Měniče v Protipovodňových Systémech

Na světě je plno míst ohrožených povodněmi, od New Orleansu po Nizozemsko. A odvěká zbraň v boji proti katastrofám - vodní čerpadlo - je stále účinnější díky použití motorů s proměnnými otáčkami a měničů, které je řídí.

Světová zdravotnická organizace odhaduje, že v letech 1998-2017 zasáhly povodně na celém světě do života více než dvou miliard lidí. Kromě bezprostředního ohrožení lidských životů mohou povodně zničit zemědělskou půdu (často se nachází v záplavových oblastech) a způsobit škody na stavebním majetku a infrastruktuře v zastavěných oblastech.

Vzhledem ke stále intenzivnějším lijákům a stoupající hladině moří, které jsou pozorovanými důsledky změny klimatu, se očekává, že přinejmenším v krátkodobém a střednědobém horizontu budou silné povodně stále častější.

S jakými problémy se potýká motorové povodňové čerpadlo? A proč jsou pro ně motory s proměnnými otáčkami obzvláště vhodnou odpovědí?

Povodňová voda je ze své podstaty nepředvídatelná. Pokud její příchod - v potenciálně ohromujícím měřítku - následuje po dlouhém období sucha, je třeba okamžitě, výkonně a efektivně aktivovat čerpadla, která po určitou dobu stála na mrtvém bodě, aby začala přečerpávat velké objemy vody (největší čerpací stanice na světě u New Orleans dokáže přečerpat 570 m3 povodňové vody za sekundu) při neustále se měnícím průtoku.

Různých sil reakce na povodeň je dosaženo v první řadě změnou počtu čerpadel zapojených v akci.

Více čerpadel je v systémech protipovodňové ochrany nutností (i v těch nejmenších systémech musí být záložní čerpadlo). Rozdělení práce mezi větší počet menších čerpadel namísto menšího počtu větších je prvním krokem k bezpečnějšímu a lépe regulovatelnému systému. Čím menší je čerpadlo, tím méně je náchylné na problémy s plovoucími nečistotami, víry a zachyceným vzduchem.

Pokud se mají čerpadla s optimální účinností vyrovnat s charakteristickou dynamikou chování povodňové vody, jsou nezbytným předpokladem motory s proměnnými otáčkami. 

Přímé spuštění (nebo zastavení) čerpadla záplavové vody může způsobit vodní rázy v důsledku náhlé změny průtoku v potrubí. Tyto hydraulické rázy zkracují životnost zařízení a vedou k netěsnostem spojů a praskání potrubí. Použití softstartérů nebo frekvenčních měničů (VFD) zajišťuje jemné zrychlení otáčení čerpadla až do jmenovitých otáček, přičemž VFD nabízí další výhodu v podobě plně regulovaných otáček motoru.

Ačkoli je to v zásadě žádoucí, může být účinná regulace otáček motorů čerpadel na záplavovou vodu složitou záležitostí.

Zatímco například z hlediska spotřeby energie má smysl, aby motor s proměnnými otáčkami neběžel rychleji, než je nezbytně nutné, čerpadla a potrubí, která pracují s velkými objemy povodňové vody, mohou být v závislosti na konstrukci více či méně náchylná k hromadění usazenin. V systémech, kde je to problém, lze zjistit, že při trvale vysokých otáčkách se hromadění usazenin omezuje na minimum - stejně jako odpovídající mechanické namáhání motorů.

Je také důležité, aby to čerpadla nepřeháněla. Například v oblasti, jako je Fens kolem řeky Great Ouse, musí být hladina vody regulována tak, aby umožňovala plavbu (dnes pro rekreační lodě tam, kde kdysi byla komerční vodní doprava). Jinými slovy, je třeba najít rovnováhu mezi nedostatečným a nadměrným odvodněním.

Projektant systému protipovodňové ochrany proto musí pečlivě stanovit cílové hladiny vody v prostředí, které má být chráněno. Jedná se o sběrné body pro data, která pohony použijí k určení otáček motoru: čím výše voda stoupne nad cílovou hladinu, tím rychleji bude čerpadlo pracovat; čím níže voda klesne, tím více se čerpadlo zpomalí.

A čím více je systém programovatelný, tím více možností pro různé druhy efektivity existuje. Ať už prostřednictvím PLC nebo integrované proporcionálně-integračně-derivační techniky (PID) lze přednastavené hodnoty měnit podle kalendáře, aby bylo možné zohlednit sezónní výkyvy hladiny vody. Jako doplněk k provozu v reálném čase mohou být použity systémy řízení a sběru dat (SCADA), které poskytují informace o vývoji počasí.

V systémech protipovodňové ochrany jsou oblíbena odstředivá čerpadla díky svému výkonu, jednoduchosti a relativně malým rozměrům. Díky zákonům podobnosti odstředivého čerpadla a ventilátoru tak lze dosáhnout významných úspor energie po snížení otáček motoru (snížení otáček motoru o 25 % znamená snížení spotřeby energie o téměř 60 % atd.).

To je důležité s ohledem na obecně vysoké provozní náklady čerpacích stanic, z nichž některé z ekonomických důvodů stále upřednostňují dieselové motory (ačkoli tyto systémy se musí spokojit s účinností kolem 20-40 %).

A tak se při výstavbě nových (nebo rekonstrukci starých) čerpacích stanic na povodňovou vodu obecně upřednostňují elektrické systémy s proměnnými otáčkami. Kromě toho, že se vyznačují skvělou ovladatelností, účinností a hospodárností, jsou také poměrně tiché - což je důležitý aspekt při návrhu systémů v hustěji obydlených prostředích (a proto některé systémy upřednostňují kapalinové chlazení před vzduchovým chlazením motorů a pohonů).

Co se týče budoucnosti, všechny motorizované systémy se stávají chytřejšími a kombinují složitější automatizaci se stále přístupnějšími rozhraními. Zejména s příchodem možnosti napojení na telefonní aplikace se možnosti ovládání, monitorování a údržby motorů rozšiřují a vyvíjejí směrem k dosažení stále účinnějších systémů, což v kontextu protipovodňové ochrany znamená stále bezpečnější prostředí.