W części pierwszej cyklu artykułów – Forum Eksploatatora nr 2/2019 – podkreślono wpływ metod regulacji parametrów pracy pomp głębinowych na zużycie energii w eksploatacji ujęć. Ta część cyklu poświęcona będzie działaniu modeli matematycznych wspomagających podejmowanie właściwych energetycznie decyzji eksploatacyjnych. Jak wiemy, charakterystyczne dla eksploatacji studni i pomp głębinowych [1, 3] wzajemne przenikanie się zależności z dziedzin: hydrogeologii, techniki pompowej, hydromechaniki, elektrotechniki, techniki systemów i automatyki, musi być uwzględnione w pracy modeli matematycznych, a tym samym można przyjąć, że bez matematycznie wspomaganego przetwarzania danych eksploatacyjnych nie jesteśmy w stanie szybko i właściwe ocenić energochłonności eksploatacji. Rozgraniczenie miejsca i wartości strat, w układzie pompowym lub w studni, nie jest zagadnieniem prostym i wymaga szerokiej wiedzy, którą powinien posiadać użytkownik decydujący o działaniach służb eksploatacyjnych. Pomocnym może tu być wspomaganie komputerowe występujące we współczesnych systemach zarządzających eksploatacją ujęć – np. SPMSYSTEM.
Budowa systemów eksploatacji pomp głębinowych
Dla właściwego odzwierciedlenia zależności systemowych występujących w eksploatacji pomp głębinowych na rys. 1 przedstawiono elementarny zakres budowy samego systemu eksploatacji oraz jego otoczenia funkcjonującego np. w przedsiębiorstwie wodociągowym, górniczym itp. [1, 3].
System eksploatacji pomp SEP tworzą dwa systemy składowe: system użytkowania pomp SU oraz system ich obsługiwania SO, który wraz z systemem zaopatrywania SZ tworzy system zaplecza technicznego SZT. System eksploatacji pomp SEP wraz z systemem zaplecza technicznego SZT tworzy system zabezpieczenia wydobycia i transportu wody z ujęcia – SZWT, którego właściwe funkcjonowanie nadzoruje system kierowania SK, składający się z systemu informacyjnego SI oraz systemu decyzyjnego SD. System eksploatacji pomp SEP posiada więc dwa systemy składowe (SU, SO), wchodzi częściowo i całkowicie w skład dwóch systemów (SZT, SZWT) oraz działa współzależnie z dwoma systemami (SI, SD) tworzącymi system kierowania.
Na rys. 1 zaznaczono miejsca prowadzenia diagnostyki obiektowej oraz parametrycznej, a więc w systemie użytkowania (SU), a także w systemie informacyjnym (SI) wchodzącym w skład systemu kierowania (SK) wspomagającego podejmowanie właściwych decyzji eksploatacyjnych w systemie decyzyjnym (SD).
Praca i wyniki analiz modeli matematycznych
Wprowadzenie diagnostyki w systemach eksploatacji głębinowych agregatów pompowych było szczególnie utrudnione, gdyż powszechnie stosowane metody i urządzenia diagnostyczne nie spełniały swoich funkcji w zastosowaniach głębinowych – praca agregatów pompowych pod wodą w wąskich, głębokich studniach bywa też z zasolonym medium o temperaturze np. powyżej 36°C itp. Powszechne metody, np. wibroakustyki, stały się zupełnie nieprzydatne. Wychodząc naprzeciw potrzebom dla systemów eksploatacji pomp i ujęć głębinowych [5, 6] opracowano dwa rozwiązania, które wdrożono do pracy w ramach SPMSYSTEM. Pierwszym z nich jest zintegrowana sonda pomiarów ciśnień pod wodą (patent RP) nad króćcem tłocznym pompy głębinowej, która mierzy ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz rurociągu tłocznego pompy [4].
Pomiary ciśnień z sondy umożliwiają wyznaczanie odchyleń rzeczywistej aktualnej charakterystyki pompy w układzie, w odniesieniu do charakterystyki ze stacji prób wyznaczonej przed zabudową pompy w studni. Mamy więc możliwość wykonania dokładnej diagnostyki parametrycznej pracy układu pompowego przez modele matematyczne systemu, uwzględniające: charakterystykę energetyczną głębinowego agregatu pompowego ze stacji prób, aktualną charakterystykę agregatu pracującego w studni, charakterystykę studni wykonaną w czasie pompowania próbnego – po przekazaniu studni, bieżącą charakterystykę studni, charakterystykę układu pompowego zawierającą aktualną wartość strat liniowych rurociągu oraz strat w armaturze studziennej. Modele matematyczne uwzględniają też typ budowy głębinowego agregatu pompowego z katalogowymi wartościami sprawności pompy i silnika głębinowego. Na rys. 2 pokazano widok ekranu ocen matematycznych oraz diagnostyki parametrycznej wraz z poglądowym widokiem charakterystyk stanowiących podstawę analiz.
Zgodnie z teorią, analizy systemu uwzględniają wprowadzone w modelu porównania wartości rzeczywistych odchyłek parametrów od wprowadzonych wartości dopuszczalnych i granicznych (rys. 3).
W diagnostyce parametrycznej, wartości odchyłek są powiązane z typem budowy pompy i silnika (pompy w wielkościach 4”, 6”…, odśrodkowe, diagonalne; silniki w wielkościach 4”, 6”…, asynchroniczne mokre, półsuche, synchroniczne itd.).
Takie zestawienie parametrów uwzględniających diagnostykę układu pompowego wraz z głębinowym agregatem pompowym oraz diagnostykę studni [2, 3] (kolmatacja, zafiltrowanie, strefa wodonośna…) jest zupełnie nowym podejściem do analizy niezawodności eksploatacji układu: agregat pompowy–studnia. Analizy te wymagają korzystania z najnowszych osiągnięć techniki pompowej, elektrotechniki, techniki systemów, techniki wiertniczej oraz hydrogeologii.
Zgodnie z podstawowym założeniem, w SPMSYSTEM równolegle z prowadzoną diagnostyką parametryczną prowadzona jest diagnostyka obiektowa. Jest to, właściwie, założenie podstawowe, które uzupełnia dalszą możliwość śledzenia niezawodności eksploatacji pomp i ujęć głębinowych. Jak wspomniano, diagnostykę obiektową prowadzimy w systemie użytkowania (SU), a więc w terenie, czyli bezpośrednio przy studni. Diagnostykę obiektową oparto na testowanej od kilkunastu lat zależności wielkości i zakresów zmian – wahań – w poborze prądu przez silnik głębinowy, a stanem technicznym głębinowego agregatu pompowego. Opracowano specjalnej konstrukcji urządzenie diagnostyczne (rys. 4), które mierząc skuteczne wartości prądu pobieranego prze silnik głębinowy (w każdym okresie) i analizując zmiany tych wartości, zgodnie z zasadą diagnostyki (rys. 3), przekazuje wyniki analiz do modelu matematycznego, a tym samym uzupełnia zakres analiz niezawodności pracy układu.
Podobnie jak w diagnostyce parametrycznej, wartości wahań w poborze prądu powiązane są z typem budowy i typowielkością pompy oraz silnika (pompy: w wielkościach 4”, 6”…, odśrodkowe, diagonalne, śmigłowe; silniki w wielkościach 4”, 6”…, asynchroniczne mokre, półsuche, synchroniczne itd.). Urządzenie diagnostyczne (rys. 4) umożliwia też śledzenie zmian temperatury silnika głębinowego – PT-100, temperatury pompowanego medium oraz wartość przewodnictwa elektrycznego cieczy, którą wypełniony jest silnik. Pomiary elektryczne wykonywane przez urządzenie – U, I, Pe, cosΦ, fz wraz z przystosowaniem go do współpracy z falownikiem w pełni pokrywają potrzeby systemowe.
Rys. 5 pokazuje bieżącą jednoznaczną ocenę energochłonności układu oraz wyniki komunikatów z diagnostyki parametrycznej i obiektowej.
Oceny te pochodzą z wielowymiarowych przeliczeń składowych, w tym również uwzględniających występujące już odchylenia, np. charakterystyki pompy. Na rys. 6 pokazano przykładowy widok ekranu wizualizującego wyniki przykładowych ocen diagnostyk – parametrycznej i obiektowej SPMSYSTEM, wskazującej np. na ewidentnie graniczny stan pracy układu pompowego oraz studni. Charakterystyczne jest to, że operator systemu na tej podstawie może już podjąć decyzję o wymianie pompy głębinowej, natomiast układ pompowy jeszcze pracuje i podaje wodę z ujęcia.
Komplet bieżących danych ze studni przekazywany jest standardowo co 15 min z zainstalowanego systemu opomiarowania i sterowania oraz przesyłu danych (rys. 7).
Zestaw bieżących i historycznych parametrów pracy głębinowego agregatu pompowego oraz studni umożliwia precyzyjny dobór następnego agregatu, natomiast przeszukiwanie własnych lub zewnętrznych rezerw nie jest prowadzone awaryjnie w pośpiechu. Posiadając własny potencjał remontowy można przygotować przeprowadzenie remontu agregatu zastępczego lub uruchomić prace przygotowawcze do remontu aktualnie pracującego agregatu po jego wybudowie. W przypadku braku rezerw, można przygotować zakup nowego agregatu pompowego, którego parametry można określić wg zainstalowanego w SPMSYSTEM kreatora doboru pompy do układu pompowego współpracującego ze studnią. Możliwości jest wiele, jednak najważniejszą jest zmiana trybu pracy z awaryjnego na energetycznie zoptymalizowany. Powszechnie wiadomo, że utrzymywanie niskiego wskaźnika energochłonności nie tylko sprowadza się do właściwego doboru pompy lecz później do właściwego sterowania i śledzenia zmian w eksploatacji [1, 3]. Już dziś prowadzone są dalsze prace związane z aktywną ocena prawdopodobieństwa wystąpienia awarii agregatu (rys. 8).
Modele matematyczne w tym przypadku wykorzystują charakterystyki funkcji niezawodności, które dostępne są w bibliotekach systemu. Podobnie jak w systemach militarnych, czy też telekomunikacyjnych, śledzenie funkcji niezawodności jest procesem kosztownym, jednak koniecznym. W odpowiedzialnych procesach eksploatacji, a do takich niewątpliwie należą ujęcie i dostawa wody ze studni, zagadnienia te będą w najbliższej przyszłości szybko rozwijane i przyniosą spore efekty ekonomiczne.
Podsumowanie
Problem optymalizacji energetycznej w eksploatacji ujęć i pomp głębinowych jest zagadnieniem złożonym, tak więc systemowe wspomaganie w przetwarzaniu informacji z eksploatacji niewątpliwie ułatwia zarządzanie w tym zakresie. Połączenie zależności w eksploatacji studni oraz głębinowego agregatu pompowego wraz z systemową oceną energochłonności, ułatwia oszczędzanie kosztów w tym skomplikowanym procesie.
Uzyskanie wysokich wskaźników oszczędności kosztów w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych wymaga dokładnego liczenia kosztów składowych wynikających z eksploatacji (zakup urządzeń, niezawodność, energochłonność, remonty, regeneracja studni itd. – 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, 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.: Analiza niezawodności w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych, Forum Eksploatatora, lipiec–sierpień, Warszawa 2018.
Woszczyk R.: Energooszczędna eksploatacja ujęć głębinowych w ZWiK Myszków. Forum Eksploatatora, styczeń–luty, Warszawa 2016.
Marian Strączyński, MAST Bełchatów
