W związku z poszukiwaniem oszczędności energetycznych podczas gruntownej analizy systemu użytkownicy pomp mogą liczyć na różnorodne opcje oszczędnościowe.
Organizacje handlowe przedstawiły dane, które wskazują, że systemy pomp zużywają około 20% światowej energii elektrycznej. Dodatkowo dane statystyczne wskazują, że 85% całkowitych kosztów posiadania systemu pomp to koszt energii elektrycznej wymaganej do jego obsługi. Działania podjęte w celu zwiększenia efektywności systemów pomp będą widoczne nie tylko w obniżeniu kosztów eksploatacyjnych, ale także w redukcji zużycia energii i obciążenia źródeł energii elektrycznej. Jeden z podstawowych tematów, który powinien być rozważony podczas oceny wydajności tradycyjnej instalacji jednostopniowej pompy, to wykorzystanie wielostopniowej technologii.
Tradycyjne pompy jednostopniowe
Pompy jednostopniowe wykorzystują pojedynczy wirnik i korpus spiralny do generowania ciśnienia. Generowane ciśnienie zależy od średnicy i prędkości obrotowej wirnika pompy. W przypadku jednostopniowej pompy wirnik jest jedynym elementem, który transferuje energię do pompowanej cieczy. Wirnik może przekazywać energię tak długo, jak istnieje kontakt z cieczą, dlatego też średnica wirnika jest bardzo istotna dla określenia wydajności pompy.
Różne punkty pracy w zakresie charakterystyki wydajności hydraulicznej określonej dla danej pompy są osiągane przez zmniejszenie średnicy wirnika. Dzięki temu redukowana jest ilość energii transferowanej do pompowanej cieczy. Odległość pokazana na rysunku 1 pomiędzy brzegiem wirnika i korpusem spiralnym jest istotna w procesie określania wydajności hydraulicznej pompy.
Dla konkretnego rozmiaru pompy określona jest optymalna średnica wirnika, przy której pompa będzie pracować z najwyższą wydajnością. Przy odpowiednim stopniu przepływu i wysokości podnoszenia pompa będzie pracować w punkcie najwyższej sprawności (BEP – Best Efficiency Point). Dla wszystkich innych punktów pracy przepływu i wysokości podnoszenia, możliwych do uzyskania dla danej charakterystyki pompy, należy zmniejszyć średnicę wirnika lub wprowadzić kontroler prędkości pompy. Można wykonać również te dwie czynności równocześnie. Patrząc na wykres charakterystyki krzywej na rysunku 2, praca pompy oddalona od punktu BEP przyczynia się do znacznego obniżenia jej efektywności.
Kształt krzywej charakterystyki pompy jest również warty uwagi, zwłaszcza podczas próby zastosowania sterowania pompy poprzez zmianę prędkości.
Podczas wykorzystywania prędkości do kontroli pracy pompy w momencie obniżenia prędkości krzywa charakterystyki przesuwa się w dół i do lewej strony. W ten sposób redukowana jest wartość przepływu i wysokość podnoszenia, które zostały wytworzone przez pompę. Prawa podobieństwa pokazują, w jaki sposób zmienia się wydajność pompy w zależności od prędkości obrotowej (RPM).
Kiedy krzywa charakterystyki pompy jest płaska (tak jak na rysunku 2), relatywnie mała zmiana ciśnienia powoduje dużą zmianę wartości przepływu, która sprawia, że kontrola przez ciśnienie staje się trudna. Dodatkowo ograniczony zostaje zakres, w jakim można redukować prędkość obrotową. Prawa podobieństwa stanowią, że moc hydrauliczna pompy zmienia się proporcjonalnie do sześcianu zmian obrotów. Ograniczony zakres redukcji prędkości obrotowych pomp z płaską charakterystyką związany jest również z ograniczoną redukcją mocy (oszczędności energii), która może być osiągnięta poprzez kontrolowaną zmianę prędkości obrotowej.
Pompy wielostopniowe
Pompy wielostopniowe wykorzystują wiele wirników i korpusów ustawionych szeregowo do generowania określonego ciśnienia. Pompowany czynnik przepływa przez kolejne wirniki i komory, które są zwane również stopniami. Wartość ciśnienia uzyskanego w wielostopniowej pompie zależy od średnicy wirnika, liczby stopni, a także prędkości obrotowej wirników. W takich pompach średnica wirnika zwykle nie jest dopasowana do osiągnięcia wymaganej sprawności operacyjnej.
Dodatkowo ze względu na to, że w pompie znajduje się wiele wirników wykorzystywanych do nadawania wymaganej energii pompowanemu czynnikowi, każda kombinacja wirnika i kierownicy może mieć mniejszą średnicę i pracować na mniejszej odległości (rys. 1). Z powodu małych odstępów pomiędzy wirnikiem i komorą, pompy wielostopniowe nie są zalecane dla aplikacji pompujących płyny, które zawierają ciała stałe, ścierające lub włókniste. Rezultatem zastosowania małej tolerancji jest zapewnienie, że każdy wirnik będzie pracował w zakresie najlepszej wydajności hydraulicznej. Elementem zmiennym, który zapewnia spełnienie określonych warunków pracy, jest liczba wirników wykorzystanych w pompach wielostopniowych.
Rysunek 5 pokazuje, jak różne stany pracy wpływają na zakres możliwej do uzyskania wydajności w przypadku pomp wielostopniowych. Jeżeli niezbędne są większe ciśnienia, to do pompy zostaje dodana większa liczba stopni (kombinacji wirnika i korpusu spiralnego), jeżeli wymagane jest mniejsze ciśnienie, to wybiera się pompę z małą liczbą stopni.
Tak jak w przypadku pompy jednostopniowej, kształt krzywej charakterystyki jest istotny, szczególnie gdy pompa sterowana jest przez zmianę prędkości obrotowej. Jeżeli chcemy kontrolować pracę pompy, bazując na ciśnieniu systemowym, łatwiej jest kontrolować pompę ze stromą krzywą charakterystyki niż z płaską. Natomiast w przeciwieństwie do płaskiej, stroma krzywa nie będzie miała tak dużej zmiany wartości przepływu cieczy odpowiadającej małej zmianie ciśnienia. Zakres regulacji prędkości obrotowej dla pompy ze stromą krzywą charakterystyki jest większy niż dla pompy z płaską krzywą.
Zgodnie z prawami podobieństwa, moc hydrauliczna zmienia się proporcjonalnie do sześcianu zmian obrotów. Dlatego też pompa ze stromą krzywą wydajności może generować większe oszczędności na energii za pomocą zmiennej prędkości w porównaniu do pompy z płaską krzywą wydajności.
Rys. 6 przedstawia wykres dla pomp zarówno jednostopniowych, jak i wielostopniowych. Dla tych pomp wybrano ten sam punkt pracy. Podczas pracy redukcji uległa wartość przepływu. Wykorzystując zmienną prędkość, dostępny zakres regulacji prędkości obrotowej dla pompy jednostopniowej to ok. 95–100% (3319–3500 obr./min). Natomiast zakres dostępny dla pompy wielostopniowej wynosi 83–100% (2882–3500 obr./min). Różnica w prędkości powoduje znaczne obniżenie, bo o 37%, zużycia energii przy obniżonym stanie obciążenia.
Idąc dalej…
Zmiana pomp z jednostopniowych na wielostopniowe wymaga znacznych modyfikacji systemu rurowego, a także samego mocowania pomp. Postęp w projektowaniu urządzeń umożliwił powstanie wielostopniowych pomp, które mają przyłącza po stronie tłoczenia i ssania oraz wymiary montażowe, które mogą być zamienne z pompami wymiarowanymi wg amerykańskich standardów ANSI.
Przy obniżonym zapotrzebowaniu na energię niezbędną do wykorzystania technologii wielostopniowej rozmiar silnika napędzającego wielostopniową pompę jest często znacznie mniejszy w porównaniu do silnika pompy jednostopniowej. Pompa jest dłuższa ze względu na umieszczenie dodatkowych stopni (niezbędne do zapewnienia odpowiednich wymagań systemu). Jednak ograniczenie rozmiaru silnika wpływa na rozmiary pompy i pomimo dodatkowych stopni długość całego urządzenia jest zwykle krótsza w porównaniu do pompy jednostopniowej.
Podczas przeprowadzania procesu optymalizacji wydajności pomp należy zwrócić uwagę na perspektywy rozwoju pomp wielostopniowych. Ze względu na ich konstrukcję pompy wielostopniowe oferują kilka dodatkowych zalet. Konstrukcja wielostopniowa umożliwia wirnikom o mniejszej średnicy wykonywanie pracy przy wyższej wydajności niż jest to możliwe dla większości pomp jednostopniowych.
Stroma krzywa charakterystyki dla pomp wielostopniowych sprawia, że wykorzystanie ciśnienia do kontroli prędkości obrotowej jest łatwiejsze w porównaniu do pomp jednostopniowych z płaską krzywą. Dodatkowo krzywa dla pomp wielostopniowych umożliwia również zastosowanie większego zakresu regulacji podczas wykorzystywania prędkości do sterowania pompą, a także, tak jak stanowi prawo podobieństwa, obniżenie prędkości (obrotowej) powoduje obniżenie poboru mocy napędu.
Konkluzja
Obecnie użytkownicy pomp doświadczają rosnących nacisków ze strony swoich organizacji, a także ze źródeł zewnętrznych odnośnie oszczędzania energii, obcinania kosztów eksploatacyjnych i zwiększania wydajności energetycznej systemów, którymi operują.
Wielostopniowa technologia ma więcej zalet niż tradycyjne pompy jednostopniowe, pod warunkiem pompowania cieczy niezawierających ciał stałych, ścierających lub włóknistych.
Ostatnie badania technologii wielostopniowej wyeliminowały potrzebę zmian systemów rurowych i mocowania pomp podczas ich wymiany. Wszystkie te działania mają na celu ułatwienie i zachęcenie do wymiany tradycyjnych pomp na wielostopniowe.
Artykuł pod redakcją Michała Piłata
Autor: Andrew Ondish
