Ottimizzazione energetica e
funzionale degli Impianti di pompaggio
ANDREA MARIANI
Fognature a Gravità e sollevamenti Fognari
( da Fognature di Da Deppo – Datei 2009)
2
Sistema di Pompaggio
Per ottenere efficienza del sistema di pompaggio bisogna analizzare
tutte le sezioni che lo compongono:
•
•
•
•
Le caratteristiche della vasca
Il sistema di tubazioni ed il circuito idraulico
Le elettropompe installate
Il sistema di alimentazione
elettrica, l’automazione
ed il controllo
Caratteristiche della vasca - Effetti idraulici
sfavorevoli
• Zone con eccessiva turbolenza
• Irregolare distribuzione delle
velocità del flusso nell’aspirazione
delle pompe
• Aspirazione di aria
• Vortici
Caratteristiche della vasca - Sedimentazione
Sedimentazione sul fondo:
• Pulizie periodiche costose
• Bloccaggi delle pompe
• Cattivi odori
Caratteristiche della vasca - Sostanze flottanti
Grassi e solidi flottanti
• Formazione di crostoni superficiali
• Blocco/malfunzionamento
dei regolatori di livello
Che provocano:
• Pulizie periodiche costose
• Mancata attivazione pompe e quindi
rischio di sversamento dei liquami
• Intasamento delle pompe
• Cattivi odori
Le caratteristiche ideali della vasca
Apertura
Muro smorzatore
Setto intermedio
Divisorio
Riempimento
inclinato vano
posteriore
Luci guida
Deflettore di flusso
Fondo inclinato
Realisticamente non è sempre possibile realizzare un’opera civile
ottimale, ma si consiglia di implementare almeno il muro smorzatore e i
fondi inclinati.
Dimensioni in funzione della portata
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Angolo del tecnico > Manuali di progettazione
Case study 2
Ottimizzazione disegno stazione, ~ 20 m3/s
Soluzione originale
Soluzione ottimizzata
La pompa, il cuore dell’impianto
Dedicare grande
attenzione alla scelta delle
pompe è cruciale per
ottimizzare il
funzionamento,
aumentare l’affidabilità
dell’impianto e ridurre il
consumo energetico.
Il rendimento totale
Potenza
Q ( lt/sec) * H (metri)
___________________
assorbita =
dalla rete
102 * TOT .
η
Rendimento
Elettrico
ηelet .
η
TOT . =
ηidr. * ηelet .
Potenza
nominale =
motore
Max. potenza
trasferita
all’albero
ηidr.
= (kW)
Q ( lt/sec) * H (metri)
Potenza
_______________
trasferita =
102 * idr .
all’albero
= (kW)
Q ( lt/sec) * H (metri)
Potenza
_______________
trasferita =
102
al liquido
= (kW)
η
Rendimento
Idraulico
= (kW)
Dimensionamento corretto della pompa
Corretto
Esempio scelta
corretta pompa di
nuova concezione
Errato
Le idrauliche per liquidi carichi
Rendimenti idraulici tipici, in acqua pulita, nel punto di miglior rendimento :
. Girante a vortice di liquido
40 %
. Girante monocanale
68 %
. Girante bicanale
78 %
.
Girante autopulente N
80 %
Acque reflue moderne
Ricerche e studi sulle acque reflue moderne hanno dimostrato che raramente
contengono oggetti duri, solidi e sferici, con un diametro maggiore rispetto al
diametro interno delle tubazioni. Gli oggetti realmente solidi e duri, come la
pietra, il mattone o l'acciaio, sono anche rari.
I solidi di gran lunga più comuni che si trovano nelle acque reflue urbane sono
organici e spesso sono costituiti da forme lunghe e filamentose, come le fibre.
Le acque reflue moderne contengono anche una maggiore quantità di tessuto
sintetico e fibre artificiali rispetto al passato. Ciò è dovuto alla vasta gamma di
nuovi prodotti per la pulizia domestica, quali fazzoletti, salviettine e strofinacci.
Questi prodotti dovrebbero essere smaltiti nei rifiuti o nel compost, ma molti li
gettano nel WC, aggiungendo così fibre sintetiche al flusso di acque reflue.
14
Possibile presenza di corpi solidi nelle acque
reflue moderne
Dimensioni di
oggetti solidi e
sferici
Dimensioni di
oggetti morbidi
e filamentosi
La figura è concettuale e mostra la probabilità di trovare diversi tipi di solidi
nelle acque reflue. Il lato sinistro mostra i principali oggetti sferici (pietra,
ghiaia, sabbia, graniglia, limo, ecc.), mentre il lato destro mostra oggetti di
varie dimensioni e forme, da circolari a molto grandi e allungate.
La curva di distribuzione mostra che vi è una probabilità molto bassa di
trovare grandi oggetti duri rispetto a particelle piccole e dure e vari oggetti
organici piccoli e grandi, morbidi e filamentosi.
15
Impatto sulle idrauliche tradizionali
Gli oggetti filamentosi tendono ad impigliarsi nei tipi di girante tradizionali,
nonostante il passaggio libero sia ampio.
Come illustrato di seguito, il problema principale è il bordo d'entrata delle pale
della girante. Tutti i design tradizionali delle giranti presentano uno o più bordi
d'attacco.
16
Figura A: Accumulo in una
girante monocanale
Figura B: Accumulo in una
girante monocanale
Figura C: Accumulo in una
girante a vortice
Figura D: Accumulo in una
girante a vortice
Risultati sperimentali
Il passaggio libero di una pompa non è un parametro utile per specificare il
funzionamento senza intasamento di una pompa per acque reflue, in
particolare nei moderni sistemi per acque reflue. L'utente finale di una pompa
per acque reflue necessita di una pompa affidabile ed efficiente nei cicli di
lavoro brevi e lunghi.
L'utilizzo di pompe con moderne idrauliche, munite di giranti autopulenti,
garantisce notevoli risparmi operativi, grazie alla maggiore resistenza
all'intasamento e alla capacità di fornire alta efficienza continuata durante il
pompaggio delle acque reflue.
17
Tecnologia N
Girante bipalare
autopulente
Dente di guida
Scanalatura di espulsione
Un design autopulente all'avanguardia, con bordi d'ingresso curvati ed una
scanalatura in rilievo, si è dimostrato la soluzione ideale della maggior parte dei
problemi di intasamento.
Mantenimento dell’alto rendimento
L’auto-pulizia fa risparmiare denaro
A. Pompa convenzionale a
funzionamento continuo
B. Pompa convenzionale a
funzionamento intermittente
C. Pompa N a
funzionamento continuo
Rendimento
Rendimento idraulico
Mantenimento dell’alto
rendimento
Consumo energetico
Tempo
Tempo
Tempo
Video girante inintasabile
Mantenimento dell’alto rendimento
Tipologia idraulica
Motore elettrico
Mantenimento del
rendimento
Rendimento e costi d’esercizio?
Prestazioni senza
intasamento
Usura
Fermo macchina
Rendimento idraulico
Rendimento motore
Rendimento
totale
nel tempo
Grande flessibilità col design modulare
Adattabile per soddisfare
virtualmente
ogni richiesta
di applicazione.
Esempi:
• Fognatura con presenza di
sabbie abrasive (Hard Iron)
• Acque meteoriche
• Fognature contenenti grandi
quantità di fibre lunghe (Chopper
con dispositivo di taglio)
• Fanghi
11/17/2015
21
Tecnologia N adattiva: principio di
funzionamento
N Adattiva: come funziona
2. Distribuzione delle forze quando
un corpo entra nella girante
I motori ad alta efficienza
La domanda di motori ad alta efficienza
segue un trend sempre in costante
crescita.
La richiesta è influenzata da:
• Direttive comunitarie
• Incentivi governativi
• Ottimizzazioni energetiche
• Salvaguardia dell’ambiente
• Facilità di comunicazione
Ma … nel campo del pompaggio
fognario il motore ad alta efficienza
contribuisce per una piccola parte al
risparmio energetico
Tabella classe di efficienza IE
per motori 4 poli 50 Hz secondo IEC 60034-30
97,0
92,0
Efficienza %
IE3
87,0
IE2
IE1
82,0
77,0
72,0
0,75 1,1 1,5 2,2
3
4
5,5 7,5 11
15 18,5 22
30 37
45
Potenza kW
55
75
90 110 132 160 200 250 315 255 375
L’efficienza dei motori LSPM Flygt comparata
allo standard IEC 50Hz 4 poli
Eff. %
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
LSPM
IE3 nom
IE3 min
4 poli, 50 Hz
L’efficienza dei motori LSPM
Flygt può arrivare fino al 4% in
più rispetto allo standard
nominale IE3
(IEC 60034-30 standard)
3085
3102
3127
3153
Importanza del pacchetto dei prodotti
Precauzioni da tenere in considerazione nell’utilizzo degli inverter con
pompe ad idrauliche tradizionali non autopulenti:
La riduzione della velocità di rotazione può creare
problemi di intasamento nella girante a canali
della pompa.
e squilibri dinamici che generando vibrazioni
danno luogo ad una rapida usura dei componenti.
La pressione del fluido può essere insufficiente ad
aprire completamente le valvole di non ritorno
La riduzione di velocità del fluido nella tubazione
di mandata può creare problemi di
sedimentazione.
Difficoltà di implementazione dei parametri e delle
logiche di funzionamento
Gestione pompe: Flygt SmartRun™
Unità di controllo intelligenti pre-programmate per il
pompaggio delle acque reflue con azionamento
pompe a velocità variabile
Vantaggi immediati:
Flygt SmartRun™ è in grado di ridurre il consumo
energetico in una stazione di pompaggio standard
di ~ 30% rispetto ad un tradizionale controllo
on / off. I costi per la manutenzione e le chiamate
di emergenza vengono ridotti anche grazie alle
funzioni pre-programmate di pulizia di pozzo, tubi
e pompa.
Confronto fra Smartrun™ e un inverter
Smartrun™
Inverter
Sistema di Regolazione
Sistema di Regolazione
•Calcolo Energia Specifica minima
•Livello / Pressione / Portata
costante
Funzioni specifiche
Funzioni specifiche
•Pulizia tubi, pozzetto, girante,
protezione pompa Minicas
•Solo pulizia girante su modelli più
evoluti
Facilità di programmazione e
avviamento
Facilità di programmazione e
avviamento
•Tutto impostato, con pochissimi
parametri eventualmente da
modificare
•Lavoro di programmazione lungo e
specifico (oltre 50 parametri)
La soluzione a pacchetto Flygt Experior ™
Soluzioni Flygt SmartRun™
Il pacchetto Flygt Experior™ :
• SmartRun™
• Pompe N
• Sensore LTU 401
• Galleggiante ENM 10
Azionamenti
SmartRun
Galleggiante per
comando di
emergenza
Pompe con
tecnologia
autopulente N
Sensore di livello
per comando
principale
Interconnessione fra
2 SmartRun per
trasmissione dati
Energia specifica
Energia
H
kWh
Es =
∝
=[ 3 ]
Volume
ηt
m
ηt
= rendimento totale
L’energia specifica
è la grandezza fisica che definisce quanto
lavoro deve essere fatto per spostare un
volume. Nel nostro caso si tratta
dell’energia elettrica necessaria per
spostare un metro cubo d’acqua da una
quota iniziale ad una quota finale.
Volume
<<<< <Volume
La ricerca della velocità ottimale (Brevettato)
Scopo del sistema
Far funzionare la pompa alla
velocità ottimale.
0.7
Velocità ottimale
0.6
kwh/m3
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
40
Frequenza
50
60
70
La ricerca della velocità ottimale (Brevettato)
Energia
specifica
consumata
0.7
Ad ogni ciclo di pompaggio una
nuova velocità ottimale viene
calcolata
0.6
0.5
0.4
Ciclo precedente
0.3
Ciclo attuale
Ciclo seguente
0.2
0.1
0
0
10
20
30
40
50
60
La ricerca della velocità ottimale (Brevettato)
0.7
Energia specifica consumata
0.6
0.5
0.4
Ciclo attuale
Ciclo precedente
0.3
Ciclo seguente
0.2
SmartRun è costantemente alla ricerca della velocità
ottimale al fine di ottenere un pompaggio con la minor
energia specifica consumata.
0.1
0
0
10
20
30
40
50
60
La ricerca della velocità ottimale (Brevettato)
Flusso in ingresso
Frequenza di lavoro
Frequenza
Time trend
Flusso in entrata
alla stazione
60
1400
50
1200
1000
40
800
30
600
20
400
10
200
0
0
Tempo
SmartRun trova la velocità ottimale di funzionamento indipendentemente dai
picchi di flusso attraverso un software predittivo brevettato.
SmartRun™- risparmio energetico
System curve
Savings
16m @90l/s static head 12m
11%
16m @90l/s static head 8m
30%
16m @90l/s static head 4m
56%
16m @90l/s static head 0m
63%
Calcolatore del
risparmio
energetico
http://www.xylemwatersolutions.com/scs/it
aly/it-it/products/catalogo-prodottixylem/Flygt%20Experior/Documents/Esc
ROW3_it.html
Pulizia della pompa
COME FUNZIONA:
La sequenza di pulizia della pompa rileva
eventuali anomalie di blocco della girante
e avvia una sequenza automatica di
pulizia invertendo momentaneamente
la rotazione della pompa.
VALORE PER IL CLIENTE - AFFIDABILITA'
Risparmio di costi dovuto alla risoluzione
automatica dell’eventuale bloccaggio
Pulizia tubazioni
COME FUNZIONA:
RISULTATI:
La pompa, ad ogni inizio ciclo si
attiva alla velocità massima,
garantendo il flussaggio delle
tubazioni
Elimina i fenomeni di
sedimentazione nelle
tubazioni,tipica degli azionamenti
ad inverter tradizionali
Pulizia pozzo
COME FUNZIONA:
Ad intervalli regolari il sistema
tiene in marcia la pompa fino
allo svuotamento quasi totale
del pozzo.
Pozzo senza
sistema di pulizia
VALORE PER IL CLIENTE
- MANUTENZIONE RIDOTTA Minor sedimentazione nel pozzo
riduce gli odori, impedisce
l’intasamento delle pompe e
dei misuratori di livello, allunga
i cicli di manutenzione
programmata.
Pozzo con
sistema di pulizia
Livello di avvio
Livello normale di arresto
Livello di arresto con
ciclo pulizia
SoftStart e SoftStop
Frequenza diretto
Frequenza SmartRun
Frequenza
On/off
La tabella evidenzia l’effetto del colpo
d’ariete (su tubazioni con diversi tipi di
valvole di ritegno), nel caso di arresto
brusco e con softstop.
Tempo
SmartRun
L’avvio in rampa e, ancora più importante l’arresto in rampa,
limita fortemente i problemi dovuti al colpo d’ariete.
Comodepur sollevamento Tavernola
il Cliente aveva il grosso problema che le 4 macchine esistenti che si
intasavano. 2 interventi settimanali per lo sbloccaggio delle pompe intasate.
Abbiamo proposto una prova con la nostra NP 3202 chopper e azionamento
SmartRun.
Dal 10 dicembre, data di installazione, la pompa ha funzionato costantemente
senza mai bloccarsi e senza perdere un litro/s di prestazioni. Le altre 3
macchine entrano in funzione solo qualche ora al giorno durante le punte.
Risparmio energetico 27%.
Controllo remoto
Litorale Ionico della Calabria
Zona Nord Orientale
della Sardegna
Sollevamento fognario
con telecontrollo
VANO VALVOLAME
POZZO IN
CEMENTO O
PREFABBRICATO
SEZIONE DI
AUTOMAZIONE
SEZIONE DI
POTENZA
GRUPPO VALVOLE DI
SEZIONAMENTO E
RITEGNO
GALLEGGIANTE
ALTISSIMO
LIVELLO
TUBAZIONE DI
TROPPOPIENO
GALLEGGIANTE
BASSISSIMO
LIVELLO
TUBAZIONE DI
MANDATA
SENSORE DI
MISURA LIVELLO
ELETTROPOMPA
SOMMERSA
Centraline Automazione pompe
• Alternanza di intervento e avvio su livelli
predefinti per ciascuna pompa
• Limitazione del numero di pompe in
marcia contemporaneamente
• Ciclo di pulizia
• Ritardo di avvio ed arresto
• Allarme sensori interni pompe
• Allarme anomalie di funzionamento
• Allarme intrusione / personale addetto
• Registrazione ore funzionamento
Componenti del sistema
Centro di Controllo
AquaView
Modem
Centraline
periferiche
Sistema di automazione e controllo
Per avere sempre il controllo della rete fognaria
• Riduzione dei costi operativi
• Controllo totale degli impianti
periferici da postazione remota
• Gestione degli allarmi
• Interventi programmati e non “in
emergenza”
• Salvaguardia dell’ambiente
• Rapportistica e statistiche
Analisi comparativa dati di funzionamento
• Controllo dei livelli in arrivo (stato condotte / scaricatori )
Analisi comparativa dati di funzionamento
• Funzionamento pompe ( assorbimento / portata )
• Condotta mandata ( valvole / ostruzioni )
Analisi comparativa dati di funzionamento
• Controllo degli sfiori (individuazione impianti sottodimensionati)
• Impianti con capacità maggiore del necessario
Analisi comparativa dati di funzionamento
• Individuazione acque parassite
• Portate costanti non giustificate
• Incrementi significative delle portate rispetto allo storico
[email protected]
N Adattiva: il movimento assiale
Mechanical stop