Partner serwisu

Uwagi na temat regulacji parametrów pomp wirowych przez zmianę prędkości obrotowej

Kategoria: Eksploatacja

Zastosowanie na szeroką skalę regulacji przez zmianę prędko­ści obrotowej stanowiło swego rodzaju rewolucję w technice pompowej i umożliwiło uzyskanie znacznych oszczędności energetycznych. W porównaniu z regulacją przez dławienie re­gulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest zawsze korzyst­niejsza energetycznie, co wynika z samej zasady działania, gdyż w przypadku dławienia pompa najpierw przekazuje ener­gię do cieczy, a następnie energia ta jest tracona na zaworze dławiącym, natomiast w przypadku regulacji przez prędkość obrotową następuje redukcja ilości energii przekazywanej do cieczy. Pytanie nie brzmi zatem: czy regulacja przez prędkość obrotową przyniesie oszczędności, tylko: po jakim okresie na­kłady na zastosowanie takiej regulacji się zwrócą?
 

Wprowadzenie

Przez długi okres barierę wobec stosowania regulacji przez prędkość obrotową stanowił koszt przetwornic często­tliwości (tzw. falowników). W miarę wzrostu skał i produkcji koszt ten stopniowo ulegał zmianie i obecnie falowniki we­szły do powszechnego użycia, stając się niemal standardo­wym składnikiem zespołu pompowego. Niestety, temu ko­rzystnemu zjawisku towarzyszy niebezpieczny trend, pole­gający na tym, że dysponując możliwością regulacji para­metrów, zaniedbuje się zasady prawidłowego doboru pomp (60 się wyreguluje na falowniku), co ogranicza potencjalne oszczędności energii.

W intencji autora poniższe uwagi mają na celu ułatwie­nie optymalizacji stosowania przemienników częstotliwości oraz uniknięcie często popełnianych błędów.

Zagadnienie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej zostało szeroko omówione w [1], a uwagi zawarte w niniej­szym tekście stanowią próbę uzupełnienia wiedzy przekazanej w tej publikacji o przykłady praktyczne.

 

Ograniczenia ruchowe

Zastosowanie napęd u ze zmienną prędkością obrotową może powodować pewne problemy w eksploatacji. Silniki starszych typów nie były na ogół przystosowane do zasilania przez falow­nik. Problemy związane były głównie z chłodzeniem, gdyż zmiana zasilania z typowego sinusoidalnego prądu zmienne­go na impulsy generowane przez falownik powód uje zwiększe­nie wydzielania ciepła w uzwojeniach, a jednocześnie wraz z prędkością obrotową spada skuteczność wentylatora chło­dzącego silnik. Silniki obecnie produkowane są na ogół przy­stosowane do współpracy z falownikami, lecz w każdym przy­padku wskazane jest skonsultowanie tego z producentem.

W przypadku pomp najpoważniejszym problemem jest możliwość wystąpienia rezonansu przy niektórych prędko­ściach obrotowych. Pompy tradycyjnie projektowane były na określoną, nominalną prędkość obrotową, tak aby prędkość

krytyczna, przy której następuje wzrost drgań, nie pokrywała się z prędkością nominalną, wypadając najczęściej powyżej niej. Przy zmianie prędkości obrotowej w szerokim zakresie istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że prędkość obrotowa pokryje się z podzielnikiem prędkości krytycznej (np. połową prędkości krytycznej), co prowadzi do wzrost u drgań. W przy­padku gdy prędkość obrotowa zmienia się w bardzo szerokim zakresie, jest to zjawisko t rudne do uniknięcia. Należy jedna k w porozumieniu z producentem pompy ustalić, w jakim zakre­sie prędkości obrotowych można się go spodziewać, i tak do­bierać pompę, aby w tym zakresie nie pracowała.

Przy znacznym obniżeniu prędkości obrotowej może na­stąpić obniżenie nośności łożysk ślizgowych. Problemów przy obniżaniu prędkości obrotowej można się spodziewać również w przypadku, gdy stosuje się złożone systemy uszczelnień mechanicznych, w których przepływ cieczy chłodzącej wymuszany jest przez wirujące elementy. Nie są to zjawi s kas potykane często w praktyce, ale dobie rając za­kres regulacji, należy mieć na uwadze możliwość ich wystą­pienia.

 

Charakterystyki pomp wirowych regulowanych przez zmianę prędkości obrotowej i możliwe do uzyskania korzyści energetyczne

W [1] i [2] opisano, jak zmieniają się parametry pomp wiro­wych ze zmianą prędkości obrotowej. Jeśli znana jest cha­rakterystyka podstawowa H (Q) przy prędkości nominalnej, to charakterystyki dla innych prędkości można wyznać żyć, przeliczając punkt po punkcie wg wzorów:

Q2 = Qi n2/n1l H2=H1(n2/n1)z,

gdzie indeksem 1 oznaczono parametry przy prędkości n], a indeksem 2 parametry przy prędkości n2.

W ten sposób, znając parametry Q( i H( w punkcie po­łożonym na charakterystyce przy prędkości n^ można obli­czyć parametry Q2 i H2 w punkcie położonym na charakte­rystyce przy prędkości n2. Można przyjąć, że sprawność w obu punktach jest taka sama, a zatem linie stałej spraw­ności są parabolami. Założenie o stałości sprawności prze­staje obowiązywać przy zbyt niskich prędkościach obroto­wych, przy których pompy wirowe przestają działać prawi­dłowo, ze względu na to, że stosunek siły odśrodkowej do sił wynikających z lepkości przyjmuje zbyt niskie wartości.

Rys. 1. Zależność wysokości podnoszenia i sprawności od prędkości obrotowej
 

Wyznaczając charakterystyki przy różnych prędkościach w opisany sposób, uzyskujemy tzw. wykres muszlowy jak na rys.1. Oczywiście charakterystyki przy różnych prędko­ściach obrotowych można też wyznaczyć na drodze pomiarowej. Uzyskane wyniki są na ogół zbliżone do wyznaczo­nych teoretycznie. Zasadnicza różnica jakościowa polega na tym, że zgodnie z teorią parabole stałej sprawności biegną aż do początku układu współrzędnych jak na rys.1, a w prak­tyce, jak wspomniano, poniżej pewnej prędkości obrotowej sprawność spada.

Patrząc formalnie na wykres jak na rys.1, można dojść do wniosku, że stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej, można uzyskać każdy wymagany punkt pracy o parametrach Q i H. Stąd już blisko do kolejnego niebez­piecznego wniosku, zew przypadku zastosowania falowni­ka nie ma potrzeby przestrzegać zasad doboru pomp. Jest to wniosek błędny, gdyż dopuszczalne pole pracy pompy przy zmiennej prędkość i obrotowej jest ograniczone - rys.2.

Rys. 2. Zakres pracy pompy

 

 

Granica obszaru pracy optymalnej

Ograniczenie od do tu wynika z tego, że jak wspomniano, po­niżej pewnej prędkości obrotowej następuje pogorszenie sprawności i wobec tego nie należy schodzić poniżej okre­ślonej nmin. Z kolei od góry ograniczenie wynika głównie z powodów wytrzymałościowych. Należy pamiętać, że ci­śnienie wytwarzane przez pompę, a także moment skręca­jący wału rosną z kwadratem prędkości obrotowej. Współ­czesne falowniki na ogół są zdolne do zwiększania często­tliwości od 50 do 60 Hz, co oznacza zwiększenie prędkości obrotowej o 20%, a zatem wzrost ciśnienia i momentu skrę­cającego wału w stosu n ku około 1.22 = 1.44. Jest to wartość znajdująca się na ogół na granicy rezerw konstrukcyjnych pompy, dlatego dalsze zwiększanie prędkość i obrotowej by­łoby groźne. Oczywiście w każdym przypadku najbezpiecz­niej jest ustalić z producentem maksymalną, dopuszczalną prędkość obrotową pompy.

Dla stałej prędkości obrotowej zazwyczaj przyjmuje się, że zalecany zakres pracy zawiera się w zakresie wydajności od 80 do 110% wydajności optymalnej. Poza tym zakresem nie tylko spada sprawność, ale występują również nieko­rzystne efekty ruchowe, jak wzrost drgań i hałasu. Podob­ny zakres zalecanej pracy obowiązuje w przypadku każdej charakterystyki dla poszczególnych prędkości obrotowych. W rezultacie zalecane pole pracy zawiera się wewnątrz ob­szaru zaznaczonego na rys. 2 linią kropkową. Ze względu na sprawność optymalny zakres pracy jest jesz­cze węższy. Pompa powinna pracować w pobliżu paraboli najwyższej sprawności Tlmax. Jest to możliwe, jeśli charak­terystyka układu ma zbliżony przebieg, co zachodzi w ukła-dach obiegowych z zerową wysokością statyczną. Tego ro­dzaju charakterystyki są typowe dla sieci ciepłowniczych, a zatem w takim zastosowaniu przetworniki częstotliwości mogą przynieść najwyższe oszczędności energetyczne.

Aby wstępnie ocenić, jakie efekty regulacja przez prędkość obrotową da w określonym układzie pompowym, wystarczy jego charakterystykę nanieść na wykres muszlowy danej pompy. Jak stwierdzono, w idealnym przypadku charakte­rystyka ta może przypadać w obszarze najwyższej sprawno­ści, co zachodzi dla układu obiegowego z zerową statyczną wysokością podnoszenia. Często mamy do czynienia z u kła­dami o płaskiej charakterystyce, gdzie dominuje statyczna wysokość podnoszenia, a straty odgrywają niewielką rolę. W takim przypadku charakterystyka układu jest w przybli­żeniu pozioma, a w trakcie regulacji punkt pracy przemiesz­cza się na tle wykresu muszlowego, tak jak pokazano na rys. 2 strzałką od punktu nominalnego w kierunku punktu 1. Jak widać w takim przypadku punkt pracy wraz ze zmniejsza­niem wydajności opuszcza najpierw optymalny, a w dalszej kolejności zalecany obszar pracy. Typowe przykłady takich układów to m. i n.:

a) układy wodociągowe, w których utrzymuje się stałe ci­śnienie zasilania,

b) pompownie głównego odwadniania w głębokich kopal­niach,

c) pompownie melioracyjne.

W tego typu układach pompowych oszczędności energe­tyczne możliwe do uzyskania na skutek zastosowania regu­lacji przez zmianę prędkości obrotowej są mniejsze niż w układach obiegowych. W takich przypadkach wskazane jest stosowanie kilku pomp, pracujących równolegle. Zgrub­na regulacja wydajności powinna się odbywać przez zmia­nę liczby pracujących pomp, a zmianę prędkości obrotowej należy wykorzystywać w celu precyzyjnego doregulowania wydajności pompowni do wymagań. Jak stwierdzono w [2] korzystniejsze jest regulowanie prędkości obrotowej wszyst­kich pomp, a nie tylko jednej.

Ogólnie można stwierdzić, że zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej przynosi w stosunku do regulacji dławieniowej efekty:

a) tym większe, im większy jest udział strat w całkowitej wy­sokości podnoszenia,

b) tym większe, im szerszy jest zakres regulacji wydajności.

Dopuszczalny zakres pracy pompy z regulacją prędkości ob­rotowej jak w każdym innym przypadku zależy też od wła­ściwość i ssawnyc h. Należy zatem sprawdzić, czy w każdym punkcie pracy wymagane NPSHr jest niższe od dostępne­go NPSHa. Komplikacja polega na tym, że charakterystyki NPSHr są zazwyczaj znane dla nominalnej prędkości obro­towej. Nie ma powszechnie uznanych wzorów, przy użyciu których można przeliczać wymagania co do NPSH przy zmieniających się obrotach. Od strony jakościowej wpływ obrotów na wymagane NPSH pokazano na rys. 3. Zmniej­szanie obrotów powoduje, że wartości wymaganego NPSH na ogół spadają, a zatem regulacja obrotów w dół z reguły poprawia zapas antykawitacyjny.

Rys. 3. Charakterystyka NPSHr pompy o prędkościach obrotowych ri] i n2

 

Niebezpieczeństwo może polegać na tym, że ze spadkiem obrotów zakres niskich wy­magań wobec N PSHr przesuwa się w kierunku niższych wy­dajności. Jeśli regulacja przez zmianę obrotów odbywa się zatem po linii w kierunku p. 2 jak na rys. 2, czyli zmniejsza­nie obrotów prowadzi do zmniejszania wysokości podnosze­nia przy stałej wydajności, to w takim przypadku właściwo­ści ssawne pompy mogą się pogorszyć.

Ze względu na wspomniany brak uniwersalnych formuł, po­zwalających na przeliczanie charakterystyk NPSHr, sprawdze­nie warunków ssania przy zmiennej prędkości obrotowej po­winno odbywać się we współpracy z producentem pompy.

 

Falownik nie powinien zastępować poprawnego doboru

Możliwość zmiany parametrów pompy przy pomocy falow­nika nie powinna zastępować prawidłowego doboru. Dla przykładu -jeśli pompa zostanie dobrana na zbyt dużą wy­sokość podnoszenia i z tego powodu ma tendencje do pra­cy z nadmierną wydajnością, to przy zastosowaniu falowni­ka można dostosować jej wysokość podnoszenia do wyma­ganej przy danej wydajności. Oznaczać to będzie jednak re­gulację po linii pokazanej na rys. 2 w kierunku p. 2, co spo­woduje wyjście pompy z zalecanego zakresu.

Autor spotkał się z błędnymi zaleceniami projektanta układu ciepłowniczego, w którym przewidziano cztery pom­py, regulowane przy pomocy falowników. Projektant zalecał, aby w przypadku zmniejszenia wydajności dwie pompy wy­łączać, a dwie pozostałe regulować poprzez zmniejszanie obrotów. Jest to zalecenie błędne, gdyż jeśli założyć, że czte­ry pompy są prawidłowo dobrane na maksymalną wydaj­ność i odpowiadającą jej w ciepłowniczym układzie pompo­wym wysokość podnoszenia, wynikającą z oporów przepły­wu w sieci, to przy zmniejszaniu wydajności wymagana wy­sokość podnoszenia zmniejsza się wzdłuż paraboli. Wobec tego wskazane byłoby regulowanie wszystkich czterech pomp. Natomiast jeśli zmniejszoną wydajność chcielibyśmy uzyskać z dwu pomp, to ich optymalna wysokość podnosze­nia byłaby wyższa, niż to wynika z charakterystyki układu, i w rezultacie pompy pracowałyby jak w p. 2 na rys. 2, poza optymalnym zakresem. Prawidłowa praktyka eksploatacyj­na w takim przypadku powinna polegać na równomiernym zmniejszaniu wydajności wszystkich pomp.

W [3] opisano przypadek, gdy falowniki zostały zastosowane w celu ograniczenia wydajności śmigłowych pomp w pom­powni melioracyjnej, które zostały dobrane na nadmierną wydajność do tego stopnia, że przepływ wody odbywał się z tak wysoką prędkością, że uszkodzeniu erozyjnemu ulegały brzegi kanałów prowadzących do pompowni. Jest to przykład błędnego doboru, który był szczególnie kosztowny, gdyż naj­pierw zakupiono większe, a zatem droższe pompy, a następ­nie zastosowano falowniki, po to aby wydajność ograniczyć.

 

Podsumowanie i wnioski

Jak wynika z powyższego, stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej, należy się kierować kilkoma zasadami:

1. Na etapie doboru należy na „wykresie muszlowym" na­nieść charakterystykę układu i sprawdzić, czy ten jej za­kres, w którym najczęściej ma pracować pompa, leży w jej zalecanym obszarze pracy. Poza tym zakresem pom­pa powinna pracować jedynie sporadycznie.

2. Najlepsze efekty energetyczne uzyskać można dla ukła­dów obiegowych, gdyż wtedy istnieje możliwość pracy wyłącznie w obszarze wysokich sprawności. Jeśli w ukła­dzie obiegowym wymaganą wydajność uzyskujemy nie z jednej, lecz z kilku pomp pracujących równolegle, to przy zmniejszaniu wydajności nie należy żadnej z nich wyłączać, lecz zmniejszać równomiernie wydajność wszystkich pomp.

3. W układach o płaskich charakterystykach, (czyli o nie­wielkim udziale strat w stosunku do wysokości statycz­nej) regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest mniej efektywna. W takich sytuacjach korzystne jest sto­sowanie kilku pomp połączonych równolegle i zgrubne dostosowywanie wydajności do wymagań przez włącza­nie odpowiedniej liczby pomp. Poprzez zmianę prędko­ści obrotowej należy następnie precyzyjnie doregulować wydajność, przy czym najkorzystniej jest, jeśli regulowa­ne są wszystkie pracujące pompy, a nie tylko jedna.

4. Zmiana prędkości obrotowej nie powinna służyć jedynie korekcie błędu doboru (np. zmniejszenie wysokości pod­noszenia i wydajności). W takich przypadkach mniej­szych korekt można dokonywać przez zmianę średnicy wirnika, a w przypadku błędów poważnych wskazana jest wymiana pompy.

 

Literatura

1. R Switalski, W. Jędra\, Akademia techniki pompowej, Re­gulacja zmienoobrotowa, za i przeciw, „Pompy-Pompownie", nr 3/2012

2. G. Pakuła, Regulacja wydajności dwu pomp pracujących równolegle, „Pompy-Pompownie", nr 3/2011

3. M. Swiderski, Regulacja wydajności pompy śmigłowej przez zmianę prędkości obrotowej, „Pompy Pompownie", nr 4/2012

 

AUTOR:

dr inż Grzegorz Pakuła

jest Członkiem Zarządu, Dyrektorem Technicznym w POWEN S.A.

 

KONTAKT:

Grzegorz.Pakula@powen.com.pl

ZAMKNIJ X
Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ