[ Zamknij ]

Nowe zasady dotyczące cookies
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów na stronie Polityka Prywatności.


rejestracja

Efektywność energetyczna w regulacji zespołów pompowych - PJCEE

Opublikowano: 12.11.2008
image



Według oficjalnych statystyk w Polsce około 25% energii zużywa przemysł, transport ok. 20%, zaś w gospodarstwach domowych wskaźnik ten wynosi ok. 30%. Rocznik Statystyczny podaje, że zużycie energii elektrycznej w roku 2006 wyniosło 487 PJ, co odpowiada spaleniu 11,6 Mton1. Analizując obie te wielkości z przedziału ostatnich 10 lat, można zauważyć pewną, choć niewielką - kilkuprocentową tendencję wzrostową. Całkowite zużycie energii oraz zużycie energii per capita jest jednym z głównych wskaźników ekonomicznych związanych ze wzrostem gospodarczym.

Z punktu widzenia ekonomii wspomniane, rosnące wskaźniki informują o rozwoju gospodarki. Ten punkt widzenia zdaje się stać w sprzeczności z pojęciem efektywności energetycznej i ideą oszczędności energii jako takiej. Jednakże rachunek ekonomiczny, poparty przykładami z praktyki, pokazuje, że właśnie zastosowanie technologii energooszczędnych daje wymierne korzyści finansowe, choć w dłuższym czasie.
Poszukując możliwych obszarów, gdzie można spodziewać się korzyści z wprowadzenia technologii energooszczędnych, bądź jedynie samych procedur, można zauważyć, że pompy (różnych mocy, typów i zastosowań) zajmują niemałą część w strukturze zużycia energii elektrycznej. Sam transport cieczy, według szacunkowych danych, pochłania ok. 20% energii elektrycznej, zaś np. w gospodarce USA ok. 40% silników elektrycznych jest wykorzystywanych do napędu pomp. Spośród wspomnianych już we wstępie trzech głównych gałęzi gospodarki, największe możliwe do uzyskania oszczędności energii znajdują się w przemyśle i transporcie.
Zmniejszenie zużycia energii, a tym samym poprawienie wskaźników ekonomicznych można uzyskać poprzez dwie kategorie zabiegów: zabiegi technologiczne oraz zabiegi związane z jakością regulacji wykorzystania energii. Jeżeli przyjąć, według szacunkowych danych, że koszty energii elektrycznej zasilającej urządzenia układu pompowego o przeciętnych sprawnościach, koszty obsługi i napraw w czasie cyklu życia tych urządzeń są od 10 do 20 razy większe od kosztów zakupu, wydaje się oczywiste, że posiadane środki warto przeznaczyć na zakup urządzeń droższych ale o podwyższonych sprawnościach, tym samym zmienia się proporcję kosztów i uzyskuje przez to zmniejszenie całkowitego kosztu użytkowania urządzenia a jednocześnie realizuje ideę efektywności energetycznej.

Do zabiegów technologicznych można zaliczyć: dbałość
0 staranny montaż, właściwy dobór pompy do instalacji, okresowe
1 regularne przeglądy instalacji, itp. Do zabiegów związanych z właściwą regulacją układów pompowych można zaliczyć kilka czynności. Filozofii a sposobu regulacji pracy pompy polega na zapewnieniu takiej wydajności układu pompowego, jakiej wymaga instalacja oraz najniższego poboru mocy elektrycznej (czyli możliwie najwyższej sprawności) przy jednoczesnym uwzględnieniu ewentualnych ograniczeń i wymogów technologicznych oraz niezawodnościowych.
Wyróżnić można kilka sposobów regulacji wydajności. Dzielą się one na takie, które można dokonać „z zewnątrz" pompy oraz takie, których realizacja wymaga pewnych, choć de facto, niewielkich zmian konstrukcyjnych samej pompy. Każdy z wymienionych poniżej wariantów posiada swoje wady i zalety, jednakże można pokusić się o jednoznaczną opinię i próbę uszeregowania kilku rozwiązań przynajmniej dla pewnego, najczęściej spotykanego modelu zastosowań układu pompowego.
Do zabiegów nie wymagających ingerencji w konstrukcję urządzenia można zaliczyć:
•     regulację obejściową,
•     regulację dławieniową,
•     regulację zmiennoobrotową.
Regulacja obejściowa (by-pass) realizowana jest w sposób przedstawiony na rysunku. Polega ona na zawróceniu części stru-mienia z króćca tłocznego z powrotem na część niskociśnieniową. W każdym momencie musi być spełniony bilans masy dla węzłów 1 i 2, zatem:

Qs = Qp + Qob


Rys. 1. Sposób realizacji regulacji obejściowej

Otworzenie zaworu Z1 z pozycji całkowicie zamkniętej spowoduje powstanie przepływu Qob > 0. Jeżeli pompa pracuje przy nie-zmienionych warunkach (n = const, niezmieniona pozycja otwarcia zaworu Z2) to Qp = const, to natężenie przepływu Q musi zmaleć. Jeżeli w odcinek obejściowy wstawiony jest zawór umożliwiający stosunkowo precyzyjną regulację (np. zawór grzybkowy), to w ten sposób można uzyskać stosunkowo płynną i dokładną regulację strumienia Q.


Rys. 2. Charakterystyki w regulacji obejściowej

Q'    - punkt pracy pompy,
Qs    - przepływ w rurociągu zsumowanym,
Qob - przepływ w przewodzie obejściowym.

Po otwarciu zaworu Z1 punkt pracy pompy przesuwa się z W do W przy wydajności pompy Q' > Qw, przy czym przez prze-wód obejściowy płynąć teraz będzie ciecz o wydatku Qob, zaś przez rurociąg zbiorczy Qs < Qw.
Rozwiązanie takie może być zastosowane w przypadku, gdy użytkownik dysponuje pompami z nieregulowaną prędkością ob-rotową, wymaga jednak zmian w odcinku rurociągu polegających na zainstalowaniu odcinka obejściowego z zaworem, gdy takiego nie ma.
Drugim z najczęściej stosowanych sposobów, prostszym i nie-wymagającym wyżej opisanych zmian, jest regulacja dławieniowa. Polega ona na takim zdławieniu przepływu zaworem, aby przepływ ten osiągnął wymaganą wartość.



Rys. 3. Sposób realizacji regulacji dławieniowej

Nie bez znaczenia jest fakt, którym zaworem przepływ będzie dławiony. Jeżeli przyjąć, iż dławienie odbywać się będzie zaworem ssawnym, to realizowane są warunki pracy analogiczne do np.

Rys. 4. Układ pompowy z dwoma zbiornikami


Rys. 5. Charakterystyki w regulacji dławieniowej

obniżania poziomu cieczy w zbiorniku dolnym lub wydłużania rurociągu na odcinku ssawnym. Zatem na króćcu ssawnym ciśnienie obniża się w miarę zamykania zaworu, a skrajnych przypadkach ciśnienie to osiąga wartość bliską ciśnieniu parowania (przy danej temperaturze). Powoduje to kawitację w pompie objawiającą się zwiększonym hałasem oraz, co poważniejsze, narażeniem wirnika oraz innych części przepływowych w przestrzeni ssawnej na erozję kawitacyjną skutkującą niszczeniem tych elementów. W skrajnych przypadkach zostanie przerwany słup cieczy i pompa przestanie tłoczyć ciecz. Tak z punktu widzenia efektywności energetycznej, jak i ze zwykłego rozsądku, regulacja pompy zaworem ssawnym nie jest wskazana, a wręcz szkodliwa.

Zatem regulacja realizowana jest zaworem tłocznym. Na rysunku 5 pokazano charakterystyki pompy oraz rurociągów r. Punkt przecięcia się obu krzywych jest punktem pracy W określającym aktualną wydajność pompy. W miarę zwiększania oporów przepływu ruro-ciągu tłocznego (np. poprzez przymykanie zaworu) charakterystyka rurociągu zmienia się na r' i jednocześnie punkt pracy przesuwa się z W do W zmniejszając przepływ do Q' < Qw. Obrazuje to zdolność pompy odśrodkowej do samoregulacji wydajności.
Warto natomiast zwrócić uwagę, iż obejściowa regulacja natężenia przepływu oraz regulacja za pomocą zaworu dławiącego umożliwia jedynie zmniejszenie przepływu, niemożliwe jest natomiast jego zwiększenie za pomocą tych metod. Zdarza się, iż użytkownicy, aby uchronić się przed ewentualnym problemem zbyt niskiego wydatku w przyszłości, stosują pompy lekko lub mocno przewymiarowane. Efektem takich zabiegów jest praca urządzenia w punkcie odbiegającym od optymalnego, co przenosi się na pracę układu pompowego z obniżoną sprawnością.

Nasuwa się zatem pytanie: który ze sposobów regulacji jest mniej energochłonny przy założeniu takiego samego wydatku Q?
Odpowiedź na to pytanie zależy od typu pompy, czyli od kształtu charakterystyki mocy pompy. Dla pomp odśrodkowych, dla których wyróżnik szybkobieżności nq < 50, krzywa mocy jest krzywą rosnącą. Zatem zdławienie przepływu zaworem w części tłoczniej spowoduje zmniejszenie poboru mocy. Regulacja upustowa natomiast powoduje wzrost natężenia przepływu wraz z otwarciem zaworu upustowego. Otwieranie zaworu zwiększa pobór mocy, co nie jest korzystne dla silnika, gdyż może spowodować jego przeciążenie. Jednakże istnieje pewne ograniczenie wynikające z pracy pompy w strefie kawitacji. Zwiększenie przepływu przez pompę powoduje zwiększenie prędkości cieczy, a co za tym idzie, obniżenie ciśnienia w króćcu ssawnym i na wlocie na łopatki a zatem możliwość wejścia w strefę kawitacji. Zbytnie zdławienie przepływu także może narazic pompę na prace^ w strefie kawitacji, ponieważ tak na wlocie jak i na wylocie z wirnika pojawiają się mocne zawirowania i prądy powrotne.
Trzecim z szeroko stosowanych sposobów regulacji przepływu pompy jest regulacja za pomocą zmiany prędkości obrotowej wirnika. Zdecydowaną większość obecnych napędów pomp stanowią silniki zwarte. Zatem regulacja prędkości obrotowej takiego silnika może odbywać się tylko za pomocą zmiany częstotliwości napięcia zasilającego silnik. Funkcję taką spełniają falowniki, które jednocześnie charakteryzują się wysoką sprawnością.


Rys. 6. Charakterystyki w regulacji zmienno-obrotowej
Jeżeli w trakcie użytkowania pompy pojawi się konieczność zmniejszenia wydatku z Qw do Q2 pompy poprzez zmianę prędkości obrotowej z n1 do n2, to należy obliczyć ją z zależności:



Parabola z jest krzywą jednakowych warunków zasilania, zaś punkty A oraz W ’są punktami powinowatymi, dla których zachodzi zależność:



Jeżeli odrzucimy, jako najmniej korzystną dla pomp odśrodkowych, regulację upustową, to warto porównać efekt energetyczny regulacji dławieniowej i zmiennoobrotowej. Procesom zmiany wydatku towarzyszy zmiana punktu pracy pompy a zatem oznacza nieuniknione straty wynikające z pracy ze sprawnością mniejszą od maksymalnej. Dławienie związane jest z pojawieniem się strat dławienia, które można opisać współczynnikiem strat




Po uwzględnieniu tego współczynnika moc elektryczna potrzeb-na do napędu pompy wyniesie:




Porównania regulacji dławieniowej oraz zmiennoobrotowej przy tym samym (np. wymaganym przez procesy technologiczne) natężeniu przepływu stosunkowo łatwo dokonać, umieszczając charakterystyki i punkty pracy na pagórku sprawności (rys. 8). Regulacja dławieniowa powoduje przesunięcie punktu pracy z W do W'1, jednakże z powodu strat w zaworze, których miarą jest odcinek H'1- H'2 ciecz posiada energię reprezentowaną je-dynie przez wartość H'2. Straty energii manifestują się przede wszystkim w postaci podgrzania czynnika, która to energia z kolei nie jest już możliwa do odzyskania lub odzysk ten w dalszym procesie następuje w bardzo małym stopniu. W trakcie regulacji prędkością obrotową punktem pracy jest punkt W'2, zaś pompa pracuje wówczas z prędkością obrotowa n < nopt (np. 0,6 . nopt). Jednak ze względu na kształt krzywych stałej sprawności, punkt W'2 leży na krzywej o wyższej sprawności niż punkt W'1. Punkt W   ’należy traktować jako punkt o maksymalnej sprawności dla wymaganego natężenia przepływu, ponieważ zawsze (dla usta-lonego Q) można zwiększyć prędkość obrotową pompy, zwiększając tym samym jej wysokość podnoszenia. Stałość natężenia przepływu wymaga wtedy zdławienia przepływu do wartości H'2, w skrajnym przypadku do punktu W'1. Jednak zawsze przy takim ukształtowaniu charakterystyk takim zmianom warunków pracy towarzyszy spadek sprawności (przesuwanie się punktu pracy w kierunku wyższych wartości na osi rzędnych).
Przebudowa i/lub modernizacja rurociągów może skutkować zmianą charakterystyki rurociągu z r na rA. Wtedy sprawność przetłaczania może wzrosnąć, a punkt pracy przesunie się do H'A, zaś znajdować się będzie na krzywej o wyższej sprawności.
Najmniejszy zysk z zastosowania regulacji zmiennoobrotowej osiąga się w przypadku rurociągu o płaskiej charakterystyce (czyli gdy?h « Hst « Hw wcałym zakresie przepływów). W niektórych przypadkach może się okazać, że zysk z zakupu i zastosowania przemienników częstotliwości lub innych układów regulacji prędkości obrotowej jest mniejszy niż koszt zastosowanych urządzeń. W takich przypadkach o zasadności stosowania takiej regulacji decydować powinien rachunek ekonomiczny.


Zwiększenie wydatku można osiągnąć przez włączenie dwóch (lub więcej) pomp równolegle. Pompy te mogą mieć jednakowe charakterystyki, mogą jednak też być to pompy o różnych charakterystykach.



W ogólnym przypadku wydatek sumaryczny nie jest równy podwojonemu wydatkowi pojedynczej pompy (w przypadku dwóch jednakowych pomp) i zależy od kształtu charakterystyki oporowej rurociągu. W przypadku szczególnym, gdy dla rurociągu wysokość oporów przepływu H jest niezależna od wydatku Q oraz Hst jest odpowiednio wysoka, wydatek sumaryczny jest prostą sumą obu wydatków. Zatem w przypadku konieczności zwiększenia wydatku zespołu pomp na przykład dwukrotnie dodanie takiej samej lub bardzo podobnej drugiej pompy nie zagwarantuje zaspokojenia wymagań. Co więcej, dalsze równoległe dołączanie kolejnych pomp spowoduje zwiększanie sumarycznego wydatku o coraz mniejszą wartość, gdzie w pewnym momencie osiągnięty zostanie punkt opłacalności stosowania kolejnych pomp. Można przyjąć, iż ten stan osiągnięty zostanie przy liczbie pomp równej 5 (6), lecz zależy mocno od kształtu charakterystyki rurociągu.


 
Regulację natężenia przepływu układu pomp włączonych równolegle można realizować skokowo przez liczbę włączonych pomp, ale i płynnie poprzez regulację prędkością obrotową np. jednej z pomp. Przy pewnej wartości prędkości obrotowej ngr pompy regulowanej zanika przepływ w odcinku rurociągu związanym z tą pompą (Q2 = 0) zaś wydatek całkowity Qs = Q1 Przy pracy tej pompy z prędkością mniejszą od ngr przez pompę 2 nastąpi przepływ wsteczny, czyli pompa ta pracować będzie w drugiej ćwiartce swoich charakterystyk. Aby temu zapobiec w tym odcinku rurociągu montować należy zawory wsteczne lub niesamoczynne, ale sterowane ręcznie lub automatycznie z jednoczesną możliwością wyłączania niepotrzebnej pompy 2.

W dobie zmniejszania się zasobów paliw kopalnych oraz starając się minimalizować wpływ człowieka na zmiany w środowisku naturalnym każdy użytkownik powinien dążyć do minimalizowania wykorzystywanej energii dbając równocześnie
0  maksymalizowanie sprawności procesów jej przetwarzania. Dotyczy to w szczególności energii elektrycznej jako najbardziej rozpowszechnionej formy energii. Każdy użytkownik energii powinien też mieć świadomość konieczności oszczędzania w tej dziedzinie. Dotyczy to tak odbiorców indywidualnych, ale,
1  chyba przede wszystkim, dużych odbiorców przemysłowych, gdzie oprócz wskaźników ekonomicznych, także i wskaźniki energetyczne powinny być brane pod uwagę. Należy jednak mieć tego świadomość, że nie zawsze maksymalny zysk i maksymalna sprawność procesu (ewentualnie minimalne zużycie energii) osiągane mogą być jednocześnie.

Autor: dr inż. Jacek Szymczyk


Literatura
1.    Waldemar Jędral, Pompy wirowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
2.    Waldemar Jędral, Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych, Wydawnictwo Krajowej Agencji Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2007.



Katalog firm

  • AFRISO

    AFRISO Sp. z o.o. jest częścią międzynarodowej Grupy AFRISO, istniejącej na r…
    AFRISO
  • Esbe

    Jesteśmy szwedzkim producentem zaworów i siłowników ESBE. Od po…
    Esbe
  • Samsung

    Dział Klimatyzacji Samsung Electronics Polska oferuje pełną gamę system&oacut…
    Samsung

Produkty

  • System VARMSEN

    VARMSEN to nie tylko płyta kominkowa to kompletny SYSTEM do budowy kominków