Oszczędność energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych Część 1: Współpraca charakterystyk – pompy i układu pompowego pompy głębinowej

Część 1: Współpraca charakterystyk – pompy i układu pompowego pompy głębinowej

Współczesna eksploatacja układów pompowych pomp głębinowych [5, 8] ukierunkowana jest głównie na energooszczędne wydobycie wody na ujęciach oraz przekazanie jej do stacji uzdatniania (SUW). Zagadnienie oszczędności energii przekłada się na optymalizację budowy układów pompowych, ich właściwego opomiarowania oraz prowadzenia optymalnego zarządzania eksploatacją wraz z odpowiednim monitoringiem i sterowaniem [1, 3, 4].

1. Wstęp

Energooszczędna eksploatacja układów pompowych studni [3, 5] z założenia ukierunkowana jest na prowadzenie optymalizacji pracy pomp głębinowych mającej na celu zminimalizowanie zużycia energii oraz utrzymywanie wysokiej niezawodności w wydobyciu wód wgłębnych na ujęciu [6]. Uwzględniany jest charakterystyczny dla eksploatacji studni i pomp głębinowych [5] wzajemnie przenikający się kompleks zagadnień z dziedzin: hydrogeologii, techniki pompowej, hydromechaniki, elektrotechniki, techniki systemów, automatyki itd. Obecnie istnieją modele matematyczne pracy układów pompowych studni i prognozowania ich charakterystyk oraz charakterystyk ocen energochłonności wraz z diagnostyką pracy układów: studnia–agregat pompowy–rurociąg z armaturą [4]. Stosowanie zaawansowanych modeli matematycznych systemowo zmienia sposób zarządzania w eksploatacji ujęć. Ten artykuł poświęcony jest budowie i działaniu charakterystyk układów pompowych pomp głębinowych oraz związanych z nimi oddziaływaniami studni.

2. Budowa układów pompowych pomp głębinowych

Pompy głębinowe wchodzące w skład głębinowych agregatów pompowych eksploatowane są w studniach ujęciowych lub innych, np. odwadniających (rys. 1).

Na rys. 2 pokazano poglądowy przekrój współcześnie typowej zabudowy pompy głębinowej pracującej w klasycznej studni np. ujęciowej [5].

Pokazano też najnowsze rozwiązanie w opomiarowaniu układu, tj. zintegrowaną sondę pomiarów ciśnień montowaną między kołnierzami rurociągu tłocznego pompy głębinowej tuż za jej króćcem tłocznym pod wodą (zastrzeżenie – patent RP). Rys. 3 pokazuje montaż takiej sondy podczas zabudowy pompy.

Zastosowanie zintegrowanej sondy umożliwia precyzyjne wyznaczanie położenia punktu pracy pompy głębinowej podczas eksploatacji i przyczynia się do dokładnego wyliczania rzeczywistych strat liniowych w rurociągu tłocznym pompy podczas jej eksploatacji. Zgodnie z rys. 2, w skład układu pompowego pompy głębinowej wchodzą:

• głębinowy agregat pompowy;
• rurociąg tłoczny;
• zintegrowana sonda pomiarów ciśnień;
• armatura studzienna:
• kolano wylotowe,
• zasuwa/przepustnica dławiąca,
• przepływomierz,
• przetworniki ciśnienia.

Opomiarowanie standardowego układu pompowego pompy głębinowej sprowadza się do:

• pomiaru położenia zwierciadła wody:

statycznego – H_ST,

dynamicznego – H_D;

• pomiaru ciśnienia:

przed zasuwą od strony pompy głębinowej – p₁,

na odpływie z układu pompowego – p₂,

za króćcem tłocznym pompy pod wodą – p_p,

hydrostatycznego na króćcem tłocznym – H_H,

pomiaru wydajności pompy – studni – Q;

• charakterystycznymi, przeliczonymi parametrami hydraulicznymi są:

straty liniowe w pionowym odcinku rur – H_SL,

straty w armaturze (dławienie) – H_SA.

Okresowo należy sprawdzać :

• temperaturę wody – T_w,
• zapiaszczenie wody – p,
• chemizm wody – ch.

Charakterystycznymi danymi – parametrami – wpływającymi na budowę i eksploatację układu pompowego pompy głębinowej są:

• średnica rurociągu tłocznego pompy – D_R,
• głębokość zabudowy pompy – L_P,
• średnica głębinowego agregatu pompowego – D_A,
• średnica studni – D_s,
• głębokość studni – L_s,
• aktualna głębokość zasypu w studni – L_z,
• głębokość położenia filtra studni – L_F,

Charakterystycznymi parametrami energetycznymi – elektrycznymi – są:

• pobór mocy czynnej silnika głębinowego – P_e,
• pobór prądu silnika głębinowego – I_R,S,T,
• wartość napięcia zasilania – U,
• czas pracy głębinowego agregatu pompowego – t,
• energia mocy czynnej – E,
• długość i przekrój przewodu zasilającego silnik – L_k,
• oporność izolacji – R_I.

3. Charakterystyka układu pompowego pompy głębinowej

Budując charakterystykę układu pompowego pompy głębinowej należy pamiętać, że charakterystyka ta musi uwzględniać warunki, w których układ pompowy pracuje, a więc oddziaływanie studni. Na rys. 4 pokazano elementy składowe charakterystyki układu pompowego pompy głębinowej, gdzie uwzględniono:

• charakterystykę zmiany depresji w studni (s) w odniesieniu do jej wydajności Q [2];
• charakterystykę strat liniowych H_SL;
• charakterystykę strat armatury H_SA;
• wartość ciśnienia za odpływem z układu p₂.

Charakterystyka układu pompowego powstaje w wyniku zsumowania elementów – charakterystyk składowych i np. gdy ciśnienie na odpływie (p₂) jest równe 0 (praca na wolny wypływ), a straty w armaturze i straty liniowe znikome, charakterystyka układu zbliżona jest do tzw. charakterystyki studni, a więc H_D = f(Q), gdzie H_D = H_ST + s. Jest to ważna do rozróżnienia zależność, która później jest wykorzystywana do ocen strat i diagnostyki pracy agregatu pompowego oraz studni.

Wspomniano, że w opomiarowaniu układu pompowego zastosowano zintegrowaną sondę pomiarów ciśnień instalowaną tuż za króćcem tłocznym pompy głębinowej pod wodą, która mierzy ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz rurociągu (rys. 3). Po zainstalowaniu tej sondy mierzącej p_p i H_H oraz przy uwzględnieniu reszty opomiarowania – Q, p₁, p₂ oraz znajomości danych instalacyjnych – L_P, D_R i elektrycznych – P_e, I, U, cosΦ, t, f, możemy praktycznie w pełni oceniać pracę układu pompowego oraz studni.

Zależności matematyczne są stosunkowo proste i wynikają z techniki pompowej. Dla danej, zmierzonej wartości wydajności pompy Q:

wysokość podnoszenia pompy w układzie wynosi:

H_P = p_p – H_H

położenie zwierciadła wody w studni wynosi:

H_D = L_P – H_H

wartość strat liniowych wynosi:

H_SL = p_p – L_P – p₁

wartość strat w armaturze (np. dławienie) wynosi:

H_SA = p₁ – p₂.

W przypadku zmian w położeniu punktu pracy pompy [3], w eksploatacji wystarczy policzyć ww. elementy składowe podnoszenia pompy i tym samym znaleźć przyczynę tej zmiany. Warto wspomnieć, że każdorazowo przed zabudową głębinowego agregatu pompowego w studni należy przeprowadzić próbę na stacji badań agregatów [1, 3], mającą na celu wyznaczenie dokładnego, indywidualnego przebiegu charakterystyk danej pompy głębinowej. Charakterystyki te są później punktami wyjściowymi do ocen.

Trzeba widzieć, że bez zastosowania zintegrowanej sondy pomiarów ciśnień (rys. 3) budowa charakterystyki układu pompowego będzie zawsze obarczona pewnymi błędami wynikającymi z braku możliwości określania zmiennych w czasie wartości strat liniowych, które spowodowane są np. zarastaniem rurociągu tłocznego – praca pompy z tzw. wodą surową.

Współpraca charakterystyk – pompy i układu

Powszechnie wiadomo [3, 7], że tzw. punkt pracy pompy powstaje w wyniku przecięcia się charakterystyki pompy H_P = f(Q) i charakterystyki układu pompowego H_UP = f(Q) (rys. 4).

Te zależności występują niejako samoczynnie po uruchomieniu pompy w studni. Suma oporów przepływu w układzie (H_SL, H_SA) oraz wartość ciśnienia na odpływie (p₂) oraz obniżenie wody w studni (H_D) stworzą sumaryczną wartość ciśnienia, którą musi pokonać pompa wg swojej charakterystyki przepływu H_P = f(Q) – tym samym ustawi się konkretna wartość wydajności – Q. Na uwagę zasługuje fakt, że współpracująca z pompą studnia na wydajność pompy Q odpowiada konkretną wartością depresji s. Zmiana tej depresji, a więc s = f(Q) i sumarycznie H_D = f(Q) ma podstawowy związek z ustawieniem się punktu pracy pompy. Często pomija się ten fakt, tak jakby pompa pracowała w środowisku stałego, niezmiennego dopływu.

Z rys. 4 widać, że sumaryczna charakterystyka układu pompowego pompy głębinowej oraz studni H_UP = f(Q) powstaje z sumy charakterystyk składowych, a więc H_D = f(Q), HSL = f(Q), H_SA = f(Q) oraz p₂ = f(Q). Ta zależności pozwolą nam zrozumieć, jakie występują straty w różnych sposobach regulacji parametrów pracy pompy głębinowej w układzie pompowym [3] zainstalowanym w studni. Często wartość wydajności (Q) musi być korygowana przez użytkownika ujęcia. Regulację można przeprowadzić właściwie na dwa sposoby – albo zmieniając charakterystykę układu pompowego albo charakterystykę pompy.

Na rys. 5 pokazano jak zmieniono charakterystykę układu pompowego przymykając zasuwę dławiącą i tym samym zwiększając wartość strat armatury H_SA.

Jak widać, charakterystyka ta nieco się wyostrzyła i tym samym punkt pracy pompy przesunął się w lewo, ustawiając wartość Q_P1 – tym samym wzrosła wartość wysokości podnoszenia do H_P1. Ewidentnie obniżono wartość wydajności kosztem zwiększenia strat H_SA.

Na rys. 6 pokazano inny sposób obniżenia wydajności pompy, np. do tej samej wartości Q_P1, a więc poprzez zmianę jej charakterystyki H_P1 = f(Q). Taką regulację można przeprowadzić tylko gdy zmienimy (w tym przypadku zmniejszymy) obroty pompy z nominalnych (n_n) do n₁.

Jak widać z rysunku, charakterystyka układu pompowego nie zmieniła się (H_SL2; H_SA2), a straty nawet zgodnie z nią zmalały – zmalała wydajność Q i obniżyła się wysokość podnoszenia pompy H_P2. Zmiana obrotów pompy możliwa jest wyłącznie dzięki zastosowaniu w jej zasilaniu elektrycznym tzw. falownika, czyli urządzenia zmieniającego częstotliwość sieci. Współcześnie w energooszczędnej eksploatacji ujęć wód wgłębnych stosowanie falowników [3] staje się w wielu przypadkach niezbędne.

Na rys. 7 pokazano zakres straty dławieniowej (przy zmianie charakterystyki układu pompowego – H_UP1 = f(Q)) ustawiającej punkt pracy pompy dla wydajności analogicznej jak przy regulacji obrotów (Q_P1).

Stratę tę zaznaczono na wykresie podkolorowaniem i określono jako H_SD, gdzie wraz ze stratami naturalnymi armatury – H_SA2 – łącznie, utworzyła się nowa wartość strat H_SA3. Jak widać, regulacja dławieniowa jest kosztowna i wyraźnie obniża sprawność energetyczną eksploatacji.

Aby wyliczyć wartość nowej prędkości obrotowej pompy n₁ zmieniającej charakterystykę pompy na tyle, by punkt jej przecięcia przypadał przy wydajności Q_P1 korzystamy z ogólnie znanych zależności [3]:

                Q_P1 = Q_P(n₁/n_n)

tak więc :

                n₁ = n_n(Q_P1/Q_P)

gdzie:

n_n – wartość nominalnej prędkości obrotowej (dla pomp głębinowych ok. 2 950 obr./min);

Q_P – wydajność pierwotna pompy;

Q_P1 – wydajność pompy po obniżeniu prędkości obrotowej do n₁;

n₁ – nowa wartość prędkości obrotowej.

Gdybyśmy chcieli znaleźć nową wartość prędkości obrotowej pompy n₁ dla innej wysokości jej podnoszenia, np. H_P2, korzystamy z wzoru [3]:

                H_P2 = H_p(n₁/n_n)²

gdzie :

H_P – wysokość podnoszenia pompy pierwotna;

H_P2 – wysokość podnoszenia pompy po obniżeniu prędkości obrotowej do n₁.

Z rys. 7 i 8 wyraźnie widać, że regulacja poprzez zmianę obrotów pompy jest wysoce opłacalna, należy jednak pamiętać, że falowniki nie naprawią błędów w doborze pomp.

Często podczas prowadzenia eksploatacji studni głębinowych na parametry pompy w układzie ma wpływ zmiana charakterystyki studni – np. poprzez kolmatację (zarastanie) filtrów lub warstwy wodonośnej. Praktycznie do dnia dzisiejszego, a więc gdy nie wdrożono jeszcze zintegrowanej sondy pomiarów ciśnień (rys. 3), rozdział wpływu charakterystyk składowych budujących charakterystykę układu pompowego był praktycznie przybliżony, a tym samym niedokładny. Na rys. 8 pokazano jak straty w depresji studni, tu oznaczone jako s_S wpływają na tzw. ostrzenie się charakterystyki układu pompowego.

Rozliczając elementy składowe charakterystyk strat, znajdziemy wpływ depresji traconej (s_S) na zmianę parametrów układu i tym samym określimy ich znaczenie energetyczne. Jest to zupełnie nowa zależność, której waga może doprowadzić do nowych kryteriów oceny jakości studni podczas jej eksploatacji.

Podsumowanie

Problem optymalizacji energetycznej w eksploatacji ujęć i pomp głębinowych jest zagadnieniem złożonym, wymagającym zastosowania wiedzy z dziedziny techniki pompowej, hydrogeologii, elektrotechniki, informatyki itp. Wiadomo, że eksploatacja pompy głębinowej przebiega w środowisku złoża wodonośnego i wszelkie zmiany z zakresu warunków hydrogeologicznych wpływają wprost na pracę głębinowego agregatu pompowego. Przedstawione w artykule zakresy z jednej strony metod regulacji pracy pompy głębinowej pracującej w układzie pompowym oraz z drugiej precyzyjnie określone możliwości wyliczania strat energii jakościowo zmieniają zarządzanie eksploatacją ujęć.

Uzyskanie wysokich wskaźników efektywności energetycznej eksploatacji pomp i ujęć głębinowych wymaga nie tylko liczenia kosztów związanych z zakupem pomp lecz również kosztów wynikających z eksploatacji (remonty, niezawodność, sprawność, regeneracja studni itd., a więc całego cyklu jej życia – LCC).

Literatura

Materiały konferencyjne, Seminarium Szkoleniowo-Promocyjne, Energooszczędna, systemowa eksploatacja ujęć i pomp głębinowych, „Orle Gniazdo Hucisko”, 16–17 listopada 2017 r.

Polak K., Górecki K.: Diagnostyka warunków pracy studni ujęciowej oraz systemu pompowo-tłocznego na podstawie próbnego pompowania, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, Warszawa, sierpień 2016.

Strączyński M., Pakuła G., Urbański P., Solecki J.: Podręcznik eksploatacji pomp w wodociągach i kanalizacji, Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Wydanie III, Warszawa 2017.

Strączyński M., Wąsowski J., Zatorski P.: Systemowe zarządzanie, monitoring oraz sterowanie w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych – SPMSYSTEM. Forum Eksploatatora, maj–czerwiec, Warszawa 2015.

Strączyński M.: Energooszczędna eksploatacja układów pompowych w studniach ujęć wód wgłębnych, Forum Eksploatatora, marzec–kwiecień, Warszawa 2016.

Strączyński M.: Analiza niezawodności w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych, Forum Eksploatatora, lipiec–sierpień, Warszawa 2018.

Świtalski P.: ABC techniki pompowej, CEDOS , Wrocław 2008.

Woszczyk R.: Energooszczędna eksploatacja ujęć głębinowych w ZWiK Myszków. Forum Eksploatatora, styczeń–luty, Warszawa 2016.

Marian Strączyński
MAST, Bełchatów

Źródło: Forum Eksploatatora 2/2019

…

Polecamy publikacje uzupełniające artykuł