Redukcja zużycia energii elektrycznej poprzez właściwy dobór oraz sterowanie pracą pomp

Globalny wzrost zapotrzebowania na energię, prowadzi do działań wymuszających na przedsiębiorcach ograniczenie zużycia energii. Rosnące ceny energii przy jednoczesnym upowszechnieniu rozwiązań z dziedziny elektroniki i automatyki, sprawiło, że inwestowanie w rozwiązania pozwalające ograniczać jej zużycie stało się możliwe i opłacalne.

Grundfos jeszcze do niedawna kojarzony był przede wszystkim z produkcją i sprzedażą pomp. Obraz ten od kilku lat sukcesywnie się zmienia.
Obecnie na rynku wielu jest dostawców pomp, jednak nieliczni łącznie z produktem oferują również profesjonalne doradztwo dotyczące nie tylko urządzeń pompowych, ale obejmujące całą instalację od strony procesowej, hydraulicznej, automatyki oraz sterowania i monitoringu. Wspólnym mianownikiem dla stałego, sukcesywnego rozwoju oraz rosnącego portfolio jest efektywność energetyczna oraz ograniczenie zużycia energii niezbędnej do pracy urządzeń pompowych.

Ilość energii potrzebna na przepompowanie 1 m³ medium jest wielkością zależną od wielu czynników. Współczynnik określany jako energia właściwa, wyrażony w kWh/m3, pozwala porównać energochłonność różnych układów pompowych.

Częstokroć w powszechnym podejściu do energochłonności układów pompowych panuje przekonanie, że zastosowanie urządzeń zasilanym silnikami o mniejszej mocy pozwala na zaoszczędzenie energii elektrycznej zużywanej podczas pracy. Ocena taka jest obarczona dużym błędem, ponieważ nie uwzględnia bardzo ważnej zmiennej, jaką jest sprawność urządzeń.
Na rysunku 1 przedstawiono porównanie charakterystyk i parametrów dwóch pomp pracujących z porównywalną wydajnością i ciśnieniem. Pompa CR 20-4 wyposażona jest w silnik 5,5kW, natomiast pompa CR 15-5 w silnik 4,0kW. Pompa z mocniejszym silnikiem, pomimo pracy z delikatnie wyższym ciśnieniem zużywa minimalnie mniej energii, niż pompa z silnikiem 4,0kW. Wynika to z pracy pompy w lepszym zakresie sprawności, bliżej punktu najwyższej sprawności pompy – BEP.

Kolejne porównanie (rysunek 2) dotyczy pomp pracujących z porównywalną wydajnością i ciśnieniem, wyposażonych w silniki o takiej samej mocy, wynoszącej 5,5kW. W przypadku pompy CR32-3-2 urządzenie jest nieco przewymiarowane, pracuje z wydajnością poniżej swojej wydajności nominalnej, po lewej stronie charakterystyki sprawności. Pompa CR20-4 natomiast pracuje bliżej punktu o najwyższej sprawności, z prawej strony jej wartości maksymalnej. W konsekwencji pompa druga będzie zużywała o około 10% mniej energii, niż pompa pierwsza. Dodatkową przewagą pompy drugiej jest to, że w przypadku wzrostu oporów w instalacji (np. zarastanie rurociągów na przestrzeni lat pracy) pompa będzie zmieniała punkt pracy redukując swoją wydajność tak aby pokonać opory instalacji, jednak nadal będzie pracować w obszarze wysokiej sprawności. W przypadku pompy pierwszej, sprawność pompy będzie spadać.

W przypadku 1 oszczędności na zużyciu prądu mogą byłyby relatywnie niewielkie, zestawienie to pokazuje jednak pewną zależność, która często jest pomijana na etapie doboru urządzeń. Pokazuje też, że przywiązywanie nadmiernej wagi tylko do mocy silnika, bez analizowania innych elementów, skutkuje błędnymi wyborami urządzeń.
Wszystkie przytoczone porównania są potwierdzeniem faktu, że zarówno dobór urządzeń za dużych („na zapas”), jak zbyt małych (mniejszy silnik – „taniej”) paradoksalnie na etapie użytkowania przekłada się na większe zużycie energii, a więc podnosi koszty eksploatacyjne.

Dodatkowym, niezwykle istotnym aspektem, jest trwałość urządzenia. Wpływ eksploatacji pompy poza zakresem najwyższej sprawności na jej żywotność jest bezsprzeczny. Użytkując pompy w zakresie pracy zbliżonym do BEP (Rysunek 3), wydłużamy ich żywotność ponieważ wówczas przepływ cieczy przez pompę jest najbliżej przepływu laminarnego. W efekcie z mniejszym nasileniem występują zjawiska niekorzystne (np. recyrkulacja), co znajduje odzwierciedlenie w parametrze mierzalnym, jakim jest poziom wibracji urządzenia. Z tego powodu w literaturze technicznej można znaleźć odwołania do wytycznych publikowanych przez American Petroleum Institute (API 610 [2]), co stanowi podstawę do zalecenia pracy w zakresie od 80% do 110% BEP [3]. Na rysunku 3 zestawiono występowanie niepożądanych zjawisk powstających dla różnych obszarów pracy pompy.

Należy zauważyć, że urządzenie będzie pracować w całym zakresie swojej charakterystyki, jednak praca poza zakresem BEP, szczególnie w obszarach skrajnych, będzie niekorzystnie wpływać na żywotność jego elementów, np. wału czy łożysk. Bardziej szczegółowo przeanalizowano problem w opracowaniu „Dobór i charakterystyka pomp. Punkt przecięcia” [3].

Co jednak w przypadku instalacji, gdzie warunki pracy są zmienne, np. różna wymagana wydajność przy zachowaniu stałego ciśnienia. Zadanie to najczęściej realizowane jest poprzez zastosowanie przetwornicy częstotliwości obrotów napięcia zasilającego silnik pompy.

Niestety powszechnie panującym przekonaniem jest to, że układ sterowania zarządzający pracą kilku pomp, wyposażony w jedną przetwornicę częstotliwości, daje wystarczające możliwości regulacji i dopasowania pomp do wymagań sieci/instalacji. Na rysunku nr 4 przedstawiamy porównanie dwóch układów złożonych z dwóch takich samych pomp, przy czym w przypadku 1 układ współpracuje z jedną przetwornicą częstotliwości, natomiast w przypadku drugim obie pompy mają możliwość pracy ze zredukowanymi obrotami. W przypadku 1 pobór prądu wyniesie 5,19 kW, natomiast w drugim tylko 4,71 kW, czyli 10% mniej.

Wynik taki to efekt dopasowywania zakresu pracy pomp, poprzez regulację obrotów silnika, do obszaru najbliżej BEP. Dla układów złożonych z kliku pomp, uzyskiwane oszczędności są najwyższe w przypadku zastosowania pomp fabrycznie wyposażonych w przetwornicę częstotliwości. Wynika to z faktu, że w takim przypadku wybór ilości pracujących pomp i częstotliwości z jaką pracują, jest zależny od danych z krzywej sprawności pompy, dostępnej z poziomu zintegrowanej z pompą przetwornicy częstotliwości.

Z analizy przedstawionego materiału wynika, że niezwykle istotnym z punktu widzenia trwałości, niezawodności oraz efektywności energetycznej urządzeń mechanicznych, w tym pomp, jest ich eksploatacja w zakresie możliwie zbliżonym do pracy w warunkach najwyższej sprawności. Można to osiągnąć poprzez właściwy, przemyślany dobór urządzeń oraz, szczególnie w przypadku zmiennych w czasie wymaganych parametrów pracy, wykorzystanie potencjału jaki daje regulacja obrotów silnika.

Na podstawie audytów prowadzonych na istniejących i pracujących obiektach możemy stwierdzić, że realne do osiągnięcia oszczędności w zużyciu energii elektrycznej wynoszą od kliku do kilkudziesięciu procent. Można je osiągnąć użytkując pompy lepiej dopasowane do wymagań instalacji, pamiętając o kryterium sprawności.

Literatura:
[1] Katalog Techniczny Grundfos
[2] ISO 13709:2009 (Identical), Centrifugal pumps for petroleum, petrochemical and natural gas industries. ANSI/API STANDARD 610, Elevent Edition, September 2010
[3] Magazyn Instalatora, grudzień 2014