16/09/2014

Analiza sprawności układu pompowego jako podstawa planowania remontów pomp.


I. Wprowadzenie.

Planowanie remontów pomp wymaga znalezienia odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania:
1. W jakim momencie pompa powinna zostać skierowana do remontu?
2. Jakie parametry po remoncie pompa powinna uzyskać?

W znalezieniu odpowiedzi na powyższe pytania pomocna jest analiza energetyczna układu pompowego oparta o badanie sprawności eksploatacyjnej pomp. Poziom tej sprawności zależy nie tylko od konstrukcji i jakości wykonania pompy ale także od jakości doboru pompy do układu pompowego. Sprawność energetyczna pompy jest ponadto funkcją czasu ze względu na pogarszanie się stanu technicznego w trakcie eksploatacji.


II. Planowanie remontów pomp na podstawie monitoringu energochłonności.
Prewencyjne planowanie remontów pomp ma na celu wykonanie remontu przed wystąpieniem poważnej awarii, co sprzyja ograniczeniu kosztów remontu i zapobiega awaryjnym przestojom instalacji. Planowanie takie oparte jest zazwyczaj o jedną z dwu najczęściej stosowanych metod:

1. Planowanie w oparciu o ilość godzin pracy
2. Planowanie w oparciu o monitoring parametrów technicznych

Pierwsza metoda polega na stosowaniu okresów międzyremontowych ustalonych na podstawie zaleceń producenta bądź na podstawie własnych doświadczeń użytkownika. W niektórych przypadkach okres remontowy pompy wynikać może z okresu remontowego instalacji, w jakiej pompa pracuje. Taka sytuacja może mieć miejsce m.in. dla pomp pracujących w blokach energetycznych, kiedy to remont pompy przeprowadza się w okresie remontu całego bloku, zaplanowanego ze względu nie na stan techniczny pompy, lecz pozostałych maszyn i urządzeń
Jest to metoda prosta co do zasady i nie wymaga ponoszenia kosztów na układy monitoringu lecz z reguły konserwatywna, to znaczy prowadząca zazwyczaj do przeprowadzania remontów z większą częstotliwością niż wynika to z faktycznego stanu technicznego pompy.
W celu precyzyjnego ustalenia momentu, w którym remont jest wymagany stosuje się metody planowania oparte o monitoring parametrów ruchowych pompy. W energetyce obejmuje to zazwyczaj monitoring poziomu drgań i/lub temperatur określonych węzłów konstrukcyjnych pompy.
Możliwa, a nawet prawdopodobna jest jednak sytuacja, kiedy pompa znajduje się w dobrym stanie ruchowym, tzn. wykazuje akceptowalny poziom drgań i temperatur lecz posiada obniżoną sprawność energetyczną. Takie przejawy zużycia technicznego pompy jak zwiększenie chropowatości kanałów przepływowych na skutek korozji, powiększenie szczelin uszczelniających, wynikająca ze zużycia zmiana kątów wylotowych łopatek, nie dają często niekorzystnych objawów ruchowych w postaci drgań, powodują natomiast znaczące obniżenie sprawności. W takiej sytuacji wskazane jest przeprowadzenie remontu pomimo występowania sprawności ruchowej pompy, ze względu na redukcję kosztu zużywanej energii.


W Grupie Powen-Wafapomp SA przeprowadzono pomiary energetyczne pomp zasilających skierowanych do remontu jeszcze przed jego wykonaniem, co miało na celu stwierdzenie w jakim stopniu sprawność ulegać może obniżeniu w trakcie eksploatacji. Niektóre egzemplarze pomp zasilających, dla których sprawność pomp nowych powinna przekraczać 80 % nadchodziły do remontu ze sprawnością na poziomie 70%. Spowodowane to było znacznym wyeksploatowaniem lub niewłaściwie przeprowadzonym poprzednim remontem.
Przykładowo, dla pompy pracującej na parametrach Q = 450 m3/ h, H =1800 m, i przy temperaturze wody, dla której ciężar właściwy wynosi 9400 N/ m3 taka dziesięcioprocentowa obniżka sprawności oznacza wzrost poboru mocy o ok. 380 kW. Przyjmując koszt kilowatogodziny na poziomie 30 groszy oraz zakładając 8000 godzin pracy w ciągu roku można obliczyć, że koszt zwiększonego zużycia energii jest na poziomie 900 tys. zł rocznie. Jest to suma znacznie przewyższająca koszt remontu kapitalnego pompy tego typu.
Przykład ten wskazuje, iż warto skierować pompę do remontu gdy jej sprawność uległa pogorszeniu, nawet przy zachowaniu sprawności ruchowej, gdyż koszt remontu zwróci się w postaci zmniejszonego zużycia energii do napędu.


W praktyce aby ustalić optymalny moment, w jakim pompa powinna być skierowana do remontu wystarczy rejestrować ilość przepompowanych metrów sześciennych oraz ilość kilowatogodzin zużytych do napędu pompy. Można przyjąć, że koszt eksploatacji pompy składa się z dwu głównych składników: kosztu remontów oraz kosztu zużywanej energii (pozostałe koszty, jak np., koszt obsługi są niższego rzędu). Należy w trakcie eksploatacji monitorować jak oba te składniki wpływają na koszt przepompowania metra sześciennego. Jeśli podzielić koszt remontu (który można traktować w przybliżeniu jako stały) przez ilość metrów sześciennych przepompowanych od czasu poprzedniego remontu to uzyskamy koszt remontu na metr sześcienny. Wartość ta zmniejsza się podczas eksploatacji wraz ze wzrostem ilości przepompowanej cieczy. Jeśli monitoruje się ilość energii zużytej do napędu pompy, to mnożąc ją przez cenę jednostki energii oraz dzieląc przez ilość przepompowanych metrów sześciennych uzyskamy średni koszt energii na przepompowany metr sześcienny. Wartość ta wzrasta w trakcie eksploatacji ze względu na pogarszanie sprawności w związku z postępującym pogarszaniem się stanu technicznego pompy. Zsumowanie kosztu remontu i kosztu energii daje całkowity koszt przepompowania metra sześciennego. Wartość ta w trakcie eksploatacji początkowo spada ze względu na malejący składnik remontowy, ale w pewnym momencie zaczyna wykazywać wzrost ze względu na wzrastający koszt energii. Z punktu widzenia ekonomii korzystne jest skierowanie pompy do remontu z chwilą stwierdzenia wystąpienia takiego wzrostu, nawet jeśli pompa nadal wykazuje sprawność ruchową.


Powyższy sposób ustalanie optymalnego momentu skierowania pompy do remontu jest właściwy przy dwu założeniach. Po pierwsze, iż pompa pracuje na w przybliżeniu stałych parametrach, gdyż w innym wypadku zmiana zużycia energii może wynikać nie z pogorszenia sprawności lecz ze zmiany parametrów. Po drugie, że remont spowoduje odtworzenie sprawności początkowej pompy, gdyż w innym wypadku nakłady poniesione na remont nie zostaną odzyskane w postaci oszczędności na kosztach energii.
Pokazana wyżej przykładowa relacja pomiędzy kosztem remontu, a kosztami dodatkowego zużycia energii na skutek obniżonej sprawności wskazuje, iż zasadniczym kryterium odbioru remontu powinna być uzyskana po remoncie sprawność zespołu pompowego. Sprawność ta powinna też być podstawowym kryterium wyboru wykonawcy remontu, gdyż przytoczone liczby wskazują iż różnice w koszcie zużywanej energii przewyższają znacznie różnice w kosztach remontu. Każdorazowo po wykonanym remoncie pompa powinna być poddana badaniom odbiorczych na stacji prób w celu sprawdzenia nie tylko sprawności ruchowej lecz przede wszystkim sprawności energetycznej.


III. Ocena układu pompowego pod względem energetycznym jako podstawa planowania remontu.
Celem remontu kapitalnego pompy jest nie tylko przywrócenie jej do stanu pełnej sprawności ruchowej, ale również, a nawet przede wszystkim, powinno nim być uzyskanie przez pompę wymaganych parametrów hydraulicznych. Oznacza to, że pompa po remoncie powinna dawać określoną wydajność przy określonej wysokości podnoszenia, a praca w tak określonym punkcie powinna odbywać się z odpowiednio wysoką sprawnością energetyczną. Parametry te powinny być wyspecyfikowane w zleceniu na remont, a zleceniodawca powinien rozliczać wykonawcę remontu z ich uzyskania. W tym celu po remoncie powinny być przeprowadzone próby odbiorcze mające na celu sprawdzenie czy wyspecyfikowany punkt pracy jest spełniony z zachowaniem określonych tolerancji.
W praktyce remont najczęściej prowadzony jest jako tzw. remont odtworzeniowy, w trakcie którego oczekuje się uzyskania początkowych parametrów pompy. Bardzo często jako wymagane po remoncie parametry specyfikuje się parametry podane na tabliczce znamionowej. Jest to rozwiązanie proste i nie budzące wątpliwości formalnych lecz nie zawsze daje optymalne efekty z tego względu, iż w wielu przypadkach parametry znamionowe różnią się od optymalnych.

Może to wynikać z kilku powodów takich jak, między innymi:
a) Popełniony w przeszłości błąd w określeniu wymaganych parametrów lub w doborze pompy
b) Zmiana wymaganych parametrów, jaka nastąpiła od czasu początkowego doboru pompy
c) Zmniejszenie oporów przepływu w układzie jakie nastąpiło w wyniku wymiany armatury (zaworów, filtrów itp.) na urządzenia o nowocześniejszej konstrukcji.

Te lub podobne powody mogą powodować, że pompa nie pracuje z optymalną sprawnością, co powoduje, iż zużycie energii na pompowanie przekracza niezbędny poziom.
Z tego powodu przed zleceniem remontu wskazane jest dokonanie oceny energetycznej układu, w którym pracuje pompa przewidywana do remontu. Celem tej oceny powinno być ustalenie w jakim punkcie swojej charakterystyki pracuje pompa i jak punkt ten ma się do punktu optymalnej sprawności. Zadanie to jest stosunkowo proste do zrealizowania jeśli znana jest charakterystyka pompy H(Q) (zmiana wysokości podnoszenia ze zmianą wydajności). W takim przypadku wystarczający jest prosty do zrealizowania pomiar przyrostu ciśnienia wytwarzanego przez pompę, co pozwala oszacować wysokość podnoszenia. Na tej podstawie można ustalić w jakim punkcie charakterystyki pompa pracuje. Taka sytuacja zachodzi dla pomp stosunkowo nowych, nie wykazujących znacznego zużycia, dla których znana jest charakterystyka zmierzona na fabrycznej stacji prób. W taki sposób można ocenić czy pompa jest prawidłowo dobrana do układu, czyli czy pracuje w zakresie swoich najwyższych sprawności.

Dla pomp znajdujących się od dłuższego czasu w eksploatacji sytuacja się komplikuje, gdyż należy wziąć pod uwagę, że charakterystyka pompy mogła się zmienić na skutek zużycia. Zmierzony przyrost ciśnienia nie odpowiada już jednoznacznie wydajności wynikającej z charakterystyki pompy nowej. W takim przypadku pomiar przyrostu ciśnienia może służyć jedynie jako orientacyjny wskaźnik jakości doboru, pozwalający na stwierdzenie znacznych nieprawidłowości. Dla precyzyjnej oceny doboru pompy do układu należy w takim przypadku dokonać pomiaru wydajności. Co do zasady jest to również prosty pomiar, lecz jego wykonanie w niektórych przypadkach napotyka na problemy w instalacjach przemysłowych. Problemy te mogą wynikać między innymi z tego, że dla precyzyjnego pomiaru wymagany jest prosty odcinek rurociągu o określonej długości, na którym należy zainstalować przepływomierz. Spełnienie tego wymogu nie zawsze jest możliwe w instalacji przemysłowej. Jeśli to możliwe zalecane jest dokonanie precyzyjnego pomiaru charakterystyki pompy na fabrycznej stacji prób przed remontem, co pozwala jednoznacznie ocenić jej stan oraz punkt pracy, w którym znajdowała się przed remontem.

Drugim elementem jaki należy wziąć pod uwagę w ocenie jakości doboru pompy jest charakterystyka układu, bez znajomości której prawidłowy dobór jest niemożliwy. Ustalenie charakterystyki układu wymaga określenia statycznej wysokości podnoszenia (wysokości podnoszenia przy zerowej wydajności) oraz zależności strat wynikających z oporów przepływu od wydajności, która to zależność jest teoretycznie paraboliczna. Na etapie projektowania charakterystykę układu można oszacować na drodze obliczeniowej, co jednak zawsze obarczone jest pewnymi błędami lub odchyłkami związanymi z przyjętym zapasem bezpieczeństwa. Z tego powodu dobory pomp bywają obarczone błędem, gdyż często pompa dobierana jest ze zbędnym nadmiarem wysokości podnoszenia na skutek przyjęcia zapasu bezpieczeństwa przy szacowaniu oporów przepływu. Planowany remont pompy może być okazją do weryfikacji obliczeniowej charakterystyki układu. Rzeczywistą charakterystykę można uzyskać na drodze pomiarowej mierząc ciśnienia przy kilku wydajnościach.
Charakterystyka układu pompowego w trakcie eksploatacji zmienia się w mniejszym stopniu niż charakterystyka pompy. Wobec tego, przy znanej charakterystyce układu pomiar spadku ciśnienia na określonym odcinku pozwala na oszacowanie wydajności z lepszą dokładnością niż pomiar przyrostu ciśnienia wytwarzanego przez pompę, a tym samym na bardziej precyzyjne oszacowanie położenia punktu pracy w stosunku do punktu optymalnego.
Analizując charakterystykę pompy oraz charakterystykę układu można ocenić jakość doboru i na tej podstawie podjąć decyzję czy pompa po remoncie powinna być przywrócona do parametrów znamionowych czy też ze względu na poprawę energochłonności wskazana jest korekta jej parametrów. Ocena taka wymaga wiedzy i doświadczenia w zakresie audytów układów pompowych.


Podkreślenia wymaga fakt, iż praca pompy poza punktem optymalnym powoduje negatywne konsekwencje wykraczające poza wzrost energochłonności. Występuje też niekorzystny wpływ na trwałość pompy. Straty energetyczne występujące w pompie pracującej w pobliżu punktu optymalnej sprawności to głównie niemożliwe do całkowitego wyeliminowania straty objętościowe (przepływy powrotne przez szczeliny hydrauliczne) oraz straty brodzenia wirników i straty tarcia w przepływie przez stosunkowo wąskie kanały układu hydraulicznego. Natomiast przy pracy z dala od punktu optymalnego pojawiają się straty związane z wewnętrznymi zawirowaniami w pompie. W odróżnieniu od poprzednio wymienionych, straty te stanowią poważne źródło wymuszenia drgań niszcząco wpływających na stan techniczny pompy. Zatem eksploatując pompę poza optymalnym punktem pracy nie tylko tracimy energię, ale zużywamy ją na uruchomienie mechanizmu niszczącego pompę.


IV. Metody korekty parametrów pompy w trakcie remontu.
Jeżeli w wyniku analizy parametrów pompy stwierdzone zostanie, że nie jest ona prawidłowo dobrana do układu wskazane jest dokonanie odpowiednich korekt w trakcie remontu. Istnieją sposoby nie wymagające ponoszenia znacznych nakładów, możliwe do wykonania w ramach zakresu podstawowego remontu. Zaliczyć tu można dobór odpowiedniej średnicy wirnika. Staczając wirnik można na ogół obniżyć wysokość podnoszenia pompy w granicach ok 20% bez znaczącego pogorszenia sprawności, co skutkuje znacznym obniżeniem poboru mocy. Jest to zatem łatwa do zrealizowania metoda obniżenia parametrów pompy dobranej ze zbędnym nadmiarem wysokości podnoszenia. Zakres optymalnych sprawności przy redukcji średnicy wirnika przesuwa się w stronę niższych wydajności. Ustalenie optymalnej średnicy wirnika wymaga doświadczenia. Istnieje też możliwość podwyższenia parametrów pompy przez zastosowanie wirnika o średnicy ponadstandardowej, co jest w pewnym zakresie możliwe przy wykorzystaniu naddatków na obróbkę występujących na odlewie. Należy mieć na uwadze, że zmiany średnicy wirnika powinny być przeprowadzane w porozumieniu z producentem pompy. Znaczna zmiana wymiarów wirnika prowadzi do zmiany krytycznych prędkości obrotowych zespołu wirującego. Ponadto, ze względu na nieuniknione niedokładności technologii odlewniczych i wynikający z nich nierównomierny rozkład mas odlewu każdy wirnik po obróbce na końcową średnicę musi podlegać wyważeniu dynamicznemu, najlepiej wraz z całym zespołem wirującym pompy. Z tego powodu korekty średnicy wirnika powinny podejmować się tylko zakłady posiadające odpowiednie wyposażenie.
Należy podkreślić, że zmiana średnicy wirnika podczas remontu nie wpływa w zasadzie na jego koszt, a może pozwolić na znaczącą poprawę energochłonności. Jest to zatem niemal bezinwestycyjna możliwość uzyskania oszczędności energetycznych, gdyż jedyne nakłady w takim przypadku to nakłady na analizę układu.
Oprócz powszechnie znanego sposobu korekty parametrów polegającego na zmianie średnicy zewnętrznej wirnika istnieją też bardziej wyrafinowane metody obróbki wirnika pozwalające na zmianę charakterystyki pompy.

Należą do nich:
a) Zmiana kątów wylotowych łopatek przez tzw. ich „podcięcie”
b) Zmiana kąta krawędzi wylotowej łopatki w przekroju merydionalnym drogą skośnego stoczenia
c) Zaostrzenie krawędzi łopatek
d) Roztoczenie wlotu wirnika
e) Korekta geometrii części wlotowej łopatek

Zabiegi te, wykonywane łącznie lub osobno pozwalają nie tylko na zmianę parametrów nominalnych lecz również w pewnym stopniu na zmianę nachylenia charakterystyki oraz zmianę właściwości antykawitacyjnych pompy. Opracowanie projektu wirnika obrabianego w specjalny sposób wymaga znacznej wiedzy konstrukcyjnej, i jeśli ma przynieść pożądane efekty nie powinno być podejmowane przez osoby bez doświadczenia w tym zakresie. Podobnie jak w przypadku prostego stoczenia średnicy, a nawet w większym stopniu, wymaga to odpowiedniego wyposażenia zakładu.
Jeśli korekta parametrów pompy powinna wykraczać poza zakres możliwy na drodze zmiany sposobu obróbki wirnika należy zastosować dalej idące modyfikacje. Dla pomp wielostopniowych naturalnym sposobem może być zmiana liczby stopni co pozwala na zmianę wysokości podnoszenia pompy bez zmiany jej optymalnej wydajności. Producenci dla niektórych pomp posiadają różne wersje układów przepływowych (wirnik, lub wirnik-kierownica) dające się zabudować w tej samej pompie. Można zatem w trakcie remontu zmienić wersję układu przepływowego uzyskując w taki sposób lepsze dopasowanie do wymagań w danym układzie pompowym.
Jeszcze dalej idącym sposobem jest generalna modernizacja pompy polegająca na przeprojektowaniu jej elementów na nowe parametry. Zazwyczaj polega to na zachowaniu istniejących korpusów i wymianie elementów wewnętrznych. Sens ekonomiczny tego typu zabiegów powinien być jednak starannie analizowany. Koszt opracowania dobrego projektu hydraulicznego oraz wykonania omodelowania dla nowych odlewów jest bowiem znaczny i trudny do uzasadnienia w przypadku jednostkowej modernizacji. (co innego, jeśli jak opisano wyżej, tworzony jest alternatywny układ przepływowy z myślą o wielokrotnym zastosowaniu). Należy ponadto mieć na uwadze, że zakres zmian parametrów możliwych do uzyskania przy zachowaniu korpusów pompy i wymianie jej elementów wewnętrznych jest ograniczony, gdyż korpusy, a szczególnie ich króćce projektowane są na określone wydajności i ciśnienia. Zbyt dalekie odejście od wyjściowych parametrów grozi pogorszeniem sprawności (zbyt wysokie straty przepływu), a nawet poważną awarią w przypadku przekroczenia granic wytrzymałości konstrukcji.
Jeśli mamy do czynienia z przypadkiem drastycznego niedostosowania parametrów pompy do wymagań, niejednokrotnie optymalnym rozwiązaniem okazuje się jej wymiana na inną typowielkość, pomimo związanych z tym nakładów. Analiza kosztów nadmiernego zużycia energii często wskazuje, że jest to opłacalne.


V. Aspekty formalno-prawne remontu.
Pompa znajduje się legalnie w eksploatacji na podstawie dokumentów wydanych przez producenta z chwilą wprowadzenia produktu do obrotu. Od czasu wdrożenia unijnego systemu oceny bezpieczeństwa produktów dokumentami wymaganymi formalnie dla eksploatacji zespołu pompowego jest wydana przez producenta deklaracja zgodności z normami oraz oznaczenie znakiem CE. Producent ma prawo zastrzec, i na ogół tak czyni, że w przypadku znacznej ingerencji w strukturę pompy, na przykład podczas remontu obejmującego wymianę zasadniczych elementów, dokumenty te tracą ważność i producent nie bierze odpowiedzialności za dalszą bezpieczną eksploatację. Jeśli zatem wykonawca remontu wykroczył poza zakres dopuszczony przez producenta w instrukcji obsługi i użytkowania, to wykonawca remontu powinien dokonać ponownej analizy bezpieczeństwa zespołu pompowego i wystawić własną deklarację zgodności WE.


VI. Sprawdzenie parametrów pompy po remoncie.
Jak pokazano wyżej na przykładzie różnice w sprawności pomp mogą prowadzić do zwiększenia kosztów energii przewyższającego koszt remontu. Nawet z pozoru nieznaczne odchylenie sprawności zespołu pompowego od wartości oczekiwanej ma poważny wpływ na koszt zużywanej energii. Należy zaznaczyć że różnice w sprawnościach pomp uzyskiwane po remontach prowadzonych przez firmy stojące na różnym poziomie technicznym mogą być znaczne Ponadto, istotna jest nie maksymalna wartość sprawności w optymalnym punkcie charakterystyki lecz wartość sprawności w punkcie pracy. Warto podkreślić, że spadek sprawności eksploatacyjnej może wynikać nie tylko ze złej jakości remontu prowadzącego do uzyskania obniżonej sprawności maksymalnej, lecz również ze złego doboru do układu. Dla typowych pomp spadek sprawności o 3% występuje zazwyczaj już przy pracy z wydajnością różniącą się od optymalnej o 10-15%.
Oznacza to, że dla uniknięcia zbędnych kosztów energii elektrycznej, odbiór pompy po remoncie powinien obejmować jej pomiary energetyczne mające na celu sprawdzenie czy pompa osiąga ustalony punkt znamionowy i czy w punkcie tym posiada wymaganą sprawność.


VII. Podsumowanie.
Planowanie remontów pomp powinno odbywać się nie tylko w oparciu o monitoring parametrów ruchowych, lecz również, a nawet przede wszystkim, na podstawie monitoringu parametrów energetycznych.
Przed zleceniem remontu celowe jest przeprowadzenie analizy doboru pompy do układu mające na celu ustalenie czy parametry znamionowe pompy są optymalne. Remont pompy jest okazją do korekty jej parametrów, co w wielu przypadkach można przeprowadzić metodami nie wymagającymi znacznych nakładów.
Konieczne są badania odbiorcze charakterystyk pomp po remoncie mające na celu ustalenie czy osiąga ona punkt znamionowy i czy w punkcie tym posiada wymaganą sprawność gdyż konsekwencje ekonomiczne nawet stosunkowo nieznacznych odchyłek są poważne.


Dr inż. Grzegorz Pakuła

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Możesz użyć następujących tagów oraz atrybutów HTML-a: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>