągu recyrkulacyjnego umieszczono zasuwą nożową (15) oraz wypływ 2, którym ścieki doprowadzane są do komory denitryfikacji.

Opis problemu, cel i zakres prowadzonych prac

Proces technologiczny, realizowany w rozpatrywanym obiekcie, wymaga użytkowania mieszadeł pompujących w konfiguracjach: P1, P2, oraz P1 + P2. We wszystkich scenariuszach pracy zauważono niedotrzymanie parametrów hydraulicznych względem danych podanych przez producenta jednostek. Ponadto mieszadła pompujące, szczególnie dla zwiększonej prędkości obrotowej wirnika, cechowała niestabilna praca oraz podwyższony poziom drgań. W rezultacie eksploatacji analizowanego obiektu zauważono częste wypinanie się mieszadeł z zamocowań roboczych, skutkujące uszkodzeniem zamków montażowych i prowadzące do ich awarii.

Celem prowadzonych działań, ukierunkowanych na określenie przyczyny awarii, była identyfikacja pracy układu recyrkulacji wewnętrznej, pod kątem struktury przepływu oraz generowanych w układzie strat. Prace przeprowadzono dla układu z jednym oraz dwoma mieszadłami pompującymi i przy zastosowaniu regulacji zmienoobrotowej. Zakres działań obejmował m.in.: przeprowadzenie pomiarów układu, w tym poziomów odniesienia punktów pomiarowych, ciśnień i przepływów w wyznaczonych punktach. Wykonano również obliczenia strat całkowitych i cząstkowych generowanych w układzie podczas pracy mieszadeł pompujących, załączanych pojedynczo i równolegle przy różnych częstotliwościach. Ponadto przeprowadzono numeryczne symulacje przepływów i strat w wybranych fragmentach instalacji, obliczenia porównawcze parametrów pracy układu oraz zestawienie wyników obliczeń z badaniami.

Na podstawie krzywych pokazanych na rys. 11 można zauważyć, że punkt przecięcia się charakterystyki mieszadła (dla f = 50 Hz) i rzeczywistej układu pp1 leży w pobliżu wydajności optymalnej. Planowany przez producenta punkt pracy pp2 leży w pobliżu punktu pp1. Dobór mieszadeł, w scenariuszu pojedynczej pracy w układnie należy uznać za poprawny, zarówno dla częstotliwości zasilania f = 50 Hz, jak również f = 55 Hz. Punkty przecięcia charakterystyk otrzymanych na podstawie symulacji, przed (bez kalibracji) i po wprowadzonych zmianach w armaturze, zaproponowanych w punkcie (Analiza możliwości redukcji strat w układzie), oznaczono jako pp3 i pp4. Oszacowany wzrost wydajności układu między pp1 i pp4, wynosi ΔQP1+P2 ∿ 300 m3/h. Mieszadła pracowałyby w zakresie dopuszczalnej przez producenta charakterystyki przepływu, a punkt pracy zlokalizowany byłby lekko na prawo powyżej punktu optymalnego.

Analizę pracy układu, podczas pracy równoległej dwóch mieszadeł (P1 + P2) przedstawiono na rys 12. W odniesieniu do otrzymanych wyników zauważa się, że punkt przecięcia charakterystyki zastępczej mieszadeł (dla 50 Hz) i rzeczywistej charakterystyki układu pp1 leży na lewo od wydajności optymalnej oraz punktu pracy pp2 i pp3. Punkt pracy układu dla częstotliwości zasilania f = 55 Hz (pp1T), dla rzeczywistej charakterystyki układu, znajduje się poza zakresem pracy mieszadła dopuszczonym przez producenta. Sytuacja ta powoduje, że mieszadło pracuje niestabilnie, występują silne drgania, co może być związane z wejściem w niestateczny obszar charakterystyki. Dobór mieszadeł, w scenariuszu równoległej współpracy i zwiększonej prędkości obrotowej (f = 55 Hz) należy uznać za błędny.

Punkty przecięcia charakterystyk, otrzymanych z symulacji, przed (bez kalibracji) i po wprowadzonych zmianach w armaturze (punkt - Analiza możliwości redukcji strat w układzie), oznaczono jako pp2 i pp4.

Oszacowany wzrost wydajności układu, między pp1 i pp4, wynosi ΔQP1+P2 ∿ 600 m³/h. Mieszadła pracowałyby w zakresie dopuszczalnej przez producenta charakterystyce przepływu, a punkt pracy zlokalizowany byłby blisko punktu optymalnego.

Analizując otrzymane krzywe charakterystyczne zauważa się, że zaproponowana zmiana w układzie korzystnie wpływa na jego przepustowość, która sumarycznie wynosi Q = 2800 m³/h. Otrzymano wzrost wydajności wynosi aż o ΔQ = 1100 m³/h w stosunku do modelu obecnego (zastanego), w którym dwa mieszadła współpracują równolegle. Punkty pracy, niezależnie od rurociągu, z którym współpracują mieszadła pompujące, zlokalizowane są w pobliżu punktu optymalnego. Również w przypadku konieczności zwiększenia wydajności (f = 55 Hz) punkty pracy będą zlokalizowane w bliskim sąsiedztwie optimum. Szacuje się, że zaproponowane rozwiązanie, zwróci się ekonomicznie po około 5 latach eksploatacji, bez uwzględniania kosztów napraw pomp spowodowanych postojem remontowym i wynikającym z pracy poza charakterystyką przepływu.

Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz można wskazać pewną trudność doboru pomp szybkobieżnych współpracujących równolegle o niestabilnej charakterystyce ze względnie małą wysokością podnoszenia. Analizowany przykład pokazuje, że dobór i scenariusze pracy nie do końca zostały przeprowadzone poprawnie. W przypadku pojedynczej pracy mieszadeł, ich punkt pokrywa się z punktem optymalnym, natomiast dla współpracy równoległej leży na lewo od optimum – około 0,7Qopt. Rozpatrując wyłącznie opisany aspekt pracy – P1/P2 oraz P1 + P2 – taki dobór jest prawidłowy. Zmiana sposobu prowadzenia eksploatacji zbiornika denitryfikacji wymusiła konieczność zwiększenia wydajności recyrkulacji, co zrealizowano regulacją zmiennoobrotową. Dobrane mieszadła pompujące, pracujące w obszarze końcowym stabilnej części charakterystyki podczas współpracy równoległej, przy zwiększonych obrotach, przechodziły w obszar niestateczny prowadząc do uszkodzeń mocowań sprzęgowych. Znacznie lepszym doborem jest zaproponowanie pomp pracujących pojedynczo, w zalecanym przez producenta zakresach: na prawo od punktu optymalnego, a przy współpracy równoległej, w optimum lub po jego lewej stronie.

Przedstawione sposoby zwiększenia wydajności w układzie odnoszą się do zmniejszenia strat poprzez przebudowę istniejącego rurociągu w wybranych węzłach lub budowie alternatywnej, drugiej nitki rurociągu DN500 i rozdzieleniu pracy mieszadeł. W pierwszym przypadku położenie punktu pracy będzie odpowiadało opisanemu powyżej (pojedyncza pompa na prawo, blisko optimum), natomiast w drugim wariancie, niezależnie od konfiguracji, praca będzie odbywać się w bliskim sąsiedztwie punktu optymalnego.

Obliczenia hydrauliczne przeprowadzone przez projektanta pokrywają się z symulacjami wykonanymi z wykorzystaniem normatywnych współczynników strat. W rzeczywistości starty w układzie były większe, dla skalibrowania modelu obliczeniowego konieczne było uwzględnienie dodatkowego współczynnika oporu ζ = 0,45 dla rurociągu DN400. Nie jest to duża wartość jednak powoduje, że dla wydajności Qmax = 2066 m3/h niedoszacowanie oporów wynosi ΔHukładu ≈ 0,5 m (25% wartości strat rzeczywistych). Przyczyn rozbieżności może być wiele i jako najbardziej prawdopodobne, w tym przypadku, należałoby wskazać różnice pomiędzy projektem a wykonaną instalacją oraz sposób zasilania elementów generujących największe straty w układzie. Przykładowo współczynniki normatywne odnoszą się do kolan i innych elementów zasilanych jednorodnym strumieniem cieczy. W przypadku zestawienia dwóch kolan w układzie S (elementy 3a), praca drugiego kolana i generowane tam opory będą odbiegały od warunków laboratoryjnych, przy których zostały wyznaczone współczynniki start miejscowych. W rozpatrywanym przypadku zabudowy kolan (3a) różnice strat przepływu pomiędzy nimi wynoszą około 300%. Z tego względu nawet najlepsze algorytmy, metody i procedury obliczeniowe na zastąpią doświadczenia projektanta wspartego wynikami prac weryfikacyjnych i doświadczalnych.