Od 2012 roku obowiązuje rozporządzenie nr 547/2012 w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE
w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp do wody, które narzuca wartość minimalnej energochłonności MEI dla pomp do wody czystej, wynoszący 0,4. Pojawia się zatem pytanie: czy w przypadku pojawienia się technicznej możliwości odzyskania energii z cieczy za pomocą pompy w trybie turbinowym zasadnym ekonomicznie jest wykorzystanie starej pompy, niespełniającej już wymogu MEI < 0,4 i zastąpienie jej w instalacji nową pompą o odpowiedniej sprawności?

Czy jednak taka modernizacja jest nieopłacalna i stare pompy pozostawić w ich dotychczasowej lokalizacji, a do odzysku (wytwarzania) energii wykorzystać już nowo zakupione?

Pracę pompy jako maszyny hydraulicznej można opisać za pomocą szeregu parametrów, jednak tylko kilka z nich jest parametrami niezależnymi. Ich wartości jednoznacznie określają stan energetyczny pompy i kierunek przekazywania energii z jej udziałem. W literaturze przyjęło się, jako sposób naturalny i najwygodniejszy, aby za parametry te przyjąć wielkości następujące: H, Q, M oraz n, przy czym każda z tych wielkości może być wartością tak dodatnią, jak i ujemną, co oznaczałoby, że:
• dla H > 0 – pompa powoduje przyrost ciśnienia,
• dla H < 0 – na pompie następuje spadek ciśnienia,
• dla Q > 0 – przez pompę przepływ jest zgodny
z normalnym przepływem pompowym,
• dla Q < 0 – przez pompę przepływ jest przeciwny
niż normalny przepływ pompowy,
• dla M > 0 – pompie przekazywana jest moc me-
chaniczna z napędu,
• dla M < 0 – pompa przekazuje moc mechaniczną
napędowi,
• dla n > 0 – kierunek obrotów jest prawy, patrząc
od strony napędu,
• dla n < 0 – kierunek obrotów jest lewy, patrząc
od strony silnika.

Dla pracy dla najczęściej spotykanego trybu pompowego wszystkie cztery parametry (H, Q, n, M) przyjmują wartości dodatnie, jednak istnieje wiele innych fizycznych stanów pracy pomp, przy których niektóre z tych parametrów przyjmują wartości ujemne. Spośród tych możliwości część kombinacji oznacza pracę w stanie rozpraszania energii (np. gdy pompa jest napędzana napędem zewnętrznym
M > 0 przy prawych n > 0 lub lewych n < 0 obrotach, lecz przepływ jest wymuszony przez nią w kierunku przeciwnym Q < 0, stąd H > 0), inny może oznaczać normalną pracę pompową, ale z obrotami lewymi (pracę z obniżoną sprawnością H > 0, Q > 0, n < 0, M > 0), jednak istnieje także tryb pracy turbinowej, w której pompa może pracować jako turbina (H > 0, Q < 0, n < 0, M < 0) lub turbina z obrotami odwrotnymi (H < 0, Q > 0, n < 0, M > 0). Źródło energii składające się z pompy pracującej w trybie turbinowym mogłoby być tanim i łatwo dostępnym, zaliczanym do źródeł odnawialnych w skali mikro, ponieważ na rynku oferowanych jest bardzo wiele typoszeregów pomp i są one produkowane seryjnie, więc ich cena jest wyraźnie niższa niż specjalnie do tego celu dedykowanych turbin wodnych.

Oczywiście, parametry wydajnościowe, tj. sprawność lub moc przy takich samych warunkach zasilania tak pracujących pomp będą niższe niż specjalnie do tego celu zaprojektowanych turbin wodnych, lecz za każdym razem wybór konkretnego rozwiązania powinien być podyktowany szczegółowym rachunkiem kosztów w cyklu życia, a PAT jest tu atrakcyjną alternatywą.

Tematyka pomp pracujących w warunkach innych niż nominalne, a w szczególności PAT, istnieje w literaturze od dawna, zaś pierwsze publikacje na temat wykorzystania pompy do wytwarzania energii pojawiły się już w latach 60. XX wieku. Podstawowym zagadnieniem jest określenie parametrów uzyskiwanych przez pompę w trybie turbinowym.

Istnieje szereg formuł umożliwiających przeliczenie tych parametrów, z których część zbudowana jest na podstawie punktu najwyższej sprawności pompowej (BEP), zaś część na podstawie wyróżnika szybkobieżności pompy. Zestawienie tych formuł przedstawiono w tabeli 1 (istnieje także kilka innych formuł, jednak ich postacie zawierają w sobie takie wielkości jak wyróżnik szybkobieżności pompy
w trybie turbinowym nt lub sprawność hydrauliczna ηhp, które często nie są znane lub kłopotliwe do określenia bez uprzednich badań pompy w trybie turbinowym).

W 2013 roku dowiedziono, że sprawność maksymalna w trybie turbinowym (BEPp) jest taka sama lub bardzo zbliżona do maksymalnej wartości sprawności (BEPp) osiąganej przy pracy w trybie pompowym, dlatego formułę nr 5 przyjęto także do rozważań. Wskazane w tabeli 1 formuły dają różniące się od siebie wartości współrzędnych punktów BEP w trybie turbinowym, gdyż biorąc pod uwagę skrajne punkty, różnice te osiągają wartość nawet blisko 30%, jednak należy zastrzec, że niektóre z tych formuł, według zastrzeżeń ich autorów, obowiązują jedynie dla pomp o ściśle określonym zakresie wyróżników szybkobieżności. Jednak niezależnie od tych różnic, wszyscy autorzy analizujący ten nietypowy stan pracy pomp PAT, zgodni są, że aby osiągnąć maksymalną sprawność, należy pompie zapewnić znacznie większy przepływ oraz spad niż przy pracy w trybie pompowym. Pokazano to na rysunku 1, gdzie na tle charakterystyki H(Q) pompy o wyróżniku szybkobieżności nq = 10 i jego punktu BEPp naniesiono współrzędne punktów BEPt, które zostały obliczone według wspomnianych powyżej formuł.

Biorąc pod uwagę ograniczenia części z formuł oraz dane literaturowe, można przyjąć, że odpowiednim modelem do przeliczenia parametrów pompowych na PAT będą formuły prezentowane w modelu o numerze 4 oraz 5.

Fragment artykułu, który opublikowany został w czasopiśmie "Pompy.Pompownie" nr 2/2022.

Aby mieć bezpłatny dostęp do aktualnych wydań czasopisma w wersji elektronicznej, zapisz się na newsletter portalu kierunekPOMPY.pl.