Szacuje się, że zainstalowane na świecie układy pompowe zużywają 20÷30% generowanej energii elektrycznej. Na podstawie obserwacji takich układów zainstalowanych w naszym kraju, założenie, że znaczna ich część nie pracuje w optymalnych warunkach wydaje się być prawdziwym.
Co więcej potencjał możliwych oszczędności energii w polskim przemyśle oszacowany został przez japońskich ekspertów (współpracujących z Projektem Polsko- Japońskie Centrum Efektywności Energetycznej) na poziomie 20÷25% [1]. Warto tylko nadmienić, że oszacowania te dotyczyły oszczędności powstałych wskutek działań organizacyjnych lub niskonakładowych. Niestety obserwacje poczynione podczas audytów energetycznych zdają się w pełni potwierdzać te dane. 

     Podczas audytów niejednokrotnie spotyka się zakłady z minionej epoki, z wiekowym  wyposażeniem i niską świadomością kadry pracowniczej w dziedzinie oszczędzania energii.  Jednakże w Polsce funkcjonują także zakłady przemysłowe, w których oszczędność energii jest na bardzo zaawansowanym poziomie. Dotyczy to przede wszystkim nowych inwestycji firm zagranicznych. Jak już to zostało wspomniane w tytule, niniejszy artykuł poruszać ma zagadnienie racjonalnego gospodarowania układem pomp. (...)

Punkt pracy a sprawność pompy
     Istotnym z punktu widzenia racjonalnego użytkowania pompy jest taki jej dobór, aby pracowała ona z możliwie najwyższą sprawnością. Sprawność całego zespołu pompowego η_z (falownik – silnik elektryczny – pompa) zdefiniować można jako stosunek mocy użytecznej przekazanej cieczy P_u do mocy elektrycznej pobieranej z sieci P_el.



     Użyteczną moc przekazaną cieczy można opisać następującym równaniem:



gdzie:
ρ – gęstość cieczy (stała w rozpatrywanym zakresie ciśnień, dla wody 1000 kg/m³),
g – przyspieszenie grawitacyjne ziemskie (9,807 m/s²),
H – wysokość podnoszenia pompy.

     Wysokość podnoszenia pompy H zdefiniowana jest jako różnica poziomów, na jaką pompa może podnieść ciecz, przy założeniu równości ciśnień w zbiornikach, co można opisać następującą zależnością:



gdzie:
p_t, p_s – ciśnienie cieczy odpowiednio po stronie tłocznej i ssawnej,
c_t, c_s – prędkość cieczy odpowiednio po stronie tłocznej i ssawnej,
Δz – różnica wysokości punktu pomiaru ciśnienia po stronie tłocznej i ssawnej.

     Przyrost prędkości cieczy po stronie ssawnej i tłocznej wynika ze zmiany przekroju kanału dolotowego i wylotowego:



gdzie:
A_s, A_t – pole przekroju kanału po stronie ssawnej i tłocznej.
(...)

Jak regulować pracę układu pompowego?
     Z punktu widzenia odbiorcy najistotniejsze są dwa parametry pracy systemu pompowego:
- wydajność pompy,
- wysokość podnoszenia.

     Obydwa te parametry są ze sobą sprzężone i przekładają się na moc użyteczną P_u przekazaną cieczy przez pompę (równanie 2).

     Z technicznego punktu widzenia najprostszym w realizacji sposobem regulacji pompy jest dławienie strumienia cieczy po stronie tłocznej (rys. 4).Poprzez dławienie strumienia po stronie tłocznej automatycznie zwiększany jest opór instalacji, a tym samym przepływu cieczy przy niezmienionej charakterystyce pompy (rys. 5).
     Kolejnym, często spotykanym sposobem regulacji strumienia cieczy tłoczonej przez pompę jest regulacja upustowa (rys. 6), polegająca no częściowym zawracaniu strumienia tłoczonej cieczy Q_z rurociągiem obejściowym. Efekt takiej regulacji nie jest trudny do przewidzenia. Do sieci odbiorczej zatłaczana jest ciecz o wydatku Q – Q_z, podczas gdy z przez samą pompę przepływa strumień o wydatku Q. Zatem z punktu widzenia pompy, tłoczy ona większe ilości cieczy, niż wynikałoby to z potrzeb odbiorów (rys. 7).
     W ostatnich latach, w zakładach przemysłowych coraz częściej napotkać można regulację pompy realizowaną poprzez redukcję lub zwiększenie prędkości obrotowej silnika za pomocą przemiennika częstotliwości (rys 8). Zmiana prędkości obrotowej silnika wpływa bezpośrednio na prędkość obrotową wirnika, a tym samym na wielkość strumienia przepływającej cieczy. Przy takiej regulacji charakterystyka oporów sieci pozostaje taka sama, zmianie natomiast ulega charakterystyka pompy (rys. 9). (...)

Regulacja pomp w układzie szeregowym
(...)

Regulacja pomp w układzie równoległym
(...)

Regulacja układu pompowego a zużycie energii
     W powyższej części niniejszego artykułu poruszone zostały problemy regulacji strumienia i wysokości podnoszenia w układach pomp wirowych. Pomiary na stanowisku szkoleniowym PJCEE wykazały, że w pewnym zakresie możliwe jest uzyskanie tego samego efektu przy wykorzystaniu różnych metod regulacyjnych. W dotychczasowych rozważaniach celowo jednak pominięty został efekt energetyczny związany z zastosowaniem poszczególnych rodzajów regulacji.
     Ponieważ omówione powyżej sposoby regulacji, poprzez kombinacje układów złożonych z wielu pomp, stosowane są najczęściej w przypadkach, gdy nie ma możliwości zakupu pojedynczej pompy pracującej przy określonych parametrach, porównanie zużycia energii dokonano tylko dla pierwszych trzech typów regulacji (dławieniowej, upustowej i prędkości obrotowej), czyli dla pojedynczej pompy współpracującej z instalacją odbiorczą.
     Żeby porównanie uczynić bardziej miarodajnym, wykonano eksperyment polegający na pomiarach mocy elektrycznej pobieranej przez silnik pompy przy regulacji strumienia przepływającej cieczy w zakresie 420÷487 l/min trzema sposobami:
- dławienie zaworem po stronie tłocznej
- regulacja prędkości obrotowej silnika przemiennikiem częstotliwości,
- wykorzystanie układu obejściowego pompy do częściowego zawracania tłoczonej wody.

     Na rys. 14 pokazano wpływ wielkości strumienia pompowanej cieczy na wysokość podnoszenia, w zależności od przyjętego rodzaju regulacji. Pomiar wydatku przepływającej cieczy odbywał się po stronie odbiorów i nie uwzględniał strumienia przepływającego przez układ obejściowy przy regulacji upustowej. Pokazane na rys. 14 parametry są istotne dla odbiorów i mogą być wzajemnie porównywane.
     Dławienie strumienia pompowanej cieczy powoduje co prawda wzrost wysokości podnoszenia, ale jednocześnie sprawia, że pompa zaczyna pracować poza swoim optymalnym punktem pracy (rys. 3).
     Można jednak przyjąć, że pompy w rzeczywistych aplikacjach dobierane są tak, aby wymagana przez układ wysokość podnoszenia zachowana była dla przepływów nominalnych, w pobliżu optymalnego punktu pracy. Wychodząc z takiego założenia, wzrost wysokości podnoszenia przy dławieniu jest tylko skutkiem ubocznym tego rodzaju regulacji, nie poprawiającym w żaden sposób wymaganych parametrów pracy.
     W pozostałych przypadkach regulacji, wysokość podnoszenia maleje wraz ze spadkiem strumienia zatłaczanego do instalacji odbiorczej. W tym przypadku ważne jest, aby wysokość podnoszenia przy regulacji nie spadła poniżej wymaganej przez odbiorcę. Warunek ten ogranicza zatem w istotny sposób zakres regulacji przy użyciu poszczególnych metod. (...)

     Regulacja prędkości obrotowej silnika napędzającego pompę przynosi największe efekty z punktu widzenia oszczędności energii elektrycznej. Jednakże ten sposób regulacji obciążony jest ograniczonym zakresem regulacji z powodu wysokości podnoszenia malejącej wraz ze spadkiem strumienia. Jednakże, niekontrolowane stosowanie przemienników częstotliwości powoduje powstawanie zakłóceń w instalacji elektrycznej. Można jednakże uniknąć takiej sytuacji poprzez stosowanie urządzeń filtrujących, zapobiegających tym niepożądanym skutkom. (...)

Podsumowanie
     Zaprezentowane powyżej wyniki pokazują, że racjonalne gospodarowanie układem pomp nie jest zagadnieniem łatwym. Niestety, sprawne poruszanie się w zagadnieniach prowadzenia ruchu i energooszczędności wymagają bardzo dobrej znajomości fizyki zachodzących zjawisk. W układach pomp w zakładach przemysłowych poszukiwać można dużego potencjału oszczędności energii.
     Do takiego wniosku doszli też japońscy inżynierowie. Obowiązujące w Japonii  od prawie 30 lat prawo o poszanowaniu energii uczyniło tamtejszy przemysł najbardziej oszczędnym w świecie. Polsko-Japońskie Centrum Efektywności Energetycznej (PJCEE) korzysta z japońskich doświadczeń i współpracuje z rządową agencją Japońskie Centrum Poszanowania Energii (The Energy Conservation Centre, Japan), w propagowaniu idei oszczędzania energii w naszym kraju. 

wydanie 8/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE