Nyomásfokozó telepek energiafelhasználásának vizsgálata

A cikk első közlésben a Magyar Épületgépészet 2016/1-2. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

Napjainkban az energiatakarékosság egyre nagyobb hangsúlyt kap, ezt teszi szükségessé a rohamosan emelkedő számú világnépesség évről évre növekvő energiaigénye. A fejlett nemzetek lakosságának komfortigénye folyamatosan emelkedik, csakúgy, ahogyan a fejlődő országok iparosodása is mind nagyobb energiaigényeket támaszt.
Mivel a bolygónk energiatartalékai végesek, ezért kiemelkedően fontos feladat a meglévő technológiák korszerűsítése, és azok alkalmazása az új, illetve a meglévő infrastruktúrában. Az ilyen irányú fejlesztések elsődleges célja az energiafogyasztás csökkentése úgy, hogy közben a teljesítmény és a megbízhatóság megmaradjon vagy akár tovább is növekedjen. Mivel a világ energiafelhasználásának közel 40%-át az épületek energiaellátására fordítjuk, és ennek jelentős hányadát a különféle szivattyúzási rendszerek villamosenergia-felvétele teszi ki, így a szivattyúzási munka is óriási energiamegtakarítási potenciált jelent.
Ezeket a kihívásokat és célkitűzéseket figyelembe véve készült el a TDK-dolgozat a nyomásfokozó szivattyúk energiafelhasználásának vizsgálatáról, amelyhez a Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar épületgépészeti laboratóriumában található Grundfos mérőkörön végeztünk méréseket.

A vizsgálat során használt mérőkör
A Grundfos mérőkör oktatási, kísérleti és kutatási célra készült, nem lát el valós feladatot az épületben, segítségével szimulálhatók különböző üzemállapotok, amelyek egy valós nyomásfokozási feladatban előfordulhatnak, pl. különböző nyomásszintek és vízfogyasztási igények. A mérőkör két-két állandó fordulatszámú kaszkád-szabályozású és fordulatszám-szabályozott szivattyút tartalmaz a kiszolgáló vezetékhálózat, tartály- és szerelvényrendszer, vezérlőszekrény, mérő-/adatgyűjtő rendszer mellett (1. ábra, lásd a következő oldalon). A mérőkörön különféle üzemállapotokat szimulálva vizsgálható, hogy a két szivattyúcsoport miként reagál a különböző nyomás-, illetve térfogatáram-igényekre.

1. ábra. A mérőkör felépítése

Az ábra jelölései:
1 – Grundfos CRE 3-5 frekvenciaváltós szivattyú,
2 – Grundfos CR 1-7 állandó fordulatszámú szivattyú,
3 – Danfoss MBS 3000 nyomástávadó,
4 – Tival FF 4-8 Day nyomáskapcsoló,
5 – Grundfos VFI térfogatáram mérő,
6 – Grundfos GT-H-60V 60 literes nyomólégüst,
7 – Grundfos GT-H-24V 24 literes nyomólégüst,
8 – Grundfos GT-H-12V 12 literes nyomólégüst,
9 – Oventrop beszabályozó szelep, DN50

A mérőkör két szinten húzódik át, a mélyföldszinten találhatók a rendszer lényegét képező szivattyúcsoportok, a két Grundfos CRE 3-5 elektronikus frekvenciaváltós szivattyú és a két Grundfos CR 1-7 állandó fordulatszámú szivattyú. Minden szivattyú párhuzamos kapcsolással csatlakozik az osztó-gyűjtőre, így, amikor együtt dolgoznak, a megvalósítható szállított térfogatáram tartománya növekszik.
A szivattyúk előtt a szívóoldalon visszacsapószelepek találhatók, ezek a párhuzamos kapcsolásnál lényegesek, hogy amikor csak az egyik gép működik, az ne szívja le a vizet a másikról. Fontos ez az NPSH érték szempontjából is, hogy rendelkezésre álljon a szükséges ráfolyási magasság, és ne alakuljon ki levegősödés a vezetékben, ami kavitációhoz vezethetne.
A földszinten található továbbá a két elektronikus nyomástávadó, amelyek az ellenőrzőjelet szolgáltatják a vezérlőszekrény számára. A kaszkádkapcsolású szivattyúcsoport szabályozását biztosító nyomáskapcsolón mechanikusan beállítható a tartani kívánt nyomásszint alsó és felső határértéke, hogy mikor kapcsoljon be és ki a szivattyúcsoport.
A mérőkör rendelkezik egy optikai elven működő térfogatáram-mérővel és három hidrofor tartállyal is, amelyek különböző méretei révén más és más rendszerjellemzőket lehet szimulálni. Minél nagyobb térfogat áll rendelkezésre a tartályok révén, annál tovább képes a hálózat folyamatos fogyasztás mellett biztosítani a megfelelő kifolyási nyomást, és ezzel a térfogatáramot is a szivattyúk kikapcsolt állapota mellett. Ez nagy hatással van a kapcsolási számra, ami meghatározó az energiafogyasztásban és a várható élettartamban is.
A különböző fogyasztási viszonyok, esetünkben a térfogatáramok egy beszabályozó szeleppel állíthatók be. A szelep zárása szimbolizálta a csökkenő fogyasztást, míg a nyitása a növekvő vízigényt.
Az emeleten található egy többcsonkos, 1,156 m3-es nyitott víztartály, ahova a nyomásfokozó szivattyú feljuttatja a vizet, ami a tartály tetején érkezik be, és annak alján távozik vissza a szivattyúk irányába, ezzel egy közel zárt hurkot képezve. Működés közben a víz ebben a hurokban halad körbe, így a víz pótlására nincs szükség a mérések és a szimuláció során.
Ezzel az elrendezéssel a szivattyúk a mérés során nyomó üzemmódban működtek, de lehetőség van a földszinten található medence segítségével szívóüzemre is. A szívó vezetékág végén egy szűrőkosárral ellátott lábszelep található, ami megakadályozza a szívócsőből a víz gravitációs úton történő leürülését.
A mérőkör második legfontosabb eleme a Grundfos Control MPC vezérlő és monitorozó rendszer, amit a helyszínen található CU 352 szabályozó irányítópaneljei segítségével vagy USB csatlakozás révén számítógépen keresztül lehet használni. Mindkét szivattyúcsoportnak saját, önálló szabályozópanelje van.

A következőkben bemutatott mérések lényege a szivattyúk teljesítményfelvétele és a szivattyúk, mint villamos gépek kihasználtságának a vizsgálata. A frekvenciaváltós gépeknél a teljesítményfelvételt még kiírta a szabályozópanel 100 W felbontásban, de a nagyobb pontosság miatt külön mérőműszerre is szükség volt, mivel a különböző üzemállapotokban sokszor alacsony, csak pár száz watt eltérés jelentkezett. Ahhoz pedig, hogy jól használható diagram és pontosabb megállapítások születhessenek, nélkülözhetetlen volt egy mérőműszer, az ún. teljesítmény- és harmonikus analizátor.

A mérés menete és a teljesítményértékek meghatározása
A mérések megkezdése előtt a szivattyúk jelleggörbéi alapján különböző üzemállapotokat vizsgáltunk meg, hogy kitűzhessük azt a teljesítménytartományt, ahol jól demonstrálhatók a szivattyúcsoportok közötti különbségek teljesítményfelvétel és hatásfok tekintetében.
A 2. ábra diagramjain látható, hogy milyen nyomás- és térfogatáram-tartományokban végeztük a méréseket, figyelembe véve, hogy a két szivattyúcsoport egymástól eltérő területeken képes üzemelni, a két üzemi tartomány metszetét megkeresve.

2. ábra. A CR 1-7 és CRE 3-5 párhuzamosan kapcsolt szivattyúcsoportok jelleggörbéi

A vizsgált üzemállapot szimulációjának megkezdéséhez be kellett állítani a szükséges alapjelet, az állandó fordulatszámú szivattyú esetében a nyomáskapcsolón, a frekvenciaváltós szivattyú esetében pedig a CU 352 szabályozó panelen. Ezt követően a térfogatáram-mérőt figyelve a beszabályozó szelepet nyitni, illetve zárni kezdtük a szükséges mennyiség beállásáig. Ügyelni kellett arra, hogy a beállításkor létrejövő lengések megszűnjenek, majd a kialakult térfogatáramot szükség esetén még „finomhangolni” kellett. Annak érdekében, hogy a nyomáskapcsolós állandó fordulatszámú szivattyúk is könnyebben beálljanak és stabilak maradjanak a kívánt munkapontban a mérés ideje alatt, mind a három rendelkezésre álló hidrofortartály részt vett a mérésben.
Miután a megfelelő üzemállapotok létrejöttek, a teljesítmény analizátor segítségével külön gépcsoportonként kimértük a felvett teljesítményt, az áramerősséget és a cos φ értékét. A mérés során figyelembe kellett venni, hogy az állandó fordulatszámú gépek tápellátása háromfázisú, míg a frekvenciaváltósaké egyfázisú.
Mindkét jellegű mérés esetében a kijelzőről leolvasható volt az aktuális feszültség, áramerősség, teljesítményfelvétel és a teljesítménytényező értéke is. A mérés eredményeit 1. táblázat foglalja össze, diagramon a 3. és 4. ábrán láthatók.

1. táblázat. A mért értékek összefoglalása

3. ábra. A teljesítmény és a térfogatáram kapcsolata 2 bar nyomáson

4. ábra. A teljesítmény és a térfogatáram kapcsolata 3,5 bar nyomáson

A grafikonokat vizsgálva több észrevétel is megállapítható. Először is, hogy a kaszkád csoport villamos teljesítményfelvétele végig közel azonos, holott az üzemi nyomás és a térfogatáramok minden mérésnél eltérőek. Ennek magyarázata, hogy a fix fordulatszámú szivattyúk esetében a szabályozónak két lehetősége van, vagy mind a két szivattyút járatja párhuzamosan 100%-os fordulatszámon, vagy csak az egyiket. Mivel a fordulatszámok fixek, ezért a munkapont csak az adott görbe vonalán tud elmozdulni, viszont a fenntartani kívánt nyomás-térfogatáram a görbe alá esik.
Itt lép be a nyomáskapcsoló szerepe, mivel a létrehozni kívánt nyomás nem áll be azonnal, hanem egy bizonyos időre van szüksége ahhoz, hogy kialakuljon a rendszer méretétől függően. Itt nagy szerepe van a nyomólégüstöknek , is amelyek a szivattyú kapcsolási számán keresztül fejtik ki a hatásukat.
Amint a nyomás elérte a felső határt, amit a nyomáskapcsolón beállítottunk, azonnal kikapcsol mindkét szivattyú, és ebben az állapotban is marad, amíg a nyomás le nem esik a meghatározott alsó határra, majd újból bekapcsolnak. Ha túl keskenyre vesszük ezt a nyomászónát, akkor a gépek folyton ki-be fognak kapcsolni, ezáltal megnő a kapcsolási szám is, ami rossz hatással van a szivattyúk élettartamára és fogyasztására egyaránt. A fix fordulatszámú szivattyúknál ezért fontos a megfelelő méretű nyomólégüst alkalmazása, hogy a kapcsolási számot alacsony értéken tarthassuk.
A másik fontos észrevétel a grafikonon, hogy a frekvenciaváltós szivattyúk teljesítményfelvétele egyenletes növekedést mutat a térfogatáram növekedésével, ahogy az várható is volt a fordulatszám-szabályozás miatt. Egyre nagyobb a terhelés, ennek következtében egyre nagyobb lesz a teljesítmény-felvétel is. Látható, hogy egy kivétellel minden esetben kisebb a teljesítményigény, ezáltal a fogyasztás is a kaszkádos rendszerhez képest. A kivételt képező 9. mérés korábbi trendtől való eltérésének oka abban keresendő, hogy a gépcsoportok névleges térfogatárama eltér. A fix fordulatú CR 1-7 szivattyúké 1 m3/h, míg a változtatható fordulatszámú CRE 3-5 szivattyúké 3 m3/h.
A teljesítménytényezőket megvizsgálva látható, hogy a korszerűbb frekvenciaváltós szivattyúmotorok kihasználtsága sokkal jobb, mint a régebbi generációs CR szivattyúké. Ennek okai a hajtástechnika és az elektronikus vezérlés fejlődéséből erednek.

A szivattyúcsoportok hatásfokának meghatározása
Az 1. táblázatban foglalt mért értékek segítségével kiszámítható a szivattyú/szivattyúcsoport hatásfoka, ami elengedhetetlen a gazdaságossági értékeléshez. A nyomásfokozó szivattyúk hatásfokát az alábbi összefüggések segítségével határoztuk meg minden egyes szimulált üzemállapotra:
• a hidraulikai teljesítmény:
(1)
ahol
ρ – a szállított közeg sűrűsége [kg/m3],
g – nehézségi gyorsulás [m/s2],
Q – térfogatáram [m3/h],
H – emelőmagasság [m].
• a szivattyúhatásfok
(2)
ahol:
P1 – felvett villamos teljesítmény [W].
A hidraulikai teljesítmény számítása 20 °C-os víz szállítása esetén: PH = 2,72 • Q • H [W].

A számított eredmények a 2. táblázatban láthatók. A számítás lényegében azt fejezi ki, hogy a szállított közegnek mekkora teljesítményt ad át a gép (hidraulikai teljesítmény), és ez milyen arányban van az összes befektetett villamos energia teljesítménnyel. Ezt nevezzük hatásfoknak.

2. táblázat. Fajlagos energiafogyasztások és költségek gépcsoportonként

A diagramokat szemlélve látható, hogy a kaszkád kapcsolású, állandó fordulatszámú gépek jelentősen rosszabbul teljesítenek a frekvenciaváltós társaiknál.
A kaszkád gépek a 3,18 bar valós nyomáson és 3 m3/h-nál teljesítettek a legjobban, itt elérték a 25,7% hatásfokot. A frekvenciaváltós gépek alulmaradásának az oka, hogy ezen a terhelésen már ezek is 100%-os fordulatszámmal üzemeltek, továbbá a motorok frekvenciatartománya 50 – 60 Hz, a teljesítmény a fordulatszám függvényében pedig harmadik hatvánnyal emelkedik az affinitási törvények alapján. Ezzel szemben a frekvenciaváltós szivattyúk részterhelésen kivétel nélkül jobban teljesítettek, mint az állandó fordulatszámúak, és mivel a megfelelően kiválasztott gépek üzemidejük jelentős részében csak részterhelésen üzemelnek, így az energia-megtakarítási és üzemeltetési költségek tekintetében az előzőek előnyösebb megoldást nyújtanak (lásd az 5. és 6. ábrát).

5. ábra. A hatásfok és a térfogatáram kapcsolata 2 bar nyomáson

6. ábra. A hatásfok és a térfogatáram kapcsolata 3,5 bar nyomáson

Mivel a mérőkörben az áramlás úgy zajlik, hogy a szivattyúk a felső emeleten található tartályba juttatják a vizet, majd azt onnan visszavezetjük az alsó szinten elhelyezett szivattyúkhoz, ezért a magasságkülönbségből adódóan a szivattyúknál nyugalmi állapotban is jelentkezik egy plusz nyomás. A mérőkörbe épített manométer alapján kikapcsolt gépek esetén ez a nyomás 0,32 bar. Ezt a nyomásnyereséget levontuk az emelőmagasságból, ami áll egyszer a geodetikus magasságból, a vezetékeken jelentkező súrlódási, illetve alaki ellenállásokból és a kifolyási nyomásból.

A szivattyúk fajlagos energiafogyasztásának meghatározása
A következőkben a szivattyúk fajlagos energiafogyasztását mutatjuk be, ami kézzelfoghatóvá teszi, hogy az adott gépek ténylegesen mennyi energiát fogyasztanak. A számítások eredményei azt mutatják meg, hogy adott nyomáson egy köbméter vizet hány kWh energia felhasználásával tudunk átjuttatni a gépeken.
A fajlagos energiafogyasztás:
(3)
Ha a kapott fogyasztási eredményeket 35 Ft/kWh villamos energiadíjjal átszámoljuk, akkor egy köbméter víz szállítására az adott nyomáson jelentkező költségek a 2. táblázat szerint alakulnak. Ez az érték megmutatja, hogy folyamatos üzemben egy köbméter vizet hány forintért tudunk az adott nyomásszinten szállítani (7. ábra).

7. ábra. A fajlagos energiafogyasztás és a térfogatáram kapcsolata 2 bar nyomáson

A táblázat alapján megállapítható, hogy a frekvenciaváltós szabályozási mód átlagosan 44%-kal volt költséghatékonyabb, mint a kaszkádszabályozás.
Ahhoz, hogy az elemzés eredményei a gyakorlatban is jól hasznosíthatók legyenek, egy valódi feladatmegoldás esetére is reális értékek szülessenek, fontos volt a mérés körülményeinek üzemszerű, céltudatos megválasztása, például
• a különböző jelleggörbékhez illeszkedő üzemviszonyok beállítása egyedi és párhuzamos szivattyúüzemben;
• a műszaki paraméterek eltérésének figyelembe vétele a mérési pontok és a gépcsoportok összehasonlítása során;
• az egyes szabályozási módok különbözőségének figyelembe vétele;
• a villanymotorok fázisszám, frekvenciatartomány jellemzőinek figyelembe vétele.
Az eredmények kiértékelésével számszerűsítve, diagramokba foglalva sikerült megkapni azokat a főbb jellemzőket, amelyek meghatározók egy szivattyú-kiválasztás során (lásd 8. ábra). Ilyenek a teljesítményfelvétel a különböző nyomás és térfogatáramokon, a szivattyúk hatásfoka a hálózati villamos energia felvétel függvényében, előzőek hatása a fenntartási költségekre stb.

8. ábra. A két szivattyúcsoport közötti megtakarítások nyomászónánként

Összefoglalás
Az végső eredményekre és grafikonokra hagyatkozva is megállapítható, hogy a frekvenciaváltós szabályozási mód az esetek túlnyomó többségében gazdaságosabb működést tesz lehetővé, mivel egy átlagos nyomásfokozási feladatot ellátó szivattyúcsoport az üzemidejének nagy hányadában részterhelésen dolgozik. A kaszkád szabályozás egyedül a kisebb bekerülési költsége miatt lehet opció egy olyan rendszerben, ahol a folyamatos üzem 100%-os fordulatszámot kíván meg.
Továbbá arra is fény derült a vizsgálat eredményeiből, hogy a megfelelő szivattyú-kiválasztás mennyire sarkalatos pontja egy jó rendszer megvalósításának. Ugyanis ha megalapozatlanul kiválasztunk két szivattyú közül egy frekvenciaváltós kivitelűt arra hivatkozva, hogy az biztosan minden esetben előnyösebb lesz, akár tévedhetünk is, ha nem támasztjuk alá ellenőrző számítással a választásunkat.

Irodalom
[1] Lehmann János – Eördöghné dr. Miklós Mária: Nyomásfokozó berendezések, PTE-MIK Gépészmérnök Tanszék
[2] Erdei István előadása, PTE-MIK: Nyomásfokozók alkalmazása az épületgépészetben, GRUNDFOS Hungária Kft. 2015. február 25.
[3] Erdei István előadása, PTE-MIK: (Szivattyúk) szabályozástechnikája, GRUNDFOS Hungária Kft. 2015. november 6.
[4] Dr. Fáy Csaba: A XXI. század örvényszivattyúi, keverői és üzemeltetésük
[5] Dr. Füzy Olivér: Vízgépek. Tankönyvkiadó, Budapest, 1963. Negyedik kiadás.
[6] Tomi Ristimäki: Energiahatékonyság frekvenciaváltó használatával, Magyar Épületgépészet, LVII. évf. 2008/9
[7] Dr. Hunyár Mátyás: Energiatakarékos és hálózatbarát villamos hajtások, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1998
[8] Grundfos: Pump Handbook
[9] Grundfos: Függőleges tengelyű szivattyúk CR, CRI, CRN, CRE, CRIE, CRNE
[10] Hans Vogelesang: An introduction to energy consumption in pumps, WORLD PUMPS, 2008. január
[11] Grundfos nyomásfokozók, Hydro MPC, 1996.

Abstract
In this article the authors examine and compare the consumption and efficiency of modern inverter pressure booster pumps with the former traditional constant speed cascade modulated pumps on different loading parameters and operating status.
The pump laboratory of University of Pécs which was funded and built with the help of Grundfos, is introduced and analysed. The authors show in details the results of the measurements in tables with diagrams, and the conclusions are drawn. Along with the results the measurement processes are shown, as well as the simulated operating states with their meanings.
The results of their work and the conclusions made from them clearly show the main advantages of the newer pumps and the practical benefits of the previous and current researches. With their help one can intuitively follow what energy savings can be achieved in the industrial and retail conditions by a proper pump selection.

Eördöghné dr. Miklós Mária, Szőke András