Odzysk energii hydraulicznej za pomocą pomp wirowych wielostopniowych w ruchu turbinowym

(1)

ZESZYTY NAUKOWE PO LITECH NIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 125

1995 N r kol. 1280

Maciej ZARZYCKI, J a n RDUCH

In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych, P olitechnika Śląska

O D Z Y S K E N E R G I I H Y D R A U L I C Z N E J Z A P O M O C Ą P O M P W I R O W Y C H W I E L O S T O P N I O W Y C H W R U C H U T U R B I N O W Y M

S tr e s z c z e n ie . W publikacji przedstaw iono w ybrane wyniki badań zrealizow anych w L aboratorium Z akładu M aszyn i U rządzeń H ydrauli

cznych In sty tu tu M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej dotyczące pomp wirowych wielostopniowych w ruchu pompo

wym i turbinow ym . Podano w yniki ank iety przeprowadzonej w kopal

niach w ęgla kam iennego dotyczące możliwości odzysku energii za po

mocą m aszyn hydraulicznych. Zaprezentow ano stanow iska do badań pomp oraz przeanalizow ano w łasności m aszyn hydraulicznych wiro

wych w obu reżim ach pracy. Podano wnioski w ynikające z omawianych serii badań. A nalizę i b ad an ia przeprow adzono w ram ach realizacji projektu badawczego pt. „Odzysk energii traconej w różnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych m aszyn wirowych”.

THE RECOVERY OF HYDRAULIC ENERGY BY MEANS OF IMPELLER M ULTI-STAGE P U M P S A P PL IE D AS HYDRAULIC TURBINES

S u m m ary. The pap er provides selected experim ental resu lts of in  vestigations im peller m u lti-sta g e pum ps applied as pum ps and tu r bines carried out in th e Laboratory of H ydraulic M achines and In sta lla tions a t th e Technical U niversty of Silesia. The resu lts of questionnaire concerning th e possiblity to recover th e energy by m eans of hydraulic m achines, carried out in colliers h as been described. The te s t—stan ds for investigations of im peller pum ps applied as tu rb in es have been presented. The properties of hydraulic im peller m achines have been analysed in both modes of operation. B asing on th e m easurem ents series conclusions have been draw n. B oth th e analysis and investiga

tions have been carried out w ithin th e scope of th e realized research project „The recovery of w aste energy by m eans of hydraulic m achines”.

(2)

80 Maciej Zarzycki, Jan Rduch

RÜCKGEW INNUNG HYDRAULISCHER ENERGIE DURCH M EH RSTUFFIG EN K R EISE LPU M PEN IM TU RBIN EN BETRIEB

Z u sa m m en fa ssu n g . In diesem A ufsatz w urden ausgew ählte Ergeb

nisse der U ntersuchungen von m ehrstuffigen K reiselpum pen im Pum p e n - und T urbinenbetrieb vorgestellt, die im Labor der hydraulischen M aschinen u n d E in richtungen der Technischen U n iversität in Gliwice durchgeführt worden w aren. Es w urden auch R esultate der Umfrage in Steinkohlenbergw erken über die M öglichkeit der Energie

rückgew innung durch hydraulische M aschinen gegeben. Die Ver

suchstande fü r P u npen u n tersu ch u n g en w urden vorgelegt und die Eigenschaften der hydraulischen K reiselm aschinen in beiden B etriebsbedingungen erörtert. Die aus Reihen von M essungen der hydraulischen M aschinen hervorgehende Schlußsvolgerungen sind zusam m engefügt worden. Diese U n tersu ch ungen un d eine detalierte Analyse w aren in R ahm en des W issenschaftprojekts u.T.

„Rückgewinnung einer verschw undenen E nergie in Produktionsprozes

sen d urch hydraulische K reiselpum pen” gem acht worden.

1. WPROWADZENIE

Realizując prace ukierunkow ane n a zwiększenie oszczędności energii w coraz większym zakresie zaczyna się zwracać uw agę n a racjonalne wykorzy

stanie zasobów energetycznych, w tym także źródeł odnawialnych energii jak:

wody, w iatru, słońca, źródeł geoterm icznych i biogazu.

Niezależnie od w ykorzystania energii wody w M ałych Elektrow niach Wod

nych zw raca się uwagę n a potencjalne źródła energii w procesach przemysło

wych, w których ze względów technologicznych dokonuje się rozprężania cieczy [3, 4, 6, 10, 13]. A ktualnie do tego celu najczęściej są stosowane zawory dławiące zmniejszające ciśnienie cieczy bez w ykorzystania do pracy użytecz

nej. Ten sposób, w praw dzie łatw y do zrealizow ania, ale zw iązany je s t ze stratam i. Aby tem u zapobiec, m ożna stosować m aszyny hydrauliczne. Maszy

nam i stosow anym i do rekuperacji energii mogą być tu rb in y hydrauliczne (wodne) dotychczas stosow ane w Małej Energetyce Wodnej (K apłana, śmigło

we, rurow e, Francisa, B anki-M ichella, Peltona) oraz w celu obniżenia ko

sztów inwestycyjnych instalacji również pom py wirowe w ru chu turbinowym (o różnych liczbach stopni i układach konstrukcyjnych).

Ponieważ aktu aln ie w k ra ju nie buduje się seryjnie m ałych tu rb in h y d rau licznych, które mogłyby być stosow ane do rekuperacji energii, dlatego zajęcie się zagadnieniem pomp wirowych w ru chu turbinow ym , które produkowane są w kraju , je s t celowe i uzasadnione.

W ruchu turbinow ym dla niższych ciśnień (mniejszych spadów) stosuje się pompy wirowe jednostopniow e, a dla wyższych ciśnień (spadów) pompy wiro

we wielostopniowe. Ponieważ zastosow anie pomp wirowych do pracy turbino

(3)

Odzysk energii hydraulicznej za pomocą pomp wirowych. 81

wej je s t mniej rozeznane i upowszechnione, dlatego badania teoretyczne i do

świadczalne dotyczące tego zagadnienia podjęto w ram ach projektu badaw czego pt. „Odzysk energii traconej w różnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych m aszyn wirowych” finansow anego przez Kom itet Ba

dań Naukowych.

Zajęto się między innym i zagadnieniam i zastosow ania pomp wirowych w ruchu turbinow ym do odzysku energii traconej w instalacjach, w których występuje redukcja ciśnienia bądź zrzuty cieczy.

Aby właściwie wykorzystać potencjał naukow y pracowników zajmujących się m aszynam i i urząd zen iam i hydraulicznym i oraz istniejące w laboratoriach stanow iska badawcze i przyspieszyć opracow anie projektu badawczego, a więc zmniejszyć nakład y finansowe, b ad an ia były realizow ane w Zakładzie Maszyn i U rządzeń H ydraulicznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach oraz w Zakładzie D ynam iki Cieczy In sty tu tu M aszyn Przepływowych PAN w G dańsku. B adania dotyczące pomp wirowych jednostopniowych były pro

wadzone w IM P PAN G dańsk [1,5], a prace w zakresie pomp wirowych wielostopniowych były realizow ane w Politechnice Śląskiej [2, 9, 11].

Nadm ienić należy, że w lite ra tu rz e naukow ej i technicznej n a te m a t pracy pomp wirowych wielostopniowych w ru ch u turbinow ym dotychczas było b a r

dzo mało publikacji.

W tej publikacji przedstaw iono w ybrane w yniki uzyskane z badań pomp wirowych wielostopniowych w ru chu pompowym i turbinowym .

2. PRZEGLĄD MOŻLIWYCH ZASTOSOWAŃ W PRZEMYŚLE WĘGLOWYM

W celu zorientow ania się w rzeczywistym w ym iarze zjawiska, zinw enta

ryzow ania istniejących w kopalniach zrzutów cieczy, poznania ich p aram e

trów energetycznych i oceny opłacalności odzysku ich energii i uzasadnienia podjęcia prac n ad potrzebnym i do tego celu m aszynam i hydraulicznym i prze

prowadzono w 1992r. w kopalniach ankietyzację.

W tym okresie w polskim przem yśle węglowym działało 70 głębinowych kopalń węgla kam iennego. Do w szystkich tych kopalń wysłano ankietę wraz z pism em w yjaśniającym jej cel. W ypełnioną ankietę nadesłało 38 kopalń.

W 18 z nich m a miejsce niew ykorzystany zrzu t cieczy. Pełne dane charaktery

zujące niew ykorzystane zasoby energii cieczy ujęto w publikacji [10].

Jedn ym ze sposobów w ykorzystania energii wód zrzucanych w kopalniach w ę g la kam iennego może być jej zam ian a n a energię elektryczną w zespołach:

tu rb in a hydrauliczna - gen erator p rą d u elektrycznego. Przyjm ując, że kopal

n ia byłaby zaintereso w ana zainstalow aniem takiego zespołu przy wartości u zy sk anej energii elektrycznej m inim um IĄi = 100 m in zł w skali roku, moc w ym aganego do tego cieku Nc m ożna w stępnie oszacować na:

(4)

vr K el__________1 OOP OOP OOP

c tit ■ Tle ■ x • kj 0,6 0,8 ^■7500 ^•1200 ^’ [ ^ gdzie:

i]T = 0,6 — spraw ność turbiny, T|q = 0,8 - spraw ność generatora,

t = 7500 [h] - czas eksploatacji zespołu w skali roku,

kj = 1200 [zł/kW] — cena energii elektrycznej (cena 1 kW h oraz opłata sta ła za moc znam ionową czynną i b ierną w 1992 r.).

Z danych otrzym anych z kopalń wynika, że ta k i w aru nek spełnia siedem z rozpoznanych cieków, przy czym w czterech z nich zysk ten byłby ponad dw ukrotnie wyższy. W ek strem alnym w ym iarze w jednej z kopalń liczona w edług wyżej wym ienionych założeń w stępnych w artość uzyskanej w skali roku energii elektrycznej wyniosłaby (według cen w 1992 r.) ponad 900 min zł.

Sum aryczna w artość energii elektrycznej uzyskanej w ciągu jednego roku z wyżej wymienionych siedm iu cieków wyniosłaby (według cen w 1992 r.) 2122 m in zł.

N iezależnie od w ykorzystania zrzu tu cieków podziem nych w ystępuje możli

wość odzysku energii traconej również i n a powierzchni, np. w zakładach przeróbki m echanicznej.

3. MASZYNY HYDRAULICZNE WIROWE W RUCHU POMPOWYM I TURBINOWYM

Pompy są m aszynam i roboczymi przenoszącym i energię m echaniczną po

b ra n ą ze źródła zew nętrznego n a ciecz (bądź np. m ieszaninę cieczy i ciał stałych) przez n ią przepływającą. Pompy zabudow ane w układach lub in stala

cjach pompowych służą do podnoszenia cieczy z poziomu niższego n a poziom wyższy bądź przetłaczanie cieczy z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym. W pom pach ciecz dopływa do króćca dopływowego (ssaw

nego) pod niskim ciśnieniem (o niskiej energii), a następnie przepływając przez w irnik pobiera energię m echaniczną i wypływa przez króciec tłoczny pod wyższym ciśnieniem (rys. 1 - „P”).

N atom iast m aszyny hydrauliczne przetw arzające energię cieczy n a pracę użyteczną są silnikam i hydraulicznym i. W przypadku m aszyn wirowych tymi silnikam i hydraulicznym i są tu rb in y hydrauliczne (wodne) lub pompy wirowe pracujące w ru ch u turbinowym . W silnikach hydraulicznych ciecz dopływa przez króciec dopływowy pod wysokim ciśnieniem i następnie w wirniku oddaje energię hydrauliczną (zam ienianą n a energię m echaniczną) i wypływa przez króciec odpływowy pod zmniejszonym ciśnieniem (rys. 1 - „T”) .

(5)

Rys. 1. Schem at konstrukcyjny pom py wirowej jednostopniow ej. P - ruch pompowy, T - ruch turbinow y

Fig. 1. Scheme of a o n e-stag e im peller pum p. P - u sed as fluide mover, T - used as hydraulic tu rb in e

Pod względem energetycznym praca turb in o w a stanow i odwrócenie pracy pompowej. Pompy wirowe pracujące w ru ch u turbinow ym posiadają przeciw

ny kierunek obrotów w irnik a ja k w ru ch u pompowym.

Przem iany energetyczne w wirowej m aszynie hydraulicznej (pompie bądź turbinie) przy przepływie izoterm icznym nieściśliwej cieczy nielepkiej przez wirnik o nieskończenie wielkiej liczbie łopatek (przepływ osiowo-symetrycz- ny) opisane są rów naniem E u lera dla m aszyn wirowych. W rzeczywistej maszynie wirowej (przepływ cieczy lepkiej, w irn ik o skończonej liczbie łopa

tek) param etry pracy są, w zależności od reżim u pracy, niższe bądź wyższe.

W przypadku pracy pompowej użyteczne p a ra m etry pracy m aszyny są m niej

sze od param etrów teoretycznych o spraw ność przekazyw ania energii w w ir

niku o skończonej liczbie łopatek i s tra ty hydrauliczne zw iązane z przepły

wem cieczy lekkiej. N ato m iast w pracy turbinow ej konieczne je s t dostarczenie do wirnika więcej energii (o s tra ty ja k wyżej), niż to w ynika z param etrów teoretycznych. Jeżeli dana pompa w pracy pompowej osiąga param etry znamio

nowe w punkcie „P” (rys. 2.), to ta sam a m aszyna stosowana jako turbina wymaga dostarczenia więcej energii, określonej param etram i punktu „T” (rys. 2.)

(6)

r a c a u r b i n o w a

P r a c a p o m p o w a

Rys. 2. C harak tery sty k i pompy w ru ch u pompowym i turbinow ym Fig. 2. Perform ance of a pum p in pum p duty and tu rb in ę duty

4. SCHEMATY ROZWIĄZAŃ NAPĘDÓW ZA POMOCĄ TURBIN

HYDRAULICZNYCH BĄDŹ POMP WIROWYCH W RUCHU

TURBINOWYM

T urbiny hydrauliczne (wodne) bądź pompy wirowe w ruchu turbinowym mogą napędzać m aszyny robocze bezpośrednio bądź pośrednio poprzez odpo

wiednie przekładnie. W przypadku jeżeli m aszyną roboczą je s t generator elektryczny i energia elektryczna przekazyw ana je s t do system u energety

cznego (bądź gdy tego w ym agają w aru nk i ruchowe), to turbozespół hydrauli

czny m usi być wyposażony w odpowiednią autom atykę i regulację.

Z różnych możliwych rozw iązań technicznych poniżej omówiono trzy przy

p adki najczęściej stosowanych rozw iązań napędów. Pokazano turbozespoły hydrauliczne składające się z:

- tu rb in y (bądź pompy w ruch u turbinow ym ) i g eneratora elektrycznego (rys. 3),

- tu rb in y (bądź pompy w ruch u turbinow ym ) i pompy wirowej (lub innej m aszyny roboczej), (rys. 4),

- tu rb in y (bądź pompy w ruchu turbinowym ), pompy wirowej (lub innej m aszyny roboczej) i dodatkowo silnika elektrycznego (rys. 5).

Rozwiązanie przedstaw ione n a ry su n k u 3 je s t dotychczas powszechnie sto

sowane w m ałych elektrow niach wodnych (MEW). Rozwiązanie to może być

(7)

stosow ane także do odzysku energii traconej w różnych procesach technologi

cznych, zwłaszcza wtedy gdy nie je s t możliwe zastosow anie rozw iązań przed

staw ionych poniżej. Zaletą tego rozw iązania je s t bezpośredni napęd gene

ra to ra elektrycznego. W rozw iązaniu tym mogą być stosow ane generatory p rą d u przem iennego (synchroniczne lub asynchroniczne) lub stałego. G ener

atory asynchroniczne można stosować wyłącznie w „sieciach sztywnych”, w których p aram etry prądu są utrzym yw ane przez generatory synchroniczne.

D la m ałych mocy jako generatory asynchroniczny m ożna stosować sta n d ardow e silniki asynchroniczne. Zastosow anie generatorów synchronicznych bądź generatorów prąd u stałego w ym aga stosow ania odpowiednich układów regulacji. Można je jed n ak stosować również w sieciach wydzielonych.

Rozwiązanie podane na ry su n k u 4 je s t stosow ane w różnych układach technologicznych. W tym przypadku tu rb in a hydrauliczna (wodna) bądź po

m pa w ruchu turbinowym napędza m aszynę roboczą (inną ja k generator elektryczny). Rozwiązanie to może być również stosow ane do rekuperacji energii w różnych instalacjach przemysłowych, tam gdzie ciecz odpływa z u k ład u technologicznego pod ciśnieniem . Rozwiązanie to podczas badań z pom pą wirową wielostopniową w ru ch u turbinow ym było zrealizowane w jednej z kopalń węgla w zakładzie przeróbki m echanicznej. Zaletą tego

Rys. 3. Zespół tu rb in a - g en erato r Fig. 3. A u n it hydraulic turbine/electric generator

(8)

D O P Ł Y W WODY

Rys. 4. Zespół tu rb in a - m aszyna robocz.

Fig. 4. A u n it hydraulic turbine/w orking m achine

Rys. 5. Zespół tu rb in a - m aszyna robocza - silnik elektryczny Fig. 5. A u n it hydraulic turbine/w orking m achine/electric m otor

(9)

rozw iązania je s t polepszenie bilan su energetycznego całego u k ład u technolo

gicznego n a sk u tek odzysku energii, k tó ra n orm alnie byłaby bezpowrotnie straco na dla celów użytecznych.

Rozwiązanie pokazane na ry su n k u 5 je s t również stosow ane w różnych instalacjach (układach technologicznych) do odzysku energii. W rozw iązaniu podanym w tym przykładzie tu rb in a hydrauliczna (wodna) bądź pompa w r u chu turbinow ym napędza pompę w irową (lub in n ą m aszynę roboczą). Niedo

bór mocy do napędu maszyny roboczej dostarcza silnik elektryczny. Zaletą takiego rozw iązania je s t rekuperacja energii przy stosunkowo prostym roz

w iązaniu turbozespołu hydraulicznego. N apęd m aszyny roboczej za pomocą dwu silników (hydraulicznego i elektrycznego) w ym aga jed n a k odpowiedniej autom atyki i regulacji utrzym ujących sta łą prędkość obrotową oraz um ożli

wiających właściwe uruchomienie, prow adzenie w ru ch u i zatrzym yw anie turbozespołu.

W system ach odzysku energii hydraulicznej, ze względów energetycznych, inwestycyjnych i eksploatacyjnych, najbardziej korzystne je st rozwiązanie z bezpośrednim napędem maszyny roboczej przez tu rb in ę — pompę w ruchu turbinow ym (rys. 4). W bilansie energetycznym rozporządzalna energia hy

d rauliczna zam ieniana jest na pracę m echaniczną ze spraw nością zastosowa

nej turbiny. Bezpośredni napęd w ielu m aszyn roboczych (np. pompy wirowe, w entylatory, itp.) nie wymaga specjalnych układów regulacji i zabezpieczeń.

Inw estycja je s t więc tan ia , a eksploatacja łatw a. W ytw arzanie energii elektry

cznej (rys. 3) w system ach rekuperacji energii hydraulicznej je s t rozw iąza

niem mniej efektywnym pod względem energetycznym i inwestycyjnym i jest zalecane tylko wtedy, gdy nie m ożna zastosować nap ęd u bezpośredniego m a

szyny roboczej. N apęd turbiną h ydrauliczną (pompą w ruchu turbinowym) i silnikiem elektrycznym (rys. 5) pod względem energetycznym je st porówny

w alny z rozw iązaniem według ry su n k u 4, je d n a k je s t nieco droższy (konieczne uk ład y autom atyki i regulacji) oraz bardziej kłopotliw y w eksploatacji. Stoso

w any on je s t między innym i w instalacjach chemicznych, w procesach oczysz

czania gazów technologią mokrą.

5. BADANIA LABORATORYJNE POMP WIROWYCH W RUCHU POMPOWYM I TURBINOWYM

B adano pompy wirowe odśrodkowe wielostopniowe produkcji Zabrzańskiej F abryki M aszyn „POWEN” na specjalnie przygotowanych stanow iskach w L aboratorium Zakładu Maszyn i U rządzeń H ydraulicznych Politechniki Śląskiej. Pom pa wirowa OS-80M/2 n astęp n ie była b a d a n a w kopalni węgla podczas eksploatacji.

(10)

5.1. P r z ed m io t b a d a ń

Przedm iotem b ad a ń laboratoryjnych były pom py wirowe wielostopniowe średniociśnieniow e typu OS-80R/3, OS-80M /2 oraz zespół tu rb in a (pompa OS-80M /2 w ru ch u turbinow ym ) - m aszyna robocza (pompa PŁP-50).

B ad ana pom pa w irowa odśrodkowa O S-80R/3 [7] je s t m aszyną wirową trójstopniow ą w układzie poziomym. Posiada łopatkowe w irniki jednostru- mieniowe zam knięte oraz łopatkow e kierownice odśrodkowe i dośrodkowe oraz bezłopatkowe przew ały. K adłub m aszyny dzielony je s t w płaszczyznach prostopadłych do osi w ału, króciec dopływowy (ssawny) usytuow any je s t po

ziomo—bocznie, a króciec tłoczny skierow any je s t k u górze. Pom pa posiada dławnice ze szczeliwem m iękkim . W ał ułożyskow any je s t w łożyskach tocz

nych. N apór osiowy równoważony je s t za pomocą otworów odciążających w wieńcach tylnych wirników oraz łożyska tocznego. Pom pa przystosowana je s t do n apędu bezpośredniego od silnik a elektrycznego. N a rysunku 6 poka

zano pompę O S-80R w w ykonaniu czterostopniową.

B ad an a pom pa wirowa odśrodkowa OS-80M /2 je s t m aszyną dwustopniową i różni się od pompy OS-80R/3 głównie rozw iązaniem konstrukcyjnym układu przepływowego. M aszyna ta za w irnikiem ostatniego stopnia posiada tylko

Rys. 6. Pom pa w irowa O S-80R Fig. 6. The im peller pum p O S-80R

(11)

Rys. 7. Pom pa w irowa O S-80M

Fig. 7. The im peller pump O S-80M oo

CD

Odzysk energii hydraulicznej za pomocąpompwirowych...

(12)

bezłopatkowy k a n a ł zbiorczy bez łopatkowej kierownicy odśrodkowej. N a ry

su n k u 7 pokazano pompę O S-80M trójstopniow ą.

W zespole tu rb in a — m aszyna robocza m aszyną napęd zaną była pompa wirowa odśrodkowa jednostopniow a P Ł P -50 [8].

Pom pa OS-80R/3 była m aszyną nową, n ato m iast pompy OS-80M/2 i P Ł P -5 0 były m aszynam i nienowymi, o znacznym stopniu zużycia.

5.2. S ta n o w isk a b a d a w c ze

- Stanow isko do b ad ania pomp w ru ch u turbinow ym składa się z dwóch układów:

- w ytw arzan ia energii, w którym in stalo w an a była b a d an a tu rb in a (pompa w ru ch u turbinowym ),

- ham ow ania (pochłaniania energii).

Schem at stanow isk do b ad an ia pomp w ru ch u turbinow ym przedstawiono n a ry su n k u 8. B ad ana tu rb in a (pompa w ru ch u turbinow ym ) 1 (rys. 8) zasila

n a je s t wodą z pom py 2 (pompa w irowa wielostopniow a wysokociśnieniowa).

P u n k t pracy tu rb in y je s t u sta la n y za pomocą zaworów 5 (na przewodzie upustow ym ) i 6 (na króćcu tłocznym pom py zasilającej) bądź przetwornicy

Rys. 8. Schem at stanow iska badawczego z h am ulcem wodnym (oznaczenia w tekście) Fig. 8. A diagram of th e te s t s ta n d w ith w ate r brake

(13)

częstotliwości 14 sterującej obrotam i siln ik a 3. Przetw ornica częstotliwości mogła być sterow ana autom atycznie od ciśnienia (czujnik 13 n a dopływie do turbiny) w te n sposób, że było utrzym yw ane stałe zadane ciśnienie, a więc pośrednio stały spad na badanej turb in ie. P a ra m e try cieczy zasilającej m ie

rzono m anom etram i 9 i 10, w akuom etrem l i i przepływom ierzem 7. Moc n a wale tu rb in y określano przez pom iar m om entu obrotowego m omentom ierzem 8 i prędkości obrotowej obrotomierzem 12. B ad an ą tu rb in ę obciążono ham ul-

4.5 4.4 4.9 4.2

Rys. 9. Schem at ham ulca olejowego (oznaczenia w tekście) Fig. 9. A diagram of th e oil b rak e

(14)

cem 4. Dla prędkości obrotowych n > 1000 obr/m in stosowano ham ulec wodny, a dla m ałych prędkości obrotowych ham ulec olejowy (rys. 9). Podstawowym elem entem ham ulca olejowego je s t pom pa wyporowa wielotłoczkowa 4.2.

Pompę tę sprzężono za pomocą przekładni pasowej 4.1 z b ad an ą turb iną. Po stronie dopływowej (ssawnej) pom py wyporowej zastosowano w stępną pompę w irową 4.3. Ciśnienie w układzie olejowym regulowano za pomocą zaworu przelewowego 4.4 oraz dław ika 4.5 i kontrolow ano m anom etrem 4.9. U trzy

m anie stałych w arunków pracy i jakości oleju w układzie zapew niały filtry 4.6 i 4.7 oraz chłodnica wodna 4.8.

S chem at stanow iska do b ad an ia zespołu tu rb in a - m aszyna robocza poka

zano n a ry su n k u 10. B adany zespół 1 składający się z tu rb in y (pompy w ruchu turbinow ym ) 1.1 i m aszyny roboczej (pompy) 1.2 je s t zasilany z pompy 2 napędzanej siln ikiem elektrycznym 3. Do regulacji param etrów pracy służą

Rys. 10. Schem at stanow iska do b ad a n ia zespołu tu rb in a - m aszyna robocz (oznaczenia w tekście)

Fig. 10. A diagram of th e te s t sta n d to te s t a u n it hydraulic turbine/w orking m achinę

(15)

zawory 4, 5 i 6. Przełyk tu rb in y m ierzono za pomocą przepływom ierza 7, a wydajność maszyny roboczej (pompy) przepływom ierzem 8. Do pom iaru ciśnień zastosowano m anom etry i w akuom etry 9, 10, 11, 12 i 13. Prędkość obrotową wału wyznaczano za pomocą obrotom ierza 14. Za pomocą czujnika ciśnienia 15 sprzężonego z przetw ornicą częstotliwości 16 utrzym yw ano stałe ciśnienie (spad) na dopływie do turbiny.

W ruchu pompowym pom py badano w labo ratoriu m n a standardow ym stanow isku badawczym pomp zobiegiem otw artym . Prędkość obrotową silni

k a napędowego regulowano za pomocą przetw ornicy częstotliwości.

5.3. W yniki badań

W ruchu pompowym wyznaczono ch arak tery sty k i hydrauliczne dla stałych prędkości obrotowych n = 1250 i 1500 obr/min. B adan ia w ruchu turbinowym w ykonano przy stałych prędkościach obrotowych (n = 0, 500, 750, 1000, 1250 i 1500 obr/min) bądź stałym spadzie (H = 50, 60, 70, 80 i 92 m). Zespół tu rb ina-m aszy na robocza badano dla stałych spadów niezależnych od stan u obciążenia maszyny roboczej (pompy) oraz dla zm iennego spadu i niezm ien

nych w arunków obciążenia m aszyny roboczej. W szystkie b ad ania przeprow a

dzono n a wodzie technicznie czystej o te m p e ra tu rz e t = 18°C. W publikacji zaprezentow ano w ybrane w yniki b a d ań laboratoryjnych w formie zbiorczych wykresów.

P aram etry znamionowe badanych pomp wyznaczone w ruchu pompowym i turbinow ym oraz ilorazy odpowiednich wielkości charakterystycznych w p u n k tac h maksym alnych spraw ności, zestawiono w tablicach 1 i 2.

T ab lica 1 Z e sta w ie n ie p aram etrów z n a m io n o w y c h p o m p y O S-80R /3 w p ra cy p om p ow ej

i turbin ow ej d la p r ę d k o śc i o b r o to w y c h n = 1250 i 1500 ob r/m in n

obr/min P aram etr P ra ca pompowa P ra c a turbinow a

Iloraz p raca turbinow a/

praca pompowa

1250

Q m 3/h 33 57 1,72

H m 41 109 2,66

N kW 7,3 9,5 1,30

n % 52,6 56,2 1,07

1500

Q m 3/h 42 68 1,62

H m 58 148 2,55

N kW 12,5 14,5 1,16

d % 52,7 53,6 1,02

(16)

T ab lica 2 Z e sta w ie n ie p a ra m etró w zn a m io n o w y c h p o m p y OS-80M /2 w p racy pom pow ej

i tu r b in o w ej d la p ręd k o ści o b ro to w y c h n = 1250 i 1500 obr/m in n

obr/min P a ra m e tr P ra ca pompowa P ra c a turbinow a

Iloraz p raca turbinow a/

praca pompowa

1250

Q m3/h 30,6 58,6 1,92

H m 21,6 55,4 2,56

N kW 4,2 4,8 1,13

n % 42,8 55,3 1,29

1500

Q m3/h 37,7 74,8 1,98

H m 31,2 83,2 2,66

N kW 7,3 9,0 1,24

4 % 44,3 53,3 1,20

C h arak terystyk i badanych pomp w ru ch u pompowym i turbinow ym przed

staw iono n a rysunk ach l i i 12.

Przeprow adzone b ad an ia pomp wirowych wielostopniowych wykazały, że ta k ja k dla pomp wirowych jednostopniow ych w ażne są również następujące stw ierdzenia:

- spraw ność m aksym alna m aszyny w ru chu turbinow ym je s t w przybliżeniu rów na bądź wyższa od spraw ności m aszyny w ru ch u pompowym,

- ch arak terystyk i spraw ności w ru ch u turbinow ym w większym przedziale n atężen ia przepływu są płaskie,

- znamionowy p u n k t pracy tu rb in y odnosi się do większego n atężen ia prze

pływu i większych spadów w stosunku do znamionowego p u n k tu pracy pompy.

C h arak terystyk i eksploatacyjne wyznaczone w ru ch u turbinow ym pompy OS-80R/3 pokazano n a ry su n k u 13. N a w ykresach tych przedstaw iono p a ra m etry pracy tu rb in y (pompy w ruch u turbinow ym ) w funkcji spadu H. C hara

k terystyk i eksploatacyjne wyznaczone w ru ch u turbinow ym pompy OS—80M/2 pokazano n a ry su n k u 14. N a w ykresach tych przedstaw iono p a ra m etry pracy tu rb in y (pompy w ru ch u turbinow ym ) w funkcji prędkości obroto

wej n. C harak tery sty k i eksploatacyjne są przydatne do doboru m aszyny do zadanych w arunków pracy oraz um ożliw iają ocenę sposobu jej eksploatacji.

R ozpatrując wpływ spadu H przy stałej prędkości obrotowej n n a param e

try osiągane przez pompę w ru ch u turbinow ym , m ożna stwierdzić, że wzrost spadu powoduje:

- w zrost przełyku Q i mocy N,

- w zrost spraw ności r| do osiągnięcia w artości m aksym alnej; dalszy wzrost spadu w zakresie prędkości n > 1000 obr/m in powoduje niewielki spadek sprawności.

(17)

o - praca pompowa I „ , .

o- turbinowa f n= 1500 obr/mm

► - praca pompowa , .

turbmowa f n= 1250 obr/mm

Rys. 11. C harakterystyki pom py O S-80R/3 w yznaczone w ru ch u pompowym i turbinow ym Fig. 11. Perform ance curve of th e pomp OS-80R/3 in pum p d u ty and tu rb in e duty

(18)

o - n=1500 obr/min I

o - n=1250 praca pompowa

► - n=1500

► _n=i?<sn praca turbinowa

Rys. 12. C h arak tery sty k i pompy OS—80M/2 wyznaczone w ruchu pompowym i turbinow ym Fig. 12. Perform ance curve of th e pomp O S-80M /2 in pum p duty an d tu rb in ę duty

(19)

Q

O -1500 O -1250

► - 1000

♦ - 750

• - 500

Rys. 13. Charakterystyki pompy OS-80R/3 wyznaczone w ruchu turbinowym przy stałych prędkościach obrotowych

Fig. 13. C o nstans-speed curve for tu rb in e d u ty of th e pum p OS-80R/3

(20)

600.0 1000.0 1400.0 1800.0 2200.0

1000.0 1400.0 1800.0 2200.0

200.0 600.0

o - H=50 m o - H=60 m

► - H=70 m

♦ - H=80 m

• - H=92 m

1400.0 1800.0 2200.0 n (obr/min)

Rys. 14. C harak tery sty k i pompy OS-80M /2 wyznaczone w ruchu turbinow ym j stałych spadach

Fig. 14. C o n stan s-h ea d curve for tu rb in ę duty of th e pum p OS-80M/2

(21)

o - H=30 m o - H=40

► - H=50

♦ - H=60

• - H=70

> - H=92

* - reg. parametrami turbiny

Rys. 15. C harakterystyki pompy P Ł P -5 0 napędzanej tu rb in ą w odną (pompą OS-80M/2 w ruchu turbinow ym )

Fig. 15. Performance curve of th e pomp P L P -5 0 drive by hydraulic tu rb in e (the pum p O S-80M /2 applied asturbine)

(22)

Analizując wpływ prędkości obrotowej n dla stałego spadu H, stwierdzono, że zwiększenie prędkości obrotowej wywołuje:

— zm niejszanie się przełyku Q,

— nieznaczną zm ianę mocy N (wzrost lub spadek zależy od spadu H),

— istotny w zrost spraw ności r|, zwłaszcza w zakresie prędkości obrotowych nobr/min;

dla prędkości obrotowych n = 1000 do 1500 obr/m in spraw ności m aksym al

ne są praw ie równe.

D la zespołu tu rb in a - m aszyna robocza duża liczba param etrów określają

cych p u n k t pracy uniem ożliw ia zastosow anie jednego uniw ersalnego sposobu opisu jego własności eksploatacyjnych. Wybór zmiennej niezależnej oraz nie

zmienników dla opisu s ta n u pracy zespołu będzie więc zależał od sposobu i w arunków eksploatacji. Zakładając, że użytkow nika będą interesow ały prze

de w szystkim p a ra m etry m aszyny roboczej, w yniki bad ań przedstawiono w funkcji wydajności pompy. C h araktery sty ki zespołu tu rb in a (pompa OS-80M /2) - m aszyna robocza (pompa PŁ P -50) pokazano n a rysun ku 15. N a ry su n k u tym przedstaw iono ch arak tery sty k i przepływ u pompy P Ł P -50 dla stałych spadów turbiny. S tały spad nie oznacza je d n a k stałej prędkości obro

towej i stałego przełyku turbiny. K ształt ch arakterystyk prędkości obroto

wych w ynika z własności tu rb in y i napędzanej pompy. N a rysun ku 15 przed

stawiono również ch arakterystyk ę (krzywa oznaczona „reg. p aram etram i tu r biny”) wyznaczoną dla zmiennego spadu tu rb in y przy nieregułow anym p un

kcie pracy pompy. O trzym ano w te n sposób charak terystykę pompy regulowa

nej zm ianą prędkości obrotowej.

6. PODSUMOWANIE

N a podstaw ie przeprowadzonych badań i analiz sformułowano następujące wnioski:

■ B adania pomp wirowych wielostopniowych OS—80 w ykazały możliwość stosow ania tych m aszyny w ru ch u turbinow ym .

■ Sprawności m aksym alne w obu reżim ach pracy (pompowym i turbinowym) są praw ie równe. W ruchu turbinow ym k sz ta łt charakterystyk i w obszarze w artości m aksym alnych je s t płaski.

■ Zweryfikowane doświadczalnie ilorazy odpowiadających sobie wielkości charakterystycznych wynoszą:

H ’ = 2,55 do 2,66 Q’ = 1,62 do 1,98 N ’ = 1,13 do 1,30

(23)

Odzysk energii hydraulicznej za pomocą pomp wirowych. 101

■ Pomimo że przeprow adzoną ankietyzacją nie udało się objąć wszystkich krajowych kopalń węgla kam iennego, jej w yniki świadczą jednoznacznie, że w kopalniach istn ieją zasoby energii cieczy, których w ykorzystanie jest celowe i opłacalne.

■ W miejsce brakujących n a ry n k u krajow ym tu rb in wodnych do odzysku energii zrzutów cieczy m ożna stosować pom py wirowe w ru chu turb ino wym.

■ Dla m ałych rozporządzanych mocy najkorzystniejszym rozw iązaniem tech

niczno-ekonomicznym je s t układ, w którym tu rb in a (pompa w ruchu tu r binowym) n apędza bezpośrednio m aszynę roboczą in n ą ja k generator ele

ktryczny (np. pompa, w entylator, itp.).

LITERATURA

[1] Łojek A., Adam kowski A., Stankiew icz Z.: A naliza konstrukcyjna nisko

ciśnieniowych pomp PJM jako m aszyn do rekuperacji energii. Sprawoz

danie IM P n r 344/92, G dańsk 1992.

[2] Rduch J., Zarzycki M.: B adania laboratoryjne pomp wirowych wielosto

pniowych w ruchu turbinow ym . M aszyny i U rządzenia w Energetyce Wodnej. Konferencja Naukowo - Techniczna IM P PAN, S traszyn 1994.

[3] Stankiewicz Z., Łojek A.: Zapotrzebow anie n a odzysk energii traconej wskutek dław ienia przepływ u w różnych procesach technologicznych.

Sprawozdanie IM P n r 151/93, G dańsk 1993.

[4] Steller K.: Pompy wirowe jako tu rb in y wodne. IM P PAN, n r 297(1262), Gdańsk 1990.

[5] Steller K., Łojek A. Reym an Z.: Spraw ozdanie z bad ań laboratoryjnych niskociśnieniowej pompy wirowej odśrodkowej, jednostopniowej, typu PJM. Spraw ozdanie IM P n r 173 /92, G dańsk 1992.

[6] Steller K., Łojek A.: Przegląd procesów technologicznych, w których do odzysku energii traconej w sk u tek dław ienia cieczy przepływu lub zrzu

tów cieczy, przew iduje się stosow anie pomp wirowych w ruchu turbino

wym lub klasycznych tu rb in wodnych. Spraw ozdanie IM P n r 172 /92, Gdańsk 1992.

[7] Zarzycki M.: Osiągnięcia krajow e w konstrukcji i budowie pomp odwad

niających kopalnie węgla. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, Seria Energetyka, Zeszyt 27, Gliwice 1967.

[8] Zarzycki M.: Pom py dla płuczek węgla. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, S eria Górnictwo, Zeszyt 21, Gliwice 1967.

[9] Zarzycki M., Dębiec J., Rduch J.: W yniki b ad ań pom py wielostopniowej wirowej w ru ch u turbinow ym . VII Konferencja N aukow o-Techniczna

„Przepływowe m aszyny wirnikow e”, Rzeszów 1993.

(24)

[10] Zarzycki M., Dębiec J., Rduch J.: A naliza możliwości w ykorzystania energii traconej w niektórych procesach technologicznych przem ysłu węglowego za pomocą hydraulicznych m aszyn wirowych. M echanizacja i A utom atyzacja Górnictwa n r 9 (291), Katowice 1994.

[11] Zarzycki M., Dębiec J., Rduch J.: A naliza zastosow ania pomp wirowych w ru chu turbinow ym w kopalniach węgla kam iennego. M aszyny i U rzą

dzenia w Energetyce Wodnej. Konferencja N aukow o-Techniczna IMP PAN, S traszyn 1994.

[12] Zarzycki M., Rduch J.: P raca pomp wirowych wielostopniowych w ruchu turbinow ym . Górnictwo Odkrywkowe n r 4, W rocław 1994.

[13] Zarzycki M., Rduch J.: Zastosow anie pomp wirowych w ruchu turbino

wym. Sem inarium Krajowe nt. W ykorzystanie energii odnawialnej w rolnictw ie, IBMER, W arszaw a 1994.

Recenzent: D r hab. inż. Andrzej WITKOWSKI Wpłynęło do Redakcji: 20. 01. 1995 r.

A b stract

There is a potential for recovering energy w hereever liqids are flowing from one level to another, or undergoing a p reassu re reduction. To investigate th ese potential sources energy in colliers and designation its hydraulic param eters, th e special questionairy h a s been m ade. T hirty eigth colliers on th e questionairy have been answ erd. In eigtheen colliers are not utilize flowing liquid from one level to another.

Investigation th ese potential sources and some cases developing them , is creating a growing need for hydraulic tu rb in e s th a t one readily low in cost. An excellent option for need is th e use of m u lti-sta g e pum ps ru n in g in reverse to function as turbines.

The g rea test potential for pum ps used as tu rb in es is for sim ply generating electriccity (fig. 3). For sm aller energy po ten tials profitable is directly driving w orking m achine (a fan, compressor or pum p) (fig. 4). Sometime are used u n its hydraulic turbine/w orking m achine/electric m otor (fig. 5).

The charak teristic factors of a serial sta n d a rd m u lti-sta g e pum p for reverse direction of ro tatio n should be available for th e determ ining the su itability of th e pum p for tu rb in e operation. These can be realiably established only th rough tests. Therfor adequate te s ts were carried out on tw o - and th re e -s ta g e serial pum ps.

(25)

The te s ts -s ta n d s diagram s on fig. 8, 9 an d 10 are presented. Perform ance curves of tested pum ps a t constant speeds in pum p duty and turbine duty shows fig. 11 an d 12. The co n stan t-sp eed curves on fig. 13 and constant—head curves on fig. 14 are presented. The perform ance curves of th e u n it turbin e (pump applied as turbine) driving th e pum p shows Fig. 15. In the conclusion conversions factors for capacity, h ead and power h a s been drown.

Both th e analysis and investigations have been carried out w ithin th e scope of the realized research project „The recovery of w aste energy by m eans of hydraulic m achines”.