Изпомпване на отпадъчни води с променлива скорост

Помпите за отпадъчни води традиционно се експлоатират в режим на включване и изключване както за малки, така и за големи помпени станции. Тъй като притокът на отпадъчни води е променлив във времето, често е достатъчно използването на само малка част от капацитета на помпата. Поради тази причина се търсят инженерни решения за работни режими с намален капацитет на помпите, за да се оптимизира производителността и да се намалят експлоатационните разходи.

Преди задвижванията с променлива честота да навлязат в употреба, изпомпването с различна скорост се е осъществявало с помощта на двускоростни двигатели и намотки с регулируемо напрежение. През последните 10-15 години индустрията е започнала усилено да използва задвижващи механизми с променлива честота при системите за транспортиране на отпадъчни води.

Основният стремеж е да се оптимизира придвижването на потока отпадъчни води през помпените станции, като системите с променлива скорост осигуряват по-гъвкаво и сигурно решение в сравнение с помпите с постоянна скорост. С правилното прилагане на технологията за изпомпване с променлива скорост може да се постигне по-добро управление на процеса, спестяване на енергия, по-равномерна работа и намалени разходи за поддръжка на помпената станция.

Някои фирми за пречистване на отпадъчни води, които са инсталирали помпи с променлива скорост, не отбелязват намаление в потреблението на енергия, а някои общини дори отчитат повишен разход на енергия. Наблюдава се и зачестяване на случаите на запушване на помпите. Това е пряко свързано с намалената работна скорост.

При конвенционални незапушващи се помпи в резултат на намалената скорост консумираната мощност от работното колело ще спадне с промяната на скоростта, повдигната на трета степен, а възможността за преминаване на по-големи твърди частици ще се понижи. Увеличеното потребление на енергия се наблюдава поради две причини: частично запушване на работното колело и експлоатация в режими извън оптималните за ефективна работа на помпата.

Първото е резултат от удълженото време за работа, тъй като помпите, задвижвани от механизми с променлива честота, имат по-дълъг оперативен цикъл при по-ниски скорости, а второто се дължи на изпомпване в системи, при които статичната височина представлява голяма част от общия напор.

За да се изгради добре функционираща помпена станция, е важно да се обмислят добре всички компоненти на помпената система и станция – системни криви, избор на помпа и двигател, електрически характеристики, потенциал за пестене на енергия, компоненти на тръбната система, стратегии за управление и др. По този начин е възможно да се осигури максимална енергийна ефективност при изпомпването на отпадъчни води с променлива скорост и да се ограничат запушванията при експлоатация.

Помпи и помпени системи
Важно е утайникът на помпата да се поддържа чист, за да се предотврати натрупването на органични и неорганични вещества, което би могло да доведе до проблеми с неприятни миризми и поддръжката. Регулаторите на скоростта могат да бъдат програмирани редовно да извършват цикли на почистване на утайниците, с което да се намали рискът от натрупване на утайка и плаващи замърсявания. По време на тези цикли нивото се понижава толкова, че помпата започва да засмуква въздух (“хъркане”).

При сваляне на нивото на течностите се формират повърхностни вихри с голяма сила и честота. В момента преди помпата да започне да “хърка” високоскоростните повърхностни вихри засмукват плаващи отломки в помпата. От съществено значение е да се сведе до минимум работата на помпата при “хъркане”, за да се ограничи количеството въздух в нагнетателния тръбопровод и да се предотврати потенциално излагане на високи нива на вибрации.

Скоростта на течностите в напорния тръбопровод оказва влияние на нивата на утаяване в него, както и на потреблението на енергия поради спад на триенето. Работа при високи скорости на течностите намалява риска от натрупване на утайка, но увеличава разхода на енергия. Обратно, при ниски скорости на преминаване на флуидите през напорния тръбопровод намалява потреблението на енергия и се увеличава рискът от наслояване на утайка.

Поради тази причина е важно да се обмисли скоростта на движение на течностите и консумацията на енергия при определяне размера на смукателния и нагнетателния тръбопровод. Изпомпването на отпадъчни води с променлива скорост позволява намаляване на скоростта на флуидите под препоръчителните 0,7 м/сек за продължителни периоди от време. Това дава възможност за периодично промиване на нагнетателния тръбопровод чрез увеличаване скоростта на помпата, а оттам и на течността.

В зависимост от вида и концентрацията на тежки утайки и мазнини в средата, степента на утаяване ще е различна – по-високата концентрация на твърди вещества води до по-голям риск от образуване на утайка. При помпените станции с възможност за управление на скоростта, чрез увеличаването й може да се промива и напорния тръбопровод. Честотата на промиване зависи от конструкцията на системата, степента на замърсяване и минималната скорост, необходима за поддържане оптимални условия на работа.

При употребата на помпи с променлива скорост, темпът на изпомпване на флуида често е по-нисък от нормалния за тръбопроводната система. Затова при намалена скорост потреблението на енергия се понижава, ако бъде предпочетен спирателен дисков клапан пред сачмен.

Помпите с променлива скорост имат възможност за плавно пускане и спиране чрез постепенно увеличаване и намаляване скоростта на помпата, като по този начин се намалява влиянието на хидравличния удар и износването на възвратните клапани.

Когато цикълът на спиране на помпата е дълъг (плавно намаляване на скоростта), скоростта на течността ще намалее бавно в напорния тръбопровод. Добре е да се отбележи, че задвижващите механизми с променлива честота няма да функционират по време на прекъсване на електрозахранването (освен ако не са включени към резервен източник на енергия, който незабавно да осигури мощност), което намалява тяхната ефективност като защитно устройство от хидравличния удар.

Някои помпи имат ограничение на минималната допустима скорост на помпата. Тя може да зависи от правилното функциониране на охладителната система, честотата на резонанс на вала и др.

Управление на помпите и задвижвания
Функциите за пускане и спиране могат да бъдат осъществени с прости релейни системи или статични контролери. Днес широко приложение намират специализирани регулатори и устройства за мониторинг на помпите. Задвижванията с променлива скорост често са използвани като средство за управление скоростта на асинхронни двигатели. За по-големи и сложни системи могат да бъдат използвани програмируеми логически контролери, но за целта трябва да бъде създаден широкообхватен софтуер за конкретното приложение.

Задвижването с променлива скорост приема указания от софтуера, за да бъде в състояние да управлява помпата, като в помпената станция трябва да има главен контролер, който да задава правилната последователност за всички помпи. Най-модерните решения за контролери на помпи за отпадъчни води са инсталирани в механизмите за променлива скорост.

Специализираният софтуер може да бъде инсталиран и конфигуриран предварително в задвижващото устройство, предназначено за определена помпа и двигател. Стартирането на системата е изключително просто – чрез свързване на сензорите за ниво и захранващите кабели към задвижващия механизъм и след това натискане на старт бутона.

Номиналният ток за задвижването за всяка помпа трябва да бъде по-голям от този на двигателя. За справяне в ситуации с ниско или високо напрежение обикновено се препоръчва да се остави 20% резерв. При помпите за отпадъчни води е важно двигателят да предава пълен въртящ момент на работното колело, за да може то да се справи с потенциални запушвания. Поради тази причина е необходимо помпите за отпадъчни води да са оборудвани със задвижвания с променлива скорост, способни да предоставят номинален въртящ момент при стартиране и поддържане на два пъти този момент при пълна експлоатационна скорост в продължение на най-малко една секунда.

Има два основни типа устройства – задвижвания със скаларно или векторно управление. При първите се генерира предварително зададено напрежение като функция на честотата, а вторите анализират напрежението и тока, необходими за управлението на помпата. Използвайки данните от обратната връзка от двигателя, пусковият ток може да се намали, а въртящият момент при стартиране – да се увеличи.

Управление на процеса
Притокът на отпадъчни води в помпена станция в рамките на 24 часа варира значително. Обикновено през нощта дебитът е малък, а пиковете са сутрин и вечер, като често за визуализиране на тези изменения в потока се използват диаграми.

Специфичната енергия за дадена система варира в зависимост от скоростта на помпата. Оптималната скорост от гледна точка на пестенето енергия е, когато помпата работи при честота, която съответства на минималната специфична енергия. Оптималната честота зависи от няколко фактора. Те включват кривите на производителността на помпата и на системата, които заедно образуват различни криви на специфичната енергия.

Определянето на оптималната честота на работа на помпите с променлива скорост представлява предизвикателство. Един от начините за това е чрез използването на алгоритми. Интелигентните управляващи устройства на помпите имат алгоритми, които осигуряват автоматична оптимизация на скоростта за минимално потребление на енергия.

Провеждането на теоретично изследване на помпената система е друг метод за идентифициране на оптималната честота. Този подход има някои недостатъци, включително възможността да настъпят промени в системата по всяко време. Изчисленията са невъзможни или в най-добрия случай неточни, ако липсва документация на тръбната система.

Управление на нивото
В станциите помпите с постоянна скорост работят в режим на включване и изключване, при който отличителни нива за стартиране и спиране на системата дават възможност на резервоара да се изпразни и напълни. Помпите работят при предназначената им скорост и вероятността да не се запушват зависи от дизайна им.

Двускоростните помпи и тези с променлива скорост позволяват работа при режими, по-близки до действителния приток, отколкото до дебита, предвиден при проектирането. Ако експлоатацията с променлива скорост е правилно внедрена, разходът на енергия може да се намали.

Традиционният метод за управление на експлоатацията на помпи при променлива скорост, когато се прилагат за отпадъчни води, е този при постоянно ниво. Контролерът използва нивото на течността като референтна стойност. При нисък приток помпата ще работи с твърде ниска скорост и следователно с много ниска ефективност, като по този начин се изразходва много енергия. В допълнение, рискът от утаяване в тръбите и утайника се увеличава.

Помпите често работят извън предпочитания работен диапазон, което води до скъсяване на експлоатационния живот. Това се случва, когато помпата работи при скорост, по-ниска от оптималната, т. е. скоростта, с която специфичният разход на енергия е минимален. Вероятността от частично запушване също е по-голяма при помпи, които не се самопочистват.

Най-енергийно ефективният метод за управление на помпи с променлива скорост включва комбинация от работа при намалена скорост и периодично засмукване и напълване. Този метод се препоръчва за помпените станции за отпадъчни води. Този метод ще елиминира времето, при което помпата работи със скорост, по-ниска от оптималната.

За да се постигне прекъснат работен режим и да се гарантира, че помпите няма да тръгват и спират прекалено често, е важно да се определи подходящ интервал между нивата на включване и изключване, което ще позволи работа при минимален разход на енергия за достатъчно дълъг период от време. Когато методът за постоянно ниво се използва като стратегия за управление, е необходимо честотата с минимално енергийно потребление да се определи като оптимална, за да се увеличи пестенето на енергия и оперативната надеждност.

Друг често използван метод за управление на помпите за отпадъчни води е с променливо ниво. Предимството при него е, че потокът може да бъде буфериран в утайника, в резултат на което изпомпването става по-плавно и пиковете на входящия поток се изглаждат. При този метод на управление скоростта на помпата е функция на нивото на течността в утайника.

Използва се и метод за управление, който се основава на използването на производна на времето от нивото на течността в утайника (скорост по повърхността на течността). Това включва определянето на минимален дебит, което гарантира, че скоростта на намаляване нивото на течността е настроена за даден минимум.

Ако нивото на течността не намалее с този темп, то скоростта на помпата автоматично ще се увеличи. С цел енергийна ефективност скоростта не трябва да пада под оптималната, дори ако нивото на течността намалява с по-бавни темпове.