W rozmowie z redakcją I&UR Eugene Vogel, specjalista ds. pomp i drgań w firmie EASA, wyjaśnia, jak odpowiednio zwymiarować pompy wyposażone w napędy o zmiennej prędkości obrotowej
Przewymiarowane pompy odśrodkowe mocno się nagrzewają, zużywając dużo więcej energii elektrycznej. Jednym ze sposobów poprawienia ich bilansu energetycznego przy zachowaniu wysokiej sprawności jest zastosowanie przemienników częstotliwości, które modulują prędkość obrotową napędu, dostosowując ją do rzeczywistego zapotrzebowania. Nie zawsze jednak praktyka ta się sprawdza. Dlatego warto wiedzieć, jaka jest zależność między krzywą systemu a krzywą charakterystyczną pompy oraz kiedy warto zastosować falownik do obsługi urządzeń pompujących.
- Czy może Pan krótko przedstawić podstawowe zasady wymiarowania pomp? Jak różni się ono w przypadku napędu zmienno- i stałoobrotowego? Jakie parametry elektryczne należy wziąć pod uwagę podczas doboru pompy z falownikiem?
Eugene Vogel: Rozmiar pompy jest jedną z wielu zmiennych, które należy uwzględnić podczas wyboru konkretnego urządzenia z tej grupy. Wybierając rozmiar, musimy przy tym wziąć pod uwagę dwa kluczowe zagadnienia – niezawodność i koszt. Najlepszą relację tych dwóch czynników zapewniają pompy o wymiarach, które umożliwiają im funkcjonowanie na granicy tzw. optymalnego punktu pracy (Best Efficiency Point – BEP). Jeśli dana aplikacja wymaga zmian wielkości przepływu lub wysokości podnoszenia, warto rozważyć zakup pompy o zmiennej prędkości obrotowej lub całego zestawu pomp. W niektórych przypadkach najlepsze efekty przyniesie połączenie obu tych rozwiązań. Zawsze należy także wziąć pod uwagę cały cykl życia pompy.
W przypadku wdrożenia przemiennika częstotliwości musimy mieć świadomość wystąpienia dwóch problemów natury mechanicznej: drgań rezonansowych oraz możliwości uszkodzenia łożysk przez prądy wału.
2. Jaki zakres prędkości oferują falowniki? Przy jakiej najniższej prędkości pompa nadal może efektywnie przetłaczać ciecz?
Eugene Vogel: Zakres częstotliwości roboczych (prędkości) przemiennika częstotliwości zależy od wielu czynników. Po pierwsze wzrost częstotliwości pracy wymaga wzrostu napięcia. Nie można go jednak zwiększać bez końca – zarówno ze względu na ograniczenia ze strony sieci, jak i silnika. Kolejnym ograniczeniem jest zakres prędkości osiąganych przez silnik (co stanowi osobną kwestię). Abstrahując od tych barier, w zależności od konstrukcji falownik może osiągnąć dowolną częstotliwość, najczęściej do 120 Hz.
Minimalna prędkość, przy której pompa może efektywnie pracować, zależy wprost od krzywej systemu, a zwłaszcza wielkości statycznej podnoszenia. Jest ona więc różna dla różnych aplikacji.
3. Jeśli zastosujemy falownik, jaką krzywą sprawności osiągnie pompa w miarę zwiększania lub zmniejszania prędkości obrotowej?
Eugene Vogel: To ciekawe pytanie. Pompa obrotowa charakteryzuje się określoną krzywą sprawności dla danej prędkości. Krzywa ta określa efektywność urządzenia przy różnych wielkościach przepływu i zmienia się wraz z prędkością, determinując za każdym razem przepływ generowany przez pompę. Można więc stwierdzić, że efektywność pompy jest funkcją prędkości obrotowej i krzywej systemu. A tym samym można wykreślić krzywą efektywności dla pompy o stałej prędkości obrotowej oraz pompy i systemu o zmiennej prędkości, ale nie dla samej pompy pracującej z różnymi prędkościami.
4. Jak się ma do tego zmniejszenie średnicy wirnika? Czy oszczędności energii będą tu takie same?
Eugene Vogel: W przypadku danej wielkości przepływu zmniejszenie średnicy wirnika lub ograniczenie prędkości obrotowej podobnie wpłynie na zużycie energii.
5. Falownik jest jednak droższy. Jaki jest czas zwrotu z takiej inwestycji?
Eugene Vogel: Według użytkowników oczekiwany czas zwrotu z inwestycji wynosi tu ok. 18 miesięcy. W przypadku większych projektów, takich jak rozdzielnie elektryczne czy rurociągi, może on się wydłużyć do kilku lat.
6. Jakie oprogramowanie można wykorzystać do modelowania krzywej pompy?
Eugene Vogel: Dobór programu zależy od tego, jaką pompę posiadamy. Np. oprogramowanie H2 Optimize firmy Engineered Software współpracuje z urządzeniami Fairbanks Morse i Aurora.
7. Czy oszczędności energii zwykle kompensują koszt zakupu falownika?
Eugene Vogel: Jeśli system wymaga sterowania przepływem (pracuje z różnymi wielkościami przepływu), zwykle rozwiązania umożliwiające zmianę prędkości obrotowej, w tym zakup falownika, znajdują ekonomiczne uzasadnienie. Inaczej jest w przypadku systemów o wysokiej wartości statycznej podnoszenia, gdzie o uzasadnienie takie znacznie trudniej.
8. Czy podczas montażu falownika w napędzie istniejącej pompy warto stosować pierścień uziemiający?
Eugene Vogel: Pierścień lub szczotka uziemiająca mogą rzeczywiście ograniczyć prądy na wale – jeden z typowych problemów napędów z przemiennikami częstotliwości. Jednak kwestia ta jest dużo bardziej złożona i aby rozwiązać ów problem, nie wystarczy jedynie założyć pierścień uziemiający.
9. Jeśli jednak obniżymy prędkość pompy, zmniejszymy także prędkość silnika, a tym samym również chłodzącego go wentylatora, na stałe zamocowanego do przekładni silnika.
Eugene Vogel: Rzeczywiście tak jest. Wiele systemów wyposażonych w falowniki wymaga dodatkowego chłodzenia silnika, gdy pracuje on z niższą prędkością. W przypadku niektórych pomp obrotowych wymagana moc zmniejsza się jednak wraz ze wzrostem prędkości, a tym samym mogą one pracować z niższą prędkością, bez dodatkowego chłodzenia. Dlatego do każdej aplikacji należy podejść indywidualnie i dokładnie przeanalizować ją pod kątem wymagań w zakresie chłodzenia silnika.
10 Jak obliczyć potencjalne oszczędności z zastosowania falownika?
Eugene Vogel: Punktem wyjścia jest obliczenie realnej redukcji mocy, a następnie jej przeliczenie na kW. Uzyskaną wartość przemnażamy przez godziny pracy w danym przedziale czasu, a następnie przez stawkę za kWh. W efekcie uzyskujemy wartość oszczędności w danym okresie. Okresem tym mogą być tygodnie, miesiące lub lata.
