سیستم های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر

جایگزینی سیستم های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر به جای مخازن هوایی جهت مقابله و کاهش صدمات ناشی از زلزله بر تاسیسات آبرسانی

چکیده : می دانیم از مخازن ذخیره آب در زمینه های مختلف (آب شرب شهری و روستایی ، مصارف آب کشاورزی ، مصارف آب صنعتی و … ) استفاده می شود و مخازن ذخیره آب به عنوان  یکی از اجزاء ضروری شبکه های تامین و توزیع آب محسوب می گردد .از چند دهه پیش با توسعه  صنعت و تکنولوژی و ساخت پمپ های دورانی و توانایی بشر در انتقال آب به ارتفاع بالاتر، مخازن هوایی از جنس های مختلف مورد بهره برداری قرار گرفته اند . زلزله به عنوان یک رخداد طبیعی بارها باعث تخریب دست ساخته های بشر از جمله مخازن ذخیره آب شده است . بر اثر وقوع زلزله برای مخازن هوایی علاوه بر مسائل معمول ( شکستگی دیواره ها ، سقف مخزن ، کف مخزن و اتصالات ورودی و خروجی مخزن و … )  موضوع سقوط مخزن نیز دور از انتظار نمی باشد (مانند سقوط مخزن هوایی شهر رشت در واقعه زلزله رودبار و منجیل ) . جدیدا با استفاده از دستگاه های کنترل دور فرکانسی موتور می توان دور الکتروپمپ ها را  کنترل نمود . با تغییر دور الکتروپمپ  دورانی ، منحنی مشخصه پمپ تغییر کرده و محدوده کاری الکتروپمپ وسعت پیدا می کند ، به طوری که یک الکتروپمپ ثابت می تواند در فشارها و دبی های مختلف و با راندمان مناسب کار کرده و نیاز آبی ما را برآورده سازد.در این مقاله با بررسی فنی و اقتصادی هر دو سیستم آبرسانی ، مشاهده می شود که استفاده از مخازن زمینی مجهز به ایستگاه های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر، علاوه براینکه نسبت به حوادث و اتفاقات ایمن تر است ،همچنین  بسیار ارزان تر و مناسب ترمی باشد.

1 ) مقدمه

و از آب هر چیزی را زنده گردانیدیم

انسان همانند هر موجود دیگری به آب وابسته است و جوامع بشری بدون وجود آب شکل نمی گیرند . در همین راستا انسان برای تامین آب مورد نیاز خود در تمام طول سال در جاهایی که آب وَ جَعَلنَا مِنَ المَاءِ کُلَّ شَيءٍ حَي

جاری به طور دائم موجود نبوده است اقدام به ذخیره آب در مخازن آب نموده است .

مخازن ذخیره آب در گذشته به شکل آب انبارها مرسوم بوده اند . آب انبارها با قدمت چند صد ساله در نقاط مختلف دنیا موجود می باشند .

با اختراع پمپ و توانایی انسان در انتقال آب به ارتفاع بالاتر مخازن زیرزمینی آب (آب انبارها ) نیز به مخازن زمینی و مخازن هوایی آب تغییر شکل دادند .

حجم کل مخازن آب مورد نیاز یک شهر بر اساس جمعیت تحت پوشش ، متوسط سرانه مصرف آب ، شرایط تامین آب و … به طور متوسط به ازای هر خانوار یک متر مکعب در نظر گرفته می شود .

برخلاف آب انبارها که از جنس ساروج ساخته می شدند مخازن ذخیره آب زمینی به طور معمول بیشتر از جنس بتن مسلح ساخته می شوند . برای مخازن هوایی نیز بیشتر از جنس فلز (فولاد ضد زنگ یا آهن گالوانیزه ) استفاده میشود.

با توجه به اینکه مخزن از چه جنس و چه کیفیت و با چه حجم ، چه شکل و چه ارتفاعی ساخته شود هزینه های متفاوتی دارد.اما به طور معمول هزینه ساخت مخازن هوایی بیش از دو تا سه برابر مخازن زمینی می باشد .

همچنین برای ایمنی مخزن هوایی در مقابله با زلزله نیز یک سری هزینه های دیگری نیز لازم است .

از طرف دیگر مسائل و مشکلات مخازن هوایی خیلی بیشتر از مخازن زمینی است به طوری که عمر مفید این مخازن به خاطر کوتاهی در تعمیر و نگهداری به ندرت تا بیش از سی سال می رسد .

در گذشته سیستم های توزیع آب شهری که از مخازن هوایی تغذیه می شدند  نسبت به سیستم های پمپاژ ارجحیت داشتند . اما امروزه با ورود تکنولوژی جدید (استفاده از الکتروپمپ های با دور متغیر ) و بنا به دلایلی که در ادامه ذکر خواهد شد استفاده از شبکه های پمپاژی نسبت به شبکه های ثقلی( تغذیه شده از مخازن هوایی) مناسب تر می باشد.

از طرف دیگر مخازن هوایی نسبت به مخازن زمینی در مقابل زلزله آسیب پذیرتر و خطر سازتر می باشند که مجموعه عوامل فوق ، جایگزینی مخازن ذخیره زمینی به همراه سیستم های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر را به جای مخازن هوایی ارجحیت می بخشد .

این مقاله یک مقاله کاربردی می باشد و به صورت عملی در چند نقطه (چند شهر ) کار شده است .

2 ) ساخت مخازن هوایی و هزینه های آن :
  می دانید طراحی و محاسبات مخازن هوایی نسبت به مخازن زمینی پیچیده تر و حساس تر می باشد و عوامل تاثیر گذار در طراحی آن بیشتر از عوامل تاثیرگذار در طراحی مخازن زمینی می باشد بنابراین مصالح به کاربرده شده و هزینه ساخت آن نیز بیشتر و گران تر  می باشد.

مخازن هوایی از جنس های مختلف ساخته می شوند که متداول ترین آنها از جنس بتن یا فلز (فولاد ، آهن گالوانیزه) می باشند. ساخت مخازن هوایی  حدود دو تا سه برابر مخازن زمینی هزینه بردار است به طوری که اگر متوسط هزینه ساخت مخازن زمینی بتنی به ازای هر متر مکعب 150 هزار تومان باشد هزینه مخازن هوایی بتنی یا آهنی به ارتفاع 20 متر ، به ازای هر متر مکعب بیش از 300 هزار تا 500 هزار تومان می باشد .

3) بهره برداری از مخازن هوایی و مشکلات آن:

      اینجانب در طول خدمت در شرکت آب و فاضلاب استان قزوین از نزدیک مشاهده کرده ام که مسائل و مشکلات مخازن هوایی به مراتب بیشتر از مسائل و مشکلات مخازن زمینی می باشد. از جمله مشکلات مخازن هوایی به شرح زیر می باشد :

1. بهداشت داخل مخازن هوایی نادیده گرفته می شود و اگر هم آلودگی در داخل مخزن هوایی گزارش شود به ندرت شخص یا اشخاصی داوطلب می شوند که با بالارفتن و ورود به مخزن هوایی این مهم را انجام دهند .ضمن اینکه بارها دیده شده است که پرندگان در بالای مخزن هوایی لانه کرده اند و آلودگی به داخل مخزن هوایی سرایت نموده است .

2. مخازن هوایی فلزی پس از مدتی زنگ زدگی پیدا می کنند و لازم است زنگ زدایی و رنگ آمیزی شوند ، هزینه این کار هم بسیار بالا است .

3. چون اکثر مخازن هوایی مجهز به فلوتر ( ارتفاع سنج سطح آب) می باشند با خرابی فلوتر یا آب تزریق شده به مخزن هوایی سرریز نموده و هدر رفت آب افزایش می یابد و یا حجم مفید مخزن به شدت کاسته شده و الکتروپمپ تزریق کننده به مخزن هوایی به کرات خاموش و روشن می شود و این موضوع به شدت از راندمان و طول عمر مفید الکتروپمپ کاسته و باعث خسارت مالی می گردد .در این رابطه اینجاب حداقل سوختن چندین دستگاه الکتروپمپ را در کمتر از یک سال شاهد بوده ام. از جمله مانند خرابی فلوتر مخزن هوایی شهرک چوبیندر قزوین که در شبانه روزبیش از 20 بار خاموش و روشن می شد و کسی خبر نداشت و الکترو پمپ آن سوخت و با تعویض الکتروپمپ و تعمیر فلوتر مجدد فلوتر خراب شد و این کار چند مرتبه تکرار شد .

4. مسئله دیگری که حائز اهمیت است طول عمر کم مخازن هوایی است زیرا مسائل مختلفی باعث می شود پس از مدتی کارایی این مخازن از بین رفته و از مدار بهره برداری خارج شوند ازجمله در مناطق شهری و روستایی با افزایش جمعیت ساکن و توسعه شهر یا روستا و افزایش ارتفاع ساختمان ها ، فشار آب ناشی از مخازن هوایی جوابگوی جمعیت مصرف کننده را نمی دهد و به تبع آن الکتروپمپ ها تامین آب مورد نیاز جامعه را بر عهده می گیرند .

5. همچنین مسئله مهم دیگری که شایان توجه است ، مسئله دفاع غیر عامل با موضوعیت استتار و اختفا می باشد که برای مخازن هوایی چنین امکانی وجود ندارد اما برای مخازن زمینی و مدفون کاملا رعایت شده می باشد

6. مسئله ديگري كه کمتر مورد توجه قرار مي گيرد ،موضوع سقوط مخازن هوايی به علت تند باد است كه چنین اتفاقی براي مخزن هوايی فلزی ارداق از توابع شهر بوئين زهرا در سال 1385 اتفاق افتاد. و البته این مخزن با بیش از 20 سال سن و با وجود فرسودگی در مدار بهره برداری قرار داشت .

7. حتي بعد از اينكه مخازن هوايی از مدار بهره برداري خارج مي شوند براي تخريب و برداشتن مخازن هوايي هزينه سنگيني نياز است به طوري كه براي تخريب يك مخزن هوايي فلزي به حجم 150 متر مكعب و ارتفاع 20 متر ، سال گذشته مبلغ 10 ميليون تومان به پيمانكار پرداخته شد و براي تخريب و برداشتن منبع هوايي بتني 2500 مترمكعبي مبلغ پنجاه ميليون تومان درخواست شده است

8. سوختن مکرر الکتروپمپ : در بعضی جاها که حجم مخزن هوایی خیلی کمتر از نیاز روزانه شهر می باشد و نوسانات مصرف شدید است چنین اتفاقاتی رخ می دهد (مانند الکتروپمپی که به مخزن هوایی شهرک صنعتی آراسنج بوئین زهرا پمپاژ می کرد ).

9. در فصل زمستان و در ایام بسیار سرد سال یخ زدگی آب در مخازن هوایی دور از انتظار نیست .

4 ) الکتروپمپ های دور متغیر و خصوصیات آن:

  پمپ ها وسايلی هستند که باعث انتقال انرژی مکانيکی از موتور به آب می شوند وانرژی مکانيکی موتور را به انرژی جنبشی و فشاری آب تبديل می کنند .اين انرژي ذخيره شده در آب باعث انتقال آب از جايي به جاي ديگر مي شود .

 مي دانيد اکثر الكتروپمپ ها داراي الكتروموتورهاي دور ثابت مي باشند و بنابراين منحني مشخصه آنها ثابت مي باشد لذا مطابق منحني مشخصه الكتروپمپ با تغيير ارتفاع پمپا‍ژ ، آبدهي پمپ و راندمان پمپ نيز تغيير مي كند كه اين تغيير ممكن است باعث ناتواني كاركرد الكتروپمپ در شرايط جديد گردد.

براي مثال اگر يك الكتروپمپ براي نقطه كار (Q=100 m3/hr و H= 40 m) انتخاب شده باشد با تغيير هد پمپاژ از 40 به 60 m، آبدهي پمپ نيز از 100 به 70 m3/hr  كاهش مي يابد و ضمن راندمان کاری الکتروپمپ نیز تغییر می کند.

گرچه در الکتروپمپ هاي با دور ثابت، امکان کارکرد مناسب پمپ در دبي ها و هدهاي متفاوت وجود ندارد و معمولا براي يك دبي و هد ثابت انتخاب مي شوند اما در الكتروپمپ هاي دور متغير با تغيير دور پمپ ، دبی و هد پمپاژ نيز تغيير می کند.با استفاده از سيستم کنترل دور پمپ ، بدون تغيير زياد در راندمان پمپ ، دبی و هد پمپاژ مورد نياز را تامين نمود.

استفاده از کنترل دور فرکانسی موتور ( اينورتر ) برای الكتروپمپ مزايای زير را به همراه دارد.

• افزايش راندمان نقطهء کار پمپ

• افزايش ضريب توان در نقطه کار الکترو پمپ

• قابليت تغيير نقطه کار پمپ با توجه به تغيير منحنی شبکه

• صرفه جويی در مصرف انرژی

• تامين افت فشار شبکه

• افزايش طول عمر الکترو پمپ

• عدم ايجاد ضربه آبی و پيش گيری از حوادث آب ( شکستگی لوله ها ، پروانه پمپ و ….)

• قابليت برنامه ريزی و مديريت

5 مقایسه مصرف انرژی در دو روش آبرسانی (تغذیه از مخازن هوایی و تغذیه از ایستگاه های پمپاژ 

آب چاه كه از اعماق زمین به مخزن هوايي پمپاژ مي شود ، انرژي مصرف مي كند . به عبارت ديگر تنها در صورتی آب از اعماق زمین به مخزن هوايي در ارتفاع بالاتر منتقل مي شود كه انرژي پتانسیل را در خود ذخيره نماید و هر چه ارتفاع پمپاژ ببیشتر باشد مصرف انرژي ببیشتر مي باشد.

     Eρ   =    m * g * hانرژي پتانسیل

m:جرم

g:شتاب ثقل

h:ارتفاع از سطح

در سيستم هاي آبرساني كه از مخازن هوايي تغذيه مي شوند ، چون ارتفاع مخزن هوايي ثابت است بنابراين انرژي ذخيره شده در حجم واحد آب در ساعات مختلف شبانه روز ثابت است.گرچه براي انتقال آب به فاصله هاي دور از مخزن هوايي به انرژي ذخيره شده در آب  نياز است اما اگر بخواهیم آب مخزن هوايي را در پائین مخزن هوايي مصرف كنيم و نيازي به فشار آب نداشته باشیم ، باز هم همزمان با مصرف آب انرژي ذخيره شده در آب نيز هدر مي رود.به عبارت دیگر انرژی مصرفی بیش از انرژی مورد نیاز می باشد .

اما در سيستم هاي آبرساني كه از الکتروپمپ ها با دور متغير استفاده مي شود ،انرژي ذخيره شده در آب ، بر اساس ارتفاع پمپاژ متفاوت مي باشد . به عبارت ديگر مقدار ارتفاع پمپاژ متغير بوده و مقدار انرژي درون آب نيز متغير مي باشد. بنابراين در اين سيستم ها مي توان فشار شبکه آب را در طول شب ها كه به فشار آب کمتري نياز است ، کاهش داده و مصرف انرژي را كاهش داد.

و به طوری که در نمودار مشخص است ، مشاهده می شود :   > SA > SC SB   یعنی مصرف انرژی در سیستم های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر کمتر از مقدار مصرف انرژی در مخازن هوایی می باشد .

6 ) مقایسه هدر رفت آب در هر دو روش (تغذیه از مخازن هوایی و تغذیه از ایستگاه های پمپاژ )

    مقدار خروج آب از لوله متناسب با فشار آب است .یعنی در فشارهای بالا مقدار جریان افزایش یافته و لذا تلفات آب ناشی از نشت آب نیز زیاد می شود به طوری که با افزایش فشار از 1.8 به 3.3 اتمسفر ، تلفات ناشی از نشت آب هم تقریبا 30 درصد افزایش می یابد. بنابراین در شرایط معمول شبکه های آبرسانی شهر ها ، با عنایت به اینکه در شب ها با کاهش مصرف آب ، فشارشبکه آب افزایش می یابد ، نشت آب در شب ها بیشتر از روزها می باشد .در شبکه هایی که به صورت ثقلی از مخازن هوایی تغذیه می شوند ، به خاطر اینکه فشار آب برای حداکثر مصرف طراحی می گردد بنابراین در زمان هایی که مصرف آب کاهش می یابد فشار آب افزایش می یابد و نشت آب نیز به طور معمولی افزایش می یابد و لذا برای جلوگیری از این مسئله شرکت های توزیع آب شهری ناچار به استفاده از سیستم های پیشرفته کنترل فشار می باشند .

     اما در شبکه های پمپاژ مستقیم که از الکتروپمپ های مجهز به کنترل دور فرکانسی موتور استفاده می کنند با استفاده از سنسورهای فشار ، مقدار فشار شبکه آب بررسي و مقدار هد پمپاژ کنترل می شود و به تبع آن نشت آب شبکه آبرسانی هم کاهش می یابد .

7 ) مخازن هوایی آب و زلزله  :

         می دانیم زلزله نیروهای مختلفی را به سازها وارد می کند و به تبع آن تنش های مختلفی  در سازه ایجاد می شود. به طور کلی هر سازه که بر زمین اتکا داشته باشد حین زلزله تحت اثر تنش مولفه حرکت زمین قرار می گیرد که شامل دو مولفه جانبی ، یک مولفه حرکت قائم و سه مولفه پیچشی حول محورهای مختصات سازه می باشد . تحلیل و بررسی عملکرد سازه ها در زمان زلزله پیچیدگی خاصی دارد و این پیچیدگی از یک سو و از سوی دیگر لزوم درک اندرکنش مخزن و آب در زمان بارگذاری و تحت تحریک دینامیکی ( تلاطم آب در مخزن ) تحلیل سازه های مخازن هوایی را پیجیده تر می کند که در این مقاله نمی گنجد .

       اما بر اساس مطالعات انجام شده به نظر می رسد که ضوابط مندرج در آئین نامه  2800 زلزله برای محاسبه مخازن هوایی آب پایین تر از حد اطمینان می باشد و این موضوع توسط برخی از متخصصین تائید شده است .

8 ) مخازن زمینی مجهز به ایستگاه پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر هنگام زلزله:

مشكلات سازه اي مخازن زميني در مقابله با زلزله بسيار كمتر از مخازن هوايي مي باشد اما از لحاظ اتصالات و شيرآلات ورودي و خروجي و ايستگاه پمپاژ و تامين برق اضطراري لازم است تمهيدات لازم انديشيده شود.  برخي از كارهاي اساسي كه در بهره برداي از مخازن ذخيره جهت مقابله با زلزله ضروری مي باشد به شرح زیر مي باشد

1. نصب شیرهای اضطراری خودکار(emergency valve or shut off valve ) در خروجی مخازن ( تا در هنگام زلزله آب موجود در مخازن از بین نرود )

2. استفاده از اتصالات ضد لرزه ای در ابتدای خطوط انتقال اصلی و خروجی مخزن

3. تجهیز ایستگاه های پمپاژ به دستگاه دیزل ژنراتور و مقاوم سازی اتاقک دیزل ژنراتور در مقابل زلزله تا در صورت قطع جریان برق ، تامین آب شرب با مشکل مواجه نشود

9 ) نتيجه گيري  و جمع بندي

       مخازن هوايي به عنوان يكي از اجزا شبكه هاي آبرساني در نقاط مختلف کشور وجود دارند اما تا اتفاقي براي آنها رخ ندهد كمتر كسي به فكر جايگزيني براي آنها مي افتد . اينجانب در مدت 10 ساله خدمت در شرکت آب و فاضلاب استان قزوین با تعداد زيادي از اين مخازن روبه رو شده ام كه از مدار بهره برداري خارج شده و غیر از هزینه های اضافی ،خطرات بالقوه ای نیز دارند .

   در راستای رفع مشکل تکرار سوختن الکتروپمپ شناور که به مخزن هوایی شهرک صنعتی آراسنج بوئین زهرا پمپاژ می کرد از دستگاه کنترل دور فرکانسی موتور استفاده شد که علاوه بر رفع مشکل تکرار سوختن الکتروپمپ ، کاهش هدر رفت آب را نیز به همراه داشت و در حال حاضر نیازی به استفاده از مخزن هوایی نیست .

   در این مقاله با مقایسه فنی و اقتصادی مابین استفاده از  مخازن هوایی و استفاده از  مخازن زمینی مجهز به ایستگاه های پمپاژ با الکتروموتورهای دور متغیر ، سعی شده است تا نظر کارشناسان و متخصصین صنعت آب و فاضلاب را به این مواردجلب کرده و در طراحی و ساخت مخازن هوایی ، موضوع استفاده از ایستگاه های پمپاژ با الکتروپمپ های دور متغیر نیز مخفی نباشد .

 منابع و مآخذ

مقاله رفتار مخازن هوایی بتنی آب در هنگام زلزله ، مهندس محمد هوشمندزاده

مقاله تجارب و دستاوردهاي حاصل از زلزله شهر كوبه ژاپن ، مهنس صادق يونسلو

مقاله بررسی و ارائه نحوه بارگذاری و تحلیل لرزه ای مخازن هوایی در برابر زلزله ، مهندس محمد رضا محمدی شوره ، سوزان ولی زاده، مهندس محمد علی شیرمحمدزاده

كاتالوگ هاي شرکت هاي مختلف

سایت های اینترنتی مختلف در رابطه با مخازن آب ، زلزله و ایستگاه های پمپاژ

جزوه سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور (نشریه 241)، صفحات 11 تا 14

کتاب پمپ و پمپاژ ، دکتر نوربخش