Najbardziej nietypowe z realizowanych przez was zamówień w zakresie pomp to…

Dużym wyzwaniem było dla nas sterowanie układem pompowym dużej mocy. 18 pomp, z tego 9 z przemiennikami średniego napięcia, w dosyć złożonym układzie kolektorowym, gdzie poszczególne nitki pompowania znajdowały się w różnych miejscach. W związku z tym trzeba było uwzględnić sposoby sterowania pompami, współpracę rurociągów na podstawie pomiarów ciśnienia i przepływów, a potem tłoczenia do dużych rurociągów o znacznej średnicy. To było jedno z trudniejszych zagadnień. Uczestniczyliśmy w projektowaniu technologii, wyposażyliśmy w większość układów automatyki sterowania, uruchomiliśmy i powiązywaliśmy z innymi punktami sterowania pompowniami we wspólnej sieci hydrotransportu.

Dosyć ciekawym rozwiązaniem było też przerywanie strugi wody na zbiorniku Żelazny Most, gdzie na wieżach, które nie mają zasilania elektrycznego, musieliśmy to zasilanie zapewnić. Postawiliśmy elektrownię solarno-wiatrową połączoną z zestawem akumulatorów, która zasila układ automatyki służący do awaryjnego przerywania strugi cieczy w dużych rurach do pompowni wody, sterowany drogą radiową i GSM.

Dużym wyzwaniem było też wyposażenie pomp głównego odwadniania w kopalniach w układy rozruchowe.

To specyficzny napęd.

Tak, ale też bardzo wysokie wymagania dotyczące niezawodności pracy i bezpieczeństwa obsługi takich układów.

W wodociągach interesujące były zagadnienia sterowania stacjami uzdatniania wody z dozowaniem składników przez pompy dozujące. Wykonaliśmy układ sterowania i nadzoru przepompowni ścieków na terenie Wrocławia – obecnie jest to układ 37 przepompowni sterowanych i nadzorowanych w systemie trunkingowym. To kolejny etap budowy tej sieci, jej pierwsza wersja była – w tamtym czasie – bardzo nowatorska.

Przez ponad 25 lat działalności firmy zajmujemy się sterowaniem w różnych działach. Maszyny typu pompy czy wentylatory są cały czas tam obecne w różnych aplikacjach. Wyposażamy pompy i wentylatory w układy napędowe o regulowanej prędkości, obecnie najczęściej z przemiennikami częstotliwości. Wyspecjalizowaliśmy się w projektowaniu i wykonaniu napędów dużej mocy z przemiennikami niskiego i średniego napięcia.

Wasza podstawowa działalność to automatyka i napędy?

Automatyka przemysłowa, a w tej chwili w coraz większym stopniu robotyka, i napędy, szczególnie dużej mocy. Niektóre nasze rozwiązania projektowe zostały przyjęte jako standard w koncernach. Także wszystkie regulowane napędy transportu taśmowego w zagłębiu miedziowym są wyposażone w falownikowe zestawy napędowe z naszej firmy. Dopracowaliśmy się również własnego zoptymalizowanego rozwiązania, które okazało się niezawodne w skrajnie trudnych warunkach kopalnianych.

Jesteśmy specjalistami od rozwiązań elektrycznych i automatyki, natomiast do pewnego stopnia musieliśmy się wdrożyć w wiedzę o maszynach, jak.np. o pompach czy o właściwościach układów wielopompowych, żeby rozumieć, jak w układzie sterownia uwzględniać wymagania i subtelności sterowania złożonymi układami maszyn.

Czyli projektowanie układów pompowych to nie wasza specjalność?

Układów pompowych – nie, lecz układów napędowych i automatyki dla pomp. Natomiast pompownie są projektowane przez wyspecjalizowane w tym kierunku biura technologiczne, przy naszej współpracy. Są to projekty wielobranżowe. Optymalne rozwiązania wymagają doświadczenia w kilu dziedzinach, w tym w automatyce i napędach elektrycznych.

Wykonaliśmy, jako główny wykonawca, wielobranżowe projekty kilku dużych pompowni, o mocy zainstalowanej pomp do ok. 10 MW. Projekty elektryczne i automatyki to część przedsięwzięć wykonanych przez naszą grupę projektową. 

Dosyć często spotykamy się z planowanym zadaniem modernizacji napędów pojedynczej pompy lub układu kilku współpracujących pomp. Czasem wynika to ze zmian technologii, ale częściej z potrzeby oszczędzania energii zużywanej przez pompy. Zastępuje się układy regulacji dławieniowej, upustowej lub przez zastosowanie zmian prędkości z użyciem sprzęgieł hydrodynamicznych, przeważnie bardzo nieefektywnych energetycznie. W ich miejsce stosuje się napędy z silnikami prądu zmiennego i przemiennikami częstotliwości. Wykonujemy je na podstawie własnego doświadczenia, wspierając się radami i podpowiedziami wieloletnich współpracowników, specjalistów w tej dziedzinie. Dotychczas stosowane metody uruchomiania i sterowania pompami ulegają zmianie, co czasem spotyka się z oporami użytkowników.

Dla zadanego zakresu zmian prędkości i momentu napędu pompy dobieramy najkorzystniejsze rozwiązania. Nie tylko najtańsze na etapie zakupów lub inwestycji, ale także możliwie wysokosprawne energetycznie i niezawodne w eksploatacji. Pozostawienie starego silnika w modernizowanym napędzie pompy powoduje oszczędności i skraca czas postoju remontowego, ale wymaga większej staranności doboru układu przemiennika do prawidłowej pracy starego silnika. Zastosowaliśmy falowniki specjalnej konstrukcji, falowniki prądowe, do bardzo starych silników, nieprzystosowanych do zasilania innego niż z sieci, bez jakichkolwiek negatywnych następstw.

Dobieraliśmy także przemienniki o mocy niższej od mocy znamionowej silnika ze względu na mniejsze obciążenia napędu. Taki dobór wymaga odwagi decydentów, ale prowadzi do znaczących korzyści. Takie rozwiązania wymagają uwzględnienia szeregu zjawisk i właściwości.

Tak wykonaliśmy m.in. modernizację głównych wentylatorów w jednej z elektrowni. Włączyliśmy się tam z przemiennikami w tor zasilania, choć ponad 20-letnie silniki nie zostały przystosowane do pracy z przemiennikami. Bezpieczną pracę starych silników zapewniały przemienniki prądowe średniego napięcia o przebiegach napięcia i prądu zbliżonych do przebiegów w sieci zasilającej średniego napięcia.

Uboczne efekty stosowania regulowanych napędów elektrycznych pomp mogą prowadzić do wywołania problemów po stronie układu zasilania, współpracy z innymi urządzeniami, zakłóceń automatyki, łączności i innych, których usunięcie może być bardzo kosztowne, zwłaszcza w napędach dużej mocy. Doświadczenie w unikaniu takich problemów na etapie projektu i doboru szczegółowych rozwiązań technicznych jest podstawą powodzenia. 

Jesteśmy w stanie zoptymalizować układ tak, żeby zachował wszystkie warunki poprawnego doboru i pracy technologicznej bez zapasów mocy napędu, unikając znaczącego wpływu niekorzystnych zjawisk ubocznych, ale jednocześnie, aby maksymalnie wykorzystać moc i sprawność napędu. A do tego jeszcze, żeby finansowo było jak najkorzystniej.

Wyspecjalizowaliśmy się w napędach, które mają szczególne cechy, tzn. możemy podjąć się regulacji prędkości obrotowej napędu pompy, który był wykonany np. 40 lat temu, bez wymiany silnika. Jest to z korzyścią dla użytkownika, bo jeżeli dbał o maszynę i jest ona w dobrym stanie, nie trzeba jej wymieniać. Czasem silniki są w wykonaniu specjalnym do agregatu pompowego i brak zamienników dla takich maszyn. Wymiana silnika byłaby wówczas trudna i kosztowna, a można jej uniknąć.

Inna wasza specjalność to analizy techniczno- -ekonomiczne modernizacji napędów pomp i wentylatorów?

Powszechnie wiadomo, że zmiana techniki sterowania wydatku pomp wirowych z dławieniowej na regulację prędkości lub zamiana sprzęgła regulowanego na regulację prędkości silnika z falownikiem przynosi korzyści energetyczne. Często są one bardzo duże w układach technologicznych projektowanych w dalekiej przeszłości, w których zastosowano duże zapasy wielkości pomp. Także zmiany technologiczne w czasie eksploatacji urządzeń często powodują obniżenie zapotrzebowania na wydatek pomp i głębszą regulację dławieniową.

Korzyści są oczywiste, ale ich dokładna wartość nie jest znana. Dla użytkownika pompy ważne jest porównanie możliwych korzyści energetycznych z koniecznymi wydatkami na modernizację. Trudność polega nie tylko na możliwie dokładnym wyliczeniu przyszłych korzyści np. na podstawie pomiarów i harmonogramów pracy w dłuższym czasie, ale głównie na prawidłowym wyliczeniu kosztu modernizacji. Takie koszty znają wykonawcy podobnych prac, np. nasza firma.

Wraz z zaprzyjaźnionymi specjalistami z Politechniki Wrocławskiej, dysponującymi modelami do analizy energetycznej pomp w różnych układach pracy, wykonaliśmy obliczenia oszczędności energii wynikające ze zmiany techniki sterowania wydatkiem pomp. Nasze doświadczenie z wykonywania podobnych zadań pozwoliło na rzetelną wycenę kosztów modernizacji i obliczenie czasu zwrotu nakładów na modernizację. To bardzo duże i pracochłonne zadanie, które wykonaliśmy kompleksowo dla wszystkich dużych napędów okołoblokowych Elektrowni Turów i Elektrowni Opole, a także dla wybranych napędów pomp w innych elektrowniach i w przemyśle ciężkim. Nasze analizy stały się podstawą przeprowadzonych modernizacji napędów. Co szczególnie ważne, przewidywane wyliczone czasy zwrotu nakładów potwierdziły się w praktyce. Warto dodać, że wprowadzając napędy regulowane, oprócz korzyści energetycznych uzyskuje się szereg dodatkowych korzyści technicznych. Obniżenie prędkości prowadzi do zmniejszenia zużycia maszyn, przeważnie obniżenia poziomu drgań lub zmiany ich wpływu na prace maszyny, np. w długich pompach wielostopniowych; obniżenia temperatur, obniżenia poziomu hałasu, eliminacji zjawisk udarowych w instalacjach, związanych z rozruchem pomp, i wielu podobnych.

Kiedy macie do czynienia z dużym zadaniem, w którym jedną z części jest zaprojektowanie układu pompowego, to wówczas współpracujecie z biurami specjalizującymi się w tym zakresie?

Zazwyczaj tak, chociaż zdarza się, że sami dobieramy te układy. A gdy brakuje nam wiedzy, gdy jest to bardziej złożony układ, współpracujemy też z kolegami z Politechniki Wrocławskiej. Mają oni duży kontakt z praktyką, znają problemy stosowania pomp, nie są wyłącznie teoretykami, a często autorami programów czy opracowań, które służą użytkownikom do dobrego doboru i prawidłowego planowania zakresu ich pracy. Tacy praktycy na uczelni są dla nas bardzo cenni.

Współpraca z branżowymi biurami projektowymi opiera się na wzajemnym uzupełnianiu wiedzy. Dzięki niej biura te nie muszą przyjmować niepotrzebnych zapasów wielkości napędów, a zapas mocy na etapie projektowym wpływa na cały tor przesyłania energii. Trzeba uwzględnić zaprojektowaną moc znamionową napędu w układzie zasilania elektrycznego, tj. doborze aparatów, kabli, transformatorów itd., chociaż zawyżona moc nigdy nie zostanie wykorzystana. Z naszego punktu widzenia optymalny dobór napędu do pompy czy wentylatora daje znaczące efekty w obniżeniu kosztów całej inwestycji. Nadal spotyka się stosowanie przez projektantów przestarzałych zasad doboru mocy napędu elektrycznego. Bywa, że wykorzystanie napędów z przemiennikami częstotliwości do regulacji wydatku pomp powoduje podnoszenie mocy napędu przez projektanta układu pompowego o kilkanaście procent lub więcej, co często zależy od założonej głębokości regulacji wydatku. Taki dobór wielkości silnika do pompy nie ma uzasadnienia w obecnym stanie techniki napędowej. 

Mieliście do czynienia z takim przewymiarowanym projektem w praktyce?

Istnieje pewne przyzwyczajenie projektantów w różnych branżach, które występuje także wśród projektantów pomp i napędów pomp. To przekonanie, że jak zaprojektuje się „trochę więcej”, to „nie zaszkodzi”.

W jednej z aplikacji napędu regulowanego dużej mocy producent maszyny dobrał silnik napędowy o zawyżonej, naszym zdaniem, mocy znamionowej. Po analizie zakresu pracy maszyny i zastosowaniu przeciążalnego wysokosprawnego silnika, na własną odpowiedzialność obniżyliśmy moc znamionową silnika (i przemiennika częstotliwości) o prawie 30%, bez jakichkolwiek ograniczeń zakresu pracy agregatu, eksploatowanego obecnie od wielu lat. Inny problem optymalizacji to wybór korzystnej wersji wykonania układu napędowego. Na prośbę inwestora przeanalizowaliśmy gotowy projekt pompowni 3 x 800 kW z zastosowaniem przemienników niskiego napięcia 690 V. Mieliśmy odpowiedzieć na pytanie, czy to najkorzystniejsze rozwiązanie. Zaproponowaliśmy inne urządzenia napędowe, tj. przemienniki i silniki na napięcia średnie 6kV, i okazało się, że masa kabli jest prawie 10 razy mniejsza, wszystko się odchudza, nie są potrzebne potężne estakady kablowe, wielkie konstrukcje, pomieszczenia na transformatory. Nagle poznikało nam mnóstwo elementów z poprzedniej inwestycji. Samo urządzenie napędowe było droższe, ale w sumie cała inwestycja jest znacznie tańsza.

A z firmami, które produkują pompy, również współpracujecie?

Mniej. Próbowaliśmy to robić, ale użytkownicy są zainteresowani swobodnym wyborem dostawców poszczególnych urządzeń, z którymi rozwiązują problemy, jeżeli podejmują się większych aplikacji pompowych.

Problem polega na tym, że inwestorzy zamawiają od producentów pompę lub pompę z silnikiem, tj. agregat pompowy. Dalej sami uzgadniają kolejne elementy wyposażenia z innymi firmami. Wynika to z praktycznego doświadczenia – jeżeli producent pompy chce wygrać postępowanie na dostawę urządzeń, to chcąc sprzedać swoją pompę będzie starać się o to, żeby sprzedać najtańsze pozostałe układy, np. silnik i przemiennik, by nie obciążały jego oferty na pompę. To się czasem źle kończy, bo wybór urządzenia regulacyjnego też musi spełniać szereg określonych wymagań technicznych podawanych na ogół w postaci listy norm, których zapisy i warunki są wymagane przez inwestora. Producent pomp najczęściej nie zna szczegółowych zapisów i wymagań tych norm, technicznie trudnych nawet dla specjalistów, więc nie może gwarantować, że je spełni.

Próbowaliśmy współpracować z polskimi producentami pomp, a także wentylatorów, mieliśmy podpisane porozumienia, ale nie osiągnęliśmy sukcesów. Oczywiście, składamy oferty, pomagamy w doborze właściwych rozwiązań, ale wtedy startujemy oddzielnie: oni oferują swoją część, a my swoją. Połączenie, w moim przekonaniu, nie najlepiej służy użytkownikowi, dlatego że pewne oszczędności poczynione na etapie doboru urządzeń napędowych mogą się wiązać z koniecznością rozwiązania problemów ujawnionych po zabudowie i uruchomieniu urządzeń. Koszt usuwania niekorzystnych, niedopuszczalnych zjawisk ubocznych w napędach dużej mocy może być nawet większy niż cena całego napędu.

Spotykacie się z takimi sytuacjami, że to użytkownik ma swoje sugestie co do sterowania układu pompowego?

Bardzo często. Jeżeli jest to użytkownik mający duże doświadczenie, ma też swoje przyzwyczajenia, które powodują, że czasem bardzo trudno się rozmawia o nowoczesnym układzie sterowania.

Przykładowo w pompowni z szeregowym układem pomp użytkownik był przyzwyczajony, że najpierw uruchamia pierwszą pompę, a dopiero gdy nabierze ona odpowiednich obrotów i zacznie się odpowiedni przepływ, uruchamiana jest druga. Nie można było go przekonać, że pod względem i energetycznym, dynamiki, i lepszego wykorzystania pomp oraz skrócenia rozruchu, należy sterować pracą pomp równocześnie i równocześnie podnosić ich wydatek, zachowując równy podział mocy między te dwa napędy. Ta dyskusja trwała kilka miesięcy.

A jeżeli chodzi o sam dobór urządzeń?

Tu też są pewne preferencje wynikające z przyzwyczajeń. Słyszymy np., że „nam się lepiej z tym producentem współpracuje” albo „wolimy takie pompy, bo mamy z nimi doświadczenie”. Te przyzwyczajenia są jak najbardziej racjonalne, uzasadnione, bo dla użytkownika ważna jest pewność działania oraz żeby maszyny były trwałe.

Są też czasami wymagania, żeby zostawić zapasy, np. spiętrzenia – to daje pewne bezpieczeństwo, bo inwestor np. nie wie, jakie mogą zajść zmiany w technologii np. za rok, dwa lub trzy. Może się okazać, że potrzeby będą większe, więc zależy mu na bezpiecznym zapasie. Takie wymagania trzeba spełniać, ale często korzystniej jest zastosować pompę mniejszą, dopasowaną optymalnie do aktualnych potrzeb – niech popracuje przez te lata, a w razie potrzeby, w przyszłości, można ją zmodernizować, zmienić charakterystykę albo wymienić. Tak naprawdę koszt takiej zmiany lub nowej pompy w kosztach eksploatacyjnych nierzadko nie jest aż tak znaczący, co też nie do końca bierze się pod uwagę. Wymiana pompy często nie jest wielkim wydatkiem, jeżeli możemy wykazać na podstawie analizy sprawnościowej, że urządzenie będzie miało znacznie wyższą sprawność i „zarobi” na przyszłą modernizację .

Jakie rozwiązania proponujecie w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji pomp?

W przemyśle często jest tak, że układy pompowe są rezerwowane dodatkowymi pompami, żeby nie narazić się na sytuację zatrzymania produkcji czy jej ograniczenia w razie awarii. Większą trwałość zestawu pomp uzyskuje się np. przez wyrównywanie czasu pracy pomp, gdy dostępne są pompy rezerwowe, zmiany kolejności włączania pomp lub kolejne załączanie pomp do pracy z przemiennikiem. Te zmiany w trakcie eksploatacji są wykonywane automatycznie. To jedno z rozwiązań.

Dla bardzo dużych pomp nie instaluje się rezerwowych układów, bo to jest duży koszt. W modernizowanych układach sterowania pomp można pozostawić jako nieużywane dotychczasowe układy sterowania wydatkiem, by wykorzystać je na wypadek awarii przemiennika częstotliwości. W razie awarii przemiennika, jeżeli konstrukcja i parametry silnika pozwalają, włącza silnik do zasilania poprzez układ by-pass, w który wyposaża się przemiennik częstotliwości. W specjalnych wykonaniach układu by-pass z synchronizacją załączenia, przełączenie zasilania napędu może nastąpić nawet bez zatrzymywania maszyny.

Warunkiem bezpiecznej pracy pompowni jest sprawny serwis wszystkich elementów wyposażenia, w tym przemienników i układów sterowania. Do wszystkich dostarczonych przez nas układów napędowych i automatyki zapewniamy szybki serwis. Podpisaliśmy umowy serwisowe z wieloma użytkownikami napędów regulowanych pomp. Status partnera głównych producentów przemienników i bliska współpraca serwisowa jest naszym atutem w oferowaniu dostaw i modernizacji napędów pomp i całych pompowni.

A co z predykcją?

Zupełnie innym zagadnieniem związanym z bezpieczeństwem i ciągłością produkcji jest monitorowanie stanu maszyny. To osobna grupa problemów. W maszynach wirujących do wczesnego wykrywania problemów wykorzystujemy coraz częściej pomiar i analizę drgań we wszystkich węzłach łożyskowych. Stało się już regułą, że silniki i maszyny wyposaża się w czujniki drgań. Monitorując drgania, mamy informację, czego się możemy spodziewać, ponieważ zużywanie się układów łożyskowych następuje w czasie – to widać, kiedy obserwujemy drgania maszyny. Widać, w jaki sposób narastają obwiednie drgań w czasie i można przewidywać rozwój zużycia lub usterki i zaplanować moment wyłączenia i remontu maszyny. Stosujemy aparaturę do analizy widma drgań. Jeżeli wiemy, jakie częstotliwości pojawiają się w tych drganiach, możemy wskazać źródło stwierdzonego problemu, np. niewyważenie, złe sprzężenie między maszynami, problem z wałem czy z łożyskiem. Pomiary drgań mają szczególne znaczenie w napędach o regulowanej prędkości.

Mieliśmy przypadek dobrze ilustrujący użyteczność takiego systemu w przemyśle hutniczym, gdzie uruchomiliśmy system monitorowania maszyn krytycznych po to, aby bardzo ważne dla ciągłości produkcji urządzenia były możliwie dobrze nadzorowane ze względu na wibracje, które występują w poszczególnych łożyskach maszyny i silnika napędowego. W miesiąc po zainstalowaniu tego systemu w jednej z maszyn powstały nadmierne drgania, ale po ich analizie widmowej okazało się, że pochodzą od koszyczka łożyska – w związku z tym podjęto decyzję o dosmarowaniu łożyska w celu kontynuacji pracy jeszcze przez 2 tygodnie, do czasu planowanego zatrzymania i remontu. Gdyby tej analizy nie wykonano, na podstawie pomiaru tylko obwiedni drgań musiano by tą maszynę zatrzymać, gdyż tego wymagają względy bezpieczeństwa eksploatacji.

Monitorowanie stanu pompowni wykonujemy także poprzez pomiary punktu pracy i ciągłe obliczenia sprawności każdej pompy. Zaprojektowaliśmy układ sterowania i nadzoru dużej pompowni z układem diagnostyki wibracyjnej i pomiarem sprawności pomp w czasie rzeczywistym. Dzięki nowatorskim rozwiązaniom pomiarowym i obliczeniowym, dyspozytorzy mają znacznie głębszy wgląd w stan urządzeń całej pompowni i lepsze narzędzia sterowania maszynami, niezależnie od obserwacji trendów i przewidywania postojów maszyn.

Wywiad został również opublikowany w nr 2/2017 magazynu "Pompy, Pompownie".