Optimalisatie van parallelle pompsystemen voor efficiënt debietbeheer

Stel je voor: een fabriek die al jaren draait, merkt dat de apparatuur moeite heeft om de toenemende productie-eisen bij te houden. Ingenieurs besluiten een reservepomp te activeren, in de verwachting dat de stroomsnelheid verdubbelt. In plaats daarvan is de verbetering van de stroomsnelheid verwaarloosbaar en beginnen beide pompen regelmatig uit te vallen, wat het risico op een volledige uitval met zich meebrengt. Wat ging er mis?

Het verhogen van de stroomsnelheid is niet zo eenvoudig als het aanzetten van een tweede pomp. Parallelle werking zonder de juiste overwegingen kan de prestaties van het systeem aantasten en onomkeerbare schade aan de apparatuur veroorzaken. Als data-analisten moeten we verder kijken dan de oppervlakkige stroommetingen om het systeemontwerp, de operationele logica en de onderliggende risico's te onderzoeken. Dit artikel onderzoekt veelvoorkomende valkuilen bij parallelle pompwerking door een data-analytische lens en biedt optimalisatiestrategieën om zowel de stroomsnelheid te verbeteren als de veiligheid van de apparatuur te waarborgen.

Voordat we parallelle pompconfiguraties bespreken, moeten we een fundamenteel concept verduidelijken: het systeemontwerp. Niet alle systemen met dubbele pompen zijn ontworpen voor parallelle werking. Er zijn twee primaire ontwerpbenaderingen:

1. Systemen met parallelle werking: Deze stellen pompen in staat om gelijktijdig of onafhankelijk te draaien om aan verschillende stroombehoeften te voldoen. Zowel de pijpleidingen als de besturingssystemen zijn geoptimaliseerd voor de hydraulische veranderingen die worden veroorzaakt door parallelle werking.
2. Stand-by pompsystemen: Hier fungeert één pomp als de primaire krachtpatser, terwijl de andere inactief blijft als reserve tijdens onderhoud of storingen. Deze systemen geven prioriteit aan continuïteit boven stroomverbetering.

Het verkeerd gebruiken van een stand-bysysteem voor parallelle werking is een veelvoorkomende oorzaak van stroomproblemen en apparatuurstoringen. Originele ontwerpdocumenten bieden de meest betrouwbare manier om het systeemtype te bepalen. Wanneer deze niet beschikbaar zijn, zijn veldinspecties en data-analyse noodzakelijk om de ontwerpintentie af te leiden.

Een systeemcurve illustreert de relatie tussen de weerstand van de pijpleiding en de stroomsnelheid, en toont de vereiste opvoerhoogte om vloeistof met specifieke snelheden door het systeem te verplaatsen. De vorm en positie van deze curve beïnvloeden de prestaties en output van de pomp direct. Het begrijpen van parallelle werking vereist het beheersen van systeemcurveconcepten.

Hoewel theoretische berekeningen systeemcurves kunnen modelleren, creëren factoren uit de praktijk, zoals veroudering van de pijpen, slijtage van de kleppen en veranderingen in de vloeistofeigenschappen, vaak discrepanties. Nauwkeurige curves vereisen het verzamelen en analyseren van gegevens uit het veld door middel van:

1. Gegevensverzameling: Het meten van drukverlies bij verschillende stroomsnelheden met behulp van druksensoren en debietmeters
2. Gegevensverwerking: Het opschonen, corrigeren en middelen van metingen om ruis te elimineren
3. Curvefitting: Het wiskundig modelleren van de relatie tussen opvoerhoogte en stroom (bijv. kwadratische vergelijkingen)
4. Validatie: Het vergelijken van de aangepaste curves met operationele gegevens voor aanpassingen

Het superponeren van de systeemcurve met pompcurvecurves onthult de werkpunten waar de curves elkaar kruisen, waardoor de werkelijke stroom- en opvoerhoogtecondities worden bepaald.

In ideale parallelsystemen met bij elkaar passende pompen en zachte systeemcurves neemt de stroom aanzienlijk toe met minimale opvoerhoogteverandering. De omstandigheden in de praktijk verschillen vaak door:

• Te kleine pijpleidingen die steile systeemcurves creëren
• Mismatch in pompprestaties
• Werking buiten optimale efficiëntiebereiken

Deze kunnen het volgende veroorzaken:

• Ongelijke stroomverdeling: Verschillende pompoutputs die leiden tot overbelasting of inactieve omstandigheden
• Cavitation: Lage inlaatdruk die de waaiers beschadigt wanneer de systeemweerstand overmatig is
• Overbelasting van de motor: Inefficiënte werking die de elektrische componenten belast
• Trillingen/geluid: Mechanische spanning door onjuiste werking

Wanneer parallelle werking ondermaats presteert, gebruiken analisten verschillende diagnostische methoden:

1. Prestatiecurve-analyse: Het onderzoeken van door de fabrikant of in het veld geteste pompcurves
2. Systeemcurve-analyse: Het evalueren van de weerstandseigenschappen van de pijpleiding
3. Overzicht van operationele gegevens: Het analyseren van stroom-, opvoerhoogte-, elektrische en temperatuurmetingen van SCADA/PLC-systemen
4. Trillingsanalyse: Het detecteren van cavitatie, lagerslijtage of onbalansproblemen
5. Analyse van energieverbruik: Het beoordelen van de efficiëntie en het identificeren van besparingsmogelijkheden

Oplossingen variëren per type probleem:

Verbeteringen in het systeemontwerp:

• Het vergroten van de pijpen om de weerstand te verminderen
• Het stroomlijnen van lay-outs om fittingen te minimaliseren
• Het installeren van frequentieregelaars (VFD's) voor nauwkeurige stroomregeling

Verbeteringen in de pompselectie:

• Het kiezen van units die qua prestaties bij elkaar passen
• Het prioriteren van modellen met een hoge efficiëntie
• Het waarborgen van voldoende NPSH-marges

Upgrades van operationele controle:

• Het implementeren van slimme besturingssystemen
• Het uitvoeren van regelmatige inspecties van de apparatuur
• Het bewaken van real-time prestatiegegevens

Een chemische fabriek gebruikte twee parallelle centrifugaalpompen om de toegenomen belasting aan te pakken. In plaats van een verbeterde stroom, ontwikkelden de pompen trillingen, geluid en oververhitte motoren. De analyse onthulde:

• Mismatch in prestaties tussen pompen
• Een steile systeemcurve door te kleine pijpleidingen
• Ongelijke stroomverdeling via SCADA-gegevens
• Vroege cavitatie via trillingsanalyse

De oplossing omvatte:

1. Het vervangen van één pomp voor een betere prestatie-afstemming
2. Het herontwerpen van pijpleidinglay-outs om de weerstand te minimaliseren
3. Het installeren van VFD's voor geoptimaliseerde snelheidsregeling

Na de implementatie bereikte het systeem een stabiele werking met de juiste stroomsnelheden en een lager energieverbruik.

1. Het aantal parallelle pompen moet overeenkomen met de systeemvereisten door middel van een kosten-batenanalyse
2. Gebruik nooit niet-parallelle systemen gelijktijdig, behalve tijdens korte overgangen
3. Correct ontworpen parallelsystemen bieden flexibiliteits- en betrouwbaarheidsvoordelen
4. Parallelle configuraties presteren vaak beter dan één grote pomp voor variabele vraag
5. Niet-bijpassende pompen kunnen parallel werken als de afsluithoogtes overeenkomen en de specifieke snelheden vergelijkbaar zijn
6. Start zwakkere pompen eerst op basis van prestatiegegevens
7. VFD's helpen bij het balanceren van belastingen en het overwinnen van mismatch tussen systeem en pomp
8. Voorkom cavitatie door extreme curvewerking te vermijden voordat de tweede pompen worden ingeschakeld
9. Houd de draaiuren nauwkeurig bij met timers om onderhoudsbeslissingen te informeren
10. Initiële pompen moeten de volledige systeemlast aankunnen zonder overbelasting