• Forside
• Idé
• Mere viden
• Kontakt

Indvinding

• Boring
• Bestykningen og råvandsledningen
• Energikortlægning
• Checkliste
• Cases

Bestykningen og råvandsledningen

Det kommer næppe bag på nogen, at en af de største el-forbrugere i en vandforsyning er råvandspumperne. Som det ses under afsnittet "Energikortlægning" udgør produktionen for mange vandforsyninger mindst 50% af el-udgiften. De forskellige forhold, der har betydning for råvandspumpernes elforbrug, er beskrevet herunder. De er nævnt i den rækkefølge ud fra, hvor nemt det er at ændre på forholdene og dermed spare energi. Øverst står de forhold, der ikke umiddelbart lader sig ændre, og sidst står de forhold, der kan ændres i dag.

Belastning

• Vandmængde, m³/h og m³/år

Modstand

• Reducering af modstande
• Drosling af ventiler
• Råvandsledninger

Råvandspumper

• Tilpasning af pumpens kapacitet
• Virkningsgrad
• Slidtage af pumpen

Driftsforhold

• Pumpedrift ved flere boringer
• Udjævning af driften, harmonisk indvinding
• Ledningsruhed og aflejringer
• Luftlommer
• Service
• Kontraventiler/bundventiler.

Specifikt energiforbrug

Når vi taler om forskellige pumpers energiforbrug, er det fordi vi vil vide, ”hvad får vi for pengene”. Her har vi brug for at benytte et begreb, der hedder ”specifikt energiforbrug”, forkortet E_spec. Det er et udtryk for, hvor mange kilowatt-timer der bruges til at flytte en kubikmeter vand, [kWh/m³] i det aktuelle pumpesystem. Den samme pumpe har forskelligt specifikt energiforbrug afhængigt af, hvor højt, langt og hurtigt den skal flytte vandet.

Belastning

Råvandspumpens belastning er et udtryk for, hvor meget vand der forbruges på ledningsnettet. Jo mere vand der forbruges, des mere vand skal der indvindes fra boringerne, og jo mere energi skal der bruges på at transportere vandet. Det er dog sådan, at der på de fleste vandværker er buffertanke i form af rentvandsbeholdere, som giver mulighed for at udjævne driften på indvindingen hensigtsmæssigt, og dermed nedsætte belastningen på råvandspumperne. Selve vandforbruget må anses for at være upåvirkeligt fra den enkelte vandforsyning.

Det er altså vigtigt, at råvandspumperne, der indgår i vandforsyningen, har den rigtige størrelse, og at de beholderkapaciteter, der er i vandforsyningen, udnyttes optimalt. Hvis råvandspumperne er for store, vil de have mange starter og kun køre i kort tid. Det både slider på pumperne, bruger meget energi og er uhensigtsmæssigt for vandbehandlingen.

Modstand

Den modstand, som råvandspumperne skal overvinde, har stor indflydelse på energiforbruget. Den samlede løftehøjde er bestemt af følgende parametre:

• Den geometriske løftehøjde over terræn
• Den samlede løftehøjde til terræn
• Tryktab i råvandsledningerne
• Tryktab i komponenter og enkelttab
• Evt. modstand i trykfiltre på vandværket.

Den geometriske løftehøjde over terræn kan der ikke umiddelbart ændres ved. Dette kan sædvanligvis kun ske ved projektering af nye anlæg.

Den samlede løftehøjde til terræn (H_dyn) er afstanden fra terræn og ned til driftsvandspejlet i boringen. Driftsvandspejlet er ro-vandspejlet plus den sænkning, der fremkommer ved pumpning fra boringen.

Forskellen mellem ro-vandspejlet og driftsvandspejlet kan der være mulighed for at ændre på, se afsnittet "Boringen", hvor det er beskrevet, hvilke fordele der kan være ved at mindske denne forskel og hæve boringens specifikke kapacitet.

Driftsvandspejlet

Koten på driftsvandspejlet er afstanden fra terræn til det vandspejl, der fremkommer ved pumpning. Det er vigtigt at sikre sig, at vandspejlet er stabilt, der kan derfor laves flere pejlinger ved længere driftstid, så man er sikker på at have et stabilt driftsvandspejl ved den samme ydelse.

Som en rettesnor kan driftsvandspejlet udregnes som følgende:

H_drift = H_ro - (Q/S_Y)
hvor
Q = m³/t, S_Y = specifikt kapacitet, m³/t/m

En del af den samlede, total modstand (H_tot) stammer fra den "friktion", der opstår, når vandet skal presses igennem råvandsledning og komponenter.

Den andel af modstanden, der stammer fra råvandsledningen, kaldes H_ledning, den del der stammer fra stigrør i boringen kaldes H_S, og den del der stammer fra komponenter og enkelttab kaldes H_enkelt. Jo hurtigere vandet skal presses igennem disse modstande, desto højere er "friktionen/tryktabet" og dermed energiforbruget. Det svarer til, at en bil bruger mere benzin pr. kørt kilometer, når den kører 130 km/t, end hvis den kører 80 km/t. Den kommer godt nok hurtigere frem, men det koster noget mere pr. km.

Sådan måler du modtrykket i råvandsledningen

Montér et manometer på trykledningen efter kontraventilen og aflæs trykket, når råvandspumpen er standset. Hvis du har frit indløb i f.eks. iltningstrappen, så har du fundet det geometriske modtryk Hgeo. Manometeret viser oftest trykket i enheden "bar" eller "mvs" (meter vandsøjle). 1 bar svarer til 10 mvs.

Aflæs manometeret igen, når råvandspumpen kører. Det aflæste tryk svarer ca. til summen af det geometriske modtryk, H_geo. Ledningstabet H_ledning samt komponent- og enkelttab, H_enkelt.

Ventildrosling

Hvis vandforbruget falder, og der er behov for at "skrue ned" for kildepladsens eller den enkelte borings kapacitet, er den nemme løsning ofte at neddrosle ydelsen på pumpen ved at lukke delvist for ventiler i råvandsstationen. Dette er ikke nogen god permanent løsning. Oftest vil råvandspumpens virkningsgrad blive forringet væsentligt, fordi der sker en forskydning af pumpens driftspunkt på pumpekurven. Droslingen af ventilen vil føre til et øget energiforbrug. Et væsentligt bedre alternativ er at frekvensregulere pumpen, hvis man jævnligt har behov for at skrue op og ned for kapaciteten eller alternativt skifte pumpen ud med en mindre.

I nedenstående tabel er vist et beregningseksempel på, hvilke energimæssige konsekvenser det kan få at skulle sænke indvindingen. Der er anvendt et eksempel, hvor startsituationen er en indvinding på 15 m³/h ved en samlet modstand på 26,4 mVs og en årlig indvinding på 100.000 m³/år. Ydelsen ønskes herefter droslet ned til 8 m³/h og tilsvarende mindre årlig indvinding.

Som det ses af ovenstående beregning er der ca. 4.250 kWh/år at spare ved at frekvensregulere pumpen frem for at drosle pumpen via en ventil. Eksemplet er illustreret på pumpekurver i afsnittet Råvandspumper.

Råvandsledningen

Trykledningens diameter har stor indflydelse på "friktionen". Jo mindre rør man vil trykke en bestemt vandmængde igennem på en bestemt tid, des større bliver friktionen og dermed modtryk og energiforbrug pr. m³ vand (specifikt energiforbrug).

Nedenstående figur viser ledningstabet, H_ledning, og det specifikke energiforbrug, når der skal presses 36 m³/h igennem en 1000 meter lang trykledning af forskellig dimension.

Umiddelbart ser det altså ud til, at det gælder om at have en stor rørdiameter, hvor modtrykket og det specifikke energiforbrug er lavt. Men da vandet i råvandsledningen endnu ikke er behandlet, kan der ske en afsætning af jern og mangan i råvandsledningen, hvis hastigheden i råvandsledningen bliver for lav. Derfor kræves en vis vandhastighed for at undgå udfældninger i råvandsledningen. Samtidig er anlægsudgiften til anlæg af større råvandsledninger større end ved mindre ledninger. Hvis der er udfældninger i råvandsledningen, som sætter sig på rørvæggen, øges ruheden på rørvæggen og friktionstabet bliver større.

Nedenstående figur viser udgifter til drift, udgifter til anlæg samt en summeringskurve for udgifter til anlæg og drift, som en funktion af samlede omkostninger og ledningsdimensioner. Som det ses af figuren, handler det om at finde de billigst mulige driftsudgifter ved billigst mulige anlægsudgifter, markeret ved "D" på kurven.

Ledningsdimension

Tryktab og økonomi

Energiudgiften for oppumpning af vand ved et givet modtryk kan overslagsmæssigt beregnes som:

E = (Q*H*kr_e )/(367*η_tot )

Råvandspumper

Tilpasning af pumpens kapacitet og virkningsgrad

Råvandspumpens evne til at flytte vand beskrives ved en pumpekarakteristik, QH-kurven. QH-kurven viser den mængde vand, pumpen kan flytte ved en given modstand.

Typisk QH-kurve med angivelse af virkningsgrad og effektforbrug for en dykpumpe. Høj modstand resulterer i lavt flow og omvendt.

Når pumpen skal flytte vand, sker der et energitab i pumpens motor og i selve pumpen. Det vil sige, at pumpens virkningsgrad ikke er 100% af den energi, der skal tilføres. Den virkningsgrad, som pumpen har, vises i aggregatvirkningsgraden, som angiver hvor mange procent af den tilførte energi pumpen bruger på at flytte vandet. Aggregatvirkningsgraden er illustreret på ovenstående figur ved eta-kurven.

Som det ses af ovenstående figur, er det interval, hvor pumpen har den bedste virkningsgrad, relativt snævert. Dette betyder, at ændringer i modstand eller flow vil bevirke, at pumpens driftsøkonomi forringes væsentligt.

Man vil altid tilstræbe at dimensionere pumpen, så arbejdspunktet ligger i optimum på virkningsgradskurven eller til højre for optimum. Grunden til at ar-bejdspunktet som udgangspunkt skal ligge til højre for optimum er, at arbejdspunktet af forskellige årsager vil flytte sig til venstre med tiden. Det kan f.eks. skyldes:

• Stigende modtryk i råvandsledninger, filtre og komponenter
• Øget vandspejlssænkning i boringen
• Slidtage på pumpen

Ved pumpedimensioneringen er det muligt at få vist effektforbruget. I nedenstående figur er vist eksemplet med drosling af kapaciteten fra 15 m³/h til 8 m³/h via en ventil i råvandsstationen.

Illustration af ventildroslingens betydning for energiforbruget ved samme pumpe som ovenstående figur

Det ses, at virkningsgraden falder væsentligt ved at drosle ventilen. Konsekvensen for driftsøkonomien er vist i afsnittet Ventildrosling.

Anvendes derimod en frekvensregulering af pumpen til at regulere flowet, reguleres hastigheden på pumpen ned uden at øge modstanden, eksemplet er vist på nedenstående figur.

Illustration af neddrosling af den oppumpede vandmængde ved hjælp af frekvensregulering af pumpen

Alternativt kan det vælges at udskifte pumpen med en mindre, hvis kapaciteten forventes at skulle sænkes permanent.

Ønsker man at sikre en overkapacitet på kildepladsen, selvom man vælger at montere en mindre pumpe, kan der vælges en pumpe med 60 Hz motor i stedet for de ovenfor viste 50 Hz pumper. Denne løsning kræver installering af en frekvensomformer. Ved normal drift holdes samme driftspunkt som set tidligere med et meget lille merforbrug til følge. Ved behov for en øget vandmængde køres en ”overfrekvent” drift, hvor der reguleres over 50 Hz.

Driftsforhold

Pumpedrift ved flere boringer

På kildepladser hvor der er flere boringer i drift på samme tid, kan det være vanskeligt at overskue, hvordan de enkelte pumper ”arbejder op imod hinanden” på råvandsledningsnettet ved forskellige boringskombinationer. Der er set eksempler på, at der er så stor modstand på råvandsledningsnettet, at enkelte pumper ikke har været i stand til at overvinde modtrykket og levere vand til råvandsledningsnettet. Det vil sige, pumpen står egentlig bare og kører i sit eget vand og bruger energi, hvilket selvfølgelig ikke er hensigtsmæssigt.

Eksempel på trykforhold på en kildeplads med flere boringer i drift samtidigt

Ledningstabet H_Ledning, på de enkelte ledningsstrækninger afhænger bl.a. af flowet. Derfor er det også sådan, at jo flere boringer der leverer vand til den samme strækning på råvandsledningen, jo større bliver H_Ledning. Som det er vist på ovenstående figur, er den samlede modstand for den enkelte pumpe på råvandsledningsnettet derfor væsentligt afhængig af, om de øvrige pumper også er i drift. Derfor er disse forhold nødvendige at tage i betragtning, når der skal fastlægges indvindingsstrategi, laves vurdering af eksisterende bestykning eller foretages dimensionering af nye pumper.

Der er god grund til at vælge den rigtige pumpe og sikre, at driftspunktet ligger så optimalt som muligt på pumpens virkningsgradskurve i normalsituationen. Der findes i dag en række udbydere af ”kildepladsmodeller”, som kan simulere forskellige driftsforhold, pumpedimensioneringer og samtidig inddrage en resulterende vandkvalitet for den samlede indvinding.

Udjævning af driften - harmonisk indvinding

Der er stadig i dag eksempler på en on/off drift af kildepladsen med alt for store råvandspumper, således at indvindingen kun er aktiv få timer i døgnet, med alt for store flow i kort tid og stilstand på vandværket i lang tid. Det er efterhånden almindelig kendt, at denne driftsform ikke er hensigtsmæssig.

Udjævning af driften over døgnet har mange fordele for såvel energiforbruget, vandbehandlingen samt forureningsrisikoen ved boringerne.

En fordeling af indvindingen over så mange af døgnets timer som muligt er attraktiv, fordi der så skal indvindes tilsvarende mindre m³/h. Dette medfører, at sænkningen i boringen bliver mindre, dermed bliver løftehøjden for pumpen også mindre med energibesparelser til følge. 

Flowet i råvandsledningsnettet bliver også mindre, når driften jævnes ud over døgnet. Dette har som vist i afsnit ”Råvandsledningen” positiv indflydelse på energiforbruget ved transport af vandet.

En tredje fordel ved at udjævne driften er, at den hydrauliske påvirkning af boringskonstruktionen mindskes, og dermed mindskes forureningsrisikoen.

Den harmoniske indvinding kan sikres ved at kunne styre, hvor meget vand hver enkelt boring skal levere. Det vil sige, der er behov for at kunne skrue op og ned for flowet efter behovet. Styringen af flowet kan foretages ved en frekvensregulering af råvandspumperne.

Hvor meget vand råvandspumperne skal levere, kan styres efter flere forskellige forhold, men vil i dag typisk være efter niveauet i rentvandsbeholderen sammenholdt med afsænkningen i boringen.

Ledningsruhed og aflejringer

Råvand indeholder jern og mangan samt i dårlige tilfælde rester af f.eks. sand, der kan aflejre sig i råvandsledningen. Disse aflejringer er med til at øge friktionen i råvandsledningen samt mindske den indvendige diameter på råvandsledningen. Det betyder igen, at ledningstabet, H_Ledning og energiforbruget stiger.

Hvor meget friktion belægningerne bidrager med ved en vandmængde på 36 m³/h, en indvendig rørdiameter på 110,2 mm og en ledningslængde på 1.000 meter kan ses i nedenstående skema.

En ruhed på 0,01 mm svarer til nye plastledninger, en ruhed på 0,1 mm svarer til plastledninger med belægninger, mens en ruhed på 0,5 mm svarer til kraftigere belægninger. Eksemplet er vist, hvor vandhastigheden er holdt mellem 0,8 m/s og 1,0 m/s.

Der er valgt en relativ stor udstrækning af råvandsledningsnettet på ca. 1.000 meter for at illustrere problemet. Er udstrækningen af råvandsledningerne mindre, vil problemet være tilsvarende mindre betydningsfuldt. Omvendt er udstrækningen større, er der god grund til øget fokus.

Aflejringer og belægninger gør som nævnt også rørets tværsnitsareal min