Minimalne rozbiory wody, występujące szczególnie w godzinach nocnych, mogą powodować, że nawet tylko jedna z kilku jednakowych pomp współpracujących równo­legle może pracować praktycznie tylko na podtrzymanie ciśnienia.

Na podstawie odczytów parametrów pracy kilku pompowni określono względny czas pracy t, (odniesiony do doby) i względ­ne wydajności pomp q, (w odniesieniu do ich wydajności nominalnych) [1]: Z powyższego zestawienia wynika, że 96% czasu pracy pompy mogą być eksploato­wane przy wydajności mniejszej od 26,3% wydajności nominalnej.

Widać, że w ocenianych pompowniach pompy pracu­ją przy zbyt małych wydajnościach, co niewątpliwie wpły­wa na znaczny wzrost jednostkowego zużycia energii e[kWh/m3]. Czyli rozważany jest problem założeń projek­towych jednostrefowych pompowni wody pitnej dla budyn­ków średnich i wysokich, i ich konsekwencji w eksplo­atacji tych pompowni. Ze strony odbioru jest narzucona wysokość ciśnienia pt = gHrst, która ma być utrzymy­wana przez pompownie niezależnie od rozbioru wody.

Typowe charakterystyki pompy i rurociągu zaopatrujące­go budynki o średniej i dużej wysokości przedstawia wykres rys. 1.

 

Rys. 1. Regulacja wydajności pompowni sieciowej o dużej statycz­nej wysokości podnoszenia

 

W tej sytuacji dobór pompy o wydajności nominalnej, odpowiadającej rozbiorom maksymalnym, nie jest dobrym założeniem. Dowodem na to są wyniki obserwacji i pomia­rów, zamieszczone w przytoczonym wyżej zestawieniu [1].

Regulacja wydajności pompowni może się odbywać przez dławienie w punktach czerpalnych i wówczas zastęp­cza charakterystyka sieci zmienia się np. z Hr(Q) przy roz­biorze maksymalnym (przy nominalnej wydajności pompy) na Hr(Q)' przy małym rozbiorze. Punkt pracy układu pom­powego przesuwa się z st do S2.

Obok zbyt dużego jednostkowego zużycia energii i jej kosztów praca pompy odśrodkowej przy wydajności znacz­nie mniejszej od nominalnej powoduje wzrost siły osiowej działającej na wirnik i zwiększenie obciążenia łożysk wzdłuż­nych. W pompie ze spiralną kierownicą odśrodkową wystę­puje też wzrost sił promieniowych działających na wirnik i odpowiedni wzrost obciążenia łożysk poprzecznych. Siły osiowe i promieniowe skracają okres międzyremontowej eksploatacji pomp.

Regulacja parametrów pracy pompy poprzez zmianę pręd­kości obrotowej wobec dużej statycznej wysokości podno­szenia rurociągu również istotnie nie poprawia sytuacji, co też pokazano na wykresie rys. 1. Zmniejszenie prędkości obrotowej pompy z n! na n2 spowoduje pewne zmniejszenie nominalnej wydajności pompy, lecz nie poprawia zasadniczo istotnych relacji. W celu utrzymania łącznego przepływu Q2 pewne zwiększenie otwarcia zaworów w punktach czerpal­nych i zastępcza charakterystyka sieci będzie mieć przebieg H(Q)", a punkt pracy przesuwa się do 82'. Zmiany te nie wpłyną jakościowo na podniesienie sprawności pompy i zmniejszenie jednostkowego zużycia energii.

 

Rys. 2. Zastosowanie dwóch jednakowych pomp w pompowni sieciowej o dużej statycznej wysokości podnoszenia rurociągu

 

Istotną poprawę uzyskuje się, dzieląc nominalną wydajność na równolegle pracujące dwie, trzy lub czte­ry jednakowe pompy. Równoległą współpracę dwóch pomp przedstawiono na wykresie rys. 2. Zakłada się, że jedna z pomp jest wyłączana np. przy wydajności pom­powni zmniejszonej do nominalnej wydajności jednej pompy. Przyjęcie równoległej współpracy dwóch pomp poprawia sytuację, ale może być niewystarczającym roz­wiązaniem.

Specyfika pracy układów pompowych, zaopatrujących jednostrefowo średnie i wysokie budynki, polega na tym, że maksymalny rozbiór wody powinien odpowiadać wydajno­ści pompowni zbliżonej do nominalnej oraz że występuje duży rozziew między maksymalnym rozbiorem a minimal­nym przy stosunkowo dużej statycznej wysokości podno­szenia rurociągu. W godzinach nocnych pompownia ma zadanie podtrzymywać ciśnienie statyczne w rurociągu przy rozbiorze, a więc wydajności pompowni malejącej do paru procent [1].

Racjonalnym spełnieniem tak postawionych wymagań jest niewątpliwie zastosowanie w pompowni dodatkowej pompy o ułamkowej wydajności, a więc i mocy. Taka pompa o charakterystyce H(Q)pu, współpracując równolegle z pompą główną o charakterystyce H(Q) lub równolegle połączonymi pompami głównymi pompowni, byłaby włączana tylko wówczas, gdy rozbiór zmniejszy się do mini­malnego, odpowiadającego nominalnej wydajności dodat­kowej pompy. Takie rozwiązanie przedstawiono na charak­terystykach na rys. 3.

 

Rys. 3. Zastosowanie „pompy ułamkowej"

 

Dodatkowa „ułamkowa pompa" będzie pompą wielo­stopniową. Dla sprawdzenia realności przyjęcia „pompy ułamkowej" można policzyć liczbę jej stopni. Liczba stopni „i" będzie wynikać z przyjętych parametrów pracy tej pompy i wyróżnika szybkobieżności jednego stopnia, i można ją obliczyć wzorem:

 

gdzie:

 

nq -założony wyróżnik szybkobieżności pompy (praktycznie dla pomp wielostopniowych nq = 22 do 28).

n - prędkość obrotowa pompy

Qmin - minimalna wydajność eksploatacyjna pompy głów­nej, przy której pompownia przechodzi na pracę „pompy ułamkowej" (np. nie przekraczającej połowy wydajności nominalnej jednej pompy głównej). Qmin jest zarazem wydajnością nominalną „pompy ułamkowej" Qnpu.

H2 (Qmin) - wysokość podnoszenia rurociągu przy wydaj­ności Qmin.

 

Takie rozwiązanie może zmniejszyć pobór mocy, a więc też ilość zużywanej energii przez pompownię w okresach minimalnych rozbiorów (Q < Qmin) o ponad 50%.

W przypadku sieci wodociągowej, charakteryzującej się dużą rozległością i dominującym udziałem dynamicznej wysokości podnoszenia w całkowitej wysokości podnosze­nia rurociągu, znacznie korzystniejsza jest regulacja para­metrów pracy pompowni na podstawie pomiaru ciśnienia w najmniej korzystnym punkcie sieci. W takiej sieci efekt regulacji poprzez prędkość obrotową pompy zwiększa się, a korzyści wynikające z zastosowania „pompy ułamkowej" maleją.

W ślad za zawartymi w publikacji [1] stwierdzeniami powinna pójść analiza ekonomiczna kosztów modernizacji przedmiotowych pompowni. Taka analiza z pewnością wyka­że, że okres ich amortyzacji będzie bardzo krótki.

Problem może być rozwiązany np. przez zastosowanie zbiorników hydroforowych lub kiedyś stosowanych wież ciśnień albo rozpatrywanego tu rozwiązania za pomocą „pompy ułamkowej".

 

Literatura

[1] Bagieński J., Schiller T., Współczynnik energochłonności (EEI) pomp wodociągowych, „Pompy Pompownie", nr 1 (140) 2011. S 44-45.

 

AUTOR:

Prof. dr Andrzej Korczak, emerytowany pracownik Politechniki Śląskiej

KONTAKT:

Andrzej.korczak@polsl.pl