Развитие энергетики с высокой долей возобновляемых источников требует не только генерации, но и надёжных систем хранения энергии. При увеличении доли ветровой и солнечной энергии энергосистема сталкивается с периодами пасмурной погоды в сочетании с безветрием, когда генерация резко снижается. Для компенсации таких колебаний необходимы промышленные накопители энергии.
Chemietechnik.de Насосы для тепловых накопителей и проточных аккумуляторов
Chemietechnik. de. Вертикальный центробежный насос фирмы Bungartz MPCV180
Елена Иванова
Помимо широко распространённых литий-ионных батарей всё большее значение приобретают альтернативные технологии хранения, такие как тепловые накопители на основе расплавленных солей и проточные аккумуляторы. В обоих случаях ключевую роль играют насосные системы, от которых напрямую зависят эффективность, безопасность и срок службы установки.
В тепловых накопителях энергия аккумулируется в виде тепла, которое накапливается расплавленными солями. Такие среды работают при очень высоких температурах — до 600 °C и выше. Насосы в этих системах должны обеспечивать стабильную циркуляцию расплава между горячим и холодным резервуарами, а также через теплообменники. Конструктивно это чаще всего вертикальные центробежные насосы с удлинённым валом, когда привод расположен вне зоны высокой температуры. Материалы корпуса и рабочих колёс подбираются с учётом термической стойкости и устойчивости к коррозии со стороны солевых расплавов. Особое внимание уделяется тепловым компенсациям, чтобы минимизировать напряжения в металле, а также системам уплотнений, исключающим утечки горячей среды. Надёжность таких насосов критична, поскольку отказ оборудования при высоких температурах может привести к серьёзным повреждениям всей установки.
В проточных аккумуляторах энергия хранится в жидких электролитах, которые циркулируют между накопительными резервуарами и электрохимическими ячейками. Эффективность процесса зарядки и разрядки напрямую зависит от стабильности расхода и давления электролита. Насосы в таких системах должны обеспечивать непрерывную и равномерную подачу при относительно низком давлении, но высокой химической агрессивности среды. Часто применяются герметичные центробежные насосы с магнитной муфтой, которые исключают динамические уплотнения вала и тем самым предотвращают утечки коррозионно-активных растворов. Использование частотных преобразователей позволяет точно регулировать расход в зависимости от режима работы аккумулятора, снижая энергопотребление и повышая общую эффективность установки. Материалы проточной части — например, специальные нержавеющие стали, сплавы или полимерные покрытия — выбираются с учётом стойкости к кислотным или солевым растворам, применяемым в электролитах.
К насосам для накопителей энергии предъявляются повышенные требования по долговечности и эксплуатационной надёжности. Они должны работать в непрерывном режиме, часто в удалённых или труднодоступных установках, где простои крайне нежелательны. Помимо механической прочности и химической стойкости, важную роль играет энергоэффективность: собственное потребление насосов не должно существенно снижать общий КПД системы хранения. Интеграция в цифровые системы мониторинга позволяет отслеживать параметры работы, такие как вибрации, температура подшипников и давление, что обеспечивает предиктивное обслуживание и предотвращает аварии.
Livejournal. «Зеленый» переход требует новые накопители энергии
Если стандартные решения не подходят, приходит время круговых насосов
Они компактны, способны перекачивать большие объёмы при сравнительно небольшой массе, имеют простую конструкцию без сложных движущихся частей в зоне перекачиваемой жидкости и относительно низкий износ. Эти свойства делают их популярными в широком спектре применений. Однако при работе с трудными средами, такими как сильно токсичные вещества, высокотемпературные жидкости, агрессивные химикаты или смеси с высоким содержанием твёрдых частиц, традиционные решения часто оказываются недостаточными.
Чтобы справиться с этими вызовами, производители развивают специализированные конструкции, включая насосы с магнитной муфтой, которые обеспечивают герметичное разделение двигателя и перекачиваемой среды. В обычных насосах передача крутящего момента осуществляется через вал с уплотнением, которое со временем изнашивается и может пропускать опасные жидкости наружу. В магнитно-управляемых насосах магнитная муфта передаёт вращающий момент без прямого контакта между ротором двигателя и рабочим колесом насоса, что устраняет необходимость в герметичных уплотнениях и снижает риск утечек. Такая конструкция уже стала предпочтительной для перекачки опасных сред.
Однако даже магнитные насосы без дополнительной адаптации имеют ограничения: контакт узлов подшипников и корпуса магнитной муфты с перекачиваемой жидкостью остаётся, и при определённых условиях, например, при высокой температуре или сухом ходе, это может привести к перегреву и повреждению компонентов. Например, металлический разделительный «спалльтопф» стандартной магнитной насадки при скорости вращения около 2900 об/мин может нагреваться до более чем 400 °C всего за несколько минут, что недопустимо для длительной эксплуатации и создаёт риски, особенно в зонах с требованиями по взрывозащите ATEX.
Чтобы решать такие серьёзные задачи, инженеры предложили конструкцию вертикального центробежного насоса с магнитной муфтой и газовой прослойкой между гидравлической частью (рабочее колесо и перекачиваемая жидкость) и зоной подшипников/привода. В этой схеме между задней стороной рабочего колеса и приводом создаётся безжидкостное пространство, заполненное защитным газом. Это означает, что перекачиваемое вещество не контактирует ни с уплотнениями, ни с компонентами привода, что кардинально снижает риск коррозии, перегрева и износа. Помимо этого, такой газовый барьер обеспечивает возможность длительного сухого хода насоса без повреждения деталей, поскольку тепло от магнитной муфты и подшипников отводится не через жидкость, а остаётся в невосприимчивой газовой среде, поддерживая умеренную температуру узлов даже при высокой температуре жидкости до примерно 400 °C.
Другой важной особенностью таких насосов является возможность конфигурирования «под задачу» соответствующей форме, размерам и материалам, включая применение высококоррозионностойких сплавов и керамических материалов, таких как карбид кремния (SiC). Эти материалы позволяют обеспечивать долговременную эксплуатацию даже с агрессивными средами вроде тетрахлорида титана, жидкого мазута с твёрдыми частицами и другими особо сложными жидкостями, которые обычные насосы не способны перекачивать эффективно и надёжно.
Для насосов, работающих с токсичными или газонасыщенными средами, такая герметизация важна не только с точки зрения надёжности, но и с позиций безопасности персонала и окружающей среды, так как минимальное количество утечек и контакт поверхности с опасной средой снижает риски аварий и загрязнений.