Оценка на ефективността на помпи

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 8/2016 • 09.12.2016

Оценка на ефективността на помпи
Оценка на ефективността на помпи
Оценка на ефективността на помпи

Известно е, че в много промишлени отрасли значителна част от консумацията на електрическа енергия се дължи на помпените системи. В повечето индустриални предприятия енергията, предадена на работния флуид от помпата, е много по-голяма от необходимата за нормално протичане на процеса.

Излишната енергия, подадена в системата (например заради задръстен възвратен клапан) повишава топлината, шума и вибрациите, и най-вече – увеличава разходите за поддръжка.

Подаването на излишна енергия в системата често пъти има за резултат преоразмеряване на компонентите на тръбната система, помпите, технологичното оборудване, спирателните и възвратните клапани, а това неминуемо води и до увеличаване на капиталовите разходи.

Оценката на една помпа представлява експлоатационно изпитване на същата, както и на системата, към която е свързана, като и двете би трябвало да работят в нормален режим. За помпа с малък диапазон работни дебити този тест може да бъде извършен чрез отчитане на данни при едно водно количество, което отразява дебита на помпата при нормален режим на работа.

При по-сложни системи, при които помпата може да работи при различни дебити и напори, оценката може да изисква няколко отделни теста, обхващащи пълния диапазон експлоатационни водни количества и налягания на помпата.

Друга възможност е да се извърши непрекъснат мониторинг на експлоатационните характеристики на помпата за определен период от време, за да бъдат отчетени върховите работни показатели. В най-общия случай, оценката изисква измерване на дебита на помпата, нейния напор и мощност, за да бъде определена същинската работна точка на системата.

Причини за извършване на оценка
Двете най-чести причини за извършване на оценка на една помпена система са повишаване на надеждността и/или коефициента на полезно действие (КПД) както на помпата, така и на цялата система.

Освен потенциалните икономии от енергийни и експлоатационни разходи, тестовете за ефективността (КПД) и експлоатационните характеристики на помпата позволяват на операторите да открият оборудването, което не работи с оптимални параметри, както и да вземат информирани решения за управление на активите; и получават точни и надеждни данни за извършването на хидравлично моделиране. Затова специалистите смятат, че тези тестове са ключов инструмент за разработка на стратегии за оптимизация.

Надеждността на помпата зависи от това колко близко е нейната работна точка (или работен диапазон) до нейния максимален коефициент на полезно действие. Следователно, надеждността на помпата се подобрява, когато тя функционира с работна точка (точката на пресичане на характеристиката на помпата и тази на системата), близка до максималния КПД, т. е. когато стойностите на работния дебит и напор на помпата се доближават в максимална степен до тези при най-високия КПД.

Когато напорът и дебитът при работната точка на помпата са доста различни от тези при максимален КПД, в нея се появяват аксиални и радиални натоварвания вследствие на вътрешни хидравлични сили. Тези сили предизвикват затруднения, свързани с отклонение на вала на помпата, и създават натоварвания на лагерите, които на свой ред могат да доведат до компрометиране на уплътнението, на самите лагери, на вътрешните гумени уплътнения и до проблеми с вибрацията.

Доказано е, че дори помпи, които са правилно монтирани и поддържани, имат по-ниски нива на надеждност, ако работят с отклонение от максималния КПД. Освен това, при работа на помпата извън проектните показатели могат да бъдат обострени евентуални проблеми, свързани с кавитация и смукателна рециркулация.

Методи за изпитване на показателите
Днес, когато зелените технологии стават все по-масово разпространени, се очаква все по-често да се изисква извършването на оценки на ефективната работа на помпите. В най-общия случай съществуват два приемливи метода за изпитване на експлоатационните показатели и ефективността на помпите – конвенционален и термодинамичен.

Опитът показва, че всеки от тях, ако бъде приложен в подходящи условия, може да даде точни и надеждни резултати. На практика обаче конфигурацията на тръбопроводите, свързани с помпите, често пъти не е идеална за извършването на определени измервания, особено във връзка с дебита.

И двата метода се основават на измерване на консумираната електроенергия от електромотора на помпата и правене на предположения за ефективността му. Освен това, и двата метода включват измерване на напорната разлика между смукателния и нагнетателния щуцер на помпата.

При конвенционалния метод дебитът се измерва пряко и след това се изчислява ефективността на помпата, докато при термодинамичния метод се измерва повишаването на температурата на флуида, преминаващ през помпата, което е директен показател за количеството на загубата на енергия (т. е. за неефективността).

Както е известно, неефективността на помпата е пряко свързана с температурата на работния флуид. Почти цялото количество енергия, изгубено заради ниската ефективност на помпата, се изразходва за повишаване на температурата на флуида, който бива препомпван.

Именно на този принцип се базира термодинамичният метод за оценка на ефективността на помпи. При него се извършва точно измерване на температурната разлика в помпата, на базата на която се изчислява ефективността й.

Извършват се също и измервания на налягането, за да се определи напорът на помпата, а с помощта на ватметър се измерва входната мощност на помпата. Въз основа на измерванията на температурата, мощността и налягането с помощта на уравнението за помпите може да се изчисли водното количество.

Измерването на температурата е от критична важност. Поради това търговците дистрибутори на термодинамично оборудване за изпитване на помпи често пъти декларират точност, по-висока от 0,001°C. Такава точност е необходима, тъй като нарастването на температурата в помпата може да е по-малко от 0,05°C.

Най-често прилаганата практика включва поставяне на температурни датчици във водния поток, а измерванията на напора се извършват на щуцери, монтирани откъм смукателния и нагнетателния тръбопровод на помпата. След това напорът на помпата се променя, например с помощта на спирателния кран, монтиран към нагнетателния тръбопровод, чрез използване на различни комбинации от паралелно свързани помпи или чрез промяна на водното ниво в черпателния резервоар.

Така може да се измери производителността на помпата при различни работни характеристики, т. е. при различни стойности на водното количество и напора. Благодарение на възможностите за пряко оценяване на ефективността на помпата, които предлага термодинамичният метод, без да са необходими данни от измервания на дебита (които често пъти е трудно да бъдат получени точно и надеждно на място), той е считан от специалистите в областта за най-точната технология за тази цел.

Нещо повече, при точно измерване на ефективността (КПД), методът позволява след това да бъде изчислен и дебитът. Необходимо е да се отбележи, че друго предимство на термодинамичния метод е възможността за едновременното изпитване на много помпи. Това често не може да бъде реализирано при конвенционалния метод, където измерванията на дебита обикновено са възможни само на общия нагнетателен тръбопровод.

Термодинамичният метод се използва широко в продължение на повече от 25 години за оценка ефективността на помпи, въздуходувки, компресори и водни турбини по цял свят, и то с голям успех. Приложим е за изпитване на водни, канализационни и други помпи. Освен това, термодинамичният метод се използва и за други цели – например изпитване и определяне на работната крива на системата, верификация и калибриране на водомери, както и за непрекъснато следене на ефективността.

Конвенционалният метод се състои от измерване на дебита с цел изчисляване на ефективността (КПД). Следователно неговата точност до голяма степен зависи от точността на измерванията на дебита, мощността и на напора. Но дори при използване на най-добрите технологии за измервания на място – например чрез ултразвуков дебитомер, който не е в контакт с флуида – точността е по-малко от ±5%.

Тя може да бъде подобрена чрез увеличаване на броя на ходовете на ултразвуковия разходомер или чрез монтиране на постоянно действащ магнитен дебитомер на тръбопровода. Практическото приложение на тези две алтернативи обаче е неоправдано, тъй като първата доста оскъпява оценката на ефективността на помпата, а втората изисква модификация на нагнетателния тръбопровод (прерязване на същия и монтаж на постоянно действащ магнитен дебитомер).

Шумът и вибрациите са друг фактор, който до голяма степен влияе на точността на измерване на дебита, и поради това – на изчисленията на ефективността. Освен това, точното измерване на дебита с помощта на ултразвуков дебитомер изисква наличие на прав тръбен участък от напорния тръбопровод, с дължина поне десет пъти диаметъра на нагнетателния фланец на помпата.

Това изискване ограничава точността на измерванията на дебита при съществуващи помпени инсталации, при които няма участъци от напорния тръбопровод с такава дължина. Заради всички тези ограничения неопределеността на резултатите от измерванията с конвенционалния метод в повечето случаи е по-висока от тази с термодинамичния.

Неопределеността на изчисленията за ефективността обикновено е около ±5,05% при конвенционалния метод и около ±2,11% при термодинамичния. Нещо повече, неопределеността при конвенционалния метод обикновено се увеличава при по-малки дебити, при една и съща характеристика на помпата поради възникване на турбуленции и шум във водния поток.

Трябва да се отбележи още, че конвенционалният метод може да подведе обслужващия персонал, тъй като за него е присъща тенденцията помпата да изглежда по-добра или по-лоша в зависимост от измерванията на дебита.

По време на изпитанията за одобряване на новоизградени помпени станции това може да доведе до неприемане на помпите, което може да резултира в загуби за компанията изпълнител или за производителя на помпите.

Същевременно, конвенционалният метод може да доведе до подвеждащи данни за по-висок или по-нисък потенциал за икономии, което би заблудило специалистите, отговарящи за следене на енергийната ефективност.

Top