Studium przypadku
Jak optymalne zarządzanie ciśnieniem Grundfos DDD doprowadziło do redukcji zużycia energii o 43%
Sytuacja
Goleniowskie Wodociągi i Kanalizacja to przedsiębiorstwo dobrze znane w regionie z innowacyjnych ozwiązań wdrażanych w wielu gałęziach swojej działalności. Zrównoważony rozwój to istotny element jego strategii, co widać po najnowocześniejszych rozwiązaniach wdrażanych w przedsiębiorstwie. Dowodem zaangażowania w zrównoważony rozwój są inwestycje w odnawialne źródła energii i elektromobilność.
Ponadto przykładem tego, jak GWiK ogranicza swój wpływ na środowisko jest wykorzystanie osadów z procesu oczyszczania ścieków do produkcji naturalnego nawozu do roślin. Przedsiębiorstwo użytkuje obecnie 9 stacji uzdatniania wody zaopatrując łącznie ponad 30’000 mieszkańców gminy Goleniów oraz zakłady przemysłowe i obiekty użyteczności publicznej. Największa stacja położona w Goleniowie, pokrywająca ponad 85% zapotrzebowania odbiorców na wodę pitną, wykorzystywała 4 poziome pompy jednostopniowe o mocy 37 kW oraz układ proporcjonalnej regulacji ciśnienia. GWiK skupia się na podnoszeniu efektywności przez ciągłą analizę poziomu strat w sieci wodociągowej.
Stale zaangażowanie w optymalizację dało w 2019 r. efekt w postaci strat wody na poziomie 12,54%. Obecny na stacji układ sterowania zarządzał ciśnieniem wody wtłaczanej do sieci w sposób proporcjonalny względem aktualnego przepływu, jednak ze stałą, określoną charakterystyką. W 2017 r. firma Grundfos zaproponowała GWiK Goleniów przeprowadzenie audytu wyżej opisanego układu pompowego w celu zweryfikowania stanu układu i możliwych do zrealizowania usprawnień.
Instalacja nowego zestawu 5 pomp pionowych Grundfos CR 125-2-1 z dedykowanymi przetwornicami
"Przy wcześniejszej modernizacji w 2013 r. zainstalowaliśmy pompy innego dostawcy, ale wówczas nie kierowaliśmy się energochłonnością układu, była to wymiana 1-do-1. Zestaw był sterowany przy użyciu jednej przetwornicy częstotliwości, która po rozpędzeniu jednej pompy do 100% obrotów, uruchamiała kolejną z minimalną wydajnością. Było to dość problematyczne, ponieważ w tych momentach przejściowych zdarzała się niestabilność pracy, gdzie pompa była na przemian dołączana i wyłączana nawet przez godzinę. Już wtedy wiedzieliśmy, że należy zająć się tym problemem.”
Rozwiązanie
Aby dobrać najlepsze rozwiązanie dla potrzeb klienta firma Grundfos przeprowadziła na SUW Goleniów Audyt Pompowy z analizą sieci wodociągowej. Badanie wykazało, że obecny układ pracował ze średnią sprawnością niespełna 45% oraz dość wysoką energochłonnością, sięgającą 0,243 kWh/m3. Dodatkowo analiza wybranych punktów sieci wodociągowej wykazała widoczne wahania ciśnienia przy zmiennych rozbiorach. Szczegółowy raport z audytu zalecał zastosowanie nowego zestawu z pięcioma wysoce sprawnymi pompami CR 125-2-1 i dedykowanymi przetwornicami częstotliwości. Opisana modernizacja pozwoli osiągnąć średnią sprawność układu na poziomie 65% i obniżyć zużycie energii, jednocześnie zapewniając maksymalną wydajność rzędu 580 m3/h. Ponadto wykorzystanie układu DDD umożliwi dynamiczne sterowanie względem punktów pomiarowych umieszczonych na sieci, optymalnie dopasowując ciśnienie do występujących rozbiorów.
"Mieliśmy świadomość, że nie tylko same pompy były niesprawne, co sterowanie było nieoptymalne. W sytuacji, gdy część pomp pracowała na 100% obrotów, a tylko jedna była sterowana przez przetwornicę, sprawność całego układu była stosunkowo niska”
Zakres projektu zrealizowany w formie zaprojektuj i wybuduj obejmował zastąpienie obecnych 4 pomp pionowych o mocy 37kW zestawem hydroforowym z 5 pompami CR 125-2-1 o mocy 18,5 kW, montaż nowej szafy sterowniczej Control DDD, rejestratorów ciśnienia na sieci wodociągowej, modułów komunikacyjnych MODBUS dla integracji zestawu w systemie SCADA oraz wymianę kolektorów i orurowania. Cała modernizacja została przeprowadzona na pracującym układzie, zapewniając ciągłość dostawy wody do odbiorców końcowych.
(po lewej) 2017 r. układ 4 pomp poziomych (po prawej) 2022 r. nowy układ 5 pomp pionowych CR-125
Nie znając układu sterowania DDD nie sądziłem, że możemy tak wiele uzyskać. Patrząc na wyniki audytu zrozumieliśmy, że jest to możliwe.
W efekcie średnia energochłonność zestawu pompowego spadła z 0,243 kWh/m3 do 0,138 kWh/m3, a już po roku użytkowania GWiK Sp. z o.o. oszczędzało 43% energii na modernizowanym układzie. Rocznie zużycie energii modernizowanego zestawu spadło o ponad 194’000 kWh, ale to nie jedyna korzyść jaką zauważono.
Dariusz Kozak (Dyrektor ds. Technicznych, GWiK Sp. z o.o.) i Robert Góra (Starszy Inżynier Sprzedaży, Grundfos)
Efekt
Wysokość podnoszenia układu pompowego ma duży wpływ na zużycie energii. Przy pierwotnie używanym na SUW Goleniów sterowaniu proporcjonalnym, na wyjściu pompowni ciśnienie osiągało wartości 4,2 – 4,4 bar. Po wprowadzeniu i adaptacji systemu Grundfos DDD układ samodzielnie w sposób aktywny i dynamiczny tworzy optymalną, krzywą regulacji, a ciśnienie na wyjściu stacji obniżyło się do poziomu 3,3 – 4,1 bar. Jednocześnie układ ustabilizował ciśnienie po stronie odbiorców końcowych, zapewniając komfort użytkowania niezależnie czy wielkości przepływu, pory dnia czy roku.
Wydawało nam się, że już optymalnie sterujemy ciśnieniem względem wydajności stacji, ale okazało się, że są rozwiązania które mogą jeszcze bardziej dynamicznie nadążać za zmieniającym się rozbiorem wody w skali doby. Ponadto zauważyliśmy, że stosując sterowanie DDD możemy utrzymać komfort użytkowników końcowych jednocześnie obniżając ciśnienie w sieci, co również przełożyło się na niższe zużycie energii i mniejszy współczynnik strat.
Sieć wodociągowa stale się rozwija, a układ sterowania DDD codziennie wykorzystuje zebrane dane do określenia optymalnego sposobu regulacji.
Jako użytkownik określam wymagane ciśnienie w krytycznych punktach sieci, a sterownik DDD sam analizuje dane i dopasowuje krzywą regulacji. Automatycznie, dzień po dniu, zawsze.
Niższe ciśnienie w rurociągu oznacza mniejsze wycieki na nieszczelnościach infrastruktury podziemnej, więc optymalizacja ciśnienia w sieci przełożyła się na zmniejszenie strat wody. Przed modernizacją przedsiębiorstwo identyfikowało ilość wody niedochodowej na poziomie 12,5%. Po wdrożeniu systemu Grundfos DDD straty spadły do 9,3%, co oznaczało redukcję o 3,2 p.%. W efekcie w skali roku udało się uniknąć utraty blisko 60’000 m3 czystej, uzdatnionej wody. Powyższe wyniki są godne uwagi, jako że produkcja każdego m3 wody pitnej to istotne dodatkowe koszty dla przedsiębiorstwa, nie mówiąc już o zrównoważonym wykorzystaniu zasobów naturalnych.
Ponadto inteligentne zarządzenie dystrybucją wody Grundfos DDD oznacza, że zestaw generuje wyższe ciśnienie tylko przy wysokim zapotrzebowaniu, aby zapewnić komfort użytkownikom końcowym. Przy niskich rozbiorach ciśnienie wychodzące ze stacji ulega znacznemu obniżeniu. Łagodna regulacja oznacza mniejsze obciążenie dla rurociągów, co przekłada się na spadek ilości awarii sieci, redukcję kosztów napraw i zapewnienie bezpieczeństwa dostaw wody.
Firma Grundfos podjęła się wyzwania, jakim było rozwiązanie naszych problemów i dostarczenie konkretnego efektu końcowego. Tym samym pokazała, że jest nie tylko sprzedawcą urządzeń, a partnerem w dziedzinie optymalizacji.
Dariusz Kozak, Dyrektor ds. Technicznych, Goleniowskie Wodociągi i Kanalizacja Sp. z o.o.