Energia elektryczna nieodłącznie związania jest z rozwojem gospodarki. Udział przemysłu w jej zużyciu wynosi około 42%, a największym jej przemysłowym konsumentem są silniki elektryczne [8]. Wynika to z faktu, że stosowane są do napędzania wielu maszyn roboczych, w tym i oczywiście przetłaczających ciecze. Udział pomp w zużyciu energii pobieranej przez napędy stosowane w przemyśle oceniany jest różnie. Szacuje się go na poziomie od około 20% do ponad 35%. Uznaje się, że zużycie energii elektrycznej przez pompy sięga około 20-30%, w tym 5-7% przypada na potrzeby własne elektrowni, związane z ich pracą. W związku z powyższym, pompy oraz ich systemy są maszynami zużywającymi znaczne ilości energii, a zwiększenie efektywności maszyn wirowych (za pośrednictwem regulacji wieloelementowej [1, 4, 5, 6]) przyczynia się do zmniejszenia kosztów związanych z wytwarzaniem energii elektrycznej. Zwiększa to efektywność energetyczną procesu, zdefiniowaną jako zależność wymiernego wyniku danego procesu, odwrotnie proporcjonalną do ilości energii zużytej do osiągnięcia ww. wyniku [2, 3].

Zwiększenie efektywności energetycznej w procesie pompowania należy prowadzić wielopłaszczyznowo (rys. 1). Oznacza to, że poszukiwanie potencjalnych oszczędności należy przeprowadzić globalnie, a nie dla poszczególnych elementów systemu, takich jak pompy, silniki itp. Analizując łańcuch przekazywania energii w układach pompowych [7], można zdefiniować sześcioetapowy proces analizy ich pracy pod względem energetycznym:

• zastosowanie dopracowanych napędów elektrycznych zgodnie z regułą najlepszej dostępnej technologii (oszczędności w zużyciu energii około 2-3%),
• zastosowanie dopracowanych pomp zgodnie z regułą najlepszej dostępnej technologii (oszczędności w zużyciu energii około 3-5%),
• zastosowanie lepszego sposobu regulacji (oszczędności w zużyciu energii około 5-15%),
• lepsze dopasowanie pompy do układu (oszczędności w zużyciu energii około 8-10%),
• poprawa układu pompowego np. poprzez zmniejszenie strat wynikających z zastosowania odpowiedniej armatury, również optymalizacja celu pompowania (oszczędności w zużyciu energii około 10-15%), ±
• opracowanie planów i scenariuszy eksploatacji układu pompowego, korelując działanie różnych pomp pod względem oszczędności energii (oszczędności w zużyciu energii około 5-25%).

Uzyskanie relatywnie wysokich oszczędności w procesie pompowania cieczy możliwe jest pod warunkiem zastosowania wszystkich wyżej wspomnianych kroków.

Praca pomp w bloku energetycznym elektrowni cieplnej

Produkcja energii elektrycznej w Polsce, która w 2017 roku wyniosła niewiele ponad 165 TWh (wg PSE), pochodzi głównie z elektrowni opalanych węglem: kamiennym – około 50% i brunatnym – około 32%. Zakładając, że zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne elektrowni cieplnej związane z pracą pomp wynosi około 6,2%, przekłada się to na wartość wykorzystanej energii wynoszącej około 8,1 TWh, co odpowiada emisji CO2 na poziomie 5,3 Tg (przyjęto 630 kg CO2 na 1 MWh). Oszczędność w pracy pomp obiegu elektrowni zawodowej, przekłada się na znaczne ograniczenie śladu węglowego oraz niemałe zyski ekonomiczno-środowiskowe.

Działanie elektrowni cieplnej realizowane jest za pomocą obiegu Clausiusa-Rankine'a i trudno wyobrazić sobie jej pracę bez wykorzystania pomp. Na rys. 2 przedstawiono wybrane pompy w bloku elektrowni cieplnej [8]. Mimo przyjętych uproszczeń należy wskazać ich znaczną liczbę oraz krytyczny charakter działania, który warunkuje poprawną pracę bloku.

Pompy w bloku elektrowni cieplnej można usystematyzować względem jednostek, których parametry silnie zależą do stopnia regulacji bloku, oraz te, na które jego wpływ jest niewielki. Przyjęcie takiego podziału wymuszone zostało oceną poprawności działania pomp, zależącej nie tylko od zastosowania możliwie wysokosprawnych maszyn, ale również od położenia punktu pracy dla pomp nieregulowanych oraz zakresu pracy dla jednostek zależnych od regulacji bloku. Znajomość, nie tylko chwilowej regulacji bloku, ale uporządkowanej krzywej regulacyjnej w danym okresie referencyjnym (np. rok), umożliwia wiarygodną ocenę pracy pomp i potencjalnych oszczędności wynikających z wprowadzanych zmian. Kluczowym parametrem decydującym o zużyciu energii przez pompę (agregat pompowy), jest nie tylko sprawność procesu konwersji energii elektrycznej w hydrauliczną, ale również jej odniesienie do rozpatrywanego czasu eksploatacji.

Ocena pracy bloku energetycznego

Statystycznym obrazem regulacji bloku energetycznego jest krzywa opisująca zakres i głębokość regulacji. Przykładowe roczne krzywe regulacji bloków elektrowni cieplnej przedstawiono na rys. 3. Analityczny opis regulacji bloku można przedstawić za pomocą funkcji Beziera, co pokazano na rys. 4. Krzywa Beziera umożliwia przewidywanie parametrów pracy pomp zależnych od mocy bloku energetycznego oraz ułatwia określenie ich efektywności energetycznej, dzięki czemu możliwa jest identyfikacja potencjalnych oszczędności wprowadzanych w układzie zmian.

Cały artykuł został opublikowany w nr 3/2019 magazynu Energetyka Cieplna i Zawodowa.