Günther A. Meyer, Allweiler Radolfzell *) Zawarte w poniższym artykule stwierdzenia i przykłady pokazują, w jaki sposób sam użytkownik może na różny sposób wpłynąć na trwałość użytkową, sprawność i tym samym całość kosztów każdej pompy. Ponadto wynika z nich, że zarówno rozpoznanie niekorzystnych względnie nieoptymalnych stanów eksploatacji, jak również ustalenie ich przyczyny wymaga szerokiej wiedzy i dużego doświadczenia. Na całość kosztów posiadania pompy oprócz kosztów zakupu w zdecydowany sposób wpływają również koszty jej eksploatacji i konserwacji (ilustr. 1). Projektanci urządzeń i ich użytkownicy mogą te koszty znacznie obniżyć, jeśli unikną typowych błędów przede wszystkim na etapie doboru, podczas montażu i ustawiania pompy, następnie przy jej uruchomieniu, a także w czasie eksploatacji oraz w trakcie prac konserwacyjnych. Koszt cyklu życia LCC (LIFE CYCLECOST) oblicza się w następujący sposób: LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv +Cd gdzie: Cic = koszty nabycia, cena zakupu (pompa, systemy pomocnicze) Cin = montaż i uruchomienie Ce = koszty energii Co = koszty eksploatacji Cm = koszty konserwacji (części zamienne, roboczogodziny) Cs = koszty przerw w produkcji Cenv= koszty dotyczące środowiska naturalnego Cd = demontaż i utylizacja Redukcja kosztów przez optymalny dobór Przy doborze pompy ważny jest wybór odpowiedniego rodzaju konstrukcji, który najlepiej będzie spełniał określone wymagania (pompa wirowa lub pompa wyporowa). Poza tym trzeba znać warunki zastosowania i eksploatacji danej pompy. Na przykład w przypadku pompy wirowej uwzględnić należy dwa ważne czynniki, które mają wpływ na całość kosztów: 1. Im dalej od optymalnego punktu pracy (BEP) pompa pracuje, tym większe jest zużycie jej elementów. Zmniejsza się więc odpowiednio trwałość użytkowa takich części, jak np. łożyska (ilustr. 2). Szczególnie w przypadku pracy w trybie ciągłym często zmieniające się parametry pracy są przyczyną awarii i przestojów instalacji. Oznacza to nie tylko większe koszty napraw lecz również wysokie koszty związane z usunięciem przyczyny awarii. Tych ostatnich można uniknąć tylko wtedy, gdy zamontowana została pompa rezerwowa. 2. Regulacja ilości przepompowywanej cieczy przez dławienie jej przepływu zmniejsza sprawność pompy i powoduje większe zużycie energii. Z tego względu, jeżeli warunki procesu są zmienne, zaleca się stosowanie pomp z regulowaną prędkością obrotową. W przeciwieństwie do regulacji przez dławienie przepływu regulacja prędkości obrotowej umożliwia oszczędne pod względem energii dostosowanie urządzenia do różnych punktów znamionowych pracy. Dobór układu pompowego i należących do niego urządzeń peryferyjnych wpływa decydująco na poziom kosztów montażu i uruchomienia (ilustr. 3). Warunki zabudowy pompy Niedostateczne uwzględnienie warunków zabudowy może spowodować niewłaściwy dobór pompy.
Szczególnie w przypadku cyrkulacji oleju smarnego problemem może się stać większa ilość pęcherzyków powietrza w tłoczonym medium. Skutkiem tego jest większa emisja hałasu, większe drgania (sprężanie pęcherzyków powietrza powoduje przy w pełni rozwiniętej aeracji maksymalny, nawet dziesięciokrotny wzrost wartości normalnego poziomu drgań) oraz mniejsza trwałość użytkowa pompy. Wolne powietrze pojawia się w wyniku rozbryzgu oleju na przykład w przekładniach, a także z powietrza rozpuszczonego molekularnie (10 Vol.-%) pod ciśnieniem atmosferycznym w oleju w przypadku spadku ciśnienia (wywoływanego przez takie przeszkody utrudniające przepływ, jak zwężenia przekroju) poniżej ciśnienia atmosferycznego, na przykład w przewodach ssawnych i w zamontowanej w nich armaturze. W pompach śrubowych ślady wibracji (ślady aeracji), które powstały z powodu dużej zawartości wolnego powietrza w medium i/lub w wyniku spadku ciśnienia na skutek zbyt niskiej wartości NPSH instalacji, stają się wyraźnie widoczne na powierzchni wrzeciona (ilustr. 4). Tłoczenie mediów zawierających wodę W przypadku mediów o wyższej temperaturze zawierających wodę, ciśnienie przed pompą i ciśnienie w systemie musi być wyższe niż ciśnienie pary, a to dlatego, że np. w bardzo wąskich szczelinach w pompie panująca w danym miejscu temperatura, która jest zależna od tarcia, może być wyższa od temperatury medium. Tylko dzięki wystarczająco wysokiemu ciśnieniu przed pompą można uniknąć wrzenia cząsteczek wody i ewentualnej kawitacji szczelinowej. Dostosowanie instalacji Generalnie należy już na etapie projektowania instalacji uwzględniać specyficzne właściwości medium. Na przykład trzeba wziąć pod uwagę warunki konieczne dla laminarnego przepływu cyrkulującego oleju. Jeśli warunki te są niewystarczające (tylko ograniczona wielkość zbiornika), to można ewentualnie dopasować pompę. Jest to możliwe przez zwiększenie wewnętrznej szczeliny i zmniejszenie przepływu. W tym celu przez fazowanie wrzeciona napędowego tworzy się większą, dodatkową szczelinę na profilowanej tylnej powierzchni nośnej pompy. W szczególnie niekorzystnych przypadkach trzeba jednak zastosować większą pompę (= większy koszt zakupu) i wtedy należy się liczyć z większymi kosztami eksploatacji (= wyższe koszty energii). Dostosowanie obejmuje również zabezpieczenie pompy przed zbyt szybkim zużyciem mechanicznym wskutek tarcia mało smarnych lub tłoczenia zanieczyszczonych mediów. Dzięki temu możliwe jest uniknięcie przestojów w pracy instalacji. W przypadku, gdy nie jest możliwa zmiana właściwości medium, należy zabezpieczyć przed zużyciem mechanicznym powierzchnie funkcyjne podzespołów pompy. Sprawdzonymi w praktyce rozwiązaniami jest dodatkowe polerowanie, nakładanie powłoki z twardego materiału lub azotowanie plazmowe. Czasami trzeba także odpowiednio dostosować uszczelnienia. W szczególności mogą na nie bowiem oddziaływać związki chemiczne obecne w medium. Jeśli nie jest możliwe usunięcie takich substancji chemicznych z medium, to uszczelnienia muszą być wykonane z materiału odpornego na działanie medium (ilustr. 5). Koszty wynikające z błędów w instalacji pompy Podczas montowania pompy w przeznaczonym dla niej miejscu ważne jest udzielenie odpowiedzi na następujące pytania: 1. Gdzie montowana jest pompa i na jakie oddziaływanie otoczenia (na przykład temperatury) będzie ona narażona? Celem powinno być zawsze utrzymanie lepkości medium w granicach doboru, możliwie niezależnie od warunków zewnętrznych. 2. W jaki sposób pompa zostanie zamontowana, jak są poprowadzone przewody rurowe i jak należy skalkulować straty w rurociągu? Pytania te dotyczą w szczególności wymiarowania rur. W celu uzyskania oszczędności w zakresie kosztów konserwacji i energii zawsze należy dążyć do zapewnienia laminarnego dopływu medium do pompy. Zbyt małe promienie skrętów i zbyt małe przekroje rur zawsze prowadzą do wzrostu kosztów. W obydwu przypadkach pompa potrzebuje więcej energii i ewentualnie mocniejszego silnika w celu zrekompensowania strat powstających w rurociągu. Przykłady wpływu średnicy rurociągu przedstawiono na ilustr. 6. Zbyt małe przekroje rurociągu powodują zwiększenie prędkości przepływu, ta zaś jest, na skutek większego oporu tarcia w rurach, przyczyną większych strat ciśnienia. W takich przypadkach pompa potrzebuje więcej energii i ulega szybszemu zużyciu. Dodatkowe koszty z tym związane trzeba porównać z ewentualnymi oszczędnościami kosztów w wyniku zastosowania rur o mniejszej średnicy. Zapobieganie zużyciu Cząstki abrazyjne w medium mogą być przyczyną szybszego zużycia mechanicznego, czemu należy zapobiegać, z jednej strony przez lepszą filtrację medium, z drugiej poprzez optymalizację całej instalacji. Tak więc zbiornik powinien mieć odpowiednio dużą pojemność. Poza tym ścianki działowe mogą wymuszać odpowiedni obieg medium. Ważne jest przede wszystkim to, aby odległość od pompy – a więc między powrotem i króćcem ssawnym – była możliwie duża. We wszystkich przypadkach prędkość przepływu powinna być na tyle mała, a odcinek do pokonana na tyle duży, żeby cząsteczki abrazyjne miały wystarczająco dużo czasu na osadzenie się na dnie. Oprócz tego dobrze jest, gdy pojemność zbiornika jest na tyle duża, aby medium pozostające w nim przez dłuższy czas mogło lepiej się odgazować. Koszty wynikające z błędów popełnionych w trakcie rozruchu Posadowienie pompy Aby pompa była właściwie zamontowana musi zostać dokładnie wypoziomowana. Trzeba to zrobić tylko wtedy, gdy pompa jest zimna lub w temperaturze otoczenia, a więc przed pierwszych rozruchem. Dopiero potem wypoziomowanie jest sprawdzane w temperaturze roboczej i w razie potrzeby korygowane. Kolejność ta jest szczególnie istotna w przypadku pomp nośników ciepła, ponieważ w tym przypadku występują w trakcie pracy największe zmiany w wyniku zmiany długości i objętości. Poziomowanie pompy dopiero w temperaturze roboczej jest niebezpieczne, gdyż wtedy uszkodzenia mogą wystąpić już przy pierwszym uruchomieniu. Najlepiej jest zaprotokołować wypoziomowanie i notować oddziaływanie różnych temperatur i stanów pracy urządzenia. Później można znaleźć najlepsze rozwiązanie kompromisowe i odpowiednio zoptymalizować ustawienie. Napełnianie i odpowietrzanie W celu uniknięcia uszkodzenia pompy należy ją regularnie odpowietrzać. Ważne jest przy tym, aby odpowietrzanie było dostateczne i pełne. W szczególności często zapomina się o komorze uszczelniającej. Właśnie stąd trzeba usunąć nagromadzone pęcherzyki powietrza. W przeciwnym razie może dojść do pracy uszczelnienia na sucho. Skutkiem tego jest za wysoka temperatura (powyżej 200°C) na powierzchniach uszczelniających pierścieni ślizgowych, która może spowodować powstanie nagaru olejowego (ilustr. 7). Oprócz tego praca przy braku smarowania i za duże ciepło tarcia mogą pro-wadzić do wyszczerbiania powierzchni ślizgowego pierścienia uszczelniającego. Efektem tego jest coraz większa nieszczelność, a w końcu naprawy i kosztowne okresy przestoju. W celu uniknięcia gromadzenia się powietrza przede wszystkim w pobliżu wirującego pierścienia ślizgowego, komorę uszczelniającą należy skonstruować w taki sposób, żeby ciekłe medium w wystarczający sposób smarowało i chłodziło powierzchnie ślizgowe i odprowadzało ciepło tarcia. Również nie usunięte do końca środki płuczące i czyszczące takie, jak np. woda, mogą być przyczyną uszkodzeń w pompach. Podobna sytuacja zachodzi wtedy, gdy pozostałości zanieczyszczeń trafiają nieprzefiltrowane do pompy. Filtrowanie medium przy pierwszym rozruchu pozwala uniknąć takiej sytuacji. Uruchomienie i ustawienie ciśnienia zadziałania zaworu zabezpieczającego pompę Większość zaworów bezpieczeństwa montowanych w pompach śrubowych to po prostu zawory przeznaczone do ochrony pomp i nie nadają się one do regulacji ciśnienia całej instalacji. Jeśli w instalacjach z dodatkowym ogranicznikiem ciśnienia i/lub regulatorem ciśnienia (regulatorem upustowym) zawory chroniące pompę są nieodpowiednio ustawione, to już przy pierwszym uruchomieniu może nastąpić uszkodzenie. Jeśli ciśnienie zadziałania zaworu chroniącego pompę ma wartość bliską ciśnieniu regulacyjnemu regulatora upustowego, to obydwa zawory wywierają na siebie za duży wpływ i powodują występowanie zakłóceń w pracy urządzenia. Ponieważ zawory przeznaczone do ochrony pompy z reguły pozwalają na cyrkulację wypływającego medium wewnątrz pompy, to, jeżeli nie zostaną podjęte żadne dodatkowe działania, w krótkim czasie może dojść do uszkodzenia pompy na skutek wzrostu temperatury medium. Z tego względu dla nienadzorowanych faz działania zaworu zabezpieczającego pompę należy od pewnej różnicy ciśnień zamontować przewód służący do obniżenia ciśnienia, doprowadzany z powrotem do zbiornika. Powodem niestabilnej pracy zaworów jest z reguły niewłaściwie ustawione ciśnienie zadziałania. Rozruch pompy Przy rozruchu pomp wyporowych należy pamiętać o tym, aby po stronie tłocznej pompy usunięte było całe powietrze. W przeciwnym razie może dojść do przeciążenia, gdy na przykład w pompach śrubowych wytworzy się za wysokie ciśnienie. Ponieważ ciśnienie wzrasta w kierunku od strony ssawnej do strony tłocznej to przeciążenie pompy może wystąpić w takich przypadkach rozruchu po stronie tłocznej. Generalnie należy pamiętać o tym, że dopóki pompa nie osiągnie swojej minimalnej prędkości obrotowej i tym samym wymaganego smarowania, dopóty nie może być obciążana odpowiednim ciśnieniem. W celu uniknięcia przeciążeń pompa robocza i rezerwowa muszą być wyposażone przynajmniej w ogranicznik ciśnienia, a jeszcze lepiej w dodatkowy, odpowiedni dla rozruchu reduktor ciśnienia zamontowany przed zaworem zwrotnym. Nadzorowanie warunków eksploatacyjnych W trakcie pracy możliwa jest zarówno optymalizacja kosztów energii w oparciu o współczynnik sprawności, kosztów konserwacji i tym samym kosztów przestoju, jak również kosztów części zamiennych. Warunkiem jest nadzorowanie parametrów eksploatacyjnych takich jak ciśnienie ssania, ciśnienie tłoczenia, temperatura tłoczonego medium (lepkość tłoczonego medium), prędkość obrotowa pompy i prędkość obwodowa wrzeciona. Dzięki odpowiedniemu powiązaniu aktualnych parametrów roboczych można określić jednostkowe obciążenie pompy. Poza tym można, na przykład przy pomocy danych statystycznych dotyczących trwałości użytkowej łożysk tocznych pomp stworzyć procedury konserwacji profilaktycznej. |  Ilustracja 1. Rozkład kosztów dla pompy przemysłowej średniej wielkości  Ilustracja 2. Sprawność pompy wirowej a niezawodność [1]  Ilustracja 3. Wpływ elementów składowych układu pompowego na koszty montażu i uruchomienia [2]  Ilustracja 4. Ślady wibracji (ślady aeracji) na powierzchniach wrzecion pompy śrubowej powstałe na skutek dużej ilości wolnego powietrza w medium  Elastomer, który utracił własności na skutek niewłaściwego doboru  Ilustracja 6. Wpływ średnicy rurociągu na prędkość przepływu cieczy po stronie ssawnej (a) i tłocznej (b)  Ilustracja 7. Osad nagaru olejowego w ślizgowym pierścieniu uszczelniającym  Ilustracja 8. Uszkodzenie na skutek niedostatecznego smarowania Smarowanie Oprócz innych przyczyn, powodem wystąpienia uszkodzeń i tym samym przestoju może być również niewłaściwy smar, brak smaru lub nadmiar smaru w łożyskach kulkowych. Dlatego należy przestrzegać częstotliwości smarowania zgodnie z instrukcją obsługi i stosować tylko zalecany rodzaj smaru. Również promieniowe żłobienie jednego lub obydwu wrzecion w pompach śrubowych może być spowodowane niedostatecznym smarowaniem, a przyczyną takiej sytuacji może być tłoczone medium i/lub za duża różnica ciśnienia przy zbyt małej prędkości obrotowej w stosunku do lepkości medium. Takich zjawisk można uniknąć zmniejszając robocze ciśnienie różnicowe, zwiększając prędkość obrotową oraz poprawiając jakość powierzchni i wyboru/doboru materiałów. Korzystne mogą być także zmienione właściwości medium, takie jak lepsze własności czyszczące i smarność. Warunki eksploatacji Na przykładzie pomp śrubowych można przejrzyście przedstawić korzystny i niekorzystny wpływ warunków eksploatacji na różny udział kosztów w całkowitych kosztach cyklu życia (LCC) pompy (tabela 1). |
Optymalizacja konserwacji
Konserwacja i serwis pomp wpływają na dwa bloki całkowitych kosztów posiadania urządzenia.
Po pierwsze są to koszty bezpośrednie konserwacji i strat spowodowanych ewentualną przerwą
w produkcji, po drugie kapitał zamrożony w częściach zamiennych składowanych we własnym
magazynie. Optymalizacja kosztów jest tu jak najbardziej możliwa na przykład przez stosowanie
kompletnych zestawów części zamiennych, które mają niższą cenę. Ponieważ przy wymianie
tych zestawów wymieniana jest profilaktycznie wraz z nimi równocześnie większa liczba części
ulegających zużyciu, to krótsza jest lista terminów konserwacji, a co za tym idzie przerw w produkcji.
Zasadniczo konserwacja profilaktyczna powinna być zawsze planowana i przeprowadzana jako
działanie wynikające ze stanu instalacji. Zapobiega to wystąpieniu poważnej awarii, która może
prowadzić do kosztownych przestojów. Jeśli konserwacja jest przeprowadzana na instalacji
wyłączonej z eksploatacji, np. podczas przeglądu, to nie występują w ogóle żadne okresy przerw
w pracy.
Podsumowanie
Decydujący dla niskich całkowitych kosztów posiadania urządzenia jest fakt, że poszczególne
czynniki obserwowane są w ramach ich wzajemnych powiązań i oddziaływań. Pompy, które są
optymalnie przystosowane do warunków procesu i do całej instalacji, których materiały uwzględniają
właściwości tłoczonych mediów i których zasada tłoczenia jest odpowiednia do warunków eksploatacji,
będą w efekcie pracowały oszczędnie. Firma Allweiler AG pomaga użytkownikom w optymalizacji
całkowitych kosztów cyklu życia (LCC) pompy z jednej strony poprzez wybór właściwego systemu
pompowego z bogatej oferty urządzeń o różnej konstrukcji i zasadzie tłoczenia, z drugiej strony
poprzez szkolenie klienta względnie personelu serwisowego, a także poprzez konsekwentną analizę
całkowitych kosztów posiadania przeprowadzaną dla każdej pompy od etapu konstrukcyjnego poprzez
produkcję aż po koncepcje z zakresu nadzoru, konserwacji i serwisu.
Literatura
[1] Pump Life Cycle Costs, First Edition. HYDRAULIC
INSTITUTE EUROPUMP, ISBN 1-880952-58-0
[2] Presentation Total Cost of Ownership (Total Life Cycle Costs),
Allweiller AG, Radolfzell/12.10.2006, Prof. dr inż. D.-H. Hellmann
*) G. A. Meyer – dział serwisu w firmie Allweiler AG, Radolfzell (Niemcy).
Tłumaczenie artykułu z „Industriepumpen + Kompressoren”, z. 4/2008, ss. 175-179