Pompa do ścieków - sztuka kompromisu

Niezawodność

System odprowadzenia ścieków komunalnych musi charakteryzować się bardzo wysoką niezawodnością. Jednym z czynników determinujących prawidłowość działania całego układu są pompownie, a w szczególności pracujące w nich pompy. O niezawodności pracy pomp decyduje odporność wirnika na blokowanie się elementami stałymi i długowłóknistymi wleczonymi przez ścieki oraz możliwość pracy w każdych warunkach otoczenia. Awaria pojedynczej przepompowni sieciowej nie stanowi znacznego zagrożenia dla bezpieczeństwa funkcjonowania całego układu – o wiele groźniejsze jest zatrzymanie pracy pomp w pompowniach zbiorczych, tłoczących ścieki z wielu zlewni np. do oczyszczalni ścieków.

Wyposażenie pompowni zbiorczej w kraty czyszczące ogranicza prawdopodobieństwo dopływu do pomp elementów niepożądanych, jednak nie eliminuje go całkowicie. Dotyczy to głównie elementów włóknistych, które w postaci rozdrobnionej przepływają przez kraty, gromadzą się w miejscach stagnacji, łączą w większe skupiska i okresowo zasysane są do pomp.

O możliwości nagłego przetłoczenia dużej liczby elementów włóknistych decyduje kształt wlotu wirnika pompy. Obniżenie liczby łopat wirnika w naturalny sposób zmniejsza współczynnik przesłonięcia wlotu i ogranicza możliwość zawieszania elementów włóknistych na wlotach łopatek, przy czym decydujący wpływ na niezawodność działania ma kształt krawędzi wlotowej.

Wklęsłość krawędzi wlotowej łopatek w dwóch płaszczyznach zapewnia maksymalny prześwit nad łopatką oraz powoduje zsuwanie się ciał włóknistych do środka kanału międzyłopatkowego, skąd w łatwy sposób zabierane są przez strumień pompowanej cieczy. Pompownie zbiorcze ze względu na swoje rozmiary w większości dzielone są na część mokrą oraz suchą, w której zamontowane są pompy i armatura. Ryzyko zalania części suchej związane jest głównie z możliwością rozszczelnienia konstrukcji przegrody lub armatury oraz ryzykiem wystąpienia powodzi lub nawalnego deszczu.

Starsze konstrukcje pomp do ścieków budowane były jako pompy wałowe, w których wentylatorowy silnik napędowy znajdował się na najwyższym poziomie pompowni, a moment obrotowy przekazywany był przez wał do pompy znajdującej się na poziomie najniższym. Rozwiązanie to umożliwia pracę nawet w przypadku zalania części suchej, przy czym sama eksploatacja jest utrudniona z powodu konieczności utrzymania podpór łożyskowych długiego wału w odpowiednim stanie technicznym.

Nowoczesne rozwiązania pomp do ścieków dla pompowni zbiorczych są konstrukcjami monoblokowymi i mogą pracować zarówno w otoczeniu suchym, jak i w zatopieniu. Pierwotnie stosowano standardowe pompy zatapialne o stopniu ochrony IP68, gdzie silnik zabudowywany był w dodatkowym płaszczu, przez który przetłaczano pompowane ścieki, zapewniając tym samym chłodzenie silnika. Rozwiązanie to niesie jednak ryzyko zarastania płaszcza i z czasem pogorszenia warunków wymiany ciepła.

Najbardziej niezawodnym rozwiązaniem jest wyposażenie silnika pompy w autonomiczny układ chłodzenia niemający kontaktu z pompowanymi ściekami. Ruch cieczy w obiegu chłodzenia wymusza osadzony na wale dodatkowy wirnik obiegowy, który przetłacza podgrzaną w silniku ciecz przez wymiennik ciepła zlokalizowany w ścianie oddzielającej silnik od pompy. W wymienniku ciepło odbierane jest od czynnika chłodzącego i przez użebrowaną ścianę przekazywane do pompowanych ścieków, zapewniając równomierne chłodzenie silnika w każdych warunkach pracy.

Sprawność

Osiągnięcie wysokiej sprawności pompy do ścieków przy utrzymaniu bardzo dobrej odporności na blokowanie elementami stałymi i długowłóknistymi jest sztuką kompromisu pomiędzy zachowaniem dużego swobodnego przelotu przez wirnik oraz uzyskaniem kształtu kanału międzyłopatkowego, który będzie efektywnie konwertował energię mechaniczną w hydrauliczną. Te dwa warunki zdają się wykluczać wzajemnie. Uzyskanie wysokiej sprawności wirnika odśrodkowego wymaga, żeby kanały miedzyłopatkowe tworzyły równomierne dyfuzory o zadanej długości i odpowiednim kącie. Ułatwia to zastosowanie wirnika wielokanałowego wyposażonego w 5–7 łopatek, co jednak całkowicie uniemożliwia zachowanie wymaganego swobodnego przelotu, powodując nieprzydatność w transporcie ścieków.

Zastosowanie wirnika jednołopatowego maksymalizuje prześwit, ale utrudnia uzyskanie odpowiedniego kształtu kanału. Dodatkowym problemem jest nierównomierne zużywanie wirnika, który w trakcie eksploatacji łatwo może stracić wyważenie, powodując zwiększenie obciążenia łożysk i ich przedwczesne zużycie.

Zdrowym kompromisem jest wyposażenie wirnika w dwie łopatki o przestrzennej krzywiźnie ze specjalnie ukształtowaną wklęsłą krawędzią wlotową. Pozwala to uzyskać równomierny przepływ przez wirnik pompy przy zachowaniu bardzo dużego swobodnego przelotu, co umożliwia uzyskanie sprawności przekraczającej nawet 80%.

Koszt

Czynnikami decydującymi o całkowitym koszcie transportu ścieków są koszty energii, obsługi oraz zakupu pomp i części zamiennych. Pompownie zbiorcze ze względu na znaczną wydajność wyposażone są w pompy o mocy kilkudziesięciu i więcej kilowatów, co powoduje, że nie bez znaczenia jest ich sprawność. Nowoczesne rozwiązania układów przepływowych dają możliwość pompowania ze sprawnością powyżej 80%, co przekłada się na znaczne korzyści finansowe dla użytkowników.

Producenci pomp zazwyczaj stosują dwie strategie odnośnie do ceny swoich produktów. Pierwsza to strategia „zdrowej” ceny pompy i części zamiennych, ustalanych na podstawie kosztu wytworzenia powiększonego o marże. Druga strategia to niska cena pompy, ale wysoka cena części zamiennych i usług serwisowych, która ma przynieść zysk przedsiębiorcy w trakcie eksploatacji urządzenia.

Dodatkowo o koszcie eksploatacji może decydować również rodzaj stosowanych elementów składowych, takich jak łożyska i uszczelnienia. Koszt specjalnych uszczelnień, dostępnych wyłącznie u producenta pompy, może być kilkukrotnie wyższy niż uszczelnień standardowych, które oferuje wielu dostawców.

Kompromis pomiędzy ceną zakupu i kosztem eksploatacji musi znaleźć przyszły użytkownik pompy. Dla pomp zużywających znaczne ilości mocy należy wybierać rozwiązania o najwyższej sprawności, zwracają uwagę nie tylko na koszt urządzenia, ale również rodzaj i koszt części zamiennych wymaganych w trakcie całego okresu eksploatacji.