PL195818B1 - Zestaw dwupompowy zwłaszcza do kompensacji strat hydraulicznych - Google Patents

Abstract

1. Zestaw dwupompowy, zwłaszcza do kompensacji strat hydraulicznych oraz pokonania niewielkich wysokości statycznych w układach pompowych, złożony z dwóch jednakowych pomp, z których jedna napędzana jest silnikiem o regulowanej prędkości obrotowej, znamienny tym, że suma wydajności obydwu pomp, przy czym wydajność każdej pompy mieści się w zakresie stosowalności pompy, jest większa od maksymalnego zapotrzebowania w układzie pompowym korzystnie o około 50%, a wysokość podnoszenia pompy przy obrotach nominalnych i wydajności równej połowie maksymalnego zapotrzebowania, odpowiada wymaganej wysokości podnoszenia w układzie pompowym przy maksymalnym zapotrzebowaniu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest zestaw dwupompowy zwłaszcza do kompensacji strat hydraulicznych w rurociągach układów pompowych z możliwością pokonania wysokości statycznej, korzystnie mniejszej od maksymalnej wysokości strat.

W układach pompowych gdzie funkcja pompowni polega na pokonaniu jedynie strat hydraulicznych w rurociągach, teoretycznie najdoskonalszym rozwiązaniem jest stosowanie jednej pompy wirowej. Wynika to z natury pompy wirowej, której wydajność zmienia się liniowo w stosunku do prędkości obrotowej, a wysokość podnoszenia w stosunku kwadratowym do prędkości obrotowej.

Straty hydrauliczne w rurociągach zmieniają się również w stosunku kwadratowym do przepływu. W takiej rzeczywistości fizycznej, kompensując straty hydrauliczne w rurociągach układu pompowego jedną pompą, przez zmianę jej prędkości obrotowej, można się utrzymać na tej samej linii korzystnych sprawności, na wykresie muszlowym przedstawiającym graficznie pracę pompy wirowej przy zmiennej prędkości obrotowej.

W praktyce najczęściej występują przypadki, w których oprócz pokonania oporów hydraulicznych w układzie pompowym istnieje potrzeba pokonania wysokości statycznej.

W takich, przypadkach stosowanie jednej pompy w układzie pompowym daje, tym gorsze wyniki pod względem energetycznym, im większy jest stosunek wysokości statycznej do wysokości strat hydraulicznych.

Rozwiązanie według wynalazku łagodzi w istotny sposób niedogodności związane z koniecznością pracy pompy w obszarach małej sprawności, przy małej wydajności w układzie pompowym. Rozwiązanie to polega na zastosowaniu w układzie pompowym dwóch jednakowych pomp oraz dobraniu tych pomp w taki sposób, by sumaryczna wydajność obydwu pomp, mieszcząca się w obszarze ich stosowalności przy nominalnej prędkości obrotowej, była większa o około 50% od maksymalnego przepływu w układzie pompowym, a wysokość podnoszenia pompy przy wydajności równej połowie maksymalnego przepływu w układzie pompowym była równa potrzebnej wysokości podnoszenia w układzie pompowym przy maksymalnym przepływie.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia rozszerzenie ekonomicznego stosowania kompensacji strat hydraulicznych w układach pompowych przez regulację prędkości obrotowej pompy.

Sterowanie zespołu dwóch pomp według wynalazku polega na regulacji prędkości obrotowej jednej pompy, której silnik zasilany jest przez przemiennik częstotliwości w taki sposób, by przy wzrastającym zapotrzebowaniu w układzie pompowym od wartości minimalnej, wysokość podnoszenia pompowni kształtowała się według wymaganej charakterystyki układu pompowego aż, do osiągnięcia częstotliwości zasilania silnika pompy, przy której moc pobierana przez układ pompa-siInik-przemiennik częstotliwości jest taka sama jak moc pobierana przez pompę napędzaną bezpośrednio z sieci. Częstotliwość ta mieści się najczęściej w granicach 46 - 48 Hz i zależy od sprawności energetycznej układu przemiennik częstotliwości-silnik. Po osiągnięciu tej częstotliwości, przy dalszym wzroście zapotrzebowania w układzie pompowym sterownik przełącza pracę pompowni na zespół pompowy zasilany bezpośrednio z sieci elektrycznej. Wówczas w wyniku eliminacji strat energetycznych związanych z zasilaniem silnika pompy przez przemiennik częstotliwości, następuje wzrost wysokości podnoszenia powyżej charakterystyki wymaganej układu pompowego. W ten sposób uzyskuje się niewielki obszar, w którym pompa napędzana silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci pobiera mniejszą moc niż pompa współpracująca z przemiennikiem częstotliwości. Obszar ten jest tym większy im większe są straty napędu pompy silnikiem przez przemiennik częstotliwości. Po przekroczeniu zapotrzebowania w układzie pompowym powyżej granicy wyżej określonego przedziału, co jest równoznaczne z możliwościami jednej pompy, zostaje wprowadzona ponownie do pracy równoległej pompa o regulowanej prędkości obrotowej. Sterownik regulując prędkość obrotową tej pompy dopasowuje wysokość podnoszenia pompowni do charakterystyki wymaganej układu pompowego. W wyniku przejęcia części zapotrzebowania przez pompę o regulowanej prędkości obrotowej następuje zmniejszenie wydajności zespołu pompowego zasilanego bezpośrednio z sieci. Dzięki temu rośnie wysokość podnoszenia tej pompy zgodnie z jej charakterystyką. W ten sposób może zostać osiągnięta maksymalna wysokość podnoszenia odpowiadająca maksymalnemu zapotrzebowaniu układu pompowego.

Działanie rozwiązania według wynalazku przedstawiono na przykładzie zastosowania.

Układ pompowy stanowi sieć wodociągową zespołu budynków mieszkalnych 11-kondygnacyjnych oraz pompownia podnosząca ciśnienie wody dostarczanej z wodociągu miejskiego. Maksymalne zapotrzebowanie w układzie pompowym wynosi Qmax = 100 m³/h. Minimalne ciśnienie zasilania budynków

PL 195 818 B1 w czasie nocnego rozbioru wynosi Hst = 42 m. Straty hydrauliczne w sieci wewnętrznej zespołu budynków przy maksymalnym rozbiorze wynoszą AHmax = 10 m.

Ciśnienie zasilania z wodociągu miejskiego przy małym nocnym obciążeniu sieci wynosi 32 m, przy maksymalnym rozbiorze spada do 25 m.

Wymienione dane dla układu pompowego przedstawiono graficznie na rysunku.

Na podstawie danych doświadczalnych z eksploatacji układów wodociągowych można przyjąć, że wymagane ciśnienie zasilania gałęzi sieci zmienia się liniowo w stosunku do zapotrzebowania, od minimalnego 42 m do maksymalnego 52 m. W ten sposób uzyskano charakterystykę wymaganą ciśnienia zasilania gałęzi sieci wodociągowej dla zespołu budynków - prosta 1. Również na podstawie danych doświadczalnych można przyjąć, że ciśnienie zasilania z wodociągu zmienia się parabolicznie w odniesieniu do poboru przez zasilany przez pompownię zespół budynków. W ten sposób uzyskano charakterystykę ciśnienia zasilania pompowni układu z wodociągu miejskiego - krzywa 2. Różnica pomiędzy charakterystyką 1 i 2 - krzywa 3 jest charakterystyką wymaganej wysokości podnoszenia pompowni w układzie pompowym. Zgodnie z opisem rozwiązania według wynalazku na podstawie tej charakterystyki można dobrać pompy dla pompowni układu pompowego. Sumaryczna wydajność pomp powinna wynosić 150 m³/h, a wysokość podnoszenia pompy przy wydajności 50 m³/h powinna wynosić 27 m. Z katalogu pomp dobrano pompy. Charakterystykę dobranej pompy naniesiono na rysunek - krzywa 4. Naniesiono również charakterystykę sumaryczną dwóch pomp pracujących równolegle - krzywa 5. W czasie wzrostu zapotrzebowania w układzie pompowym od minimalnego pracuje pompa o regulowanej prędkości obrotowej. Sterownik reguluje częstotliwość prądu zasilania silnika pompy w taki sposób, by wysokość podnoszenia pompy kształtowała się zgodnie z przebiegiem wymaganej wysokości podnoszenia w układzie pompowym. Przy wydajności 75 m3/h, którą pompa osiąga przy częstotliwości zasilania silnika 47 Hz, pobór mocy przez zespół pompy, silnika i przemiennika jest taki sam jak pompy z silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci. Zgodnie z zasadą rozwiązania według wynalazku, sterownik przełącza pracę pompowni na pompę z silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci. Wysokość podnoszenia pompowni wzrasta. Powstaje obszar przepływu w układzie pompowym, w którym charakterystyka realizacyjna układu pompowego przebiega powyżej charakterystyki wymaganej. Jednak pobór mocy jest mniejszy, gdyż wyeliminowane są straty napędu przemiennikiem częstotliwości. Przy dalszym wzroście zapotrzebowania, gdy charakterystyka pompy przecina się z charakterystyką wymaganą układu pompowego - na rys. 82 m3/h, sterownik wprowadza do pracy ponownie pompę o zmiennej prędkości obrotowej, ustalając częstotliwość prądu odpowiednią dla osiągnięcia wysokości podnoszenia według charakterystyki wymaganej układu pompowego. W miarę dalszego wzrostu zapotrzebowania wydajność pompy napędzanej przy stałych obrotach maleje, a przez przemiennik intensywnie rośnie. Przy maksymalnym zapotrzebowaniu zasilanej przez pompownię gałęzi sieci wodociągowej wydajności pomp wyrównują się.

Jak widać z graficznego obrazu pracy układu pompowego, przedstawionego na rysunku, ponowne włączenie do pracy równoległej pierwszej pompy następuje dopiero po przekroczeniu 80% maksymalnego zapotrzebowania układu pompowego. Takie zapotrzebowanie w sieciach wodociągowych występuje stosunkowo rzadko i trwa nie więcej niż kilkadziesiąt godzin w ciągu roku. W związku z tym mniejsza sprawność pompowni zaraz po ponownym włączeniu pierwszej pompy, związana z jej pracą przy małych wydajnościach, w znikomym stopniu rzutuje na zużycie energii w układzie pompowym. Zastosowanie drugiej pompy napędzanej silnikiem zasilanym bezpośrednio z sieci ma istotne znaczenie zabezpieczenia awaryjnego w układzie pompowym.

Ograniczeniem stosowania rozwiązania według wynalazku jest stosunkowo mała sprawność pompowni przy małych przepływach. Związane to jest z koniecznością utrzymania przez pompę ciśnienia statycznego. Względne straty energii przy małych przepływach są tym większe im większy jest stosunek wysokości statycznej do maksymalnej wysokości strat. Z tego powodu rozwiązanie nie powinno być stosowane gdy wysokość statyczna w układzie pompowym jest większa niż połowa maksymalnej wysokości strat. Ta orientacyjna granica może być przesuwana w zależności od różnych okoliczności głównie od wielkości układu pompowego. Pomimo takiego ograniczenia rozwiązanie według wynalazku ma szerokie zastosowanie w technice transportu czynnika, głównie w nowoczesnych układach ciepłowniczych, również w gospodarce komunalnej do zasilania gałęzi sieci wodociągowych dla osiedli wysokiego budownictwa lub osiedli wyżej położonych.

Claims (2)

1. Zestaw dwupompowy, zwłaszcza do kompensacji strat hydraulicznych oraz pokonania niewielkich wysokości statycznych w układach pompowych, złożony z dwóch jednakowych pomp, z których jedna napędzana jest silnikiem o regulowanej prędkości obrotowej, znamienny tym, że suma wydajności obydwu pomp, przy czym wydajność każdej pompy mieści się w zakresie stosowalności pompy, jest większa od maksymalnego zapotrzebowania w układzie pompowym korzystnie o około 50%, a wysokość podnoszenia pompy przy obrotach nominalnych i wydajności równej połowie maksymalnego zapotrzebowania, odpowiada wymaganej wysokości podnoszenia w układzie pompowym przy maksymalnym zapotrzebowaniu.

2. Sposób sterowania pompami zestawu według zastrzeżenia 1 polegający na dostosowaniu wysokości podnoszenia pompowni do potrzeb układu pompowego przez zmianę częstotliwości prądu zasilającego silnik jednej pompy oraz przełączaniu pomp, znamienny tym, że przełączenie do pracy pompy o stałej prędkości obrotowej następuje przy zapotrzebowaniu w układzie pompowym, przy którym moc pobierana z sieci przez zespół pompowy o zmiennej prędkości obrotowej łącznie z urządzeniem do zmiany prędkości obrotowej, jest taka sama jak moc pobierana przez zespół pompowy o stałej prędkości obrotowej.