Projektové řešení intenzifikace zrychlovací čerpací stanice Ing. Josef Pilař; Ing. Miroslav Tomek Voding Hranice, spol. s r.o. Na konferenci Voda Zlín 2002 jsme vystoupili s příspěvkem Atypické zrychlovací čerpací stanice. Zde jsme prezentovali i zrychlovací čerpací stanici Petrovice, která představuje atypickou zrychlovací čerpací stanici z hlediska nejen technického návrhu, ale variability výkonu, náročných požadavků na zabezpečenost provozu, způsobu a přesnosti regulace. Zrychlovací čerpací stanice Petrovice od uvedení do provozu v roce 2001 byla již jednou intenzifikována a v letošním roce bude realizována druhá intenzifikace. Právě historie provozu ve vazbě na narůstající požadavky na výkon, změnu základních vstupních a provozních podmínek si vyžádaly náročný projekční přístup s technicky zajímavým a poučným výstupem. Zrychlovací čerpací stanice Petrovice je součást vodohospodářského systému, který zajišťuje dopravu vody do rozvodného systému zásobování města Jastrzebie Zdroj a okolí v Polsku ze systému Ostravského oblastního vodovodu (OOV), který provozují Severomoravské vodovody a kanalizace Ostrava a.s. Ze systému Ostravského oblastního vodovodu vodojemu Ráj 2x 6000m 3 s maximální hladinou 295m n.m., dnem 291,0 m n.m. je proveden přívodní řad z tvárné litiny DN 500 dl. 7350m do zrychlovací čerpací stanice Petrovice. Zrychlovací čerpací stanice Petrovice přečerpává vodu výtlačným řadem z tvárné litiny DN 500 dl. 3800m do předávacího místa za hranicí s Polskem. Z předávacího místa je voda vedena přímo do rozvodného systému města Jastrzebie Zdroj. Jako zajímavost je možno uvést, že projektant nikdy neobdržel informace o systému zásobování města Jastrzebie Zdroj mimo informace o požadovaných odběrech vody a požadovaných tlacích v místě předání za hranicí s Polskem. Původní zadání pro zrychlovací čerpací stanici představuje tyto hodnoty: Pro Q = 32 l.s -1 Kóta hydrodynamického tlaku v místě předání 311,00m n.m. Pro Q = 105 l.s -1 Kóta hydrodynamického tlaku v místě předání 314,00m n.m. Pro Q = 180 l.s -1 Kóta hydrodynamického tlaku v místě předání 320,00m n.m. Toto zadání plně zajišťuje krytí všech ročních, denních nerovnoměrností a špiček. Je zřejmé, že voda je dodávána přímo do rozvodné sítě města. Základní technické informace původního návrhu Pro čerpání vody do Polska byla osazena 3 ks čerpadel typu Vogel IC 150-125-315 pro max. výkon Q = 118 l.s -1 při H č = 27,50m s elektromotorem o výkonu 55kW, 400V, 50Hz, n = 1480 ot.min -1 s provozní funkcí dvou čerpadel a jednoho náhradního (2+1). Protirázová ochrana přívodního a výtlačného řadu je řešena tlakovou nádrží 4m 3 s propojením na výtlačný řad a propojením přes motýlovou zpětnou klapku i na řad přívodní. Na základě provozního odzkoušení bylo doplněno propojení tlakové nádrže přímo na přívodní řad. Napájení elektrickou energií bylo navrženo ze sloupové trafostanice s transformátorem o výkonu 160kVA, pro zabezpečení nepřerušené dodávky vody i v případě výpadku elektrické energie, byl instalován náhradní zdroj, dieselagregát o výkonu 175 kva s automatickým startem, připnutím a náběhem plného výkonu do 30 sekund. - 121 -
Dodávka vody je vázána požadavkem na dosažení konstantního tlaku ve spotřebišti při proměnném dodávaném množství vody i tlacích v místě předání. Dosažení požadovaných parametrů bylo zajišťováno pomocí otáčkové regulace motorů frekvenčním měničem a regulátorem Hydrovar. Tato zařízení byla samostatně instalována pro každé čerpadlo. Toto použití regulace na každém čerpadle zaručuje kompletní funkčnost systému při jakékoliv poruše na některé části čerpací stanice. Pro čerpání vody do 105 l.s -1 byla zabezpečena 100 % rezerva veškerého zařízení, včetně snímání a regulace, pro čerpání do 180 l.s -1 je zabezpečena 50 % rezerva. Čerpání bylo zajišťováno v objemu 0 až 180 l.s -1. Vstupní tlak na ČS se snižuje v závislosti na ztrátách v přivaděči z VDJ Ráj následovně: 32 l.s -1 292,59 m n.m. 105 l.s -1 289,41 m n.m. 180 l.s -1 283,29 m n.m. Čerpaná výška se mění pouze v závislosti na ztrátách v přívodním a výtlačném potrubí. Dopravní výška pro Q = 32 l.s -1 je 18,59 m Q = 105 l.s -1 je 26,19 m Q = 180 l.s -1 je 41,06 m Čerpadla jsou provozována až do 1760 ot.min -1, což zabezpečují frekvenční měniče s výstupem až 60Hz. 1. Čerpadla M1, M2 a M3 se jmenovitým průtokem do 105 l.s -1 jsou v provozu řízena regulátorem Hydrovar na požadovaný tlak na výtlaku dle křivky ztrát. 2. Je možný souběh 2 čerpadel, při tom je možno čerpat až 180 l.s -1 3. Jedno čerpadlo tvoří vždy zálohu a je automaticky spuštěno při poruše kteréhokoliv jiného čerpadla. Automatický záskok zabezpečuje regulátor Hydrovar. 4. Střídání čerpadel pro rovnoměrné opotřebení zabezpečuje nadřazený ASŘ. Regulace čerpací stanice byla odladěna tak, aby při paralelním provozu 2 čerpadel byl režim synchronní regulace. Při dlouhodobém provozu byly ušetřeny nemalé prostředky na elektrické energii, kdy jsou čerpadla provozována v optimálním rozsahu maximální účinnosti. Po řadě problémů s nastavením automatiky řízení, ve vazbě na zdroje energie, tlumením nárazových vln při výpadku energie v přívodním i výtlačném potrubí se prokázala dokonalá provozuschopnost čerpací stanice s uspokojením zákazníka pro parametry požadované zadáním. Po dvouletém provozu došlo ze strany odběratele k navýšení požadavků na dodávané množství vody, zejména z pohledu krytí i nepředvídaných poruchových stavů v systému rozvodu města Jastrzebie Zdroj. První intenzifikace v roce 2003 představovala postupnou výměnu čerpadel za tři nová čerpadla Vogel 125 LS 400 VN 11004 o s elektromotory o výkonu 110kW, 400V s funkcí dvou čerpadel provozních a jedno čerpadlo rezervní (2+1). Současně s výměnou čerpadel byla provedena výměna stávajícího transformátoru 160kVA za transformátor 315kVA. Pro nové frekvenční měniče a příslušenství až 2násobného výkonu byl rozvaděč doplněn o další skříň. Na skříních shora byly instalovány 3 klimatizační jednotky, jsou nutné, zejména v letním období k udržení maximální provozní teploty. Na tuto intenzifikaci v roce 2004 navázala nutná výměna stávajícího dieselagregátu za nový o výkonu 400/440kVA pro zajištění požadovaných maximálních výkonů i při výpadku elektrické energie. V současné době se výkon čerpací stanice pohybuje v rozmezí cca 60 160 l.s -1 se špičkami okolo 200 l.s -1. Spodní hranice průtoků je dosahována v nočních hodinách od jedné do šesti hodin, během dne se průtoky pohybují kolem 160 l.s -1 s večerními špičkami až 200 l.s -1. - 122 -
Maximálních výkonů dosahovala zrychlovací čerpací stanice Petrovice ve výjimečném stavu při poruše dlouhodobě 215 l.s -1, špičkově až 240 l.s -1. Tyto výkony již značně převyšují původní maximální parametry. Zrychlovací čerpací stanice Petrovice dle sdělení provozovatele spolehlivě zajišťuje dopravu požadovaných množství vody s požadovaným tlakem. V současné době provozovatel připravuje další intenzifikaci a o projektovou dokumentaci jako zpracovatelé původních návrhů jsme byli opět požádáni. Navrhovaná intenzifikace zrychlovací čerpací stanice Základními požadavky zadavatele na intenzifikaci - zabezpečit možnost provozu na stálý výkon Q = 230 l.s -1 s maximálním výkonem Q = 270 l.s -1, s tlakem v místě předání 0,6 MPa - intenzifikaci navrhnout s maximálním využitím stávajícího zařízení - veškeré úpravy na části strojní, elektro a stavební musí být provedeny s minimálním vlivem na provoz - odstavení čerpací stanice z provozu je možné pouze na dobu max. 4 hod. po dohodě v nočních hodinách od 23.00 do 3,00 hod. Požadavky na provoz při intenzifikaci a požadavky na výrazné navýšení výkonu oproti původnímu návrhu značně komplikovaly provedení návrhu. Dodavatel čerpadel byl požádán o zvážení možnosti souběhu všech tří čerpadel při maximech. Tato možnost byla potvrzena i s potvrzením vhodnosti i dobré účinnosti čerpadel. Bylo dohodnuto zprovoznit souběh tří čerpadel s nutným doplněním čerpadla rezervního na funkci čerpací stanice v režimu 3+1. Obr. 1 Přehledný podélný profil dopravy vody - 123 -
Navržené řešení Pečlivě bylo ve variantách zvažováno umístění čtvrtého čerpadla, protože čerpací stanice byla navržena na tři čerpadla nižších výkonů bez požadavků na budoucí možné rozšíření. Přes varianty umístění čtvrtého čerpadla do různě situované přístavby bylo rozhodnuto i přes jisté prostorové problémy čerpadlo umístit v linii za stávající čerpadla. V rámci strojní části je řešeno doplnění čtvrtého čerpadla s propojením sání čerpadla na přívodní potrubí v armaturním kanálu strojovny a propojení výtlaku čerpadla na výtlačné potrubí v kanálu strojovny s nutnými armaturami na propojovacích potrubích. Součástí strojní části intenzifikace je dodatečný požadavek provozovatele na výměnu tlakové nádoby protirázové ochrany přívodního potrubí o objemu 4000 l. Je navržena výměna stávající tlakové nádoby za obdobnou nádobu stejných parametrů s umístěním na stejném místě jako původní nádrž. V rámci elektročásti je řešena úprava souvisejícího elektrozařízení v souvislosti s připojením čtvrtého čerpadla a navýšení výkonu čerpací stanice. Dle požadavku zadavatele je elektročást členěna na dvě etapy z důvodů postupné realizace. V rámci první etapy bude provedena výměna transformátoru 315kVA za transformátor 500kVA se souvisejícími úpravami svodů z transformátoru do skříně RTS, úpravy skříně rozvaděče RTS na proud až 720A, nové měřící transformátory proudu a úpravy na elektroměru. Z trafostanice do rozvaděče náhradního zdroje RG bude položen další paralelní kabel částečně v zemi. Pro provoz tří čerpadel v souběhu je nutno nahradit kabely mezi RG a RM1 v ČS novými kabely pro zatíženost až 720A. Dále je nutno provést úpravu programu pro povolení chodu a střídání tří čerpadel, nastavení zvýšení tlaku pro požadovaný přetlak v místě předání polskému odběrateli. V rámci druhé etapy, která bude realizována společně se strojní částí řešící doplnění čtvrtého čerpadla, bude řešena instalace nové klimatizované skříně s frekvenčním měničem a regulátorem Hydrovar pro čtvrté čerpadlo. Bude provedeno zapojení čtvrtého čerpadla, kabelové rozvody pro čtvrté čerpadlo. Bude doplněn systém řízení pro monitorování a řízení čerpací stanice se čtyřmi čerpadly a provedena úprava programu pro provoz tří čerpadel se střídáním čtyř čerpadel. V rámci stavební části jsou navrženy nutné stavební úpravy související s navrženou strojní a elektročástí. Jedná se o blok pod čtvrté čerpadlo, podpěrné, kotevní bloky pod potrubí, opravy po instalaci kabelů. Výměna tlakové nádrže 4000 l vyžaduje rozebrání střešní konstrukce a pláště střechy nad tlakovou nádrží a její opravu po výměně tlakové nádrže. Dva stávající nástěnné ventilátory nad řadou rozvaděčů budou doplněny o další dva stejného provedení, které zajistí dostatečnou výměnu ohřátého vzduchu ve strojovně čerpadel. Zabezpečení předávacích parametrů tlaku a průtoku je realizována otáčkovou regulací až 3 čerpadel v souběhu. Čerpadla jsou provozována až do 1770 ot.min -1, pro 4-polové motory se jedná o provoz až do 60Hz. Ekonomické náklady na elektrickou energii pohonu čerpadel zabezpečuje synchronní provoz regulace a předávací body jak při postupném nárůstu průtoku, zapnutí dalších čerpadel, tak při snižování průtoku odpojováním čerpadel. Řídícím parametrem je jak tlak na výtlaku, tak okamžitý průtok. - 124 -
Obr. 2 Dispozice strojovny čerpadel Problémy návrhu intenzifikace Problémy, které při návrhu intenzifikace bylo nutno řešit, vycházely zejména z návrhových kapacit stávajícího zařízení, využitelnosti možných prostorů stavební části a zejména možnosti odstavení z provozu po dobu realizace intenzifikace. Výrazné navýšení výkonů vyžadovalo: - Detailní prověření přívodního a výtlačného řadu z hlediska ztrát. Zejména přívodní řad může limitovat úroveň možné intenzifikace. - Detailní prověření trubních rozvodů v čerpací stanici z hlediska rychlostí vody, možných kavitací a nutnosti kotvení. - Nemožnost odstavení ZČS z provozu po dobu realizace plně vyloučilo výměnu trubních rozvodů v čerpací stanici. - Detailní prověření rázových poměrů v přívodním a výtlačném potrubí a využitelnost stávající protirázové ochrany. - Detailní prověření využitelnosti všech kabelových rozvodů a elektrozařízení. - Prověření řídícího systému a doplnění v souvislosti se změnou provozu. - 125 -
Tlak [bar] Průtok [l/s] Závěry a doporučení - Zrychlovací čerpací stanicí s moderním systémem řízení a zajištěním energie lze zásobovat i velké město při krytí všech odběrových potřeb a špiček při požadovaných tlacích a dlouhém přívodním a výtlačném řadu. - Při návrhu obdobné zrychlovací čerpací stanici je nutno pečlivě zvážit a předpokládat možnost výhledu a nárůstu požadavků. - S rezervou pro možnou intenzifikaci by měl být navržen zejména přívodní řad, který může intenzifikaci úplně limitovat. - S rezervou pro možnou intenzifikaci by měly být navrženy trubní rozvody v ČS s možností kompletního odstavení. - S rezervou pro možnou intenzifikaci by měly být navrženy veškeré silové kabelové rozvody. - Transformátor by měl být osazen na stožáru umožňujícím výměnu za výkonnější. - Stavební část musí být připravena na výměnu nainstalovaného zařízení s jistou prostorovou rezervou. Jsme si plně vědomi, že výše uvedená doporučení navyšují náklady základního návrhu. Pečlivé zvážení všech informací o možném výhledu a zapracování našich doporučení do návrhu zrychlovacích čerpacích stanic výrazně usnadní možnou intenzifikaci. Graf: Simulace výpadku elektrické energie, volný doběh čerpadel, tlakové rázy. ČS Petrovice výpadek sítě 14 250 13 225 12 200 11 175 10 150 9 125 P2-výtlak [bar] P1-sání [bar] Q-průtok [l.s-1] 8 100 7 75 6 50 5 25 4 0 34:22,1 34:56,6 35:31,2 36:05,8 36:40,3 37:14,9 37:49,4 38:24,0 38:58,6 39:33,1 40:07,7 40:42,2 41:16,8 41:51,4 42:25,9 43:00,5 43:35,0 44:09,6 44:44,2 45:18,7 45:53,3 46:27,8 Čas [m:s] - 126 -