Szivattyúk üzemeltetése
2009/12. lapszám | VGF&HKL online | 5234 |
Figylem! Ez a cikk 16 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
való részesedése hozzávetőlegesen 30%-ot tesz ki – ezzel az aránnyal a szivattyúk az ipar legnagyobb energiafogyasztóivá lépnek elő. Energiaigényük mérséklése így valamennyi berendezés esetében sarkalatos kérdés; egyedi mérnöki megoldások helyett pedig hatékony, univerzális módszerekre van szükség.
A szivattyúk elektromos energiafelvételben
való részesedése hozzávetőlegesen 30%-ot tesz ki – ezzel az aránnyal a szivattyúk az ipar legnagyobb energiafogyasztóivá lépnek elő. Energiaigényük mérséklése így valamennyi berendezés esetében sarkalatos kérdés; egyedi mérnöki megoldások helyett pedig hatékony, univerzális módszerekre van szükség. A szivattyúgyártók különféle műszaki megoldásokkal állnak az üzemeltetők rendelkezésére: fordulatszám-szabályozott gépegységekkel, a járókerék átmérőjének méretre szabásával és energiahatékony motorok beépítésével járulhatnak hozzá az áramfelvétel csökkentéséhez. Nem létezik egyetlen, kész megoldás, mely minden alkalmazás esetében egy az egyben átültethető lenne. Létezik azonban számtalan lehetőség, melyekkel a különféle berendezések gazdaságossági és ökológiai potenciálja kiaknázható.
1. diagram: Elektromos hajtású gépek energiafelvételének megoszlása – az ipar összes energiaigényének 64%-a.
A folyadékokat szállító berendezések lelke maga a szivattyú. A bevett gyakorlat különösen a kisebb méretű szivattyúk kiválasztására és működtetésére nem fordít kellő gondot, holott már csak roppant nagy számuk miatt is sokat nyomnak a latba, mind gazdaságossági, mind pedig ökológia szempontból.
Az a tény, hogy hozzávetőlegesen az elektromos energia 30%-át a szivattyúk üzemeltetése emészti fel, önmagában óriási megtakarítási potenciált jelent. Mialatt a nagy teljesítményű szivattyúk kiválasztása és megvásárlása során rendszerint az életciklus-költségeket is figyelembe veszik, addig a kisebb szivattyúk nagy részénél helytelen módon pusztán a beruházási költségek számítanak.
A legalaposabb, a szivattyúk ipari alkalmazásaira vonatkozó vizsgálatot az amerikai Energia Minisztérium (US Department of Energy) tette közzé, melynek során több mint 2,4 millió, az iparban különféle feladatot ellátó szivattyút értékeltek. A kutatás keretében megvizsgált szivattyúk összes energiaigénye éves szinten 142 000 GWh-át tesz ki, ami körülbelül a német iparban bevetett elektromotorok összes energiafelvételének felel meg.
2. diagram: Szivattyúk eloszlása és a mindenkori teljesítménytartomány; teljesítményfelvétel az adott teljesítménytartományban. A vizsgálat tárgyául 2,4 millió darab, különféle amerikai iparágakban üzemeltetett szivattyú szolgált.
Amennyiben a szivattyúkat teljesítménytartomány szerint összefoglaljuk, a következő képet kapjuk: Az iparban használt szivattyúk egynegyedének névleges teljesítménye 4 kW vagy ennél kisebb, a szivattyúk 32%-ának névleges teljesítménye 4-15 kW-ig terjed. A 2. diagram felső görbéje a szivattyúk teljesítménytartományonkénti energiafelvételét mutatja. Itt nyilvánvalóvá válik, hogy az energiafelvétel 50%-a a 40 kW-nál kisebb teljesítményű szivattyúknak tulajdonítható; azaz pontosan azoknak a szivattyúknak, melyek kiválasztására nem fordítanak kellő gondot.
Hatásfokjavulás
Az emelőmagasság- és térfogatáram-értékek ismeretében az energiafelvétel optimalizálására egy sor lehetőség kínálkozik.
Fordulatszám-szabályozott hajtások
A fordulatszám-szabályozás az energiafelhasználás befolyásolásának leghatékonyabb módja, hiszen a fordulatszám megváltoztatásával a szivattyú térfogatáramát pontosan a berendezés igényéhez igazíthatjuk. A kiválasztási folyamat során a szokásos módon kalkulálnak, tűrések és biztonsági tartalékok szükségtelenné válnak. Kiegyenlíthetők a kérgesedés által fellépő csővezetéki súrlódási veszteségek is, mivel a legtöbb frekvenciaváltó és szivattyú a szinkron fordulatszámnál gyorsabban is üzemeltethető.
A modern frekvenciaváltók tulajdonképpen speciális tervezésű számítógépek. A száz- meg százféle beállítási lehetőség lehetővé teszi, hogy ugyanazt a frekvenciaváltót építsük be egy liftbe, egy kőzúzó malomba vagy akár egy szivattyúba. Ez a műszaki sokoldalúság azonban csak abban az esetben kifizetődő, amennyiben a mérési és szabályozási feladatokért felelős szakember alapos szivattyúismeretekkel rendelkezik, illetve a szivattyút kezelő személyzetnek kell parametrizálnia a fordulatszámot.
A szivattyúgyártók egybehangzó véleménye szerint a legtöbb esetben célravezető egy üzemkész, előre összeállított hajtási rendszert a vevő rendelkezésére bocsátani. A gyártók az adott szivattyúra specializált megoldásokat kínálnak készre szerelt, üzemkész fordulatszám-szabályozási rendszereikkel.
3a. diagram: A kapcsolószekrényes és a motorra szerelt fordulatszám-szabályozási rendszerek rendszertopológiája.
A menüben szereplő paraméterek és kifejezések kimondottan szivattyús alkalmazásokhoz igazodnak. Az üzembe helyezés pusztán néhány alkalmazás-specifikus paraméter megadására korlátozódik, mint például a minimálisan szállított mennyiség megadása.
A szivattyú kifogástalan működéséhez további felügyeleti funkciók járulnak hozzá; segítségükkel csökkenthető a szivattyú és a berendezés kopása, a költségek leállások pedig elkerülhetők.
A fordulatszám-szabályozással kombinált szivattyúajánlat a beszerelés tekintetében is előnyöket hordoz. A vevőspecifikus, kapcsolószekrényes szabályozás esetén a kapcsolószekrényt külön be kell szerelni és kábelezni; ezzel szemben az előre beállított paraméterekkel szállított fordulatszám-szabályozási rendszer könnyedén a szivattyúra szerelhető, és azonnal üzemkész.
A 4. számú diagram a motorra szerelt változat kapcsolószekrénnyel szembeni költségelőnyét mutatja. Eltekintve a 30 kW feletti teljesítménytől, a motorra szerelt változat minden esetben előnyösebb. Az alacsonyabb beszerzési költségeken túl e változat mellett szólnak az alacsonyabb üzembe helyezési költségek, a rövidebb beszerelési idő, valamint a kisebb helyigény is.
3b. diagram: A kapcsolószekrényes és a motorra szerelt fordulatszám-szabályozási rendszerek rendszertopológiája.
Motorhatékonyság
Az utóbbi években egyre inkább teret nyert az 1-es hatékonysági osztályba sorolt motorok alkalmazása. A nagyobb réz- és vastartalomnak köszönhetően alacsonyabb az elektromos, illetve mágneses ellenállás, ezáltal pedig nagyobb hatékonyság érhető el. Az ilyen típusú motorok beruházási költségei mindazonáltal jelentős mértékben meghaladják a hagyományos hajtásokét.
5,5 kW-os teljesítménytől felfelé azonban a motorhatékonyságból származó előny már erősen korlátozott; a motor hatásfoka csupán 2%-kal vagy még kisebb mértékben javítható. Az összhatásfokot a motornak a szivattyúéval multiplikált hatásfoka adja.
4. diagram: A beruházási költségek összehasonlítása kapcsolószekrényes és motorra szerelt fordulatszám-szabályozás esetén (a hajtás, a kábel és a kapcsolószekrény piaci árának figyelembevételével).
Munkapontra esztergált járókerék
A szivattyúgyártók egy része az autóeladáshoz hasonlóan értékesíti szivattyúit: minden megbízást pontosan az adott vevői specifikáció szerint teljesítenek. Mások egy bizonyos szivattyú-raktárkészlettel rendelkeznek, a mindenkori vevői igényeket pedig ebből elégítik ki. Ezekbe a szivattyúkba biztonsági tartalékokat kalkulálnak, ami azonban a beépítést követően nagyobb energiafelvételt eredményez.
Egy fixen méretezett járókerékkel ellátott szivattyú munkapontra esztergált társaihoz képest átlagosan 10%-kal vesz fel több energiát. Ez az érték kevésbé szerencsés esetekben, mint ahogyan az a 7. számú diagramon is látható, valamivel magasabb is lehet. Tegyük fel, hogy egy adott feladat ellátása 46 kW teljesítményfelvételt igényel. Ez esetben egy 45 kW-os motor alkalmazása természetesen nem elegendő, ezért a szivattyút 55 kW-os motorral és 46 KW-osra leesztergált járókerékkel látjuk el. A munkapontra esztergált járókerékkel felszerelt szivattyú ily
5. diagram: Az 1-es és 2-es hatékonysági osztályba sorolt motorok összehasonlítása.
módon 46 kW-osnak számít. Ha a szivattyúgyártó ajánlatában fixen méretezett járókerék-átmérők szerepelnek, egy 55 kW-os szivattyút 55 kW-os járókerékkel ajánlanak ki, az üzemeltető pedig tolózárak segítségével fojtásos szabályozást alkalmaz. Ennek eredményeként a szivattyú a részterheléses tartományban üzemel, ami miatt az energiafelvételt csökkentettük ugyan, de csupán kis mértékben, 54 kW-ra. Ez a szivattyú 17%-kal több energiát igényel, mint a leesztergált járókerékkel ellátott társa. Ez hosszú távú működtetés esetén éves szinten 64 000 kWh veszteséget jelent; 0,07 euró/kWh-s áramárat alapul véve a felmerülő plusz energiaköltségek 4480 eurót tesznek ki évente. Ez azt jelenti, hogy a többlet energiaköltségek kevesebb, mint két éven belül meghaladják a szivattyú beszerzési költségét.
Egy a munkapontra esztergált járókerékkel ellátott szivattyúval (fix fordulatszámú alkalmazásoknál), szemben az olyan szivattyúkkal, melyeket fixen méretezett járókerékkel láttak el, átlagosan 10%-os energia-megtakarítás érhető el, mivel a szivattyú teljesítménye a berendezés tényleges igényéhez igazodik.
6. diagram: A munkapontra méretezett, illetve fix átmérőjű járókerekek energiafelvételében 20%-os eltérés mutatkozik.
Összefoglalás
A 40 kW alatti névleges teljesítményű gépegységekben jelentős megtakarítási potenciál rejlik. A kiválasztás során kalkulált biztonsági tartalékok negatívan hatnak az energiaegyensúlyra, sok esetben azonban nem kerülhetők el.
Energia-megtakarításra és a berendezés hatékonyságának maximalizálására a fordulatszám-szabályozott hajtások nyújtanak ideális megoldást. A szivattyú és a motorra szerelt fordulatszám-szabályozott hajtás kombinációja a berendezés számára is előnyöket hordoz.
Amennyiben a fordulatszám-szabályozás alkalmazása műszaki vagy finanszírozási okokból nem lehetséges, ugyanezt a megtakarítást elérhetjük a munkapontra esztergált járókerékkel is; ez azonban állandó üzemi körülményeket feltételez.
Az 1-es hatékonysági osztályba sorolt motorok a hatékonyságjavulásához további 1-3%-kal járulhatnak hozzá. Alkalmazásuk fordulatszám-szabályozással vagy a járókerék munkapontra méretezésével kombinálható.
Dr. Dirk Kollmar, Katrin Abraham
