Możliwości i ograniczenia zwiększenia efektywności energetycznej tłoczni ścieków

Referat powstał w oparciu o wyniki badań uzyskanych m.in. w ramach projektu:

Wstęp

Tłocznie ścieków z separacją ciał stałych cieszą się coraz większą popularnością wśród eksploatatorów. Według skromnych szacunków można stwierdzić, że liczba zainstalowanych w Polsce obiektów tego typu przekroczyła tysiąc. Większość z zainstalowanych tłoczni została zaprojektowana na wydajność od kilku do kilkudziesięciu m³/h. Pozwala to na obsługę sieci kanalizacyjnej wsi oraz mniejszych miast. Tłocznie o większej wydajności, sięgającej do kilkuset m³/h instalowane są do obsługi średniej wielkości miejscowości lub pojedynczych dzielnic większych miast. Coraz częściej podczas prac modernizacyjnych pompownie mokre lub suche z kratą czyszczącą zastępowane są tłoczniami ścieków. Powodów takiego stanu rzeczy jest kilka. Pompy zainstalowane w tłoczniach pompują ścieki podczyszczone, co umożliwia zastosowanie bardziej sprawnych układów przepływowych i bezpośrednio przekłada się na obniżenie kosztów transportu ścieków. Ponadto ścieki gromadzone są w zamkniętych zbiornikach, co znacząco ogranicza emisję odoru i zmniejsza uciążliwość obiektów sanitarnych dla okolicznej ludności. Elementy wleczone przez ścieki, które zostają odseparowane w tłoczni, na bieżąco są z niej usuwane poprzez system samooczyszczających się separatorów i zostają przetransportowane dalej. Sprawia to, że obsługa tego typu obiektów ogranicza się jedynie do okresowych przeglądów i monitorowania bieżącego stanu pracy, który to z powodzeniem można realizować poprzez ogólnodostępne systemy zdalnego monitoringu.

Rys.1. Zasada działania tłoczni ścieków z separacją ciał stałych

Efektywność energetyczna tłoczni ścieków

Powszechnym i zrozumiałym dla każdego użytkownika systemu kanalizacyjnego powinien być fakt, że transport ścieków z zastosowaniem tłoczni z separacją ciał stałych jest znacznie bardziej energooszczędny, niż z wykorzystaniem pompowni mokrych. Pompy w pompowniach klasycznych o wydajności do kilkudziesięciu m³/h prawie zawsze wyposażone są w wirniki typu Vortex lub wirniki z urządzeniem rozcierającym, co powoduje, że ich sprawność jest nawet do dwóch razy gorsza niż sprawność pomp z wirnikami kanałowymi. Podstawową ideą tłoczni ścieków jest sprawny proces separacji ciał stałych i długowłóknistych, który umożliwia zastąpienie pomp z wirnikami typu Vortex, pompami z wysoce sprawnymi wirnikami wielokanałowymi. Tym bardziej zadziwiające są wyniki badań profesora Jana Bagieńskiego z Instytutu Inżynierii Lądowej, Politechniki Poznańskiej [1], który wraz z zespołem przeanalizował warunki pracy 63 pompowni z pompami zatapialnymi oraz 11 tłoczni z separacją ciał stałych. Autorzy doszli do następujących wniosków:

1. „… średnia sprawność pompowni z pompami zatapialnymi jest mniejsza niż tłoczni ścieków (η_pompowni ≈ 0,75∙η_tłoczni)”

– jest to zrozumiałe ze względu na różnice sprawności wirników typu Vortex i wirników kanałowych;

2. „… pompownie z pompami zatapialnymi, jak i tłocznie ścieków pracują przy relatywnie niskich wartościach sprawności; odpowiednio: 13,6 i 18,2%”

– jest to wartość średnia, niemniej jednak są to zadziwiająco niskie wartości biorąc pod uwagę, że optymalna sprawność wirników kanałowych stosowanych w tłoczniach wynosi 50÷80% w zależności od wielkości pompy;

3. „… jedną z istotnych przyczyn niskiej sprawności tłoczni było nieuzasadnione stosowanie w nich wirników typu Vortex”

– jest to zdumiewające fakt, który wydawałoby się całkowicie przeczy idei tłoczni z separacją ciał stałych, którą zastosowano właśnie po to, aby wyeliminować konieczność stosowania niskosprawnych wirników typu Vortex i może świadczyć o niewystarczającej sprawności procesu separacji w danym rozwiązaniu konstrukcyjnym tłoczni.

Ograniczenia wpływające na efektywność energetyczną tłoczni ścieków

Jedną z głównych przyczyn niezadowalająco niskiej efektywności energetycznej tłoczni ścieków jest dobór wielkości pompy, a raczej dobór wielkości kanałów wewnętrznych do danych parametrów napływu. Wydawać by się mogło, że skoro w standardowej tłoczni zainstalowane są dwie pompy to wystarczy, że jedna z nich będzie pracowała z wydajnością równą lub większą wartości dopływu ścieków, a przez drugą ścieki będą grawitacyjnie dopływały do zbiornika. Należy jednak pamiętać, że każda niepracująca pompa powoduje opór przepływu tym większy im mniejsze są kanały wewnętrzne wirnika. Zatem podczas doboru pompy do zadanych parametrów napływu należy oprócz spełnienia parametrów na wyjściu z tłoczni zagwarantować odpowiedni dopływ do jej zbiornika. W przypadku wirników kanałowych, biorąc pod uwagę, że maksymalne spiętrzenie w średniej wielkości tłoczni pomiędzy zbiornikiem rozdziałowymi i retencyjnym wynosi około 1 m, maksymalny przepływ wsteczny przez niepracującą pompę wynosi zaledwie do 25% jej optymalnej wydajności. Kolejnym istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas doboru jest zagwarantowanie odpowiedniej prędkości w rurociągu tłocznym. W większości przypadków jest to minimalnie 0,7 m/s, ale nie więcej niż 1 m/s. Powoduje to brak możliwości pracy pompy z wydajnością znacznie przekraczającą dopływ ścieków do tłoczni. Zazwyczaj wydajność pojedynczej pompy wynosi od 1,1÷1,5 nominalnego napływu do tłoczni. Wszystkie te czynniki powodują, że pompy z wirnikami kanałowymi dobierane do tłoczni ścieków pracują po lewej stronie charakterystyki i prawie nigdy nie osiągają optymalnej sprawności lub są zastępowane przez wirniki typu Vortex, które stanowią mniejszy opór miejscowy podczas napełniania zbiornika tłoczni.

Idealnym rozwiązaniem byłoby „uwolnienie” doboru wielkości pompy z wirnikiem kanałowym od wymagań zagwarantowania dopływu do tłoczni. Jednym ze sposobów jest zwiększenie liczby pomp, przez które ciecz dopływa do zbiornika. Zwiększa to jednak znacząco koszt samej tłoczni, nie tylko poprzez wzrost liczby układów separacji, pomp i sterowanie, ale również poprzez konieczność zagwarantowania dodatkowej przestrzeni, co wiąże się z większą średnicą zbiornika.

Możliwości zwiększenia efektywności energetycznej tłoczni ścieków

Alternatywnym rozwiązaniem niewymagającym zwiększenia liczby pomp ani ich wielkości jest zastosowanie układu obejścia.

Rys. 2. Tłocznia TSA.3.35 z układem obejścia

Układ obejścia składa się z trójnika (2) zabudowanego pomiędzy separatorem (1) i pompą (3), zaworu odcinającego (4) oraz armatury (5) łączącej zawór ze zbiornikiem retencyjnym tłoczni. Podczas postoju danej pompy zawór odcinający pozostaje otwarty. Podczyszczone ścieki dopływają do zbiornika zarówno poprzez pompę jak i dodatkowy układ obejścia, co umożliwia nawet kilkukrotne zwiększenie przepływu cieczy przez separator w porównaniu do tłoczni bez układu obejścia. Podczas uruchomienia pompy zawór zostaje zamknięty, umożliwiając wytłoczenie cieczy i oczyszczenie separatora.

Na rysunku 2 znajduje się tłocznia ścieków TSA.3.35 zaprojektowana na nominalną wydajność 240 m³/h. Jest to tłocznia zaliczana do dużych obiektów i obsługuje jedną z dzielnic Warszawy.

Rys. 3. Charakterystyka energetyczna pompy nr 1

Tłocznia została wyposażona w trzy pompy FZC.3.22 z wirnikami zamkniętymi o parametrach Q_(P1) = 180 m³/h oraz wysokości podnoszenia H = 14 m. Pompy osiągają średnią sprawność w punkcie pracy η = 63%. Zastosowany układ obejścia umożliwił zainstalowanie pomp o średnicy króćca tłocznego DN80. W przypadku braku układu obejścia, ze względu na zachowanie dopływu do tłoczni, retencję zbiornika i maksymalną liczbę załączeń na godzinę, należałoby zastosować trzy pompy o króćcu tłocznym DN200 typu FZB.7.12 o parametrach: Q_(P2) = 280 m³/h, H = 15 m, η = 61,5%, zagregowane z silnikami 22 kW lub większą liczbą odpowiednio mniejszych pomp.

Rys. 4. Charakterystyka energetyczna pompy nr 2

Jednostkowa energochłonność transportu ścieków pompy nr 1 dla punktu pracy pojedynczej pompy wyniosła e_QH(P1) = 0,0050 kWh/(m³∙m), w przypadku większej pompy nr 2 – e_QH(P2) = 0,0051 kWh/(m³∙m), są to wartości niemal identyczne. Należy jednak wziąć pod uwagę, że nominalny dopływ do tłoczni wynosi 240 m³/h, co powoduje, że znaczną część czasu będą równolegle pracowały dwie mniejsze pompy. Dla rozpatrywanego układu osiągną one wydajność po 160 m³/h, co spowoduje wzrost sprawności do 66% i obniżenie jednostkowej energochłonności do wartości e_QH(2xP1) = 0,0047 kWh/(m³∙m), co stanowi 8% oszczędność energii niezbędnej do pompowania w porównaniu z pompami większymi.

W tym miejscu Czytelnikowi może nasunąć się jedno zasadnicze pytanie: dlaczego pompy większe zostały dobrane na tak niską wydajność, a nie na wydajność optymalną Q_opt = 450 m³/h, dla której pompa osiąga maksymalną sprawność 71%? Powodów jest kilka, po pierwsze prędkość w rurociągu tłocznym dla tej wydajności wynosiłaby 1,8 m/s, co prowadzi do wzrostu strat przepływu od dwóch (dla pracy równoległej dwóch pomp nr 1) do sześciu razy w porównaniu z pojedynczą pracą pompy nr 1, a zatem wzrost mocy potrzebnej na pompowanie. Drugim istotnym elementem jest retencja zbiornika tłoczni, która wynosi 6 m³. Przy tak dużej wydajności zbiornik zostałby opróżniony w około 50 s pracy plus dodatkowo 15 s rozruchu. Relatywnie długi czas rozruchu w porównaniu z czasem pracy spowodowałby znaczne straty mocy obniżające rzeczywistą sprawność pompowania. Natomiast ze względów konstrukcyjnych studni, w której zabudowano tłocznie oraz kosztów samej tłocznie nie było możliwe zwiększenie objętości zbiornika. Trzecim aspektem jest moc silnika, która dla wydajności 450 m³/h i większych strat przepływu musiałby wynosić około 30 kW. Trzykrotne zwiększenie mocy silnika w porównaniu z pompami nr 1 powoduje również znaczny wzrost kosztu inwestycyjnego po stronie sterowania oraz zasilania w energię elektryczną.

Rys. 5. Gabaryty pomp FZC.3.22 i FZB.7.12

Czwartym problemem są gabaryty pompy oraz armatury łączącej ją z tłocznią. Pompa FZC.3.22 ma masę 180 kg, natomiast FZB.7.12 jest od niej trzykrotnie cięższa i odpowiednio większa, co utrudniłoby przeglądy i prace serwisowe. Armatura przyłączeniowa niezbędna do podłączenia pompy musiałby mieć średnice DN250 na ssaniu oraz DN200 na tłoczeniu, dodatkowo pompa nr 2 zajmuje czterokrotnie większą powierzchnię niż pompa nr 1. Wszystko to sprawia konieczność ciaśniejszej zabudowy tłoczni i dalszego pogorszenia warunków jej przeglądów i konserwacji.

Podsumowanie

Efektywność energetyczna transportu ścieków przy użyciu tłoczni z separacją ciał stałych silnie uzależniona jest od wyboru rodzaju i wielkości kanałów wirnika pompy. Ograniczenia wynikające ze sposobu zabudowy, parametrów pracy oraz kosztu inwestycji powodują, że znaczna część pomp do tłoczni dobrana jest na wydajności odbiegające od optymalnych. Sprawia to, że pompy pracują z zaniżoną sprawnością powodując zawyżone koszty transportu ścieków. Jednym z czynników wpływających na dobór pomp do tłoczni jest wymóg zachowania grawitacyjnego dopływu do zbiornika retencyjnego tłoczni przez niepracującą pompę. Powoduje to konieczność doboru większych wielkości pomp niż wynika to z nominalnej wydajności tłoczni.

Zagwarantowanie odpowiedniej wartości dopływu do zbiornika tłoczni przy zachowaniu wysokiej sprawności pracy pomp wymaga zwiększenia liczby pomp lub zwiększenia chwilowej wydajności pojedynczej pompy. Wiąże się to jednak ze znacznym zwiększeniem kosztu inwestycyjnego obiektu lub sieci. Alternatywną możliwością „uwolnienia” doboru wielkości pompy od warunków napływu jest zastosowanie dodatkowego układu obejścia. W tłoczni wyposażonej w ten system istnieje możliwość zainstalowania pomp o maksymalnej sprawności dla danych warunków napływu. Umożliwia to znaczne podniesienie efektywności energetycznej obiektu i obniżenie kosztów pompowania ścieków. Dodatkowo umożliwia to zastosowanie mniejszych gabarytowo pomp, o niższych mocach silników napędowych, co ułatwia prace serwisowe oraz rekompensuje koszt związany z zastosowaniem dodatkowej armatury. Układ obejścia powoduje oczywiście zwiększenie złożoności układu przepływowego tłoczni ścieków jednakże korzyści z jego zastosowania są znacznie większe.

Literatura

1. J. Bagieński, T. Kaźmierski, Efektywność energetyczna układów przetłaczania ścieków, IX Konferencja Naukowo-Techniczna Hydro-Vacuum S.A. 22-23 maja 2012 Grudziądz
2. PN-EN 12050-3:2002P, Przepompownie ścieków w budynkach i ich otoczeniu – Zasady budowy i badania – Część III: Przepompownie ścieków zawierających fekalia do ograniczonego zakresu zastosowania

Autor: Marcin Janczak

Kierownik Działu Badawczo – Rozwojowego Hydro-Vacuum S.A.