Badania i modernizacje pomp w ciepłowni

W artykule przedstawiono modernizacje pomp w układach ciepłowniczych polegające na dostosowaniu parametrów pompy do aktualnych wymagań sieci. Modernizacje polegały na zaprojektowaniu nowych układów hydraulicznych. Realizując modernizację jednocześnie obniżono pulsacje czynnika roboczego projektując wirniki tzw. niskopulsacyjne z przesuniętymi łopatkami. Pompy z tego typu wirnikami charakteryzują się niższym poziomem drgań.

Obecnie względy ekonomiczne wymuszają wzrost efektywności wszelkich procesów produkcyjnych i technologicznych. Dotyczy to również systemowych układów pompowych stosowanych w energetyce i ciepłownictwie, co wynika miedzy innymi z narzuconych Polsce limitów emisji CO2 przez UE, które wpłyną na funkcjonowanie krajowych elektrowni, elektrociepłowni i ciepłowni. Jej wzrost będą stymulować uregulowania prawne, między innymi ustawa o efektywności energetycznej.

W energetyce cieplnej i zawodowej stosowanych jest szereg różnego rodzaju wielkości pomp różniących się pod względem konstrukcyjnym, technologicznym, materiałowym i parametrów pracy. W większości są to maszyny o dużych mocach, eksploatowane od kilkunastu a nawet kilkudziesięciu lat od których ze względów eksploatacyjnych oraz ekonomicznych wymagana jest duża trwałość, niezawodność działania oraz wysoka sprawność.

Znaczna ilość obecnie eksploatowanych pomp powinna być poddana modernizacji w zakresie:

  • poprawy warunków eksploatacyjnych i zwiększenia niezawodności pomp,
  • dostosowania parametrów przepływowych tj. wydajności bądź wysokości podnoszenia dla potrzeb procesów technologicznych,
  • podwyższenia trwałości i niezawodności pomp poprzez zmiany wykonania materiałowego łączonego często ze zmianami konstrukcyjnymi i technologią.

Pompy układów ciepłowniczych

Układy cieplne elektrociepłowni różnią się na ogół dość znacznie od układów elektrowni kondensacyjnych. Wynika to z odmiennego celu użytkowania elektrociepłowni, które muszą zaspokajać przede wszystkim zapotrzebowanie na energię cieplną. Wytwarzana w układzie skojarzonym energia elektryczna jest w pewnym sensie produktem ubocznym i przebieg jej zmienności zależy głównie od zmian i obciążenia cieplnego oraz od wyposażenia elektrociepłowni.

Charakter obciążenia cieplnego kształtuje się pod wpływem przebiegu zapotrzebowania na ciepło przez typowe dwie grupy odbiorców: przemysłowych i komunalnych. W przemyśle energia cieplna jest wykorzystywana głównie do procesów technologicznych i jej nośnikiem jest zwykle para przegrzana, odbierana z turbin przy ciśnieniach 0,2-0,5MPa, a niekiedy nawet i wyższych. Zapotrzebowanie komunalne obejmuje zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń oraz na cele bytowe gospodarstw domowych. Nośnikiem energii dla tej grupy odbiorców jest zwykle gorąca woda z maksymalną temperaturą w miejskich sieciach ciepłowniczych 150°C.

Zapotrzebowanie na ciepło do celów technologicznych charakteryzuje się zmiennością dobową (zależną od warunków produkcji) oraz dość równomiernym poborem w ciągu roku. Odbiorniki grupy drugiej natomiast charakteryzują się w zasadzie stałym poborem ciepła w ciągu doby, wykazują jednak zmienność sezonową, wynikającą z zależności zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania od temperatury zewnętrznej.

Pompy sieciowe

Zmiany w zapotrzebowaniu na energię cieplną wymuszają modernizację pomp pracujących w układach ciepłowniczych elektrociepłowni i ciepłowni. W PBW HYDRO-POMP od wielu lat realizuje się remonty i modernizacje pomp typu „W”. W ostatnim okresie przeprowadzone zostały modernizacje pomp typu 20W39.

Założenia do modernizacji musiały uwzględnić:

  • realizację wymaganych nowych parametrów przepływowo-energetycznych,
  • wykorzystanie jak największej ilości elementów z istniejącego rozwiązania.

Dotychczas realizowane parametry nominalne HN=150m i QN=400m3/h ηN=0,78, natomiast po modernizacji związanej z rozszerzeniem zakresu wydajności pomp parametry nominalne wynoszą HN=135m QN=550m3/h ηN=0,81.

Zakres modernizacji obejmował projekt i wykonanie wirników, kierownicy odśrodkowej z wypływem bocznym, kierownicy dośrodkowej. Pozostawiono bez zmian elementy węzłów konstrukcyjno-ruchowych (wał, łożyska, tarcze i przeciw tarcze). Do wyznaczania parametrów geometrycznych układów hydraulicznych pomp wykorzystywane są opracowane w PBW HYDRO-POMP metody projektowania.

Rys. 1 Charakterystyka przepływowo-energetyczna pompy 20W39 przed i po modernizacji.

Rys. 1 Charakterystyka przepływowo-energetyczna pompy 20W39 przed i po modernizacji.

Niedopasowanie pomp do istniejących instalacji układów ciepłowniczych obrazują na przykładzie niniejszej elektrociepłowni eksploatowane pompy sieciowe i przewałowe. W analizowanej elektrociepłowni zainstalowanych jest 5 krajowych pomp ciepłowniczych zestawionych w tabeli 1.

Tabela 1. Pompy sieciowe elektrociepłowni.

Tabela 1. Pompy sieciowe elektrociepłowni.

Pompy PS1÷PS3 pracują na potrzeby tzw. małego obiegu ciepłowniczego (teren byłego zakładu) oraz poza sezonem grzewczym na potrzeby c.w.u. dla miasta i zakładu.

Pompy PS4 i PS5 zainstalowane w tzw. dużym obiegu obsługującym miejską sieć ciepłowniczą używane są jedynie w okresie grzewczym. W okresie letnim oba obiegi są połączone i obsługiwane przez jedna pompę.

Rys. 2a Charakterystyki pomp sieciowych PS1÷PS3 oraz zmodernizowanych PS1m÷PS3m.

Rys. 2a Charakterystyki pomp sieciowych PS1÷PS3 oraz zmodernizowanych PS1m÷PS3m.

Rys. 2b Pobór mocy i oszczędności mocy i energii przy różnych sposobach regulacji pompy PS2m.

Rys. 2b Pobór mocy i oszczędności mocy i energii przy różnych sposobach regulacji pompy PS2m.

W okresie grzewczym układ pracuje ze stałą (w przybliżeniu) dyspozycyjną różnicą ciśnień Δp = (pwyjścia – ppowrotu) = 0.4MPa i wydajnością do 250t/h. Sieć jest obsługiwana przez jedną z pomp PS1, PS2 lub PS3 (rys.2a).

Przy pracy w okresie letnim dyspozycyjna różnica wymagana przez obieg miejski wynosi Δp=0.35MPa, a sumaryczna wydajność (miasto i zakład) wynosi 500t/h.

W okresie grzewczym pompy PS1 i PS3 pracują w okolicy wydajności znamionowej natomiast PS2 pracuje z wydajnością znacznie mniejszą od znamionowej, przez co sprawność jest bardzo niska (η=0,3÷0,5). W okresie letnim pompa PS2 pracuje w pobliżu wierzchołka pagórka sprawności.

Z rys. 2a widać, że wszystkie pompy mają zbyt duże wysokości podnoszenia co wymusza konieczność ich silnego dławienia. Do tego należy dodać dodatkowe straty wynikające z niskiej sprawności pomp, co przemawia za potrzebą ich modernizacji lub wymiany.

Wymagane charakterystyki zmodernizowanych pomp zaznaczono również na rys. 2a symbolami PS1m÷PS3m. Pompa PS1m pracowałaby w okresie letnim, natomiast pompa PS3m zaspokajałaby potrzeby zakładu w okresie zimowym.

Dla pompy PS2m zaproponowano zastosować regulację zmiennoobrotwą przy pomocy przetwornicy częstotliwości i traktować ją jako rezerwową dla PS1m i PS3m. Pobór mocy dla tej pompy w okresie letnim i zimowym przy zastosowaniu regulacji dławieniowej (P – reg. dław.) i regulacji obrotami (P – reg. obrotami), jak również różnicę mocy elektrycznej (ΔPel) wynikającą z obu tych sposobów oraz dobowe oszczędności energii pokazano na rys. 2b. Pompa PS2m mogłaby również zastąpić pompę PS5 w okresie niskiego zapotrzebowania na ciepło (dodatnie temperatury). Jest to szczególnie uzasadnione podczas łagodnych zim.

Pompy PS4 lub PS5 obsługują w okresie zimowym obieg ciepłowniczy miejski. Układ pracuje ze stałą dyspozycyjną różnicą ciśnień Δp=0.6MPa i wydajnością w granicach 500-1000t/h (rys. 3).

Rys. 3 Pobór mocy elektrycznej przez silniki pomp sieciowych PS4 i PS5 oraz wymagania układu i występujące straty.

Rys. 3 Pobór mocy elektrycznej przez silniki pomp sieciowych PS4 i PS5 oraz wymagania układu i występujące straty.

Z charakterystyk spiętrzenia (Δp pompy) widać, że pompa PS5 pracuje w okolicy swojej wydajności znamionowej (Qzn=835 m3/h przy obniżonych obrotach n=990 1/min) i z pomiarów wynika, że osiąga wysoką sprawność maksymalną, natomiast zakres pracy PS4 leży daleko na lewo od wydajności znamionowej (Qzn=1250 m3/h) co w rezultacie obniża sprawność pracy nawet do 10 punktów. Pompa PS4 będzie wiec stanowić rezerwę dla pompy podstawowej PS5.

Na rys. 3 pokazano też pobór mocy elektrycznej przez silniki pomp PS4 i PS5 (Pel pompy) oraz pozostałe wymagania układu i występujące straty:

  • Δp miasto – dyspozycyjna różnica ciśnień dla sieci miejskiej (pwyjścia – ppowrotu) stwierdzona w trakcie badań w konkretnych warunkach pogodowych,
  • Δp podgrz. – strata ciśnienia w podgrzewaczu wody,
  • Δp str. reg. oraz ΔP str. reg. – strata ciśnienia i mocy elektrycznej występująca w wyniku zdławienia ciśnienia zaworem do wartości Δp miasto,
  • ΔP str. reg. wym. – strata mocy elektrycznej występująca w wyniku zdławienia zaworem do wartości Δp.

W układzie występuje możliwość zmniejszenia zużycia energii ze względu na długie okresy pracy pompy z wydajnością mniejszą od maksymalnej (m=1000t/h). Wymaga to zastosowania regulacji zmiennoobrotowej za pomocą przetwornicy częstotliwości, co przy wartościach wydajności 700-800t/h pozwoli zaoszczędzić około 50kW przy pracy ze stałym Δp=0.6MPa.

Pompy przewałowe

Ze względu na coraz większe wymagania stawiane pompom w zakresie parametrów pracy takich jak: ciśnienia, wydajności, sprawności, temperatury, prędkości przepływu czynnika w układzie hydraulicznym, zanieczyszczenia chemiczne i fizyczne zachodzi konieczność wprowadzania zmian konstrukcyjnych.

Działania tego rodzaju dotyczą między innymi pomp typu B (40B61, 50B61, 50B66) produkcji Warszawskiej Fabryki Pomp stosowanych często w energetyce jako pompy przewałowe. Są to dwustrumieniowe maszyny o dużych wydajnościach, charakteryzujące się szerokimi kanałami i dużymi średnicami wirników. Z tego względu, w pompach tych nawet przy liczbie łopatek wirnika Z = 67 występują niepożądane pulsacje ciśnienia na obwodzie zewnętrznym wirnika będące konsekwencją rzeczywistych pól prędkości formujących się w takich kanałach hydraulicznych. Pulsacje ciśnienia podnoszą poziom drgań zespołu wirującego. Dla zmniejszenia pulsacji ciśnień wpływających na pracę systemu, zespołu wirującego i łożysk, wykonano wirniki o nowym zarysie łopatek, które w obu połówkach przesunięto o pół podziałki. Takie rozwiązanie wymaga zastosowania pełnej tarczy nośnej rys. 4.

Pompy z zabudowanymi tego typu wirnikami pracują w instalacjach wody sieciowej, charakteryzują się tymi samymi parametrami przepływowymi HN, QN i większą sprawnością o około 25 punktów procentowych, ale zdecydowanie mniejszymi prędkościami skutecznymi drgań (około 70% mniejsze amplitudy prędkości).

Rys. 4 Zmodernizowany przez HYDRO-POMP wirnik pompy typu B.

Rys. 4 Zmodernizowany wirnik pompy typu B.

Fot. 1 Zmodernizowany wirnik pompy typu B.

Fot. 1 Zmodernizowany wirnik pompy typu B.

W elektrociepłowni zainstalowanych jest także pięć pomp przewałowych (tabela 2), przetłaczających kondensat ze zbiorników bezciśnieniowych do zbiorników wody zasilającej, skąd pobierana jest przez pompy zasilające. Do zbiorników wody zasilającej trafia również para z innych źródeł, a więc wydajność pomp przewałowych jest mniejsza niż wydajność kotła. Potrzeby jednego kotła zaspokaja jedna pompa przewałowa. Każda z pomp może współpracować z każdym zestawem zbiorników.

Zakres wymaganych ciśnień pompy zależy od zestawu pracujących zbiorników i wynosi 0.48÷0.56MPa, ale praktycznie nie zależy od wydajności. Maksymalna wydajność wynosi 90 t/h.

Pomiary wykazały, że sprawności maksymalne pomp są zbliżone i wynoszą około 0.7. Jednak zakres pracy w trakcie eksploatacji dla wszystkich pomp leży poniżej wydajności znamionowej. W rezultacie sprawności eksploatacyjne są niskie na poziomie około 0.6, a dla PP1 nawet 0.4÷0.5.

W celu poprawnego dopasowania parametrów do wymagań układu zaproponowano również modernizację pomp przewałowych. Optymalna charakterystyka przepływowa powinna zapewnić parametry: wydajność nominalną Qn=80m3/h, wydajność maksymalną Qmax=90m3/h oraz wysokość podnoszenia przy maksymalnej wydajności HQmax=62±2m.

Tabela 2. Pompy przewałowe elektrociepłowni.

Tabela 2. Pompy przewałowe elektrociepłowni.

Rys. 5a Pompa PP4 przykład „najlepiej” obecnie dostosowanej pompy przewałowej do układu i wynikające stąd straty.

Rys. 5a Pompa PP4 przykład „najlepiej” obecnie dostosowanej pompy przewałowej do układu i wynikające stąd straty.

 

Rys. 5b Pompa PP4, oszczędność mocy i energii po zmodernizowaniu pompy.

Rys. 5b Pompa PP4, oszczędność mocy i energii po zmodernizowaniu pompy.

Wyniki badań układów pomp zasilających, sieciowych i przewałowych wykazały możliwość znacznego obniżenia obecnego zużycia mocy i energii. Rezerwy te wynikają przede wszystkim z:

  • bardzo znacznego przekraczania wysokości podnoszenia pomp w stosunku do wymagań układów,
  • niskich, a czasami bardzo niskich, sprawności pomp spowodowanych znacznym stopniem zużycia, przestarzałą konstrukcją i zakresem pracy leżącym daleko od wierzchołka pagórka sprawności.

Dodatkowe, ale wyraźnie mniejsze rezerwy wynikają ze stosowania dławienia do regulacji przy zmieniającym się zapotrzebowaniu oraz utrzymywani stałej różnicy ciśnień w obiegach ciepłowniczych niezależnie od warunków pogodowych i innych czynników.

Przedstawione wyniki pozwalają na przeprowadzenie niezbędnego rachunku ekonomicznego.

Wnioski

Przedstawione przykłady modernizacji potwierdzają duże rezerwy sprawności pomp.

Autorzy:

  • prof. Andrzej Błaszczyk, Instytut Maszyn Przepływowych Politechniki Łódzkiej,
  • Adam Papierski, Instytut Maszyn Przepływowych Politechniki Łódzkiej,
  • Mariusz Nawrocki, PBW Hydro-Pomp Sp. z o. o. Łódź
  • Dariusz Woźnikak, PBW Hydro-Pomp Sp. z o. o. Łódź

Fot.: zasoby własne autorów

Czytaj także: