Oszczędność energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych.Część 5,Efekty energetyczne…

Część 5: Efekty energetyczne po zastosowaniu zmodernizowanych, głębinowych agregatów pompowych z silnikami synchronicznymi

Współczesna eksploatacja układów pompowych pomp głębinowych ukierunkowana jest głównie na energooszczędne wydobycie wody na ujęciach oraz przekazanie jej do stacji uzdatniania (SUW). Zagadnienie oszczędności energii przekłada się na optymalizację budowy układów pompowych, ich właściwego opomiarowania oraz prowadzenia optymalnego zarządzania eksploatacją wraz z odpowiednim monitoringiem i sterowaniem.

1. Wstęp

Zastosowanie nowych rozwiązań w eksploatacji pomp głębinowych eksploatowanych w ujęciach wód podziemnych można podzielić na:

• • optymalizowanie konstrukcji pomp i silników głębinowych szczególnie pod kątem zwiększania sprawności energetycznej tych urządzeń;
  • diagnostykę pracy układów pompowych, optymalizację niezawodności;
  • zdalne zarządzanie i monitoring eksploatacji.

Producenci głębinowych agregatów pompowych stosują już od lat techniki numeryczne w projektowaniu hydraulik pomp, nowe, zoptymalizowane wyliczenia obwodów elektrycznych silników, nowe rozwiązania w technologiach materiałowych i montażowych agregatów pompowych. Cel jest jeden – podniesienie sprawności energetycznej, zwiększanie mocy w poszczególnych średnicach typoszeregów agregatów, zwiększenie niezawodności pracy ­urządzeń.

W ostatnim czasie pojawiło się kilka szczególnie ciekawych rozwiązań, zarówno w konstrukcji pomp, jak i silników głębinowych [3, 4]. Oprócz już uznanych w eksploatacji pomp modułowych czy też silników głębinowych chłodzonych wewnętrznie wraz z wymiennikami ciepła, dużym zainteresowaniem zaczyna cieszyć się nowa generacja tzw. silników głębinowych, synchronicznych. Rozwój systemów automatyki, a szczególnie uznanych w technice pompowej falowników, otworzył nową jakość w sterowaniu tych maszyn elektrycznych, głównie silników z magnesami trwałymi, pracujących z prędkościami wirowania pola elektrycznego uzwojenia stojana, a więc synchronicznych.

Na rys. 1 pokazano, jak nowa generacja silników [3] góruje nad możliwymi do osiągnięcia sprawnościami energetycznymi przez tradycyjne już silniki głębinowe – asynchroniczne. Jakościowy skok jest imponujący – 6÷9% w zależności od mocy znamionowej silnika.

2. Działanie silników synchronicznych

Podstawowy problem przy zastosowaniu silników z magnesami stałymi polega na tym, że silniki te wymagają falownika, by można było uruchomić pracę agregatu pompowego. Silniki asynchroniczne uruchamia się bez falowników (niekiedy z soft-startem) i jako tzw. „krótko zwarte”, nie sprawiają żadnych problemów w tym zakresie. Na rys. 2 pokazano widok silnika synchronicznego [4] i można zauważyć, że obok zamieszczony jest obowiązkowy do zastosowania falownik.

Rys. 2. Silnik synchroniczny z falownikiem

Przy obecnie już relatywnie niskiej cenie falowników, komplet silnik synchroniczny–falownik niewiele zawyża cenę agregatu, natomiast zyski w oszczędności energii wprowadzają nową jakość, która jest nieosiągalna w tradycyjnych zastosowaniach silników asynchronicznych. Praktycznie można przyjąć, że po ok. 2 latach koszty się rekompensują i po tym czasie zaczynamy mieć spore zyski. Nie bez znaczenia jest łatwy do przewidzenia proces kroczącego wzrostu cen za energię w najbliższej przyszłości, tak więc inwestycja w ten wyrób na pewno nie jest obarczona ryzykiem.

3. Porównanie tradycyjnego agregatu pompowego z nowoczesnym wykonaniem optymalizującym zużycie energii

W celu obiektywnego porównania korzyści dla użytkownika decydującego się na inwestycję polegającą na zastosowaniu nowoczesnego wykonania głębinowego agregatu pompowego, przeprowadzono symulację polegającą na przygotowaniu kompletu parametrów pracy dla dwóch agregatów w parametrycznie identycznych studniach. Do analizy przyjęto dwa agregaty pompowe:

• • TWI 010.125-3 + NU 611-2/26 z silnikiem asynchronicznym i tradycyjną budową pompy;
  • ZETOS K8.130/3 + NU 511-4/37 ze zmodernizowaną pompą i z silnikiem synchronicznym.

W pompie ZETOS K.8 wprowadzono modernizacje (rys. 3), które spowodowały, że jej sprawność w punkcie nominalnym osiąga wartość rzędu 83% i przystosowały ją do pracy z poziomem zanieczyszczeń do ok. 150 mg/l.

Rys. 3. Wprowadzone modernizacje pompy ZETOS K.8

Na rys. 4 przedstawiono charakterystyki obu pomp, natomiast założono, że obiektywna ocena dotyczy tych parametrów pracy w studni, które są wspólne dla obu przypadków, a więc dla Q i H wynikających z przecięcia się obu charakterystyk (rys. 5).

Z uzyskanych danych zasymulowano zabudowę pomp do dwóch identycznych studni o parametrach zestawionych na rys. 6 (praca na wolny wypływ).

Rys. 6. Wyliczenie parametrów zabudowy pomp do dwóch identyczpnych studni w różnych opcjach pompowych

Na podstawie znanych powszechnie wzorów [2, 3] wyliczono wartości sprawności układów pompowych dla obu przypadków i, jak widać, różnica jest wyraźna: rząd wielkości ok. 14÷15% wzrostu sprawności układu pompowego po zastosowaniu zmodernizowanej pompy i silnika synchronicznego. Producent zmodernizowanego agregatu pompowego – WILO – prawdopodobnie osiągnął wynik sprawności agregatu (dla tych wartości nominalnych Q i H) na poziomie współcześnie granicznym, jednak trzeba wiedzieć, że zastosowanie falownika umożliwia dalszą optymalizację w zmieniających się warunkach pracy układu pompowego – sieć, zmiana charakterystyki studni itp.

Dla pełnego odzwierciedlenia pracy tych agregatów pompowych, dla testów utworzono w programie Chmura SPM_SYSTEM dwie studnie i dla symulacji zabudowano analizowane agregaty z wcześniej opisanymi parametrami ich pracy. Rys. 7 pokazuje widok ocen [1] na modelu matematycznym dla agregatu tradycyjnego – pogranicze zielony/żółty, natomiast rys. 8 pokazuje ocenę dla zmodernizowanego agregatu – zdecydowanie zielono.

Zilustrowane na ekranach ocen SPM_SYSTEM położenia punktów pracy pomp (w ich obszarach optymalnej eksploatacji) wskazują na właściwy dobór obu pomp do porównań energetycznych.

4. Podsumowanie

Wydawałoby się, że producenci głębinowych agregatów pompowych wykorzystali już wszystkie możliwości w zakresie konstruowania i wdrażania nowych, energooszczędnych rozwiązań dla tych urządzeń – przedstawione porównania potwierdzają, że optymalizacja konstrukcji, zarówno dla pomp głębinowych jak i silników, potrafi sięgać granic już trudno osiągalnych dla tradycyjnych wykonań agregatów eksploatowanych w ujęciach wód podziemnych.

Wdrażanie głębinowych agregatów pompowych z silnikami synchronicznymi wymaga jednak szerszego liczenia kosztów (LCC). Silniki te wraz z osprzętem są nieco droższe w porównaniu do tradycyjnych konstrukcji asynchronicznych, jednak w eksploatacji różnica ta szybko topnieje i zaczyna przechodzić w spore zyski.

Trzeba tu wyraźnie podkreślić, że producenci nowoczesnych wykonań głębinowych agregatów pompowych muszą użytkownikom zagwarantować pewność utrzymywania wysokich wartości sprawności energetycznej w wieloletniej, zgodnej z DTR, eksploatacji.

Gdy dodamy do tego zdalne systemowe sterowanie i komputerowe zarządzanie pracą pomp głębinowych, śmiało możemy mówić o nowej jakości w eksploatacji ujęć wód podziemnych.

5. Literatura

1. 1. Strączyński M., Wąsowski J., Zatorski P., Systemowe zarządzanie, monitoring oraz sterowanie w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych – SPM_SYSTEM. Forum Eksploatatora, maj – czerwiec, Warszawa 2015.
   2. Strączyński M., Energooszczędna eksploatacja układów pompowych w studniach ujęć wód wgłębnych. Forum Eksploatatora, marzec – kwiecień, Warszawa 2016.
   3. Strączyński M., Urbański P., Solecki J., Pompy głębinowe, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Wydanie I, Warszawa 2019.
   4. Materiały – Uniwersalne rozwiązanie do zaopatrzenia w wodę, Wilo, Niemcy, Dortmund 2019.

      Marian Strączyński
      MAST Bełchatów

      Tomasz Dobkowski
      Wilo Polska