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, valószínű61

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 szempontból érdemes felújítani; ha ellenben

Érdemes kihangsúlyozni azt a korábban már

a degradálódás a belső felületek érdesedé-

említett célt, hogy nem az egyes elemeket, ha-

sében jelenik meg, alig eredményez a felújí-

nem az egész rendszert kell energetikailag op-

tás hatásfokjavulást.)

timalizálni. Ehhez ismerni kell a célokat, a kri-

ƒ Speciális, jó hatásfokú motor hajtja-e meg a

tériumokat, az eredeti tervezési szempontokat

szivattyút? (Ezek általában nagyobb fordu-

(amelyek esetleg az idők folyamán már régen

latszámúak, ezért gyakran a szivattyú utáni

megváltoztak). A rendszer hatásfokára érvényes

szabályozószelep erőteljes fojtása állítja be

a következő hozzávetőleges összefüggés:

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 álta62

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. Hasonló jellegűek azok a megoldások is, ame-

dékot, javítják annak minőségét.

lyek a szivattyúk belépő vagy kilépő oldalán változtatják meg az áramlási viszonyokat.

Mi a teendő meglévő berendezéseknél, ha a 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.eere.energy.gov/industry/bestpractices/

zik a terhelés, hogy újra szükség lehet rá. Az is

motors.html

67