Pis Su Uygulamalarında En Etkili Enerji Kontrolü

Karbon ayak izi ve sürdürülebilir çalışma ile ilgili konuların daha sistemli bir şekilde analiz edilmesi için kanalizasyon şebekeleri çalışmalarının optimize edilmesi gerekmektedir. Bu şebekelerdeki başlıca enerji tüketicileri pis su pompalarından oluşmaktadır. Bu nedenle söz konusu pompaların kabul edilebilir koşullar altında çalışması önem taşımaktadır çünkü ancak bu şekilde kanalizasyon şebekelerinde meydana gelen karbon ayak izi oranı azaltılabilir.

Bu makalede pis su pompa pitlerinin kontrolü üzerinde durulmuştur. Bu tür pitlerde kullanılan pompalar genelde iki veya daha fazla seviye ayarına göre kontrol edilir. En sık rastlanan biçimi şu şekilde açıklayabiliriz: Pis su önceden belirlenmiş bir başlangıç seviyesinin üzerine çıktığında pompa başlatılır ve pis su önceden belirlenmiş durdurma seviyesine inene kadar da pompa çalıştırılmaya devam edilir. İki pompalı bir pompa pitinin çizimi şekil 1'de görülmektedir.

Şekil 1

Tipik bir pis su pompa piti.

Pompa normal koşullar altında kısa bir süre boyunca transfer işlemi yaparak gelen pis suyu gönderebilir. İkinci pompa asıl pompanın arıza yaptığı durumlarda veya anormal koşullarda (yağmur suyu) yedek pompa olarak görev yapar. Pompalar normalde "asıl/yedek pompa" döngüsü içinde kontrol edilir ki bu da bir ayda veya yılda her iki pompanın çalışma süresinin da aynı olduğu anlamına gelir.

Bir pompanın pis suyu kısa bir çalışma süresinde gönderebilmesi enerji tasarrufu kontrolü konusunda büyük bir potansiyel anlamına gelmektedir. Bu, uygulamanın niteliğine göre değişebilir. Belli bir miktardaki pis suyun hareket ettirilmesi için pis su pompaları tarafından kullanılan enerji bu pompaların verimliliğini tanımlar. Bu enerji tüketimine özgül enerji adı verilir ve bu enerji pompaya, pompa çukuruna ve ana boruya göre değişir. Özgül enerji aşağıdaki denklem [1] kullanılarak hesaplanır:

Özgül Enerji = Enerji / Hacim

Denklemdeki "Enerji", söz konusu pis su hacmini hareket ettirmek için pompa tarafından kullanılan enerjiyi temsil eder. Pompa özgül enerjiyi hızını ayarlayarak kullanır. Şekil 2'de bir adet "Grundfos S2, 56 kW" için pompa frekansı ve özgül enerji karşılaştırması yapılmıştır. Bu karşılaştırmada üç farklı uygulama ele alınmıştır:

• Kaldırma yüksekliği 17 m ve dinamik basıncı 1.8 m olan bir kaldırma uygulaması. Söz konusu kaldırma uygulamalarında kaldırma basıncı dinamik basınçtan hayli büyüktür.
• Kaldırma yüksekliği 10 m ve dinamik basıncı 8.8 m olan bir kaldırma/taşıma uygulaması. Söz konusu kaldırma/taşıma uygulamalarında kaldırma basıncı ile dinamik basıncı benzerdir.
• Kaldırma yüksekliği 3 m ve dinamik basıncı 15.8 m olan bir taşıma uygulaması. Söz konusu taşıma uygulamalarında kaldırma basıncı dinamik basınçtan hayli küçüktür.

Şekil 2:

Bir adet Grundfos S2, 56 KW'nin özgül enerjisinin iki farklı uygulama (kaldırma ve taşıma uygulamaları) için karşılaştırılması.

Bu şekilden de görüldüğü üzere taşıma uygulamalarında tasarruf elde edilmesi kaldırma/taşıma uygulamalarına nazaran daha büyük bir gerekliliktir. Ayrıca yine şekilden görüldüğü üzere özellikle de frekans konvertöründen kaynaklanan fazladan kayıplar söz konusu ise kaldırma uygulamalarında tasarruf mümkün değildir.

Hızın ayarlanması gerekiyorsa bir frekans konvertörü gereklidir. Sabit hızlı uygulamalarda frekans konvertörüne ihtiyaç duyulmaz. Yalnız şunu da belirtmek gerekir ki taşıma uygulamalarında en uygun frekans en azından uygulamada gerçekleştirilemez. Bu konuya daha sonra tekrar değineceğiz. Kaldırma/ taşıma uygulamasındaki ve taşıma uygulamasındaki tasarruf potansiyeli sabit hızlı bir pompayla karşılaştırıldığında sırasıyla % 30 ve % 76'dır. Her ne kadar Şekil 2'den kaldırma uygulamalarında tasarruf elde etme potansiyelinin olmadığı görülse de çalıştırma koşullarında yapılacak bazı değişikliklerle sistemin tasarımına göre tasarruf elde edilebilir.

Bu durum bazen atıksu arıtma tesislerindeki besleme pompaları için de geçerlidir.

Bu tesislerdeki depolama alanlarının girişi farklı seviyelerde ve farklı pompa koşullarına uygun olarak kontrol edilir. Bu tür durumlarda hız kontrollü akıllı pompa tasarımı enerji tasarrufu yapabilir. Montaj tamamlandıktan sonra pis su pompalarının tasarruf kapasiteleri hem pompa sisteminde hem de pompanın kendisinde değişen davranış ve arızalardan etkilenir. En önemli etkiler şu şekilde sıralanabilir [1], [2]:

• Debi ve pompa sistemi kapasitesi arasındaki dengede meydana gelen değişimler ve farklılıklar. Bu değişimler pompaların performanslarını en uygun çalıştırma koşulları altında sergilemediği anlamına gelmektedir.
• Pompalarda meydana gelen aşınma ve tıkanma zaman içinde tasarruf oranını da etkiler.
• Hava cepleri, birikintiler ve biyo-malzeme tabakaları ana borunun hidrolik direncini etkiler.
• Boru ve çek valflerdeki sızıntılar pompa sisteminin debisinde de sızıntı yaşanmasına neden olur.

Tüm bunlar, pompa kontrolörü ne işlev yüklenirse yüklensin pompa çalışmasını etkileyecektir. Fakat mevcut koşullar altında pompa çalışmasını optimize etmek mümkündür. Bu da pompa hızını sürekli olarak mümkün olan en ideal değere ayarlamakla sağlanabilir. Bu işleme şu adı veriyoruz: "Talep Doğrultusunda Performans".

Bu makale, talep doğrultusunda performans elde etmek için izlenmesi gereken yolu anlatmaktadır. Pompa çalışmasında en yüksek tasarrufu sağlamak çoğu zaman çok zor olmayan ve fazla zaman almayan bir takım adımlardan oluşmaktadır.

Pis su pompalarında en etkili enerji kontrolü için en sık kullanılan yöntem hızı el yordamıyla optimal seviyeye ayarlamaktır. Bu, genelde ölçüm için gerekli ekipmana sahip özel olarak eğitilmiş teknik uzmanlarca yapılmaktadır. Bu yöntem hız ayarlamasının yapıldığı sırada hüküm süren koşullar altında ulaşılabilecek en iyi çalışmayı garanti eder. Burada önerilen sistem hız ayarlama işlemini sürekli olarak gerçekleştirir ve böylece her zaman mümkün olan en iyi çalışmayı sunar.

Sürekli Enerji Optimizasyonu

"Talep - Doğrultusunda - Performans" Grundfos Özel Kontrol Sistemleri'nin uyguladığı bir optimizasyon ve kontrol yöntemi aracılığıyla gerçekleştirilir. Bu sistemler sürekli olarak en iyi çalışma noktasını arar. Söz konusu çalışma noktası için yapılan aramalar pompa çukurundaki seviye ayarlarına uyacak şekilde yapılır.

Bu şu anlama gelir: Kontrol sayesinde her zaman Şekil 1'deki başlatma seviyesine uyulur ve böylece pompalar pis suyu maksimum hızda gönderebildikleri sürece aşırı debinin de önüne geçilmiş olur. Aşırı debi sorununun olmadığı durumlarda kontrol minimum özgül enerjiyi sağlayacak hızı bulur.

Şekil 2, iki farklı uygulamaya ait enerji eğrilerini göstermektedir. Bu şekil 41.5 Hz'nin, sistemde bulunan bir metre küp pis suyun en az enerji kullanılarak hareket ettirildiği kaldırma/taşıma uygulaması için ideal olduğunu göstermektedir. Taşıma uygulamasında 18.5 Hz. idealdir.

Grundfos Özel Kontrol Sistemleri algoritması arama için belirlenen sınırlamalara uygun olarak her zaman en ideal olanı araştırır. Kullanıcı, sistemi çalıştırmadan önce pompa performansını hesaplamak veya ölçmek zorunda değildir.

Her durumda optimal sonuca ulaşılır. En iyi çalışma noktasını bulmak için Özel Kontrol Sistemleri ile bir başlangıç araması yapmak mümkündür. Bu şekilde kullanıcı kuruluma en uygun olan hızı görebilecek ve bu hızın söz konusu uygulama için yeterli veya uygun olup olmadığı kararını verebilecektir. Daha sonra çalışma noktası sistemdeki olası değişimler için ayarlanır.

Özgül enerjinin elde edildiği frekans zaman içinde değişebilir. Bunun nedenleri şu şekilde sıralanabilir:

• Hava cepleri, birikintiler ve biyo-malzeme tabakaları ana borudaki dinamik basınç kayıplarını arttırır.
• Jeodezik biçim nedeniyle ana borunun yüksekliğinde meydana gelen değişimler.
• Pompadaki aşınma ve tıkanmalar.

Ana borunun düzeni genelde arazinin jeodezik biçimine göre tanımlanır. Şekil 3'te bir sistemin çizimi bulunmaktadır. Bu şekilde ana boru eğri bir şekle sahiptir ve bu eğride iki pompa piti arasında uzanan yarım bir tümsek bulunmaktadır.

Ana borudaki tümsek, hava tahliye bölümleri tasarlanmamışsa hava ceplerine neden olabilir. Hava cepleri, birikinti ve biyo-malzemelerin etkileri ile birlikte çalışma sırasında büyük önem taşıyan ana borunun dinamik basıncını değiştirir.

Dinamik basınç çok yüksek olduğunda ana boru temizlenir ve böylece yeniden açıklanması gereken yeni çalışma koşulları meydana gelir.

Şekil 3:

Bir ana boru ile bağlanmış ikili bir pompa piti ve eğrileri

Son olarak; giriş kısmında biriken veya toplanan katı maddeler ve toz nedeniyle pompada meydana gelen tıkanma ve aşınma pompanın çalışmasını etkiler.

Bu, en etkili enerji kontrolü için pompa çalışmasının da ayarlanması gerektiği anlamına gelmektedir. Optimizasyon ve kontrol yöntemi çalışma koşullarındaki değişimleri karşılasa da sorunu ortadan kaldırmak daha iyi bir çözümdür.

Bu genellikle Grundfos Özel Kontrol Sistemleri'nde mevcut yıkama işlemleri ve "ters pompa hızı" işlemleri için mümkündür. Bu temizleme işlemleri Özel Kontrol Sistemleri'nde şu yollarla başlatılabilir:

• Belirlenen zaman aralıklarında temizleme yapacak bir zaman işlevi
• Akım ve enerji tüketimi gibi elektrik sinyalleri aracılığıyla pompanın çalışma koşullarını denetleme.

Yukarıda anlatılan pompa koşullarındaki değişimler ve kolay çalıştırma, Grundfos Özel Kontrol Sistemleri ile talep doğrultusunda performans sunma başlıca nedenlerimizi oluşturmaktadır.

Enerji Optimizasyonu ile İlgili Noktalar

Pis su pompa pitlerinde sağlanacak en etkili enerji kontrolü için bazı önemli noktaların farkında olmak önem taşımaktadır. Enerji optimizasyonundan önce özellikle şu koşulların yerine geldiğinden emin olunmalıdır:

• Atıksu hızı, pompa pitinde ve ana borudaki birikintiyi engelleyecek kadar yüksek olmalıdır.
• Pompa debisi, pite giden giriş debisinden yüksek olmalıdır.

Birçok geleneksel atıksu pompa sistemleri paket pompa çalışmasına dayanmaktadır ve hızı sabit olan bu pompalar tasarım parametreleri tarafından belirlenen debi hızlarına sahiptir. Fakat bu türdeki bir pompa çalışması, performansın kullanıcının gerçek ihtiyaçları ile her zaman örtüşeceği anlamına gelmez.

Şekil 4:

Debi sensörlerinin ve/ya debi hesaplamanın olması gereken çevrelerden örnekler.

Şekil 5:

Sistem ve Şekil 2'de analiz edilmiş üç sistemin optimal pompa eğrisi.

Talep doğrultusunda performans gibi bir çalışma yöntemi seçilirse kendinden temizleme işlevleri, sistemin belirlediği hız değerlerine göre sürdürülmelidir.

Pompanın düşük hızda çalışmasının sonuçları araştırılır [3], [4] ve Şekil 4'te

gösterildiği gibi pompada tıkanmalar ve ana boruda birikintiler yaşanabilir.

Bu nedenle minimum atıksu hızı talep doğrultusunda- performans kontrolü ile belirlenmelidir. Şekil 2'deki özel enerji eğrilerini gözden geçirebilirsiniz. Bu eğriler,

Şekil 5'te gösterilen üç sistemin eğrileri temel alınarak hazırlanmıştır.

Maksimum hızda üç sistemin eğrileri kesişir ve böylece pompa performansları üç durumda da birbirine eşit olur. Kaldırma/taşıma ve taşıma uygulaması için en uygun olan hız eğrileri de gösterilmektedir. Kaldırma uygulamasında enerji tasarrufu potansiyeli yoktur. Optimal hızdayken taşıma uygulamasının çalışma noktası pompanın düşük hızda çalışmasına neden olur ve bu nedenle debi hızı da düşer.

Fakat Grundfos Özel Kontrol Sistemleri talep-doğrultusunda-performans kontrolü için minimum bir frekans ayarlayarak bu durumu engeller.

Talep-doğrultusunda-performans kontrolü için minimum bir frekans seçilse de birikintilerin ve tortuların önüne geçmek için atıksu hızı hâlâ çok düşük olabilir. Bu nedenle her pompa kurulumuna bir yıkama sırası dâhil edilebilir.

Yıkama sırası pompayı 20 saniye için 50 Hz'de başlatabilir ve 20 saniyeden sonra hız en uygun enerji hızına düşer. Bu sayede pompa optimal enerji çalışma hızındayken bile birikintiler sıvı içine gönderilir ve pis su ile birlikte ana boruya transfer edilir.

Sonuç ve Gelecek için Tasarlanan Özellikler

Bu makalede pis su pompa pitlerinde enerji optimizasyonu için neler yapılabileceğini ve tam fayda sağlamak için optimizasyon işleminin sürekliliğinin neden önem taşıdığını tartıştık. İyileştirme potansiyeli hayli yüksek olsa da pompa hızını ve dolayısıyla da sıvı hızını düşürmenin neden olduğu dezavantajların farkında olmak önemlidir. Bu sorun Grundfos Özel Kontrol Sistemleri'nde bulunan bir çift özellikle çözülebilmektedir.

Yıkama sırası pompa her başlatıldığında ana boruyu yıkamak için kullanılabilir ve iyi seçilmiş bir minimum pompa hızı yıkama işleminin ardından birikinti oluşmasının önüne geçecektir. Talep-doğrultusunda-performans sayesinde sistemde meydana gelen değişikliklere rağmen enerji tüketimi minimum seviyede tutulmaktadır.

Bunun dezavantajı ise bir debi sensörüne ihtiyaç duyulmasıdır. Fakat Grundfos Araştırma &Teknoloji çalışmalarının debiyi yalnızca basınç, seviye ve elektrik ölçümlerinden hesaplayabilecek bir debi tahmin yöntemi geliştirmesi beklenmektedir [5].

Referanslar

1. PSO 336-005 (2006) çalışma grubu.
2. Eckard, Robert (2008). Pompanın enerji kullanımını optimize etmek. Kontrol mühendisliği. Temmuz 2008.
3. Thamsen P.U., Tornow M. and Oesterle M. (2008). Sistem yaklaşımı ile pis su pompa pitlerinin optimizasyonu. Pompa Kullanıcıları Uluslararası Forumu 2008, Düsseldorf, Almanya.
4. Kröber, W.L. and Bubelach T. (2008). Berliner Wasserbetriebe'deki pis su pompalarının hız kontrolü ile çalıştırılması. Pompa Kullanıcıları Uluslar arası Forumu 2008, Düsseldorf, Almanya.
5. Carsten Skovmose Kallesøe and Mick Eriksen. Pis su Pompa Pitlerindeki Pompaların ve Çalışma Koşullarının Denetlenmesi. Su Uygulaması ve Teknoloji [online bülten]. : http:// www.iwaponline.com/wpt.2010