بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مديريت مصرف انرژي و آب در ايستگاه هاي پمپاژ آب شرب
(ايستگاه پمپاژ مرکزي امور آبفاي شهرستان کرمان )
چکيده
ايستگاههاي پمپاژ در صنعت آب و فاضلاب بعنوان يکي از مراکز حياتي و شريان اصلي انتقال آب از منابع توليد آب بـه شـبکه - هاي توزيع آب شهرها ميباشند. با توجه به اينکه تاسيسات آبرسـاني انرژي الکتريکي قابل ملاحظه اي مصرف مـي کننـد، لـزوم اسـتفاده از راهکارهاي عملي براي کـاهش و بهينـه نمـودن مصـرف انـرژي ايـن تاسيسات بيش از پيش نمايان ميگردد. از سـويي ، اسـتان کرمـان و استانهاي نظير اين استان که از اقليم گرم و خشک برخوردار هسـتند بايستي در حوزه مصرف بهينه آب نيز اقدامات لازم به عمل آورند. در اين پروژه سعي گرديده با اسـتفاده از تکنولـوژي هـاي جديـد بطـور خاص اينورتر (راه اندازهاي دور متغير)، اين مهم با توجـه بـه شـرايط يک ايستگاه پمپاژ داراي قدمت و در حال بهره برداري حاصل گـردد.
نتايج واقعي حاصل از بکارگيري اقدامات بهينه سازي نيـز بـه صـورت خلاصه آورده شده است .
واژگان کليـدي : الکتروپمـپ ، ايسـتگاه پمپـاژ، درايـو دور متغيـر، مديريت مصرف انرژي و آب .
مقدمه
استان کرمان به عنوان يکي از پهناورترين استان هـاي کشـور در منطقه جنوب شرق کشور واقع گرديده است اين استان از لحاظ آب و هوايي داراي اقليم گرم و خشک است و اين موضوع باعث گرديده که عملاً استفاده از منابع سطحي در اين منطقه به کمترين مقـدار خـود برسد. تامين آب در منطقه از طريق سفره هاي آب زيـر زمينـي و بـه وسيله حفاري چاه صورت ميگيرد. از سويي ، با توجه به کاهش شديد نـزولات جــوي و خشـک ســاليهاي اخيـر، اسـتان کرمــان از جملـه استانهايي است که شديدًا با بحران کمبود آب دست و پنجه نرم مي - کند. همچنين وابستگي شديد صنعت آب و فاضلاب به مصرف انرژي برق در کليه پروسه هاي تامين و استحصال، انتقال و توزيع آب باعـث
١
گرديده لزوم توجه بيش از پيش به مقوله مصرف در اين حوزه نمايان گردد با توجه به اينکه مصرف سرانه برق در کشور چندين برابر ميزان نرم بين المللي است اين قاعده در خصوص تاسيسات انرژي بر صنعت آب و فاضلاب نيـز صـادق بـوده بطوريکـه در هـر سـال مبلـغ قابـل ملاحظه اي از هزينه ها، پرداخت بهاي انرژي برق در اين مجموعه مي - باشد که با توجه به آمار ارائه شده رتبه سوم هزينه هاي صنعت آب و فاضلاب را دارا ميباشد [١]. يکي از تجهيزات که سـهم عمـده اي از مصرف انرژي را به خود اختصاص داده و در اين پروژه به عنـوان يـک تجهيز کليدي نقش ايفا مي نمايد الکترو پمپ هاي سانتريفيوز مستقر در ايستگاه هاي پمپاژ آب آشاميدني است که در اين پروژه در راستاي بهينه سازي مصرف انرژي و مديريت در توزيـع آب ذخيـره شـده در مخازن ذخيره به کار کارشناسي و اقدامات عملي پرداخته شده است .
ضرورت اجراي اين پروژه را مي توان به عـواملي همچـون بـالاتر رفتن هزينه هاي نگهداري و تعميـرات ناشـي از عـدم رعايـت سـاعت کارکرد هر دستگاه الکتروپمپ در بخش نگهداري و تعميرات و يا بـالا رفتن هزينه برق مصرفي بـه واسـطه تغييـر تعرفـه هـاي بـرق توسـط شرکت هاي توزيع برق و نهايتاً مديريت در ارسـال ميـزان آب مـورد نياز شبکه توزيع آب شهرها اشاره کرد [٢]. در مورد عامل آخر مـي - توان اينگونه به موضوع پرداخت که يکي از فاکتورهاي موثر در ميزان آب مصرفي در شبکه هاي توزيع توسط مصرف کنندگان ، فشـار شـبکه است بطوريکه هر چه مقدار فشار در شبکه توزيع بالاتر باشـد ميـزان مصرف زيادتر شده و هر چه مصرف آب در شبکه افزايش يابد ميـزان فشار آب در شبکه توزيع کاهش مي يابـد و ايـن نکتـه مـي توانـد بـه عنوان يک فاکتور تعيين کننده در محاسبات جهت ارسال بهينـه آب به شبکه هاي توزيع توسط ايستگاه هاي پمپاژ مطرح شود.
الکتروپمپ ها چيزي در حدود يک ششم از انـرژي الکتريکـي در صنايع را مصرف ميکنند لذا مصرف بهينه انـرژي در ايـن تجهيـزات ضروري ميباشد [٣]. پارامترها و عوامل ذکـر شـده در بـالا موجـب
گرديده که شرکت آبفاي استان اقدام بـه مهندسـي مجـدد در حـوزه
مديريت مصرف الکتروپمپ ها بصورت خاص و راهکارهايي با اسـتفاده از تکنولوژي جديد موجود در بازار جهت مديريت مصرف آب و انرژي بنمايد.
مديريت و مميزي انرژي
نظام مديريت انرژي بر پايه روش شناسـي تحليـل جريـان انرژي مبتني بر مدل مفهومي سيستم مرجع انرژي و ترازنامـه انـرژي استوار بوده و شاخص هاي انرژي براي تبيين وضعيت جريان انـرژي و ارزيابي پتانسيل صرفه جويي انـرژي تنظـيم شـده اسـت . سـطحي از جريان انرژي که به همراه ترکيب ساير عوامل توليد (سرمايه و نيروي کار) به کمينه شدن کل هزينه توليد منجر شود به عنوان نقطه بهينه انرژي معرفي ميگردد. تعريف مزبور رقابت انرژي با سـرمايه و کـار را مدنظر قرار ميدهد و در صورت بروز تغييرات در فناوري توليد ، بازار عوامل توليد و ساختارهاي اقتصادي و اجتماعي ، نقطـه بهينـه انـرژي نيز تغيير پيدا ميکند. مديريت انرژي به مجموعه اي از اقدامات و ساز و کارهاي منسجم و بهم پيوسته فنـي ، اقتصـادي و مـديريتي اطـلاق ميشود که بـراي پـايش ، کنتـرل ، تثبيـت و پايـداري جريـان انـرژي سازماندهي و براي کمينه سـازي کـل هزينـه توليـد و افـزايش بـازده اقتصادي بکار گرفته ميشود. مميزي انرژي به مجموعه اي از اقدامات جهـت شناسـايي و تعيـين وضـعيت موجـود مصـرف انـرژي و ارائـه راهکارهاي مختلف جهت قرارگيري مصرف انرژي در وضـعيت بهينـه اطلاق ميگردد. به عبارتي ميتوان مميزي انرژي را به انجـام طبابـت بر روي بخش مورد نظر تعبير کرد، يعنـي مميـزي انـرژي مـي توانـد گلوگاه هاي هدررفت انرژي را مشخص کنـد تـا بـا رفـع آنهـا بتـوان مصرف انرژي بخش مورد نظر را در حد نرمـال و اسـتاندارد قـرار داد.
اين فرايند شامل بررسي روند مصرف انرژي کنوني ، بـه دسـت آوردن پارامترهاي انرژي و در نهايت تجزيه و تحليل اطلاعات بدست آمده و ارائه راهکارهاي بهينه سازي ميباشد. در حقيقت مميزي انرژي يکـي از زير شاخه ها و ابزارهاي مديريت انرژي ميباشد. در اين پروژه برخي نتايج يک مورد عملي از انجام مديريت انرژي در يکي از ايستگاه هـاي پمپاژ آب شرب شهر کرمان ارائه شده است .
طرح مسئله و نحوه حل آن
هدف : مديريت مصرف انـرژي در ايسـتگاه پمپـاژ مرکـزي
شهرستان کرمان و همچنين تامين ميزان فشـار آب بهينـه در سـطح
شبکه توزيع آب شرب شهر بـه منظـور اسـتفاده مطلـوب از ظرفيـت منابع آب موجود مخازن ذخيره .
نحوه اجرا: در ابتدا کميته اي متشکل از کارشناسان انرژي شرکت آبفا و مشاور مميزي انـرژي شـرکت تشـکيل گرديـد و در همـين راسـتا اطلاعات مورد نياز طرح جمع آوري شـد. در ادامـه ، مميـزي مصـرف انرژي و آب در سطح ايستگاه پمپاژ به روش اصـولي انجـام شـد کـه نتيجه آن ارائه پيشنهاداتي در سه بخش کوتاه مـدت ، ميـان مـدت و بلند مدت براي مديريت مصرف انرژي و آب بود که در ذيل به برخـي
از آنها اشاره ميشود:
- مديريت مصرف انرژي الکتريکي به منظور تغيير ساعت بار تا حد امکان (جابجايي بار)
- تعيين فشار بهينه آب در سطح شبکه توزيع آب شرب
- طرح ريزي برنامه دقيق نگهداري و تعميرات پيشگيرانه
- جبران سازي توان راکتيو مصـرفي ايسـتگاه بـا توجـه بـه موتوري بودن بار ايستگاه
- اسـتفاده از راه انـدازي نـرم بـراي کـاهش تـوان مصـرفي موتورها در زمان راه اندازي
- جايگزيني تجهيزات فرسـوده و بـا مصـرف انـرژي بـالا بـا تجهيزات با بازدهي بالا
- استفاده از کنتـرل کننـده هـاي دور متغيـر بـراي کنتـرل پيوسته فشار آب در سطح شبکه توزيع
پس از ارائه پيشـنهادات مـرتبط بـا بهينـه سـازي مصـرف انـرژي در ايستگاه ، پشنهادات اولويت بندي شده تا بـه ترتيـب وارد فـاز اجرايـي شوند. با توجه به اينکه پيشنهادات بلند مدت عموماَ نيازمند سـرمايه - گذاري بالايي ميباشند، جايگزيني تجهيـزات فرسـوده و بـا رانـدمان پايين نظير الکتروپمپ هاي مورد استفاده در ايستگاه در دسـتور کـار بلند مدت شرکت آبفا قرار گرفت . هر چند جـايگزيني مـذکور هزينـه بالايي را در پي خواهد داشت وليکن توجه بـه دو نکتـه زيـر اهميـت موضوع را بيشتر روشن ميکند و لذا پيشنهاد مذکور توجيه اقتصادي
نيز پيدا خواهد کرد:
١- ظرفيت نصب شده الکتروموتورها حـدود ١٨٠٠ کيلـووات
(متشکل از ١٠ الکتروموتور ١٦٠ کيلووات و ٢ الکتروموتور
٩٠ کيلووات ) است .
٢- ايستگاه پمپاژ عموماَ به صورت ٢٤ ساعته و ٣٦٥ روز سال در حال مصرف انرژي ميباشد کـه ميـزان مصـرف انـرژي ايستگاه در هر لحظه با توجه به ميزان مصـرف آب توسـط مشترکين مشخص ميشود. بـار پايـه ايسـتگاه در حـدود
٣٠% ظرفيت نصب شده ميباشد.
شکل (١) دياگرام تک خطي ساده شده شبکه برق ايستگاه پمپاژ مورد مطالعه به همراه جانمايي الکتروپمپ هاي آن که در نرم افزار
Digsilent Power Factory شبيه سازي شده است را نشان ميدهد.
ايستگاه پمپاژ مذکور داراي دو خط خروجي آب شماره ١ و شماره ٢ با سطح مقطع ٩٠٠ ميليمتر ميباشد .در شکل (١)، الکتروپمپ هاي شماره ١ تا ٦ از باس شماره ١ تغذيه مي شوند و آب شرب مورد نياز مصرف کنندگان خط ١ و الکتروپمپ هاي شماره ٧-١٢ که از باس
شماره ٢ تغذيه مي شوند آب شرب مورد نياز مصرف کنندگان موجود در خط ٢ را تامين ميکنند.
٢١ و ٢٢ تير ماه ١٣٩١ ,ACEC٢٠١٢
شکل (١) دياگرام تک خطي شبکه برق ايستگاه پمپاژ به همراه جانمايي الکتروپمپ -
هاي آن
در مواقع کم فشاري شبکه آبرساني ، يک يا دو پمـپ موجـود در هـر خط ميتواند فشار مورد نياز مشترکين را تامين کند و شبکه آبرساني نيز در شرايط عادي خود کار کند. کمبود فشار در سطح شبکه توزيع آب، نارضايتي مشترکين بخصوص ساکنين بـرج هـاي مسـکوني را در پي خواهد داشت . زياد بودن فشار شبکه نسبت به حالـت نرمـال نيـز
معايبي در پي خواهد داشت نظير:
- افزايش بيرويه نشت آب از لوله هـاي انتقـال و توزيـع بـه دليل فرسودگي قسمت هايي از شبکه
- افزايش مصرف آب (آب مصرفي توسط مشترکين متناسب
با سطح مقطع خروجي شيرها و فشار آب در محل مصرف مي باشد)
- آسيب رساندن به خطوط شبکه توزيع آب
با توجه به موارد مطرح شده ، کنترل پيوسته فشـار آب بـا توجـه بـه وابستگي آن به ميـزان مصـرف آب در شـبکه امـري اجتنـاب ناپـذير خواهد بود [٣]. در سيستم متداول موجود، کنترل فشار آب از طريق روشن و خاموش کردن الکتروپمپ هاي ايستگاه انجام ميشود. در اين روش الکتروپمپ به صورت کامل يا وارد مدار شده يا از آن خارج مي - شود. لذا ميزان مصرف انرژي آن به اندازه توان نامي آن و تغيير فشار خط نيز متناسب با توان مصرفي آن خواهد بود. در شکل (٢) کـه در يک روز کاري ياداشت شده است ميزان و نحوه تغيير فشار با استفاده
از روش مذکور نمايش داده شده است .
شکل (٢): تغييرات فشار خط انتقال آب شماره يک با روش کنترل دستي
همانگونه که از شکل (٢) بر ميآيد با ايـن روش کنتـرل ، فشـار خـط داراي تغييرات زيادي خواهد بود و اين موضوع باعث کاهش پايـداري و قابليت اطمينان خط ميشود. روابط موجود بين پارامترهاي مختلف
الکتروپمپ ها به صورت زير ميباشد:
- دبي سيال با سرعت پمپ نسبت مستقيم دارد.
- هد پمپ با مربع سرعت پمپ نسبت مستقيم دارد.
- توان پمپ با مکعب سرعت نسبت مستقيم دارد.
- انرژي مصرفي توسط پمپ در هر بازه متناسب با حاصلضرب توان در طول بازه مصرف است .
Q : دبي سيال [ليتر بر ثانيه ]
n : سرعت پمپ [دور بر دقيقه ]
H : هد پمپ [متر]
P : توان مصرفي پمپ [کيلو وات ]
E : انرژي مصرفي پمپ [کيلو وات ساعت ]
از روابط فوق درمي يابيم که توان پمپ با مکعب دبي سيال نيز نسبت مستقيم دارد. اين يعني اينکه اگر تـامين دبـي نـامي پمـپ نيازمنـد مصرف توان نامي آن باشد، تامين ٨٠% دبـي نـامي نيازمنـد مصـرف
٥٠% توان نامي پمپ خواهد بود. براي تامين ٧٠% دبي نامي ، مصـرف توان پمپ به ٣٠% مقدار نامي کاهش مييابد. لذا در مواقعي که دبي مورد نياز سيال در حال تغيير باشد اگر بتوان متناسب با تغييـر دبـي مورد نياز، توان مصرفي الکتروپمپ را کنترل کرد صـرفه جـويي قابـل ملاحظه اي در ميزان انرژي مصرفي شاهد خواهيم بود. در بسـياري از کاربردها، براي کاهش دبي آب از شير فلکه استفاده مـي شـود کـه بـا کاهش سطح مقطع عبوري سيال باعث کاهش دبي آب عبوري مـي - شود و لذا فشار در خط انتقال افزايش مييابـد. در ايـن روش ميـزان مصرف توان پمپ تغييري نسبت به حالت دبي نامي نخواهد کرد لـذا اتلاف بخش مهمي از انرژي مصرفي را شاهد خواهيم بـود. در شـکل (٣) مقايسه اي بين ميزان مصرف توان در دو حالـت کنتـرل دبـي بـا استفاده از شير فلکه و تغيير تعداد دور الکتروپمپ با تـوان نـامي ٢٥ اسب بخار انجام گرفته است . همانطور که از شکل ملاحظه ميشود با استفاده از روش کنترل دور ميتوان به صرفه جويي قابـل ملاحظـه اي در ميزان توان مصرفي الکتروپمپ مورد نظر دست يافت .
شکل (٣): مقايسه ميزان صرفه جويي توان در روش کنترل دور پمپ نسبت
به روش کنترل با شير فلکه
با توجه به شکل (٣)، در دبي هاي پايين استفاده از روش کنتـرل دور پمپ بسيار مقرون به صرفه خواهـد بـود [٤]. طبـق رابطـه ٤، تـوان سرعت مصرف انرژي را نشان ميدهد لذا براي کاهش مصـرف انـرژي در يک پروسه نوعي بايد يا زمان انجام پروسه را کاهش داد يا سرعت مصرف انرژي که همان توان است را کاهش داد. معمولاَ تغييـر زمـان انجام پروسه سخت تر از کاهش توان مصرفي است .
يافتن راه حل مسئله و نتايج عملي
طبق آنچه که گفته شد، الکتروموتوري که در مواقع کمبود فشار خط وارد مدار ميشود با ظرفيت نزديک به توان نامي خود توان مصرف ميکند که ممکن است اين ميزان توان مصرفي لازم نباشد و اگر بتوان موتور را با کسري از توان نامي خود وارد مدار کرد هم فشار خط به خوبي کنترل شده و هم بهينه سازي در مصرف آب و انرژي
