W sytuacji kiedy centralna pompownia zasila układ pompowy obejmujący rozległą sieć rurociągów, często spotykaną metodą regulacji parametrów przy zmiennym zapotrzebowaniu na wydajność jest utrzymywanie stałego ciśnienia w kolektorze tłocznym. Typowym przykładem takiego rozwiązania są sieci wodociągowe. W wielu zakładach przemysłowych również występują centralne pompownie dostarczające tzw. wodę ruchową lub wodę chłodzącą wszystkim odbiorcom ulokowanym na terenie danego przedsiębiorstwa. Metoda regulacji polegająca na utrzymywaniu stałego ciśnienia na wyjściu z pompowni niezależnie od jej wydajności jest prosta do wdrożenia i do zautomatyzowania, lecz w większości przypadków jest nieefektywna energetycznie. Wynika to głównie z faktu, że rzadko zdarza się sytuacja, kiedy wszyscy odbiorcy przyłączeni do danej sieci wymagają tego samego ciśnienia zasilania. Stosunkowo często występuje sytuacja odwrotna, kiedy pojedynczy odbiorca, odpowiadający za niewielki procent wydajności, wymaga ciśnienia wyraźnie wyższego niż pozostali. W efekcie w kolektorze utrzymywane jest ciśnienie wyższe od wymaganego przez większość odbiorców. Ponieważ energia pobierana przez pompy jest proporcjonalna do ciśnienia na tłoczeniu, sposób regulacji oparty o stałe ciśnienie w kolektorze oznacza przekazywanie do cieczy znacznych ilości energii, która następnie w znacznym stopniu jest tracona, np. na dławienie.

Straty ciśnienia między pompownią a odbiorcą

W sieciach wodociągowych istotne jest zapewnienie wymaganego ciśnienia nie na wyjściu z pompowni, lecz w kranie u odbiorcy wody. Różnica ciśnień pomiędzy pompownią a odbiorcą wynika z różnic wysokości, które mają duże znaczenie w miejscowościach położonych na pofałdowanym terenie oraz z różnic w wielkości strat przepływu, które zależą od odległości, stanu rurociągów (średnica, chropowatość wewnętrzna) oraz od wydajności. Ponieważ straty ciśnienia pomiędzy pompownią a odbiorcą maleją ze spadkiem przepływu w okresie mniejszego poboru wody, np. nocą, ciśnienie na wyjściu z pompowni może być obniżane, gdyż pomimo tego ciśnienie u odbiorcy nie spadnie poniżej wymaganego poziomu. Oprócz oszczędności energetycznych obniżenie ciśnienia na wyjściu do sieci da dodatkową korzyść w postaci ograniczenia wycieków poprzez nieszczelności w rurociągach. Wypływa z tego praktyczny wniosek, że sygnałem sterującym dla przemienników częstotliwości regulujących parametry pomp (o ile są stosowane) nie powinno być ciśnienie w kolektorze pompowni, lecz ciśnienie w punkcie odbioru.

Regulacja parametrów pomp

Zmniejszanie ciśnienia na wyjściu z pompowni przy spadku zapotrzebowania na wydajność jest ponadto korzystne z uwagi na regulację parametrów pomp. Nawet w przypadku stosowania najbardziej efektywnej metody regulacji w postaci zmiany prędkości obrotowej, pompy wirowe, zmniejszając wydajność przy stałej wysokości podnoszenia, wychodzą z obszaru optymalnej sprawności, który na charakterystyce położony jest w pobliżu paraboli wychodzącej z początku układu współrzędnych. Efekt ten przykładowo pokazany jest na rys. 1. Jeśli pompa o wysokiej sprawności maksymalnej, wynoszącej ponad 90%, zmniejsza wydajność w przybliżeniu do połowy nominalnej po linii stałego ciśnienia, to jej sprawność spada poniżej 80% (linia ciągła na rysunku 1). Gdyby temu samemu spadkowi wydajności towarzyszył spadek ciśnienia na tłoczeniu (linia przerywana na rysunku 1) to przy zmniejszonej wydajności pompa pracowałaby ze sprawnością o kilka procent wyższą. Oszczędność energii polega nie tylko na wyższej sprawności, ale przede wszystkim na tym, że przy obniżaniu ciśnienia proporcjonalnie do niego spada moc użyteczna.

RYS. 1 Sprawność pompy pracującej z regulacją prędkości obrotowej przy stałym i zmieniającym się ciśnieniu na tłoczeniu

 

 

Jeśli cała sieć wodociągowa zasilana jest z jednego kolektora, w którym utrzymywane jest stałe ciśnienie, to jego wartość narzucana jest przez odbiorcę o najtrudniejszych warunkach zasilania, czyli położonego najwyżej w stosunku do pompowni lub zasilanego przez rurociąg, w którym występują największe straty ciśnienia. Ciśnienie na wejściu do sieci narzucone przez tego odbiorcę jest jednocześnie wyższe od wymaganego przez większość pozostałych odbiorców. Praktyczny, oczywisty wniosek, jaki z tego wypływa jest taki, że sieć powinna być podzielona na strefy. Pompownia centralna powinna dostarczać jedynie ciśnienie wymagane przez odbiorców o średnich warunkach zasilania, natomiast w strefach, gdzie zasilanie jest utrudnione ze względu na wysokość lub odległość od pompowni głównej, ciśnienie powinno być podnoszone przez dodatkowe pompownie strefowe.

Wymagana wydajność i ciśnienie

Podobne wnioski dotyczą przemysłowych układów zaopatrzenia w wodę zasilanych z centralnej pompowni. O ile jednak w sieci wodociągowej ciśnienie wymagane w każdym punkcie odbioru są na tym samym poziomie, to dla poszczególnych odbiorców wody na terenie zakładu przemysłowego wymagane ciśnienia zazwyczaj różnią się w zależności od celu technologicznego, w jakim stosowana jest woda. Dodatkowo, niektóre odbiorniki wymagające wysokiego ciśnienia pobierają wodę jedynie okresowo. Powoduje to, że utrzymywanie stałego ciśnienie, dobranego do potrzeb jedynie niektórych punktów odbioru, jest nieefektywne energetycznie.

Na etapie projektowania wskazane jest sporządzenie zestawienia obejmującego wszystkie instalacje, jakie mają być zasilane z danego układu pompowego z wyszczególnieniem wymaganej wydajności i ciśnienia. Przykład takiego zestawienia pokazany jest na rys. 2. Prostokąty na rysunku odpowiadają poszczególnym odbiorcom. Wysokość prostokąta odpowiada maksymalnemu ciśnieniu, a jego szerokość maksymalnej wydajności wymaganej przez danego odbiorcę. Dokonując oszacowania ciśnienia wymaganego przez danego odbiorcę, należy mieć na uwadze straty ciśnienia występujące na trasie rurociągów od pompowni do odbiorcy (Ciśnienie wymagane w kolektorze centralnej pompowni musi być wyższe od wymaganego przez odbiorcę o wartość strat).

Gdyby centralna pompownia miała bezpośrednio zaopatrywać wszystkich odbiorców, których wymagania parametrowe zestawiono na rys. 2, to na wyjściu z niej należałoby utrzymywać ciśnienie p1, wymagane przez jednego z użytkowników, które byłoby za wysokie dla potrzeb większości innych użytkowników. Bardziej racjonalnym pod względem rozwiązaniem byłoby utrzymywanie w kolektorze np. ciśnienia p2 wystarczającego do większości odbiorców oraz podniesienie ciśnienia do p1, wymaganego jedynie przez niektórych odbiorców drogą zastosowania dodatkowych, strefowych pomp podnoszących ciśnienie.

RYS. 2 Rozkład wymaganych parametrów

Rys. 2 należy traktować jedynie w charakterze przykładu ilustrującego sposób podejścia do projektowania układu mającego za zadanie dostarczanie wody wielu odbiorcom wymagającym zróżnicowanych parametrów. W zależności od stopnia tego zróżnicowania należy rozpatrywać podział na kilka stref ciśnienia, a optymalne rozwiązanie powinno być wybrane drogą analizy techniczno-ekonomicznej, gdyż rozbudowa układu mająca na celu jego lepsze dostosowanie do rozkładu wymaganych parametrów na ogół wiąże się ze zwiększonymi nakładami inwestycyjnymi.

Jeśli układ jest prawidłowo zaprojektowany, tzn. posiada strefy zróżnicowanego ciśnienia dobrane do wymagań odbiorców, to dalsze oszczędności energetyczne można uzyskać na etapie eksploatacji stosując odpowiednią regulację parametrów. Ciśnienie w danej strefie nie musi być utrzymywane na stałym, maksymalnym poziomie. Jak już wspomniano, przy zmniejszonym poborze maleją straty ciśnienia w przepływie, co umożliwia utrzymanie wymaganego ciśnienia u odbiorcy przy obniżonym ciśnieniu na wyjściu z pompowni. Ponadto, zdarza się, że odbiorcy narzucający najwyższy wymagany poziom ciśnienia w danej strefie pobierają wodę jedynie okresowo (np. wtryski, spryskiwacze itp.). W okresach pomiędzy poborem dokonywanym przez tych użytkowników można ciśnienie w danej strefie obniżyć do niższego poziomu wymaganego przez pozostałych odbiorców.

Podsumowanie

Sposób eksploatacji polegający na utrzymywaniu stałego ciśnienia w kolektorze centralnej pompowni zasilającej układ obejmujący wielu odbiorców jest prosty, lecz nieefektywny energetycznie.

Na etapie projektowania konieczne jest dokonanie zestawienia wymagań parametrowych poszczególnych odbiorców uwzględniających ich potrzeby technologiczne oraz straty ciśnienia na trasie od pompowni do punktu odbioru. W większości przypadków parametry te są na tyle zróżnicowane, że celowy jest podział układu na strefy o zróżnicowanym ciśnieniu.

W celu uzyskanie dalszych oszczędności energetycznych w trakcie eksploatacji ciśnienie na wejściu do danej strefy sieci nie powinno być utrzymywane na stałym poziomie, lecz regulowane w zależności od zmieniającego się chwilowego zapotrzebowania. Wymaga to zbudowania systemu monitoringu zbierającego dane o chwilowych wymaganiach parametrowych poszczególnych odbiorców. Na tej podstawie należy opracować algorytm regulacji parametrów pompowni zapewniający zaspokojenie chwilowego zapotrzebowania przy minimalnym zużyciu energii. Dotychczas w praktyce często występuje sytuacja, że istnieją możliwości regulacji parametrów pompowni, na przykład drogą zmiany ilości pracujących pomp oraz zmiany ich prędkości obrotowej, lecz nie są one optymalnie wykorzystywane. Typowym przykładem jest stosowanie najprostszego algorytmu sterowania polegającego na zmianie prędkości obrotowej w taki sposób, aby utrzymywać stałe ciśnienie w kolektorze. Na podstawie szczegółowej analizy układu można opracować bardziej zaawansowane algorytmy, które po zaprogramowaniu i wdrożeniu pozwolą na uzyskanie lepszych efektów energetycznych. Dzięki temu nakłady poniesione np. na instalację przemienników częstotliwości przyniosą wyższe korzyści.

 

Artykuł został również opublikowany w nr 1/2017 półrocznika Pompy Pompownie.