Instalacje pompowe w przepompowniach i oczyszczalniach ścieków - ebook

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

a, m/s − prędkość rozchodzenia się zaburzeń w cieczy

A, m² - pole powierzchni przekroju przepływowego

c, m/s - średnia po powierzchni przekroju prędkość przepływu w rurociągu

d, mm − średnica; średnica wewnętrzna rurociągu

ee - efektywność energetyczna (wskaźnik efektywności energetycznej)

Ea, kWh - energia elektryczna zużyta na pompowanie w czasie pracy równym Ta

g, m/s² - przyspieszenie ziemskie

Dh, m - wysokość strat hydraulicznych w rurociągu lub w jego elemencie (np. w zaworze)

H, m - wysokość podnoszenia pompy

Hdyn, m – dynamiczna wysokość podnoszenia (dla układu pompowego)

Hst, m − statyczna wysokość podnoszenia (dla układu pompowego) Huk, m - wysokość podnoszenia wymagana przez układ pompowy

Hz, m - geometryczna wysokość podnoszenia

Hzn, m − geometryczna wysokość napływu

Hzs, m − geometryczna wysokość ssania

K, ΣK, zł - koszty; koszty całkowite

l, m - długość rurociągu lub jego odcinka

LCC, zł - całkowite koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w czasie „życia” pompy

LCC′, zł - suma kosztów inwestycyjnych oraz energii w czasie „życia” pompy

m, mr - liczba zespołów pompowych w grupie; liczba pomp rezerwowych

n, obr/min - prędkość obrotowa

NPSH, m - nadwyżka antykawitacyjna

NPSHA, m - rozporządzalna (zapewniana przez układ) nadwyżka antykawitacyjna

NPSHi, m − nadwyżka antykawitacyjna odpowiadająca wizualnemu początkowi kawitacji (i – incipient)

NPSHkr, m - krytyczna nadwyżka antykawitacyjna, przy której następuje umowny początek kawitacji; zwykle NPSHkr = NPSH3

NPSHR, m - wymagana (przez pompę) nadwyżka antykawitacyjna

NPSH3, m – nadwyżka NPSH odpowiadająca 3-procentowemu spadkowi wysokości podnoszenia H

p, Pa; MPa – ciśnienie statyczne absolutne przetłaczanej cieczy

pb, Pa; MPa – ciśnienie otoczenia (atmosferyczne)

pv, Pa; MPa − ciśnienie parowania cieczy w danej temperaturze

pd, Pa; MPa - ciśnienie dolne (dopływowe)

pg, Pa; MPa - ciśnienie górne (odpływowe)

∆ps, Pa; MPa - różnica ciśnień na wyjściu i wejściu obiektu pompowego;

P, W; kW - moc na wale pompy

Pel, W; kW - moc pobierana z sieci elektrycznej przez silnik napędowy

Ps, W; kW - moc znamionowa silnika elektrycznego

Q, m³/s; m³/h - wydajność pompy

Qs, m³/s; m³/h - wydajność układu/obiektu/instalacji pompowej

t, s; h - czas; chwila czasowa

T, h - dłuższy okres pracy pompy lub instalacji pompowej

z, m - poziom ścieków w zbiorniku (liczony od dna zbiornika)

ẏ, s-1 - szybkość ścinania dla cieczy nienewtonowskiej

ζ - współczynnik oporu miejscowego elementu rurociągu

ηc - sprawność (chwilowa efektywność energetyczna) instalacji pompowej

η - sprawność pompy

ηs - sprawność silnika elektrycznego (lub innego silnika napędowego)

ηur, ηp.cz. - sprawność urządzenia regulacyjnego, np. przetwornicy częstotliwości

ηz - sprawność zespołu pompowego

λ – współczynnik strat tarcia (strat ciśnienia) na długości rurociągu

µ, Pa ⋅ s – lepkość dynamiczna cieczy przetłaczanej

µa, Pa ⋅ s – lepkość pozorna cieczy nienewtonowskiej

ν, m²/s − lepkość kinematyczna cieczy przetłaczanej

ρ, kg/m³ – gęstość cieczy przetłaczanej

τ, Pa – naprężenie styczne (tnące) w cieczy

τ₀, Pa – granica płynięcia cieczy nienewtonowskiej

ω, rad/s − prędkość kątowa zespołu wirującego pompy i/lub silnika

Ważniejsze wskaźniki (indeksy) dolne

a - dotyczy okresu 1 roku (np. Ea, kWh/a; Ta, h/a; Qs,a, m³/a)

min − minimalny (najmniejszy)

max - maksymalny (największy)

n − nominalny

opt - dotyczy optymalnego punktu pracy pompy

s - dotyczy obszaru lub rurociągu ssawnego; dotyczy układu/instalacji

śr - średni, uśredniony

t − dotyczy obszaru lub rurociągu tłocznego; dotyczy chwili t

znam - dotyczy znamionowego punktu pracy pompy

Ważniejsze skróty i oznaczenia skrótowe

DTR - dokumentacja techniczno-ruchowa

e.e. - energia elektryczna

LCC - koszt cyklu życia (life cycle cost)

LCC′ - uproszczony koszt cyklu życia

OZE - odnawialne źródło energii

p - charakterystyka H(Q) pompy

r - charakterystyka Huk(Qs) układu pompowego

s.m., % - zawartość suchej masy w jednostce masy osadu ściekowego

SPB - prosty okres zwrotu kosztów modernizacji

UE - Unia Europejska

zr - zawór regulacyjny

zz - zawór zwrotnyWPROWADZENIE

W ostatnim trzydziestoleciu nastąpił znaczny rozwój procesów transportu i oczyszczania ścieków. Wiele małych miejscowości podłączono do sieci kanalizacyjnych. Zbudowano wiele lokalnych przepompowni i oczyszczalni ścieków, a średnie i duże obiekty znacznie zmodernizowano. Proces ten postępuje nadal.

Do transportu i oczyszczania ścieków potrzeba coraz więcej energii. Ocenia się, że pompowanie cieczy w poszczególnych ciągach technologicznych oczyszczalni ścieków pochłania co najmniej 20% całej pobieranej przez nie energii elektrycznej. Znaczne jej ilości wykorzystują zespoły pompowe w przepompowniach ścieków, których liczba w kraju jest już bardzo duża i nadal rośnie. Zużycie energii może być jeszcze większe, jeśli zostaną wybrane nieodpowiednie pompy, a ich eksploatacja będzie nieracjonalna.

Ważną cechą instalacji pompowych jest ich niezawodność. Niewłaściwe rozwiązanie projektowe, w tym zwłaszcza dobór zespołów pompowych o zbyt niskiej jakości i/lub nieodpowiednich dla konkretnej przepompowni ścieków albo instalacji pompowej w oczyszczalni ścieków może skutkować, oprócz nadmiernego zużycia energii, także poważnymi awariami. Dobrym przykładem jest awaria dużej przepompowni ścieków, którą zapoczątkowało zawieszenie się sterowników i wyłączenie pomp przy trwającym dopływie ścieków; skutek: zalanie silników niehermetycznych zespołów pompowych, a końcowy wynik to zrzucenie znacznej ilości surowych ścieków komunalnych do pobliskiej rzeki.

Powyższe oceny dotyczą bezpośredniego zużycia energii elektrycznej i nie uwzględniają dodatkowego zużycia tak zwanej energii wbudowanej, związanego z usuwaniem skutków niesprawności i awarii (naprawy, części zamienne), oraz energii zużytej na usunięcie pośrednich skutków awarii, na przykład na rekultywację i czyszczenie zalanych terenów.

Znaczne koszty powoduje częsta wymiana drogich, a ulegających szybkim uszkodzeniom elementów pomp, których typy niezbyt racjonalnie dobrano do pompowania osadów ściekowych poszczególnych rodzajów. W nowych elementach zawarta jest także energia wbudowana, czyli energia na ich wytworzenie.

Niewłaściwe sterowanie pracą instalacji pompowej i pomp, na przykład źle ustawione poziomy włączania/wyłączania pomp, może w krótkim czasie doprowadzić do kawitacyjnego uszkodzenia ich wirników. Miało to miejsce w dwóch innych dużych przepompowniach ścieków, powodując konieczność szybkiej wymiany wirników. Nieoptymalna regulacja, będąca skutkiem zastosowania nieregulowanych układów napędowych pomp – to częsta przyczyna znacznych strat energii, spowodowanych pracą pomp z nadmiernie obniżonymi sprawnościami.

Nieodpowiednie rurociągi ssawne mogą doprowadzić do pracy w obszarze kawitacji, natomiast nieodpowiednio zaprojektowane rurociągi tłoczne, w połączeniu z niewłaściwymi napędami i zabezpieczeniami, mogą być przyczyną znacznych strat finansowych spowodowanych uszkodzeniami zaworów zwrotnych i/lub rurociągów albo pomp, wskutek wystąpienia uderzenia hydraulicznego.

Nieracjonalna i/lub niewłaściwa eksploatacja może, oprócz sprzyjania awariom, skutkować także uciążliwościami w codziennym użytkowaniu, na przykład koniecznością bardzo częstego (codziennie lub nawet co kilka godzin) czyszczenia zatkanych wirników pomp lub usuwania innych niesprawności.

Wymienione wyżej powody uzasadniają konieczność opracowania szczegółowych zaleceń projektowych dla układów pompowych. Różne poradniki producentów pomp są opracowane głównie pod kątem uzasadnienia wyboru właśnie ich wyrobów, a niektóre uniwersalne wytyczne i ważne wskazówki są zawarte w bardzo rozproszonej literaturze.

W książce omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące projektów nowych i modernizacji istniejących instalacji. Dotyczą one zwłaszcza doboru pomp w różnych przepompowniach ścieków, pomp znajdujących się na terenie oczyszczalni ścieków, m.in. pomp do osadów, oraz sterowania pracą i optymalnej regulacji wydajności niektórych większych instalacji pompowych. Uwzględniono także inne szczegóły rozwiązań projektowych, bezpośrednio lub pośrednio wpływających na bezawaryjną i efektywną energetycznie pracę pomp. Przedstawiono wnioski z wielu zaistniałych awarii pomp i instalacji pompowych oraz spowodowanych nimi uszkodzeń i niesprawności pomp i całych instalacji. Uwzględniono też doświadczenia z zaobserwowanych problemów eksploatacyjnych w wielu obiektach pompowych, o wydajnościach rzędu 5 000 m³/dobę do 100 000 m³/dobę i większych.

Podane w książce zalecenia obejmują w szczególności:

• dobór pomp (typ, wielkość i liczba pomp; wersja konstrukcyjno-materiałowa),

• wybór sposobu regulacji wydajności oraz jej realizacji,

• zabezpieczenie przed awariami, zarówno w ramach projektowania, jak też eksploatacji przepompowni i oczyszczalni ścieków,

• sterowanie włączaniem/wyłączaniem pomp, w zależności od zmian poziomu ścieków w zbiorniku i/lub ilości dopływających ścieków,

• możliwość prowadzenia optymalnej, komputerowej regulacji wydajności pomp,

• parametry geometryczne zbiorników w pobliżu wlotów do pomp oraz zasady kształtowania rurociągów doprowadzających i odprowadzających ścieki z pomp.

W książce oprócz przedstawienia wymienionych powyżej tematów podano sposoby racjonalnych rozwiązań. Zamieszczono 16 przykładów dotyczących różnych pomp zainstalowanych w istniejących obiektach, opisując szczegółowo zaistniałe kłopoty eksploatacyjne i zastosowane sposoby ich wyeliminowania.

Zasadniczy materiał książki poprzedzono najważniejszymi informacjami dotyczącymi pomp, zwłaszcza wirowych, oraz układów pompowych dla tych czytelników, którzy nie zetknęli się dotychczas z pompami. Szczególną uwagę poświęcono kawitacji oraz zagadnieniom optymalnego doboru pomp. Stanowi to część I książki. W części II omówiono instalacje pompowe w przepompowniach ścieków, z uwzględnieniem zwłaszcza sterowania wydajnością przepompowni. W części III opisano podstawowe pompy i ich instalacje w oczyszczalniach ścieków. W części IV zamieszczono zalecenia projektowe i eksploatacyjne oraz różne informacje uzupełniające.

Zalecenia i wskazówki podane w książce nie obejmują:

• wyboru systemu kanalizacji (grawitacyjna, ciśnieniowa, podciśnieniowa) i określenia minimalnego oraz maksymalnego strumienia ścieków dopływających do zbiornika przepompowni lub do oczyszczalni (zadanie inwestora i/lub użytkownika obiektu),

• wyboru pompowni – zwykła czy z separacją części stałych (tłocznia ścieków),

• instalacji elektrycznej oraz rozwiązań układu automatyki i monitoringu,

• projektu budowlanego zbiornika przepompowni (pojemność, kształt, rozwiązanie budowlane), poza fragmentami sąsiadującymi bezpośrednio z zespołami pompowymi.

Zagadnienia omówione w książce nie dotyczą projektowania najmniejszych, kompaktowych przepompowni ścieków oraz tłoczni ścieków, dostarczanych w całości przez producentów pomp. Informacje na ich temat można znaleźć w materiałach katalogowych poszczególnych wytwórców krajowych (m.in. Hydro-Vacuum, Inwap, KFP Białogon, Metalchem) oraz zagranicznych (m.in. Corol/Strate, Flygt, Grundfos, Jung, Kessel, KSB, Wilo). W rozdziale 21 pokazano, w celu uzyskania kompletności, typowe rozwiązania tych obiektów pompowych.

Książka nie jest podręcznikiem projektowania omawianych przepompowni i instalacji pompowych, lecz pewnego rodzaju poradnikiem, dostarczającym informacji potrzebnych do dobrego zaprojektowania tych obiektów, jak również ich racjonalnego użytkowania.Waldemar Jędral

PUMP INSTALLATIONS IN
SEWAGE PUMPING STATIONS
AND WASTEWATER TREATMENT PLANTS

Design and operational recommendations and guidelines

Summary

The processes of transport and treatment of wastewater have developed significantly in the last five decades. Many small villages are connected to sewage systems. Many local pumping stations and wastewater treatment plants were built, and medium and large facilities were significantly modernized. This process is still in progress.

More and more energy is needed to transport and treat wastewater. It is estimated that pumping of liquids in individual technological lines of wastewater treatment plants consumes at least 20% of all electricity consumed by them. Considerable amounts are used by pumping units in sewage pumping stations, the number of which is already very large in the country and continues to grow. Energy consumption can be even higher if the inadequate pumps are selected and their operation becomes irrational.

Reliability is an important feature of pumping installations. Inappropriate design solutions, including in particular the selection of too low-quality pumping units and/or unsuitable for a specific sewage pumping station or pumping installation in a wastewater treatment plant, may result in, apart from excessive energy consumption, also serious failures. A good example is the failure of a large sewage pumping station, which was initiated by the suspension of the controllers and the shutdown of the pumps with the ongoing sewage inflow; result: flooding the motors of non-hermetic pump units, and the end result is the discharge of a significant amount of raw municipal sewage into a nearby river.

The above assessments refer to direct electricity consumption and do not take into account the additional consumption of the so-called embodied energy, related to the removal of the effects of malfunctions and failures (repairs, spare parts), and the energy used to remove the indirect effects of an accident, e.g. for rehabilitation and cleaning of flooded areas.

Considerable costs are caused by frequent replacement of expensive and quickly damaged parts of pumps, the types of which were not very rationally selected for pumping particular types of sewage sludge. The new parts also contain the embodied energy for their production.

Incorrect control of the operation of the pumping system and pumps, for example incorrectly switch on/off levels of pumps, may quickly lead to cavitation damage to their impellers. This happened at two other large sewage pumping stations, necessitating a quick replacement of the rotors. Suboptimal regulation, resulting from the use of unregulated pump drive systems – is a frequent cause of significant energy losses caused by operation of pumps with excessively lowered efficiencies.

Inadequate suction pipelines can lead to work in the cavitation area, while inadequately designed discharge pipelines, combined with inadequate drives and safeguards, can cause significant financial losses due to damage to check valves and/or piping or pumps due to water hammer.

Irrational and/or improper operation may, in addition to favouring failures, also result in inconvenience in everyday use, e.g. the necessity to very often (daily or even every few hours) cleaning clogged pump impellers or removing other malfunctions.

The above-mentioned reasons justify the need to develop detailed design recommendations for pumping systems. Various pump manufacturers’ guides are mainly written to justify the choice of their products, and some universal guidelines and important tips are contained in very scattered literature.

The book covers basic issues related to the design of new and modernization of existing installations. They relate in particular to the selection of pumps in various sewage pumping stations, pumps located in the wastewater treatment plant, e.g. sludge pumps, and the operation and optimal regulation of the discharge of some larger pumping systems. Other details of the design solutions, directly or indirectly affecting the failure-free and energy-efficient operation of the pumps, are also taken into account. Conclusions are presented from the many failures of pumps and pumping installations as well as the resulting damage and inefficiencies of pumps and entire installations. The experience from the observed operational problems in many pumping facilities with capacities ranging from 5,000 m³/day to 100,000 m³/day and more was also taken into account.

The recommendations given in the book include in particular:

• pump selection (type, size and number of pumps; design and material version),

• selection of the method of discharge regulation and its implementation,

• protection against failures, both in the design and exploitation of pumping stations and wastewater treatment plants,

• control of pumps switch on/off, depending on changes in the level of sewage in the reservoir and/or the amount of inflowing sewage,

• possibility of conducting optimal, computer-based pump discharge regulation,

• geometrical parameters of reservoirs in the vicinity of pump inlets and the principles of shaping the pipelines supplying and discharging sewage from pumps.

The book deals with the above-mentioned topics, giving ways of rational solutions. There are 16 examples of various pumps installed in existing facilities, presenting in detail the operational problems that occurred and the methods used to eliminate them.

The main material of the book was preceded by the most important information about pumps, especially centrifugal pumps, and pumping systems for those readers who have not had any experience with pumps. Particular attention was paid to cavitation and issues of optimal pump selection. They constitute the first part of the book. The pumping installations in sewage pumping stations are discussed in the second part, taking into account, in particular, the control of the pumping station’s rate of flow. Part III covers basic pumps and their installations in wastewater treatment plants. Part IV provides design and operational recommendations and various supplementary information.

The recommendations and tips given in the book do not include:

• selection of the sewage system (gravity, pressure, vacuum) and determining the minimum and maximum stream of sewage flowing to the pumping station reservoir or to the treatment plant (task of the investor and/or the user of the facility),

• choice of pumping stations – regular or with solids separation (sewage pumping unit),

• electrical installation and automation and monitoring solutions,

• the construction design of the pumping station reservoir (capacity, shape, construction solution), except for the fragments directly adjacent to the pumping units.

The issues discussed in the book do not concern the design of the smallest, compact sewage pumping stations and sewage pumping units, supplied entirely by pump manufacturers. Information on them can be found in the catalog materials of individual domestic manufacturers (including Hydro-Vacuum, Inwap, KFP Białogon, Metalchem) and foreign manufacturers (including Corol/Strate, Flygt, Grundfos, Jung, Kessel, KSB, Wilo). Chapter 21 shows typical solutions for these pumping facilities for the sake of completeness.

The book is not a manual for the design of the pumping stations and pumping installations in question, but a kind of guide, providing information necessary for the good design of these facilities and their rational use.1
Podstawowe wiadomości o pompach i układach pompowych

1.1. Przenośniki cieczy

Pompy należą do ogólniejszej kategorii urządzeń, nazywanych przenośnikami cieczy. Przenośnik cieczy jest to maszyna lub urządzenie robocze służące do transportu cieczy lub mieszanin cieczy z ciałami stałymi i gazami kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz.

Najstarszymi przenośnikami cieczy są czerpadła, znane już od ponad 4000 lat. Czerpadło pobiera ciecz z dolnego zbiornika i podnosi ją na pewną wysokość, na przykład czerpadło kubełkowe. Zwiększa jej energię potencjalną położenia, nie zmieniając ciśnienia i energii kinetycznej. Do dziś stosowane są czerpadła śrubowe (rys. 8.3), zwłaszcza w oczyszczalniach ścieków, oraz strumienice.

Najważniejszym rodzajem przenośników cieczy, powszechnie stosowanych we wszystkich obszarach działalności człowieka, są pompy. Pompa jest to maszyna robocza wymuszająca przepływ cieczy w układzie i zwiększająca jej ciśnienie, potrzebne do pokonania oporów przepływu i różnicy ciśnień pg - pd w zbiornikach (rys. 1.1).

1.2. Układ pompowy i instalacja pompowa

Pompa pracuje zawsze w zadanym, konkretnym układzie pompowym. Układ pompowy jest to myślowo wydzielony zbiór elementów i urządzeń hydraulicznych, niezbędnych do przeniesienia cieczy z obszaru dolnego (dopływowego) do górnego (odpływowego). Schemat prostego układu pompowego pokazano na rysunku 1.1.

Instalacja pompowa (techniczna realizacja układu pompowego) jest to zbiór wszystkich materialnych elementów i urządzeń niezbędnych do zamierzonej, poprawnej pracy układu pompowego (zespoły pompowe, zbiór rurociągów wraz z mocowa- niami, fundamenty, instalacja elektryczna, opomiarowanie, układy regulacji i sterowania itp.). Instalacja pompowa może być fragmentem większego obiektu, na przykład elektrowni, zakładu przemysłowego lub wodno-ściekowego. Może także stanowić podstawową instalację pompowni wodociągowej, ciepłowniczej lub kanalizacyjnej, nazywanej ogólnie obiektem pompowym.

Rysunek 1.1. Prosty układ pompowy, którego podstawowe elementy stanowią: zbiornik dolny, rurociąg ssawny, pompa, rurociąg tłoczny, zbiornik górny

Zespół (agregat) pompowy składa się z pompy i silnika napędowego, stanowiących całość (monoblok) lub połączonych sprzęgłem. W skład zespołu mogą też wchodzić: przekładnia, urządzenie regulacyjne i inne elementy osprzętu. Często w układzie jest kilka zespołów umieszczonych blisko siebie; stanowią one grupę zespołów pompowych.

Uwaga: Zwykle, mówiąc „pompa”, ma się na myśli właśnie zespół pompowy.

Podstawowym parametrem pompy, jak również układu pompowego, jest wydajność Q, m³/h (m³/s, l/min), tj. ilość cieczy przenoszona przez pompę w jednostce czasu ze zbiornika lub obszaru dolnego do zbiornika/obszaru górnego.

Pompa wytwarza ciśnienie potrzebne do pokonania różnicy wysokości Hz, tj. geometrycznej wysokości podnoszenia (rys. 1.1), różnicy ciśnień pg - pd i oporów ∆h przepływu w rurociągu; wyrażając je w metrach (m), otrzymamy wysokość podnoszenia układu

, m

gdzie: ρ − gęstość cieczy, kg/m³; g = 9,81 m/s² – przyspieszenie ziemskie; Hz = = Hzs + ∆z + Hzt – geometryczna wysokość podnoszenia, m.

Wysokość podnoszenia układu Huk musi się równać wysokości podnoszenia pompy

, m

gdzie: pt i ps – ciśnienia; ct, cs – prędkość cieczy na wylocie i wlocie pompy, ∆z – różnica położeń przetworników ciśnień lub manometrów na ssaniu i tłoczeniu (rys. 1.1).

Bardzo ważne dla poprawnego działania instalacji pompowej są średnie prędkości przepływu cieczy w rurociągach. Wartości zalecane dla rurociągów ssawnych i tłocznych w przepompowniach i oczyszczalniach ścieków podano w podrozdziałach 10.1, 10.2, 10.4, 10.6, 17.5.