Napędy w systemach ochrony przeciwpowodziowej

Od Nowego Orleanu po Holandię, świat jest pełen miejsc zagrożonych powodzią. Odwieczna broń w walce z tą katastrofą – pompa wodna – staje się coraz bardziej wydajna dzięki zastosowaniu silników o zmiennej prędkości i sterujących nimi napędów.

Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że w okresie od 1998 do 2017 roku powodzie wpłynęły na życie ponad dwóch miliardów ludzi na całym świecie. Oprócz bezpośredniego zagrożenia dla życia ludzkiego, powodzie mogą dewastować obszary rolne (często rozlokowane na terenie zalewowym) oraz siać spustoszenie zarówno pod względem strukturalnym, jak i infrastrukturalnym w terenach zabudowanych.

Wraz z coraz intensywniejszymi ulewami i podnoszeniem się poziomu mórz, obserwowanymi konsekwencjami zmian klimatycznych, oczekuje się, że poważne powodzie staną się częstsze, przynajmniej w perspektywie krótko- i średnioterminowej.

Jakie wyzwania stoją przed technologią zmotoryzowanych pomp przeciwpowodziowych? I dlaczego szczególną odpowiedzią na nie są silniki o zmiennej prędkości?

Wody powodziowe z definicji są nieprzewidywalne. Jeśli ich nadejście - na potencjalnie przytłaczającą skalę - nastąpi po długim okresie suszy, pompy, które przez pewien czas znajdowały się w stanie spoczynku, muszą zostać natychmiast uruchomione oraz charakteryzować się dużą mocą i wydajnością, aby rozpocząć przesyłanie znacznych ilości wody (największa na świecie przepompownia na obrzeżach Nowego Orleanu może przesyłać około 568 000 litrów wody powodziowej na sekundę) przy stale zmieniającym się natężeniu przepływu.

Różną siłę reakcji na powódź uzyskuje się w pierwszej kolejności poprzez zmianę liczby pracujących pomp.

Wiele pomp jest koniecznością w systemach przeciwpowodziowych (nawet w najmniejszych konstrukcjach pompa eksploatacyjna musi mieć swoją rezerwę). Rozdzielenie pracy na większą liczbę mniejszych pomp zamiast mniejszej liczby większych jest pierwszym krokiem w kierunku bezpieczniejszego i lepiej kontrolowanego systemu. Co więcej, im mniejsza pompa, tym mniej jest podatna na naprężenia spowodowane problemami z unoszącymi się zanieczyszczeniami, wirami i uwięzionym powietrzem.

Z tego względu silniki o zmiennej prędkości są warunkiem wstępnym, jeśli pompy mają z optymalną wydajnością radzić sobie z charakterystyczną dynamiką zachowania wody powodziowej.

Bezpośrednie uruchomienie (lub zatrzymanie) pompy wody powodziowej może spowodować uderzenie wodne, wynikające z nagłej zmiany natężenia przepływu przez rurę. Takie wstrząsy hydrauliczne skracają żywotność sprzętu i prowadzą do nieszczelności połączeń i pękania rur. Stosowanie układów łagodnego rozruchu lub napędów o zmiennej częstotliwości obrotowej (VFD) zapewnia delikatne przyśpieszenie obrotów pompy do prędkości znamionowej; przy czym przemienniki częstotliwości oferują dodatkową korzyść w postaci w pełni regulowanej prędkości silnika.

Mimo że zasadniczo pożądane, uzyskanie skutecznej regulacji prędkości silników pomp wody powodziowej może być złożonym zagadnieniem.

Przykładowo: chociaż z punktu widzenia zużycia energii zasadne jest, aby silnik o zmiennej prędkości pracował nie szybciej niż jest to ściśle wymagane, pompy i rury, które obsługują duże objętości wody powodziowej, mogą – w zależności od projektu – być bardziej lub mniej podatne na gromadzenie się osadów. W systemach, w których stanowi to problem, można zauważyć, że dzięki stałej wysokiej prędkości gromadzenie się osadu jest ograniczone do minimum – podobnie jak odnośne naprężenia mechaniczne w silnikach.

Ważne jest również, aby pompy nie pracowały nadmiarowo. Na przykład na obszarze takim jak The Fens, w okolicach rzeki Great Ouse, należy regulować poziom wody, aby umożliwić nawigację (dziś łodziom rekreacyjnym, niegdyś przebiegały tędy handlowe drogi wodne). Innymi słowy, należy zachować równowagę między niedostatecznym a nadmiernym drenażem.

Projektant systemu ochrony przeciwpowodziowej musi zatem starannie opracować docelowe poziomy wód w środowisku, które ma być chronione. Są to punkty poboru danych, które napędy wykorzystają do określenia prędkości silnika: im wyżej woda podniesie się powyżej poziomu docelowego, tym szybciej pompa będzie pracować; im niżej spadnie poziom wody, tym bardziej pompa zwolni.

Poza tym, im większe możliwości zaprogramowania oferuje system, tym większe istnieją możliwości pod względem różnych rodzajów wydajności. Niezależnie od tego, czy za pomocą PLC, czy zintegrowanej technologii regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID), wstępnie ustawione wartości mogą być zmieniane zgodnie z kalendarzem, tak aby można było uwzględnić sezonowe wahania poziomu wody. Ponadto, uzupełniając operacje w czasie rzeczywistym, systemy kontroli nadzorczej i zbierania danych (SCADA) mogą być wykorzystywane do dostarczania informacji o nadchodzących zmianach pogody.

W systemach przeciwpowodziowych preferowane są pompy odśrodkowe  ze względu na ich moc, prostotę i stosunkowo niewielkie rozmiary. Dzięki prawu zależności pompy odśrodkowej i wentylatora można zatem uzyskać znaczne oszczędności energii po zmniejszeniu prędkości silnika (zmniejszenie prędkości silnika o 25% odpowiada zmniejszeniu zużycia energii o prawie 60% itp.).

Jest to ważne, biorąc pod uwagę ogólnie wysokie koszty eksploatacji przepompowni, z których niektóre, ze względów ekonomicznych, nadal preferują silniki wysokoprężne (chociaż takie systemy muszą zadowalać się poziomami wydajności około 20-40%).

I tak, jeśli chodzi o budowę nowych (lub remont starych) przepompowni wód powodziowych, preferowane są obecnie również systemy elektryczne o zmiennej prędkości. Oprócz wyróżniających się korzyści w postaci sterowalności, wydajności i ekonomiczności, są one również stosunkowo ciche – co jest ważnym czynnikiem projektowym w przypadku systemów na bardziej zaludnionych obszarach (stąd preferencje w odniesieniu do niektórych systemów do chłodzenia silników i napędów cieczą, zamiast chłodzenia powietrzem).

Jeśli chodzi o przyszłość, wszystkie systemy zmotoryzowane są coraz bardziej inteligentne, łącząc bardziej złożoną automatykę z coraz bardziej dostępnymi interfejsami. Zwłaszcza w związku z pojawieniem się łączności z aplikacjami telefonicznymi możliwości sterowania, monitorowania i konserwacji silników dywersyfikują się i ewoluują w kierunku coraz bardziej wydajnych systemów, co w kontekście ochrony przeciwpowodziowej oznacza bezpieczniejsze środowisko.