Оптимизиране на помпените системи при третирането на води

Центробежните помпи се използват като първичен двигател в пречиствателните станции за отпадъчни води, електроцентралите, електрическите и газовите компании, общинските и търговски сгради. Тези помпени системи консумират най-голямо количество електроенергия в сравнение с всякакъв друг вид ротационно оборудване, използвано в промишлените и търговски обекти. Например помпените системи отговарят за 20 до 30% от потреблението на електроенергия в съоръженията за пречистване на отпадъчни води и до 46% в общинските водни системи. За сравнение, химическата и свързаните с нея промишлености обикновено използват толкова електрическа енергия за помпените системи, колкото е консумацията на един малък град.

В повечето случаи помпените системи са проектирани така, че да работят в диапазона от 65 до 85% от точката на оптималната им ефективност (best efficiency point, BEP). Поради преоразмеряване или понякога поради недостатъчни размери помпените системи обикновено работят доста под тази точка, а излишната енергия се преобразува във вибрации, топлина и шум, като всички те увеличават разходите за поддръжка и електроенергия.

Когато не са оптимизирани за постигане на максимална ефективност, помпените системи увеличават бюджета за поддръжка, като намаляват средната продължителност на периодите между ремонтите. Оптимизацията на тези системи представлява един от най-добрите начини за намаляване на общите оперативни разходи на промишлените предприятия.

Причини за неефективност на помпените системи
Една от причините, поради които толкова много помпени системи работят значително под точката на оптимална ефективност е, че организациите се концентрират по-скоро върху покупната цена, отколкото върху общите разходи за целия жизнен цикъл на системата (life-cycle cost, LCC). Например ако се разгледат LCC на стандартна помпена система от 75 конски сили с експлоатационен живот от над 20 години, първоначалната покупна цена и разходите за монтаж представляват 17% от стойността на LCC, 55% от разходите са свързани с експлоатацията й, и оставащите 28% са разходи за поддръжка. При силно преоразмерените системи първоначалната цена на помпата може да спадне до 10% или дори по-малко. Затова вместо да базират решението си за закупуване на помпа само на цената проектантите на пречиствателни станции за отпадъчни води трябва да преценят общите разходи за целия жизнения цикъл на системата и да направят такъв избор, който ще осигури свеждане до минимум на разходите за енергия и поддръжка.

Друг важен фактор, влияещ върху ефективността на помпите, е липсата на системни стандарти, които да ръководят проектирането на ефективни системи. В резултат на това фирмите доставчици на услуги по инженеринг, снабдяване и строителство (EPC) продължават да използват едни и същи конструктивни подходи – "ако не е счупено – не поправяй". Тези рутинни конфигурации обикновено включват система от регулиращи вентили с фиксирана скорост. През годините този подход на проектиране остава почти неоспорван, като проектантите често посочват наличните време и бюджет като причини за пренебрегването на решения като използването на честотни регулатори или свързването на няколко помпи в паралел в полза на преоразмерена система от регулиращи вентили.

Ако на процеса на проектиране се отделя по-голямо внимание, инженеринговите фирми лесно ще могат да преодолеят пречките за постигане на възможно най-ниските общи разходи за целия жизнения цикъл на системата. Освен това, без наличието на стандарт за конфигурацията на тези системи, крайните потребители не разполагат с необходимата информация, за да оспорят избора на проектантите и да докажат, че дадена система е неефективна или неправилно проектирана. Дори днес индустрията продължава да проектира и инсталира преоразмерени помпени системи поради липсата на такъв стандарт. Няма добра причина да не се използват инструменти и техники за проектиране, които оптимизират избора на най-добрата комбинация от помпи, тръби и регулиращи вентили, за да се постигне най-ниското ниво на LCC.

Следствия от неефективността на помпите
За максимална ефективност помпите трябва да работят при или близо до своята BEP, като отклоненията могат да бъдат в интервал не повече от 10 до 15% извън оптималната стойност. Експлоатацията при свръхкапацитет или по-голяма стойност от BEP може да доведе до претоварване на помпите и поява на вибрации, създаващи потенциални проблеми с лагерите и уплътненията на валовете поради прекомерна мощност. Може да настъпи и кавитация, която също може да повреди на компонентите на помпата.

Когато помпите работят при намален капацитет, или при стойности по-ниски от BEP, фиксираните ъгли на лопатките могат да доведат до възникване на вихрови токове в работното колело, вътре в корпуса и между износващите се пръстени. Радиалната сила върху ротора се увеличава, което може да доведе до по-големи натоварвания на вала, да причини деформацията му, както и да доведе до проблеми с лагерите и механичните уплътнения. Също така се повишават и радиалните вибрации и аксиалното движение на вала.

Необходимост от оптимизиране на помпените системи
Оптимизацията е процес на оценка на помпените системи с цел идентифициране на възможностите за подобрения, които ще намалят потреблението на енергия и ще повишат надеждността. Промяната само на един компонент, например инсталирането на по-ефективен двигател, няма да допринесе в съществена степен за подобряването на цялостната ефективност на системата. За осъществяването на системна оптимизация трябва да се оцени функционирането на всички компоненти на помпата заедно и да се определят необходимите изменения, които да доведат до подобряване на цялостната ефективност.

По-високата ефективност на помпената система, постигната чрез оптимизация, подобрява надеждността и редуцира оперативните разходи чрез намаляване на износването. Това, от своя страна, ограничава времето за престой и разходите, свързани със загубите на производителност, поддръжката и ремонтите, като същевременно се удължава животът на оборудването. Разходите, свързани с престоя, често надвишават сумата от разходите за енергия и осигуряване на надеждност.

Подходи за оптимизиране на системите
Както при всеки инженерен проект, процесът на оптимизация на помпените системи започва с организирането на оценяващ екип. Избраните лица трябва да са запознати с една или повече критични области. Следващите стъпки са от жизненоважно значение за създаването на успешната програма за оптимизиране на помпените системи.

Предварителен преглед. Първоначално помпите се преглеждат, за да се идентифицират тези с най-голям потенциал за реализиране на спестявания. Помпените системи трябва да се проверят за всяка от следните предпоставки за проблеми: силно натоварени вентили за регулиране на дебита; наличие на байпас линия (рециркулация) за регулиране на дебита; серийни процеси, включващи една или повече непрекъснато работещи помпи; голяма честота на цикъла включване/изключване на помпата; кавитационен шум в помпата или в системата; паралелна помпена система със същия брой помпи, които винаги работят; помпа, която е претърпяла промяна на функцията без модификация; помпена система, която не може да измерва дебита, налягането или мощността. Помпените системи с една или повече от тези предпоставки обикновено са идеални за по-нататъшна оценка. Големите системи, изискващи честа поддръжка, които са важни за процеса или експлоатацията на съоръженията, също често са основен приоритет.

Оценяване. След това избраните помпени системи трябва да бъдат внимателно оценени. В зависимост от изискванията на пречиствателната станция за отпадъчни води изборът на правилно ниво на оценка на помпената система е важен за постигането на целите на проекта. Оценката на помпата се извършва на следните нива: ниво 1 е качествен преглед, който определя потенциалните подобрения в енергоспестяването и надеждността, за да се идентифицират помпите, които заслужават допълнително внимание; ниво 2 е количествено преразглеждане, което определя подобренията в енергопотреблението и надеждността въз основа на измервания, направени при стабилни работни условия, като се използва единичен набор от измервания; ниво 3 е количествено преразглеждане за измерване на изискванията на системата чрез проследяване и наблюдение за по-дълги периоди от време, за да се отчетат различни условия на експлоатация.

Събиране на данни. Следващата стъпка в процеса на оптимизиране на системите включва събиране на данни. Събраните данни могат да се използват например за сравняване на измерените дебит и напор с изискваните. Анализът може да разкрие разлика между реалните и изискваните условия, което е доказателство за неефективност на системата. Сравняването на съществуващите условия на експлоатация с проектните може да покаже също дали помпата е неправилно оразмерена.

Теоретичната крива на ефективността на помпата може да бъде полезна за съставянето на крива за работните точки на съществуващата система. Сравняването на една тестова точка с първоначалната крива може да помогне да се определи дали първата стъпка към оптимизирането на системите ще бъде основен ремонт на износена помпа или системата трябва да бъде допълнително изследвана. Кривата също така ще помогне да се определи дали помпата работи в границите на оптималната точка на ефективност. Онези, които работят извън обхвата на BEP, ще са неефективни и ще консумират повече енергия.

Трябва да бъдат оценени и други компоненти на съществуващата система, включително клапаните, байпас линиите, конфигурациите на тръбопроводи и смукателни тръби, които също могат да осигурят възможности за оптимизация.

Изчисляване на разходите за жизнения цикъл. Тъй като шансовете за получаване на одобрение на проектите за оптимизация са значително по-високи, когато може да се докаже, че изпълнението им ще подобри рентабилността на системата и намали оперативните разходи, LCC анализът може да оправдае оптимизирането, като покаже по-ниска обща стойност на собствеността. В LCC анализа се разглеждат следните елементи: първоначална цена на покупка; разходи за монтаж и пускане в експлоатация; електрически или други разходи за енергия; оперативни разходи; разходи за поддръжка и ремонт; разходи за престой; екологични разходи и разходи за извеждане от експлоатация/обезвреждане.

LCC анализът изисква оценка и на алтернативни системи. Тъй като разходите за енергия и поддръжка през целия жизнен цикъл доминират, крайните потребители трябва да знаят текущата цена на енергията, за да изчислят годишното покачване на разходите за нея и за поддръжка.

Предимствата на оптимизирането на помпените системи, които не могат да бъдат количествено определени чрез LCC анализ, включват повишена производителност, намалени експлоатационни разходи, подобрено качество на пречистените води, оползотворяване на капацитета, надеждност и безопасност на персонала.