Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Pohony čerpadel s měniči frekvence v praxi

Regulované pohony s měniči frekvence mají v porovnání s tradičním uspořádáním po­honů mnoho předností, díky nimž se neza­držitelně prosazují v praxi. Článek informu­je o úspěšně realizovaném projektu moder­nizace pohonu čerpadel splavovací vody v úseku odsíření elektrárny a jeho přínosech.
 
Společnost Tespo engineering s. r. o. dodá­vá komplety pohonářské techniky způsobem „na klíč“. Pro své zákazníky nejenže připra­vuje v tomto oboru studie, návrhy a projek­ty, ale své projekty také realizuje a zajišťuje i následnou diagnostiku a servis zařízení. Na­vrhuje a dodává jak mechanické části poho­nů (elektromotory, převodovky, spojky a další mechanické komponenty), tak části elektric­ké a elektronické (měniče frekvence, systé­my řízení technologických procesů, elektric­ké rozváděče atd).
 
V letošním roce společnost vyřešila pro firmu Elektrárny Opatovice a. s. zajímavou úlohu s názvem Řízení a regulace výkonu čerpadel splavovací vody v technologii od­síření pomocí měničů frekvence. Cílem bylo nahradit dosavadní energeticky neefektivní a velmi poruchový (velké náklady na údrž­bu a opravy) systém regulace výkonu čerpa­del pomocí elektricky ovládaného škrticího ventilu systémem regulace výkonu čerpadel prostřednictvím měničů frekvence.
 

Řízené technologické zařízení

 
Celkový pohled na část provozního zaří­zení elektrárny, která byla v daném případě předmětem zájmu, je ukázán na obr. 1. Pří­slušné základní technologické schéma uka­zuje obr. 2. Čerpadla Č1A a Č2A jsou urče­na pro větvě 1 a 2 míchacího centra odsíření. Čerpadla Č1B a Č2B, o kterých bude v dal­ším textu řeč, jsou čerpadla odseparované vody. Čerpadla Č1C a Č2C zaskakují v přípa­dě poruchy jak čerpadel ČA, tak čerpadel ČB.
 
Odseparovaná voda, jež obsahuje části­ce popela a strusky, je čerpadly ČB čerpána do prostor kotelny (vždy pracují současně čerpadla Č1B i Č2B). Zde je použita k dopl­ňování hladiny vody ve vynašečích strusky pod jednotlivými kotly a také k ostřiku chou­lostivých částí vynašečů, na které se struska nalepuje. Množství odseparované vody do­dávané z míchacího centra do kotelny bylo původně regulováno pomocí elektricky ovlá­daného regulačního ventilu na základě úda­je průtokoměru. Vzhledem k tomu, že pře­pravovaná voda obsahuje abrazivní částice popela a strusky, bylo nutné regulační ven­til několikrát ročně nákladně opravovat. Na­víc je tento způsob regulace energeticky vel­mi nehospodárný.
 

Regulace výkonu čerpadel při použití měničů frekvence

 
S ohledem na uvedené potíže s dosavad­ním systémem regulace byl zákazníkem při­jat návrh použít k regulaci výkonu čerpadel odseparované vody měniče frekvence. Při re­alizaci návrhu bylo nutné vyřešit dva ne zcela obvyklé technické problémy. Jeden se týkal umístění měničů frekvence a druhý způsobu regulace výkonu čerpadel.
 

Umístění měničů frekvence

Čerpací stanice obou technologických vět­ví se nachází ve venkovním prostředí, mimo budovu, ve které je strojovna, rozvodna elek­třiny a velín. K zamezení šíření elektromag­netického rušení (jehož vydatným zdrojem je zejména silový kabel mezi měničem frekven­ce a elektromotorem) bylo rozhodnuto umís­tit měniče frekvence do venkovního prostředí do blízkosti čerpadel. Délka silového kabelu mezi měniči a elektromotory čerpadel je řá­dově jednotky metrů (obr. 3). Při takto krát­kém kabelu je intenzita elektromagnetického rušení minimální. Použity jsou měniče frek­vence od firmy Vonsch, typ Uniferm 400 075//IP55. Jde o novou generaci měničů frekvence s moderními výkonovými prvky, které opro­ti dosud běžně používaným prvkům vykazu­jí asi poloviční ztráty. K dosažení vysokého stupně krytí IP55 mají použité měniče zdo­konalenou konstrukci využívající k chlazení přímo okolní vzduch, bez instalace jakých­koliv filtrů (chladicí část měniče je odděle­na od výkonové a řídicí elektroniky – obr. 5).
 

Způsob regulace výkonu

Výchozím údajem při regulaci výkonu čerpadel (jejich otáček) je údaj průtokoměru, který měří množství vody dodávané do kotel­ny. Požadovaná hodnota průtoku závisí např. také na tom, kolik kotlů je zrovna v provo­zu. Dále musí mít operátor možnost udržo­vat v nádržích větví 1 a 2 míchacího centra přibližně stejnou hladinu. Zde již vstupují do regulačního procesu i drobné nesrovnalosti hydraulického systému, jako např. míra opo­třebení čerpadel Č1B a Č2B či malé rozdíly v potrubním systému obou čerpadel. Tento problém je vyřešen tím způsobem, že operá­torům je umožněno čerpadla trochu „rozvá­žit“ v rozmezí ±5 % aktuálních otáček. Roz­vážení mohou operátoři nastavit ručně, podle potřeby a zkušeností.
 

Základní regulace

Základní regulace výkonu čerpadel probí­há v daném případě tak, že obě čerpadla pra­cují na stejných otáčkách. Tímto se zamezí jejich „přetlačování“ v hydraulickém systé­mu a riziku, že jedno čerpadlo tlakově uza­vře a nepustí do systému čerpadlo druhé (mo­hou být zničeny ucpávky a následně mecha­nicky poškozena čerpadla). Operátor má dále možnost použít ruční „rozvážení“ v mezích ±5 % otáček, což je pro provoz dvou čerpadel v hydraulickém systému bezpečné.

Energetická náročnost systému s regulačním ventilem a systému regulace pomocí měničů frekvence

 
Na obr. 4 je ukázána přibližná Q-H cha­rakteristika (závislost dopravní výšky H na průtoku Q) spolupracujících čerpadel při různých otáčkách a přibližná zatěžovací cha­rakteristika hydraulického systému. Hydrau­lický systém se totiž chová poněkud jinak, než si představoval dodavatel odsiřovacího zařízení, a není proto re­levantním způsobem po­psán. Uvedené charakte­ristiky byly získány z úda­jů nashromážděných při zaměřování a následném uvádění čerpací stanice do provozu. Zatěžovací charakteristika hydraulic­kého systému je také zjed­nodušena. Při změně otá­ček (průtoku a tlaku) se mění i zatěžovací charak­teristika. Pro názornost a jednoduchost je uvažo­vána křivka podle obr. 4.
 
Podle počtu kotlů, kte­ré jsou v provozu, se z mí­chacího centra dopravu je asi 400 až 600 m3/h vody. Při paralelním provozu při jmenovitých otáčkách a při zcela otevřeném regulačním ventilu jsou obě čer­padla společně schopna dodávat do kotelny asi 660 m3/h vody.
 
Příkon absorbovaný čerpadlem (výkon elektromotoru) lze určit podle vztahu
 
Pabs = (kHQSg)/η          (1)
 
kde
Pabsje příkon absorbovaný čerpadlem (kW),
H dopravní výška (m. v. s., tj. metr vodního sloupce),
Q průtok (m3/h)
Sgspecifická hmotnost přepravované směsi (–), v daném případě Sg = 1,1,
η účinnost čerpadla (–),
k konstanta umožňující určit výkon v kilo­wattech při zadání průtoku v krychlových metrech za hodinu, zde k = 1/360.
 
Vztah (1) lze použít k základnímu porov­nání energetické náročnosti systému se škrti­cím regulačním ventilem a systému pro regu­laci výkonu (otáček) čerpadel s použitím mě­ničů frekvence. Výsledky výpočtu pro jedno soustrojí motor-čerpadlo jsou uvedeny v tab. 1. Celkové množství odseparované vody dodáva­né do kotelny je přitom pro jednoduchost roz­loženo rovným dílem na obě čerpadla.
 
Z výsledků uvedených v tab. 1 je patrné, že systém s měniči frekvence uspoří v po­rovnání se systémem se škrticím regulačním ventilem při Q = 600 m3/h asi 18 kW·h, při Q = 500 m3/h a Q = 400m3/h asi 30 kW·h elektrické energie a u jednoho čerpadla za ho­dinu. Pro provoz celé čerpací stanice, tedy dvou čerpadel, se vše násobí dvěma. Zave­dení měničů frekvence tudíž nejenom spoří náklady na údržbu systému dopravy odsepa­rované vody, ale také významně spoří elek­trickou energii.
 

Závěr

 
Z úvah a výsledků výpočtů předložených v článku je zřejmé, že přechodem na moder­ní, energeticky efektivní metody řízení chodu čerpadel lze uspořit značné množství elektric­ké energie. Autor je názoru, že by bylo vhod­nější podporovat použití moderní techniky tohoto druhu všude, kde to připadá v úvahu, než nesmyslně dotovat neefektivní a nehez­ké monstrózní stavby solárních elektráren, které začaly hyzdit dokonce i úrodná pole a louky Moravy.
Ing. Radek Strnad,
 
Obr. 1. Pohled na míchací centrum odsíření, v němž byl modernizován způsob řízení čerpadel
Obr. 2. Zjednodušené technologické schéma úseku čerpadel míchacího centra odsíření
Obr. 3. Měniče frekvence jsou z důvodu minimalizace elektromagnetického rušení umístěny ve venkovním prostředí v bezprostředním sousedství čerpadel
Obr. 4. Q-H charakteristiky jednoho čerpadla a zjednodušená zatěžovací charakteristika hydraulického systému (m. v. s. – metr vodního sloupce) H (m. v. s.)
Obr. 5. Použité měniče frekvence Vonsch Uniferm 400 075/IP55 mají zdokonalenou konstrukci využívající k chlazení přímo okolní vzduch
 

Tab. 1. Výkon absorbovaný jedním čerpadlem v závislosti na způsobu regulace průtoku a pra­covním režimu čerpadla