1. Wstęp

Całkowita moc cieplna sieci miejskiej wynosi 312 MW, w tym 12 MW na potrzeby ciepłej wody użytkowej. Ciepło dostarczane jest do instalacji wewnętrznych za pośrednictwem 922 węzłów cieplnych, w tym 340 wyposażonych dodatkowo w blok ciepłej wody użytkowej. W węzłach tych pracuje około 1400 pomp o łącznej mocy zainstalowanej do 1,4 MW. P.K. „Therma" wykonuje także projekty węzłów cieplnych – około 1600 pozycji w ciągu 20 lat.

 

Rys. 1.  Struktura potrzeb cieplnych

 

2. Rola pomp w instalacjach ciepłowniczych

2.1 Rodzaje pomp

W układach ciepłowniczych najczęściej stosowane są małe jednostopniowe pompy odśrodkowe, o małym wyróżniku szybkobieżności, zarówno w wykonaniu bezdławicowym z silnikami wielobiegowymi, jak i w wykonaniu dławicowym z uszczelnieniami czołowymi lub z uszczelnieniami z miękkim szczeliwem. Moce największych pomp w węzłach grupowych wynoszą około 22 kW. Ponad 80% węzłów cieplnych obsługiwanych jest przez pompy o mocy do 1,5 kW.

Jako pompy uzupełniające często stosowane są pomy z kanałem bocznym (samozasysające typu S) o dużej wysokości podnoszenia, przy stosunkowo małej wydajności. Niska sprawność nie ma tu istotnego znaczenia z powodu krótkiego czasu pracy. Zarówno pompy dławnicowe, jak i bezdławnicowe są wyposażone w przetwornice częstotliwości do regulacji prędkości obrotowej, zabudowane na pompie lub wyniesione do szafy sterowniczej. W zależności od miejsca montażu pompy stosowane są różne wykonania materiałowe: żeliwo, żeliwo sferoidalne, stal nierdzewna, tworzywo sztuczne, mosiądz, brąz i staliwo.

Rys. 2.  Rodzaje pomp

 

2.2 Charakterystyka instalacji

W poprawnie zaprojektowanej instalacji pompa pracuje w nominalnym punkcie, umożliwiając dostawę właściwej ilości czynnika grzewczego do wszystkich punktów instalacji, gwarantując tym właściwe pokrycie strat ciepła obiektu. Źle zaprojektowana instalacja powoduje niewłaściwy rozpływ czynnika grzewczego, skutkujący wystąpieniem tzw. zjawisk pod- i nadprzepływów w odbiornikach ciepła. Skutkiem takich błędów często jest przeciążenie silnika i praca pompy poza zakresem optymalnej sprawności.

W węzłach ciepłej wody użytkowej pompy pracują przy stałej wydajności, a ponieważ konfiguracja instalacji jest ustalona, więc i wymagana od pomp wysokość podnoszenia również jest stała. W takiej sytuacji nie ma potrzeby stosowania pomp z regulacją. Wystarczy dostosowanie charakterystyki pompy do pracy w danej instalacji na etapie budowy.

 

Rys. 3.  Schemat węzła c.w.u.

 

2.3 Charakterystyki pomp

Charakterystyki pomp są funkcjami: Hu = f (Q), P = f (Q), r| = f (Q) przy stałej prędkości obrotowej (rys. 4).

 

Rys. 4. Charakterystyka pompy 100PJM150; n = 2900obr./min
 

W instalacjach grzewczych typu zamkniętego (pracujących przy nadciśnieniach około 3,0 bar) pompy praktycznie zawsze pracują poza obszarem kawitacji. Szczegółowej analizy kawitacyjnej wymaga praca pomp w układach otwartych z pompami pracującymi na zasilaniu gorącym czynnikiem grzewczym. Ocenę należy wykonać w oparciu o charakterystykę NPSH = f (Q), dostarczoną przez producenta pompy, oraz obliczoną dla danej instalacji i punktu pracy wartość NPSH wg wzoru

2.4 Dobór pomp

Punkt pracy pompy leży na przecięciu charakterystyk wysokości podnoszenia pompy i instalacji (rys. 4).

Pompę należy dobierać tak, by punkt pracy był w obszarze maksymalnej sprawności oraz w obszarze pracy bez kawitacji. Przy realizacji inwestycji konieczne jest ustalenie kompromisu pomiędzy kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjny m i. Cena zakupu jest jednym z wielu kryteriów! nie może determinować wyboru.

Praca w obszarach maksymalnej sprawności jest szczególnie ważna w pompach o większej mocy. W przypadku pomp małych-kilkudziesięciowatowych, stosuje się często konstrukcje bardzo uproszczone i niedrogie, o małej sprawności, ponieważ straty mocy są stosunkowo niewielkie. Jednak ze względu na dużą liczbę zabudowanych pomp oraz pracę ciągłą (~SOOOh/a) wskazane jest wyposażanie ich w regulację prędkości obrotowej w cel u zmniejszę nią zużycia energii elektrycznej.

Awaryjność pomp, łatwość obsług i i dostępność serwisu również przekładają się na koszty eksploatacji. Czasem dostępność serwisu (i części zamiennych) jest jednym z ważniejszych kryteriów branych pod uwagę w przetargach.

W budynkach mieszkalnych istotnym kryterium jest hałas emitowany przez elementy węzła, w tym również przez pompy. Węzły grupowe z pompami o większych mocach i prędkościach obrotowych ponad 1500 obr./min nie powinny znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie budynków mieszkalnych. Hałas emitowany przez pompy przenosi się rurami na znaczne odległości. Częstym zabiegiem, zmniejszającym hałas, jest wówczas montaż elastycznych, gumowych złączy na rurociągach przyłączeniowych.

3. Regulacja oraz dostosowanie pomp do instalacji

W węzłach, jak i innych obiektach zasilanych z bielskiej sieci miejskiej występują instalacje odbiorcze o zmiennej i stałej charakterystyce oporów (przepływach zmiennych i stałych).

Pompy pracujące w instalacjach, w których pod czas eksploatacji występują zmiany przepływu, powinny być regulowane. Do takich układów należą instalacje c.o, wentylacji, czasem także technologii.
W układach, gdzie przepływ i opory hydrauliczne są stałe, nie ma potrzeby stosowania regulacji, gdyż w czasie pracy nie występuje zmiana wymaganych parametrów. Do takich instalacji należą instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej i uzupełniania zładu.

3.1 Zasady regulacja pomp.

Regulacja polega na zmianie charakterystyki pompy celem osiągnięcia wymaganego, zmień łającego się punktu pracy, przy możliwie dobrej sprawności. Mało ekonomicznymi sposobami regulacji jest stosowanie dławienia lub upustu.

3.1.1. Regulacja liczba zataczanych pomp - równoległa współpraca pomp.

W instalacjach ciepłowniczych stosowane są układy pomp współpracujących równolegle. Wspólną charakterystykę zespołu otrzymuje się, sumując wydajności poszczególnych pomp dla tych samych wysokości podnoszenia. Do współpracy takiej stosuje się zwykle takie same pompy. Włączanie do pracy równoległej kolejnych pomp przesuwa punkt pracy każdej pompy w stronę mniejszych wydajności (zmienią się również sprawność). Sumaryczna wydajność całego układu wzrasta, ale nieproporcjonalnie do liczby pracujących pomp.

Rozważając współpracę równoległą pomp, należy uwzględnić tolerancję ich wykonania. Płaskie charakterystyki wraz z odchyłkami wykonawczymi zgodnymi z katalogową tolerancją mogą powodować znaczną asymetrię w obciążeniu silników napędzających pompy. Na rysunku 6 przedstawiono dwie takie same pompy (750 W). Tolerancja ich wykonania powoduje, że przy wysokości ciśnienia dyspozycyjnego 10 m silnik pompy P01 jest niedociążony, a pompy P02 przeciążony.

 

Rys. 5 Równoległa współpraca pomp
 

3.1.2. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej.

Najczęściej stosowana jest obecnie regulacja przez zmianę prędkości obrotowej. Przetwornice mogą sterować jedną pompą lub grupą pomp pracujących równolegle. W przedsiębiorstwie „Therma" stosowane są przetwornice częstotliwości zabudowane w szafach sterujących oraz pompy z wbudowanym sterowaniem elektronicznym.

Zmiana charakterystyki pompy wraz ze zmianą prędkości obrotowej wynika z zasad kinematycznego podobieństwa przepływów.

Przy zmianie prędkości obrotowej tej samej pompy wyróżnik szybkobieżności i sprawność pompy w przybliżeniu pozostają stałe.

Płynna regulacja prędkości obrotowej pomp stosowana jest w węzłach powyżej 1,0 MW, szczególnie tam, gdzie spodziewana jest zmienność przepływu w instalacjach odbiorczych. Regulacja taka wymaga przetwornicy częstotliwości i przetwornika różnicy ciśnień.

 

Rys. 6 Wpływ tolerancji wykonania pomp

 

3.3 Warianty współpracy z przetwornicami.

W ciepłownictwie stosowane są dwa warianty współpracy przetwornic z pompami:

1. Jedna wspólna przetwornica, sterując, utrzymuje zadane ciśnienie dyspozycyjne.

Punkt pracy zespołu pompowego z dynamicznie zmieniającą się charakterystyką instalacji odbiorczej ustala przetwornica, wpływając na obroty pompy regulowanej. W takim przypadku obciążenie każdej z pomp jest inne. Pompa nie-regulowana pracuje wg swojej nominalnej charakterystyki. Jej moc i prąd nie są kontrolowane przez przetwornicę, dlatego obniżając wartość ciśnienia dyspozycyjnego dla instalacji, można spowodować przeciążenie silnika pracującego z pompą nieregulowaną. RK. „Therma" w takich układach stosuje pompy, które w całym zakresie pracy nie powodują przeciążenia silnika elektrycznego.

Włączenie kolejnej pompy następuje po wypracowaniu dla pompy regulowanej granicznej częstotliwości zasilania ~50 Hz (wartość para m et ryżowa n a przez użytkownika). Wyłączenie pompy bez regulacji następuje gdy częstotliwość dla pompy regulowanej obniży się do 25-30 Hz (wartość parametryzowana przez użytkownika). Regulacja taka (przy stosowaniu więcej niż dwóch pomp) wymaga ruchowego określenia progów włączania i wyłączania, jak również utrzymywania nieznacznie wyższego ciśnienia dla każdej następnej pompy, by nie doprowadzić do oscylacyjnej pracy. Nakłady finansowe na taki układ, dla średniej wielkości osiedla, zwracają się zazwyczaj wciągu jednego sezonu grzewczego.

2. Każda z pomp bloku pompowego wyposażona jest we własną przetwornicę.

Jest to rozwiązanie droższe, pozwalające wykorzystać pompy z przetwornicą częstotliwości oryginalnie zabudowaną na korpusie silnika. Wymaga zautomatyzowania wtaczania i wytaczania pompy z kaskady. Nie ma możliwości przeciążenia przez pompę silnika elektrycznego, gdyż każda przetwornica kontroluje wartość prądu. Zamiana funkcji pomp pomiędzy rezerwową i podstawową (zamiana wynikająca z wyrównania godzin pracy) odbywa się bez konieczności zatrzymania bloku pompowego. Nie ma również konieczności stosowania soft-startów dla silników pomp. Jednak w przypadku awarii, układ taki może powodować trudności w uruchomieniu pompy z pominięciem przetwornicy (wymaga interwencji uprawnionego elektryka).

W obiektach o mniejszym zapotrzebowaniu ciepła stosowane są pompy elektroniczne z wbudowanym w korpus silnika układem sterowania prędkością obrotową. Często w konstrukcjach takich, szczególnie w pompach bezdławnicowych, do wyznaczenia aktualnego punktu pracy pompy służy pomiar prądu (mocy elektrycznej). Z racji płaskich charakterystyk mocy oraz tolerancji wykonania pomp odwzorowanie parametrów hydraulicznych nie jest precyzyjne. Błąd pomiaru przepływu może wynosić nawet kilkadziesiąt procent. Nie stanowi to znaczącego problemu eksploatacyjnego – należy nadać odpowiednio większą lub mniejszą wartość dla uzyskania właściwego efektu na odbiorniku cieplnym, lecz wskazany przepływ należy traktować jako wskaźnik, a nie wartość fizyczną.

 

Rys 7. Równoległa współpraca pomp sterowana przetwornicą częstotliwości

 

3.3 Dostosowanie pomp do instalacji odbiorczej.

W przypadkach, gdy podczas eksploatacji wymagane parametry pracy są stałe, nie ma potrzeby stosowania regulacji pomp i ponoszenia dodatkowych kosztów. Wystarczy dopasowanie charakterystyk pomp do nominalnych warunków pracy przez ustawienie biegu pompy (dotyczy pomp wielobiegowych) lub zmniejszenie zewnętrznej średnicy wirnika (dotyczy pomp odśrodkowych i ewentualnie diagonalnych). Obtaczanie wirnika jest poprawną, aczkolwiek nieodwracalną ingerencją w konstrukcję pompy.

AUTOR:
mgr inż. Tomasz Berowski jest kierownikiem Pracowni Modernizacji Systemu Cieplnego w Przedsiębiorstwie Komunalnym „THERMA" S.A.
KONTAKT:
tel. 33 81 28 265

Od Redakcji: Druga część artykułu zostanie opublikowana w numerze „PP" 4/2012.