Pompy w obiegu wtórnym elektrowni jądrowej z reaktorem wodno-ciśnieniowym PWR

Schematy obiegu wtórnego elektrowni jądrowej i bloku elektrowni węglowej są podobne. Pompy zasilające (wysokoobrotowe, dwustrumieniowe o dużych wydajnościach, rys. 4, 5), tłoczące wodę do wytwornicy pary, są teoretycznie w zasięgu krajowych wytwórców, ale pod warunkiem podwyższenia ich poziomu technicznego, zwłaszcza w zakresie niezawodności.
RYS. 4 Pompy zasilająca główna i wstępna do obiegu wtórnego reaktora jądrowego; Q ≤ 6500 m3/h, H ≤ 1000 m, t ≤ 210 oC, p ≤ 150 bar; pompa główna (main pump) szybkoobrotowa (n ≤ 6500 obr/min), pompa wstępna (booster pump) wolnoobrotowa (n ≈ 2970 obr/min), KSB [5]

Pompy kondensatu, wody chłodzącej i inne pomocnicze są odpowiednikami pomp w elektrowniach węglowych, o podobnych konstrukcjach i o odpowiednich wydajnościach.

Pompy do reaktorów SMR

Istnieje ponad 50 koncepcji reaktorów SMR, o mocach od ok. 10 MW do ok. 300 MW (lekkowodne; prędkie; wysokotemperaturowe – gazowe oraz na stopione sole); na rysunku 6 pokazano schemat ISMR (Integral Molten Salt Rector), którego rdzeń jest chłodzony ciekłym stopionym paliwem z soli fluorowej. Wysokotemperaturowe pompy obiegu wtórnego będą zapewne dostarczane w komplecie z reaktorem, stąd mało prawdopodobna produkcja takich pomp przez krajowe fabryki.

Pompy dla ciepłownictwa
Do 2050 r. (a być może już do 2040 r.) będą wyeliminowane ciepłownie opalane węglem i prawdopodobnie – gazem ziemnym. Zostaną zapewne zastąpione przez:
•    ciepłownie wykorzystujące źródła geotermalne,
•    ciepłownie stosujące spalanie biomasy i/lub biogazu,
•    elektrociepłownie z blokami gazowo-parowymi, z wodorem jako paliwem,
•    ciepłownie i elektrociepłownie bazujące na małych reaktorach jądrowych SMR.
Wszystkie będą wymagały pomp sieciowych (cyrkulacyjnych) o rozwiązaniach konstrukcyjnych nieodbiegających od rozwiązań pomp stosowanych obecnie.

Pompy w gospodarce wodno-ściekowej. Pompy wodociągowe
Pompy stosowane w pompowniach sieci wodociągowych, jak też mniejsze pompy hydroforowe i zestawy do podnoszenia ciśnienia, nie będą się prawdopodobnie różniły od obecnych. Zwiększy się za to dość znacznie ich liczba, co będzie niewątpliwie związane z dążeniem do poprawy zaopatrzenia w wodę małych miejscowościach i wsiach.

Pompy do ścieków
Również w przypadku pomp ściekowych (kanalizacyjnych) nastąpi z pewnością duży wzrost zapotrzebowania, m.in. ze względu na konieczność sprostania dyrektywom UE (pozew przeciw Polsce złożony przez KE do TSUE, ze względu na niezadowalający stan oczyszczania ścieków).

Inne pompy powszechnie stosowane
Takie maszyny, jak pompy przemysłowe, pompy ogólnego zastosowania, pompy w rolnictwie, pompy odwadniające i przeciwpowodziowe będą nadal w powszechnym użyciu. W tych obszarach zapotrzebowanie na pompy nie zmniejszy się, a prawdopodobnie wzrośnie.

Konstrukcja tych pomp, podobnie jak pomp w gospodarce wodno-ściekowej oraz w ciepłownictwie, będzie z pewnością nadal doskonalona, choć przyrost sprawności – jeśli nastąpi, będzie już niewielki. Główny nacisk zostanie położony na wzrost niezawodności pracy, osiągany przez stosowanie lepszych materiałów, coraz lepszych uszczelnień oraz stały wzrost poziomu technicznego producentów pomp. Szeroko będą zapewne używane wysokosprawne silniki z magnesami trwałymi: zarówno normalno-, jak i szybkoobrotowe, z prędkościami obrotowymi regulowanymi przez przetwornice częstotliwości. Do lamusa przejdą asynchroniczne silniki klatkowe. Poprawa efektywności energetycznej będzie osiągana przez doskonalenie instalacji pompowych, znaczną poprawę doboru pomp, sterowaną komputerowo regulację wydajności oraz zmniejszenie do minimum awaryjności zespołów pompowych.

Pompy dla geotermii
W Polsce są bogate zasoby energii geotermalnej, nagromadzone w wodach zalegających na głębokościach 1000 do 3000 m i temperaturach 20 do 1000C [7]. Mogą być wykorzystane do ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej, balneoterapii i wielu innych celów. Na rysunku 7 pokazano przykładową mapę temperatur wód geotermalnych na głębokości 1500 m.
 

Wody geotermalne w Polsce są na ogół wysokozmineralizowane, do 200 g/dm3 [7]. W rzadkich przypadkach niskiej mineralizacji (np. Mszczonów, 0,5 g/dm3), po wykorzystaniu woda może być odprowadzona na zewnątrz (rys. 8a), np. do zbiornika retencyjnego. Wody wysokozmineralizowane muszą być po schłodzeniu z powrotem wtłoczone do złoża, w systemie jedno- lub dwuotworowym (rys. 8 b, c). Wodę ze złoża tłoczy na powierzchnię pompa głębinowa, a z powrotem do złoża – typowa pompa odśrodkowa, jedno- lub kilkustopniowa. Wydajności otworów w polskich systemach geotermii głębokiej (1000-3000 m) to 80-400 m3/h.

Głównym problemem dla pomp, armatury i rurociągów jest agresywność korozyjna wód geotermalnych, spowodowana obecnością jonów chlorkowych oraz rozpuszczonego dwutlenku węgla i siarkowodoru. Najlepszym rozwiązaniem dla pomp i armatury jest wykonanie ich ze stali austenitycznych typu 18/8 (np. 1H18N9), duplex lub super duplex [11]. Dobrym materiałem na elementy przepływowe pomp może być też żeliwo wysokochromowe.

W wielu krajach Europy, zwłaszcza w Szwecji, rozpowszechniona jest geotermia płytka, wykorzystująca źródła geotermalne o niskiej temperaturze oraz pompy ciepła. W tym celu najczęściej stosuje się zamknięte instalacje pionowe. W otworach wiertniczych o głębokości 50-100 m umieszcza się U-rurę z tworzywa sztucznego, wypełnioną medium odbierającym ciepło z płytkiej warstwy wód podziemnych i/lub gruntu (wodny roztwór glikolu lub etanol), stanowiących dolne źródło pompy ciepła o doskonałości 3,5-4,5 [7]. Z 1 kWh energii elektrycznej zużytej do napędu sprężarki uzyskuje się w górnym źródle 3,5-4,5 kWh w postaci ciepła. Upowszechnienie takich rozwiązań spowoduje duże zapotrzebowanie na pompy do mediów roboczych.

Pompy w instalacjach OZE
W coraz większym zakresie będą stosowane pompy w różnych instalacjach wykorzystujących źródła odnawialne. Obecnie są to głównie pompy cyrkulacyjne do kolektorów słonecznych; spotyka się też napędzane wiatrakami pływające pompy napowietrzające wody jezior. Mogą to być również pompy wirowe i wyporowe napędzane bezpośrednio przez wiatraki w gospodarstwach wiejskich, np. w urządzeniach hydroforowych.

Małe pompy w gospodarstwach domowych
Coraz częściej można spotkać różne małe pompy w gospodarstwach domowych, zwłaszcza w domach jednorodzinnych, gospodarstwach rolnych i ogrodniczych itp. Są to zwłaszcza pompy cyrkulacyjne w instalacjach c.o. i c.w.u., pompy do deszczówki, hydroforowe oraz ogrodowe i basenowe. Zapotrzebowanie na te pompy, o rozwiązaniach konstrukcyjnych nieodbiegających od rozwiązań obecnie stosowanych, z pewnością będzie mocno rosło.

Pompy pracujące jako turbiny
Małe turbinki wodne lub pompy pracujące jako turbiny, wykorzystujące energię traconą wskutek dławienia przepływów w rozmaitych instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych, energię potencjalną w oczyszczanych ściekach zrzucanych do okolicznych zbiorników i cieków wodnych oraz energię traconą w różnych instalacjach przemysłowych, są w Polsce spotykane jeszcze dość rzadko. Jednak w związku koniecznością znacznego powiększenia efektywności energetycznej gospodarowania oraz wydatnego zmniejszenia marnotrawienia energii, ten sposób uzyskania dodatkowych, pokaźnych ilości energii elektrycznej będzie się prawdopodobnie dynamicznie powiększał. W związku z tym wzrośnie zapotrzebowanie na pompy działające w trybie turbinowym. Prace nad takimi pompami są od kilku lat prowadzone w krajowych uczelniach, Instytucie Maszyn Przepływowych PAN oraz niektórych firmach. Przykładem mogą być liczne publikacje, m.in. w Pompach-Pompowniach, oraz referat wygłoszony na ostatniej konferencji hydroenergetycznej HYDROFORUM 2022 [12].

 

***

Zapotrzebowanie na pompy różnych typów i wielkości w 30-leciu będzie prawdopodobnie dość znacznie rosło. Zarówno w obszarze produkcji, jak i użytkowania pomp czy instalacji pompowych, należy:
    racjonalnie i skutecznie bronić się przed możliwymi negatywnymi skutkami Europejskiego Zielonego Ładu, zwłaszcza powiększając efektywność energetyczną pompowania we wszystkich instalacjach pompowych w gospodarce,
    bacznie obserwować zmiany i aktualne tendencje w UE i z wyprzedzeniem reagować na nie, m.in. w zakresie asortymentu i parametrów produkowanych pomp,
    stale podwyższać poziom technologii produkcji pomp w Polsce, zwłaszcza w zakresie pomp dla energetyki, poprawiając ich jakość i niezawodność pracy; stosować napędy o wysokich sprawnościach i komputerowo sterowaną regulację pomp,
    próbować skuteczniej wpływać na jakość projektów instalacji i racjonalny dobór pomp.
Artykuł stanowi wstępną próbę odpowiedzi na pytanie postawione w tytule, którą z pewnością trzeba będzie w przyszłości niejednokrotnie modyfikować.

 

Literatura
 [1] Jędral W.: Wytwarzanie i magazynowanie wielkich ilości energii elektrycznej w transformacji energetycznej do 2050 r., Energetyka Cieplna i Zawodowa, 2022, nr 5, s. 44-50.
 [2] Jędral W.: Efektywne energetycznie układy pompowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2018 Warszawa.
 [3] Świtalski P., Skowroński M.: Pompy wirowe – sprawność i niezawodność, CEDOS Świdnica, 2019 Wrocław.
 [4] Chmielniak T., Chmielniak T.: Energetyka wodorowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2020 Warszawa.
 [5] Materiały katalogowe wytwórni pomp KSB AG.; SIGMA GROUP a.s.
 [6] ISMR (Integral Molten Salt Reactor), https://pl.wikipedia.org/wiki/IMSR , dostęp 16.03.2022.
 [7] Wilczyński M.: Geotermia w Polsce – perspektywiczne źródło energii?, https://web.archive.org/web/201604044094759/https://www.reo.pl/komentarze/geotermia-w-polsce-... , dostęp 27.05.2021.
 [8] Dwóch nie może mieć racji..., www.czytajrzeszow.pl/galerie/1219/20181005_rzeszow_geotermia_2.jpg , dostęp 03.10.2022.
 [9] Borsukiewicz-Gozdur A.: Efektywność pracy elektrowni geotermalnej z organicznym czynnikiem roboczym, rozprawa doktorska, Politechnika Szczecińska, 2008 Szczecin.
[10] Energia geotermalna. Vademecum dla uczniów technikum, Państw. Szkoły Budown. i Geodezji, 2022 Lublin https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetyki-odnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/energia-geotermalna/elektrocieplownie-geotermalne/ , dostęp 03.11.2022.
[11] Atlas zasobów geotermalnych formacji mezozoicznej na Niżu Polskim, pod red. W. Góreckiego, AGH w Krakowie, 2006 Kraków.
[12] Machalski A., Skrzypacz J., Szulc P., Janczak M., Lorenz W.: Analiza zjawisk przepływowych w pompie odśrodkowej pracującej w reżimie turbinowym, Polska Konferencja Hydroenergetyczna HYDROFORUM 2022, 26-28.10.2022 Warszawa.