Risken med för stora pumpar
Pumpsystem med överdimensionerade pumpar har generellt två saker gemensamt, onödigt höga driftskostnader och onödigt höga underhållskostnader.
Vid dimensionering av pumpar, det vill säga när vi väljer en pump för en viss applikation, ställs pumpleverantören ofta inför en utmaning. Utmaningen att välja rätt pump utifrån en driftspunkt som definierats av någon som förhoppningsvis gjort korrekta beräkningar. Driftspunkten är en kompbination av ett önskat flöde och ett beräknat mottryck vid det aktuella flödet. Det önskade flödet kan naturligtvis variera beroende på produktionsvariationer, vilket medför att även mottrycket (friktionsförluster i rörledningarna) varierar, ju högre flöde desto högre friktionsförluster.
Det gäller alltså för den som skall leverera pumpen att ha fullständigt klart för sig hur systemets mottryck i förhållande till flödet varierar. Detta förhållande kan beskrivas av en så kallad systemkurva och har man systemkurvan är det relativt enkelt att ta reda på hur pumpen kommer att fungera vid olika driftsfall.
Systemkurvan
Fig. 1 Beräkna pumpsystemet noggrant
Alla komponenter i ett pumpsystem kommer att utgöra ett hinder för vårt pumpade media, låt oss exempelvis utgå ifrån att vi skall pumpa vatten. Vattnet måste ta sig igenom rörledningar, värmeväxlare, ventiler och annan utrustning. Dessa kommer då att utgöra hinder för vattnet genom den friktion som uppstår då vattnet passerar komponenten. Friktionen varierar beroende på komponentens karaktäristik, flödeshastigheten och vattnets temperatur (densitet och viskositet) vilket innebär ett stort antal variabler.
Om man handräknar friktionsmotstånden i systemet får man på grund av det stora antalet variabler utgå ifrån ett begränsat antal scenarion och för säkerhets skull utgår man ofta ifrån sämsta tänkbara driftsfall. Enligt modellen för ett pumpsystem enligt figur 1 önskar man pumpa vatten 20 grader C med ett flöde på 100m3/h. Båda tankarna har vid normal drift en vattennivå på cirka 3m, matningstanken står 2m över vår referenshöjd (i detta fallet pumpens sugstuds) och är öppen för atmosfärstrycket medan lagringstanken är en trycksatt tank med 1 bars övertryck som står 10m över vår referenshöjd. Det innebär att vi kommer ha en statisk uppfordringshöjd på 18,2meter (10m-2m+1bar). Friktionsförlusterna, som vi kallar dynamisk uppfordringshöjd, kommer att variera med flödet och med fullt öppen reglerventil kommer vårt flöde vara 110m3/h och den dynamiska uppfordringshöjden kommer då att vara 31,1 meter. Förlusterna genom rörledningar och komponenter är i modellen översatta till meter (HL – Head Loss) för att ni som läsare skall kunna kontrollräkna. Vår totala uppfordringshöjd vid 110m3/h kommer därför vara (18,2+31) 49,3 meter. Vi har nu ettablerat en driftspunkt som vi kan lägga in på vår pumpkurva.
Säkerhetsmarginal vid pumpval
Förklaringen till varför pumpar ofta överdimensineras är att man är rädd för att pumpen inte skall ge det flöde eller den uppfordringshöjd som man önskar, vilket många gånger grundar sig i en osäkerhet kring beräkningen av driftpunkten eller systemkurvan. Man bygger alltså helt enkelt in en form av säkerhetsmarginal för att ligga på rätt sida. Ingen klagar om pumpen ger mer än nödvändigt men om den är för liten blir någon skyldig en förklaring som kan vara kostsam att åtgärda.
Tanken att en säkerhetsmarginal är någonting positivt är lätt att förstå, i en hiss vill vi ju gärna ha en hög säkerhetsmarginal eftersom konsekvensen av att något brister kan bli ganska otrevlig. Tyvärr gäller inte detta samband för centrifugalpumpar. Man kan ju tro att en pump som överdimensioneras, d.v.s. är större än nödvändigt, skall hålla bättre för de påfrestningar den utsätts för och ge en högre driftssäkerhet men tyvärr är det tvärt om. Faktum är att överdimensionerade pumpar och pumpsystem ofta kan konstateras ha onödigt höga underhållskostnader och stillestånd. Detta står ju i bjärt kontrast med orsaken till varför man överdimensionerade systemet från första början.
Driftsäkerhet
Fig.2 Barringer Kurvan
Enligt en undersökning gjord av konsultfirman Barringer kan man förutspå de problem som uppkommer i pumpar när de driftsätts bortom de rekommenderade gränsvärden som gäller för centrifugalpumpar se figur 2. Det skall nämnas att dessa procentuella gränsvärden skiljer sig lite åt beroende på pumpens specifika varvtal men som gemensamt spann kan vi använda 70-110 procent där pumpens BEP (Best Efficency Point) är 100%. Vi vet alltså att vi riskerar att bygga in problem i anläggningen om vi överdimensionerar pumpar. Dessutom har överdimensionerade pumpar en onödigt hög driftskostnad.
För vår pump (figur 3) ser vi att systemkurvan och driftspunkten (den lilla vinkeln) inte riktigt sammanfaller och att varken systemkurvan eller driftspunkten skär pumpens BEP. Detta är ofta den kompromisslösning man tvingas göra och i det här fallet ligger driftspunkten ungefär med 14 procents marginal från BEP vilket är acceptabelt med hänsyn till pumpens driftsäkerhet. Att driftpunkten inte sammanfaller med systemkurvan beror på att pumpens flöde regleras till driftpunkten med vår reglerventil.
Ponera att den som skulle räkna på driftpunkten i vårt fall inte haft tillgång till en modell där noggranna beräkningar och simuleringar vid olika driftsfall kunde göras. Då hade vederbörande tvingats räkna på ett värsta fall och med stor sannolikhet dessutom lagt till en extra säkerhetsmarginal om minst 10 procent uppfordringshöjd vid flödet 110m3/h. Det skulle i så fall ge pumpleverantören en driftpunkt där man i värsta fall tvingas välja en större pump. För leverantören kan osäkerheten också leda till att man lägger på en säkerhetsfaktor för att inte leverera en för liten pump, detta händer dagligen. För vår pump (se pumpkurvan figur 3) kan vi dock komma undan med att utrusta samma pump med ett större pumphjul. Oavsett ger det större driftskostnader och risk för onödiga underhållskostnader.
Därför är risken med för stora pumpar onödigt höga driftskostnader och onödigt höga underhållskostnader!
Driftskostnad
Fig.3 Pump och Systemkurva
För en pump med kontinuerliga driftsförhållanden är det förhållandevis enkelt att räkna ut pumpens driftskostnader. I vårt fall skulle man enkelt kunna beräkna driveffekten vid 100m3/h till ungefär 20kW vilket ger en driftskostnad som varierar beroende på driftstid (timmar/år) och energikostnad (kr/kWh). Vid exempelvis 6000timmar/år och 70öre/kWh alltså ungefär 84.000kr.
Allt för ofta upplever jag att diskussionen kring driftskostnaderna för pumpning sker med enbart pumpen som utgångspunkt, enligt vårt exempel. Jag misstänker att det är just därför denna metod används och att det är därför diskussionen ofta stannar där. Resultatet blir att man justerar pumpen med ett mindre pumphjul eller att man (vilket är ännu vanligare) styr pumpen genom varvtalsreglering. Detta är enligt min uppfattning inte fel men jag anser att angreppssättet är felaktigt.
Hur ska vi undvika feldimensionerade pumpsystem?
Vad vi egentligen borde göra är att jämföra med vad det skulle kosta att driva systemet om hela systemet optimeras, inte bara pumpen. I diskussioner om pumpoptimering hänvisar man dessutom ofta till driftsäkerhet. Detta är helt förståeligt eftersom detta är prioritet ett för många processer men har man då fullt ut klart för sig vad en för stor pump har för effekt på driftsäkerhet?
Under Pumpdagen 2013 poängterade en av föreläsarna, som representerade en av de större pumpleverantörerna, detta genom sitt anförande ”Vi vill sälja mindre”. Det finns stora vinster att hämta för de som anammar hans förslag, men man måste först skaffa sig en tydlig och framförallt en korrekt bild av hur våra pumpsystem egentligen fungerar i drift för att kunna åtgärda problemen med onödigt höga drifts- och underhållskostnader som uppstår på grund av allt för stora pumpar.
Vill du lära dig mer om pumpsystem, kontakta oss eller anmäl dig till kursen Piping System Fundamentals.