Optymalizacja wentylatorów sposobem na ograniczenie hałasu i kosztów

Wentylatory i przewody to często niedoceniany składnik instalacji przemysłowych. Dr inż. Andrzej Podsędkowski i dyrektor Grzegorz Wróbel z łódzkiej firmy Vibroson przekonują, że umiejętna optymalizacja wentylatora pozwala na obniżenie poboru energii nawet o 1 MW.

Firma Vibroson opiera się na solidnym fundamencie wiedzy naukowej. Jej właściciel dr inż. Andrzej Podsędkowski był wieloletnim pracownikiem Zakładu Wentylatorów i Dmuchaw, a także założycielem i kierownikiem Zakładu Wibroakustyki Instytutu Techniki Cieplnej w Łodzi. Porzuciwszy karierę akademicką, poświęcił się wykorzystaniu swojej bogatej wiedzy w praktyce. W ten sposób w 1990 r. narodziła się firma Vibroson. Jej specjalnością jest modernizacja, a obecnie również produkcja wentylatorów przemysłowych.

Megawatowa oszczędność
Do swoich największych osiągnięć Vibroson zalicza modernizację wentylatorów w Elektrowni Turów. Jej efektem było obniżenie poboru mocy przez każdy z wentylatorów o 1 MW. „Na blok o mocy 235 MW pracują dwa wentylatory, czyli zużycie energii spadło o 2 MW – tłumaczy zadowolony Andrzej Podsędkowski. – Prawie 1% mocy więcej za darmo”.

Znacząca korzyść modernizacji wynikała z faktu, że parametry istniejących wentylatorów produkcji amerykańskiej nie przystawały do rzeczywistego zapotrzebowania elektrowni. W innych wypadkach efekty prac mogą być mniej spektakularne, aczkolwiek nadal są opłacalne. Oceniając możliwy zakres niezbędnych prac, specjaliści z Vibrosonu wykraczają jednak poza sam wentylator. „Wentylator jest tylko jednym z urządzeń, które pracują w elektrowni i pobierają moc, zamiast ją tworzyć – wyjaśnia dr inż. Podsędkowski. – Nie można też rozpatrywać go jako zbioru poszczególnych elementów; wszystkie są z sobą związane, nie można wymienić jednego, nie ruszając reszty.

Modernizując wentylator, analizujemy konieczne zmiany i to, jak wpłyną one na pozostałe elementy; które będzie można zostawić, a które trzeba wymienić. Należy się zastanowić, czy modernizacja się opłaci, czy zysk w sposób wyraźny przekracza koszty. Wykonujemy bardzo dokładne zestawienie godzin pracy z poszczególnymi mocami, potem analizę kosztów różnych sposobów modernizacji wentylatora”.

Jedną z metod regulacji wydajności wentylatora jest regulacja prędkości obrotowej za pomocą sprzęgła bądź przetwornicy częstotliwości. Firma Vibroson analizuje koszty i oszczędności wynikające z każdej z tych opcji z osobna. Odrębną kwestią jest stan techniczny urządzeń, które miałyby podlegać ewentualnej modernizacji oraz pułap ich możliwości. „Trzeba zwrócić uwagę na to, czy urządzenie nie jest na tyle zużyte, że nic już nie da się z nim zrobić – zauważa Grzegorz Wróbel. – Należy również stwierdzić, czy podniesienie sprawności będzie na tyle wysokie, by pokryć koszt modernizacji. Musimy więc przeprowadzić szereg badań określających, w którą stronę iść: modernizacji, dostarczenia nowego urządzenia czy wręcz jego odbudowy. Czasami sprawność urządzenia obniża się w trakcie jego eksploatacji, ponieważ np. wytarły się łopatki wirnika.

Tak było w jednej z elektrociepłowni, gdzie wirnik stracił swoje parametry ze względu na pokrzywienie łopatek, uszkodzenie leja wlotowego itp.”. Zdarza się, że prawdziwa trudność kryje się nie w samej modernizacji, lecz… w przekonaniu do niej właściciela wentylatora. Do firmy Vibroson należy patent na aktywne końcówki łopatek wirnika (zob. zdjęcie). Rozwiązanie to, choć z pozoru nielogiczne, pozwala na znaczące podniesienie spiętrzenia wentylatora. „Okazało się, że najprostszym sposobem jest zrobienie czegoś, co pozornie wydaje się wszystkim absurdem, mianowicie dorobienie na końcach łopat specjalnych blaszek – mówi Andrzej Podsędkowski. – Przyśpieszają one czynnik na tyle efektywnie, że wentylator nie wykazuje niższej sprawności. Jednak przekonać klienta, by coś takiego zastosował, jest bardzo trudno, choć to wielokrotnie sprawdzone rozwiązanie. Zastosowaliśmy je już w elektrowniach w Turowie, w Koninie, w Gdańsku”.

„Końcówka zmienia kąt β2, który bardzo podnosi parametr spiętrzenia – dodaje dyrektor Wróbel. – Nie dałoby się tego osiągnąć poprzez samo przedłużanie łopaty”.

„Bardzo trudno jest też przekonać ludzi w elektrowni, że modernizując wentylatory, uzyskają rzeczywiście bardzo duże efekty – ciągnie dr inż. Podsędkowski. – Chodzi o to, że efekt oszczędności energii to inna pula pieniędzy niż efekt inwestycji. Przeniesienie ich z «prawej kieszeni» do «lewej kieszeni» jest dość trudne, bo inne osoby rządzą funduszem inwestycyjnym, a inne kosztami eksploatacji. Najczęściej też ludzie chcą się pochwalić dużymi efektami w rodzaju budowy nowego bloku, podczas gdy modernizacja jest niewidoczna”. „A przecież efekty naszych działań są wymierne – wchodzi mu w słowo Grzegorz Wróbel. – Potrafimy zoptymalizować wentylator tak, że jego sprawność rzeczywista rośnie z 60% do prawie 90%. Klienci są zadowoleni”.

Rozważając modernizację, zawsze należy zwrócić uwagę również na instalację, ponieważ rozwiązanie najprostsze, jakim jest modyfikacja wentylatora, nie zawsze okazuje się rozwiązaniem najlepszym. Znajdujące się w przewodach wentylacyjnych przewężenia i ostre kolana mogą powodować na tyle duże opory, że w znaczący sposób wpłyną one na efektywność całej instalacji. Firma tworzy wówczas model aerodynamiczny instalacji, wskazując elementy, które można ulepszyć, nie wikłając się w kosztowną modernizację czy wręcz wymianę samego wentylatora. „Zwróciła się do nas elektrownia w Koninie.

Problemem był wentylator dający za mało powietrza, by w pełni wykorzystać moc kotła – podaje przykład Andrzej Podsędkowski. – Zawsze można wstawić wentylator, ale jest to rozwiązanie najmniej korzystne: jest drogi, poza tym trwał sezon grzewczy, a na silniki o mocach rzędu megawata trzeba czekać 4–5 miesięcy. Udało nam się podnieść spiętrzenie wentylatora m.in. za pomocą aktywnych końcówek łopatek, ale nie mogliśmy przeskoczyć ograniczenia mocy silnika. Zajęliśmy się więc zmniejszeniem oporów przepływu w kanałach i pożądane rezultaty udało się osiągnąć w ciągu niecałego miesiąca”. „To właśnie jest optymalizacja: dobór parametrów do mocy silnika, która jest parametrem ostatecznym; barierą, której nie da się przekroczyć bez jego wymiany” – wyjaśnia dyrektor Wróbel.

Niszczycielskie drgawki…
Jednym z największych „zabójców” wentylatorów są drgania, powodujące zużycie i w rezultacie zniszczenie łopat, obudowy, a nawet kanałów wentylacyjnych. W elektrowni Turów, w której ekspertyzę Vibroson wykonywał w październiku tego roku, dwukrotnie popękała obudowa wentylatora, a raz – przyłączone do niego kanały. „Okazało się, że zmieniły się parametry jego pracy, zaczął pracować przy dużo mniejszej wydajności niż ta, do której był przewidziany, i wpadł w zakres tzw. pompowania – opowiada Andrzej Podsędkowski.

– Jest to zakres bardzo niskiej sprawności, kiedy spada ciśnienie i wentylator zaczyna «skakać». Wszystkie kanały i elementy przyłączeniowe bardzo silnie wówczas pulsują. Przy okazji stwierdziliśmy jeszcze, że częstość pompowania nie odpowiada prędkości obrotowej wentylatora, lecz wynika z długości kanału, w którym tworzy się fala stojąca. Podaliśmy więc zalecenia, jak przerobić wentylator, by zmniejszyć jego wydajność, i jakie zmiany wprowadzić w kanałach”.

Przyczyny powstawania drgań mogą być różne. Łączy je jedna wspólna cecha. „Urządzenie w ogóle nie powinno drgać – mówi Andrzej Podsędkowski. – Drgania powstają najczęściej na skutek niewyważenia, gdy środek ciężkości nie leży na osi obrotu wału lub prędkość obrotowa pokrywa się z częstością drgań własnych”. Bywa, że wystarczy urządzenie ponownie wyważyć i drgania ustają. Często jednak ich powód ukryty jest głębiej. Niewyważenie powstaje wskutek np. deformacji pod wpływem działania sił odśrodkowych. Może być to spowodowane choćby złym doborem sztywności wału, gdy wał pracuje za blisko obrotów krytycznych.

Źródłem powstawania niewyważenia może być również osadzanie się pyłu na łopatkach. „Czasem ze względów wytrzymałościowych wymieniamy łopatki puste w środku, tzw. profilowe – tłumaczy dr inż. Podsędkowski. – Jeśli taka pusta wewnątrz łopatka się gdzieś przetrze, pył wnika do środka i nawarstwia się, powodując niewyważenie. Tej dziurki nigdy nie widać, jest malutka, przy krawędzi, trudno ją znaleźć. Gdzie tylko się da, staramy się robić wentylatory o łopatach pozbawionych takich pustych przestrzeni”.

Jeden z bardziej oczywistych czynników, jakim jest zakwaszenie spalin wywołujące korozję, okazuje się natomiast nieistotny. „Korozja jest na tyle powolna i równomierna, że nie powoduje niewyważenia – wyjaśnia Andrzej Podsędkowski. – Groźniejsze jest wycieranie się łopatek pod wpływem pyłu. Wystarczą drobne nierówności łopat powstające na etapie produkcji”.

…i uporczywe hałasy
Wentylatory elektrowni generują hałas, który może być uciążliwy dla okolicznych mieszkańców. W tym celu w instalacjach wentylacyjnych montuje się specjalne tłumiki. „Elektrownia Turów leży blisko granicy niemieckiej i Niemcy narzekali na hałas – opowiada dr inż. Podsędkowski. – Stwierdziliśmy, że pochodzi on od konkretnych wentylatorów. Opracowaliśmy konstrukcję tłumików i podaliśmy inne metody obniżenia hałasu”. „Prowadziliśmy badania modelowe w naszym laboratorium, jak dobrać parametry i jak konstrukcyjnie powinien ten tłumik wyglądać. W naszej ekspertyzie były więc wszystkie informacje, jak ten tłumik należy przygotować, by poziom obniżenia hałasu był najwyższy” – uzupełnia dyrektor Wróbel.

Przetarg na wykonanie tłumików ogłoszono na podstawie ekspertyzy Vibrosonu. Wygrała go jednak zupełnie inna firma. Niestety, zamontowany przez nią tłumik nie wytrzymał próby czasu. „Elektrownia wydała mnóstwo pieniędzy na ekspertyzę, która powstawała około 4 miesięcy, po czym zwycięzca przetargu zrobił wszystko po swojemu” – mówi z goryczą Grzegorz Wróbel. „Przy obecnym systemie przetargów wygrywa najniższa cena, tzn. najniższa jakość – dodaje Andrzej Podsędkowski. – Pogodzenie tych dwóch rzeczy jest bardzo trudne”.

Vibroson produkuje również tłumiki do silników spalinowych dużej mocy. „Stało się to trochę przez przypadek – opowiada Podsędkowski. – Jedna z firm zwróciła się do nas z prośbą o dorobienie tłumika dla rezerwowego silnika w centrum handlowym. Ktoś się o tym dowiedział, zgłosiła się następna firma i zamówiła kilka tłumików do silników dla przepompowni gazu. Ponieważ firma ta współpracowała z Włochami, dosłownie dwa miesiące po dostawie tych silników zwrócili się do nas Włosi z prośbą o następne cztery tłumiki dla instalacji w Rumunii, a teraz dla tej samej włoskiej firmy robimy serię 12 tłumików z przeznaczeniem dla Nigerii”.

W ten sposób Vibroson rozszerzył swoją działalność na kolejne kraje, m.in. Szwecję, Holandię, Bułgarię czy Austrię. Głównym rynkiem firmy wciąż jednak pozostaje Polska, w szczególności sektor energetyczny, w którym ciągle jeszcze pozostaje wiele do zrobienia.

Czy wiesz, że… Podczas modernizacji wentylatora w Elektrowni Turów pojawił się problem zdjęcia piasty, zaciśniętej z olbrzymią siłą na wale. Czas naglił, firma Vibroson skonstruowała więc naprędce specjalny ściągacz wywierający nacisk rzędu 300 t, wykorzystując siłowniki służące do podnoszenia stropu w kopalniach. Równocześnie wykonywano nowy wał do wentylatora. Piastę ściągano nocą, podgrzewając ją za pomocą pierścienia kilkudziesięciu palników, chłodząc zarazem wał zimną wodą. Wymiana całego zespołu trwała zaledwie tydzień.

Suszenie izolatorów
Trzecim unikatowym kierunkiem działania firmy – obok modernizacji wentylatorów i budowy tłumików – są instalacje ogrzewania izolatorów. „To nasza specjalność, ponieważ jesteśmy jedyną firmą w kraju, która się tym zajmuje” – mówi z dumą dr inż. Podsędkowski.

Izolatory wysokiego napięcia znajdujące się w elektrofiltrach, gdzie panuje napięcie rzędu kilkudziesięciu tysięcy woltów, są narażone na przebicie powstające wskutek odkładania się wilgoci. Spaliny zawierają bardzo dużo wody i są gorące, izolator natomiast jest zimny, zwłaszcza w momencie rozruchu kotła. Kondensacja wilgoci na izolatorach może doprowadzić do przeskoku iskry i w rezultacie do zniszczenia izolatora. Wiąże się to z koniecznością jego wymiany, a więc i z kosztownym przestojem. Dlatego przed rozruchem kotła – a także później – izolatory należy ogrzać, aby ich temperatura nie była wiele niższa od temperatury spalin.

„Przed wieloma laty na zlecenie nieistniejącej już firmy ELWO opracowaliśmy metodę ogrzewania izolatorów ciepłym powietrzem – wspomina Andrzej Podsędkowski. – Chodziło o to, by przy użyciu możliwie małej mocy doprowadzić ciepłe powietrze tak, by dokładnie omywało izolator, jednocześnie izolując go od spalin”. „Nasza instalacja jest na każdym nowym czy też nowo remontowanym elektrofiltrze – uzupełnia dyrektor Wróbel. – Niektóre firmy próbują nas naśladować, ale kończy się na tym, że musimy po nich poprawiać. To dlatego, że stosujemy opatentowane przez nas kierownice strug powietrza instalowane pod deklami izolatorów”.

Głównym atutem instalacji ogrzewającej Vibrosonu jest ukierunkowanie powietrza, które sprawia, że przyjmuje ono formę wiru, „przylepiając” się do ścianki izolatora, ogrzewa go, a jednocześnie chroni przed kontaktem ze spalinami.

Ruchome łopatki
Vibroson rozbudowuje swoje moce produkcyjne, aby oferować coraz bardziej złożone i nowatorskie rozwiązania. Firma nie rezygnuje przy tym z innowacji. Jedną z nowinek, nad którymi obecnie pracują jej właściciele, jest niestosowany do tej pory projekt wentylatora promieniowego o zmiennej w ruchu geometrii łopatek. Teoretyczne podstawy pomysłu istnieją od lat 60. ubiegłego wieku. Autorem patentu jest właściciel firmy Vibroson – dr inż. Andrzej Podsędkowski.

Do dziś nie istniała jednak techniczna możliwość realizacji tego pomysłu na dużą skalę, a tylko wówczas płynąca z jego zastosowania oszczędność energii przyniosłaby korzyści ekonomiczne. Wentylator taki ma bardzo duży zakres regulacji wydajności w zależności od potrzeb i obciążenia, w całym zakresie zachowując wysoką sprawność. „Żeby coś takiego wykonać i zastosować w energetyce, trzeba przeprowadzić kosztowne badania – tłumaczy Andrzej Podsędkowski. – Staraliśmy się o dotację. Nasz projekt jej nie uzyskał, ale staramy się zdobyć finansowanie w inny sposób. Postanowiliśmy też zainwestować środki własne, ale musimy mieć gwarancję, że elektrownia to zastosuje i poniesie ryzyko.

Ryzyko podjęła Elektrownia Turów. Wytypowano dwa symetryczne wentylatory przeznaczone do wymiany, jednak wymogi przetargowe premiujące najniższą cenę sprawiły, że elektrownia pokrywa koszty jedynie do wartości standardowego wentylatora, różnicę zaś Vibroson musi pokryć z własnej kieszeni. „To dla nas duże obciążenie, ale chcemy to zrobić, ponieważ tego typu regulacji w wentylatorach energetycznych nikt na świecie dotąd nie robił – tłumaczy Andrzej Podsędkowski. – Udowodniliśmy już na badaniach modelowych, że da się uzyskać pożądany efekt. Problemem jest tylko stworzenie precyzyjnego siłownika sterującego łopatkami.

Mimo trudności właściciele firmy pozostają optymistami. Nie po raz pierwszy przyjdzie im udowodnić, że są specjalistami od szybkich i nietuzinkowych rozwiązań.

Czy wiesz, że… Vibroson opracował nowy typ regulacji wydajności wentylatorów za pomocą tzw. progresywnej kierownicy żaluzjowej, umieszczonej we wlotach kolanowych. Różni się ona od dotychczas stosowanych tym, że łopatki przymykają się w niej nie jednocześnie, lecz po kolei, co zapewnia powstanie stabilnego wiru na wlocie do wirnika i w konsekwencji wyższą sprawność przy częściowym obciążeniu wentylatorów. Dodatkową zaletą tego rozwiązania w stosunku do tradycyjnie stosowanych kierownic osiowych jest możliwość skrócenia wału wentylatora, który dzięki temu jest sztywniejszy, co w dużych wentylatorach pozwala znacznie podwyższyć krytyczną prędkość obrotową, czyli prędkość, do której nie można się nadmiernie zbliżyć ze względu na powstanie silnych drgań wału.