Progettazione di Stazioni di sollevamento con pompe centrifughe di grandi dimensioni 2 Introduzione Principi generali Portata di progetto 3 4 4 4 Pozzo standard Flygt 5 Dimensioni del pozzo Realizzazioni alternative Volume richiesto 6 8 8 Criteri per l’installazione di pompe sommerse 9 Criteri per l’installazione a secco delle pompe sommergibili 9 9 9 9 Progettazione dei pozzi Progettazione del tubo di aspirazione Posizionamento della valvola sul tubo di aspirazione Il cono convogliatore in aspirazione Indicazioni per l’installazione della pompa e delle relative tubazioni: evitare vibrazioni e rumorosità Indicazioni per il fissaggio della pompa e il supporto delle tubazioni 10 10 Progettazione dei sistemi ITT Flygt 10 Introduzione Un’accurata progettazione della stazione riduce i costi iniziali di investimento ed i costi di gestione. Per avere un supporto in questo campo, è possibile consultare le pubblicazioni disponibili oppure rivolgersi direttamente al personale ITT Flygt. Nella progettazione di stazioni di sollevamento di acque reflue è importante tenere in considerazione anche l’analisi dei transitori idraulici per il dimensionamento delle casse d’aria, la scelta delle valvole, ecc. Questi argomenti non vengono trattati in questo opuscolo, ma è possibile ottenere maggiori informazioni al riguardo rivolgendosi direttamente a ITT Flygt. Per assicurarsi le prestazioni ottimali e la durata massima della pompa è consigliabile richiedere la consulenza di un tecnico ITT Flygt. I suggerimenti per la progettazione sono intesi solamente per apparecchiature ITT Flygt. ITT Flygt non si assume alcuna responsabilità per apparecchiature di altri produttori. Questa opuscolo è destinato a tecnici, disegnatori, progettisti e gestori di stazioni di pompaggio per acque piovane e di fognatura realizzate mediante pompe ITT Flygt sommerse e sommergibili con installazione a secco. Prevenire l’ingresso d’aria nelle pompe ed evitare zone con possibili depositi di sabbie o ristagno di sostanze galleggianti sono due importanti esigenze per ottimizzare la progettazione di un pozzo. ITT Flygt ha sviluppato un concetto di pozzo standard che può essere utilizzato con opportuni adattamenti, per ogni necessità nella maggior parte delle installazioni. La pompa ed il pozzo sono parti di un unico sistema. 3 Progettazione dei pozzi livello nel pozzo. Questo si verifica in genere quando le pompe stanno terminando lo svuotamento e sono prossime all’arresto. E’ necessario ridurre al minimo la quantità d’aria nel liquame o comunque assicurarsi che possa raggiungere la superficie e fuoriuscire prima che il flusso raggiunga le pompe. Ne consegue che il percorso tra l’ingresso nel pozzo e le pompe deve essere sufficientemente lungo. L’energia dovuta alla caduta dovrebbe dissiparsi contro un ostacolo, per evitare velocità troppo elevate nel pozzo. Questo si può realizzare in pratica con una parete di smorzamento posta nelle immediate vicinanze dell’ingresso del pozzo. • Il pozzo dovrebbe essere il più piccolo e semplice possibile per ridurre i costi di realizzazione; deve comunque assicurare un volume minimo per evitare che si verifichi un elevato numero di avviamenti/ora. Principi generali Il flusso d’acqua verso una pompa deve essere uniforme e costante, senza presenza di aria e di vortici. La mancanza di uniformità di flusso determina uno squilibrio del carico sulla girante non consentendo un funzionamento ottimale, con conseguente riduzione del rendimento idraulico. Un flusso non costante produce un carico variabile sulla girante determinando rumorosità e vibrazioni, con possibili danneggiamenti meccanici. Un eccesso di vorticosità in aspirazione può provocare una variazione significativa del punto di lavoro alterando la portata, la potenza e il rendimento. Può inoltre originare zone a bassa pressione con formazione di vortici che costantemente si estendono all’interno della pompa. Quest’aria causa inevitabilmente una riduzione della portata, e costituisce, per la girante, un carico variabile: si generano così rumorosità e vibrazioni, con dannosi carichi di impatto sulle varie parti del sistema. Per la corretta progettazione di un pozzo, devono essere considerati i seguenti aspetti: • Il flusso d’acqua in ingresso al pozzo deve essere appropriatamente diretto verso l’aspirazione della pompa: ciò deve avvenire con il minimo di vorticosità e di perdite idrauliche. • Per evitare la formazione di vortici di superficie le pareti verticali devono essere realizzate con opportuni riempimenti, evitando per quanto possibile, zone di ristagno dell’acqua. Nelle immediate vicinanze dell’aspirazione della pompa, è spesso consigliabile prevedere una parete per ridurre ogni tendenza alla formazione di vortici locali con conseguente entrata d’aria e dannose rotazioni di flusso. L’immersione minima delle pompe deve essere sufficiente ad evitare formazione di vortici superficiali. • Sebbene debba essere evitata una turbolenza eccessiva con presenza di grossi mulinelli, una leggera turbolenza è spesso utile nel prevenire la formazione e lo sviluppo di vortici persistenti. • I sedimenti, che potrebbero nel tempo diventare veri e propri depositi, non devono accumularsi nel pozzo. Devono pertanto essere evitate le zone stagnanti o a bassa velocità. Per prevenire la sedimentazione spesso vengono realizzati pozzi con fondo inclinato, muretti e gradini di riempimento. • La schiuma di superficie , croste galleggianti e piccoli detriti in genere, potrebbero restare in ogni zona relativamente calma della superficie d’acqua: questi materiali devono essere rimossi continuamente, evitandone l’accumulo. Il livello d’acqua dovrebbe essere abbassato il più possibile ad intervalli, in modo da aumentare velocità e turbolenza, ma evitando comunque l’entrata d’aria nella pompa. Ciò contribuirà a contrastare la tendenza all’accumulo di sedimenti sul fondo. • In molti pozzi, l’ingresso della fognatura è posizionato ad un livello relativamente alto. Il liquido quindi deve compiere un salto elevato prima di arrivare nel pozzo. Il salto risulta tanto più elevato quanto più basso è il I principi da adottare nel progettare un pozzo vengono illustrati in specifiche guide alla progettazione e in manuali contenenti regole pratiche, quali ad esempio quelle pubblicate dall’American Hydraulic Institute e dalla British Hydromechanics Research Association. Le regole teoriche non sono sempre applicabili ad ogni caso reale. Quando si realizza un nuovo progetto fuori da standard collaudati, si raccomanda di eseguire un test su modello in scala. Portata di progetto Un pozzo progettato in base a questo opuscolo è di dimensioni inferiori rispetto ad un pozzo convenzionale. Ciò determina, di conseguenza, un volume tampone inferiore per compensare le variazioni di portata transitorie, e l’assenza di volume supplementare per contenere il flusso in eccesso rispetto alla portata totale della pompa. La corretta progettazione di una stazione di pompaggio deve pertanto tenere in considerazione tutti gli aspetti critici del funzionamento. La portata della pompa deve essere tale da consentire la gestione dei picchi di portata in afflusso per ridurre al minimo il rischio di allagamento. Spesso può risultare utile analizzare anche le caratteristiche di portata del sistema fognario di alimentazione. Il sistema di controllo delle pompe deve fornire anche protezione nel caso di mancanza di corrente. Qualora il volume del pozzo venga ridotto al minimo come indicato nella sezione precedente, l’impiego di determinati sensori di livello può risultare cruciale. La tubazione di mandata dovrebbe essere progettata in modo da evitare l’allagamento causato dal flusso di ritorno all’arresto delle pompe, anche in situazioni di emergenza. L’effetto di possibili colpi d’ariete, o sovrapressioni momentanee, deve essere ridotto al minimo mediante l’adeguata progettazione dei dispositivi di controllo. 4 Pozzo standard Flygt A1 Una parete di smorzamento appositamente progettata riduce al minimo l’ingresso d’aria nella pompa dovuto alla caduta del liquido. Il flusso proveniente dal tubo di adduzione colpisce il muro di smorzamento e quindi scende nella camera attraverso l’apertura alla base del muro stesso. L’apertura distribuisce uniformemente il flusso verso tutte le pompe. La parete di smorzamento posta di fronte al tubo di adduzione deve essere sufficientemente alta da garantire il totale contenimento del getto. Sebbene il flusso nella camera di smorzamento sia molto turbolento, è possibile, in alcuni casi, che si accumuli del materiale galleggiante. Si possono allora realizzare degli stramazzi o passaggi laterali che contribuiscono a prevenire l’accumulo di detriti. (Per consentire il convogliamento del materiale galleggiante nella camera della pompa, la parte superiore della parete di smorzamento, o parti della stessa, dovrebbero essere al di sotto del più alto livello di avvio delle pompe). Spesso può risultare utile dotare i pozzi di scanalature, deflettori e/o gradini, a seconda del numero e delle dimensioni delle pompe presenti nel sistema. Per una progettazione ottimale del pozzo è pertanto consigliabile richiedere la consulenza di ITT Flygt. Per evitare la formazione di vortici nella camera della pompa, a monte del pozzo, il tubo di adduzione deve avere un tratto diritto di lunghezza pari a cinque volte il proprio diametro. A2 Il pozzo con ingresso frontale a livello alto viene definito come tipo A1. In questa configurazione, il flusso non deve compiere una deviazione orizzontale, che potrebbe indurre una rotazione della massa liquida presente nel pozzo. La configurazione esatta del pozzo varia comunque in funzione del numero e delle dimensioni delle pompe presenti nella stazione di sollevamento. Se le tubazioni e la posizione del pozzo non consentono un ingresso frontale, è possibile adottare un ingresso laterale con una parete divisoria modificata con l’aggiunta di aperture. Questa configurazione viene definita come tipo A2. In questo caso, la parete di smorzamento devia il flusso entrante e lo distribuisce uniformemente verso le pompe attraverso le aperture. 5 Dimensioni del pozzo a condizione che l’effetto combinato delle differenze non produca velocità sensibilmente superiori a quelle previste per il pozzo standard. Per ”portata nominale pompa” si intende la portata di una pompa che funzioni da sola Portata nominale pompa [l/s] La tabella dimensionale è valida per stazioni di pompaggio con un massimo di quattro pompe, che possono essere tutte in funzione. Per le dimensioni del pozzo sono ammesse tolleranze pari a ±10%, D C F B E A Dimensioni [mm] 0.5 ∅ cono aspirazione A1 Vedere dimensioni di ingombro A1 ∅ piede di accoppiamento Vedere dimensioni di ingombro 6 0.75 ∅ cono aspirazione ∅ tubo di immissione A2 0.5 ∅ cono aspirazione ∅ tubo di entrata Vedere dimensioni ingombro A2 ∅ piede 0.75 ∅ cono aspirazione di accoppiamento E (>1.25 ∅ tubo di immissione) E (>1.25 ∅ tubo di immissione) Vedere dimensioni ingombro 0.5 ∅ cono aspirazione B2 Vedere dimensioni ingombro B2 ∅ piede di accoppiamento 0.75 ∅ cono aspirazione E (>1.25 ∅ tubo di immissione) E (>1.25 ∅ tubo di immissione) 7 A2 A1 Realizzazioni alternative Quando il numero di pompe è superiore a quattro, l’eccessiva larghezza richiesta per il pozzo base in alcuni casi rappresenta un problema. Pertanto può risultare più conveniente e pratico realizzare un doppio pozzo. B2 Per pozzi profondi potrebbe diventare vantaggioso l’utilizzo di un modulo simile a quello usato nei pozzi rettangolari, inserito in una struttura circolare esterna. All’interno di una tale struttura è infatti possibile inserire dei moduli pozzo singoli simili a quelli usati per il pozzo compatto. Per consigli sulla progettazione di pozzetti compatti con ingresso frontale a livello basso, tipo B1, rivolgersi a ITT Flygt. In questa configurazione, tipo B2, con un muro ripartitore diritto, il tubo di afflusso è al di sotto del livello normale dell’acqua nel pozzo, oppure il pozzo viene alimentato da un canale aperto. In assenza di flusso in caduta all’ingresso, non si verifica entrata d’aria nel liquido e ciò consente di semplificare la camera di smorzamento, il cui unico scopo rimane quello di distribuire uniformemente il flusso alle pompe. Talvolta può essere necessario posizionare il tubo di mandata al centro della stazione o in un’altra direzione: in tali casi una soluzione può essere rappresentata dal diverso orientamento della pompa. La figura illustra una parte di una stazione di sollevamento per acque reflue con orientamento inverso della pompa. L’adozione di tale configurazione, unitamente alle tecniche di gestione in uso, consente di ottenere condizioni di pompaggio ottimali, con conseguente pulizia del fondo del pozzo e trasporto dei solidi. Volume richiesto Il volume utile richiesto per il pozzo, V (m3), ovvero il volume tra il livello di avvio e di arresto di una pompa, dipende dalla durata minima possibile del ciclo, T (secondi), dalla portata della pompa, Q (m3/sec) e dalla portata del flusso in ingresso, q (m3/sec). Per una qualsiasi portata in ingresso il ciclo più breve si verifica quando q = Q/2 , cioè la portata in afflusso q risulta esattamente la metà della portata della pompa. Il volume utile minimo del pozzo risulta: 8 • Per evitare problemi legati al funzionamento dei regolatori di livello, dovuti alla presenza di residui galleggianti, ecc., è opportuno adottare una zona di calma, con l’apertura a un livello inferiore al minimo previsto. • I sedimenti si possono accumulare nella zona dietro i piedi di accoppiamento, e ciò può essere evitato proteggendo la cavità con una lastra in acciaio o un riempimento in cemento. Il tempo minimo di un ciclo (Tminimum ) è determinabile in funzione del numero massimo di avviamenti/ora che sono accettabili per il motore ed il suo sistema di raffreddamento. Per le elettropompe Flygt, il numero massimo di avviamenti/ora ammessi è il seguente: • per i motori serie 605-805: 15 avviamenti/ora, corrispondenti a un ciclo pari a 240 secondi. • per i motori serie 905: 8 avviamenti/ora, corrispondenti a un ciclo pari a 450 secondi. Criteri per l’installazione a secco delle pompe sommergibili Progettazione del tubo di aspirazione Il posizionamento del tubo di aspirazione su una pompa con installazione a secco si basa sugli stessi principi idraulici delle pompe sommerse. In questo caso tuttavia occorre prestare maggiore attenzione alla sommergenza dell’entrata tubo, in quanto l’aria può venire risucchiata nel tubo più facilmente che in una pompa sommersa, che è invece dotata di una voluta, la quale agisce da elemento di soppressione dei vortici. L’aria accumulata nel tubo di aspirazione può compromettere il funzionamento della pompa e bloccare il sistema, impedendo così del tutto l’azione di pompaggio. Per portate superiori a 500 l/s, il tubo di aspirazione dovrebbe essere provvisto di un apposito cono di aspirazione per ridurre al minimo le perdite e le interferenze con il flusso all’interno della pompa. Per ottenere un flusso uniforme a livello dell’ingresso nella pompa, il tubo di aspirazione dovrebbe essere progettato in modo da soddisfare i seguenti requisiti. 1. Fornire un NPSHav (Prevalenza di aspirazione positiva netta disponibile) sufficiente 2. Ridurre al minimo le perdite per attrito 3. Ridurre al minimo il numero di curve 4. Eliminare il vapore dal tubo di aspirazione 5. Garantire un corretto allineamento dei tubi 6. Prevedere uno sfiato dell’aria automatico a valle della pompa, prima della valvola di ritegno. T = 3600 / Avviamenti/ora Per una stazione di pompaggio con pompe uguali, o di portata simile, è impiegato con ottimi risultati il sistema di ”sovrapposizione dei volumi utili”: le pompe si avviano in sequenza all’aumentare del livello, cioè della portata in ingresso, e si arrestano in sequenza alla diminuzione del livello. Si può ottenere una significativa riduzione dei volumi utili richiesti utilizzando la rotazione ciclica logica delle pompe, ossia l’ultima pompa ad avviarsi dovrebbe essere l’ultima ad arrestarsi. Criteri per l’installazione di pompe sommerse Di seguito sono riportate alcune indicazioni generali per l’installazione delle pompe sommergibili. Posizionamento della valvola sul tubo di aspirazione Per ridurre al minimo il rischio di cavitazione, rumorosità e vibrazioni, la valvola e la relativa sede dovrebbero essere lisce e uniformi, per evitare interferenze con il flusso (sono preferibili le valvole a saracinesca) e, se possibile, dovrebbero essere posizionate a una distanza minima dalla pompa pari a cinque volte il diametro del tubo. • Per evitare fenomeni di cavitazione sulla valvola di ritegno, questa non dovrebbe essere posizionata ad un’altezza superiore a 8 metri al di sopra del piede di accoppiamento. • Per facilitare la manutenzione e proteggere i cavi, è consigliabile realizzare nel pavimento un’apposita scanalatura in cui far correre i cavi della stazione di sollevamento (fare riferimento alle normative elettriche locali). • La staffa di supporto del cavo va montata in modo da essere facilmente accessibile. • Quando, a protezione del cavo, si utilizza un tubo rigido o flessibile, questo non dovrebbe coprire interamente il cavo fino all’interno del quadro di comando, in quanto i gas esplosivi, in evaporazione dall’acqua di scarico ed infiltrati all’interno dell’armadio, potrebbero essere pericolosi (fare riferimento alle normative locali in materia). • I gas provenienti dalle acque di scarico possono provocare l’ossidazione dei relè, per cui è utile posizionare il quadro di comando in un ambiente ventilato. Il cono convogliatore in aspirazione Per accelerare in modo uniforme il flusso nel tubo di aspirazione e ridurre le perdite all’ingresso, si dovrebbe munire l’estremità del tubo di un cono convogliatore. 9 La velocità ottimale all’entrata del cono convogliatore è pari a 1.7m/s e dovrebbe comunque rientrare nei seguenti limiti. Portata Per maggiori informazioni sulla prevenzione di vibrazioni e rumorosità nelle pompe con installazione a secco, consultare ”Suggerimenti per l’installazione a secco delle pompe” di ITT Flygt. Velocità < 1200 l/s 0.9 – 2.4 m/s 3 – 8 ft/s >1200 l/s 1.2 – 2.1 m/s 4 – 7 ft/s Indicazioni per il fissaggio della pompa e il supporto delle tubazioni Attenendosi alle seguenti indicazioni è possibile evitare vibrazioni indesiderate. 1) Tutte le parti del sistema dovrebbero essere fissate in modo che la frequenza prevalente delle onde di disturbo sia inferiore alla più bassa frequenza naturale del sistema, inclusi pompa, valvole, supporti e tubi. 2) Per isolare la pompa e la fondazione dalla stazione di pompaggio, è consigliabile attenersi alla seguente procedura. a) Il peso delle fondazioni dovrebbe essere almeno il doppio di quello delle parti rotanti. b) Usare un supporto flessibile, come ad esempio dei piedini in gomma (supporti antivibranti) o un tappeto in gomma, tra la base di appoggio e il pavimento. c) Usare giunti flessibili per i tubi. d) Ancorare i tubi al pavimento o ad un’altra struttura ugualmente solida. 3) Prevedere dei supporti orizzontali e verticali. Predisporre dei supporti aggiuntivi per i componenti pesanti quali le valvole. 4) Per tubazioni provviste di giunti a soffietto per ridurre al minimo le vibrazioni, i tubi dovrebbero essere supportati in corrispondenza del giunto stesso, per evitare il trasferimento delle oscillazioni di pressione. 5) Le velocità dei tubi verticali devono essere mantenute uniformi, per evitare la sedimentazione delle sostanze solide. L’intervallo consigliato è pari a 1.5-2.5 m/sec. Indicazioni per l’installazione della pompa e delle relative tubazioni Evitare vibrazioni e rumorosità Il funzionamento di una macchina rotante genera sempre e comunque qualche forma di rumorosità e/o vibrazioni. La pompa e/o il gruppo motore possono emettere nell’ambiente delle onde che possono a loro volta generare vibrazioni e provocare rumorosità da parte di altre parti del sistema, nei tubi, ecc. Nel caso delle pompe sommerse, il liquido stesso attenua le vibrazioni e la rumorosità. La progettazione di impianti con pompe a secco richiede invece una maggiore attenzione, proprio al fine di limitare questo genere di problemi. La prima regola da seguire è che la pompa funziona al meglio se viene utilizzata nel campo di lavoro per cui è prevista, normalmente tra il 50% e il 125% del punto di miglior rendimento (PMR). In tale intervallo, i disturbi derivanti dalle forze generate dalla girante e dalla voluta, la cavitazione ecc. vengono mantenuti al minimo. Gli accessori standard per le pompe sono progettati per l’impiego in un’installazione fissa in cui la frequenza prevalente delle onde di disturbo sia inferiore alla più bassa frequenza naturale, con conseguente riduzione delle vibrazioni. In alcuni casi una configurazione totalmente fissa non è sufficiente e il sistema o parti di esso devono essere isolati mediante piedini in gomma, tappeti in gomma, giunti flessibili per le tubazioni, ecc. Nella valutazione di un sistema, l’analisi delle sorgenti dei possibili disturbi dovrebbe tenere conto dei seguenti aspetti. • Squilibrio delle parti rotanti. Queste, alla frequenza di rotazione della pompa, generano disturbi di entità rilevante. • Forze idrauliche causate dalle differenze di pressione nella voluta • Forze agenti sulla girante e impulsi di pressione nelle tubazioni si formano quando i getti di liquido provenienti dalla girante attraversano la flangia della voluta, a una frequenza pari al prodotto della velocità della girante per il numero di pale della stessa. Progettazione dei sistemi ITT Flygt ITT Flygt fornisce l’assistenza alla progettazione grazie all’esperienza maturata nel dimensionamento e nella realizzazione di stazioni di pompaggio, utilizzando programmi di calcolo sviluppati autonomamente. 1. Scelta delle pompe da installare nella stazione con le dovute considerazioni sulle variazioni di portata per i minori costi di esercizio possibili 2. Ottimizzazione del disegno del pozzo per pompe già definite in situazioni specifiche. I disegni dimensionali delle pompe e del pozzo possono essere forniti su copia in carta o file in Autocad. 3. Analisi di sistemi complessi inclusi i calcoli relativi ai transitori idraulici di arresto e le verifiche di avviamento. 4. Consigli per la necessità di verifiche su modelli idraulici ed assistenza per la loro organizzazione. 5. Consulenza sul contenimento dei costi totali: costi di esercizio, di manutenzione e di installazione (LCC). Con queste informazioni è possibile analizzare il sistema al fine di ridurre al minimo il rischio di vibrazioni, intervenendo in particolare su fattori quali la lunghezza critica del tubo e la distanza minima del supporto del tubo per evitare risonanze armoniche. Altri elementi che possono generare rumorosità sono il motore elettrico, il flusso interno stesso (turbolenze e vortici possono indurre le tubazioni e le valvole a generare rumore) e la cavitazione all’interno della pompa, nei tubi e nelle valvole. I tecnici di progettazione della ITT Flygt sono sempre pronti a proporVi la soluzione più conveniente per la Vostra richiesta, indipendentemente dalle dimensioni dell’impianto. 10 11 ITT Flygt è leader mondiale nella produzione e fornitura di sistemi sommergibili per il pompaggio e la miscelazione. Le pompe, i miscelatori ed i sistemi di aerazione sommergibili ITT Flygt sono destinati agli impianti fognari, ai sistemi di trattamento delle acque reflue ed a molte altre applicazioni. www.flygt.com C-Design.02.05. It. XM. 08.03 © ITT FLYGT AB Printed in Sweden KT 230376 891222 Abbiamo messo la nostra esperienza a disposizione di tecnici, progettisti e consulenti per garantire il funzionamento affidabile ed efficace in termini di costi dei nostri sistemi. ITT Flygt dispone di centri di assistenza e di vendita in oltre 130 Paesi.