Tuotantolaitoksissa, joissa käytetään keskipakopumppuja esimerkiksi jäähdytysveden pumppaukseen, ei kovinkaan usein kiinnitetä huomiota pumppujen energiankulutukseen. Järjestelmät tulevat yleensä valmiiksi suunniteltuina ja tämän jälkeen ne ovat käytössä joskus jopa vuosikymmeniä ilman, että niiden toimintaan kiinnitetään huomiota

Ajan myötä alkuperäisessä suunnitelmassa käytetyt parametrit kuitenkin muuttuvat tuotantolaitosten kehittyessä ja pumppujen hyötysuhteet saattavat kärsiä. Tällaisia parametreja ovat esimerkiksi pumpuilta vaadittu kapasiteetti, pumppujen kulumisesta aiheutuva suorituskyvyn lasku sekä putkiston kunto. Näiden vaikutusta on kuitenkin haastavaa selvittää, sillä jokainen muuttuja vaikuttaa järjestelmän toimintaan eri tavalla.

Optimoinnin ongelmat

Kun aletaan optimoida jo käytössä olevien pumppujen energiankulutusta, järjestelmä ja sen muuttuvat tekijät tulee tuntea. Pumppuja ei yleensä voida määrittää toimimaan vain yhdessä toimintapisteessä, vaan pisteitä voi olla kaksi tai useampia. Tämä johtuu jäähdytystarpeesta sekä jäähdytysveden lämpötilasta, jos käytetään esimerkiksi raakavettä jäähdytykseen.

Pumppujen energiankulutus on haastava saada optimaaliseksi kaikissa halutuissa toimintapisteissä, koska erilaisille tarpeille ei yleensä ole omia juuri kyseiselle toimintapisteelle optimoituja pumppuja. Yleensä on kuitenkin löydettävä sopivat pumput, joilla yhdessä pystytään tuottamaan kaikki tarvittavat kapasiteetit mahdollisimman hyvillä hyötysuhteilla

Pumppujen ollessa rinnan energiatehokkuudeltaan optimaalisen toiminnan toteuttaminen on mahdollista muuttamalla pumppujen tuottoja tarpeen mukaan. Ongelmana tässä on kuitenkin usein se, ettei tuotantolaitoksilla ole välttämättä tietoa energiatehokkuudeltaan parhaasta säätötavasta.

Jos tuotto pysyy vakiona, pumppujen juoksupyörien halkaisijat tulee määrittää niin, että paras hyötysuhde saavutetaan. Tämä tosin tarkoittaa pumpun purkamista ja kokoamista uudella tai koneistetulla juoksupyörällä. Tällainen työ tulisi tehdä ainoastaan, jos tiedetään, ettei pumppu ole sopiva tarpeeseen ja on varmaa, ettei tarve tule muuttumaan. Muutoin työ on arvokas ja aikaavievä.

Jos haluttuja toimintapisteitä on useita, kapasiteetin muuttaminen tulee toteuttaa pumpun kierrosnopeutta muuttamalla. Se onnistuu taajuusmuuttajalla. Näin pumpun tuottoa pystytään muuttamaan portaattomasti hyötysuhteen pysyessä lähes vakiona. Tämä säätö toteutetaan kuitenkin usein kuristamalla pumpun lähtevää linjaa, ja näin pumpun tuottoa pystytään muuttamaan sen alkuperäisen ominaiskäyrän mukaisesti.

Pumpun parhaan hyötysuhteen alue on kuitenkin pieni, joten hyötysuhde laskee nopeasti, kun virtausta muutetaan kuristamalla. Lisäksi häviöt kasvavat tällä säätötavalla. Taajuusmuuttaja on kuitenkin kallis investointi ja usein on pystyttävä osoittamaan erilaisilla laskelmilla, että se kannattaa hankkia.

Kahden samanlaisen rinnan olevan pumpun käyttäytyminen sekä putkiston vastuskäyrä.

Kahden samanlaisen pumpun yksittäiset tehokäyrät sekä niiden tehonkäyttö yhteensä.

Simuloinnin etuja

Diplomityön yhteydessä tein käyttä- jäystävällisen Excel-pohjaisen simulointimallin, jonka avulla pystytään simuloimaan yhden pumpun sekä kahden rinnan olevan pumpun tapauksessa pumppujen ja putkistojen käyttäytymistä erilaisissa tilanteissa (kuvaaja 1). Siitä nähdään suoraan, millainen tuotto pumpuilla on ja miten paljon putkistojen häviöt siihen vaikuttavat.

Lisäksi kuvaajasta 1 nähdään pumppujen hyötysuhde kahden pumpun tapauksessa niiden yhteisenä hyötysuhteena. Yhden pumpun tapauksessa hyötysuhdekäyrä on kyseisen pumpun hyötysuhde.

Pumppujen tehonkulutus on yleensä se asia, mikä kiinnostaa esimerkiksi investointeja suunniteltaessa. Mallilla pystytään tarkastelemaan energiankulutuksia (kuvaaja 2) ja voidaan antaa suuntaa antavia laskelmia vuotuisista energiantarpeista. Kuvaajasta 2 nähdään sekä yksittäisten pumppujen, tässä tapauksessa samanlaisten, tehonkulutukset, että pumppujen tehonkulutus yhteensä.

Mallin luotettavuuden varmistamiseksi on uusille pumpuille suoritettava vastaanottotarkastus, jossa määritetään pumpun ominaiskäyrät omassa järjestelmässä. Myös vanhojen pumppujen kohdalla ominaiskäyrien tarkastelu on tarpeen. Malliin pitää syöttää pumpun tai pumppujen ominaiskäyrät, jotta simulointi voidaan suorittaa. Tämän jälkeen malli laskee pumppujen tuottoja affiniteettisääntöjen mukaisesti.

Lisäksi tulee tehdä mittauksia putkistojen toiminnasta yhdessä toimintapisteestä, jotta malli voi laskea putkiston virtausvastukset eri tilavuusvirroilla. Näiden tietojen jälkeen pystytään simuloimaan erilaisia tilanteita ja voidaan osoittaa erilaisten laitehankintojen kannattavuus sekä tunnistaa olemassa olevien laitteiden mahdollisuudet. Malli on toki suuntaa antava eikä täydellistä tarkkuutta saada lähtötietojen epätarkkuuden johdosta, mutta tästä nähdään, miten pumppujen käyttäytyminen muuttuu olosuhteiden muuttuessa.

Jatkuva seuranta

Kun pumppujen tuotot saadaan halutun kaltaisiksi ja ne toimivat niiltä odotetuissa pisteissä riittävän hyvällä hyötysuhteella, tärkeää on seurata niiden käyttöä. Kahden pumpun ollessa rinnan toinen käy jatkuvasti täydellä teholla ja toisella pumpataan jäljelle jäävä tarve.

Jos tämä jäljelle jäävä tarve vaihtelee paljon, kierrosnopeussäätöinen pumppu toimii ajoittain huonolla hyötysuhteella. Jos täydellä teholla käyvässä pumpussa on kierrosnopeussäätö, sen tuottoa muuttamalla voidaan päästä kummallekin pumpulle optimaaliselle pumppausalueelle.

Tällainen säätö kuitenkin usein puuttuu ja virtausta kuristetaan lähtevästä linjasta. Kun tällä tavalla muutetaan pumpun tuottoa, korkeintaan toisella pumpulla päästään optimaaliselle hyö- tysuhdealueelle. Toinen haaste energiatehokkuudeltaan optimaalisen ajotavan löytämiseksi on pumppujen kunto.

Jos pumppujen ominaiskäyriä ei tarkasteta ajoittain vaan luotetaan alkuperäisiin käyriin, aikaisemmin toiminut ajotapa ei välttämättä ole oikea nyky- ään. Esimerkiksi vakiopumpun tuoton heikkeneminen kasvattaa säätöpumpun kuormaa, eikä säätöpumppua ole välttä- mättä mitoitettu tällaiselle kuormalle.

Tällöin hyötysuhde voi laskea merkittävästi ilman, että se näkyy millään tavalla tilavuusvirrassa tai pumpuilta lähtevän linjan paineessa. Tällainen ongelma ilmeni diplomityökohteessa. Vakiokierroksilla pyörivän pumpun tuotto ei ollut sitä, mitä sen ominaiskäyrältä olisi voinut päätellä, vaan huomattavasti heikompi. Sen seurauksena säätöpumppuna toiminut pumppu toimi noin 45 prosentin hyötysuhteella, vaikka sen maksimihyötysuhde oli noin 93 prosenttia.

Ongelma oli myös pumppujen yhteensopivuudessa. Niitä käytettiin tällä tavalla vain, koska toisessa pumpussa oli kierrosnopeussäätö ja toisessa ei. Toisin päin käytettynä pumppujen hyötysuhteet olisivat voineet olla huomattavasti parempia, mutta käytössä olevien säätö- laitteiden johdosta se oli mahdotonta.

Niin yhden kuin useammankin pumpun energiatehokkuuden optimoinnissa ongelmaksi koituvat usein käytettävissä olevat laitteet, keskipakopumpun toimintaperiaate ja pumppujen toiminnan seuraaminen. Keskipakopumppujen käytössä on monia mahdollisuuksia, mutta usein muutostilanteissa valitaan energiatehokkuuden kannalta heikoimmat ratkaisut.

Tämä johtuu siitä, ettei täysin ymmärretä pumppujen käyttäytymistä, vaan tarkastellaan pelkästään niiltä saadun tilavuusvirran ja paineen suuruutta. Toinen ongelma on olosuhteiden muuttuminen ja niiden vaikutus energian käyttöön. Huomiota ei välttämättä kiinnitetä siihen, että järjestelmään tulee yksi kuluttaja lisää. Alkuperäiset suunnitteluarvot eivät tällöin enää ole voimassa muutoksen johdosta.

Eetu Lehtonen,

Tampereen

Teknillinen Yliopisto,

Hydrauliikan ja automatiikan laitos,

eetu.lehtonen@tut.fi

Jari Rinkinen,

Tampereen

Teknillinen Yliopisto,

Hydrauliikan ja automatiikan laitos,

jari.rinkinen@tut.fi