Uwagi na temat regulacja parametrów pomp wirowych przez zmianę prędkości obrotowej.

2015-01-270

1. Wprowadzenie.

Zastosowanie na szeroką skalę regulacji przez zmianę prędkości obrotowej stanowiło swego rodzaju rewolucję w technice pompowej i umożliwiło uzyskanie znacznych oszczędności energetycznych. W porównaniu z regulacją przez dławienie regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest zawsze korzystniejsza energetycznie co wynika z samej zasady działania gdyż w przypadku dławienia pompa najpierw przekazuje energię do cieczy, a następnie energia ta jest tracona na zaworze dławiącym, natomiast w przypadku regulacji przez prędkość obrotową następuje redukcja ilości energii przekazywanej do cieczy. Pytanie nie brzmi zatem „czy regulacja przez prędkość obrotową przyniesie oszczędności” tylko „po jakim okresie nakłady na zastosowanie takiej regulacji się zwrócą?” Przez długi okres barierę wobec stosowania regulacji przez prędkość obrotową stanowił koszt przetwornic częstotliwości (tzw. falowników). W miarę wzrostu skali produkcji koszt ten stopniowo ulegał zmianie i obecnie falowniki weszły do powszechnego użycia, stając się niemal standardowym składnikiem zespołu pompowego. Niestety, temu korzystnemu zjawisku towarzyszy niebezpieczny trend polegający na tym, że dysponując możliwością regulacji parametrów zaniedbuje się zasady prawidłowego doboru pomp („bo się wyreguluje na falowniku”) co ogranicza potencjalne oszczędności energii.

W intencji autora poniższe uwagi mają na celu ułatwienie optymalizacji stosowania przemienników częstotliwości oraz uniknięcie często popełnianych błędów.

Zagadnienie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej zostało szeroko omówione w [1], a uwagi zawarte w niniejszym tekście stanowią próbę uzupełnienia wiedzy przekazanej w [1] o przykłady praktyczne.

2. Ograniczenia „ruchowe”.

Zastosowanie napędu ze zmienną prędkością obrotową może powodować pewne problemy w eksploatacji. Silniki starszych typów nie były na ogół przystosowane do zasilania przez falownik. Problemy związane były głównie z chłodzeniem, gdyż zmiana zasilania z typowego sinusoidalnego prądu zmiennego na impulsy generowane przez falownik powoduje zwiększenie wydzielania ciepła w uzwojeniach, a jednocześnie wraz z prędkością obrotową spada skuteczność wentylatora chłodzącego silnik. Silniki obecnie produkowane są na ogół przystosowane do współpracy z falownikami, lecz w każdym przypadku wskazane jest skonsultowanie tego z producentem.

W przypadku pomp najpoważniejszym problemem jest możliwość wystąpienia rezonansu przy niektórych prędkościach obrotowych. Pompy tradycyjnie projektowane były na określoną, nominalną prędkość obrotową tak, aby prędkość krytyczna, przy której następuje wzrost drgań nie pokrywała się z prędkością nominalną wypadając najczęściej powyżej niej. Przy zmianie prędkości obrotowej w szerokim zakresie istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że prędkość obrotowa pokryje się z podzielnikiem prędkości krytycznej (np. połową prędkości krytycznej) co prowadzi do wzrostu drgań. W przypadku gdy prędkość obrotowa zmienia się w bardzo szerokim zakresie jest to zjawisko trudne do uniknięcia. Należy jednak w porozumieniu z producentem pompy ustalić w jakim zakresie prędkości obrotowych można się   go spodziewać i tak dobierać pompę, aby w tym zakresie nie pracowała.

Przy znacznym obniżeniu prędkości obrotowej może nastąpić obniżenie nośności łożysk ślizgowych. Problemów przy obniżaniu prędkości obrotowej można się spodziewać również w przypadku gdy stosuje się złożone systemy uszczelnień mechanicznych, w których przepływ cieczy chłodzącej wymuszany jest przez wirujące elementy. Nie są to zjawiska spotykane często w praktyce ale dobierając zakres regulacji należy mieć na uwadze możliwość ich wystąpienia.

3. Charakterystyki pomp wirowych regulowanych przez zmianę prędkości obrotowej i możliwe do uzyskania korzyści energetyczne.

W [1] i [2] opisano jak zmieniają się parametry pomp wirowych ze zmianą prędkości obrotowej.

Jeśli znana jest charakterystyka podstawowa H(Q) przy prędkości nominalnej to   charakterystyki dla innych prędkości można wyznaczyć przeliczając punkt po punkcie wg wzorów:

Q2 = Q1 n2 / n1,

H2 = H1 (n2 / n1)2,

gdzie indeksem 1 oznaczono parametry przy prędkości n1, a indeksem 2 parametry przy prędkości n2.

W ten sposób, znając parametry Q1 i H1 w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n1 można obliczyć parametry Q2 i H2 w punkcie położonym na charakterystyce przy prędkości n2. Można przyjąć, że sprawność w obu punktach jest taka sama, a zatem linie stałej sprawności są parabolami. Założenie o stałości sprawności przestaje obowiązywać przy zbyt niskich prędkościach obrotowych, przy których pompy wirowe przestają działać prawidłowo, ze względu na to, że stosunek siły odśrodkowej do sił wynikających z lepkości przyjmuje zbyt niskie wartości.

Wyznaczając charakterystyki przy różnych prędkościach w opisany sposób uzyskujemy tzw. wykres muszlowy jak na rys.1. Oczywiście, charakterystyki przy różnych prędkościach obrotowych można też wyznaczyć na drodze pomiarowej, jednak uzyskane wyniki są na ogół zbliżone do wyznaczonych teoretycznie. Zasadnicza różnica jakościowa polega na tym, że zgodnie z teorią parabole stałej sprawności biegną aż do początku układu współrzędnych jak na rys.1, a w praktyce jak wspomniano poniżej pewnej prędkości obrotowej sprawność spada.

der

Rys. 1. Wysokość podnoszenia i sprawność pompy przy zmianie prędkości obrotowej.  

Patrząc formalnie na wykres jak na rys.1 można dojść do wniosku, że stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej można uzyskać każdy wymagany punkt pracy o parametrach Q i H. Stąd już blisko do kolejnego, niebezpiecznego wniosku, że w przypadku zastosowania falownika nie ma potrzeby przestrzegać zasad doboru pomp. Jest to wniosek błędny gdyż dopuszczalne pole pracy pompy przy zmiennej prędkości obrotowej jest ograniczone (rys.2).

Od dołu ograniczenie wynika z tego, że jak wspomniano, poniżej pewnej prędkości obrotowej następuje pogorszenie sprawności i wobec tego nie należy schodzić poniżej określonej nmin. Z kolei od góry ograniczenie wynika głównie z powodów wytrzymałościowych. Należy pamiętać, że ciśnienie wytwarzane przez pompę, a także moment skręcający wału rosną z kwadratem prędkości obrotowej. Współczesne falowniki na ogół są zdolne do zwiększania częstotliwości od 50 do 60 Hz, co oznacza zwiększenie prędkości obrotowej o 20%, a zatem wzrost ciśnienia i momentu skręcającego wału w stosunku około 1.22 = 1.44. Jest to wartość znajdująca się na ogół na granicy rezerw konstrukcyjnych pompy, dlatego dalsze zwiększanie prędkości obrotowej byłoby groźne. Oczywiście w każdym przypadku najbezpieczniej jest ustalić z producentem maksymalną, dopuszczalną prędkość obrotową pompy.

deg

Rys. 2. Zalecany zakres pracy pompy przy zmianie prędkości obrotowej. 

Dla stałej prędkości obrotowej zazwyczaj przyjmuje się, że zalecany zakres pracy zawiera się w zakresie wydajności od 80 do 110% wydajności optymalnej. Poza tym zakresem nie tylko spada sprawność ale występują również niekorzystne efekty ruchowe jak wzrost drgań i hałasu. Podobny zakres zalecanej pracy obowiązuje w przypadku każdej charakterystyki dla poszczególnych prędkości obrotowych. W rezultacie zalecane pole pracy zawiera się wewnątrz obszaru zaznaczonego na rys.2 linią kropkową.

Ze względu na sprawność optymalny zakres pracy jest jeszcze węższy. Pompa powinna pracować w pobliżu paraboli najwyższej sprawności ƞmax. Jest to możliwe jeśli charakterystyka układu ma zbliżony przebieg, co zachodzi w układach obiegowych z zerową wysokością statyczną. Tego rodzaju charakterystyki są typowe dla sieci ciepłowniczych, a zatem w takim zastosowaniu przetworniki częstotliwości mogą przynieść najwyższe oszczędności energetyczne.

Aby wstępnie ocenić jakie efekty regulacja przez prędkość obrotową da w określonym układzie pompowym wystarczy jego charakterystykę nanieść na wykres muszlowy danej pompy. Jak stwierdzono, w idealnym przypadku charakterystyka ta może przypadać w obszarze najwyższej sprawności co zachodzi dla układu obiegowego z zerową statyczną wysokością podnoszenia. Często mamy do czynienia z układami o płaskiej charakterystyce, gdzie dominuje statyczna wysokość podnoszenia, a straty odgrywają niewielką rolę. W takim przypadku charakterystyka układu jest w przybliżeniu pozioma, a w trakcie regulacji punkt pracy przemieszcza się na tle wykresu muszlowego tak jak pokazano na rys.2 strzałką od punktu nominalnego w kierunku punktu 1. Jak widać w takim przypadku punkt pracy wraz ze zmniejszaniem wydajności punkt pracy opuszcza najpierw optymalny, a w dalszej kolejności zalecany obszar pracy.

Typowe przykłady takich układów to m.in:

a) Układy wodociągowe, w których utrzymuje się stałe ciśnienie zasilania
b) Pompownie głównego odwadniania w głębokich kopalniach
c) Pompownie melioracyjne

W tego typu układach pompowych oszczędności energetyczne możliwe do uzyskania na skutek zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej są mniejsze niż w układach obiegowych. W takich przypadkach wskazane jest stosowanie kilku pomp pracujących równolegle. Zgrubna regulacja wydajności powinna się odbywać przez zmianę liczby pracujących pomp, a zmianę prędkości obrotowej należy wykorzystywać w celu precyzyjnego doregulowania wydajności pompowni do wymagań. Jak stwierdzono w [2] korzystniejsze jest regulowanie prędkości obrotowej wszystkich pomp, a nie tylko jednej.

Ogólnie można stwierdzić, że zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej przynosi w stosunku do regulacji dławieniowej efekty:
a) Tym większe im większy jest udział strat w całkowitej wysokości podnoszenia
b) Tym większe im szerszy jest zakres regulacji wydajności.

Dopuszczalny zakres pracy pompy z regulacją prędkości obrotowej, jak w każdym innym przypadku, zależy też od właściwości ssawnych. Należy zatem sprawdzić czy w każdym punkcie pracy wymagane NPSHr jest niższe od dostępnego NPSHa. Komplikacja polega na tym, że charakterystyki NPSHr są zazwyczaj znane dla nominalnej prędkości obrotowej. Nie są znane powszechnie uznane wzory, przy użyciu których można przeliczać wymagania co do NPSH przy zmieniających się obrotach. Od strony jakościowej wpływ obrotów na wymagane NPSH pokazano na rys.3. Zmniejszanie obrotów powoduje, że wartości wymaganego NPSH na ogół spadają, a zatem regulacja obrotów w dół z reguły poprawia zapas antykawitacyjny. Niebezpieczeństwo może polegać na tym, że ze spadkiem obrotów zakres niskich wymagań wobec NPSHr przesuwa się w kierunku niższych wydajności. Jeśli regulacja przez zmianę obrotów odbywa się zatem po linii w kierunku p.2 jak na rys. 2, czyli zmniejszanie obrotów prowadzi do zmniejszania wysokości podnoszenia przy stałej wydajności, to w takim przypadku właściwości ssawne pompy mogą się pogorszyć.

tg

Rys. 3. Wpływ prędkości obrotowej na NPSHr. 

Ze względu na wspomniany brak uniwersalnych formuł pozwalających na przeliczanie charakterystyk NPSHr sprawdzenie warunków ssania przy zmiennej prędkości obrotowej powinno odbywać się we współpracy z producentem pompy.

4. Falownik nie powinien zastępować poprawnego doboru.

Możliwość zmiany parametrów pompy przy pomocy falownika nie powinna zastępować prawidłowego doboru. Dla przykładu, jeśli pompa zostanie dobrana na zbyt dużą wysokość podnoszenia i z tego powodu ma tendencje do pracy z nadmierną wydajnością, to przy zastosowaniu falownika można dostosować jej wysokość podnoszenia do wymaganej przy danej wydajności. Oznaczać to będzie jednak regulację po linii pokazanej na rys. 2 w kierunku p. 2, co spowoduje wyjście pompy z zalecanego zakresu.

Autor spotkał się z błędnymi zaleceniami projektanta układu ciepłowniczego, w którym przewidziano cztery pompy regulowane przy pomocy falowników. Projektant zalecał, aby w przypadku zmniejszenia wydajności dwie pompy wyłączać a dwie pozostałe regulować poprzez zmniejszanie obrotów. Jest to zalecenie błędne, gdyż jeśli założyć że cztery pompy są prawidłowo dobrane na maksymalną wydajność i odpowiadającą jej w ciepłowniczym układzie pompowym wysokość podnoszenia wynikającą z oporów przepływu w sieci to przy zmniejszaniu wydajności wymagana wysokość podnoszenia zmniejsza się wzdłuż paraboli. Wobec tego wskazane byłoby regulowanie wszystkich czterech pomp. Natomiast jeśli zmniejszoną wydajność chcielibyśmy uzyskać z dwu pomp to ich optymalna wysokość podnoszenia byłaby wyższa niż to wynika z charakterystyki układu i w rezultacie pompy pracowałyby jak w p. 2 na rys.2 poza optymalnym zakresem. Prawidłowa praktyka eksploatacyjna w takim przypadku powinna polegać na równomiernym zmniejszaniu wydajności wszystkich pomp.

W [3] opisano przypadek gdy falowniki zostały zastosowane w celu ograniczenia wydajności śmigłowych pomp w pompowni melioracyjnej, które zostały dobrane na nadmierną wydajność do tego stopnia, że przepływ wody odbywał się z tak wysoką prędkością, że uszkodzeniu erozyjnemu ulegały brzegi kanałów prowadzących do pompowni. Jest to przykład błędnego doboru, który był szczególnie kosztowny, gdyż najpierw zakupiono większe, a zatem droższe pompy, a następnie zastosowano falowniki po to aby wydajność ograniczyć.

5. Podsumowanie i wnioski.

Jak wynika z powyższego stosując regulację przez zmianę prędkości obrotowej należy się kierować poniższymi zasadami:

1. Na etapie doboru należy na „wykresie muszlowym” nanieść charakterystykę układu i sprawdzić, czy ten jej zakres, w którym najczęściej ma pracować pompa leży w jej zalecanym obszarze pracy. Poza tym zakresem pompa powinna pracować jedynie sporadycznie.

2. Najlepsze efekty energetyczne uzyskać można dla układów obiegowych, gdyż wtedy istnieje możliwość pracy wyłącznie w obszarze wysokich sprawności. Jeśli w układzie obiegowym wymaganą wydajność uzyskujemy nie z jednej lecz z kilku pomp pracujących równolegle, to przy zmniejszaniu wydajności nie należy żadnej z nich wyłączać, lecz zmniejszać równomiernie wydajność wszystkich pomp.

3. W układach o płaskich charakterystykach, (czyli o niewielkim udziale strat w stosunku do wysokości statycznej) regulacja przez zmianę prędkości obrotowej jest mniej efektywna. W takich sytuacjach korzystne jest stosowanie kilku pomp połączonych równolegle i zgrubne dostosowywanie wydajności do wymagań przez włączanie odpowiedniej liczby pomp. Poprzez zmianę prędkości obrotowej należy następnie precyzyjnie doregulować wydajność, przy czym najkorzystniej jest jeśli regulowane są wszystkie pracujące pompy, a nie tylko jedna.

4. Zmiana prędkości obrotowej nie powinna służyć jedynie korekcie błędu doboru (np. zmniejszenie wysokości podnoszenia i wydajności). W takich przypadkach mniejszych korekt można dokonywać przez zmianę średnicy wirnika, a w przypadku błędów poważnych wskazana jest wymiana pompy.

dr inż. Grzegorz Pakuła

Literatura:
1. P. Świtalski, W. Jędral, Akademia techniki pompowej, Regulacja zmienoobrotowa, za i przeciw, Pompy Pompownie, nr 3/2012
2. G. Pakuła, Regulacja wydajności dwu pomp pracujących równolegle, Pompy Pompownie, nr 3/2011
3. M. Świderski, Regulacja wydajności pompy śmigłowej przez zmianę prędkości obrotowej. Pompy Pompownie, nr 4/2012