Regulacja parametrów pomp w pompowniach melioracyjnych
Prawidłowy dobór pomp powinien umożliwić ich pracę z maksymalną sprawnością energetyczną. Zagadnienie to byłoby proste, gdyby pompownia pracowała w jednym, stałym punkcie pracy, określonym przez wydajność Q oraz wysokość podnoszenia H. W praktyce jednak oba te parametry się zmieniają. Wymagana wydajność zależy od wielkości dopływu wód, zależnej od warunków atmosferycznych i pory roku. Podobnie zmienia się wysokość geometryczna wynikająca głównie z poziomu wody w odbiorniku. Jeśli zwiększony dopływ pochodzi z intensywnych opadów, to na ogół towarzyszy mu wzrost wysokości podnoszenia, gdyż poziom wody w odbiorniku rośnie. Nie musi to być jednak regułą, gdyż zwiększenie poziomu wody w rzece będącej odbiornikiem może wynikać z opadów, jakie wystąpiły w górnej części jej zlewni, podczas gdy w okolicy pompowni zwiększone dopływy nie wystąpiły. Wynika z tego, że pomiędzy wymaganą wydajnością a wysokością podnoszenia nie ma ścisłej relacji, a pompownia powinna być zdolna do pracy przy różnych kombinacjach Q i H. Można jedynie stwierdzić, że mało prawdopodobna jest sytuacja, kiedy zwiększonemu dopływowi towarzyszy spadek wysokości podnoszenia, co by odpowiadało charakterystyce pompy pracującej bez żadnej regulacji. Jakaś metoda regulacji parametrów pompowni jest zatem potrzebna. W przypadku pomp śmigłowych niekorzystna jest regulacja przez dławienie polegająca na doborze pomp z nadmiarem wydajności oraz dławieniu zaworem w przypadku, gdy wymagana jest wydajność zmniejszona.

W przypadku pomp śmigłowych spadkowi wydajności związanemu z dławieniem towarzyszy wzrost poboru mocy, a zatem dławienie, które nigdy nie jest korzystną pod względem energetycznym metodą regulacji, w tym przypadku jest wyjątkowo szkodliwe.

Stromość charakterystyki pomp śmigłowych jest cechą korzystną w tym sensie, że pozwala im utrzymać wydajność oraz utrzymać się w korzystnym zakresie sprawności przy wysokości podnoszenia zmieniającej się w stosunkowo szerokim zakresie. Dla przykładu, pompa śmigłowa o charakterystyce jak na rys. 2 o parametrach nominalnych Q = 3900 m³/h i H = 8,8 m i sprawności maksymalnej 85,8% pracuje ze sprawnością powyżej 0,9 ɳ max przy wysokości podnoszenia od 5,5 do 11,5 m zmieniając wtedy wydajność od 4400 do 3350 m³/h. Zatem przy bardzo znacznych zmianach wysokości podnoszenia (od 0,625 do 1,31 H_n) jest w stanie pracować ze sprawnością powyżej 0,9 ɳ max, utrzymując się w zakresie wydajności 0,86 do 1,13 Q_n. Oznacza to, że pompy śmigłowe bez dodatkowej metody regulacji są w stanie dostosować się do znacznych zmian wysokości podnoszenia, np. spowodowanych zmianą poziomu wody w odbiorniku, bez dużej zmiany wydajności.

Stromość charakterystyki powoduje jednocześnie, że pompy śmigłowe pracując przy wysokości podnoszenia zmieniającej się w niewielkim zakresie nie są w stanie samoczynnie zmieniać wydajności, a zatem dostosowanie się do zmiennej wielkości dopływu wymaga pewnej metody regulacji.

Konstrukcja pomp wirowych umożliwia regulację przez zmianę ustawienia kąta łopatek wirnika (rys. 5). Jest to metoda regulacji korzystna w warunkach, gdy należy zmieniać wydajność w szerokim zakresie, przy stałej wysokości podnoszenia. Jak widać z charakterystyki pokazanej na rys. 5 pole pracy z najwyższą sprawnością układa się niemal poziomo, wzdłuż linii H = const. Niestety, zastosowanie mechanizmu zmiany kąta ustawiania łopatek możliwe jest tylko w większych pompach stacjonarnych wałowych, natomiast w zatapialnych pompach śmigłowych mniejszej i średniej wielkości ta metoda regulacji z reguły nie jest wykorzystywana.

Parametry pomp śmigłowych regulować można również przez zmianę prędkości obrotowej (rys. 6). Wówczas pole pracy z optymalną sprawnością, jak wynika z charakterystyki na rys. 6, położone jest wzdłuż paraboli, co powoduje, że przy pracy ze stałą wysokością podnoszenia i zmienną wydajnością pompa dość szybko wychodzi z optymalnego zakresu sprawności. Ponadto, ze wzrostem prędkości obrotowej szybko wzrasta pobór mocy, a zatem dla regulacji wydajności w szerokim zakresie należałoby zastosować napęd (silnik – falownik) wysokiej mocy.

Przy pracy ze stałą (w przybliżeniu) wysokością podnoszenia wydajność pompy da się efektywnie regulować tylko w pewnym otoczeniu wydajności nominalnej (rzędu wydajność nominalna +/- 25%). Jeśli natomiast wydajność pompowni ma się zmieniać w szerszym zakresie, to regulacja jednej pompy staje się nieefektywna. W takim przypadku konieczne staje się zastosowanie kilku pomp pracujących równolegle i włączanie do pracy odpowiedniej ich liczby. Korzystne może być użycie nie kilku pomp o tej samej wydajności, lecz o wydajności zróżnicowanej. Na przykład jeśli wydajność pompowni ma się zmieniać od 0,5 Q do 3 Q, to zamiast stosowania trzech pomp o wydajności Q korzystniejsze może być zastosowanie dwu pomp o wydajności 0,5 Q i dwu o wydajności Q, gdyż wtedy można uzyskać łączne wydajności 0,5Q , Q , 1.5Q , 2Q , 2,5Q oraz 3Q, czyli wymagany zakres wydajności jest pokryty z mniejszym interwałem pomiędzy optymalnymi wydajnościami pompowni. Wydajności pośrednie pomiędzy wydajnościami będącymi wielokrotnością wydajności nominalnych poszczególnych pomp można uzyskać przez doregulowanie jedną z metod:

• Zastosowanie regulacji przez zmianę prędkości obrotowej na jednej lub kilku pompach.
• Dopasowanie wydajności pompowni do wielkości dopływu poprzez zmianę czasu pracy pomp. Takie rozwiązanie pozwala na pracę pompy przy optymalnej sprawności, lecz wymaga istnienia zbiornika dopływowego o znacznej retencji celem umożliwienia zgromadzenia nadmiaru dopływającej wody w okresie pracy z mniejszą ilością pomp.

Jeśli poziom wody w odbiorniku utrzymuje się na stałym w przybliżeniu poziomie, to regulacja parametrów pompowni melioracyjnej polega na zastosowaniu jednego z opisanych wyżej sposobów regulacji wydajności, przy stałej wysokości podnoszenia. Stałość (przybliżona) wysokości podnoszenia przy zmiennej wydajności wynika z tego, że w prawidłowo zaprojektowanej pompowni melioracyjnej straty przepływu powinny być nieznaczne, a zatem charakterystyka rurociągu winna być płaska.

Innego rodzaju zagadnienie powstaje w przypadku, gdy pompownia musi zapewnić określoną wydajność przy znacznych zmianach wysokości podnoszenia przekraczających zakres możliwy do pokonania przez pompę, wynikający ze stromości jej charakterystyki. Taka sytuacja zachodzi np. gdy poziom wody w odbiorniku gwałtownie rośnie. Można w takich sytuacjach stosować regulację przez zmianę prędkości obrotowej, jednak, jak wynika
z charakterystyki na rys. 6, zwiększanie wysokości podnoszenia przy stałej wydajności drogą zwiększania prędkości obrotowej powoduje szybkie wyjście poza obszar optymalnej sprawności, co jest akceptowalne w sytuacjach alarmowych. Zwiększanie prędkości obrotowej powoduje jednak gwałtowny wzrost poboru mocy, co wymaga zainstalowania napędów (silnik – falownik) o odpowiedniej mocy. Nie tylko zwiększa to koszt inwestycyjny, lecz także powoduje, że napęd dobrany na stan alarmowy w normalnym trybie pracy pracuje ze znacznym niedociążeniem, a zatem z obniżoną sprawnością.

Alternatywą może być stosowanie pomp różnego typu, o zbliżonej wydajności, lecz zróżnicowanej wysokości podnoszenia, pomp o zwiększonej wysokości podnoszenia pracujących sporadycznie w stanach alarmowych oraz pomp o mniejszej wysokości podnoszenia funkcjonujących w normalnych warunkach.

Interesującym rozwiązaniem może być instalacja pomp pozwalająca na ich pracę zarówno w układzie równoległym, jak szeregowym (rys. 7). Wymaga to zastosowania połączenia pomiędzy dwoma szybami rurowymi oraz zasuw odcinających. W normalnych warunkach pracy (niższe wysokości podnoszenia) zasuwa 2 jest zamknięta, a zasuwy 1 i 3 otwarte. Obie pompy mogą wtedy pracować równolegle. Natomiast w stanach alarmowych, gdy wymagane jest podwojenie wysokości podnoszenia, po zamknięciu zasuw 1 i 3 oraz otwarciu zasuwy 2 pompy pracują w układzie szeregowym, generując wymaganą wysokość podnoszenia. W takim przypadku zbędne jest instalowanie na którejkolwiek z pomp napędu o zwiększonej mocy.

Cały artykuł opublikowany został w magazynie "Pompy Pompownie" 1/2015

Fot.: www.freeimages.com