Nowoczesna technika pompowa obniża koszty energii

WYZWANIA
Przy stale rosnących cenach energii i konieczności ograniczenia emisji C0₂ coraz większego znaczenia nabiera zużycie energii przez systemy pompowe. Działania Niemieckiej Agencji Energii DENA, VDMA i innych organizacji przynoszą pierwsze efekty - wielu użytkowników koncentruje się obecnie na obniżeniu kosztów energii. Według badań DENA potencjalne możliwości zmniejszenia zużycia energii w niemieckich systemach pompowych sięgają 14 mld kWh rocznie. Dla użytkowników oznaczało roczne oszczędności rzędu 1,12 mld€ i redukcję emisji CO₂ o 7,7 mln ton. Europejskie badania dowiodły, że lepsze zaprojektowa­nie urządzeń pozwoliłoby na uzyskanie 10% oszczędności na kosztach energii. Zastosowanie pomp i silników o wyższej spraw­ności to oszczędność rzędu 3%.

CZTERY METODY OSZCZĘDZANIA
Brak uniwersalnego rozwiązania.
Nie ma jednego rozwiązania, które umożliwiłoby optymalne wykorzystanie urządzenia energetycznego we wszystkich sytuacjach. Istnieją cztery metody zmniejszania zużycia energii przez systemy pompowe. Producenci pomp mogą znacznie przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii poprzez:

1. udostępnianie programów doboru,
2. dopasowywanie średnic wirników,
3. stosowanie energooszczędnych silników,
4. stosowanie agregatów z regulowaną prędkością obrotową.

PROJEKTOWANIE
Hydrauliczna optymalizacja projektowanej instalacji zaczyna się od odpowiedniego doboru pompy bez popełniania częstego błędu - przewymiarowania. Duże znaczenie mają tu programy doboru pomp, dzięki którym użytkownik może zaprojektować lub dobrać system pompowy pod względem parametrów ekonomicznych i technicznych, nie zapominając przy tym o szczegółach. Przykładowo projektant może za pomocą jednego modułu prze­prowadzić kalkulację sieci rurociągowej. Kryteria takie jak cena i sprawność brane są pod uwagę na równi z kosztami energii.

DOPASOWANIE ŚREDNICY WIRNIKA DO PUNKTU PRACY
Pompa z wirnikiem dopasowanym do punktu pracy - w przeciwieństwie do pompy wybranej ze względów czysto ekonomicznych lub technologicznych - może pozwolić na uzyskanie redukcji zużycia energii o wartości tysięcy euro. Moc pobierana przez pompę z wirnikiem o dopasowanej średnicy odpowiada potrzebom instalacji.
Możliwości uzyskania efektu na tej drodze można wykazać na przykładzie. Standardowa pompa chemiczna pompuje wodę amoniakalną o stężeniu 25% w otwartym obiegu hydraulicznym. W warunkach normalnych potrzebna jest wydajność 245 m³/h przy wysokości podnoszenia 135 m. Pompa z maksymalną średnicą wirnika 324 mm pobiera moc na wale równą 113,4 kW. Maksymalna wydajność tej pompy z wirnikiem 324 mm wynosi 324 m³/h, a pobór mocy 127,9 kW, skutkiem czego pompa jest wyposażona w silnik o mocy 132 kW. Silnik klasy IE2 o sprawności równej 96% przy normalnej wydajności 245 m³/h pobiera moc 118,1 kW. Przyjmując 4000 godzin pracy w ciągu roku i cenę energii elektrycznej 0,10 € za kilowatogodzinę, otrzymujemy koszty energii równe 47.147 €. Po zmniejszeniu średnicy wirnika o 6 mm w celu dopasowania jej dokładnie do punktu pracy pobór mocy silnika przy normalnym pompowaniu wynosi już tylko 113,1 kW. Po przeliczeniu na liczbę godzin pracy oraz koszty energii roczna redukcja wynosi 19000 kWh, co przekłada się na zmniejszenie kosztowo 1900 €.

DOPASOWANIE PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ
Zdecydowanie największe możliwości uzyskania oszczędności wiążą się z regulacją prędkości obrotowej. To, co w niektórych obszarach jest oczywiste, czyli ograniczenie zużycia energii do rzeczywistych potrzeb, w innych dziedzinach przemysłu nadal jest dalekie od standardu. W praktyce po wstępnym nawet zbadaniu często okazuje się, że pompa nie pracuje w optymalnym, najbardziej oszczędnym punkcie pracy. Najczęstszą przyczyną jest przewymiarowanie dobranej pompy lub praca w warunkach, w których występuje zmienność natężenia przepływu. Jeśli nie ma możliwości dopasowania parametrów do potrzeb za pomocą odpowiedniej regulacji, cenna energia jest marnowana.

15 mld kWh oszczędności

Według badań Niemieckiej Agencji Energii DENA, przemysł niemiecki mógłby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię o około 15 mld kWh rocznie dzięki stosowaniu wysokosprawnych systemów pompowych.

W zamkniętych obiegach, w zależności od profilu obciążenia, można zaoszczędzić nawet 60 procent energii. Moc pobieraną przez pompę można dokładnie dopasować do potrzeb instalacji poprzez zmianę prędkości obrotowej. Współczesna technika pompowa zna wiele możliwości wpływania na zużycie energii poprzez regulację prędkości obrotowej. Rezerwy mocy i naddatki bezpieczeństwa przy projektowaniu nie są wtedy potrzebne.
Możliwości redukcji zużycia energii można wyjaśnić na następującym przykładzie. W hydraulicznie zamkniętym obwodzie pompa tłoczy wodę z glikolem do celów chłodzenia. Wymagana wysokość podnoszenia wynosi 38 m. Potrzebna ilość wody zależy od procesu i mieści się w zakresie od 200 do 300 m³/h. W trybie nieregulowanym pompa zużywa rocznie 215467 kWh energii.

Rys.1. Eliminacja strat dławienia przez dopasowanie prędkości obrotowej.

Licząc po 0,10 € za 1 kWh, koszty wynoszą 21547 € rocznie. Jeśli wyposażymy pompę w system regulacji obrotów, który za pomocą prostego układu regulacji różnicowej będzie utrzymywał stałe ciśnienie tłoczenia, to możemy zaoszczędzić w ciągu roku około 1900€. Oszczędności te można uzyskać przy użyciu niemal każdej dostępnej na rynku przetwornicy częstotliwości. Jeśli dodatkowo zastosowana zostanie hydrauliczna funkcja, np.: „kompensacja strat tarcia w rurach zależnych od natężenia przepływu" (DFS), oszczędności mogą sięgnąć 7832 €w porównaniu do wariantu bez regulacji. Oznacza to redukcję zużycia energii i obniżenie kosztów o prawie 40%. Oczywiście zależy to od profilu obciążenia urządzeń. Największe oszczędności mogą być uzyskane wtedy, gdy pompy pracują często pod niepełnym obciążeniem. W przypadku pompy, której pełny strumień objętości jest przez cały czas wykorzystywany, regulacja prędkości obrotowej nie daje żadnej redukcji kosztów.

POMPY Z PRZETWORNICAMI
Producenci pomp oferują konkretne rozwiązania
Standardowe przetwornice są urządzeniami uniwersalnymi, pozwalającymi uzyskać różne możliwości regulacji. Stosowane są w systemach napędowych z silnikami trójfazowymi. Dopasowanie takich urządzeń do parametrów napędu pompy nie wymaga dokładnej znajomości hydraulicznych parametrów pomp wirowych. Przykładowo, w celu uzyskania energooszczędnej pracy należy ustawić kwadratową charakterystykę napięcie-częstotliwość przetwornicy. Istnieje bowiem różnica między pracą taśmociągu załadowanego żwirem, gdzie zaraz po włączeniu potrzebny jest duży moment obrotowy, a pompą wirową, która ma niewielki moment rozruchowy.
Dlatego producenci pomp oferują konkretne rozwiązania z gotowymi układami regulacji prędkości obrotowej. W menu regulacji parametry dopasowywane są do sytuacji, w których pompy mogą pracować. Dlatego uruchomienie urządzenia ogranicza się do wprowadzenia kilku parametrów, np. prędkości. Dodatkowe funkcje hydrauliczne, np.: „kompensacja strat natarcie w rurach", „bezczujnikowa ochrona przed suchobiegiem" i wysyłanie ostrzeżeń przy przechodzeniu przez strefy niepełnego obciążenia chronią pompy i współpracujące z nimi urządzenia.

ROZWIĄZANIA SPECJALNE
Nowoczesna technika również do starych instalacji
System KSB PumpDrive posiada funkcję, w której regulacja ciśnienia z korektą wartości w zależności od natężenia przepływu zapewnia dodatkową oszczędność energii przy niepełnym obciążeniu. Ten system pozwala na montowanie przetwornicy częstotliwości przy każdym dowolnym silniku elektrycznym, i ma tę przewagę nad napędem o konstrukcji zintegrowanej z silnikiem, że można go montować w starych instalacjach. Nie jest ważny ani producent, ani klasa sprawności silnika. Dzięki odpowiednim połączeniom oraz własnemu układowi chłodzenia urządzenie może być integrowane z silnikami w istniejących instalacjach. Podczas pracy kilku pomp jednocześnie może pracować maksymalnie sześć napędów Pump Drive. Zdefiniowane urządzenie „Master" steruje innymi napędami „Slave", aby zapewnić ich optymalne wykorzystanie. Maszyną główną jest pompa, która podaje innym pompom wymagany punkt pracy, potrzebny do osiągnięcia wspólnej, żądanej wartości. Rola „kierownicza" nie jest przypisana na stałe jednej pompie, dzięki czemu w przypadku awarii zasilania pompy „Master" funkcję te przejmuje pompa „Slave".

Rys.2. Układ dwóch pomp „Master" i „Slave", współpracujących równolegle, sterowanych w systemie KSB PumpDrive.

ENERGOOSZCZĘDNE SILNIKI
UE propaguje stosowanie silników energooszczędnych
W ostatnich latach znacznie wzrosło stosowanie silników energooszczędnych, ponieważ są one mocno propagowane przez Unię Europejską. Dzięki większej zawartości miedzi i żelaza zmniejsza się opór elektryczny i magnetyczny, a więc zwiększa się sprawność silnika. Jednak ze względu na większy udział tych surowców koszty produkcji takiego silnika są znacznie wyższe niż w przypadku tradycyjnych napędów.
Poprzez zastosowanie silnika klasy IE2 zużycie energii można zredukować średnio o 3,5% w stosunku do silników o przeciętnej sprawności. Wysokosprawne silniki, opracowane i produkowane przez KSB, są zaliczane na podstawie zasady działania do synchronicznych silników reluktancyjnych. Silniki takie cechują się stratami mocy niższymi o co najmniej 15%, niż jest to wymagane dla klasy sprawności IE3 (IEC60034-30). Dzięki temu już dziś spełniają one standardy, które w przyszłości mają obowiązywać dla poziomu sprawności IE4. W porównaniu do silnika asynchronicznego oszczędności całego systemu, składającego się z silnika i przetwornicy częstotliwości, sięgają w zależności od zastosowania i wielkości silnika od 3 do 7%. W przypadku małych rozmiarów, w porównaniu do silnika klasy IE2, oszczędności mogą sięgnąć nawet 5-9%. Podane oszczędności dotyczą nominalnego punktu pracy, ponieważ to dla niego norma określa pomiar sprawności.
W przemyśle wiele silników nie pracuje jednak w nominalnym punkcie, lecz w zakresie niepełnego obciążenia. Biorąc pod uwagę sprawność, silniki synchroniczne są jeszcze lepsze. W zakre­sie niepełnego obciążenia sprawność silników asynchronicznych znacznie spada, zwykle o około 10%. Natomiast reluktancyjny silnik synchroniczny (RSM) cechuje się niemal stałą, wysoką sprawnością w zakresie obciążenia i prędkości obrotowej od 25 do 100%. W praktycznych warunkach taka przewaga nad silnikami asynchronicznymi jest więc jeszcze większa, niż wynika to z uwzględniania oszczędności w nominalnych punktach pracy.

AUTORZY:
mgr inż. Daniel Gontermann
Kierownik projektu „Automatyka i Technika Napędowa”
KSB Aktiengesellschaft

mgr inż. Manfred Oesterle
Kierownik działu „Automatyka i Napęd”
KSB Aktiengesellschaft

Źródło: "Pompy Pompownie" (3/2011)