ODZYSK ENERGII HYDRAULICZNEJ W UKŁADACH TECHNOLOGICZNYCH

(1)

Maciej ZARZYCKI, J a n RDUCH

Instytut M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechnika Śląska

ODZYSK ENERGII HYDRAULICZNEJ W UKŁADACH TECHNOLOGICZNYCH

S tr e s z c z e n ie . W publikacji przedstaw iono wyniki studiów i analiz możliwości zastosow ania tu rb in hydraulicznych (wodnych) i pom p w iro

wych w ru ch u turbinow ym w różnych instalacjach i u k ładach technolo

gicznych. Podano również w ybrane wyniki b adań doświadczalnych pom p wirowych odśrodkowych wielostopniowych w ru ch u turbinow ym w ykonanych w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politech

niki Śląskiej. Analizę i b ad an ia przeprowadzono w ram ach realizacji projektu badawczego „Odzysk energii traconej w różnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych m aszyn wirowych”.

THE RECOVERY OF HYDRAULIC ENERGY IN TECHNOLOGICAL SYSTEMS

S u m m ary. The p ap er p resen ts th e resu lts of studies and analyses concerning th e possibilty of applying hydraulic tu rb in es and im peller pum ps used as tu rb in e s in various in stallatio n s and technological sys

tem s. Some selected resu lts of experim ental investigations on centrifugal m usti-stage im peller pum ps used as tu rbines, carried out a t th e In stitu te of Energy M achines and In stallatio n s, Technical U niver

sity of Silesia, have been p resented, too. These analyses an d investiga

tions w ere carried out w ithin th e project „The Recovery of w aste energy from various technological processes by m eans of turbo-m achines”.

DIE RÜCKGEW INNUNG H YDRAULISCHER ENERGIE IN TECHNOLOGISCHEN SYSTEMEN

Z u sa m m en fa ssu n g . Der vorliegende A ufsatz e n th ä lt die E rgeb

nisse von S tudien u n d A nalysen der A nw endungsm öglicbkeit hy d rau lisch er T urbinen u n d K reiselardpum pen im T urbinenbetrieb in verschiedentlichen technologischen System en. A ngeführt w erden auch die E rgebnisse experim enteller U ntersuchungen von m ehrstufigen

(2)

316 Maciej Zarzycki, Jan Rduch

zentrifugalen K reiselardpum pen im Turbinenbetrieb, die im In stitu t fü r E nergetische M aschinen u n d E in richtungen der Technische U n iv e rsitä t in Gliwice durch g efü hrt worden sind. Diese A nalysen ind U nterschungen w urden im R ahem en der R ealisierung des Forschungsprojekts „Rückgewinnung der in verschiedenen technologis

chen Prozessen abfallenden Energie m it Hilfe hydraulischer Kreisel

m aschinen”.

1. W p ro w a d zen ie

A nalizując działanie różnych przemysłowych instalacji stw ierdza się sto

sunkowo duże s tra ty hydrauliczne z przyczyn technologicznych spowodowane rozprężeniem cieczy (redukcja ciśnienia bądź zrzuty cieczy) [1], Współcześnie do tego celu najczęściej są stosow ane zawory dławiące zm niejszające ciśnienie bez w ykorzystania do pracy użytecznej. To rozw iązanie techniczne, w praw dzie łatw e do w ykonania, zw iązane je s t jed n a k ze stra ta m i. Dlatego aby zapobiec tym strato m , m ożna do rekuperacji energii stosować tu rb in y h y d rau liczne (wodne) napędzające generatory elektryczne bądź inne m aszyny robo

cze. Do rekuperacji energii mogą być stosow ane w zależności od ciśnień (spadów) tu rb in y wodne, które są stosow ane w m ałej energetyce wodnej a więc tu rb in y K apłana, śmigłowe, rurow e, Francisa, Banki-M icheła i P eltona oraz w celu obniżenia kosztów inwestycyjnych również i pompy wirowe w ruchu turbinow ym .

Poniew aż problem oszczędności energii je s t zagadnieniem szczególnie w aż

nym , a zastosow anie pomp do pracy turbinow ej je s t mniej znane i upowszech

nione, dlatego zajęto się tym tem atem w ram ach projektu badawczego finan sowanego przez K om itet B adań Naukowych n t. „Odzysk energii traconej w różnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych m aszyn wiro

wych” [2].

2. P r z y k ła d y z a sto so w a n ia tu rb in h y d ra u lic zn y ch d o re k u p e r a cji e n e r g ii w ró żn y ch in sta la c ja c h te c h n o lo g ic z n y c h

H ydrauliczne m aszyny wirowe do odzysku energii mogą być stosow ane w różnych układach technologicznych [3]. Między innym i w niżej podanych instalacjach i układach do:

- oczyszczania gazów technicznych, - przeróbki węglowodorów,

- oddzielania gazów w szybach wydobywczych ropy naftowej i gazu ziemnego,

(3)

- redukcji ciśnienia w sieciach wodociągowych,

- zm niejszenia ciśnienia w rurociągach ciepłowniczych i paliwowych, - redukcji ciśnienia wody chłodzącej,

- oczyszczalniach ścieków.

W spółcześnie najw iększe zainteresow anie odzyskiem energii w in sta la cjach hydraulicznych w ykazuje przem ysł chemiczny, a odzyskana energia jest w ykorzystyw ana najczęściej do n apędu m aszyn roboczych (pompy, sprężarki) pracujących w tej samej instalacji. W celu zilustrow ania możliwości, poniżej podano k ilk a w ybranych przykładów.

P rzykład zastosow ania tu rb in y wodnej w oczyszczalni gazów technicznych podano n a ry su n k u 1 [4]. Do wieży oczyszczania gazu doprowadzony je st surowy gaz, który oplukiw any je s t cieczą oczyszczającą w celu usunięcia zanieczyszczeń. Proces ten je s t realizow any przy wysokim ciśnieniu. Oczysz

czony gaz je s t odprowadzony do dalszej obróbki, a ciecz oczyszczająca je s t kierow ana do regeneracji w urządzeniu uw alniającym gaz z roztworu. W yni

kiem regeneracji cieczy je s t usunięcie z cieczy oczyszczającej zaabsorbow a

nych produktów gazowych, które w yzw alają się podczas rozprężenia cieczy.

Konieczność obniżenia ciśnienia cieczy um ożliwia w ykorzystanie energii i zam ienienie jej n a pracę użyteczną. Ze względu n a duże różnice ciśnień (spadu) do rekuperacji energii, któ re w ystępują, w tych in stalacjach są stoso

wane wysokospadowe tu rb in y F ran cisa bądź Peltona, które napędzają (wspól

nie z silnikiem elektrycznym ) pompy pompujące ciecz czyszczoną odgazowaną.

N a ry su n k u 2 pokazano schem at instalacji stanow iska badawczego w rafi

nerii z tu rb in ą do odzysku energii w procesie przeróbki węglowodorów [5].

Ciśnienie płynu wypływającego ze zbiornika je s t redukow ane z pj = 28 M Pa do około p2 = 10 M Pa za a p a ra tu rą dław iącą, przy czym przepływ zm ienia się z jednofazowego n a dwufazowy. Po rozprężeniu w tu rb in ie czynnik dwufazo

wy je s t doprowadzony do zbiornika przelewowego o ciśnieniu około p 3 = 3 MPa, z którego ju ż oddzielnie odprowadzony je s t gaz i ciecz do dalszej obróbki. W instalacji została zabudow ana pom pa wirowa pracująca w ruchu turbinow ym (liczba stopni i = 8).

R ysunek 3 przedstaw ia schem at in stalacji opracowany przez Zakład D yna

miki Cieczy In sty tu tu M aszyn Przepływowych do odzysku energii w procesie produkcji am oniaku [6]. W yprodukowany am oniak je s t grom adzony w zbior

niku ciśnieniowym pod ciśnieniem p = 29 M Pa, a następ n ie odprow adzany je s t do m agazynu pod ciśnieniem p = 2 MPa. Do rozprężenia am oniaku przew i

dziano tu rb in ę Peltona bądź pompę wirową wielostopniową. Moc tu rb in y oszacowano n a P = 500 kW.

N a ry su n k u 4 przedstaw iono zastosow anie tu rb in y wodnej do rekuperacji energii w zakładach wodociągowych [7], T urb ina pobiera wodę z rurociągu upustow ego i napędza generator elektryczny. Powyższe rozw iązanie zastoso

wano w Niemczech. W instalacjach tych użyto pompy wirowe w ruchu turbi-

(4)

Rys. 1. Zespól tu rb in a hydrauliczna - silnik elektryczny - pompa w instalacji do oczyszczania gazu: 1 - tu rb in a hydrauliczna, 2 - silnik elektryczny, 3 - pompa, 4 - w ieża oczyszczania gazu, 5 - urządzenie u w alniania gazu z roztw oru

Fig. 1. The assem bly of hydraulic turbine-electric motor-pum p in an installation for the purification of gas. 1 - hydraulic turbine, 2 - electric motor, 3 - pum p, 4 - gas-cleaning tower, 5 - in stalatio n for th e liberation of gas from th e solution

(5)

nowym. P a ra m e try nom inalne tu rb in y są ta k dobrane, aby przy w ym aganym spadku ciśnienia wynoszącym około p = 0,45 M Pa, cały przepływ był kierow a

ny do przew odu upustow ego (przy całkowicie zam kniętym zaworze w przewo

dzie głównym i całkowicie otw artym zaworze w przewodzie upustow ym ) i przez turb in ę. W tym przypadku tu rb in a osiąga moc około P=85 kW i napędza g enerator elektryczny.

N a ry su n k u 5 pokazano schem at kom ory ciepłowniczej, z pom pam i wirowy

mi przetłaczającym i wodę w rurociągu zasilającym i podnoszące jej ciśnienie

Rys. 2. Zespół tu rb in a hydrauliczna - generator elektryczny w instalacji w rafinerii, w procesie przeróbki węglowodorów: 1 — tu rb in a hydrauliczna, 2 — g en erato r elektry

czny, 3 - zbiornik, 4 - a p a ra tu ra dławiąca, 5 — u pust, 6 - zbiornik przejściowy, 7 - reg u la to r poziomu wody, 8 - reg u lato r ciśnienia

Fig. 2. The assem bly of hydraulic turbine-electrom echanical g enerator in th e installatio n of a refinery, used for th e processing of hydrocarbons. 1 — hydraulic turbine, 2 — electrom echanical g enerator, 3 — ta n k , 4 - th ro ttlin g ap p a ra tu s, 5 - sink, 6 - tra n sisto ry container, 7 - w ate r level control-unit, 8 - p ressu re reg u lato r

(6)

z p}=0,4 M Pa do p 2=0,9 M Pa oraz zawory dławiące umieszczone w rurociągu powrotnym , redukujące ciśnienie wody z p 3 = 0,5 M Pa do około p4 = 0,2 MPa [8]. Dławienie przepływu można wyeliminować przez zastosow anie turbiny włączonej równolegle do przew odu z zaworem dławiącym. Odzyskując energię m ożna popraw ić bilans energetyczny stacji.

p = 2 M P a

Rys. 3. Zespół tu rb in a hydrauliczna - generator elektryczny w instalacji syntezy am oniaku w miejsce dotychczas stosowanego zaworu rozprężającego: 1 - tu rb in a hydraulicz

na, 2 - g enerator elektryczny, 3 - rea k to r syntezy NH3, 4 - zbiornik ciekłego am oniaku

Fig. 3. The assem bly of hydraulic turbine-electrom echanical generator in a n in stallation for th e synthesis of am m onia, used instead of th e expansion valve appiled so far. 1 - hydraulic tu rb in e, 2 - electrom echanical generator, 3 - reactor for th e synthesis of N H 3, 4 - container of liquid am onia

(7)

Rysunek 6 podaje przykład zastosow ania tu rb in y do odzysku energii w obiegu wody chłodzącej w głębokich kopalniach w edług projektu firm y Sulzer Escher W yss [4]. W oda chłodząca je s t w ykorzystyw ana w w ym iennikach ciepła do chłodzenia pow ietrza w k orytarzach wydobywczych kopalni zn ajdu

jących się n a głębokości 1500 do 3000 m pod ziemią. O grzana woda w w ym ien

nikach je s t wypom powywana do chłodni znajdujących się n a powierzchni. Po ochłodzeniu woda je s t ponownie doprow adzana do w ym ienników ciepła, a jej

Rys. 4. Zespół tu rb in a hydrauliczna - generator elektryczny w instalacji redukcji ciśnienia w zakładach wodociągowych: 1 — tu rb in a hydrauliczna, 2 - g en erato r elektryczny, 3 - rurociąg główny, 4 - rurociąg upustow y, 5 - zawór regulacyjny, 6 - m iernik ciśnienia

Fig. 4. The assem bly of hydraulic turbine-electrom echanical generator in a p ressure-redu

cing in stallatio n used in w aterw orks. 1 - hydraulic turbine, 2 - electrom echanical gen erato r, 3 — m ain pipeline, 4 — sin k piping, 5 — control valve, 6 — p ressu re m eter

(8)

Rys. 5. Zespół tu rb in a hydrauliczna — generator elektryczny w instalacji ciepłowniczej: 1 — tu rb in a hydrauliczna, 2 — generator elektryczny, 3 — stacja pomp, 4 — zawór dławiący, 5 — rurociąg zasilający, 6 — rurociąg powrotny

Fig. 5. The assem bly of hydraulic turbine-electrom echanical generator in a h eating installation. 1 — hydraulic turbine, 2 — electrom echanical generator, 3 — pum ping station, 4 — th ro ttle valve, 5 — penstock, 6 — retu rn piping

(9)

energia odzyskiw ana w turbinie. T u rbin a n apędza pompę przetłaczającą ogrzaną wodę z wym ienników do chłodni.

N a ry su n k u 7 przedstaw iono schem at projektu instalacji hydraulicznej z zbiornikiem przelewowym, znajdującym się przy szybie wydobywczym kopal

ni [9]. Do zbiornika doprowadzona je s t woda wypom powywana z poziomu wydobywczego kopalni. Część wody ze zbiornika kierow ana je s t do obiegu technologicznego (płuczka) i do celów przeciwpożarowych, n a to m ia st jej n a d m iar odprow adza się do kolektora ściekowego, co je s t zw iązane ze s tr a tą energii. Dlatego zaproponowano do odzysku energii zastosować tu rb in ę, k tó ra przez przekładnię napędzałaby g en erato r elektryczny.

Rys. 6. Zespól tu rb in a hydrauliczna - pom pa w instalacji obiegu wody chłodzącej w kopalni:

1 - tu rb in a hydrauliczna, 2 - pom pa, 3 - silnik elektryczny, 4 - chłodnia

Fig. 6. The assem bly of hydraulic turbine-pum p in a circulatin in n stallatio n of cooling w ate r in a mine. 1 — hydraulic turbine, 2 — pum p, 3 — electric m otor, 4 — cooler

(10)

Przykład zastosow ania tu rb in y do odzysku energii przy rozprężaniu solan

ki w instalacji o dsalania wody m orskiej w edług projektu firm y E scher Wyss [4] podano n a ry su n k u 8. W oda m orska je s t przetłaczana przez półprzepusz- czalną przeponę pod ciśnieniem około Pi = 6 MPa. Stężone odpady w postaci solanki są odprow adzane do zbiornika po rozprężeniu w turbinie. O dzyskana energia je s t w ykorzystyw ana przez tu rb in ę Peltona do napędu pompy (łącznie z silnikiem elektrycznym ) pompującej wodę m orską.

Rys. 7. Zespól tu rb in a hydrauliczna - generator elektryczny w instalacji odprowadzającej wodę ze zbiornika przelewowego przy szybie wydobywczym kopalni: 1 — tu rb in a hydrauliczna, 2 - g enerator elektryczny, 3 - przekładnia, 4 - zbiornik przelewowy Fig. 7. The assem bly of hydraulic turbine-electrom echanical generator in an in stallation

drain in g w ate r from th e overflow ta n k a t outp u t of mine. 1 - hydraulic turbine, 2 - electrom echanic g enerator, 3 - transm ission gear, 4 - overflow ta n k

(11)

Rys. 8. Zespół tu rb in a hydrauliczna - pom pa - silnik elektryczny w instalacji odsalania wody morskiej: 1 - tu rb in a hydrauliczna, 2 - pom pa, 3 - silnik elektryczny, 4 - urządzenie przeponowe do odsalania wody morskiej

Fig. 8. The assem bly of hydraulic turbine-electric m otor in an in stala tio n for th e desalting of sea w ater. 1 — hydraulic turbine, 2 - pum p, 3 - electric m otor, 4 - m am b ran es for th e d esalting of sea w ate r

3. S ch em a ty r o z w ią z a ń n a p ę d ó w za p o m o c ą tu r b in w o d n y ch b ą d ź p om p w ir o w y ch w r u ch u tu rb in o w y m

Turbiny wodne bądź pompy wirowe w ruchu turbinow ym m ogą napędzać maszyny robocze bezpośrednio bądź pośrednio poprzez przekładnie. W przy

padku jeżeli m aszyną roboczą je s t generato r elektryczny i energia elektryczna

(12)

przekazyw ana je s t do system u energetycznego bądź gdy tego w ym agają wa

ru n k i ruchowe, to turbozespół hydrauliczny m usi być wyposażony w odpo

w iednią autom atykę i regulację. Z wielu możliwych rozw iązań technicznych poniżej omówimy trz y przypadki najczęściej stosowanych rozw iązań napędów.

Pokazano turbozespoły składające się z:

— tu rb in y (bądź pompy w ruchu turbinow ym ) i g eneratora elektrycznego (rys. 9, 10),

— tu rb in y (bądź pompy w ruchu turbinow ym ) i pompy wirowej (lub innej m aszyny roboczej — rys. 11),

— tu rb in y (bądź pom py w ruchu turbinowym ), pompy wirowej (lub innej m aszyny roboczej) i dodatkowo silnika elektrycznego (rys. 12).

Rozw iązanie przedstaw ione n a ry su n k ach 9 i 10 je s t dotychczas najczęściej stosow ane w m ałej energtyce wodnej. Rozwiązanie to może być stosowane tak że do odzysku energii traconej w różnych procesach technologicznych, zwłaszcza wtedy, gdy nie je s t możliwe zastosowanie rozw iązań przedstaw io

nych poniżej. W rozw iązaniu tym mogą być użyte generatory p rąd u przem ien

nego (synchroniczne lub asynchroniczne) bądź stałego. G eneratory asynchro

niczne m ożna stosować wyłącznie w sieciach sztywnych. Dla m ałych mocy jako generatory asynchroniczne m ożna stosować standardow e silniki asyn

chroniczne. Użycie generatorów synchronicznych bądź generatorów prądu stałego w ym aga stosow ania odpowiednich układów regulacji. Można je jednak stosować w sieciach wydzielonych.

Rozwiązanie podane n a ry sun k u 11 je s t stosow ane w różnych układach technologicznych. W tym przypadku tu rb in a wodna bądź pom pa w ruchu turbinow ym n apędza m aszynę roboczą (inną niż generator elektryczny). Roz

w iązanie to może być również stosow ane do rekuperacji energii w różnych instalacjach przemysłowych, tam gdzie ciecz odpływa z u kładu technologicz

nego pod ciśnieniem . Rozwiązanie to podczas badań z pom pą wirową wielosto

pniową w ru ch u turbinow ym było zrealizowane w jednej z kopalń węgla w zakładzie przeróbki m echanicznej. Zaletą tego rozw iązania je s t polepszenie b ilansu energetycznego całego u k ładu technologicznego n a sk u tek odzysku energii, k tó ra norm alnie byłaby bezpowrotnie stracona dla celów użytecznych.

Rozwiązanie pokazane n a ry su n k u 12 je s t stosow ane w różnych in sta la cjach (układach technologicznych) do odzysku energii. W rozw iązaniu poda

nym w tym przykładzie tu rb in a wodna bądź pom pa w ruchu turbinowym n apędza pompę wirową (lub inn ą m aszynę roboczą). Niedobór mocy do napędu m aszyny roboczej dostarcza silnik elektryczny. Zaletą takiego rozw iązania je s t rekuperacja energii przy stosunkowo prostym rozw iązaniu turbozespołu hydraulicznego. N apęd m aszyny roboczej za pomocą dwóch silników (hydrau

licznego i elektrycznego) w ym aga jed n a k odpowiedniej autom atyki i regulacji utrzym ujących sta lą prędkość obrotową oraz umożliwiających właściwe u ru chomienie, prow adzenie ru ch u i zatrzym yw anie turbozespołu.

(13)

g enerator elektryczny

Fig. 9. The assem bly of hydraulic tu rb in e (pump used as tu rb i

ne) - relectrom echanic generator; direct drive. 1 - hy

draulic tu rb in e (pump used as trubine), 2 - electrom e

chanical generator

n e ra to r elektryczny, 3 - przekładnia

Fig. 10. The assem bly of hydraulic tu rb in e (pump used as tu r bine) - electrom echanical generator; interm ediate drive.

1 - hydraulic tu rb in e (pump u sed as turbine), 2 - elec

tromechanical generator, 3 - transm ission gear

(14)

Rys. 11. Zespół tu rb in a hydrauliczna (pompa w ruchu turbino

wym) - m aszyna robocza: 1 - tu rb in a hydrauliczna (pompa w ruchu turbinowym ), 2 - m aszyna robocza (np.

pompa)

Fig. 11. The assem bly of hydraulic tu rb in e (pump used as tu r bine) - operating machine. 1 - hydraulic tu rb in e (pump used as turbine), 2 - operating m achine (e.g. pump)

Rys. 12. Zespół tu rb in a hydrauliczna (pompa w ruchu tu rb in o wym) - m aszna robocza - silnik elektryczny: 1 - tu rb in a hydrauliczna (pompa w ruchu turbinowym ), 2 - m aszy

n a robocz (np. pompa), 3 - silnik elektryczny

Fig. 12. The assem bly of hydraulic tu rbine (pump used as tu r bine) - operating m achine - electric motor. 1 - hydraulic tu rb in e (pump used as turbine), 2 - operating m achine (e.g. pum p), 3 - electric m otor

(15)

W system ach odzysku energii hydraulicznej, ze względów energetycznych, inwestycyjnych i eksploatacyjnych, najbardziej korzystne je s t rozw iązanie z bezpośrednim napędem m aszyny roboczej przez tu rb in ę lub pompę w ruchu turbinow ym (rys. 11). W bilansie energetycznym rozporządzalna energia h y drauliczna zam ienian a je s t n a pracę m echaniczną ze spraw nością zastosow a

nej turbin y . B ezpośredni napęd w ielu m aszyn roboczych (np. pom py wirowe, w entylatory itp.) nie w ym aga specjalnych układów regulacji i zabezpieczeń.

Inwestycja nie je s t więc kosztow na, a eksploatacja łatw a. W ytw arzanie en er

gii elektrycznej (rys. 9 i 10) w system ach rekuperacji energii hydraulicznej jest rozw iązaniem mniej efektywnym pod względem energetycznymi oraz in westycyjnym i je s t zalecane tylko wtedy, gdy nie m ożna zastosować napędu bezpośredniego m aszyny roboczej. N apęd tu rb in ą wodną (pompą w ruchu turbinowym ) i silnikiem elektrycznym (rys. 12) pod względem energetycznym jest porów nyw alny z rozw iązaniem p okazany n a ry su n k u 11, je d n a k je s t nieco droższy (konieczne układy autom atyki i regulacji) oraz bardziej kłopotliw y w eksploatacji. Stosow any on je s t m iędzy innym i w in stalacjach chemicznych, w procesach oczyszczania gazów technologią m okrą.

4. P o m p y w ir o w e w r u c h u tu rb in o w y m

Ponieważ a k tu a ln ie w k ra ju nie buduje się seryjnie m ałych tu rb in wodnych, które mogłyby być stosow ane do rekuperacji energii, dlatego w miejsce tu rb in wodnych m ożna stosować seryjnie produkow ane pompy wirowe. W ruchu turbinowym dla niższych ciśnień (mniejszych spadów) stosuje się pom py wiro

we jednostopni owe, a dla wyższych ciśnień (spadów) pompy wirowe wielosto

pniowe. Zastosow anie pomp w ru ch u turbinow ym w miejsce tu rb in zm niejsza koszty inw estycyjne, przyspiesza i u łatw ia realizację projektów dotyczących rekuperacji energii.

Pod względem energetycznym praca turbinow a stanow i odwrócenie pracy pompowej. Pom py wirowe pracujące w ru ch u turbinow ym m ają przeciwny kierunek obrotów w irn ik a w sto su n ku do ru chu pompowego. Przem iany en er

getyczne w wirowej m aszynie hydraulicznej (pompie bądź turbin ie) przy p rze

pływie izoterm icznym nieściśliwej cieczy nielepkiej przez w irnik o nieskończe

nie wielkiej liczbie łopatek (przepływ osiowosymetryczny) opisane są rów na

niem E u le ra dla m aszyn wirowych. W rzeczywistej m aszynie wirowej (prze

pływ cieczy lepkiej, w irn ik o skończonej liczbie łopatek) p a ra m e try pracy są, w zależności od reżim u pracy, niższe bądź wyższe. W przypadku pracy pompo

wej użyteczne p a ra m e try pracy m aszyny są m niejsze od param etrów teo rety cznych o spraw ność przekazyw ania energii w w irniku o skończonej liczbie łopatek i s tra ty hydrauliczne zw iązane z przepływem cieczy lekkiej. N ato

m iast w pracy turbinow ej konieczne je s t dostarczenie do w irnika więcej ener

(16)

gii (o s tra ty ja k wyżej), niż to w ynika z param etrów teoretycznych. Jeżeli dana pom pa w pracy pompowej osiąga p aram etry znamionowe w punkcie „P”

(rys. 13), to ta sam a m aszyna stosow ana jako tu rb in a wym aga dostarczenia więcej energii, określonej p a ra m etram i p u n k tu „T” (rys. 13).

Rys. 13.

Fig. 13.

B ad ania laboratoryjne pompy wirowej odśrodkowej jednostopniowej 150PJM 250 zostały przeprowadzone w Zakładzie Dynam iki Cieczy IM P PAN i przedstaw ione m iędzy innym i w pracach [10, 11], n ato m iast poniżej podano w ybrane w yniki b adań doświadczalnych zrealizowanych w Zakładzie Maszyn i U rządzeń H ydraulicznych Politechniki Śląskiej.

B adano pompy wirowe odśrodkowe wielostopniowe produkcji POW EN S.A.

OS-80R/3 i OS-80M/2 n a specjalnie przygotowanych stanow iskach badaw czych w laboratorium Zakładu M aszyn i U rządzeń H ydraulicznych Politech

niki Śląskiej oraz zespół tu rb in a (pompa OS-80M w ruchu turbinowym ) - m aszyna robocza (pompa PŁP-50) w kopalni węgla podczas eksploatacji. Wy

niki tych b ad ań omówiomo między innym i w pracach [12 + 15].

Indyw idualne ch arakterystyk i energetyczne pom py OS-80R/3 wyznaczone w ru ch u pompowym i turbinow ym przedstaw iono n a ry su n k u 14. Punktem

S z ^Q ^TZ

C harak tery sty k i pompy w ruchu pompowym i turbinow ym Perform ance of a pum p in pum p duty and tu rb in ę duty

(17)

odniesienia bezwymiarowych ch arak tery sty k są wyznaczone doświadczalnie w ruchu pom powym p a ra m e try znam iono

we (odpowiadające m aksym al

nej spraw ności) maszyny. P a ram etry odpowiadające m a

ksym alnej spraw ności b ad a

nych m aszyn wielostopnio

wych w ru ch u turbinow ym są przesunięte do większych p rze

pływów w odniesieniu do p u n k tu znamionowego w ru ch u po

mpowym. Spraw ności m aksy

m alne w obu reżim ach pracy są praw ie równe. Moc osiągana przez pompę w ruch u tu rb in o wym je s t w iększa niż moc po

b ierana w pracy pompowej.

Obecnie nie je s t możliwe w skazanie dobrej m etody a n a litycznej przeliczania param e

trów pompowych n a tu rb in o we. Rozrzut wyników b adań i obliczeń je s t znaczny. Porów

n a n ia kilku m etod obliczenio

wych z w ynikam i bad ań do

św iadczalnych dokonano w publikacji [16].

Doboru pompy do ru chu t u r binowego nie m ożna ograni

czyć jedynie do analizy p a ra m etrów użytkowych. Koniecz

n a je s t również szczegółowa analiza rozw iązań k o n stru kcyjnych poszczególnych wę

złów m aszyny (wał, łożyska, kadłub, połączenia śrubowe, uszczelnienia) w w aru n kach pracy pompowej. P rzeanalizo

wać należy również zagadnie

nie prędkości rozbiegu i ewen-

O - n = 1 5 0 0 l / m i O - n = 1 2 5 0

► - n = 1 5 0 0

♦ - n = 1 2 5 0 }

p r a c a p o m p o w a p r a c a t u r b i n o w a

Rys. 14. C h arak tery sty k i indyw idualne pompy OS- 80R/3 wyznaczone w ru ch u pompowym i turbinow ym

Fig. 14. Individual characteristics of pum p OS- 80R/3 determ ined w hile exploited as pum p and as tu rb in e

(18)

tu a ln e zabezpieczenia oraz w arun k i pracy po stronie odpływowej (ssawnej) ze względu n a kaw itację.

5. P o d su m o w a n ie

N a podstaw ie zrealizow anych studiów, b ad ań i analiz m ożna sformułować następu jące wnioski:

■ do rekuperacji energii w różnych in stalacjach technologicznych mogą być stosow ane hydrauliczne m aszyny wirowe,

■ w miejsce brakujących w k raju tu rb in wodnych, stosow anie dla MEW i rekuperacji energii seryjnie produkow anych pomp wirowych (zwłaszcza o m ałych wydajnościach — przełyku), w ru chu turbinow ym oraz silników asynchronicznych jako generatorów je s t korzystne ze względu n a przyspie

szenie inwestycji i obniżenie nakładów finansowych,

■ zastosow anie pomp wirowych w elektrow niach i siłowniach oraz w niektó

rych układach technologicznych w ym aga jed n a k zastosow ania przekładni, regulatorów oraz układów autom atyki pracy,

■ b ad an ia pomp wirowych odśrodkowych jednostopniow ych 150PJM 250 i wielostopniowych typu OS-80, naw et w obecnym rozw iązaniu konstrukcyj

nym wykazały, że m aszyny te mogą być stosow ane w ru ch u turbinow ym dla określonych w arunków lokalnych,

■ spraw ności m aksym alne pomp w ru ch u pompowym i turbinow ym są p ra wie równe,

■ powinno się prowadzić dalsze b ad an ia laboratoryjne (doświadczalne) pomp wirowych je d n o - i wielostopniowych oraz podjąć prace konstrukcyjne, by zwiększyć ich spraw ność przy ru ch u turbinow ym ,

■ w przypadku w ykorzystania pomp wirowych odśrodkowych w ruch u tu rb i

nowym do rekuperacji energii należy stosować przede w szystkim napęd bezpośredni m aszyny roboczej (innej niż generato r elektryczny) w celu polepszenia b ilansu energetycznego całego u k ładu technologicznego,

■ równolegle z badan iam i laboratoryjnym i (doświadczalnymi) prowadzić n a leży dalsze bad an ia aplikacyjne z pom pam i wirowymi w ru chu tu rb in o wym, aby uzyskać odpowiednie informacje ruchowo—eksploatacyjne.

L iter a tu r a

1. S teller K.: Zastosow ania wirowych m aszyn hydraulicznych do odzysku energii w procesach przemysłowych, m ateriały konferencyjne HYDRO- FORUM-80, Porąbka Kozubnik, 20-23.09.1980.

2. P rojekt badawczy n r 9 0041 29 01 KBN, Odzysk energii traconej w różnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych m aszyn

(19)

wirowych, 14 część, kierow nik projektu: prof. M. Zarzycki, Gliwice- G dańsk 1990.

3. S teller K., Łojek A., Reym ann Z.: Przegląd procesów technologicznych, w których do odzysku energii traconej w skutek dław ienia przepływ u lub zrzutów cieczy przew iduje się stosow ania pomp wirowych w ru ch u tu rb i

nowym lub klasycznych tu rb in wodnych. Projekt badawczy n r 9 0412 91 01, IMP, G dańsk 1992.

4. Pow er recovery turb in es, prospekt firm y Sulzer E scher Wyss.

5. A pfelbacher R., H am kins C.P., Je sk e H.O., S chuster O.: K reiselpum pen im T u rbinenbetrieb bei Zw eiphasen-Strom ungen, KSB Technische Beri- chte 26.

6. S teller K. i inni: S tudium teoretyczne n ad możliwością zastosow ania m aszyny hydraulicznej do odzysku mocy w procesie ekspansji am oniaku, opracow anie IM P PAN n r 87, G dańsk 1973.

7. Etzold F., P etry W., Bohr W.: D ynam ische Problem e beim E in satz einer K reiselpum pe ais T urbine am Beispiel eines W asserversorgungsnetzs, P u m p entag un g K arlsruhe-88, Fachgem einschaft P um pen im VDMA, F rak fu rt/M ain, O ktober 1988.

8. Łojek A.: Ocena koncepcji odzysku energii w komorze ciepłowniczej K- 608 w Gdyni, opracow anie IM P PAN n r arch. 47, 1991.

9. R eym ann Z., Łojek A.: A gregatyzacja, w aru n k i zabudowy, ru ch u i zabez

pieczenia turbozespołu wodnego przeznaczonego do odzysku energii wo

dy dołowej w kopalni węgla kam iennego „Komuna P a ry sk a ” w Jaw orz

nie, opracow anie IM P PAN n r arch. 32, 1989 .

10. Łojek A., Adam kowski A., Stankiew icz Z.: A naliza konstrukcyjne nisko

ciśnieniowych pomp PJM jako m aszyn do rekuperacji energii, spraw oz

danie IM P PAN n r 344, G dańsk 1992.

11. S teller A., Łojek A., R eym ann Z.: Spraw ozdanie z b a d ań laboratoryjnych niskociśnieniowej pompy wirowej odśrodkowej jednostopniow ej typu PJM , spraw ozdanie IM P PAN n r 173, G dańsk 1992.

12. 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 G órnictw a n r 9 (291), Katowice 1994.

13. Zarzycki M., Rduch J.: Odzysk energii hydraulicznej za pomocą pomp wirowych wielostopniowych w ru ch u turbinow ym , Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria E n ergety k a z. 125, Gliwice 1995.

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

15. Zarzycki M.: Perform ance of centrifugal m u ltistage pum s as hydraulic turb in es. Proceedings of th e te n th conference on fluid m achinery, B uda

peszt 1995, s. 384-393.

(20)

16. Zarzycki M., Rduch J.: A nalisys of th e resu lts of investigations concer

ning im peller pum ps ru n n in g in th e tu rb in e mode. Cieplne m aszyny przepływowe, Zeszyt 108, Łódź, 1995.

Recenzent: Dr hab. inż. Andrzej W itkowski Prof. Politechniki Śląskiej Wpłynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.

A b stra ct

In p la n ts aim ing a t increased saving of energy more and m ore atten tio n is paid to a ratio n al w inning and consum ption of the resources of energy. Of fu n d am en tal im portance is aslo th e recovery of w aste energy from various hydraulic system s and installatio ns, in wich liquids are reduced or dumped.

For th a t recup eratio n of energy hydraulic tu rb in es m ay be used as well as im peller pum ps (single-stage or m u ltistage pum ps) used as turbines.

H ydraulic m achines m ay be used for th e recovery of energy in various system s and in stallation s. The pap er provides exam ples (diagram s) of applying tu r bines (or im peller pum ps used as turbines) for th e recuperation of energy in various in d u stria l installation s. The m ost frequently applied solutions of drives for m achines, m aking use of turb in es, have been discussed.

The in d u stry of Poland does not produce hydraulic tu rb in e s on a larger scale. Therefore it is expedient to aplly im peller pum ps operating as turbines.

As th e application of im peller pum ps in th e role of tu rb in e s is less know and tested, th is problem has been tak e n up w ithin th e research project „Recupera

tion of w aste energy from various technical processes by m eans of hydraulic tu rbo-m achines” sponsored by th e Com m ittee of Researches. The paper aslo provides some selected resu lts of experim ental investigations concerting centrifugal m ilti-stage im peller pum ps used as turbines. Respective con

clusions have been draw and specifed.

ODZYSK ENERGII HYDRAULICZNEJ W UKŁADACH TECHNOLOGICZNYCH