Przepompownie zbiornikowe – Pumps and Pumping System

Gdy mamy do czynienia ze zmieniającym się, w bardzo szerokim zakresie, natężeniem dopływu, od Q_s = 0 do Q_s = Q_max, prawidłowy dobór pompy do układu, nawet po zastosowaniu regulacji, jest praktycznie niemożliwy.

Rozwiązaniem tego problemu jest umieszczenie na ssaniu pompy zbiornika retencyjnego i okresowe załączanie pompy, jak to pokazano na rys. 1. Układ taki, który powszechnie nazywany jest przepompownią zbiornikową, składa się z: rurociągu dopływowego 1, zbiornika retencyjnego 2, pompy lub zespołu pomp 3, rurociągu tłocznego 4 oraz odbiornika w postaci zbiornika górnego 5 lub rurociągu magistralnego. Zaletą takiej przepompowni jest to, że pompa 3 i rurociąg 4 pracują przy stałych parametrach, niezależnie od natężenia dopływu do zbiornika, a sterowanie pracą odbywa się przez okresowe załączanie pomp.

Rys.1. Schemat funkcjonalny przepompowni zbiornikowej

Typowym przykładem pompowni zbiornikowej jest przepompownia ścieków.

W projektowaniu takich przepompowni stosujemy następujące kryteria doboru pomp, zbiornika i rurociągu:

zapewnienie poprawnej pracy układu podczas maksymalnego dopływu cieczy,
zapewnienie możliwie małego zużycia jednostkowego energii,
ograniczenie mocy zainstalowanej pompy,
dobranie minimalnej wielkość zbiornika,
zapewnienie minimalnej prędkości samooczyszczania v_min (w przypadku tłoczenia ścieków),
nieprzekroczenie dopuszczalnej liczby włączeń silnika,
nieprzekroczenie czasu przebywania cieczy w zbiorniku.

Rys.2. Podstawowe dane wykorzystywane do obliczania pompowni zbiornikowej

Dane wyjściowe do obliczania przepompowni:

Q_s – maksymalny godzinowy dopływ,
v_min – minimalna prędkość w rurociągu tłocznym,
Rz_d – rzędna lustra cieczy w zbiorniku dolnym,
Rz_t – rzędna wylotu rurociągu tłocznego lub rzędna lustra cieczy w zbiorniku na tłoczeniu,
p_t – ciśnienie na wylocie z rurociągu tłocznego,
i – dopuszczalna liczba włączeń pompy,
V_r – objętość wypompowanej jednorazowo cieczy, objętość retencyjna,
t – czas przebywania cieczy w zbiorniku.

Kryterium maksymalnego dopływu

Aby układ działał poprawnie, natężenie przepływu w rurociągu tłocznym musi spełniać warunek 1.

$Q_p \ge Q_s$ (1)

Q_p – przepływ w rurociągu tłocznym pompowni,
Q_s – maksymalny przewidywany dopływu do pompowni.

Warunek (1) stanowi dolną granicę rzeczywistej wydajności pomp w pompowni.

Kryterium samooczyszczania rurociągu

Jeśli rozpatrzymy kryterium minimalnej prędkości w rurociągu, która zapewnia, że na dnie rurociągu nie osadzają się części stałe (następuje tzw. samooczyszczanie rurociągu), to możemy napisać warunek 2.

$v \ge v_{min}$ (2)

v – rzeczywista prędkość w rurociągu, 
v_min – minimalna prędkość w rurociągu.

Na podstawie wzoru na prędkość średnią (Obliczenia strat liniowych wzór 2) dla rurociągu okrągłego możemy napisać:

$v_{min} \le {{4 \cdot Q_p} \over \pi d^2_{max}}$ (3)

Po przekształceniu wzoru (3), otrzymamy zależność na maksymalną średnicę rurociągu w funkcji wydajności pompowni 4.

$d_{max} \le 2 \cdot \sqrt{Q_p \over {\pi \cdot v_{min}}}$ (4)

d_max - maksymalna średnica rurociągu,
Q_p - przepływ w rurociągu tłocznym pompowni, wydajność pompy,
v_min - minimalna prędkość w rurociągu.

Rys. 3. Graniczna średnica samooczyszczania rurociągu w zależności od przepływu

Minimalna strata rurociągu tłocznego

Minimalne straty w rurociągu tłocznym otrzymamy, gdy do równania Darcy’ego–Weisbacha (Obliczenia strat liniowych wzór 1) podstawimy minimalną prędkość przepływu i maksymalną średnicę rurociągu. Po założeniu, że współczynnik strat jest stały λ = const otrzymamy wzór 5.

$\Delta h = \lambda \cdot {l \over d_{max}} \cdot {v^2_{min} \over 2 \cdot g}$ (5)

Po wyeliminowaniu średnicy przez podstawienie wzoru 4 do 5 i uporządkowaniu otrzymamy wyrażenie na minimalne straty w rurociągu tłocznym w postaci 6.

$\Delta h = \lambda \cdot {l \cdot \sqrt{\pi} \cdot v^{2,5}_{min} \over 4 \cdot g} \cdot {1 \over \sqrt{Q}}$ (6)

Jeżeli we wzorze (6) ustalimy długość rurociągu, to funkcja Δh = f(Q) będzie linią graniczną minimalnych strat układu.

Rys. 4. Minimalne straty rurociągu przy prędkości samooczyszczania (v_min = 0,8 m/s, λ = 0,023 , l = 100 m)

Minimalną wysokość podnoszenia przepompowni H_min można obliczyć jako sumę: geometrycznej wysokości podnoszenia H_g (patrz rys. 1) i minimalnych strat rurociągu Δh ze wzoru 7.

$H_{min} \ge H_g + \Delta h$ (7)

Załączanie pomp

Załączaniem pomp w przepompowni sterują czujniki poziomu lub czujniki z układem zegarowym. Najczęściej są stosowane czujniki pływakowe, zainstalowane wewnątrz zbiornika. Poziomy posadowienia czujników dzielą zbiornik na kilka charakterystycznych objętości, pokazanych na rys. 5.

Rys. 5. Podział objętości zbiornika retencyjnego

Minimalną objętość cieczy w zbiorniku V_min wyznacza pływak poziomu minimalnego H_min. Minimalny poziom cieczy, utrzymywany w pompowni, ma na celu niedopuszczenie do pracy pompy „na sucho”. Ponadto przy stosowaniu pomp zatapialnych ma on zapewnić dostateczne chłodzenie pompy. W przypadku pomp zatapialnych minimalny poziom cieczy jest parametrem eksploatacyjnym pompy.

Objętość retencyjna pompowni V_ret służy do akumulowania cieczy, która jest okresowo przetłaczana przez pompy.

Objętość alarmowa V_alarm stanowi rezerwę objętości przepompowni w przypadku awarii lub dużego chwilowego dopływu do pompowni.

W standardowych przepompowniach zbiornikowych umieszcza się od 1 do 3 pomp. Maksymalna liczba włączeń pompy w przepompowni i_max, ze względu na obciążenie cieplne, nie może przekraczać wartości dopuszczalnej liczby włączeń i_dop.

$i_{max} \le i_{dop}$ (8)

i_max - maksymalna liczba włączeń pompy w czasie 1 godziny, [1/h]
i_dop - dopuszczalna liczba włączeń pompy w czasie 1 godziny, [1/h]

Odnośniki do analiz pracy przepompowni i sposobów obliczania maksymalnej liczby włączeń podano na końcu strony. Analiza prowadzone są po założeniu, że zmiany poziomu lustra cieczy w zbiorniku nie mają istotnego wpływu na wysokość podnoszenia pompy, a więc punkt pracy pompy jest stały.

(1) – jedna pompa,
(1 + R) – jedna pompa + czynna rezerwa,
(2) – dwie pompy,
(2 + R) – dwie pompy + czynna rezerwa,
(3) – trzy pompy.

PAMIĘTAJ !

Przepompownia zbiornikowa akceptuje dopływy od ZERA do MAX
Przepompownia zbiornikowa jest tanim i efektywnym sposobem regulacji układu, pompa (jeżeli jest włączona) może pracować z maksymalną sprawnością
Nie stosuj pomp regulowanych w przepompowniach zbiornikowych
Jeżeli przepompownia współpracuje z kolektorem tłocznym, w którym okresowo występuje wysokie ciśnienie nie musisz dobierać pompy na maksymalne ciśnienie. Załączona pompa może „zaczekać” na okno niskiego ciśnienia w kolektorze.

Warto sprawdzić