Pompownie ścieków – oszczędzanie energii oraz zapobieganie awariom

Wyzwania energetyczne

Procesy zaopatrywania w wodę i jej uzdatniania oraz odprowadzania i oczyszczania ścieków zużywają ponad 7% energii elektrycznej w skali globalnej. W gospodarowaniu ściekami najwięcej energii pochłaniają procesy ich oczyszczania – ok. 80%. Jednak zwiększenia efektywności energetycznej i niezawodności działania poszukuje się na wszystkich etapach, także transportu ścieków z udziałem pompowni. Nie należy raczej oczekiwać szybkiego przełomu np. w konstrukcjach zbiorników, rozwoju upatruje się raczej w możliwości korzystania z dużych zasobów danych i ich analizy oraz wykorzystaniu w eksploatacji pomp tzw. sztucznej inteligencji.

W wielu krajach prowadzone są badania nad rozwiązaniami umożliwiającymi oszczędność energii zużywanej przez pompy w systemach kanalizacyjnych oraz doskonaleniem zrównoważonego zarządzania ściekami i zwiększaniem ich niezawodności, a także predykcją na potrzeby serwisu i zapobiegania ewentualnym awariom. Inwestycje w te badania i same rozwiązania nie są tak kosztowne jak działania dotyczące konstrukcji i materiałów – korzystamy z danych oraz ich analizy, wymaga to jednak czasami dużego nakładu czasu. Dużych szans, zwłaszcza w oczyszczalniach, upatruje się w usprawnianiu działania systemów korzystających z wielu pomp i ich rodzajów m.in. dzięki tworzeniu i optymalizacji modeli harmonogramów reagujących na różne zmiany i adaptujących się do nich. Celem jest minimalizacja zużycia energii przez układy pompowe oraz maksymalizacja natężenia przepływu ścieków, tak aby proces ich oczyszczania był optymalny pod względem energetycznym oraz jego jakości, m.in. zapobiegając powstawaniu niepożądanych osadów. Ograniczeniem jest tu np. brak odpowiednio dużych zbiorów danych oraz różnorodność systemów kanalizacyjnych. Sieci kanalizacyjne i oczyszczalnie to bardzo złożone „organizmy” łączące działania fizyczne oraz procesy biologiczne i chemiczne zmieniające się w cyklu godzinowym, dobowym i sezonowym, podlegające wpływom zmiennych warunków pogodowych, często także opadów atmosferycznych. Stale zwiększa się jednak wiedza nt. możliwości wykorzystania gromadzonych danych do wykrywania zjawisk i błędów w systemach kanalizacyjnych, co może wpływać na zużywaną przez nie energię, a także np. na niepożądane powstawanie osadów czy korozję przewodów i armatury.

Działania wykorzystujące duże zasoby danych (Big Data), sztuczną inteligencję (AI) i analitykę danych (DA) wymagają nakładów finansowych związanych z dużą liczbą czujników i systemów zbierania informacji i ich automatyką wykonawczą. Do problemu złożoności używanych urządzeń pomiarowych i wykonawczych (czujniki, siłowniki, regulatory, zawory itd.) dochodzą bardzo trudne i zmienne warunki, w jakich muszą one pracować – głównie wilgoć i wysoce korozyjna atmosfera. Dotyczy to każdego etapu gospodarowania ściekami – od pompowni przydomowych, poprzez pompownie sieciowe, po pompy w oczyszczalniach. Jednak takie działania pozwalają osiągnąć wysoki stopień bezpieczeństwa operacyjnego zakładów wod-kan w zakresie wykrywania awarii, diagnostyki, prognozowania serwisu i konserwacji.

W literaturze naukowej z zakresu nowych rozwiązań w pompowaniu ścieków i ich oczyszczaniu w kontekście energetycznym oraz zwiększania efektywności i niezawodności procesów wymieniane są różne strategie konserwacji: naprawcza, zapobiegawcza i predykcyjna. Konserwacja naprawcza identyfikuje i naprawia usterkę pompy po jej wystąpieniu, tak aby można było szybko przywrócić uszkodzone urządzenie do stanu funkcjonalnego. Nieoczekiwane awarie są powszechne, co może mieć poważne konsekwencje, jeśli dotyczą one krytycznych zasobów. Taka strategia pozwala na niskie początkowe koszty inwestycyjne i jest uważana za odpowiednią dla pomp o niezbyt istotnych funkcjach. Konserwacja zapobiegawcza wykorzystuje wstępnie zdefiniowany harmonogram ze stałymi odstępami czasu na wymianę zużytych części pomp, niezależnie od tego, czy należy je wymieniać, czy też nie. Chociaż postępowanie to może lepiej zapobiegać nieoczekiwanym awariom w porównaniu z konserwacją naprawczą, nie eliminuje nagłych awarii spowodowanych rzeczywistymi i zmiennymi warunkami pracy pompy. Jest ono droższe i budzi obawy dotyczące ponoszenia niepotrzebnych kosztów. Natomiast konserwacja predykcyjna jest rozwijana po to, by uniknąć ograniczeń konserwacji naprawczej i zapobiegawczej. Wykorzystuje analizę opartą na danych z pomiarów stanu pomp, np. z wibracji, hałasu, temperatury, i wykrywa anomalie w czasie niemal rzeczywistym. Pomimo wyższych kosztów inwestycyjnych w dużych i złożonych układach umożliwia większą oszczędność kosztów związanych z zapobieganiem i naprawami niż dwie pozostałe strategie.

Konserwacja predykcyjna to szerokie pojęcie obejmujące wiele działań i technik, w tym gromadzenie i integrację danych, ich przetwarzanie, analizę i modelowanie. W odniesieniu do pomp kierunek ten rozwija się najszybciej w energetyce i ciepłownictwie. W gospodarce wod-kan konserwacja predykcyjna jest jeszcze na początkowym etapie i polega na wykrywaniu nieprawidłowości w celu przewidywania usterek w bardzo złożonych środowiskach, jakimi są systemy kanalizacyjne, zwłaszcza na etapie końcowym, czyli oczyszczania ścieków. Jednak wraz ze zwiększaniem możliwości oferowanych przez internet rzeczy (IoT) gromadzone dane stają się coraz obszerniejsze, szybciej uzyskiwane, różnorodne i prawdziwe, co zachęca do rozwijania badań i technologii.

Trwają obecnie badania m.in. nad wykorzystaniem i integracją różnych modeli technologii konserwacji predykcyjnej pomp, takich jak cyfrowy bliźniak, modelowanie informacji o budynku oraz uczenie maszynowe. Każdy z tych modeli ma swoje auty i ograniczenia, związane m.in. z nakładem pracy i czasem realizacji. Opracowywane są też modele hybrydowe łączące różne podejścia (dane, prawa fizyczne) i wykorzystujące zalety każdej metody, aby można było przezwyciężyć słabości drugiej. Z każdego działania wypływa następujący wniosek – diagnostyka usterek pomp opiera się w dużym stopniu na jakości danych z monitorowania i ich poprawnej analizie. Skąpe i niepewne dane dają fałszywe wyniki z uwagi na złożoność procesów i wysoką dynamikę zmienności warunków pracy w systemach kanalizacyjnych oraz różnorodność i zaawansowanie techniczne urządzeń montowanych w długim przedziale czasu. Ponieważ największy udział kosztów w gospodarce ściekami przypada na procesy prowadzone w oczyszczalniach, prace i badania koncentrują się na razie głównie na nich.

Polska infrastruktura kanalizacyjna

Wydawać by się mogło, że w Polsce dysponujemy nową infrastrukturą kanalizacyjną, gdyż niedawno realizowaliśmy zakrojony na dużą skalę KPOŚK. Jednak codziennie eksploatowanie urządzeń wod-kan w szczególnie trudnych warunkach sprawia, że trzeba się zmagać z ich mniejszymi lub większymi usterkami i awariami lub spadkiem wydajności oraz efektywności, wynikającym często z postępującej urbanizacji terenów podmiejskich w wielu aglomeracjach. Czołowe firmy dostarczające technologie i urządzenia do gospodarki wod-kan oferują m.in. audyty stanu technicznego z rekomendacją odpowiednich rozwiązań. Działania takie obejmują ocenę bieżącego stanu technicznego instalacji oraz obiektów i urządzeń ze wskazaniem ich mocnych i słabych stron. Rekomendacje dotyczące modernizacji mają na celu zwiększenie bieżącej sprawności i efektywności, a także niezawodności funkcjonowania.

Coraz więcej zakładów wod-kan odchodzi od polityki reagowania kryzysowego na rzecz okresowych ocen i planowania modernizacji. A każde planowanie wymaga zainicjowania etapu zebrania dokładnych i sprawdzonych danych, które są poddawane eksperckim analizom. Złożoność współczesnej infrastruktury kanalizacyjnej wyklucza działania oparte na intuicji, założeniach i domysłach. Kompleksowa analiza identyfikuje słabe i mocne strony funkcjonowania obiektów i urządzeń oraz stawia diagnozę dotyczącą już występujących problemów i identyfikuje źródła potencjalnych. Wynikiem są raporty ze wskazaniami możliwości optymalizacji oraz usprawnienia pracy i bieżącego zarządzania infrastrukturą.

Rynek – zbiorniki, pompy i sterowanie

Na naszym rynku od kilku dekad działa wielu renomowanych producentów wyspecjalizowanych w produkcji pompowni do ścieków. Ich oferta obejmuje typoszeregi urządzeń, począwszy od pompowni przydomowych małych wydajności, po duże przepompownie na sieciach. Głównym wydatkiem przy transporcie ścieków są koszty energii na ich pompowanie oraz koszty obsługi. Zatem producenci pompowni ścieków dążą do tego, by były one jak najbardziej niezawodne. W cyklu życia systemu pompowego koszty eksploatacyjne są znacznie wyższe od kosztów inwestycyjnych, dlatego wybór urządzenia powinien uwzględniać jego niezawodność oraz wsparcie podczas eksploatacji.

Można wyodrębnić trzy główne grupy przepompowni – w zależności od funkcji, jaką mają pełnić. Pierwsza to pompownie do montażu wewnątrz budynków, których zadaniem jest podnoszenie małych ilości ścieków z miejsc, w których nie ma możliwości zastosowania grawitacyjnego odpływu ścieków. Druga grupa obejmuje pompownie do przydomowej zabudowy zewnętrznej; mają one komory retencyjne, pompy, układ hydrauliczny i sterowania, a wielkość zbiornika powinna umożliwić awaryjne zretencjonowanie ścieków z przynajmniej doby lub dwóch z danego budynku. Trzecia grupa to urządzenia wielopompowe o dużej wydajności do przepompowywania znacznych ilości ścieków w sieci kanalizacyjnej – do podnoszenia ich na wyższy poziom tak, by mogły spływać w kierunku oczyszczalni.

Małe pompownie wykonuje się z tworzyw, a średnie i duże z laminatów, betonu polimerowego i betonu. Dna zbiorników są profilowane tak, aby nie powstawały w nich i nie zagniwały osady. Zbiorniki muszą być odporne na korozję i uszkodzenia mechaniczne. Powinny też mieć odpowiednio wyprofilowane dno, aby pompy mogły sobie poradzić z osadem (żwir, piasek, ciężkie substancje organiczne, materiały sanitarne, papier, plastik, tekstylia) i kożuchem tworzonym przez tłuszcze na powierzchni ścieków. Zbiorniki do budowy przepompowni typu mokrego powinny być odporne na korozję siarczanową, a zbiorniki betonowe wykonane w odpowiedniej klasie wytrzymałości na ściskanie i zabezpieczone powłoką ochronną. Wysoką odporność na korozję chemiczną mają zbiorniki z tworzyw, ale nie stosuje się ich przy dużych średnicach z uwagi na ryzyko nacisku gruntu na ściany boczne. Instalacje i armatura narażone na kontakt ze ściekami powinny być odporne na coraz częściej stosowane w nich reagenty chemiczne.

Z uwagi na fakt, że do ścieków komunalnych trafiają także ciała stałe, poszukuje się kompromisu pomiędzy wysoką sprawnością a niezawodnością pomp. Ich sprawność zależy m.in. od liczby i kształtu łopatek wirnika, lecz duża liczba łopatek i ich ukształtowanie zwiększające przepływy sprawiają, że rośnie ryzyko zatykania pompy przez ciała stałe i włókniste. Z tego względu w pompach stosuje się swobodny przelot przez wirnik oraz łopatki o przestrzennej krzywiźnie ze specjalnie ukształtowaną krawędzią wlotową. Odbywa się to kosztem sprawności, ale jest tańsze niż ciągłe udrażnianie pomp. Pompy typu vortex mają wprawdzie małą sprawność, ale dobrze radzą sobie z ciałami stałymi i włóknistymi oraz osadem. W pompowniach podnoszących ścieki na duże wysokości przy małych wydajnościach optymalnym wyborem są pompy z rozdrabniaczem. Z kolei pompy kanałowe mają wysoką sprawność i stosuje się je do przetłaczania dużej ilości ścieków lub wód opadowych – powinny być jednak zabezpieczone kratami lub sitami, które łatwo kontrolować.

Zatrzymanie pompy w przepompowni przydomowej nie stanowi ryzyka dla całego systemu, jednak awaria w pompowniach zbiorczych tłoczących ścieki do oczyszczalni to sytuacja groźna, wymagająca natychmiastowych i skutecznych działań. Z tego względu większe pompownie wyposaża się w elementy redukujące ryzyko zapychania pomp, np. kraty i sita czyszczące oraz separatory zanieczyszczeń. W przypadku przepompowni przydomowych skutecznym zabezpieczeniem jest edukacja użytkowników, a najskuteczniejszym rozwiązanie, w którym każda rodzina ma w systemie kanalizacji ciśnieniowej swoją pompownię i za nią odpowiada.

W pompach przeznaczonych do dłuższej pracy ważne jest chłodzenie. Mogą je zapewniać same ścieki przepływające przez przestrzeń wydzieloną nieprzepuszczanym płaszczem, ale rodzi to ryzyko powstawania osadów na wymienniku. Innym rozwiązaniem jest silnik wyposażony w układ chłodzenia niestykający się ze ściekami – to zamknięty układ z cieczą chłodzącą pompowaną przez dodatkowy wirnik pompy, który kieruje ją od silnika do użebrowanego wymiennika na obudowie pompy zanurzonej i schładzanej w ściekach.

Sterowanie pompowni odpowiada za włączenia i wyłączenia pompy oraz jej ochronę przed suchobiegiem. Może też optymalizować pracę całego systemu kanalizacyjnego, np. poprzez rozpoznawanie stanu wzajemnego dławienia się pomp. Powinno także zabezpieczać układ przed jednoczesnym włączeniem się wszystkich pomp po dłuższym zaniku napięcia. W pompowniach stosuje się szafki sterownicze do zabudowy wewnętrznej lub zewnętrznej. Narażone są one na wpływ warunków atmosferycznych oraz gazy z przepompowni wydobywające się przez przewody wentylacyjne i osłony przewodów elektrycznych.

Typowy panel obsługowy posiada wyświetlacz z danymi z monitorowania pracy pompy. System sterowania powinien informować m.in. o wystąpieniu zakłóceń: np. zaniku napięcia, osiągnięciu poziomu alarmowego przez ścieki, przeciążeniu silnika, blokady pompy, przegrzaniu stojana, awarii czujnika poziomu, może też zapewnić stałą diagnostykę pracy pompy. Ciągły postęp w elektronice i komunikacji bezprzewodowej oraz ich malejące koszty sprzyjają rozwojowi układów sterowania i wyposażania ich w coraz więcej funkcji, w tym do pozyskiwania i przekazywania danych na potrzeby bieżącej pracy, a także opisywanego powyżej trendu optymalizacji pracy i konserwacji predykcyjnej.

Podsumowanie

Zakłady wod-kan coraz częściej zawierają w swoich wytycznych wymagania dotyczące także osiągania wysokiej efektywności energetycznej pompowni. Na przykład wytyczne warszawskiego MPWiK dotyczące opracowywania dokumentacji technicznych i budowy przewodów i przyłączy wodociągowych i kanalizacyjnych oraz przepompowni kanalizacyjnych wymagają, aby projektant branży elektroenergetycznej, we współpracy z projektantami branży technologicznej i mechanicznej, dobrał urządzenia wysokosprawne energetycznie, szczególnie zespoły pompowe, silniki pomp, transformatory, a nawet zasilanie gwarantowane i oświetlenie. Zainstalowane opomiarowanie powinno umożliwić szczegółową analizę pracy pomp w zakresie diagnostyki technologicznej pod kątem efektywności energetycznej ich pracy i mierzyć wydajność pomp, wysokość podnoszenia cieczy oraz moc elektryczną silnika pompy (np. poprzez pomiar prądu, napięcia). Pomiary te pozwalają obliczać sprawność pompy oraz wyznaczać optymalny punkt jej pracy dzięki porównaniu otrzymanych wyników z fabrycznymi charakterystykami przepływu oraz charakterystykami poboru mocy pomp. Wytyczne wymagają ponadto zapewnienia zdalnej transmisji danych pomiarowych z układów pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej OSD.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2015, poz. 1422, z późn. zm.)

2. Łuźniak Mieczysław, Pompownie ścieków – dobór i rozmieszczenie pomp, „Rynek Instalacyjny” 9/2015 https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/instalacje-kanalizacyjne/21262,pompownie-sciekow-dobor-i-rozmieszczenie-pomp 

3. Priller Rollan, Projektowanie przepompowni ścieków. Zasady i zalecenia praktyczne dotyczące projektowania i wykonania, „Rynek Instalacyjny” 5/2008 https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/projektowanie-wod-kan/3865,projektowanie-przepompowni-sciekow 

5. Zijun Zhang, Andrew Kusiak et al., Modeling and optimization of a wastewater pumping system with data-mining methods, “Applied Energy”, Volume 164, 2015, p. 303-311, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.11.061

6. Ricardo J. Bessa et al., Data-driven predictive energy optimization in a wastewater pumping station, “Applied Energy”, Volume 252, 2019, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113423

7. Materiały techniczne firm: DAB, IBO, Hydro-Vacuum, Inwap, Kessel, Pentair Jung Pumpen, Wilo