Ujęcia wody można podzielić na powierzchniowe i podziemne. Podziemne mogą być eksploatowane w oparciu o pompy samozasysające, układy lewarowe lub podwodne zespoły pompowe, w skrócie nazywane pompami głębinowymi. Te ostatnie są przedmiotem niniejszego artykułu. Omówienie bazuje na rozwiązaniach oferowanych przez firmę Hydro-Vacuum.

Ważnym parametrem technicznym każdej pompy jest jej sprawność, czyli efektywność energetyczna. Wynika to wprost z rosnących cen energii elektrycznej oraz tego, że odbiorcy coraz częściej zwracają szczególną uwagę na energooszczędności płynące z zastosowania wysokowydajnych urządzeń.

Rys. 1. Pompy głębinowe firmy Hydro-Vacuum

Drugą istotną cechą jest niezawodność, bezpośrednio wpływająca na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. Koszty te, na które składają się wydatki ponoszone w przypadku awarii pompy (naprawa samej pompy, zakup części zamiennych) jak również niebagatelny koszt jej wybudowania i zabudowania w studni głębinowej, są bardzo ważnym aspektem użytkowaniem urządzenia. Z tego powodu niezawodne funkcjonowanie pompy nabiera tak dużego znaczenia. Szczególnie jednak wymagania w zakresie trwałości i poprawnego działania pompy w całym okresie eksploatacji są często lekceważone i pomijane.

Rys. 2. Zamontowane poziomo pompy głębinowe Hydro-Vacuum w płaszczach

Rys. 3. Wielostopniowa pompa głębinowa na stacji prób Hydro-Vacuum

Wprowadzenie

Poniższy artykuł nie ma w zamierzeniu charakteru całościowego szkolenia w zakresie doboru pomp głębinowych. Temat ten został wielokrotnie zreferowany. Doświadczenie autora wynikające z wieloletniej pracy w Dziale Doradztwa Technicznego firmy Hudro-Vacuum i kontaktu z wieloma przypadkami doboru pomp umożliwia jednak zasygnalizowanie pewnych zagadnień, których nieuwzględnienie potrafi zniweczyć spodziewane, pozytywne efekty realizowanego projektu oraz zmarnować wysiłek na rzecz uzyskania racjonalnego, energooszczędnego efektu. Problemy poruszone w artykule wyniknęły w trakcie analizy zapytań ofertowych i projektów związanych z licznymi w ostatnim czasie inwestycjami w obszarze infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej. Zagadnienia te mają na celu zwrócenie uwagi na kilka szczegółów, które mogą umknąć w trakcie przygotowywania całego projektu. Ponieważ podstawy są powszechnie znane, dlatego główne pojęcia, takie jak punkt pracy, charakterystyka pompy, charakterystyka rurociągu, depresja itp. przedstawione zostały bardzo skrótowo, bez posługiwania się specjalistycznym aparatem naukowo-technicznym.

Rys. 4. Punkt pracy pompy:
Q – wydajność pompy lub wartość przepływu w zasilanym rurociągu,
H – wysokość podnoszenia pompy lub suma strat zasilanego rurociągu,
P – charakterystyka pompy,
R – charakterystyka rurociągu

Dobór pompy głębinowej

Zasadę właściwego dobru pompy głębinowej można przedstawić posługując się następującą, krótką definicją: dobór pompy głębinowej to takie odnalezienie punktu pracy lub punktów pracy na charakterystyce przepływowej pompy, aby znalazły się one jak najbliżej punktu optymalnego, z jednoczesnym uwzględnieniem konstrukcyjnych warunków zabudowy i hydrogeologicznych właściwości studni, w której dany agregat pompowy będzie instalowany. Poniżej przedstawiono pokrótce wymienione w definicji pojęcia.

Rys. 5. Punkt optymalny

Punkt pracy pompy
Najprościej ujmując, jest to taki punkt, w którym charakterystyka zasilanego rurociągu przecina się z charakterystyką dobieranej pompy. Obrazuje to rysunek 4. Zastosowane na rysunku oznaczenia będą się konsekwentnie powtarzać także na następnych wykresach. Charakterystyka pompy (określana czasem jako krzywa dławienia) to rodzaj funkcji malejącej, uzależniającej wysokość podnoszenia (DH) od wydajności pompy (Q), gdzie zazwyczaj wysokość podnoszenia wyrażana jest w metrach słupa cieczy a wydajność w jednostce objętości przepompowywanej cieczy na jednostkę czasu, np.: [dm³/s], [m³/h].
Charakterystyka rurociągu to zależność strat hydraulicznych, wyrażonych w metrach słupa wody, od aktualnie przepływającej ilości cieczy wyrażonej jako wydajność w jednostce objętości przepompowywanej cieczy na jednostkę czasu, np.: [dm³/s], [m³/h], podobnie jak w przypadku pomp.

Rys. 6. Pompy głębinowe typu GAB – 4-calowe, produkcji Hydro-Vacuum

Punkt optymalny
Jest to taki punkt na chara kterystyce przepływowej pompy H = f (Q), w którym pompa uzyskuje najwyższą sprawność energetyczną (KhD) – rys. 5. W większości przypadków rozdziela on charakterystykę H = f (Q) na dwie części: odcinek płaski charakterystyki i odcinek stromy charakterystyki. Taki kształt charakterystyki wynika z faktu, że pompy głębinowe są pompami wielostopniowymi. Praktycznie zawsze należy dobierać pompę (poszukiwać punktu pracy) na odcinku stromym charakterystyki. Powodem takiego postępowania przy doborze pompy jest fakt, że przy takich samych zmianach wydajności DQ następują inne przyrosty wysokości podnoszenia na płaskim i stromym odcinku charakterystyki. W konsekwencji, nieuwzględnienie jakiegoś oporu miejscowego lub ich wzrost w trakcie eksploatacji pompy spowoduje w jednym przypadku (dla charakterystyki stromej) tylko nieznaczny spadek wydajności, zaś w drugim może doprowadzić do całkowitego „zadławienia” pompy i przerwania procesu pompowania. Po ustaleniu przedziału parametrów, poszukując właściwego typu pompy należy wybrać w taki sposób charakterystykę, aby najczęściej występujące punkty pracy pompy były zgrupowane po prawej stronie tzw. punktu optymalnego. Pozwala to na eksploatację pompy w przedziale jej najwyższych sprawności (niski współczynnik energochłonności wyrażony w kWh/m3), a jednocześnie wszelkie ewentualne błędy obliczeniowe mają najmniejszy wpływ na rzeczywiste położenie punktu pracy. Zazwyczaj odcinek charakterystyki przepływowej pompy, znajdujący się na prawo od punktu optymalnego, ma przebieg relatywnie stromy w stosunku do przebiegu całej charakterystyki (rys. 5). Efekt samoregulacji niweluje popełnione błędy obliczeniowe lub pojawienie się nieznacznych, dodatkowych i nieprzewidzianych składowych wysokości podnoszenia.

Rys. 7. Zależność depresji od wydajności. Qdop – wydajność dopuszczalna

Rys. 8. Badania nad nowymi konstrukcjami pomp firmy Hydro-Vacuum – komputerowy
model przepływów

Wydajność pompy
Wydajność pompy to kompromis pomiędzy zapotrzebowaniem zasilanego obiektu i wydajnością eksploatacyjną studni. Wydajność eksploatacyjna jest parametrem konstrukcyjnym określanym na etapie projektowania i budowy studni głębinowej a weryfikowanym w trakcie jej eksploatacji. Wydajność eksploatacyjna to taka wydajność, przy której pobór wody nie pociąga za sobą prawdopodobieństwa uszkodzenia studni. Drugi parametr to wydajność dopuszczalna, której pod żadnym pozorem nie wolno przekraczać, gdyż uszkodzeniu może ulec filtr studni, a w konsekwencji studnia może nie nadawać się do dalszej eksploatacji. Określając wydajność pompy należy zachować szczególną ostrożność. Paszport studni nie powinien sprowadzać się wyłącznie do standardowego formularza, ale powinien zawierać również, okresowo sprawdzaną i korygowaną, charakterystykę zależności pomiędzy depresją (s) i ilością ujmowanej z otworu studziennego wody (Q) (rys. 7). Jest to bardzo istotne, szczególnie w przypadku dużej dynamiki zmian wartości depresji s = f (Q). Krzywa jest funkcją wykładniczą asymptotycznie dążącą do osiągnięcia wydajności dopuszczalnej. Osiągnięcie jej jest jednoznacznie z uszkodzeniem studni (poderwanie złoża, uszkodzenie filtru itp.). Znajomość tej charakterystyki pozwala na dokładniejsze dobranie pomp, szczególnie w przypadku zmiennych warunków panujących na ujęciu głębinowym (mowa tu o kilku czy kilkunastu pompach głębinowych pracujących jednocześnie, grupowo lub indywidualnie), gdzie na skutek zmian „charakterystyki rurociągu” zmienia się położenie punktu pracy na charakterystyce przepływowej pompy H = f (Q).

Rys. 9. Nieuwzględnienie wszystkich oporów przepływu:
1 – charakterystyka pompy dobranej bez uwzględnienia wszystkich strat przepływu,
2 – charakterystyka poprawnie dobranej pompy,
Q2 – wydajność oczekiwana,
Q1 – wydajność uzyskana

Wysokość podnoszenia
Jest to parametr dużo bardziej złożony niż opisana wyżej wydajność. Wysokość podnoszenia pompy, to, krótko mówiąc, suma różnicy geometrycznej pomiędzy rzędną maksymalnego zwierciadła wody w napełnianym zbiorniku wody (surowej lub uzdatnionej, a w przypadku zbiornika hydroforowego uwzględnia się jeszcze odpowiednią wartość panującego w nim ciśnienia) a rzędną dynamicznego zwierciadła wody (przy określonej wydajności –› s = f (Q)) i wszystkich oporów przepływu występujących pomiędzy króćcem tłocznym pompy a zasilanym zbiornikiem (opory miejscowe i liniowe). Najprostszym przypadkiem jest sytuacja, gdy ze zbiornikiem współpracuje tylko jedna pompa, ale wszystko komplikuje się, gdy tych pomp jest kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt. Wówczas parametry te, składowe całkowitej wysokości podnoszenia, również ulegają zmianie w zależności od konfiguracji pracujących w danej chwili pomp. Niestety trzeba prześledzić możliwe przypadki współpracy, aby nie osiągnąć efektu dławienia współpracujących ze sobą pomp, czyli zmniejszenia oczekiwanej wydajności ujęcia. Podstawowy wniosek nasuwający się po pobieżnym przestawieniu czynników wpływających na położenie punktu pracy to konieczność wyznaczenia potencjalnego, możliwego przedziału parametrów, w których pompa może pracować oraz przewidzenia konsekwencji współpracy układu pomp.

Rys. 10. Dobieranie pomp „z zapasem”

Podstawowe błędy w doborze pomp i ich konsekwencje

Podstawowe błędy popełniane podczas doboru pomp głębinowych:
a – nieuwzględnianie wszystkich oporów przepływu (liniowych i miejscowych) w zasilanej instalacji lub traktowanie ich z przybliżeniem (rys. 9). W konsekwencji nie uzyskuje się oczekiwanej wydajności;
b – dobór pompy należy przeprowadzać po dokładnym przebadaniu studni głębinowej, na podstawie potwierdzonych, rzeczywistych parametrów. W odwrotnej kolejności dobór będzie z definicji nieprawidłowy i błędny;
c – błąd w postaci dobierania pomp nie w oparciu o parametry studni i zasilanej instalacji, ale jako zamiennika pompy dotychczas pracującej, po zasugerowaniu się parametrami znamionowymi pompy. Jest to dobór z natury błędny, gdyż nie uwzględnia stopnia zużycia pompy oraz warunków jej eksploatacji. Przykładowo pompa mogła być w czasie swojej eksploatacji wielokrotnie naprawiana i jej rzeczywista charakterystyka nie odzwierciedla znamionowej charakterystyki katalogowej lub fabrycznej;
d – dobieranie pomp „z zapasem”. Jest to konsekwencja braku zaufania do parametrów pompy deklarowanych przez producenta oraz braku pewności projektanta w określeniu parametrów eksploatacyjnych studni i parametrów obliczeniowych pompy. Zazwyczaj błędnie zakłada się nadmiar wysokości podnoszenia (nawet o 10 do 15%). Pompa po zainstalowaniu była natychmiast dławiona za pomocą zasuwy w głowicy i gdy traciła parametry w skutek eksploatacji, była równomiernie rozdławiana. Obecnie taki dobór nie jest uzasadniony. Taka metoda powoduje wybranie pompy o większej ilości stopni (rys. 10, charakterystyka 2), co pociąga za sobą zwiększenie mocy zainstalowanej. Aby nie przekroczyć oczekiwanej wydajności, należy zwiększyć straty na drodze dławienia o DH;
e – umiejscowienie punktu pracy na lewo od punktu optymalnego. Z reguły, poza uzasadnionymi przypadkami (np. naśnieżanie stoków narciarskich) jest to błąd, gdyż siła wzdłużna osiąga najwyższe wartości, co nie pozostaje obojętne dla trwałość łożyska wzdłużnego silnika. Na tym odcinku charakterystyka jest bardzo wrażliwa na zmianę wysokości podnoszenia (płaski odcinek charakterystyki). Relatywnie mały wzrost oporów przepływu powoduje duży spadek wydajności, do zadławienia pompy włącznie (por. rys. 5);
f – sugerowanie się przy doborze pompy nie podniesieniem sprawności procesu pompowania, a tylko zmniejszeniem mocy zainstalowanej. Często pompa o takiej samej mocy znamionowej silnika pobiera w rzeczywistości mniejszą moc niż pompa, którą ma ona zastąpić;
g – traktowanie przemiennika częstotliwości jako urządzenia korygującego (maskującego) dobór pomp i tłumaczenie tego jako sposób na uderzenia hydrauliczne. Często twierdzenie to nie jest poparte głębszą analizą zjawiska. Błąd taki powoduje nieuzasadniony wzrost kosztów inwestycyjnych. Każdorazowo należy dokładnie przeanalizować celowość stosowania przemienników częstotliwości. Nie mogą one w żadnym razie zastąpić korzyści płynących z pompowania dwustopniowego.

Rys. 11. Prototypownia firmy Hydro-Vacuum – badania nowych typów pomp głębinowych

Wnioski

Wnioski wypływające z powyższej analizy można sformułować następująco:
• przed doborem pompy należy dokładnie poznać studnię głębinową, w której pompa będzie zainstalowana,
• należy sprawdzić rzeczywiste wymagania zasilanego rurociągu, w szczególności pod kątem miejscowych i liniowych strat przepływu,
• wskazane jest, aby zmniejszać wszelkie zbędne opory przepływów,
• należy opomiarować studnie stosując legalizowane manometry i przepływomierze, co pozwoli w przyszłości na właściwy dobór pompy głębinowej oraz jej diagnostykę w czasie eksploatacji.
Pompa funkcjonuje w określonym środowisku opisanym przez warunki jej zabudowy i charakterystykę współpracującego z nią rurociągu. Im bardziej znana będzie ta charakterystyka, tym mniejsze prawdopodobieństwo popełnienia błędu i tym większy efekt energooszczędnej eksploatacji.

Jakub Franczak
Autor jest doradcą technicznym
oraz konstruktorem specjalistą
w firmie Hydro-Vacuum