12/11/2014

Oszczędność energii przy pompowaniu.


Minimalne zużycie mocy wymagane dla przepompowania cieczy o ciężarze właściwym γ [N/m3] z wydajnością Q [m3/s] przy wysokości podnoszenia H [m] to tak zwana moc użyteczna, którą obliczamy ze wzoru:

Nu = γ Q H                 [W].


Zużycie mocy byłoby równe mocy użytecznej, gdyby pompowanie odbywało się bez żadnych strat, ze sprawnością 100%, to znaczy gdyby cała energia pobrana ze źródła zasilania została przekazana do cieczy. W rzeczywistości taka sytuacja nigdy nie występuje, gdyż zespół pompowy składający się z pompy i silnika (najczęściej elektrycznego) pracuje ze sprawnością mniejszą od stu procent. Sprawność silnika elektrycznego ηs to procent mocy pobranej z sieci przekazany na wale do pompy, a sprawność pompy ηp to procent mocy pobranej na wale przez pompę od silnika, przekazany do pompowanej cieczy. Sprawność zespołu pompowego jest iloczynem sprawności pompy i sprawności silnika, a rzeczywisty pobór mocy na pompowanie wynosi:

            N = γ Q H / ( ηs ηp).


Wynika z tego bezpośrednio, że w celu ograniczenia zużycia energii należy stosować pompy i silniki o możliwie wysokiej sprawności. Sprawności te różnią się dla poszczególnych typów pomp i silników, należy zdawać sobie jednak sprawę, że możliwość uzyskania znacznych oszczędności energii na drodze zastąpienia prawidłowo dobranej pompy lub silnika maszyną bardziej nowoczesną są ograniczone. W ostatnich latach powstały nowe konstrukcje energooszczędnych silników, Wzrost sprawności w stosunku do starszych konstrukcji jest na poziomie 2-3 procent. Podobnego rzędu korzyści można uzyskać zastępując starszą pompę bardziej nowoczesną. W sumie, dokonując wymiany zespołu pompowego na bardziej nowoczesny można uzyskać wzrost sprawności nie przekraczający 5%. Mówimy tu o porównaniu sprawności nowoczesnego zespołu pompowego z zespołem pompowym o starszej konstrukcji, lecz znajdującym się w dobrym stanie technicznym, czyli o możliwych korzyściach wynikających jedynie z postępu w budowie maszyn.


Oczywiście, wyższe oszczędności energii można uzyskać zamieniając wyeksploatowany zespół pompowy na nowy, gdyż sprawności silników, a zwłaszcza pomp obniżają się na skutek pogarszania stanu technicznego. Spadek sprawności pompy wynikający z jej złego stanu technicznego może przekraczać dziesięć procent. Należy jednak pamiętać, że prawidłowo przeprowadzony remont pozwala na odtworzenie początkowej sprawności pompy. Opieranie rachunku ekonomicznego na oszacowaniu oszczędności możliwych do uzyskania przez zastąpienie nowoczesną pompą pompy wyeksploatowanej nie jest w pełni prawidłowe, gdyż sprawność tej ostatniej można poprawić drogą remontu, co jest z reguły mniej kosztowne niż zakup pompy nowej, tym bardziej, że instalacja nowej pompy często wymaga dodatkowych nakładów na zmianę fundamentów i układu rurociągów. Przed podjęciem decyzji o wymianie pompy na nową należy zatem rozważyć jako alternatywę remont pompy istniejącej, który, w zależności od jakości wykonania oraz od stanu technicznego pompy pozwala uzyskać poprawę sprawności rzędu od kilku do nawet kilkunastu procent.


Jeszcze większe oszczędności energetyczne można uzyskać eliminując błędy w doborze pomp. Błędy te mogą dotyczyć zarówno typu pompy jak i jej parametrów.

            Przykłady zastosowania niewłaściwego typu pompy to między innymi:

a) Stosowanie pomp samozasysających tam, gdzie nie jest to konieczne. Pompy samozasysające umożliwiają rozruch bez kłopotliwego odpowietrzania i zalewania cieczą, ale ze względu na swoją konstrukcję maja z reguły sprawność obniżoną w stosunku do typowych pomp. Nie należy ich zatem stosować tam, gdzie zdolność do samozasysania nie jest konieczna.

b)  Stosowanie pomp ściekowych z tzw. wirnikami o swobodnym przepływie odpornymi na zatykanie ciałami stałymi, w miejscach gdzie takie zjawisko nie grozi. Wirniki o swobodnym przepływie umożliwiają pompowanie ścieków zawierających ciała włókniste lub inne ciała stałe o znacznych rozmiarach, lecz cechują się obniżoną sprawnością. Zastosowanie ich do pompowania ścieków wstępnie podczyszczonych, kiedy zatykanie wirnika jest mało prawdopodobne, prowadzi do strat energetycznych.

c)  Stosowanie pomp głębinowych w innych zastosowaniach niż studnie głębinowe. Pompy głębinowe napędzane silnikami mokrymi, dzięki konstrukcji umożliwiającej długotrwałą, niezawodną pracę bez obsługi, są świetnie przystosowane do zastosowania w studniach. Należy jednak pamiętać, że mokre silniki głębinowe posiadają sprawność energetyczną o kilka procent obniżoną w stosunku do tradycyjnych silników suchych. Wobec tego zastosowanie pomp głębinowych poza studniami (np. w tzw. płaszczach wodnych) powoduje zwiększenie strat energetycznych.

d) Stosowanie kilku mniejszych pomp połączonych równolegle zamiast jednaj większej. Możliwa do uzyskania sprawność pompy rośnie na ogół z jej wydajnością. Dlatego stosowanie kilku mniejszych pomp zamiast jednej większej, o ile nie jest to konieczne np. ze względu na potrzebę regulacji, obniża sprawność pompowania.

e) Stosowanie jednostopniowych pomp o niskich wydajnościach. Nie jest możliwe zbudowanie pompy o wysokiej sprawności jeśli jej wysokość podnoszenia jest zbyt duża w stosunku do wydajności. W takich przypadkach stosuje się pompy wielostopniowe umożliwiające uzyskanie lepszych sprawności, lecz posiadające wyższą cenę. Zastosowanie w takim przypadku pomp jednostopniowych pozwala na pewne oszczędności na koszcie zakupu lecz prowadzi do wzrostu zużycia energii podczas eksploatacji.


Należy sobie zdawać sprawę, że zastosowanie pompy o wysokiej katalogowej sprawności maksymalnej nie oznacza, że pompa będzie z taką sprawnością pracowała. Sprawność w punkcie pracy zależy bowiem od doboru pompy do układu pompowego. Jeśli dobór ten jest nieprawidłowy, to znaczy jeśli pompa pracuje przy wydajności mocno różniącej się od nominalnej, sprawność rzeczywista może być znacznie niższa od maksymalnej. Praktyka wskazuje, że z taką sytuacją mamy często do czynienia. Nie zawsze jest to wynikiem błędu w doborze pompy. Często dobór był prawidłowy, lecz zmieniły się wymagane parametry, na przykład pompa pracuje z niższą wydajnością niż zakładano na skutek spadku zużycia wody. Jeśli pompa posiada parametry (wydajność i wysokość podnoszenia) wyższe od wymaganych można ją lepiej dopasować do układu, a tym samym poprawić wskaźniki zużycia energii, przez zmniejszenie średnicy wirnika lub zmniejszenie prędkości obrotowej.


Bardzo duże możliwości oszczędności zużycia energii daje zastosowanie odpowiedniej metody regulacji przy współpracy pompy z układem pompowym, w którym wymagane parametry ulegają zmianie. Jest to sytuacja typowa dla sieci wodociągowych, w których zapotrzebowanie na wodę ulega znaczącym wahaniom w ciągu doby. W takim przypadku pompę dobiera się na parametry maksymalne, a w okresach gdy zapotrzebowanie maleje należy zastosować pewną metodę regulacji. Najprostsza z nich to dławienie pompy zaworem na rurociągu tłocznym. W porównaniu z tą metodą można uzyskać na ogół znaczne oszczędności energii stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej. Efekty zastosowania tej metody są tym większe im większy udział w wysokości podnoszenia pompy maja straty przepływu oraz w im większym zakresie waha się wydajność. Wybór właściwej regulacji parametrów pozwala na uzyskanie oszczędności energetycznych sięgających kilkudziesięciu procent.


Do tej pory omawialiśmy możliwości obniżenia zużycia energii drogą poprawy sprawności pompowania, zakładając, że na parametry (wydajność Q i wysokość podnoszenia H) występujące we wzorze na pobór mocy nie mamy wpływu. Założenie takie nie zawsze jest słuszne. Dla przykładu, wymagana wysokość podnoszenia pompy zawiera w sobie zarówno wysokość geometryczną (na którą mamy znikomy wpływ) jak i wysokość strat przepływu. Redukując straty możemy obniżyć wysokość podnoszenia pompy, a zatem, zgodnie ze wzorem podanym na wstępie obniżyć zużycie mocy nawet przy niezmiennym poziomie sprawności. Na wysokość strat bardzo silny wpływ ma średnica przewodów. Eliminując odcinki sieci o zbyt małej średnicy lub zbędne elementy armatury powodujące straty (kolana, zwężki) możemy zmniejszyć wymaganą wysokość podnoszenia pompy. Podobny efekt można uzyskać stosując strefy zróżnicowanego ciśnienia w sieci. Jeśli cała sieć jest zasilana przez jedną pompę to jej wysokość podnoszenia wynika z konieczności zapewnienia wymaganego ciśnienia w najbardziej odległym lub najwyżej położonym punkcie sieci. Wysokość podnoszenia pompy można zmniejszyć jeśli zasila ona tylko te części sieci gdzie wymagane jest ciśnienie niższe, a podwyższenie ciśnienia w określonych punktach uzyskuje się przez mniejsze pompownie strefowe. Sumarycznie prowadzi to do obniżenia zużycia energii.


Obniżając wymaganą wysokość podnoszenia pompy przez optymalizację układu pompowego musimy pamiętać o dostosowaniu pompy do zmienionych wymagań. Jeśli bowiem pozostawilibyśmy parametry pompy bez zmian to przy zmniejszonej wysokości podnoszenia wymaganej przez układ pompa pracowałaby z nadmierną wydajnością, a zatem przy nadmiernym zużyciu mocy. Zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy można uzyskać przez zmniejszenie średnicy wirnika, zmniejszenie wysokości podnoszenia lub wymianę pompy na inną, co może również okazać się opłacalne.


Podsumowując:

Oszczędności energii zużywanej na pompowanie można uzyskać korzystając z następujących sposobów:

  1. Stosując nowocześniejsze pompy i silniki (efekty rzędu kilku procent)
  2. Utrzymując zespół pompowy w odpowiednim stanie technicznym poprzez właściwą gospodarkę remontową (efekty rzędu kilku do kilkunastu procent)
  3. Eliminując błędy doboru dotyczące zarówno typu pompy jak i jej doboru do wymogów układu (efekty rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu procent)
  4. Stosując właściwą metodę regulacji i optymalizując układ (efekty rzędu kilkudziesięciu procent).

Możliwe do uzyskania efekty zależą od stanu wyjściowego i są tym wyższe im bardziej ten stan odbiega od optymalnego.


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>