Ottimizzazione energetica e funzionale degli Impianti di pompaggio ANDREA MARIANI

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1 Ottimizzazione energetica e funzionale degli Impianti di pompaggio ANDREA MARIANI

2 Fognature a Gravità e sollevamenti Fognari ( da Fognature di Da Deppo Datei 2009) 2

3 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

4 Caratteristiche della vasca - Effetti idraulici sfavorevoli Zone con eccessiva turbolenza Irregolare distribuzione delle velocità del flusso nell aspirazione delle pompe Aspirazione di aria Vortici

5 Caratteristiche della vasca - Sedimentazione Sedimentazione sul fondo: Pulizie periodiche costose Bloccaggi delle pompe Cattivi odori

6 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

7 Le caratteristiche ideali della vasca Apertura Muro smorzatore Setto intermedio Divisorio Riempimento inclinato vano posteriore Deflettore di flusso Luci guida 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.

8 Dimensioni in funzione della portata Angolo del tecnico > Manuali di progettazione

9 Case study 2 Ottimizzazione disegno stazione, ~ 20 m 3 /s Soluzione originale Soluzione ottimizzata

10 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.

11 Il rendimento totale Rendimento Elettrico ηelet. Potenza assorbita = dalla rete η TOT. idr. Q ( lt/sec) * H (metri) 102 * ηtot. η = * ηelet. = (kw) Potenza nominale = motore Max. potenza trasferita all albero = (kw) Potenza trasferita = all albero Q ( lt/sec) * H (metri) 102 * ηidr. = (kw) Rendimento Idraulico ηidr. Potenza trasferita = al liquido Q ( lt/sec) * H (metri) 102 = (kw)

12 Dimensionamento corretto della pompa Corretto Errato Esempio scelta corretta pompa di nuova concezione

13 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 %

14 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

15 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

16 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. 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 16

17 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

18 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.

19 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 idraulico Rendimento Tempo Tempo Tempo Mantenimento dell alto rendimento Consumo energetico Video girante inintasabile

20 Mantenimento dell alto rendimento Rendimento e costi d esercizio? Tipologia idraulica Mantenimento del rendimento Prestazioni senza intasamento Usura Fermo macchina Rendimento idraulico Rendimento totale nel tempo Motore elettrico Rendimento motore

21 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/

22 Tecnologia N adattiva: principio di funzionamento

23 N Adattiva: come funziona 2. Distribuzione delle forze quando un corpo entra nella girante

24 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

25 Tabella classe di efficienza IE per motori 4 poli 50 Hz secondo IEC ,0 92,0 Efficienza % 87,0 82,0 77,0 IE3 IE2 IE1 72,0 0,75 1,1 1,5 2, ,5 7, , Potenza kw

26 L efficienza dei motori LSPM Flygt comparata allo standard IEC 50Hz 4 poli Eff. % 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 standard)

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32 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

33 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.

34 Confronto fra Smartrun e un inverter Smartrun Inverter Sistema di Regolazione Calcolo Energia Specifica minima Funzioni specifiche Pulizia tubi, pozzetto, girante, protezione pompa Minicas Facilità di programmazione e avviamento Tutto impostato, con pochissimi parametri eventualmente da modificare Sistema di Regolazione Livello / Pressione / Portata costante Funzioni specifiche Solo pulizia girante su modelli più evoluti Facilità di programmazione e avviamento Lavoro di programmazione lungo e specifico (oltre 50 parametri)

35 La soluzione a pacchetto Flygt Experior Soluzioni Flygt SmartRun Il pacchetto Flygt Experior : Interconnessione fra 2 SmartRun per trasmissione dati 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

36 Energia specifica Energia H E = = s Volume η η t = rendimento totale t kwh [ m 3 ] <<<< < Volume 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

37 La ricerca della velocità ottimale (Brevettato) Scopo del sistema Far funzionare la pompa alla velocità ottimale Velocità ottimale 0.5 kwh/m Frequenza

38 La ricerca della velocità ottimale (Brevettato) Energia specifica consumata Ad ogni ciclo di pompaggio una nuova velocità ottimale viene calcolata Ciclo seguente Ciclo precedente Ciclo attuale

39 La ricerca della velocità ottimale (Brevettato) Energia specifica consumata Ciclo attuale Ciclo precedente Ciclo seguente SmartRun è costantemente alla ricerca della velocità ottimale al fine di ottenere un pompaggio con la minor energia specifica consumata

40 La ricerca della velocità ottimale (Brevettato) Frequenza Flusso in ingresso Frequenza di lavoro Time trend Flusso in entrata alla stazione Tempo SmartRun trova la velocità ottimale di funzionamento indipendentemente dai picchi di flusso attraverso un software predittivo brevettato.

41 SmartRun - risparmio energetico System curve Savings static head 12m 11% static head 8m 30% static head 4m 56% static head 0m 63%

42 Calcolatore del risparmio energetico aly/it-it/products/catalogo-prodottixylem/flygt%20experior/documents/esc ROW3_it.html

43 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

44 Pulizia tubazioni COME FUNZIONA: La pompa, ad ogni inizio ciclo si attiva alla velocità massima, garantendo il flussaggio delle tubazioni RISULTATI: Elimina i fenomeni di sedimentazione nelle tubazioni,tipica degli azionamenti ad inverter tradizionali

45 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

46 SoftStart e SoftStop 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. Frequenza Frequenza diretto Frequenza SmartRun Tempo SmartRun L avvio in rampa e, ancora più importante l arresto in rampa, limita fortemente i problemi dovuti al colpo d ariete.

47 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%.

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50 Controllo remoto Litorale Ionico della Calabria Zona Nord Orientale della Sardegna

51 Sollevamento fognario con telecontrollo SEZIONE DI AUTOMAZIONE VANO VALVOLAME GRUPPO VALVOLE DI SEZIONAMENTO E RITEGNO POZZO IN CEMENTO O PREFABBRICATO SEZIONE DI POTENZA GALLEGGIANTE ALTISSIMO LIVELLO TUBAZIONE DI TROPPOPIENO TUBAZIONE DI MANDATA GALLEGGIANTE BASSISSIMO LIVELLO SENSORE DI MISURA LIVELLO ELETTROPOMPA SOMMERSA

52 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

53 Componenti del sistema Centro di Controllo AquaView Modem Centraline periferiche

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55 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

56 Analisi comparativa dati di funzionamento Controllo dei livelli in arrivo (stato condotte / scaricatori )

57 Analisi comparativa dati di funzionamento Funzionamento pompe ( assorbimento / portata ) Condotta mandata ( valvole / ostruzioni )

58 Analisi comparativa dati di funzionamento Controllo degli sfiori (individuazione impianti sottodimensionati) Impianti con capacità maggiore del necessario

59 Analisi comparativa dati di funzionamento Individuazione acque parassite Portate costanti non giustificate Incrementi significative delle portate rispetto allo storico

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61 N Adattiva: il movimento assiale Mechanical stop