FALOWNIKI dla sterowania pomp do ścieków

Kiedy pomagają zaoszczędzić energię i pieniądze?


Zazwyczaj przemiennik częstotliwości, inaczej – falownik, stosuje się w układach pompowych w celu zapewnienia lepszej kontroli procesu i oszczędności energii. Dzisiejsze falowniki posiadają zwartą budowę i nowoczesne rozwiązanie, są łatwe do zainstalowania i tańsze, niż poprzednie. Jednak nie dla każdego układu pompowego falowniki są rozwiązaniem optymalnym i najbardziej ekonomicznym. Potrzebna jest m.in. analiza sieci. Energia potrzebna do przepompowania metra sześciennego wody z punktu A do punktu B zależna jest od sprawności pompy oraz od całkowitej wysokości podnoszenia, przy której pracuje pompa. Całkowita wysokość podnoszenia jest sumą różnicy poziomów między ciśnienia w przewodach. Straty w systemie rurociągów składają się z oporów tarcia i oporów miejscowych, jak zaworów, kolan, dyfuzorów itp. Te straty zależą od wielkości przepływu i prędkości w systemie rurociągów. Falownik stosowany do sterowania obrotami a więc i wydajnością pompy, zmniejsza straty w systemie i w wielu przypadkach zmniejsza też całkowite zużycie energii.


Sterowanie falownikiem może być praktycznym rozwiązaniem tam, gdzie proces technologiczny wymaga nieprzerwanego, zmiennego przepływu. W innych systemach falownik nie musi być najlepszym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem.



System sterowania falownikiem może być praktycznym rozwiązaniem tam, gdzie proces technologiczny wymaga nieprzerwanego i zmiennego przepływu, np. w zakładach celulozowo-papierniczych. Regulację przepływu można tam uzyskać również przez dławienie, ale w większości przypadków falownik daje znaczące oszczędności energii.

W pompowniach ścieków, gdzie wydajność pomp ma być dostosowana do wielkości dopływu, sterowanie falownikiem – w porównaniu do sterowania skokowego „załącz-wyłącz” pozwala na utrzymywanie strat przepływu na poziomie minimum.

Regulacja wydajności pompowni przez sterowanie „załącz-wyłącz”

powoduje pracę pomp przy pełnej wydajności, a zatem utrzymuje straty przepływu na wysokim poziomie. Kiedy dopływ do pompowni przy tym systemie regulacji jest mniejszy od wydajności pompy, studnia pompowni zostaje opróżniona bardzo szybko. Pompy będą stały i zostaną ponownie uruchomione kiedy pompownia napełni się do odpowiedniego poziomu.

Jednak w niektórych przypadkach falownik nie jest najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem. Kiedy prędkość obrotowa pomp zostaje zredukowana przez falownik, zmieni się ich sprawność hydrauliczna, chyba, że straty ciśnienia w systemie są wyłącznie stratami tarcia.

Dla ustalenia celowości zastosowania falownika należy przeprowadzić analizę strat hydraulicznych systemu.

Jeżeli w systemie przeważają opory tarcia w stosunku do ciśnienia hydrostatycznego, można oczekiwać znaczących korzyści przy zastosowaniu falownika. Jeżeli udział oporów tarcia jest bardzo niski w stosunku do statycznej wysokości podnoszenia, to korzyści z falownika będą raczej nieznaczne.

Trzeba też pamiętać, że sam falownik nie jest urządzeniem o idealnych parametrach. Ma swoje straty wewnętrzne, a ponadto indukuje dodatkowe straty silnika.

„Jeśli system ma niski udział strat tarcia w stosunku do ciśnienia statycznego, jak to ma miejsce np. w pompowniach melioracyjnych, prawdopodobnie nie uzyska się wiele przez zastosowanie falownika a można nawet stracić na sprawności”.

Na przykładzie pompy odśrodkowej z silnikiem dla nominalnej częstotliwości 50 Hz.

Pompa pracująca na pokonanie tylko oporów tarcia ma w punkcie pracy o najwyższej sprawności 74% wydajność 93 l/s, podnoszenie 9,3 m i moc 11,5 kW. Przy częstotliwości zredukowanej do 35 Hz, wydajność maleje do 65 l/s, wysokość podnoszenia - do 4,6 m a moc spada do 3,9 kW, lecz sprawność pozostaje ta sama.

W systemie, gdzie udział oporów hydrostatycznych wynosi 6 m, ta sama pompa wykaże inne parametry przy zmianie częstotliwości.

Przyjmując ten sam punkt pracy, jak dla częstotliwości nominalnej, to przy redukcji częstotliwości do 35 Hz wydajność spadnie do 28 l/s, ciśnienie tłoczenia - do 6,3 m, a moc na wale - do 3,4 kW, za to sprawność hydrauliczna spadnie do 50 %!

Energia potrzebna do przepompowania metra sześciennego wody wynosi 0,034 kWh/m3 i jest ta sama przy 50 Hz co przy 35 Hz. Jednak pozytywne efekty redukcji obrotów pompy, a więc redukcji strat tarcia w systemie, zostają zniwelowane przez znaczny spadek sprawności hydraulicznej. Zmniejszanie częstotliwości poniżej 35 Hz wykaże nawet straty energetyczne w porównaniu do pracy przy 50 Hz.

Podczas napływu do studni pompowni zmienia się robocza wysokość podnoszenia i sprawność pomp oraz pobór energii, dlatego dla obliczenia całkowitej ilości energii pobieranej przez pompownię i określenia ekonomicznej celowości stosowania falownika niezbędne będzie posiadanie rocznego wykresu czasów trwania dopływów do pompowni.



Co trzeba uwzględniać?

Problemy, które trzeba uwzględniać, oceniając ewentualne korzyści i oszczędności energetyczne przy stosowaniu falowników niezależnie od typu pompy
i falownika mogą być następujące:

Zatykanie się.
Pompy, sterowane przez falownik, pracują często przy zmniejszonych obrotach, co oznacza także, że zmniejszona jest energia potrzebna do uwolnienia wirnika od zawiesin. Przy zmniejszeniu obrotów nominalnych o połowę, energia wirnika zmniejsza się o 75%.


Sedymentacja w rurociągach.
Można jej zapobiec, utrzymując prędkość przepływu powyżej 0,7 m/s, także przy redukcji obrotów pompy.


Wyłączanie się pomp na skutek zakłóceń.
Emisja wysokiej częstotliwości przez falownik może powodować zakłócenia pracy czujników i systemu kontrolnego pompy. Można temu zapobiec przez stosowanie ekranowanych kabli oraz odpowiednich filtrów.