Oszczędność energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych Część 4: Wpływ zmiany stanu technicznego studni na zużycie energii w eksploatacji ujęcia

Ogólnie wiadomo, że wśród studni eksploatowanych w naszym kraju szereg z nich budowana była w II połowie XX wieku. Studnie te, po już kilkudziesięcioletniej ich eksploatacji, ulegają naturalnemu starzeniu zmieniając swoje zdolności w ujmowaniu wód. Powszechnie znane zjawisko kolmatacji filtrów studziennych oraz innych uszkodzeń bezpośrednio zależy od czasu eksploatacji oraz od wydajności z jaką pobieramy wodę z ujęcia.

Wstęp

Ostatnie 2 lata wskazują, że w miesiącach letnich zapotrzebowanie na wodę wyraźnie rośnie, natomiast ilościowy przyrost nowych, kosztownych studni jest ograniczony. Sytuacja ta stwarza realne zagrożenia w eksploatacji ujęć i kumuluje nowe problemy w oszczędności coraz droższej energii.

W pierwszym artykule z cyklu „Oszczędność energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych – Współpraca charakterystyk – pompy i układu pompowego pompy głębinowej” [FE 2/2019] pokazano sposób budowy charakterystyki układu pompowego pompy głębinowej, ujmujący również charakterystykę zmiany depresji studni w funkcji jej wydajności, natomiast w niniejszym artykule przedstawiony będzie związek między zmianą charakterystyki studni a przebiegiem sumarycznej charakterystyki układu pompowego. Dla ilustracji zależności przeprowadzono symulację tych zmian w modelach matematycznych znanego już SPM_SYSTEM [2, 4] i pokazano jej wyniki wraz z szacunkami strat energii.

Współpraca charakterystyk – pompy głębinowej i charakterystyki depresji studni

Jak wspomniano, dokładne zależności występujące w eksploatacji studni i pompy głębinowej opisano w cz. 1 cyklu artykułów [5]. Powszechnie wiadomo [3], że punkt pracy pompy (po jej uruchomieniu) samoczynnie ustawia się w miejscu przecięcia się obu charakterystyk – pompy H_P = f(Q) oraz układu H_UP = f(Q). Składową charakterystyki układu pompowego jest charakterystyka zmiany depresji w studni [1], a ściślej zmiana położenia zwierciadła dynamicznego wody w funkcji wydajności pompy  H_D = f(Q). Jeżeli charakterystyka studni H_D = f(Q) ulegnie zmianie, automatycznie punkt pracy pompy przesunie się w inne miejsce i tym samym ulegnie zmniejszeniu lub zwiększeniu wydajność pompy, a ta z kolei wpłynie na nowe położenie zwierciadła wody w studni. Z reguły charakterystyka studni ma tendencję „ostrzenia” swojego przebiegu, a więc wydajność pompy maleje [2].

Praktycznie, użytkownik początkowo nie wie czy pompa uległa uszkodzeniu, czy też zmieniła się charakterystyka studni, jednak finalnie wydajność spadła. Na rys. 1 pokazano dwa przebiegi charakterystyk układu pompowego H_UP1 i H_UP2 = f(Q) oraz dwie charakterystyki pomp H_P1 oraz H_P2 = f(Q). Pokazano też przebieg pierwotnej charakterystyki zmian położenia zwierciadła wody w studni oraz charakterystyki po zmianie jej stanu technicznego (np. kolmatacja filtra)  H_D1 i H_D2 = f(Q). Wyraźnie widać, że pierwotny punkt pracy pompy (Q₁, H_P1) przesunął się do położenia (Q₂, H_P2) tym samym wydajność spadła. Wartością niezmienną jest położenie zwierciadła statycznego HST, które odpowiada wydajności Q = 0, a więc w okresie postoju w pracy studni. Pierwotne położenie zwierciadła dynamicznego (H_D1) wody w studni jest sumą: H_ST + s₁ i odpowiada wydajności pompy Q₁. Wtórne położenie H_D2  już po zmianie charakterystyki  jest równe: H_ST + s₂.

Po dodaniu do H_D2 wartości p₂ oraz odpowiadającym nowej wydajności Q₂ wartością strat liniowych H_SL2 oraz strat armatury H_SA2, mamy finalną wartość punktu pracy pompy na jej charakterystyce H_P1 = f(Q). Jest to właśnie punkt przecięcia się z nową charakterystyką układu H_UP2 = f(Q):(Q₂, H_P2). Gdybyśmy tę charakterystykę (H_UP2 = f(Q)) przedłużyli aż do wartości Q₁ otrzymalibyśmy nowy prognozowany punkt pracy dla innej już pompy, której charakterystyka H_P2 = f(Q) dla Q₁ musiałaby mieć podnoszenie H_P3. Różnica H_P3 – H_P1 jest dokładnie stratą wysokości podnoszenia pompy dla zmienionej charakterystyki depresji studni H_D2 = f(Q).

Dalej, po odpowiednich przeliczeniach, dla nowej, większej pompy otrzymamy stratę mocy (netto), którą musimy dołożyć do układu by skompensować zmianę charakterystyki H_D2 = f(Q) – np. po uszkodzeniu studni i by utrzymać dalej jej wydajność na poziomie wartości Q₁. Trzeba podkreślić, że w tym postępowaniu wykluczamy wzajemne oddziaływanie studni dla ujęcia wielostudziennego, lecz i w tym przypadku tok postępowania jest możliwy, podobny lecz nieco skorygowany.

Wzajemne współregulowanie się charakterystyk studni pompy układu jest skomplikowanym i na pewno dynamicznym procesem, który często jest niezauważalny i błędnie interpretowany. Ważne jest dokładne opomiarowanie układu oraz właściwa interpretacja wyników. Samo zagadnienie ma charakter wielodyscyplinarny (hydrogeologia, technika pompowa, elektrotechnika, hydromechanika), stąd współcześnie zaangażowano technikę systemów SPM_SYSTEM, którą uzbrojono we właściwe modele matematyczne tych procesów eksploatacji. Systemowe oprzyrządowania studni oraz oprogramowania zlokalizowane np. na serwerze w Chmurze SPM wspomagają użytkownika w podejmowaniu optymalnych decyzji eksploatacyjnych – wymiana pompy, regeneracja studni, zmiana budowy układu pompowego itp.

Trzeba tu podkreślić konieczność prowadzenia okresowych pompowań próbnych studni diagnozujących ich stan techniczny. Znaczenie wczesnego ostrzegania w uszkodzeniach studni ma kluczowe znaczenie w energooszczędnej eksploatacji ujęć wód wgłębnych.

Symulacja komputerowa w SPM_SYSTEM

W celu zobrazowania pracy modeli matematycznych SPM_SYSTEM zasymulowano pracę ujęcia z dwoma studniami, pracującego na zbiornik, który na zasadzie różnicy swojego położenia zasilałby miasto o liczbie ok. 1000 mieszkańców. Do symulacji przyjęto średniej wielkości wydajności dwóch studni ok. 31,0÷33,0 m³/h, przy położeniu zwierciadła dynamicznego wody ok. 70,0 m.

Ciśnienie na odpływie studni p₂ – rzędu 10 m, straty liniowe H_SL i armatury H_SA – mieszczące się w kilku metrach – praktycznie minimalne.

Na rys. 2 pokazano reakcję modeli, przy czym po wprowadzeniu zmiany w charakterystyce jednej studni – nr 2, ocena nowych parametrów (Q₂ = 20,63 m³/h, H_D2 = 82,5 m, H_P2 = 92,0 m).

Rys. 3, 4 i 5 pokazują już wzrost energochłonności układu na graniczną, a więc żółtą.

Dla zabudowanej pompy głębinowej typu GCA.3.A5 zmniejszenie wydajności do wartości 20,63 m³/h spowodowało pracę na skraju przedziału stosowalności i spadek jej sprawności o ok. 10%. Pompa dodatkowo zmuszona została do zwiększenia swojej wysokości podnoszenia H_P o ok. 10 m. Gdybyśmy chcieli utrzymać dla tych warunków pracy dalej wydajność studni na poziomie 30 m³/h, musielibyśmy pompę wymienić na większą, a więc o wyższej mocy znamionowej o ok. 5 kW. Tak więc stałą stratę dla tego przypadku można ocenić na poziomie 4,0 kW – ok. 30% więcej zużycia energii.

Podsumowanie

Utrzymywanie wydajności jakiejkolwiek studni, często ograniczonej już w możliwości ujęcia wody, jest wysoce energochłonne, awaryjne i tym samym kosztowne. Wzajemne oddziaływanie – studnia oraz pompa głębinowa – wymaga prowadzenia dokładnych analiz, w tym zmian ich indywidualnych charakterystyk. Ważne jest prowadzenie diagnostyki parametrów eksploatacyjnych, właściwe opomiarowanie i interpretacja wyników. Jakiekolwiek uproszczenia w tym zakresie zawsze spowodują zagrożenia w pewności dostawy wody z ujęcia oraz wpłyną na zwiększenie energochłonności eksploatacji.

Planowanie jakichkolwiek inwestycji wymagających dostaw wody z istniejących już ujęć powinno być wcześniej poprzedzone badaniami jakości i wydajności studni, gwarantującymi późniejsze pokrycie potrzeb.

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 – SPM_SYSTEM . Forum Eksploatatora, maj–czerwiec, Warszawa 2015.

Strączyński M., Oszczędność energii w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych – cz. 1 Współpraca charakterystyk – pompy i układu pompowego, Forum Eksploatatora 2/2019, marzec–kwiecień, Warszawa 2019.

Marian Strączyński, MAST Bełchatów

Źródło: Forum Eksploatatora 6/2019