Pompy, stanowiące integralną cześć układu pompowego, napędzają naszą rzeczywistość. Nie trzeba nikogo przekonywać, że ich działanie, a w szczególności poprawna, długotrwała praca, scharakteryzowana niezawodnością, minimalnym zapotrzebowaniem na energię i obsługę, warunkuje realizację wielu procesów przemysłowych. Szczególnie widoczne jest to w przemyśle petrochemicznym, górniczym czy energetycznym, gdzie przestój w pracy pomp może prowadzić do zagrożenia zdrowia człowieka i kosztownych strat dla przedsiębiorstwa. Z tego powodu pompy i układy pompowe często określane są jako „maszyny i układy krytyczne” [1].

Pomimo że nie ma zgodności co do ich udziału w zużyciu energii elektrycznej (10-30%), należy go określić jako znaczący. Aspekty ekonomiczne (ekologiczne) zmuszają nas do poszukiwania rozwiązań cechujących się najmniejszą energochłonnością wynikającą z ich pracy nie tylko w aspekcie lokalnym, dotyczącym samej maszyny roboczej, ale również globalnym, obejmującym cały układ pompowy.

Nauka i wiedza inżynierska w budowie układów pompowych

Rozwój nauki przyniósł ludziom nowe rozwiązania i innowacje techniczne, pozwalające podejmować bardzo trudne wyzwania. Dysponujemy obecnie wiedzą i możliwościami wytwórczymi, pozwalającymi na świadome kształtowanie struktury organizacyjnej obiektów technicznych tak, aby uzyskiwać założone cechy użytkowe, niezależnie od warunków eksploatacji. Mamy możliwości zdalnego sterowania, zapisu i przesyłania ogromnych ilości informacji. Jesteśmy w stanie także wyposażać te struktury w sztuczną inteligencję na tyle, na ile chcemy się z nimi podzielić naszą własną inteligencją.

W ślad za tym projektowane i budowane są nowoczesne układy pompowe, jako układy hybrydowe, łączące klasyczną wiedzę inżynierską z zakresu: konstrukcji i budowy maszyn, hydrauliki, automatyki oraz eksploatacji, z nowymi rozwiązaniami technicznymi z zakresu informatyki i systemów zarządzania, przy uwzględnieniu wpływu naturalnych warunków środowiskowych.

W zmieniających się warunkach techniczno-ekonomicznych, klasyczne podejście do projektowania układów pompowych, w oparciu o dane statyczne, wydaje się niewystarczające. Właściwy dobór rozwiązań do danego zastosowania, wspierany przez wielokryterialną analizę i optymalizację (stosownie do bieżących i planowanych warunków eksploatacji) stoi u podstaw nowego podejścia do metodologii projektowania.

Podstawowe zagadnienia do rozwiązania przy projektowaniu układu pompowego

W trakcie projektowania układu pompowego należy zwrócić szczególną uwagę na poniższe czynniki.

Rozeznanie uwarunkowań naturalnych środowiska pracy oraz ich wpływu na człowieka i stosowane przez niego środki techniczne. Analiza jest niezbędna dla poznania warunków pracy oraz słabych i mocnych stron stosowanych już rozwiązań technicznych. Często okazuje się, że instalacje zostały zaprojektowane i wybudowane z elementów składowych o bardzo dobrej jakości i dobrych charakterystykach energetycznych. Zapomniano jednak, że efektywność energetyczna całego układu pompowego zależy od tego, w jaki sposób jego elementy składowe zostały dobrane względem siebie i do warunków naturalnych, w których układ pracuje, a także od racjonalnego jego użytkowania. Analiza uwarunkowań środowiskowych jest podstawą poznania i zrozumienia zjawisk zachodzących w rozważanym układzie, a zdobyta w ten sposób wiedza może i powinna stanowić podstawę do szukania rozwiązań zwiększających efektywność układów pompowych [2].

Ważne jest zdefiniowanie wymaganych parametrów technicznych układu pompowego na podstawie histogramu obciążenia – określenie, ile wody, o jakim ciśnieniu i w jakim czasie układ ma dostarczać do odbiorcy. Częściowo odpowiedź na to pytanie dają opracowania statystyczne pomiarów parametrów sieci pobrane z systemu monitoringu lub z zapisów książek ruchu istniejących, podobnych układów pompowych. Jeżeli dane takie nie istnieją, prognoza pracy układu powinna się opierać na symulacjach przeprowadzonych w specjalistycznych programach komputerowych, np. KlimaNet, EPAnet (rys. 1). Istotne jest tutaj ponadto uwzględnienie planów taryfowych opłat za energię.

RYS. 1 Przykładowy rozpływ wody w rurociągach klimatyzacji centralnej. Model wykonany w specjalistycznym oprogramowaniu KlimaNet

RYS. 2 Przykładowy rozkład naprężenia w elementach złącza kołnierzowego

Kolejne czynniki to określenie normalnych i awaryjnych warunków pracy, w tym wykonanie symulacji obciążeń newralgicznych punktów układu, również w stanach dynamicznych (rys. 2), jak również dobór pomp do układu – na podstawie procedur, które optymalizują zdyskontowane koszty zakupu, energii i remontów. Przykładem oprogramowania posiadającego takie procedury i duże bazy pomp różnych producentów jest program PDP.

Wprowadzenie do stosowania nowoczesnych systemów nadzoru i diagnostyki, które pozwalają na eksploatację w oparciu o kryteria bieżącego stanu technicznego pomp i ponoszonych kosztów. O potrzebie i rodzaju stosowanej diagnostyki decyduje odpowiedzialność funkcji, jaką dany obiekt techniczny pełni w procesie technologicznym [1] [3]. W zakresie diagnostyki mechanicznej są to metody oparte na pomiarze procesów resztkowych, które towarzyszą pracy maszyn w sposób niezamierzony, ale nieodłączny [4] [5]. Należą do nich procesy wibroakustyczne oraz termiczne, których pomiar stwarza możliwość bezdemontażowej (bezinwazyjnej), a nawet bezkontaktowej oceny stanu technicznego maszyny, podczas jej normalnej eksploatacji. To bardzo cenna właściwość, gdyż pomiar nie zakłóca normalnego cyklu produkcji.

 

Cały artykuł został opublikowany w nr 1/2017 półrocznika Pompy Pompownie.