Urządzenia i systemy do podnoszenia ciśnienia wody – zestawy hydroforowe

Do podnoszenia ciśnienia wody w instalacjach i sieciach stosuje się układy hydroforowo-pompowe i zestawy hydroforowe. Każda z tych technologii ma swoje atuty i ograniczenia stosowania.

Zaletą układu hydroforowego jest m.in. to, że zbiornik hydroforowy może magazynować wodę, utrzymuje i wyrównuje ciśnienie w instalacji oraz ogranicza skutki uderzeń hydraulicznych.

Z kolei zalety zestawów hydroforowych to - obok przetłaczania wody i kompensacji strat hydraulicznych w sieci wodociągowej, podnoszenia i wyrównania ciśnienia - także mała ilość miejsca na montaż i tym samym brak konieczności wydzielenia lub budowy pomieszczenia na hydrofor, co znacznie obniża koszy inwestycyjne. Postęp w budowie pomp i nowe funkcje elektroniki sprawiają, że zestawy hydroforowe są coraz częściej stosowane.

Zestawy hydroforowe przeznaczone są do tłoczenia wody oraz podwyższania i utrzymywania jej ciśnienia m.in.:

• w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej,
• w stacjach uzdatniania wody,
• w pompowniach osiedlowych, centralnych i sieciowych,
• w systemach przeciwpożarowych,
• do zraszania ogrodów i podlewania szklarni,
• do tłoczenia wody w rzemiośle i rolnictwie,
• w myjniach i pralniach
• oraz w przemysłowych instalacjach wodnych.

Producenci oferują także zestawy hydroforowe o specjalnych parametrach umożliwiających ich zastosowanie do innych mediów niż woda i specyficznych warunków pracy, np. wysokich temperatur lub dużej gęstości medium – do obiegów umiarkowanie agresywnych cieczy czy glikolu.

Budowa

Oferowane na rynku zestawy hydroforowe to kompletne, w pełni zautomatyzowane urządzenia niewymagające stałej obsługi, zapewniające nieprzerwane dostawy wody przy stałym ciśnieniu.

Ich zaletą jest nie tylko zapewnianie odpowiednich ilości wody w sieciach i instalacjach o wymaganym ciśnieniu, ale również zmniejszanie zużycia energii elektrycznej i oszczędna gospodarka wodą.

Ułatwiają również sterowanie i monitorowanie sieci wodociągowej w celu zapewnienia odpowiednich parametrów jej zasilania, z uwzględnieniem rozbiorów m.in. na cele bytowe oraz przeciwpożarowe. Z tych powodów w zakładach wodociągowych, stacjach uzdatniania i hydroforniach coraz częściej zastępują one stare pompy.

Zestawy hydroforowe o wysokich wydajnościach to pompownie wody, stanowiące nawet samodzielne obiekty infrastruktury technicznej zaopatrzenia w wodę miast i dużych osiedli.

Typowy zestaw hydroforowy składa się z układu pompowego z kolektorami i armatury, zamontowanych na ramie podstawowej, oraz ze zbiornika ciśnieniowego, a także układu sterowania i zabezpieczeń (rys. 1).

Zestaw pompowy to układ jednej lub kilku połączonych pomp, w zależności od wymagań instalacji lub sieci. W dużych zestawach jedna z pomp jest najczęściej pompą rezerwową.

Rozbudowane zestawy mają kolektor tłoczny i ssawny ze stali ocynkowanej lub nierdzewnej z przyłączeniami do poszczególnych pomp zakończonymi kołnierzami lub zawory kulowe z króćcami gwintowanymi. W skład zestawu wchodzą także zawory zwrotne oraz czujniki ciśnienia (ssawny i tłoczny) zabezpieczające przed suchobiegiem.

Pompy

Standardowo pompy podłączane są równolegle. Stosowane są pompy samozasysające, ssąco-tłoczące, głębinowe, poziome i pionowe: jedno- i wielostopniowe. Wśród producentów zestawów są firmy, które montują pompy własnej produkcji, a także kompletujące zestawy pomp i elementów renomowanych producentów.

Pompy zamontowane są na ramie, która wyposażona jest w elementy eliminujące przenoszenie drgań na podłoże (wibroizolator). Oferowane są w różnych wykonaniach, w tym w wersji ze stali nierdzewnej odpornej na korozję. Stal nierdzewna ułatwia utrzymanie pomp w czystości. W celu zapewnienia wysokiego poziomu czystości wody i zapobiegania zaleganiu wody w pompach stosuje się specjalne systemy hydrauliki.

Na rynku są też zestawy hydroforowe z pompami bezdławnicowymi do zaopatrzenia w wodę i podwyższania ciśnienia w dużych budynkach. Pompy bezdławnicowe w porównaniu z tradycyjnymi wysokociśnieniowymi pompami wirnikowymi są znacznie cichsze – emisja hałasu na poziomie ok. 40 dB(A), pracują zatem praktycznie bezgłośnie. To ważna cecha w przypadku montażu zestawów m.in. w takich budynkach, jak szpitale, hotele czy domy opieki społecznej.

Sterowanie i zabezpieczenia

Najistotniejszym elementem zestawu jest oprócz pomp układ sterowania i zabezpieczeń. Zestawy mogą mieć różne technologie sterowania pompami w zależności od potrzeb. Zestawy jednopompowe nie wymagają rozbudowanego układu sterowania, w domach jednorodzinnych wystarczy jedynie sterowanie wyłącznikiem ciśnieniowym.

Także proste układy sterowania kaskadowego w układach wielopompowych wykorzystują wyłączniki ciśnieniowe ustawiane fabrycznie, z możliwością regulacji do danych wymagań. Sterowanie to polega na włączaniu i wyłączaniu kolejnych pomp w zależności od zapotrzebowania na wodę. Gdy ciśnienie po stronie tłocznej zestawu hydroforowego obniży się poniżej określonej przez użytkownika wartości, włącza się kolejna pompa.

Kiedy ciśnienie przekroczy zadaną wartość, wyłączy się jedna z pomp. Powinna się włączać ta pompa, która pracowała najkrócej, a wyłączać pracująca najdłużej – zapewnia to równomierne zużycie silników pomp. W tym rodzaju sterowania w chwili włączania i wyłączania pompy występują „skoki” ciśnienia.

Rozbudowane układy wykorzystują przetwornice częstotliwości i sterowniki mikroprocesorowe, co umożliwia pełną i płynną kontrolę parametrów pracy układu i utrzymywanie dokładnej wartości ciśnienia, niweluje uderzenia hydrauliczne i pozwala na uzyskanie oszczędności energii elektrycznej oraz zmniejszanie awaryjności samego układu i sieci przesyłowej.

Sterowanie przetwornicą częstotliwości zalecane jest w razie konieczności stabilnego utrzymywania stałej wartości ciśnienia oraz dużych wahań w rozbiorze wody. Automatyka umożliwia przerywanie pracy systemu, gdy osiągane są niepożądane parametry, co zapobiega zjawisku częstego włączania się pomp lub pracy przy minimalnych obrotach. Układ automatycznie optymalizuje liczbę cykli włączeń, dzięki czemu silniki nie ulegają przyspieszonym awariom (rys. 2).

Liczba funkcji i możliwości układów sterowania i zabezpieczeń stale rośnie i warto przy doborze zwracać na nie szczególną uwagę. Przykładowo energooszczędne silniki najnowszej generacji z regulacją za pomocą przetwornicy częstotliwości umożliwiają precyzyjne sterowanie prędkością obrotową pomp i tym samym pompa zużywa tylko tyle energii, ile faktycznie potrzeba do przetłoczenia wody do zadanego ciśnienia.

Rozwiązanie takie skraca czas pracy z maksymalną prędkością obrotową do 20%. A jeżeli w zestawie jest kilka pomp i pracują one naprzemiennie, to czas pracy z maksymalną prędkością jest znikomy – ma to wpływ na ich żywotność, koszty serwisu, obsługi technicznej, a także koszty energii (można je zredukować nawet o 50%).

Stosuje się też takie rozwiązania, w których każda pompa ma swój przetwornik ciśnienia i może przejąć kontrolę nad sterowaniem całym zestawem. Zestaw będzie kontynuował pracę jako zestaw podnoszenia ciśnienia nawet wtedy, gdy jedna z pomp znajdzie się w stanie zakłócenia.

Standardowym rozwiązaniem jest możliwość przejścia na ręczny tryb pracy w przypadku awarii sterowania. Z kolei w razie awarii przemiennika częstotliwości system sterowania powinien automatycznie przechodzić w tryb pracy kaskadowej.

Układy automatycznego sterowania pozwalają na zadawanie i odczyt parametrów hydraulicznych i energetycznych bezpośrednio na szafie sterującej lub za pomocą zdalnej komunikacji.

Coraz więcej dużych zestawów ma opcję komunikacji z nadrzędnymi systemami sterowniczymi w hydroforniach i z automatyką budynków. Stosowane w zestawach układy elektroniczne i czujniki dostarczają wiele informacji, w tym komunikaty robocze np. o aktualnym ciśnieniu, zakłóceniach oraz braku wody itd. Dostępne mogą być także informacje istotne dla serwisu, jak np. zapamiętanie wszystkich zmian stanu pracy zestawu z podaniem dokładnego czasu zdarzenia oraz czasu pracy poszczególnych pomp.

Zestawy mogą się komunikować z nadrzędnymi systemami sterowniczymi za pośrednictwem systemów Modbus, LON i Profibus, a także modemów GSM i GPRS. Sterowniki zestawów mogą być też wyposażone w system zdalnego zarządzania do rejestrowania i monitorowania pracy zestawu przez sieć komórkową, za pośrednictwem komputera, tabletu czy telefonu.

Zbiornik

W zestawach hydroforowych nie stosuje się dużych zbiorników wodno-powietrznych, ale znacznie mniejsze stalowe zbiorniki wyposażone w elastyczną przeponę kauczukową oddzielającą część wodną od powietrznej. Ich pojemność jest niewielka, a zakres ciśnień nominalnych to 1–2,5 MPa. Pojemność i liczba zbiorników dostosowana jest do parametrów zestawu. Montowane są one na kolektorze tłocznym zestawu hydroforowego. Oferowane są także zestawy bez zbiornika.

Domowe zestawy hydroforowe

Podłączane są do instalacji wodociągowej, w której nie można zapewnić wody o optymalnym ciśnieniu we wszystkich punktach poboru. Montuje się je również w instalacjach indywidualnych ujęć wody. Występują także w wersjach z pompami głębinowymi. Ich dodatkową zaletą w porównaniu z tradycyjnymi pompami ze zbiornikiem hydroforowym jest znacznie cichsza praca oraz mniejsze gabaryty (kompaktowa budowa), umożliwiające efektywniejsze wykorzystanie posiadanej powierzchni. Wiele z nich to urządzenia typu „plug and pump” – są gotowe do pracy po podłączeniu.

Stosuje się w nich indywidualne nastawy ciśnienia i proste narzędzia do jego zmiany. Mają zabezpieczenie przed suchobiegiem, mogą być też wyposażone w automatyczne sterowanie z układem zabezpieczającym przeciwko skokom ciśnienia. Jednak gros zestawów hydroforowych dla domów jednorodzinnych to układy o stałych obrotach pompy. Są już też dostępne zestawy z przetwornicami częstotliwości, dzięki którym prędkość obrotowa pompy dopasowuje się aktualnego przepływu i gwarantuje stałe ciśnienie oraz niskie zużycie energii.

Wykorzystywane są też kompaktowe elektroniczne przetworniki ciśnienia z czujnikiem temperatury, który współpracuje z czujnikiem przepływu (obydwa znajdują się na tłoczeniu pompy) i wysyła odpowiednie sygnały do układu elektronicznego w celu zapewnienia właściwego sterowania systemem.

Małe zestawy wyposaża się już też w wyświetlacze LCD o wysokiej rozdzielczości, które można obracać dla ułatwienia odczytu. Intuicyjny interfejs pozwala na dostęp do wszystkich informacji i dostosowanie głównych ustawień do konkretnego zastosowania. Ma to istotne znaczenie dla komfortu obsługi, tak samo jak kompaktowa i estetyczna obudowa z możliwością wyboru przez użytkownika pozycji montażu zestawu – poziomo lub pionowo – oraz lokalizacji złączy (dolne, boczne).

Dobra obudowa kompaktowa to przynajmniej o 30% mniejsze gabaryty zestawu, co jest sporym atutem w małych pomieszczeniach. Kolejny aspekt to dobre wyciszenie – zależne od zastosowanych pomp i wibroizolatorów w obudowie. Stosuje się też ochronę przed zamarzaniem zapobiegającą tworzeniu się wewnątrz lodu.

Dobór urządzeń

Niektóre firmy do doboru zestawów oferują programy doboru. Np. w programie Wilo-Select trzeba wprowadzić wymagane parametry konieczne do doboru (m.in. wydajność, ciśnienie na wejściu i wyjściu, straty po stronie ssącej i tłoczącej, wysokość geometryczna, rodzaj przetłaczanego medium, temperatura) i dokonać wyboru odpowiedniego urządzenia w zależności od liczby i rodzaju pomp oraz sterowania.

Program ten ma szerokie możliwości eksportu danych w różnych formatach, a zakładka w CADProfi daje możliwość zamieszczenia danych w programie do projektowania. O wyborze konkretnego rozwiązania decyduje też rachunek ekonomiczny. Zaletą zestawów hydroforowych jest wysoki stopień ich indywidualizacji – wielu producentów podejmuje się zaprojektowania i wykonania zestawu na specjalne zamówienie klienta.

W przypadku zestawów hydroforowych współpracujących z siecią wodociągową ułatwieniem jest coraz częstsza praktyka publikowania przez zakłady wodociągowe dokładnych wymagań dla hydroforni, zestawów hydroforowych, armatury, sterowania i zasilania, koniecznych przy odbiorze.

Do prawidłowego doboru zestawu niezbędna jest znajomość m.in.:

• maksymalnego zapotrzebowania na wodę zasilanego obiektu lub systemu,
• minimalnej wysokości podnoszenia, minimalnego ciśnienia na wyjściu,
• minimalnego ciśnienia na wejściu, informacji o źródle zasilania,
• dodatkowych wymagań dotyczących układu sterowania.

Dobór umożliwiają też specjalne karty doboru (rys. 3). Znając wartość zapotrzebowania na wodę w obiekcie Q_maks (równą wydajności projektowanego zestawu Q_p), minimalną wymaganą wysokość ciśnienia wody na wyjściu z hydroforni H_min oraz dane charakteryzujące źródło zasilania obiektu w wodę, można wyznaczyć wymaganą wysokość podnoszenia H_p zestawu hydroforowego.

Wartości H_p i Q_p określają wymagany punkt pracy zestawu hydroforowego – można go dobrać za pomocą charakterystyk przepływu zamieszczanych w katalogach (rys. 3). Punkt pracy zestawu (Q_p, H_p) powinien znajdować się bezpośrednio na lub nieco poniżej charakterystyki przepływu wybranego zestawu i nie w jej stromej części. Różnica D_h pomiędzy wartością H_p a wartością H₀ (wysokość podnoszenia pompy podstawowej przy zerowej wydajności) powinna się mieścić w przedziale 10–20 m. Zalecany jest dobór zestawu o większej liczbie pomp ze względu na oszczędności energii w trakcie eksploatacji, ale warto też brać pod uwagę różnice w cenach obu rozwiązań. Kolejne kryterium wyboru to hałas zestawu i wymagania danego budynku. Znaczenie mają też wymiary i możliwość transportu na miejsce montażu.

Przy doborze należy uwzględnić, że inny jest tryb wyznaczania minimalnej wymaganej wysokości podnoszenia dla zestawu bezpośrednio podłączonego do sieci, a inny w przypadku podłączenia do zbiornika wyrównawczego.

Z kolei w ujęciach indywidualnych do czerpania wód podziemnych głębinowych (> 10 m) zaleca się układ z pompą głębinową zatapialną. Jej wysokość podnoszenia H_p to całkowita wysokość tłoczenia liczona od poziomu zwierciadła dynamicznego w studni. Do studni głębinowych oferowane są zestawy bądź pakiety ze zbiornikami przeponowymi i układem sterowania zapewniające stabilne ciśnienie i płynną pracę pompy sterowaną ciśnieniem po stronie tłocznej.

W tradycyjnych ujęciach indywidualnych jeśli zwierciadło wody jest na głębokości 7–8 m od pompy, zaleca się zestawy z pompą wirową samozasysającą. W takich ujęciach wysokość podnoszenia pompy H_p jest sumą jej wysokości ssania i wysokości po stronie tłoczenia w instalacji. Warto zwracać uwagę na maksymalną dopuszczalną wysokość ssania pompy, gdyż jej przekroczenie w przewodzie ssawnym może powodować zjawisko kawitacji i tym samym trwałe uszkodzenia.

Opracowano na podstawie materiałów technicznych producentów zestawów hydroforowych