Technologie

Oszczędność energii w wyniku audytu układów pompowych

By redakcja

Posted on 23 czerwca 2017

Wprowadzenie – źródło danych

Artykuł został przygotowany w oparciu o wyniki 36 analiz układów pompowych przeprowadzonych przez Grupę POWEN-WAFAPOMP SA oraz „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., w niektórych przypadkach wspólnie, a w niektórych niezależnie. Analizy obejmowały zarówno formalne audyty energetyczne prowadzone w celu uzyskania „białych certyfikatów”, jak również oceny opłacalności inwestycji w modernizację układów pompowych. Audyty obejmowały układy pompowe z różnych branż przemysłu, w tym: pompownie pracujące w systemach wodociągowych, układy uzdatniania i dystrybucji wody w zakładach przemysłowych, pompy zasilające kotły i pompy głównego odwadniania w górnictwie. Należy podkreślić, że analizowane układy pompowe w przeważającej większości pracowały w zakładach stojących na wysokim poziomie technicznym, między innymi wiele z analizowanych pomp było już wyposażonych w przemienniki częstotliwości.

Znaczna ilość przeanalizowanych układów pompowych pozwala na wyciągnięcie wniosków ogólnych o charakterze statystycznym. Należy jednak mieć ma uwadze, że analizowane układy pompowe nie były reprezentatywne dla wszystkich układów pompowych, ponieważ zostały wytypowane przez użytkowników do audytu z powodu domniemania występowania nadmiernych strat energetycznych.

Wyniki audytów

Wyniki przeprowadzonych audytów pompowych pozwalają na sformułowanie poniższych stwierdzeń.
Można wyróżnić powtarzającą się grupę przyczyn nadmiernych strat energii:

Pogorszony stan techniczny pomp
Parametry każdej pompy w trakcie eksploatacji ulegają stopniowemu pogorszeniu. Dotyczy to również sprawności energetycznej. Jeśli nie jest prowadzona odpowiednia polityka remontowa, to z czasem straty energii z tego tytułu osiągają znaczącą wartość. Częsty błąd polega na tym, że od wykonawców remontów egzekwuje się odtworzenie tzw. sprawności ruchowej (niski poziom drgań, niskie temperatury poszczególnych węzłów konstrukcyjnych itp.), natomiast nie zwraca się uwagi na parametry hydrauliczne. Sprawność pompy w znacznym stopniu zależy od geometrii i jakości wykonania elementów układu przepływowego (wirniki, kierownice). Jeśli remont ogranicza się do wymiany łożysk i uszczelnień, a elementy układu przepływowego nie są wymieniane lub wymieniane są na części nieoryginalne, to sprawność tak wyremontowanej pompy może w znacznym stopniu odbiegać od sprawności pompy nowej. Paradoksalnie, stosowanie przemienników częstotliwości może przynosić skutek w postaci nieujawnienia pogorszonej sprawności, bowiem jeśli pompa pracuje ze stałą prędkością obrotową, to w miarę pogarszania stanu technicznego traci wydajność, co mobilizuje użytkownika do przeprowadzenia remontu. Jeśli natomiast pompa pracuje z automatyczną regulacją prędkości obrotowej, to w miarę pogarszania stanu technicznego układ regulacji podnosi stopniowo obroty, dzięki czemu pompa utrzymuje wymaganą wydajność i ciśnienie, lecz wykazuje zwiększony pobór mocy, co nie zawsze zostaje zauważone. Na rysunku 1 pokazano wyniki pomiarów sprawności pięciu pomp tego samego typu pracujących równolegle na wspólny kolektor.
Jak widać na rysunku 1, maksymalne sprawności poszczególnych pomp wahają się w zakresie 62–80%, co świadczy o mocno zróżnicowanym stanie technicznym wynikającym z jakości prowadzonych remontów. W przypadku pompowni, której dotyczy rysunek 1, pompy były prawidłowo dobrane do wymagań i sprawność maksymalna wypadała w pobliżu wydajności roboczej. Fakt, że ta maksymalna sprawność w tak znacznym stopniu różniła się dla poszczególnych pomp, był przyczyną znacznych strat energii.Źródło strat w postaci sprawności pomp obniżonej w stosunku do wartości fabrycznej, mimo że z pozoru oczywiste, jest często w praktyce nieuwzględniane. W wyniku tego rozważa się różnego rodzaju modernizacje, nie biorąc pod uwagę, że podobny efekt można uzyskać niejednokrotnie tańszym kosztem, doprowadzając pompę do właściwego stanu drogą prawidłowo wykonanego remontu.

Rys. 1. Porównanie zmierzonych sprawności pomp tego samego typu pracujących równolegle

Niedopasowanie parametrów pomp do aktualnych wymagań
Powód ten jest charakterystyczny dla wielu pompowni wodociągowych projektowanych w latach 80. XX wieku lub wcześniej, kiedy to przewidywane zapotrzebowanie na wodę było znacznie większe. W rezultacie obecnie, po spadku zapotrzebowania, wiele pomp pracuje przy wydajnościach znacznie niższych niż optymalne. Należy podkreślić, że wynikających z tego strat nie da się całkowicie wyeliminować drogą regulacji prędkości obrotowej, szczególnie w pompowniach wodociągowych, w których przyjęty sposób pracy polega na utrzymywaniu stałego ciśnienia w kolektorze niezależnie od wydajności. Zastosowanie regulacji prędkości obrotowej daje oczywiście dostrzegalne oszczędności w porównaniu z dławieniem, lecz nie eliminuje w pełni strat. Wynika to z tego, że optimum sprawności pompy wirowej przy zmniejszaniu prędkości obrotowej przesuwa się po paraboli, a zatem spadkowi wydajności towarzyszy znaczny spadek ciśnienia. Jeśli zatem przy zmniejszaniu wydajności utrzymywane jest stałe ciśnienie, to pompa wychodzi z obszaru najwyższych sprawności. Efekt ten można zaobserwować na przykładowej charakterystyce pokazującej zmianę sprawności pompy wirowej przy zmianie obrotów (rys. 2). Jeśli zatem występuje zbyt duża rozbieżność pomiędzy parametrami nominalnymi pompy a aktualnym zapotrzebowaniem, to uzyskanie pracy z optymalną sprawnością drogą regulacji prędkości obrotowej nie jest możliwe i wskazana jest wymiana pompy na mniejszą.

Rys. 2. Przykładowa charakterystyka pompy wirowej przy zmiennej prędkości obrotowej

Nieoptymalna metoda regulacji
Pomimo coraz powszechniejszego stosowania nowoczesnych metod regulacji, jak zmiana prędkości obrotowej, nadal spotykane są mniej efektywne sposoby, jak na przykład dławienie.
Nieoptymalny układ pompowy
Oprócz ww. przyczyn nadmiernych strat związanych z pompami występują przypadki, gdzie wadliwa jest koncepcja działania całego układu pompowego. Typowym przykładem jest zasilanie ze wspólnego kolektora kilku punktów odbiorów wody, w których wymagane są różne ciśnienia. W takiej sytuacji w punktach odbioru, gdzie wymagane jest ciśnienie niższe od panującego w kolektorze (wymuszonego wymaganym maksymalnym ciśnieniem odbioru) występuje strata dławienia.

Poszczególne, wyżej wymienione przyczyny nadmiernych strat energii występują najczęściej łącznie, aczkolwiek stwierdzono również przypadki, gdy jeden z powyższych powodów wyraźnie dominował. Na 36 przeprowadzonych audytów układów pompowych stwierdzono:

26 przypadków niedopasowania parametrów do wymagań,
19 przypadków znacznie pogorszonego stanu technicznego pomp,
7 przypadków błędnej koncepcji układu pompowego,
6 przypadków nieoptymalnej metody regulacji. Stosunkowo rzadkie występowanie tej przyczyny, jak stwierdzono wyżej, wynikało z faktu, że audyty przeprowadzano w zakładach stojących na wysokim poziomie technicznym, gdzie nowoczesne metody regulacji w wielu przypadkach zostały już wdrożone.

Możliwości oszczędności energii można znaleźć w niemal 100% układów pompowych. Istotna jest jednak skala możliwego do uzyskania ograniczenia energii oraz stopa zwrotu z inwestycji w przedsięwzięcia modernizacyjne. W ramach przeprowadzonych audytów oszacowano potencjalne możliwości w zakresie oszczędności energii. Jeśli układ pompowy pracuje przy zmiennych parametrach, to dla oszacowania zużycia energii istotny jest godzinowy rozkład parametrów. Metodologia obliczeń stosowana w trakcie audytów polegała na tym, że w miarę możliwości starano się uzyskać dane historyczne obejmujące szeroki okres, np. jednego roku. Ponieważ wiele badanych układów wyposażonych było w systemy rejestracji parametrów, możliwe było analizowanie dokonywanych co godzinę zapisów wydajności i wysokości podnoszenia (Q i H). Jeśli nie było sugestii użytkownika dotyczących przewidywanych zmian w układzie, przyjmowano, że przyszły rozkład parametrów będzie się pokrywał z zarejestrowanym rozkładem historycznym. Roczne zużycie energii obliczano przez zsumowanie zużycia energii w poszczególnych godzinach przy zarejestrowanych parametrach. Na 36 poddanych audytowi układów pompowych stwierdzono:

w 4 przypadkach możliwość zaoszczędzenia do 10% energii,
w 15 przypadkach możliwość zaoszczędzenia 10–20% energii,
w 8 przypadkach możliwość zaoszczędzenia 20–30% energii,
w 9 przypadkach możliwość zaoszczędzenia ponad 30% energii.

Jak widać, skala możliwych do uzyskania oszczędności jest wysoka. Jedynie w 4 przypadkach na 36, tj. w co 9-tym układzie, potencjalne oszczędności nie przekraczały 10% zużycia energii, a w pozostałych były wyższe. Na ponowne podkreślenie zasługuje fakt, że sytuacja taka ma miejsce w układach pompowych funkcjonujących w zakładach o dobrym poziomie technicznym, gdzie w wielu przypadkach wdrożone już są nowoczesne metody regulacji parametrów.

Z ekonomicznego punktu widzenia zasadnicze znaczenie ma wielkość nakładów wymaganych dla uzyskania oszacowanych wyżej potencjalnych oszczędności energii oraz okres zwrotu nakładów. W ramach audytu obliczano wskaźniki ekonomiczne jak NPV (wartość zaktualizowana netto) oraz wewnętrzna stopa zwrotu (IRR). W niniejszym artykule zaprezentowane zostaną jedynie proste okresy zwrotu nakładów (SPBT) obliczane na podstawie aktualnej ceny energii elektrycznej. Bardziej złożone wskaźniki ekonomiczne (NPV, IRR) obciążone są koniecznością arbitralnego przyjmowania pewnych założeń, jak np. wysokość stopy dyskonta lub prognoza zmiany cen energii elektrycznych w kolejnych latach, i dlatego nie zawsze są w pełni porównywalne ze sobą.
W omawianych 36 przypadkach audytowanych układów pompowych wyliczono:

w 2 przypadkach prosty okres zwrotu powyżej 10 lat,
w 5 przypadkach prosty okres zwrotu 5–10 lat,
w 19 przypadkach prosty okres zwrotu 2–5 lat,
w 10 przypadkach prosty okres zwrotu poniżej 2 lat.

Można zatem stwierdzić, że oszacowane okresy zwrotu nakładów na modernizację w zdecydowanej większości były atrakcyjne lub bardzo atrakcyjne.
Podane wyżej wyniki dotyczące możliwych do uzyskania oszczędności energii oraz okresów zwrotu dotyczą wariantów modernizacji uznanych za optymalne. W ramach przeprowadzonych audytów rozważano bowiem różne warianty alternatywne. Ponieważ, jak wspomniano, różne przyczyny strat energii występowały często łącznie, możliwe były różne działania oszczędnościowe. Typowa była sytuacja, gdy eliminując wszystkie przyczyny strat dało się uzyskać maksymalne oszczędności energii, co wiązało się jednak ze znacznymi nakładami, a jednocześnie możliwe było działanie cząstkowe wymagające mniejszych nakładów i dające ograniczony efekt, lecz o korzystniejszej stopie zwrotu nakładów. Jako przykład omówiony zostanie układ pompowy pokazany na rysunku 3.

Rys. 3. Schemat analizowanego układu

Układ składał się z ujęcia brzegowego wody surowej, która była pompowana do zbiornika wieżowego zbudowanego na położonym wyżej terenie przy pomocy pompy z silnikiem o mocy 1 MW. Z tego zbiornika woda spływała grawitacyjnie na akceleratory. Rozpływy na poszczególne urządzenia były regulowane zaworami dławiącymi. Na podstawie zapisów z systemu rejestracji sporządzono wykres rocznego rozkładu parametrów Q, H dla pompy na ujęciu (rys. 4) oraz wykres uporządkowany (rys. 5) pokazujący przez jaką ilość godzin w ciągu roku układ pracował z określoną wydajnością.

Rys. 4. Roczny rozkład parametrów Q, H w analizowanym układzie pompowym

Rys. 5. Wykres uporządkowany wydajności w analizowanym układzie pompowym

Rozkład parametrów przedstawiony na rysunku 4 pokazuje dwa tryby pracy układu: z dławieniem (punkty układające się ukośnie wzdłuż charakterystyki pompy) oraz z regulacją prędkości obrotowej (punkty układające się poziomo, tj. przy stałym ciśnieniu w kolektorze utrzymywanym przez zmianę prędkości obrotowej). Ilustruje to oszczędności wynikające z zastosowania regulacji prędkości obrotowej, gdyż przy dławieniu nadmiar ciśnienia wynikający z charakterystyki pompy przy danej wydajności ponad ciśnienie w kolektorze był tracony na zaworach dławiących. Praca z dławieniem nie była w ramach audytu analizowana, gdyż nie powinna mieć miejsca od czasu zainstalowania regulacji prędkości obrotowej. Jednak, jak wykazano poniżej, możliwe były dalsze oszczędności energii w stosunku do pracy z regulacją prędkości obrotowej. Dokonane pomiary charakterystyk pompy pracującej na ujęciu brzegowym wykazały, że znajduje się ona w dobrym stanie technicznym, gdyż punkty pomiarowe leżały blisko charakterystyki fabrycznej. Jak widać z rysunku 4 pompa z regulacją prędkości obrotowej pracuje przy wysokości podnoszenia na poziomie 70 m w zakresie 1500–3500 m3/h. Ten zakres pracy naniesiono na tle charakterystyki pompy przy zmiennej prędkości obrotowej (rys. 6).

Rys. 6. Zakres pracy pompy na tle charakterystyki istniejącej pompy przy zmiennych obrotach

Jak widać pompa pracuje poniżej wydajności optymalnej. W rezultacie, pomimo regulacji przez zmianę prędkości obrotowej, pompa pracuje ze sprawnością 65–76%, podczas gdy jej maksymalna sprawność jest zbliżona do 78%. Najprostszy wariant modernizacji polegał zatem na zastosowaniu pompy o niższej wydajności nominalnej. W celu ograniczenia kosztów zaproponowano przebudowę istniejącej pompy obejmującej wymianę układu przepływowego (wirnik, kierownica). Pozwalało to uniknąć nakładów na przebudowę stanowiska. Charakterystyka zmodernizowanej pompy z naniesionym zakresem pracy pokazana jest na rysunku 7.

Rys. 7. Zakres pracy pompy na tle charakterystyki zmodernizowanej pompy

Obliczenia wykazały, że taka modernizacja pozwoli zaoszczędzić 15% zużywanej energii (w stosunku do pracy aktualnej pompy z regulacją prędkości obrotowej), czyli 948 MWh rocznie, a szacowane nakłady zwrócą się po sześciu miesiącach.

Analiza układu wskazała na możliwość dalszych oszczędności. Wysokość podnoszenia rzędu 70 m, przy której pracuje pompa na ujęciu, wynika z tego, że wysokość zbiornika wieżowego wynosi ok. 20 m ponad poziom terenu. Wysokość napływu z tego zbiornika wymagana dla pracy akceleratorów wynosi ok. 8 m, a nadmiar 12 m wynika z potrzeby dławienia dla regulacji rozpływów. Zaproponowano alternatywny wariant pracy układu polegający na rezygnacji ze zbiornika wieżowego, budowie zbiornika na poziomie terenu, z którego akceleratory byłyby zasilane przez pompy o wysokości podnoszenia rzędu kilku metrów i pracujące z regulacją prędkości obrotowej. Takie rozwiązanie pozwala na obniżenie wysokości podnoszenia pompy na ujęciu z 70 do ok. 58 m i znaczny spadek poboru mocy. Odbywa się to kosztem dodatkowego zużycia mocy przez nowe pompy zasilające akceleratory, lecz obliczenia wykazały, że w takim wariancie można zaoszczędzić w stosunku do stanu aktualnego 31% energii, czyli 2032 MWh rocznie. Ze względu na wysokie nakłady (wymiana pomp na ujęciu, budowa nowego zbiornika i nowych pompowni) okres zwrotu w takim przypadku jest dłuższy i wynosi ok. 4,5 roku.
Na podkreślenie zasługuje fakt, że przeprowadzenie audytu energetycznego w niektórych przypadkach po zwala uniknąć zbędnych nakładów na modernizacje, które nie przyniosą oczekiwanych efektów. Przykładem tego jest pompa ściekowa pracująca aktualnie w zakresie wydajności 500–800 m3/h i z wysokością podnoszenia rzędu 10 m, z regulowaną prędkością obrotową. Parametry nominalne pompy wynoszą Q = 1000 m3/h i H = 28 m. Wobec takiej różnicy pomiędzy parametrami aktualnymi a nominalnymi użytkownik wytypował pompę do wymiany, co wydaje się racjonalną decyzją. Pomiary dokonane w ramach audytu pozwoliły oszacować przebieg charakterystyki układu, po jakiej pracuje pompa, oraz stwierdzić, że znajduje się ona w dobrym stanie technicznym. Aktualne parametry pracy zostały naniesiona na tle charakterystyki pompy (rys. 8).

Rys. 8. Aktualne parametry na tle charakterystyki pompy

Jak widać, w tym przypadku pomimo nadmiaru parametrów nominalnych pompa przy zredukowanej prędkości obrotowej pracuje w obszarze optymalnej sprawności. Straty związane są jedynie z niedociążeniem silnika, który przy znacznie obniżonym poborze mocy wykazuje nieco pogorszoną sprawność. Gdyby dokonywano zakupu nowej pompy na aktualnie wymagane parametry, to oczywiście zakup pompy o takim nadmiarze parametrów jak dla pompy istniejącej byłby nieuzasadniony, przede wszystkim ze względu na wyższą cenę. Skoro pompa jest już jednak zainstalowana to jej wymiana na mniejszą nie jest uzasadniona, gdyż istniejąca pracuje w korzystnym obszarze sprawności.

Podsumowanie i wnioski

Dane uzyskane z 36 audytów układów pompowych w firmach stojących na dobrym poziomie technicznym pozwalają sformułować następujące wnioski:

W zdecydowanej większości analizowanych układów pompowych stwierdzono znaczny potencjał oszczędności.
Większość proponowanych modernizacji wykazuje atrakcyjne wskaźniki ekonomiczne.
Występuje powtarzająca się grupa przyczyn strat energii.
Powszechnie stosowane przedsięwzięcia modernizacyjne polegające jedynie na instalowaniu przemienników częstotliwości nie wyczerpują potencjału oszczędności. Nawet w układach z nowoczesną regulacją prędkości obrotowej istnieje pole do dalszej optymalizacji. Należy brać pod uwagę inne czynniki, takie jak: niedopasowanie parametrów pompy do aktualnych potrzeb, stan techniczny pomp, wady technologii w układzie.
Często występująca przyczyna nadmiernych strat energii w układach pompowych, jaką jest pogorszona sprawność pomp, jest z reguły niedoceniana. Jedną z prostszych możliwości oszczędzania energii na pompowanie jest prowadzenie polityki remontowej zapewniającej utrzymanie wysokiej sprawności energetycznej pomp w całym okresie eksploatacji.
Celowe jest przeprowadzanie profesjonalnych audytów układów pompowych, gdyż umożliwiają one wskazanie źródeł oszczędności energii, a w niektórych przypadkach pozwalają uniknąć nakładów na nieuzasadnione przedsięwzięcia modernizacyjne.

Grzegorz Pakuła, Grupa POWEN-WAFAPOMP SA

Mateusz Kasprzyk, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Techniki Cieplnej