Fizika | Energetika » Kis Miklós - Energiatakarékosság szivattyúk üzemeltetésében

Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság BME OMIKK ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k 11 sz 2006 p 59–67 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság Energiatakarékosság szivattyúk üzemeltetésében Az energiatakarékosság fontos területe a szivattyúk és a belőlük kialakított rendszerek üzemeltetése. A lehetőségek hatalmasak: a világ összes villamosenergia-igényének közel 20%-át szivattyúk emésztik fel; ez az arány a fejlett ipari országokban elérheti az 50%-ot is. A hagyományos szabályozási megoldások mind energiapazarlók A legkorszerűbb megoldás a változtatható sebességű hajtások alkalmazása, de számos egyszerűbb és olcsóbb módszer is választható. Tárgyszavak: szivattyú; energiatakarékosság; változtatható sebességű hajtás; változtatható frekvenciájú hajtás. Az energiaköltségek növekedése megsokszo- millió dollárral tudta csökkenteni az éves rozza az ipari

üzemek energiatakarékossági energiaköltségeit, és ez 31%-os csökkentést erőfeszítéseit. Ezeknek fontos területe a szi- jelentett a kiindulási állapothoz képest. vattyúk és a belőlük kialakított rendszerek üzemeltetése. A lehetőségek hatalmasak: a Szivattyúk energetikai auditja világ összes villamosenergia-igényének közel 20%-át a szivattyúk emésztik fel; ez az arány a fejlett ipari országokban elérheti az 50%-ot is. Az USA észak-keleti részén található nagy- Ugyanakkor tény az is, hogy sok berendezés üzemben több mint 6000 szivattyú működik. A messze nem a lehetséges legjobb hatásfokkal termelés az utóbbi években csökkent, ami működik. Az energiamegtakarítási lehetőségek egyben a szivattyúk terhelésének csökkentését ezért jelentősek: a következőkben ismertetett is eredményezte. Az üzemben alig volt változ- felmérés eredményeként egy ipari nagyüzem 2 tatható sebességű hajtás (variable

speed drive, 59 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság VSD). Ezek a körülmények nagy megtakarítá- Az audit eredményei is alátámasztották azt az sokkal kecsegtettek, ezért a vezetés széles körű alapelvet, hogy a rendszer megfelelő tervezé- energetikai audit lefolytatását határozta el. se, méretezése a kulcs a jó energetikai hatás- Mivel a pénzben mért megtakarítások a legna- fokhoz. A szivattyúk megfelelő hatásfokú mű- gyobb teljesítményű egységeknél a legjelentő- ködése ennek csak egyik, és gyakran nem is a sebbek, a 110 legnagyobb szivattyút vizsgálták legjelentősebb tétele. Ennek tipikus esete az, meg alaposabban. A szivattyúk hajtásai az 50- amikor a szivattyú felújítása nyomán meg- 1250 lóerő1 tartományba estek, az átlag 378 növekedett nyomómagasságra a rendszernek lóerő volt. A vizsgált egységek éves energia- nincs szüksége, ezért az utána következő sze- költsége 6,6

millió USD volt, ezt lehetett 2 lep fojtását növelni kell – a szivattyúnál meg- millió USD-vel csökkenteni. Összeállításunk a takarított energia veszendőbe megy a szelep vizsgálat módszertanát, az energiapazarlás növelt súrlódási ellenállásán. Általában igaz legfontosabb okait és a leghatékonyabb taka- az, hogy a teljes rendszer energiaveszteségeit rékossági intézkedéseket ismerteti. gyakran nagyobb mértékben okozzák a csövek, a szelepek, egyéb szerelvények, illetve a A vizsgálat több mint két évig tartott, és leg- motorok és hajtások, mint a szivattyúk. A tel- főbb alapelveként nemcsak a szivattyúk tény- jes rendszer energetikai láncként is felfogható, leges működési viszonyait, állapotát mérte fel, amelynek minden tagja valamekkora energia- hanem a teljes rendszer működését, annak cél- veszteséget okoz. Ezek az elemek: jait, valamint a hatásfok javításának lehetősé- • az elektromos

betáplálás (a nagyobb fe- geit, opcióit. A projekt fő összetevői a követ- szültség és teljesítménytényező csökkenti kezők voltak: ezt a veszteséget), • a célok és a hatókör meghatározása, • transzformátor, • az adatgyűjtés, • motorindító/fék, • a helyszíni mérések és tesztek, • motor (különböző hatásfokú kivitelek), • az eredmények elemzése, • tengelykapcsoló, • ajánlások a változtatásokra, • szivattyú, • a módosítások megvalósítása, • folyadékszállító rendszer (csövek, szabá- • a végső kiértékelés. lyozószelepek, szerelvények), • és a végső cél: adott átfolyási sebesség adott statikus nyomómagasságnál. 1 1 lóerő = 0,7457 kW 60 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság A cél a teljes rendszer hatásfokának növelése, meg. Az egyes szivattyúk energiaköltségét a energiaköltségének csökkentése. Gyakori eset vázolt módszer

szerint meghatározva, majd az, hogy a szivattyú a legjobb hatásfokútól annak nagysága szerint csökkenő sorba állítva, távol eső munkaponton kényszerül működni, az első 20% érdemes igazán a figyelemre. Ezt különösen túlméretezett szivattyúk esetén. a listát még finomítani kell a következő kérdé- Ekkor általában a szabályozószelepek fojtásá- sek megválaszolásával: val kell a kívánt üzemi jellemzőket beállítani, ami további súrlódási energiaveszteséget okoz. 1000 LE 750 LE 500 LE 150 LE 100 LE 50 LE éves energiaköltség, 1000 USD 25 LE Az energiamegtakarítás receptje Ha egyszerű receptet nem is lehet megadni, de a hozzávalókat igen – az arányokat mindig a helyi specialitások szabják meg. Általában is, a 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 példaként említett nagyüzem esetében is a le- 20 40 60 80 100 kihasználtság (az idő %-ában) hető legkisebb ráfordításokkal és a legrövidebb idő

alatt kell a lehető legnagyobb megta- 1. ábra Diagram szivattyúk éves energiaköltségeinek meghatározásához (0,05 USD/kWh elektromos tarifa esetén) karítást elérni. Ezért rangsorolni kell a felújítási, karbantartási beavatkozásokat Erre kiválóan alkalmas a régről ismert 80/20 szabály Eszerint a lehetséges megtakarítások 80%-át a ƒ Van-e már változtatható sebességű hajtás az szivattyúrendszerek 20%-ánál lehet megvaló- adott szivattyúhoz? (Általában kevés meg- sítani. Fel kell tehát állítani a szivattyúknak azt takarítási lehetőség van akkor, ha már fel a rangsorát, ahol a rendezőelv a legnagyobb van szerelve a szivattyú VSD-vel.) megtakarítási potenciál. Az 1 ábra segítséget ƒ A szivattyú és kapcsolt részei jelleggörbéjét ad az éves energiaköltségek meghatározásá- csak a statikus nyomómagasság határozza-e hoz: ehhez ismerni kell a szivattyú teljesítmé- meg, alig van súrlódási veszteség?

(Ebben nyét és azt, hogy az idő hány százalékában az esetben kicsi a megtakarítási potenciál.) üzemel. Természetesen a villamos energia ára ƒ Csökkent-e jelentősen a rendszerrel szem- szerint korrigálni kell a diagramot; a bemuta- beni folyadékszállítási igény a szivattyú tott állapot a 0,05 USD/kWh tarifának felel üzembe helyezése óta? (Ha igen, valószínű- 61 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság leg nagy a szelepes fojtás és emiatt a fölös- rossz teljesítménytényező nemcsak az ener- leges súrlódási energiaveszteség.) giaszámla miatt kerülendő, hanem az áram- ƒ A szivattyúhoz tartozó szabályozószelep szolgáltató külön büntetéssel is sújthatja.) mindig legfeljebb 80%-ig van nyitva? (Ha ƒ A szabályozószelep alulméretezett-e, vagy a igen, a járókerék „körbenyírása” megtakarí- rosszul megválasztott típus miatt nagy-e a tást eredményezhet.) nyomásesés rajta, azaz

kicsi a Cv átfolyási ƒ Vannak-e a párhuzamosan kapcsolt több tényezője? (Például pillangószelepek lehet- szivattyúból álló egységek a rendszerben? nek előnytelenek ebből a szempontból, go- (Ebben az esetben gyakori a nem megfelelő lyós szelepekre cserélve javítható a hatásfok.) hatásfokú üzemi pont valamelyiknél.) ƒ Vannak-e a rendszerben nagy névleges for- Mindezen szempontok alapján újrarendezve a dulatszámú szivattyúk szabályozószeleppel rangsort, megkapjuk a szivattyúknak azt a kö- lefojtva? (Ez kettős energiaveszteséget rülbelül egyötödét, amelyeken a megfelelő okoz, jobb megoldás a megkerülő vezeték.) intézkedéseket végrehajtva elérhető az összes ƒ Romlott-e a szivattyú teljesítőképessége, lehetséges energiamegtakarítás négyötöde. vagy régen volt-e karbantartva? (Ha a sziA rendszert kell optimalizálni vattyú károsodása hidraulikus hézagok kialakulásában nyilvánul meg, energetikai

Érdemes kihangsúlyozni azt a korábban már szempontból érdemes felújítani; ha ellenben említett célt, hogy nem az egyes elemeket, ha- a degradálódás a belső felületek érdesedé- nem az egész rendszert kell energetikailag op- sében jelenik meg, alig eredményez a felújí- timalizálni. Ehhez ismerni kell a célokat, a kri- tás hatásfokjavulást.) tériumokat, az eredeti tervezési szempontokat ƒ Speciális, jó hatásfokú motor hajtja-e meg a (amelyek esetleg az idők folyamán már régen szivattyút? (Ezek általában nagyobb fordu- megváltoztak). A rendszer hatásfokára érvényes latszámúak, ezért gyakran a szivattyú utáni a következő hozzávetőleges összefüggés: szabályozószelep erőteljes fojtása állítja be a kívánt átfolyási sebességet – ekkor a mo- Rendszerhatásfok = tor jó hatásfoka miatti nyereség elvész a szelep vesztesége miatt.) statikus nyomómagasság statikus nyomómagasság + + súrlódási

nyomómagasság-esés ƒ Alacsony-e a motor teljesítménytényezője? (Különösen 0,6–0,7 alatti értékeknél hatásos A statikus nyomómagasság a szivattyú sajátos- a fázisjavító kondenzátorok beállítása; a sága, a súrlódási nyomómagasság-esés az álta- 62 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság la táplált vezetékrendszeré. Meglevő rendszeátlagos átfolyási sebesség reknél a vezetékek átalakítása ritkán gazdaságos, de a bennük található szelepek cseréje, illetve a változtatható sebességű hajtások beállítása a statikus nyomómagasság csökkentésére annál inkább. 1 Amint azt a 2. és 3 ábra példája mutatja, a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 naptári hónap szükséges átfolyási sebesség változhat – ez ábrázolható óránként, naponta, hetente vagy 3. ábra példa az átfolyási sebesség éves ingadozására havonta. Az ingadozás sávja fontos az energiatakarékosság szempontjából,

ezért azt meg kell határozni a múltbeli tényadatokból, vagy más módon becsülni kell a jövőre nézve. Az átlag A szivattyúk optimális üzemeltetése meghatározó az energiaköltségek szempontjából, a minimum és a maximum fontos a szi- Érdemes ezek után energetikai nézőpontból vattyú optimális méretének, a járókerék átmé- kissé részletesebben megvizsgálni a szivattyúk rőjének meghatározásához, illetve a változtat- üzemelését. A 4 ábra mutatja a munkapont ható sebességű hajtás beállításának szükséges- meghatározását, amely a szivattyú és a táplált sége szempontjából. rendszer nyomómagasság/átfolyási sebesség jelleggörbéinek metszéspontjában alakul ki. A méretezés akkor optimális, ha a kialakuló átfolyási sebesség munkapont a lehető legközelebb van a névleges üzemi ponthoz, mivel ott a legjobb a szivattyú hatásfoka. Nagyon gyakori a szivattyúk túlméretezése, 12.00 6.00 12.00 idő

6.00 ami ugyan a biztonságot esetleg növeli, de az 12.00 energiaveszteségeket mindenképpen. Nagyon káros az a hagyományos ökölszabály, hogy 2. ábra példa az átfolyási sebesség napon belüli ingadozására egy biztonsági túlméretezéshez hozzá kell adni egy másik tartalékot az ingadozások, illetve a 63 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság későbbi elhasználódás kedvéért. Ez utóbbira foka optimális marad, és a táplált csővezeték szükség van, mivel a szivattyú kapacitása súrlódási vesztesége is csökken. csökkenhet az idő múlásával a belső elhasználódás miatt. A túlzott biztonsági tartalék azon- a szivattyú jelleggörbéje nyomómagasság , láb ban komoly energiaveszteségek forrása. a rendszer jelleggörbéje a szivattyú jelleggörbéje nyomómagasság, láb 100 90 a rendszer jelleggörbéi súrlódási veszteségek statikus nyomás vagy nyomómagasság 80 70 névleges pont munkapont

60 kapacitás Q3 Q2 Qmax. 50 40 5. ábra A szelepes fojtás hatása a szivattyú működésére 30 0 1000 2000 3000 4000 5000 átfolyási sebesség, gpm A rendszer szabályozásának lehetőségei 1 láb = 0,3048 m 1 gpm = 1 gallon/perc = 3,78543 l/min 4. ábra A szivattyú munkapontjának kialakulása A rendszer átfolyási sebességének időbeli változása többféle munkapont tartós beállítását is A hagyományos módszer a túlméretezett szi- igényelheti. Pontosan elemezni kell az igénye- vattyúk esetén a szabályozószelep fojtásának ket ebből a szempontból is, és ennek alapján növelése (5. ábra) Ekkor a szivattyú munka- kell választani a rendelkezésre álló szabályo- pontja egyre távolabb kerül a névlegestől (az zási lehetőségek közül (amelyek mind külön- 1. pontból a 3-ba), így a hatásfoka is romlik, böző hatással vannak az energetikai hatásfokra amihez járul további energiaveszteségként a és az

élettartamra): szabályozószelepen keletkező többlet súrlódási ƒ Szabályozószelepek alkalmazása – a leg- veszteség. Ezzel szemben a szivattyú sebessé- egyszerűbb hagyományos módszer az átfo- gének csökkentése, vagyis változtatható sebes- lyás vagy a nyomás csökkentésére. Az 5 ségű hajtás beállítása (6. ábra) a csökkenő ábra tanúsága szerint azonban a tartós fojtás átfolyási sebességet csökkenő nyomómagasság energiapazarláshoz vezet, és a kavitáció mi- mellett teszi lehetővé, ezáltal a szivattyú hatás- att károsítja is a szelepet. 64 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság a szivattyú jelleggörbéje N1 fordulatszámnál nyomómagasság , láb a rendszer jelleggörbéi a szivattyú jelleggörbéje N2 fordulatszámnál súrlódási veszteségek a szivattyú jelleggörbéje N3 fordulatszámnál statikus nyomás vagy nyomómagasság Q3 Q2 Qmax. kapacitás 6. ábra A sebesség

változtatásának hatása a szivattyú működésére (N1 > N2 > N3) ƒ Változtatható sebességű hajtás – jó hatás- ƒ Start-stop üzemmód – kis költségű hagyo- fokú és korszerű megoldás, de csak a szük- mányos megoldás elsősorban leürítő és rá- séges átfolyási sebesség folyamatos válto- segítő szivattyúk esetén. zása és viszonylag kis nyomómagasság ese- ƒ Többsebességes motor – általában két for- tén. Nagy statikus nyomómagasságú rend- dulatszám valósítható meg speciális teker- szerek esetén alig jelent előnyt. cseléssel, így két munkapont tartós igénye ƒ Több szivattyú párhuzamos kapcsolása – esetén alkalmazható. A motor egyedi vagy kis költségű hagyományos megoldás, de kissorozatú gyártással állítható elő, ezért vi- csak lépésekben képes az átfolyás változta- szonylag drága, viszont megtakarítható a tására egy-egy szivattyú ki-bekapcsolása változtatható

sebességű hajtás elektroniká- révén. A megfelelő szivattyúk kiválasztása ja. nagy hatással van az energetikai hatásfokra. ƒ Megkerülő vezeték és szelep – egyszerű Általában a lehető legkevesebb szivattyút hagyományos megoldás, energiaveszteségei kell bekapcsolni, és azoknak a lehető leg- nagyok, és a szállított folyadék károsan jobb hatásfokúaknak kell lenniük. felmelegedhet. 65 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság A hagyományos gyakorlatban az első változat, igénybevételüket növeli, fojtótekercsre lehet a szabályozószelepes fojtás a legelterjedtebb, szükség, ha a motor geometriai távolsága a ezért annak kiváltása kisebb energiaveszteségű végfokozattól meghaladja a 30 métert. megoldással kínálja a legnagyobb energiaA legfontosabb előny a fojtás nélküli nyomás- megtakarítási lehetőséget. csökkentés, ami a szivattyú sebességének csökkenése mellett valósul meg. Mivel

a szi- Változtatható sebességű hajtások vattyú energiafogyasztása a fordulatszám harmadik hatványával arányos, az energiameg- Mint a legígéretesebb korszerű megoldás esz- takarítás kettős. Sajnos az energetikai egyenleg közei, a változtatható sebességű hajtások ér- nem ilyen rózsás, mivel a változtatható sebes- demelnek kiemelt figyelmet. Ezekben általá- ségű hajtásnak saját veszteségei is vannak. ban hagyományos kalitkás forgórészű aszink- Egyrészt magának a hajtásnak is vannak vesz- ron motort táplál változtatható frekvenciájú teségei, amit főként a félvezetős kapcsolók (variable frequency drive, VFD) hajtás. A haj- okoznak. A nem ideális szinuszos, hanem tásnál az impulzusszélesség-moduláció (pulse szögletes kimenő feszültség a motorban okoz width modulation, PWM) a leggyakoribb járulékos harmonikus veszteségeket, amelyek módszer a változtatható frekvenciájú feszült- melegedést okoznak,

ami miatt a motort túl ség előállítására. A tirisztorok korábbi domi- kell méretezni. Kóboráramok is felléphetnek a nanciája után a korszerű hajtásokban speciális forgórészben, ezért azt földelni kell, vagy a teljesítménytranzisztorok gate csapágyazást kell szigetelni. Az elektromos bipolar power transistor, IGBT) alkotják a kisülések károsíthatják az erre fel nem készí- nagyteljesítményű és félvezetős szempontból tett csapágyakat. Az említett nem szinuszos viszonylag nagy feszültségű végfokozatot. kimenőfeszültség visszahat a táphálózat felé is, Ezek frekvenciatarto- a felharmonikusok károsak lehetnek. A korsze- mányban valósítanak meg jó teljesítményté- rű hajtások mindazonáltal már el vannak látva nyezőt és hatásfokot, teljesítményük a félveze- felharmonikus-szűrőkkel. a hajtások széles (insulated tő-technika fejlődésével egyre nő. Nagy nyomaték és stabilitás érhető el kis

fordulatszám- A jó energetikai hatásfok mellett a változtatha- nál, a motor járása csendes. Vannak persze tó sebességű hajtások néhány további előnyt is hátrányok is: a motort és a kábelezést akár jelentenek: kétszeres feszültségtüskék érhetik, ami az 66 Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság ƒ ki tudják küszöbölni a motor indításakor gyakran előfordul, hogy ugyanolyan méretű fellépő nagy áramlökést, ami kíméli a mo- szivattyúkat különböző lapátokkal, például tort, a tápláló hálózatot és a vezetékeket, szélesebb vagy keskenyebb formájúakkal lehet ƒ elektronikájuk átvesz számos további funk- rendelni. Ilyenkor jó megoldás lehet a széle- ciót, például a motorvédelmet, a diagnoszti- sebb lapátokkal felszerelt járókerék helyett kát és egyéb irányítástechnikai feladatokat, keskenyebbet beszerezni. Mindezeknek a ƒ képesek még forgó terhelést újraindítani,

megoldásoknak megvan az a közös előnyük, ƒ kímélik a szivattyú által továbbított folya- hogy nem kell változtatni a szivattyú házán. dékot, javítják annak minőségét. Hasonló jellegűek azok a megoldások is, amelyek a szivattyúk belépő vagy kilépő oldalán Mi a teendő meglévő berendezéseknél, ha a változtatják meg az áramlási viszonyokat. vizsgálatok egy vagy több szivattyú túlméretezését állapították meg? A legjobb, de egyben Összeállította: Kis Miklós legdrágább megoldás általában a változtatható sebességű hajtások alkalmazása. Szóba jöhet azonban néhány egyszerűbb és olcsóbb meg- Irodalom oldás is. Ilyen például a szivattyúk lapátjainak megrövidítése, egyszerűen egy részük levágá- [1] Budris, A. R: Maximize pump system energy sával. Ha a gyártó ugyanolyan felépítésű, de savings. = Hydrocarbon Processing, 85 k 5 sz különböző méretű szivattyúkat forgalmaz, 2006. p 73–89

akkor megoldás lehet kisebb átmérőjű forgó- [2] US DoE: Energy efficiency and renewable energy – rész beszerzése is. Ilyenkor célszerű a régi best practices of motors, pumps and fans. = lapátkoszorút eltenni, hátha később úgy válto- http://www1.eereenergygov/industry/bestpractices/ zik a terhelés, hogy újra szükség lehet rá. Az is motors.html 67