EESTI MAAÜLIKOOL Tehnikainstituut. Indrek Pomerants ENERGIATARBIMISE OPTIMEERIMINE ASULA JOOGIVEE TOOTMISEL

Transcription

1 EESTI MAAÜLIKOOL Tehnikainstituut Indrek Pomerants ENERGIATARBIMISE OPTIMEERIMINE ASULA JOOGIVEE TOOTMISEL ENERGY CONSUMPTION OPTIMIZATION OF DRINKING WATER PRODUCTION IN VILLAGE Magistritöö Energiakasutuse õppekava Juhendaja: lektor Maido Märss, MSc Tartu

2 LÜHIKOKKUVÕTE Pomerants, I. Energiatarbimise optimeerimine asula joogivee tootmisel. Magistritöö. Trükitud 2 eksemplari. Tartu: EMÜ, lehekülge, 28 joonist, 19 tabelit, formaat A4. Eesti keeles. Valdavalt tagatakse linnade, asulate ja väiksemate üksuste joogivee varustus põhjavee sügavamatesse kihtidesse rajatud puurkaevudega. Magistritöö eesmärgiks on küla joogivee tootmise elektrienergia tarbimise optimeerimine. Puurkaevust pumbatakse joogivesi süvaveepumba abil läbi veepuhastussüsteemi asula veevõrku. Töös on kirjeldatud kolme süvaveepumba juhtimismeetodit: 1. Pumba otsekäivitus rõhulüliti juhtimisel. 2. Käivitamine sujuvkäivitiga rõhulüliti juhtimisel. 3. Juhtimine sagedusmuunduriga rõhuanduri tagasisidel. Katseseeriate käigus analüüsiti süvaveepumba tööd, elektrienergia tarbimist, veekulu ja elektrienergia erikulu erinevate juhtimismeetodite rakendamisel. Pumba elektriliste parameetrite ja veekulu mõõtmiseks seati üles mõõtesüsteem ja viidi erinevate juhtimismeetodite rakendamisel läbi katseseeriad. Andmete kogumiseks on kasutatud ka eelnevalt üles seatud kaugjälgimissüsteemi. Uurimisobjektiks on Lõuna-Eestis Helme vallas asuv puurkaevpumpla. Arvutati erinevate juhtimismeetodite tunni keskmised erikulud kogu katseseeria kohta. Kõige energiasäästlikum on pumba otsekäivitus, kuid arvestades tekkivat hüdraulilist lööki torustikus ei ole selline juhtimismeetod soovitatav. Sujuvkäiviti kasutamisel saadud elektrienergia sääst oli pea sama suur. Sagedusmuunduriga juhtimise eeliseks on stabiilne rõhk veevarustussüsteemis, kuid töö vähese veetarbimisega perioodil rahalist säästu ei anna. Veetarbimise suhteliselt suur muutus ööpäevas raskendab süvaveepumba töö optimeerimist. Märksõnad: puurkaevpumpla, pumba juhtimismeetodid, süvaveepump, pumba juhtimine sagedusmuunduriga. 2 elektrienergia erikulu,

3 ABSTRACT Pomerants, I. Energy consumption optimization of drinking water production in village. Master s Thesis. Printed in 2 volumes. Tartu: EMÜ, pages, 28 figures, 19 tabels, formaat A4. In Estonian language. Drinking water supply in cities, villages and rural areas are mostly based on groundwater. The main goal of the thesis is to optimize energy consumption in driven well drinking water production. Submersible pumps are used in driven wells for pumping water through filtration system into water supply network. To control submersible pump there are three studied methods: 1. Direct on line starting. 2. Controlling with soft starter. 3. Controlling with VFD (variable frequency drive). Test series were conducted to compare different submersible pump control methods. For that a measuring system was installed to measure water consumption and electrical parameters of the pump. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system that was installed prior to the test series for several objects in the area, was also used for data gathering. The object of study is Linna village pumping station in Helme parish, Estonia. As a result average specific electricity consumption was calculated for each hour of the test series. Most energy efficient control method was direct on line starting, but considering water hammering effect in pipeline it is not recommended. Controlling with soft starter was nearly as efficient. The benefit of using VFD is stable pressure in water supply system but in low water consumption periods it does not provide financial savings. Wide range of flow rate throughout the day makes the optimization of submersible pump difficult. Keywords: Pumping station, drinking water, pump control methods, specific electricity consumption, submersible pump, pump control with VFD. 3

4 SISUKORD LÜHIKOKKUVÕTE... 2 ABSTRACT... 3 SISSEJUHATUS JOOGIVEEVARUSTUSSÜSTEEM Joogivee tootmine ja tarbimine Energiasääst vee pumpamisel MATERJAL JA METOODIKA Andmete kogumine kaugjälgimissüsteemist Andmete kogumine võrguanalüsaatoriga UURIMISOBJEKTI KIRJELDUS Helme valla veemajanduse struktuur Puurkaevpumpla ja veetöötlusjaama tehnoloogiline kirjeldus Puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama vee tootmise ja elektritarbimise võrdlus LINNA KÜLA PUURKAEVPUMPLA Puurkaevpumpla juhtimise kirjeldus Süvaveepumba valik Pumba juhtimine rõhulülitiga Pumba juhtimine sujuvkäivitiga Pumba juhtimine sagedusmuunduriga Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel üks Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel kaks Pumba juhtimine sagedusmuunduriga Vacon Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel kolm Sagedusmuunduri seadistuse üks ja kolm võrdlus SÜVAVEEPUMBA TÖÖ ANALÜÜS Katseperiood Pumba jõudlus Pumba töötsüklid Joogivee tootmine Pumba elektrienergia tarbimine ja erikulu MAJANDUSARVUTUS Seadmete investeeringu maksumus Aastane elektrienergia maksumus KOKKUVÕTE KIRJANDUS

5 ENERGY CONSUMPTION OPTIMIZATION OF DRINKING WATER PRODUCTION IN VILLAGE LISAD Lisa A Mõõtmise skeemid Lisa B. Puurkaevpumpla Lisa C. Süvaveepumba spetsifikatsioon Lisa D. Pumba jõudlus ja elektrienergia erikulu erinevatel katseseeriatel Lisa E. Elektrienergia erikulu ja pumba jõudlus taandatud 24 h peale LIHTLITSENTS

6 SISSEJUHATUS Linnade, asulate ja väiksemate üksuste joogivee varustus tagamiseks kasutatakse põhjavee sügavamatesse kihtidesse rajatud puurkaevusid. Vaadeldud on süsteemi, kus vesi pumbatakse puurkaevust veevarustussüsteemi süvaveepumba abil. Elektrienergia efektiivsem kasutamine sellises protsessis aitab kokku hoida kulusid ja potentsiaalselt vähendada joogivee hinda lõpptarbijale. Lisaks saab seadmete valiku ja seadistusega pikendada veevarustussüsteemi töökindlust ja eluiga. Uurimustöö eesmärgiks on küla joogiveetootmise elektrienergia tarbimise optimeerimine. Seda eelkõige erinevate seadmete ja juhtimismeetodite rakendamisel süvaveepumba juhtimiseks. Uudse meetodina kasutatakse veevõrgu seaderõhu varieeruvust ööpäevas. Magistritöö ülesehitus on järgmine: 1. Veetöötlussekotori ülevaade. 2. Ülevaade uuritava piirkonna veevarustussüsteemist. 3. Analüüsiti piirkonna puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama tööd kaugjälgimisüsteemi liitmise ajast (detsember 2013 kuni märts 2015). 4. Võrreldi nende elektrienergia tarbimist, pumbatud vee koguseid ja analüüsiti joogivee pumpamise erikulu. 5. Katseseeriate läbiviimiseks kasutatud puurkaevpumpla kirjeldus. 6. Kontrolliti paigaldatud pumba parameetreid ja valikut. 7. Kirjeldati erinevate juhtimismeetodite eeliseid ja puuduseid. 8. Mõõdeti süvaveepumba toiteahela elektrilisi parameetreid ja veekulu erinevate seadmete ja juhtimismeetodite kasutamisel. 9. Analüüsiti iga katseseeria elektrienergia tarbimist, pumbatud veekoguseid ja pumpamise erikulu ööpäeva erineval perioodil. 10. Koostati majandusarvutus erinevate juhtimismeetodite liht-tasuvusaja leidmiseks. Mõõteandmete kogumiseks kasutati olemasolevat kaugjälgimissüsteemi ja puurkaevpumplasse üles seatud võrguanalüsaatorit. Andmete töötlemiseks kasutati tarkvara MS Excel. 6

7 Tänuavaldused: Helme Teenus OÜ-le, kes võimaldas katseseeriate läbiviimist nende poolt hallatavas puurkaevpumplas. OÜ Elektroskandia Baltics, kes tarnis katseseeria läbiviimiseks sagedusmuunduri. OÜ Entronik, kes võimaldas kasutada erinevaid seadmeid ja andis ligipääsu vajalikule informatsioonile analüüsitava objekti kohta. 7

8 1. JOOGIVEEVARUSTUSSÜSTEEM 1.1. Joogivee tootmine ja tarbimine Euroopa joogiveevarustus on tagatud 65 % ulatuses põhjaveel ja 35 % pinnaveel. Taanis ja Islandil tagatakse 90 % tarbijate joogivesi põhjaveest. Ligikaudu 67 % euroopa elanikest (325 miljonit inimest) elavad linnades (USA-s umbes 81 %) ja ligi 60 % euroopa linnadest liig kasutab oma põhjavee varu. See on tingitud suure rahvastiku tihedusega linnade ja selle ümbruse põhjaveevaru suure tarbimiskoormuse tõttu. Põhilised põhja- ja pinnavett tarbivateks üksusteks on [1]: 1) 64 % põllumajandussektor; 2) 20 % energeetikasektor; 3) 12 % avalik- ja erasektor; 4) 4 % tööstussektor. Eesti rahvastikust 75 % on ühendatud tsentraalsesse joogiveevarustussüsteemi. Linnades ja väiksemates asulates põhineb joogivee varustus 65 % ulatuses põhjaveel ja 35 % ulatuses pinnaveel (Tallinn ja Narva). [2] Vee tarbimine Eestis on alates 1992 aastast vähenenud 188 l pealt 96 l inimese kohta 2008 aastaks. Selle peamiseks põhjuseks loetakse 25 kordset vee hinna tõus. Joogi- ja reoveega seotud kulud majapidamises moodustasid 2007 aastal 1,72 % leibkonna sissetulekust. Tarbitud veest 56 % moodustasid kodutarbijad, tööstus 39 % ja põllumajandus 5 %. [3] Nii Euroopas üldiselt kui ka Eestis on joogiveevarustus tagatud suuresti just põhjaveega, mille kättesaamiseks kasutatakse süvaveepumpasid. Euroopas keskmiselt on põllumajanduse osakaal põhja- ja pinnavee tarbimisel oluliselt suurem kui Eestis. Eestis on suurimaks veekasutajaks just eratarbijad. Seetõttu on käesolevas töös vaadeldud joogivee tootmiseks kasutatava süvaveepumba töö optimeerimise võimalusi. Veetöötlusega puurkaevpumpla põhimõtteskeem on esitatud joonisel

9 PJK1 Vesi asula veevõrku Süvaveepump puurkaevus Joonis 1.1. Veetöötlusega puurkaevpumpla lihtsustatud skeem: FQI veekulumõõtja; PS rõhulüliti; PIA rõhuandur; F filterpaak; H hüdrofoor; PJK peajaotuskeskus Lihtsamad puurkaevpumplad on üheastmelised. See tähendab, et vesi pumbatakse puurkaevust otse veevarustussüsteemi. Kaheastmeline süsteemi korral pumbatakse vesi puurkaevust mahutisse ja veevõrku pumpamiseks kasutatakse eraldi teise astme pumpasid Energiasääst vee pumpamisel Euroopa komisjoni regulatsioon (EC) No 640/2009 (vastu võetud 22. juuli 2009) seab uued nõuded energiatõhususele tööstuses. Direktiivi esimene aste jõustus 2011 aastast, mis nõuab kõikidele mootoritele efektiivsusklassi IE2 (high efficiency motors). Teine aste jõustus 2015 aastast, mis lubab IE2 mootoreid võimsusega 7,5 kw kuni 350 kw kasutamist ainult koos sagedusmuunduriga. Kolmas aste jõustub 2017 aastal, mis nõuab mootoritelt võimsusega 0,75 kw kuni 350 kw efektiivsusklassi IE3 (Premium efficiency motors). Erimootoreid IE2 efektiivsusklassiga lubatakse kasutada koos sagedusmuunduriga. [4] 9

10 Eelnevast tulenevalt on vaja rohkem panustada vee pumpamise erikulu vähendamisele tarbijate veega varustamisel. Vee pumpamise protsessi elektrienergia kulu vähendamiseks on järgmised võimalused [5]: 1. Pumba õige dimensioneerimine. 2. Sagedusmuundurite kasutamine pumpade juhtimiseks. 3. Kõrge efektiivsusklassiga mootorite kasutamine. 4. Piirkonna vee tarbimise väljavaated ja tulevikusuundade analüüs. 5. Võimalikult väikese rõhulanguga torustikusüsteemi loomine. Pumba dimensioneerimiseks on vaja teada pumbajaama planeeritud jõudlust ja vajalikku veevõrgu rõhku. Veetorustiku planeerimisel tuleb projekteerida toru läbimõõt vastavalt veevarustussüsteemi parameetritele, võimalusel ehitada torustik võimalikult lühike, sirge ja väheste järskude kurvidega. Torustik pumba imipoolel võiks olla sirge. Lekked torustikus alandavad veevõrgus rõhku ja tõstavad veekulu ning põhjustavad pumpadele suuremat töökoormust. Pumpa valides on vaja jälgida selle optimaalset tööpunkti (BEP- Best Efficiency Point). Üledimensioneerimisel liigutakse optimaalsest tööpunktist kaugemale ja kaotatakse pumpamise efektiivsuses. Seda aitab tasakaalustada sagedusmuunduri kasutamine. [5] Joogivee taristu loomisel tuleb arvestada piirkonna elanike arvu, tarbimisharjumuste ja tarbijate tekkimise (lahkumise) suundumusega. See aitab vältida süsteemi üle- või aladimensioneerimist. Arvestama peab ka kohaliku piirkonna eripäraga: tarbimise muutus aasta lõikes, üritused, veevõtt tulekahjude korral ja oma majandustegevuses suuremates kogustes vett tarbivate ettevõtete olemasolu. Joogiveevarustussüsteemis on põhiliseks energiatarbijateks toorvee (töötlemata vee) pumpamine puurkaevust, transport, töötlemine, hoiustamine ja transport tarbijateni. Energiatarbimine võib varieeruda sõltuvalt toorvee allikast, pumpla või veetöötlusjaama tehnoloogia vanusest, hoiustamise mahust, topograafiast ja süsteemi suurusest (nii joogivee tootmise kui ka teeninduspiirkonna pindalast). Toorvee pumpamine puurkaevust on üldiselt energiakulukam kui pinnaveekogude kasutamine toorveeallikana. Efektiivne ja töökindel veetootmine ja töötlus aitavad suunata hoolduselt ja kasutuskuludelt kokkuhoitud vahendid infrastruktuuri uuendamisele ja tehnoloogia arendamisele. [6] 10

11 2. MATERJAL JA METOODIKA 2.1. Andmete kogumine kaugjälgimissüsteemist Magistritöös vaadeldakse piirkonna puurkaevupumplate ja veetöötlusjaama joogivee tootmist ja energiatarbimist pikema perioodi jooksul. Nende parameetrite kirjeldamiseks vajalikud andmed salvestatakse kaugjälgimissüsteemi ehk SCADA-sse (Supervisory Control and Data Acquisition), millega objekt on liidetud. Süsteem esitab igakuised kokkuvõtlikud raportid automaatselt, kus näidatakse veetöötlusjaama elektrienergia näit, puurkaevust pumbatud ja veevõrku pumbatud veemõõtja näit. Raporti andmete aluseks on SCADA-süsteemi poolt kogutud mõõteandmed, mille salvestussagedus sõltub mõõdetavast parameetrist: 1) puurkaevpumpla elektrienergia näidu, puurkaevust pumbatud vee koguse (m3) ja veevõrgu rõhu (bar) salvestamise intervall on 10 sekundit; 2) puurkaevpumpla jõudluse (m3/h) salvestamise intervall on 30 sekundit. Täpsemate mõõteandmete nägemiseks saab SCADA-süsteemi kasutaja vaadata erinevate muutujate sõltuvuse graafikuid ja salvestada mõõteseeria parameetreid valitud ajaperioodi jooksul. Säästmaks programmi ülekoormamist, kuvatakse graafik 300 mõõtepunkti järgi. See tähendab, et olenemata sellest, kas mõõteseeria pikkuseks valitakse aasta või üks tund, kujutatakse graafik 300 mõõtepunktiga. Väiksema ajaintervalli valimisel suureneb ka joonise täpsusaste. Graafiku salvestamisel *.csv (comma-seperated values) formaati salvestatakse vaid 300 mõõtepunkti. Seetõttu ei sobinud SCADA-süsteemi olemasolev lahendus käesoleva magistritöö jaoks vajalike andmete kogumiseks. Kogu mõõtmiste info salvestab kaugjälgimissüsteem *.hst (history) formaati, mille lugemiseks ja avamiseks vabavaralised võimalused puuduvad. Mõõteandmetele ligipääsemiseks pöörduti SCADA programmi Vijeo Citect väljatöötaja Schneider Electricu esindaja poole, kes võimaldas ligipääsu nende poolt välja töötatud tarkvarale Trend Reader. See võimaldab analüüsida kaugjälgimissüsteemi salvestatud andmeid salvestusperioodi jooksul, mis analüüsitava objekti jaoks on ligikaudu poolteist aastat. 11 terve

12 2.2. Andmete kogumine võrguanalüsaatoriga Magistritöös uuriti süvavee pumba töö parameetreid ja puurkaevu jõudlust nädalaste perioodide jooksul, mille jaoks kõiki vajalikke parameetreid SCADA-süsteemiga ei jälgita. Pumba ahela elektrilised parameetrite mõõtmiseks kasutati võrguanalüsaatorit Janitza UMG 605 (joonis 2.1). RS 232 RS 485 Takistustermoanduri ühendamise klemmid Digitaalsisendid ja väljundid Võrguanalüsaatori toite klemmid Ekraanil navigeerimise nupud Profibus Ethernet ühendus Klemmid voolutrafode ühendamiseks Klemmid liini ja faasipinge mõõtmiseks Joonis 2.1. Janitza UMG 605 [7] Seadme arvutiga ühendamiseks kasutatakse ethernet ühendust. Katsete käigus mõõdeti mootoriahela voolud, liini- ja faasipinged, võimsus ja puurkaevust pumbatud vee kogus. Seadme mälu buffrisse salvestati ühe minuti keskmine, maksimum- ja miinimumväärtused. Seade võimaldab ka reaalajas parameetrite seiramist (kaasa arvatud parameetreid, mida pole salvestama pandud), sel juhul on parameetrite registreerimissagedus s [7]. Mõõtetulemused saab salvestada *.csv formaati [7]. Andmetöötluseks kasutati MS Excel tarkvara. Sagedusmuunduriga, sujuvkäivitiga ja otsekäivituse katsete mõõtmiste skeemid on esitatud lisas A. Võrguanalüsaatori seadistamiseks, mõõteandmete lugemiseks ja salvestamiseks kasutati tarkvara GridVis. 12

13 3. UURIMISOBJEKTI KIRJELDUS 3.1. Helme valla veemajanduse struktuur Helme vald asub Lõuna-Eestis Valga maakonnas. Vastavalt Helme valla ühisveevärgi ja kanalisatsiooni arendamise kavale pidi aastaks 2013 joogivee kvaliteet vastama olmevee kvaliteedi direktiivile 98/83/EÜ. Selle saavutamiseks on piirkonnas rekonstrueeritud ja juurde ehitatud neli puurkaevpumplat ja üks veetöötlusjaam, mis tagavad joogivee ligikaudu 900 elanikule. [8] Puurkaevpumplad, veetöötlusjaam ja reoveepumplad on ühendatud ühtsesse kaugjälgimissüsteemi. Puurkaevpumplate (PK) ja veetöötlusjaama (VTJ) põhiparameetrid on esitatud tabelis 3.1. Tabel 3.1. Puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama põhiparameetrid [8, 9] Linna küla PK1 1 Linna küla PK1 2 Helme PK1 Patküla PK1 Ala küla VTJ2 Pumba paigaldus sügavus, m Pumba võimsus, kw 4,0 4,0 5,5 2,2 Pumba tootlikkus, m3/h Parameeter 3,0 2x1,5 8 2x4,7 Võrgu rõhu seadeväärtus, kpa Lubatu veevõtt 72, ,7 päevas, m3 Veevõrguga liitunud elanike arv 1 puurkaevpumpla; 2veetöötlusjaam; 3lisandub 220 õpilast; 4lisanduvad põhikooli õpilased Linna külas on ühes veevarustussüsteemis kasutusel kaks puurkaevpumplat suurendades nii piirkonna varustuskindlust ning vähendades riketest tulenevate veekatkestuste arvu. Kahe puurkaevpumpla kasutamine on otstarbekas suuremate tarbijate arvu korral või olukorras, kus süsteemiga on ühendatud kriitilist tähtsust omavad veetarbijad. Puurkaevpumpla ja veetöötlusjaama vajalik jõudlus määratakse tulevikuperspektiivi arvestades teatava varuga. 13

14 Veevõrgu rõhu seadeväärtus sõltub suuresti tarbijate ja puurkaevpumpla kõrguste vahest ja torustiku seisukorrast. Lubatud veevõtt päevas on määratud Keskkonnaministeeriumi poolt. Linna küla puurkaevpumplate asukohad on näidatud joonisel 3.1. Linna küla puurkaevpumpla 2 Linna küla puurkaevpumpla 1 Joonis 3.1. Linna küla puurkaevpumplate asukohad [10] Linna küla puurkaevpumpla üks piirkonnas asuvad põhiliselt eramajad ja korterelamud, pumpla kaks lähedal on põhiliselt ettevõtted. Mõõtmiste ja katseseeriate läbiviimiseks on Linna küla puurkaevpumpla üks valikus olnud objektidest (tabel 3.1) sobivaimate tingimustega külal on vaadeldava piirkonna suurim vee tarbimine. Lisaks on võimalik katseseeriate üles seadmiseks vajaliku töökatkestuse olukorras tarbijate veevarustus tagada teise Linna küla puurkaevpumpla abil Puurkaevpumpla ja veetöötlusjaama tehnoloogiline kirjeldus Puurkaevpumplas pumbatakse vesi puurkaevust asula veevõrku läbi veetöötlussüsteemi, milles toimub raua ja mangaani eraldus joogiveest. Rauaeraldus nõuab vee aereerimist, mille jaoks on süsteemis õlivaba kompressor. Filtrite perioodiliseks läbipesuks juhitakse 14

15 pneumaatiliste klappide abil vesi vastupidises suunas läbi filtrite kanalisatsiooni. Vee mikrobioloogilisest reostusest puhastamiseks on süsteemi ette nähtud kemikaali (NaOCl) doseerimisseadme ühendusvõimalus. Puurkaevupumpa juhitakse sagedusmuunduriga. Pumba kiirust reguleeritakse automaatselt vastavalt rõhule asula veevõrgus. Pumpla tööd juhib programmeeritav loogikakontroller (PLC Programmable Logic Controller). Puurkaevpumplas mõõdetakse järgmisi suurusi: 1) puurkaevu veetase (m), mõõteseadmeks hüdrostaatiline nivooandur (0 50 m), väljundiks 4 20 ma; 2) puurkaevust pumbatud vee kogus (m3), mõõteseadmeks on impulss väljundiga veemõõtja (100 l/impulss); 3) asula veevõrku pumbatud vee kogus (m3), mõõteseadmeks on impulss väljundiga veemõõtja (100 l/impulss); 4) asula veevõrgu rõhk (bar), mõõteseadmeks väljuval torustikul olev rõhuandur (0 10 bar, väljundiga 4 20 ma); 5) pumpla elektrienergia kulu kw h, mõõteseadmeks on impulss väljundiga elektrienergia arvesti (800 imp/kw h); Puurkaevpumpla tehnoloogilist skeemi ja mõõdetavaid parameetreid on näha Linna küla puurkaevpumpla üks SCADA pildilt joonisel 3.2. Pumpla tehnoloogiaseadmete paigutus on näha lisas B (jooniselt B.1 ja B.2). Veetöötlusjaamas pumbatakse vesi puurkaevust süvaveepumba abil kontaktmahutisse, mille eesmärgiks on suurendada aereeritud õhu segunemist veega. Kontaktmahutist pumpavad kaks survetõstepumpa vee läbi rauaeraldusfiltrite asula veevõrku. Süvaveepumpa juhitakse kontaktmahuti veetaseme järgi. Survetõstepumpasid juhitakse veevõrgu rõhuanduri järgi. Töötavat pumpa vahetatakse vastavalt töötundidele. Kui üks pump ei suuda veevarustussüsteemis etteantud rõhku hoida (suurema veetarbimise korral), lülitatakse tööle mõlemad pumbad. Lisaks puurkaevpumplas mõõdetud suurustele mõõdetakse siinjuhul ka kontaktmahuti veetaset. Kaheastmelise veetöötlusjaama tehnoloogilist skeemi ja mõõdetavaid parameetreid on näha Ala küla veetöötlusjaama SCADA pildilt joonisel 3.3. Mõlemal juhul edastatakse andurite info ja seadmete rikked pumpla juhtkontrollerisse. Tähtsamad rikke signaalid ja mõõteandmed kuvatakse operaatorpaneelil. Kõik mõõdetavad suurused edastatakse läbi GPRS (General Packet Radio Service) modemi SCADA serverisse. 15

16 16 Joonis 3.2. Linna küla puurkaevpumpla SCADA pilt 16

17 Joonis 3.3. Ala küla veetöötlusjaama SCADA pilt

18 Kaugjälgimissüsteem võimaldab objekti tööd ja parameetreid jälgida ning pumplat juhtida näiteks kodust veetöötlusjaamas või kontorist. SCADA-süsteemi on sarnased. Järgnevalt on ülesehitus puurkaevpumplas kirjeldatud ja veetöötlusjaama kaugjälgimisüsteemis (joonis 3.3) kuvatud infot: 1. Olulisemad häired (valve, keskkonna parameetrid, puurkaevu tase ja mahuti tase). 2. Kumulatiivne pumbatud veekogus, tarbitud elektrienergia ja keskmine erikulu. 3. Süvaveepumba toitepinge hetke sagedus, minimaalne sagedus ja pumba käivituste arv. Lisaks näitab toite indikaator kas pumpa juhib sagedusmuundur või toimub pumba töö otsekäivitusel. 4. Puurkaevu hetke veetase, seadistatud madal veetase ja kriitiliselt madal tase. 5. Puurkaevu veetase graafiliselt. 6. Puurkaevupumba hetke jõudlus. 7. Mahuti seadistatud taseme väärtused. Neid väärtuseid on võimalik läbi kaugjälgimissüsteemi muuta. 8. Mahuti veetase graafiliselt. 9. Veevõrgu rõhu seadeväärtus ja hetke rõhk. Seadeväärtust on võimalik läbi kaugjälgimissüsteemi muuta. 10. Pumba toitepinge sagedus (sagedusmuunduriga juhtides) ja käivituste arv. 11. Filtrite pesu- ja töötsükli juhtimiseks mõeldud pneumoklapid. Rohelise värviga on tähistatud hetkel avatud klapid ja halliga suletud. 12. Pesu intervall ja seaded, mida on võimalik läbi kaugjälgimissüsteemi muuta. Lisaks on näha kui palju on viimasest pesust kulunud aega ja kui palju on pumbatud vett. Kaugjälgimissüsteem teavitab koheselt probleemidest süsteemis, mis võimaldab kiiremat reageerimist ja kokkuvõttes aitab vähendada kulusid. Igakuised raportid lihtsustavad süsteemi töö jälgimist ja võimaldavad analüüsida vee- ja elektrienergia tarbimist. Joogivee mahutitega veetöötlusjaamas kasutatakse vee pumpamiseks II astme pumpasid, mille ülesandeks on mahutitest vee pumpamine veevarustussüsteemi. Nende võimsuse ja arvu määramiseks võetakse arvesse piirkonna planeeritud vee tarbimine ja soovitud veevõrgu rõhku. Mõnel juhul on vaja veega varustada ka tuletõrjesüsteemi, mis võib tarbimist järsult tõusta ja seeläbi rõhku veevarustussüsteemis väheneda. Efektiivse süsteemi loomiseks ei varustata süsteemi ühe suure pumbaga, mis on dimensioneeritud maksimum jõudluse järgi. Selle asemel kasutatakse mitut väiksemat pumpa, mis lülitatakse paralleelselt 18

19 tööle, kui ei suudeta veevõrgus tagada rõhu seadeväärtust. Veevõrgu rõhu hoidmiseks kasutatakse II astme pumpasid sagedusmuunduritega. Mitme väiksema pumba kasutamine tõstab alginvesteeringu maksumust, kuid aitab kokku hoida elektrienergiat pikema aja jooksul, eriti väiksema tarbimisega perioodil ja suurendab süsteemi töökindlust. Ühe pumba rikke korral tagab asula veevarustuse teine pump. Filterpaakides olevat filterliiva tuleb perioodiliselt pesta et seda puhastada kogunenud jääkidest. Filtrite pesu arvestatakse vastavalt võrku pumbatud vee kogusele või eelmisest pesust möödunud ajale. Pesu intervall ja seaded on näha jooniselt 3.2 ja 3.3. Intervall on mõlemal juhul kas 120 m3 või 144 h. Pesutsükli veekulu on ligikaudu 3,5 m3. Seadetest saab määrata pesu kestust ja loputuse kestust. Antud juhul on pesu kestuseks on 8 min ühe filtri kohta. Selle aja jooksul uhutakse vesi läbi filtri tööolukorrale vastupidises suunas. Peale pesu tsüklit toimub loputus, mille jooksul pumbatakse vesi läbi filtrite töö suunas. Loputus kestab kolm minutit. Filtrite pesu- ja loputusvesi juhitakse kanalisatsiooni. Ühe filtri pesu ajal tagab asula puhta joogivee teine filter (ühe filtri jõudlus on 5,25 m3/h) [9]. Seetõttu on pesu ajaks mõistlik valida vähese tarbimisega periood öösel Puurkaevpumplate ja elektritarbimise võrdlus. veetöötlusjaama vee tootmise ja Helme veemajanduse erinevate pumplate iseloomustamiseks ja kirjeldamiseks on kasutatud SCADA paigaldamise algusest kogutud mõõteandmete raporteid. Raportis esitatakse järgmiste mõõdetud parameetrite kuu väärtused: 1) veemõõtja näit puurkaevust pumbatud vee kogusega m3; 2) veemõõtja näit veevõrku pumbatud vee kogusega m3; 3) elektrienergia näit kw h. Elektrienergiat mõõdetakse puurkaevpumpla sisendis, seega sisaldub kaugjälgimissüsteemis kajastatud elektrienergia mõõteandmetes lisaks süvaveepumba energiakulule ka valgustuse, kütte, tehnoloogiliste seadmete ja automaatikaseadmete elektrienergia kulu. Mõõtetulemuste analüüsimisel arvutati piirkonna puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama joogivee pumpamise erikulu erinevatel kuudel. Raportite andmed ja vee pumpamise erikulu on esitatud tabelis 3.2. Toorveena kirjeldatakse purkaevust pumbatud ja töötlemata vett. 19

20 Tabel 3.2. Puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama raportite andmed Elektrienergia kw h Toorvee erikulu kw h/m3 Puhastatud vee erikulu kw h/m3 Toorvee kogus m3 Puhastatud vee kogus m ,60 1, ,34 1, ,65 1, ,92 0, ,95 2, ,31 1, ,33 2, ,83 1, ,69 2, ,41 1, ,00 2, ,49 1, ,87 3, ,38 Apr ,73 1, ,33 1, ,56 2, ,40 Mai ,17 1, , ,18 2, Juuni ,36 1, Juuli , , ,41 1, Aug ,70 0, Sept ,70 0, , Okt ,77 0, , Nov ,75 0, , Dets , Jaan ,12 1, Veebr ,37 1, Märts Summa Perioodi keskmine Märts , ,46 3, ,88 1, ,35 2, ,21 2,21 1, ,50 1,51 1,56 1, ,56 1, , ,90 0, , , , ,71 0,71 0,74 0, ,79 0, ,76 0, , , ,92 2, , ,72 0, ,51 1, ,79 1, ,32 2, ,55 1, ,13 1, ,40 1, , ,31 1,31 1, Puhastatud vee erikulu kw h/m3 Puhastatud vee kogus m3 322 Toorvee erikulu kw h/m3 Toorvee kogus m3 332 Elektrienergia kw h Elektrienergia kw h 1,76 1,87 Puhastatud vee erikulu kw h/m3 Puhastatud vee kogus m3 976 Veebr 2014 Toorvee erikulu kw h/m3 Toorvee kogus m3 521 Puhastatud vee erikulu kw h/m3 556 Jaan 2014 Toorvee erikulu kw h/m3 Elektrienergia kw h 1,90 1, Puhastatud vee erikulu kw h/m3 848 Toorvee kogus m3 Puhastatud vee kogus m3 Ala küla veetöötlusjaam Toorvee kogus m3 Patküla puurkaevpumpla 441 Dets 2013 Periood Toorvee erikulu kw h/m3 Helme puurkaevpumpla Elektrienergia kw h Linna küla puurkaevpumpla 2 Puhastatud vee kogus m3 Linna küla puurkaevpumpla ,63 1, , ,54 1,

21 Tabeli 3.2 andmetel on näha, et mõnel juhul on veevõrku pumbatud rohkem vett kui puurkaevust. See võib olla osaliselt tingitud mõõtmise veast ja mikrobioloogilisest reostusest, mis pärssis puhastatud vee veekulumõõtja tööd. Seetõttu esinevad kohati suured erinevused kahel veemõõtja näidul. Kõikidel objektidel on summaarne puurkaevust välja pumbatud veekogus suurem kui võrku pumbatud. Tabeli 3.2 andmete põhjal on koostatud Vee kogus m3 joonis Linna küla PK1 Linna küla PK2 Helme PK Patküla PK Ala küla VTJ Joonis 3.4. Piirkonna summaarne tootmine puurkaevust sõltuvalt objektist Jooniselt 3.4 on näha pumplate tootmist kuude lõikes ja kuus pumbatud summaarset vee kogust. Veebruaris 2015 pesti ja töödeldi kõikidel puurkaevpumplate ja veetöötlusjaama tehnoloogilised seadmed läbi esinenud mikrobioloogilise reostuse tõttu. Sellepärast ka oluliselt suurem veetarbimine antud kuus. Järgnevates analüüsides on välja jäetud 2015 veebruari andmed. Seda arvesse võttes erineb perioodi lõikes kogu vaadeldava piirkonna vee tarbimine 961 m3 (2813 m3 juuni ja 1852 m3 detsember 2014). Mõnevõrra suurem summaarne veetarbimine on näha suveperioodil. Parema ülevaate pumpla ja veetöötlusjaama tööst annab karp-vurrud diagramm, kus on arvestatud iga kuu puurkaevust pumbatud ja võrku pumbatud vee koguste raporti väärtustega mõõteperioodi kestel. Diagramm on esitatud joonisel

22 900 Linna küla PK 1 Linna küla PK 2 Helme PK Ala küla VTJ Patküla PK Veekogus m Puhastatud vesi Toorvesi Puhastatud vesi Toorvesi Puhastatud vesi Toorvesi Puhastatud vesi Toorvesi Puhastatud vesi Toorvesi 0 Joonis 3.5. Pumplate ja veetöötlusjaama toodetud vee koguste võrdlus Üldiselt suuremad puurkaevust pumbatud mediaan veekogused viitavad filtrite pesu veekulule. Filtrite pesuvesi võetakse puurkaevust ja suunatakse läbi filtri kanalisatsiooni. Mida kitsam on 25 % ja 75 % kvartiilide vahemik, seda ühtlasem on piirkonna kuude keskmine tarbimine. Lai kvartiilide vahemik võib tuleneda hooajalistest muutustest tarbimisharjumustes. Suured maksimumide väärtused võivad viidata riketele, eriolukordadele või üritustele piirkonnas. Neid märkusi arvesse võttes on näha, et kõige stabiilsema tootmisega on Ala küla veetöötlusjaam ja kõige ebaühtlasema tootmisega on Linna küla puurkaevpumpla kaks, kus kuude tootmine erineb vastavalt tabeli 3.2 andmetele ligikaudu 2,8 korda. Suurima mediaan tootmisega on Linna küla puurkaevpumpla üks. 22

23 Jooniselt saab järeldada, et kõige väiksema veetootmisega on Patküla puurkaevpumpla ja suurima veetootmisega Linna küla esimene puurkaevpumpla. Pumpla ja veetöötlusjaama tööd iseloomustab puhta joogivee tootmiseks tarbitud elektrienergia. Vee tootmise ja elektrienergia tarbimise graafik on esitatud joonisel 3.6. Puurkaevust pumbatud vee kogus on näidatud tumesinisega ja veevõrku pumbatud helesingisega. Punasega on esitatud puurkaevpumpla või veetöötlusjaama tarbitud Linna küla PK 1 Linna küla PK 2 Toorvesi Helme PK Puhastatud vesi Elektrienergia kw h Vee kogus m3 elektrienergia. Patküla PK Ala küla VTJ Elektrienergia Joonis 3.6. Vee tootmise ja elektrienergia võrdlus Jooniselt 3.6 on Helme PK elektrienergia tarbimine on suurem kui teistel tootmisüksustel, kuid pumbatud vee kogus on väiksem. Tabeli 3.1 andmetest on näha, et Helme süvaveepump asub sügavamal (47 m) kui teistel objektidel. Seetõttu on vajaliku jõudluse saavutamiseks kasutatud võimsamat pumpa. Erineva tootlikkusega objektide võrdlemiseks taandatakse elektrienergia kulu ühe kuupmeetri puurkaevust pumbatud vee (toorvesi) ja puhastatud vee kohta. Objektide joogivee pumpamise erikulud kuude lõikes on esitatud joonisel

24 4,0 3,5 24 Erikulu kw h/m3 3,0 2,5 2,0 1,5 0,5 Dets 2013 Jaan 2014 Veebr 2014 Märts 2014 Apr 2014 Mai 2014 Juuni 2014 Juuli 2014 Aug 2014 Sept 2014 Okt 2014 Nov 2014 Dets 2014 Jaan 2015 Veebr 2015 Märts 2015 Linna küla PK 1 toorvesi Linna küla PK 1 puhastatud vesi Linna küla PK 2 toorvesi Linna küla PK 2 puhastatud vesi Helme PK toorvesi Helme PK puhastatud vesi Patküla PK toorvesi Patküla PK puhastatud vesi Ala küla VTJ toorvesi Ala küla VTJ puhastatud vesi Joonis 3.7. Toorvee ja puhastatud vee pumpamise elektrienergia erikulu 24

25 Jooniselt 3.7 on näha, et joogivee pumpamise erikulu kõigub suurtes piirides olenemata objektist. See on tingitud põhiliselt kütteperioodil hoone suurema elektrienergia tarbimisega. Sellest tulenevalt ka kõrgem elektrienergia erikulu. Pikaajalise perioodi elektrienergia erikulu muutust erineval objektil on esitatud karp-vurrud diagrammil joonisel ,5 3,0 Erikulu kw h/m3 2,5 2,0 1,5 0,5 Linna küla PK1 Linna küla PK2 Helme PK Patküla PK Ala küla VTJ Joonis 3.8. Joogivee pumpamise elektrienergia erikulu Joogivee pumpamise elektrienergia erikulu võtab arvesse lisaks pumpamise ja veetöötluse protsessidele ka hoone valgustuse ja kütte elektrienergia tarbimist. Jooniselt 3.8 on näha, et töödeldud vee (puhastatud vee) pumpamise mediaan erikulu on kõige kõrgem Helme puurkaevpumplas ja kõige madalam Ala küla veetöötlusjaamas. Elektrienergia erikulu 25 % ja 75 % kvartiilide laiem vahemik on põhiliselt tingitud hooajalisest kütteperioodil lisanduvast elektrienergia tarbimisest. Süvaveepumba elektrienergia kulu ja jõudluse kirjeldamiseks viidi läbi mõõteseeriad Linna küla puurkaevpumplas üks. 25

26 4. LINNA KÜLA PUURKAEVPUMPLA 4.1. Puurkaevpumpla juhtimise kirjeldus Elektrienergia tarbimise optimeerimise objektiks on süvaveepump, mille ülesandeks on tagada ettenähtud rõhk ja tootlikkus veevarustussüsteemis. Vastavalt tellija tingimustele toimub tuletõrje veevõtt ümbruskonna pinnaveekogudest [8]. Süvaveepumpa saab lülitada toitele läbi sagedusmuunduri või otse võrku. Esimesel juhul toimub pumba juhtimine vastavalt veevõrgu rõhku mõõtva rõhuanduri tagasisidele. Teisel juhul juhitakse pumpa vastavalt rõhulülitile. Pumba, seadmete ja torustiku pikema eluea tagamiseks ei ole otstarbekas kasutada pumba otsekäivitust. Peajaotuskeskuses on kõik pumpla juhtimiseks vajalikud kaitse ja juhtseadmed: sagedusmuundur, PLC, modem ja võrguanalüsaator katsete läbiviimiseks. Seadmete rikkesignaalid ja mõõdetavad suurused edastatakse kontrollerisse. Kontroller edastab modemi kaudu informatsiooni kaugjälgimissüsteemi. Juhtkontrolleri töö tagamiseks elektrikatkestuse korral on see varustatud katkematu toiteallikaga Süvaveepumba valik Efektiivse pumpla projekteerimise aluseks on õigesti dimensioneeritud süvaveepump. Süvaveepumpadeks puurkaevus kasutatakse tsentrifugaalpumpa. Spiraalkambris pöörlev labadega rootor suurendab tsentrifugaaljõu abil seda läbinud vedeliku rõhuenergiat [11]. Tsentrifugaalpumba valiku ja võrdlemise oluliseks tingimuseks on pumba tõstekõrgus (surve või surukõrgus) ja jõudlus. Pumba surve läheb staatilise surve ehk kõrguste vahe ja veevõrgu survekao ületamiseks. Puurkaevpumplas valitakse pump ja seadmed suurima veetarbimise järgi. Kuna maksimaalse jõudlusega perioode esineb harva on vaja pumba jõudlust reguleerida. Selleks on järgmised võimalused [12]: 1) torustiku parameetrite muutmine ventiilide, siibrite või kraanide abil [12]; 26

27 2) reservuaaride (veetorni, hüdrofoori) kasutamine [12]; 3) pöörlemissageduse reguleerimine, näiteks sagedusmuunduriga [12]. Suurendades takistust torustikus, et vähendada pumba jõudlust, suureneb ka pumba elektrienergia tarbimine [13]. Käesolevas töös on jõudluse reguleerimiseks kasutatud pöörlemissageduse reguleerimist. Süsteemi jaoks vajaliku pumba tõstekõrguse leidmise kirjeldamiseks on koostatud joonis 4.1. Tarbija Puurkaevpumpla hvõrk hst Hst hd hp hv Süvaveepump puurkaevus Joonis 4.1. Süsteemi hüdraulilised parameetrid: Hst staatiline tõstekõrgus; hp pumba paigaldussügavus; hst staatiline veetase; hd dünaamiline veetase; hv veetase pumba kohal; hvõrk tõstekõrgus puurkaevpumpla väljundist tarbijani [12, 13] Staatiliseks veetasemeks hst loetakse põhjavee esialgset taset puurkaevus, kui sealt vett välja ega juurde ei pumbata [14]. Dünaamiliseks veetasemeks hd loetakse puurkaevust välja või juurde pumpamisel kujunevat stabiilset veetaset [15]. Staatilist tõstekõrgust Hst iseloomustab puurkaevus oleva veetaseme ja veeväljundi tõstekõrguse vahet. Magistritöö uurimisobjektiks on puurkaevpumpla ja uuritud ei ole veevarustustorustiku ehitust, pikkust ning tarbijate paiknemist. Arvestatud on tellija nõudest, et rõhk puurkaevpumpla 27

28 veeväljundil peab olema 3,6 bar (360 kpa) ehk staatiline tõstekõrgus puurkaevpumpla väljundist tarbijani hvõrk, koos survekadudega on 36,7 m (vee temperatuuril 4 C). Süvaveepumba paigaldussügavus puurkaevus hp on 26 m [9]. Staatiliseks veetasemeks on 10 m ja dünaamiliseks veetasemeks pumba jõudlusel 13 m3/h on 15 m [9]. Sellest võib järeldada, et pump on alati vähemalt 11 m vee all (joonisel 4.1 parameeter hv). Vastavalt nendele andmetele saab leida vajaliku pumba tõstekõrguse. H hvõrk hd 36, ,7 m, Kus H (4.1) on süvaveepumba tõstekõrgus m; hvõrk veevõrgu staatiline tõstekõrgus m, hvõrk = 36,7 m; hd dünaamiline veetase m, hd = 15 m. Valemist 4.1 selgub, et pumba vajalik tõstekõrgus on 51,7 m, mis teeb 506,9 kpa. Siinjuhul pole arvestatud survekadudega süvaveepumbast kuni puurkaevpumpla veeväljundini. Tabeli 3.1 andmete põhjal on vajalik veevõrgu tootlikkus 13 m3/h. Tehnoloogia projekteerija ja paigaldaja on pumbaks valinud Grundfos SP14A-13, mille tootlikkus on 13 m3/h tõstekõrgusele 64 m. Filtreerimisseadmete tootlikkus on 10,5 m3/h [9]. Vastavalt tabeli 3.1 andmetele on lubatud veevõtt päevas 72,2 m3. Pumba tegeliku jõudluse hindamisel tuleb arvesse võtta ette nähtud rõhku Linna küla veevõrgus ja puurkaevupumba paigaldussügavust. Valitud filtrid ei võimalda tootlikkust üle 10,5 m3/h. Pumba dimensioneerimise hindamiseks on kasutatud joonist 4.2. Joonisele märgitud süsteemi tunnusjooned pumba töö kirjeldamiseks on oletuslikud. Punase joonega on näidatud tinglik süsteemi tunnusjoon olemasoleva pumba jaoks ja sinisega alternatiivse pumba jaoks. 28

29 Joonis 4.2. Pumba diagramm [16] 29

30 Joonisel 4.2 on näha erinevate pumba tüüpide tunnusjooned. Paigaldatud pumba puhul on näha, et rõhul 506,9 kpa on jõudlus ligikaudu 15,6 m3/h, mis on rohkem kui tellija tingimustes ette nähtud. Sellisel tootlikkusel töötab pump ligi 57 % efektiivsusega. Vaadates alternatiivset valikut on näha, et sama tõstekõrguse juures töötab pump tootlikkusega 12 m3/h efektiivsusega ligikaudu 60 %. Siinjuhul pole saavutatud tellija tingimustes nõutud pumba jõudlust 13 m3/h. Pumba jõudluse reguleerimisel ventiilide ja siibritega muudetakse torustiku hüdraulilist takistust ja seeläbi liigutakse väiksemale tootlikkusele mööda pumba tunnusjoont. Kasutades sagedusmuundurit liigutakse väiksemale jõudlusele mööda süsteemi tunnusjoont [17]. Vastavalt valitud pumba efektiivsuse joonele jõudluse vähenemisel kuni 12 m3/h pumpamise efektiivsus tõuseb. Pumba süsteemis, kus on tegemist suure algse tõstekõrgusega (takistusega), on pumba reguleerimise vahemik kitsas ja väike pumba kiiruse vähendamine toob kaasa suure jõudluse vähenemise [17]. Tehnoloogia projekteerija ja paigaldaja poolt valitud pumba mootori nimiandmed on esitatud tabelis 4.1. Tabel 4.1. Pumba Grundfos SP14A-13 mootori andmed Parameeter Väärtus 4,0 kw 400 V 50 Hz 9,6 A 5, min-1 Nimivõimsus P2 Nimipinge Un Toitepinge nimisagedus f Nimivool In Käivitusvoolu kordsus ki Nimipöörlemiskiirus n2 Pumba spetsifikatsioon on esitatud lisas C. Kui tellijale piisaks pumba jõudlusest 12 m3/h sobiks üks aste väiksem pump (SP14A-10), mille nimivõimsus on 3,0 kw. Kuna paigaldatud filtrid võimaldavad tootlikkust 10,5 m3/h oleks väiksema pumba kasutamine siinjuhul põhjendatud Pumba juhtimine rõhulülitiga Puurkaevupumpa juhitakse rõhulülitiga, kus on muudetud rõhu seadeväärtus 360 kpa (3,6 bar), diferentsiaaliga 30 kpa (0,3 bar). Seaderõhu saavutamisel lülitatakse pump välja ja veevõrgu rõhu langemisel 330 kpa (3,3 bar) pump käivitatakse. Väikese tarbimisega 30

31 perioodil, näiteks öösel, on selline juhtimispõhimõte rõhu hoidmiseks otstarbekas. Juhtimise lihtsustatud funktsionaalskeem on esitatud joonisel 4.3. Joonis 4.3. Katse lihtsustatud funktsionaalskeem: KM kontaktor; PJK peajaotuskeskus Rõhulülit juhtimisel lülitatakse kontaktori abil pump tööle. Pumba kaitseks lühise ja ülekoormuse eest on ahelas mootorikaitselüliti. Juhtimise põhiparameetrid on esitatud tabelis 4.2. Tabel 4.2. Rõhulülitiga juhtimise põhiparameetrid pumba otsekäivitusel Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus Väärtus 360 kpa 330 kpa 31

32 Otsekäivituse eeliseks on seadmete odavam maksumus ja seadistuse lihtsus. Pumba toite ja juhtahel koosneb mootorikaitselülitist ja kontaktorist. Puuduseks on pumba juhtimisvõimaluste piiratus, mida keerulisemat juhtimist rakendada seda rohkem on vaja erinevaid seadmeid ja selle võrra on suurem rikete tõenäosus. Probleemiks on käivitusel ja seiskamisel tekkiv hüdrauliline löök, mis põhjustab survekõikumisi veevarustustrassis ning lühendab torustiku ja seadmete eluiga. Veevõrgu rõhu hoidmine põhineb pumba sisse- ja väljalülitamisel seadistatud rõhu vahemikus. Suure ühtlase tarbimise korral ei pruugi selline juhtimine olla otstarbekas sagedaste pumba käivituste tõttu. Pumba käivitamist, seiskamist Voolutugevus, A ja tööd iseloomustab joonis t2 t t3 3 Aeg, s Joonis 4.4. Pumba ahela vool otsekäivitusel Joonisel 4.4 on näha käivituse protsess t1, käivitusvool on mõõdetud 12,5 A ja käivituse pikkus on 0,7 s. Tööperioodil t2 on mõõdetud töövool 7 A, mis on 1,8 korda väiksem kui käivitusvool. Tööperioodi pikkus on 5 sekundit. Kontaktori väljalülitamisel toimub vabajooksul pidurduse protsess t3, mis kestab s Pumba juhtimine sujuvkäivitiga Pump saab toite läbi sujuvkäiviti, mis võimaldab vähendada hüdraulilist lööki torustikus. Käivitamise ja seiskamise protsess põhineb pinge efektiivväärtuse lineaarsel muutmisel, seega peab sujuvkäiviti kasutamisel arvestama väiksema käivitusmomendiga [18]. Antud juhul see probleeme ei tekita, kuna pumba käivitamisel on takistusmoment väike ja tõuseb pumba kiiruse kasvades. Sujuvkäivitil tuleb seadistada käivituse ja pidurduse pikkus ning 32

33 käivituspinge. Juhtimine toimub analoogselt otsekäivituse katsele. Juhtimise lihtsustatud funktsionaalskeem on esitatud joonisel 4.5. Joonis 4.5. Katse lihtsustatud funktsionaalskeem: SK sujuvkäiviti Süvaveepump töötab läbi sujuvkäiviti mida juhib rõhulüliti. Juhtahela rikke korral toimub väljalülitus kontaktori abil. Pumpa kaitseb lühise ja ülekoormuse eest mootorikaitselüliti. Katseseeria juhtimise põhiparameetrid on esitatud tabelis 4.3. Tabel 4.3. Juhtimise põhiparameetrid Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus Käivituse kestus Seiskamise kestus Käivituspinge protsent nimipingest Väärtus 360 kpa 330 kpa 2,4 s 1,5 s 60 % 33

34 Juhtimine toimub analoogselt otsekäivituse katsele. Eeliseks on pumba sujuvam käivitus ja seiskamine, mis pikendab süsteemi eluiga. Puuduseks on seadme maksumus. Sujuvkäiviti valikul on vaja kindlaks teha, kas seade võimaldab pöördemomendi järgi pidurdust või mitte. Katses kasutatud seade seda ei võimalda mistõttu põhineb käivitamise ja pidurduse protsess pinge efektiivväärtuse muutmisel, mis vähendab käivitusmomenti. Sellise sujuvkäiviti kasutamine vähendab hüdraulilist lööki. Nagu eelneval katsel, toimub ka siin sagedane Voolutugevus, A pumba käivitamine ja seiskamine t1 0 1 t3 t Aeg, s 6 t4 t5 7 8 Joonis 4.6. Pumba ahela vool sujuvkäivitiga juhtimisel Jooniselt 4.6 on näha käivituse siirdeprotsess t1 käivitusvool on 13 A ja käivituse kestus on ligikaudu 2,4 s. Töövooluks on sarnaselt otsekäivitusele 7 A. Pidurduse protsessi iseloomustavad perioodid t3, t4, t5. Seiskamise käsu saanud sujuvkäiviti alustab sujuva pinge vähendamisega perioodil t3 (5 s). Kuna pumba kiirus väheneb kiiremini kui vee voolu kiirus, läheb pump üle rekuperatiivpidurdusele, seda iseloomustab siirdeprotsess t 4 ( s). Kui pumba kiirus ja veevoolu kiirus ühtlustuvad, jätkub vabajooksu pidurdus t5 (5 s). Kokku kestab pidurduse protsess ligikaudu 1,5 sekundit. Sujuvkäivitiga viidi erinevatel seadistustel läbi kaks katseseeriat. Järgnevas tekstis on sujuvkäiviti katseseeria üks tähistatud SK 1 ja katseseeria kaks SK Pumba juhtimine sagedusmuunduriga Sagedusmuunduris seadistatakse rõhu seadeväärtus, mida soovitakse veevõrgus hoida. Sellisel juhul töötab süsteem pidevalt, muutes pumba kiirust vastavalt rõhuanduri 34

35 tagasisidele. Pumba tööaja ja tarbitava elektrienergia vähendamiseks seadistatakse sagedusmuunduris uinumisfunktsioon (sleep mode). See tähendab, et seaderõhu saavutamisel ja pumba kestval tööl uinumissagedusega (sleep frequency) seadistatud aja, pump seisatakse ja muundur läheb ooterežiimi. Pumba uinumissagedus on selline toitepinge sageduse väärtust, mille korral pump suudab hoida etteantud veevõrgu rõhku väiksema veetarbimisega perioodil (vastavalt puurkaevu veemõõtjale). Töötamine sellest väiksemal sagedusel pole otstarbekas, kuna pumbal puudub rõhu seadistusvahemikus jõudlus, aga elektritarbimine säilib. Kui veevõrgu rõhk langeb alla alumise rakendusväärtuse, siis süsteem käivitub ja veevõrgu rõhk tõstetakse seadeväärtuseni. Sagedusmuundurit kasutades on läbi viidud kolm katseseeriat: 1) esimene seadistus, pumba juhtimine sagedusmuunduriga, esialgse PI regulaatori väärtustel ilma uinumisfunktsioonita. Tööd piirab rõhulüliti; 2) teine seadistus, pumba juhtimine sagedusmuunduriga püsival seaderõhul, täpsustatud PI regulaatori väärtustel seadistatud uinumisfunktsiooniga; 3) kolmas seadistus, pumba juhtimine sagedusmuunduriga varieeruva seaderõhuga ööpäeva lõikes seadistatud uinumisfunktsiooniga. Muunduri eelisteks on pumba sujuv käivitamine ja seiskamine vastavalt ventilaatortunnusjoonele, mis pikendavad pumba ja süsteemi eluiga. Sagedusmuundur võimaldab reguleerida pumba kiirust ja seeläbi ka jõudlust. Pumba juhtimine toimub pinge sageduse suhte muutmisega ja seega ei kaotata käivitusmomendis ning vähendatakse oluliselt käivitusvoolu. Sagedusmuundur kaitseb pumpa ülekoormuse eest ja võimaldab tagasisidena edastada pumba töövoolu. Muunduriga juhtimise üldiseks puuduseks on suurem süsteemi esialgne maksumus. Pumba juhtimine toimub PI regulaatoriga. Proportsionaalse lüli väljund on võrdeline vea suurusega. Veasignaali vähenedes väheneb ka proportsionaalse lüli mõju reguleeritavale süsteemile. Kasutades ainult proportsionaalset lüli ei saavutata seadeväärtust, vaid jääb alati püsiv kõrvalekalle. Integraallüli on võrdeline vea kestusega, mis kompenseerib proportsionaalse lüli tekitatud kõrvalekalde. [19] Puurkaevpumplas on kasutusel sagedusmuundur Schneider Electric ATV 32 (tähistatud SM 1.X, kus X tähistab seadistuse tüüpi). Lisaks kasutati katseseeria käigus sagedusmuundurit Vacon 100, mis on tekstis tähistatud SM 2. Töötsükli võrdlemiseks on 35

36 kasutatud ka sagedusmuundurit Danfoss VLT drive, mis on tekstis tähistatud SM 3. Sagedusmuundurite töötsüklid on esitatud joonisel 4.7. Muundurite Vacon 100 ja ATV 32 ühesuguste katsetingimuste saavutamiseks on veevõrgu kraan suletud ja pump on käivitatud Aktiivvõimsus, kw 330 kpa juures. Võimsus on mõõdetud sagedusmuunduri sisendil. 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0, ATV Aeg, s Vacon 100 Danfoss VLT Vacon töö nimivõimsusel Joonis 4.7. Pumba töö sagedusmuunduriga juhtides Teise katseseeria jaoks on kasutatud Vacon 100 sagedusmuundurit. Pumba juhtimiseks on kasutatud teise põhimõttega seadistust. Muunduri PI regulaatori reageerimiskiirust on vähendatud ja seetõttu tõstetakse veevõrgu rõhku aeglasemalt ja seaderõhu saavutamisel ei ole pump saavutanud nimivõimsust. Sellega on vähendatud pumba maksimum võimsust töötsükli jooksul. Kui võrrelda ATV 32 ja Vacon 100 sagedusmuundurit on näha et erineva juhtimismeetodi kasutamisel on töötsükli pikkused mõnevõrra erinevad. Kuna ATV 32 muunduri korral toimub kiirem võimsuse ja seeläbi veevõrgu rõhu muutus, läheb muundur uinumissagedusele varem kui Vacon 100. Kuna ooterežiimi viide on mõlemal muunduril 20 sekundit, siis on ATV 32 muunduri kasutamisel töötsükkel lühem. Seadistatud käivitusja pidurdusaeg on mõlemal muunduril kolm sekundit. Töötsükli keskmine võimsus on ATV 32 munduril arvutatud 1,15 kw (1 W h) ja Vacon 100 muunduril 3 kw (12,3 W h). Sagedusmuunduri Vacon 100 seadistuse erinevuse tõttu ei tööta tava olukorras pump 50 Hz sagedusel ja seetõttu on läbi viidud eraldi katse muunduri käsijuhtimisel. Tehnilise rikke 36

37 tõttu ei olnud võimalik Danfossi sagedusmuundurit katseseerias kasutada, kuid on üles võetud töötsükli tunnusjoon sarnaselt Vacon 100 muunduriga. Jooniselt 4.7 on näha, et pumba ahela võimsus tööpunktis on sagedusmuunduritel erinev. Pumba juhtimisel otse- ja sujuvkäivitiga on pumba mõõdetud töövool ja pumba ahela vool võrdsed, ligikaudu 6,9 A, kuna ahelas olevad kaitse ja juhtseadmed ise märkimisväärselt elektrienergiat ei tarbi. Pumba ahela elektrienergiatarbimine töö olukorras erinevate juhtimismeetoditega on esitatud tabelis 4.4. Tabel 4.4. Pumba ahela aktiivvõimsus erineva juhtseadmega Ooterežiimi Nimivõimsus, W võimsus, W ATV 32 3, Vacon 100 7, Danfoss VLT 2, Otsekäivitus 3980 Sujuvkäiviti võimsus on mõõdetud muunduri sisendil Juhtseade Sagedusmuunduri ATV32 juhtimisel on ahela mõõdetud Võimsus uinumissagedusel, W voolutugevus pumba nimivõimsusel 9,8 A (joonis 4.8) ja aktiivvõimsus 4,4 kw, mis on oluliselt suurem kui teiste sagedusmuundurite korral. See võib olla tingitud sagedusmuunduri üle dimensioneerimisest (5,5 kw). Sagedusmuunduriga juhtimisel on eristatavad kaks tööolukorda, esimesel juhul tõstetakse veevõrgu rõhk seadeväärtuseni, kui seaderõhk on saavutatud siis töötab pump uinumisfunktsiooniga seadistatud aja uinumissagedusel. Muundur Vacon 100 töötab uinumissagedusel kõrgemal võimsusel kui ATV 32. Selle põhjuseks võib olla uinumissageduste erinev seadistus (tabel 4.6 ja 4.7). Ooterežiimi võimsus on kõige suurem Vacon 100 sagedusmuunduril. Altivar 32 sagedusmuunduriga pumba juhtimisel voolutugevuse muutus ajas ja erinevad töö tsüklid on esitatud joonisel

38 Voolutugevus, A 12 t2 t1 t4 t3 t5 t Aeg, s Joonis 4.8. Pumba ahela töövool sagedusmuunduriga SM 1.2 Jooniselt 4.8 on näha käivitusprotsess t1, kus voolutugevus tõuseb 9,8 A, käivituse pikkus vastavalt muunduri seadistusele on 3 s. Pump töötab perioodil t2 nimivõimsusel ligikaudu 3 s. Seejärel minnakse üle tööle uinumissagedusel, mida iseloomustab siirdeprotsess t3. Madalama jõudlusega tööd kirjeldab periood t4, kus töövooluks on 2,5 A. Sellise protsessi pikkus on määratud muunduri uinumisfunktsiooni seadistusega. Pidurduse protsessi iseloomustavad perioodid t5 ja t6. Muundur pidurdab pumpa perioodil t5 vastavalt ventilaatortunnusjoonele. Vastavalt muunduri seadistusele on pidurdusajaks 3 s. Pumba täielikuks seiskamiseks rakendatakse perioodil t6 alalisvooluga pidurdust (1 s) [20]. Juhtimise lihtsustatud funktsionaalskeem on esitatud joonisel

39 Joonis 4.9. Katse lihtsustatud funktsionaalskeem Pumba juhtimine toimub läbi sagedusmuunduri. Rõhu hoidmine veevõrgus põhineb rõhuanduri tagasisidel. Kriitiliselt kõrge rõhu korral on pumba väljalülituse tagamiseks juhtahelas ka rõhulüliti. Pumpa kaitseb lühisvoolu eest kaitselüliti ja ülekoormuse eest sagedusmuundur Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel üks Tegemist on muunduri seadistusega, kus pole optimeeritud PI regulaatori parameetreid ja muunduri tööd piirab rõhulüliti. Pumba käivitusel reguleerib PI regulaator veevõrgu rõhu üle 380 kpa ja pumba lülitab välja rõhulüliti. Seetõttu ei saa uinumisfunktsioon rakenduda. Süsteemi seadeparameetrid on esitatud tabelis

40 Tabel 4.5. Sagedusmuunduri seadeparameetrid seadistusel üks Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus Pumba ooterežiimi viide Sagedusmuunduri uinumissagedus Proportsionaallüli väärtus Integraallüli väärtus Väärtus 360 kpa 330 kpa 7s 30 Hz Toimub pumba sujuv käivitamine nimivõimsusele. PI regulaatori üle reguleerimise tõttu lülitab pumba välja (ooterežiimi) rõhulüliti ja toimub pumba sujuv seiskamine. Ooterežiimi viide ja uinumissagedus pumba juhtimisel mõju ei avalda. Pumba töötsükkel sarnaneb sujuvkäivitile. Sellisel seadistusel uinumisfunktsioon ei rakendu eeliseks on väikese tarbimisega perioodil rõhu seadeväärtuse saavutamisel pumba kohene väljalülitamine. Toimub pumba sujuv käivitamine ja seiskamine. Puuduseks on suurema tarbimisega perioodil pumba sagedane käivitamine ja seiskamine Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel kaks PI regulaatori seadistuse optimeerimisel ilmnes viga seadistatud uinumissageduse väärtuses. Liiga väikse pumba toitepinge miinimumsageduse korral jääb sagedus kõikuma vahemikus Hz ja uinumisfunktsioon ei saa rakenduda. PI regulaatori parameetrid ja uinumisaeg on seadistatud katseliselt. Muunduri seadeparameetrid on esitatud tabelis 4.6. Tabel 4.6. Juhtimise seadeparameetrid Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus Pumba ooterežiimi viide Sagedusmuunduri uinumissagedus Proportsionaallüli väärtus Integraallüli väärtus Väärtus 360 kpa 330 kpa 20 s 36 Hz 0,

41 Pumba tööl uinumissagedusel 36 Hz suudab pump hoida veevõrgu seaderõhku väiksemal jõudlusel, töötades selliselt 20 sekundit läheb sagedusmuundur ooterežiimi. Rõhu langedes alla 330 kpa pump käivitub. Süsteemi uinumisfunktsiooni kasutamine pumba juhtimisel aitab vähendada käivituste arvu suurema tarbimisega perioodil. Sage käivitamine tõstab pumba ja sagedusmuunduri termilist koormust ning elektrienergia tarbimist. Puuduseks võib lugeda väikese veetarbimisega perioodil liigselt pikka töötsükli kestust. Seaderõhu saavutamisel pump töötab uinumissagedusel 20 sekundit, kuigi tarbimine puudub Pumba juhtimine sagedusmuunduriga Vacon 100 Sagedusmuunduri seadistus sarnaneb Altivar 32 muunduri seadistusele SM 1.2. Katse lihtsustatud funktsionaalskeem on analoogne joonisel 4.9 esitatule. Muunduri seadeparameetrid on esitatud tabelis 4.7. Tabel 4.7. Juhtimise seadeparameetrid Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus Pumba ooterežiimi viide Sagedusmuunduri uinumissagedus Proportsionaallüli väärtus Integraallüli väärtus Väärtus 360 kpa 330 kpa 20 s 37 Hz 660% 1,5 s Erinevate muundurite juhtimispõhimõtted võivad erineda ja seetõttu kontrolliti üle uinumissageduse parameetri väärtus. Selgus et vaadeldav sagedusmuundur suutis hoida 360 kpa rõhku toitepingesagedusel 37 Hz, mis määrati uinumissageduseks. Erinevalt sagedusmuundurist ATV 32 on siinjuhul proportsionaallüli väärtus esitatud protsentides ja integraallüli väärtus sekundites. Parameetrid on seadistatud katseliselt. 41

42 Pumba juhtimine sagedusmuunduriga ATV 32 seadistusel kolm Juhtimispõhimõte on analoogne seadistusele kaks, kuid ööseks muudetakse vee võrgu seaderõhk madalamaks. Selle jaoks tuleb analüüsida tarbimise graafikut, et kindlaks määrata Jõudlus, m3/h vähese tarbimisega perioodi pikkus öösel Aeg, h Joonis Pumba jõudluse muutus 24 h jooksul Joonisel 4.10 on esitatud otsekäivituse, sujuvkäiviti katseseeria üks ja sagedusmuunduri ATV 32 seadistuse üks ja kaks katseseeriates leitud tootlikkuste tundide keskmised väärtused. Hommikul seitsmest kuni õhtu kaheksani on jõudlus stabiilselt ligikaudu 1 m3/h. Alates kella üheksast õhtul hakkab piirkonna tarbimine vähenema kuni kella kaheni öösel kus on saavutatud vee tarbimise miinimum. Alates kolmest öösel hakkab piirkonna veetarbimine suurenema. Üksikute päevade tarbimise nihkumise võimalusega arvestamiseks on langetatud seaderõhu ajaks valitud kella ühest öösel kuni kella viieni hommikul (1:00 4:59). Katseseeria seadeparameetrid on esitatud tabelis 4.8. Tabel 4.8. Juhtimise põhiparameetrid Parameeter Veevõrgu rõhu seadeväärtus päeval Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus päeval Veevõrgu rõhu seadeväärtus öösel Veevõrgu rõhu alumine rakendusväärtus öösel Pumba ooterežiimi viide Sagedusmuunduri uinumissagedus Proportsionaallüli väärtus Integraallüli väärtus 42 Väärtus 360 kpa 330 kpa 280 kpa 230 kpa 20 s 36 Hz 0,1 30

43 Samas veevarustussüsteemis on ka teine puurkaevpumpla, seetõttu vähendati ka seal ööseks veevõrgu seaderõhku. Madalama veevõrgu rõhu seadistamiseks langetati veevõrgu seaderõhku 260 kpa peale ja rakendusrõhuks seadistati 230 kpa. Pumba toitepinge uinumissagedus jäeti 36 Hz, kuna selle ööpäevast varieeruvust ei ole otstarbekas teha. Leiti muunduri uinumissageduse seadistusel vee võrgu rõhu madalaim väärtus mida töö jooksul saavutati. Selleks oli 280 kpa, mis määrati madalama tarbimisega perioodi uueks seaderõhuks ja alumiseks rakendusväärtuseks on 230 kpa. Lisaks rõhu langetamisele suurendati ka seaderõhu ja rakendusrõhu vahet öösel 50 kpa-lini. Veevõrgu rõhu muutust ajas kahel muunduri seadistustel on näha joonisel Sagedusmuunduri seadistuse üks ja kolm võrdlus Sagedusmuunduri seadistuse SM 1.1 ja SM 1.3 kirjeldamiseks on koostatud :00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Rõhk, kpa kaugjälgimissüsteemist saadud veevõrgu rõhu andmete põhjal joonis Kellaaeg Muundur SM1.1 Muundur SM1.3 Joonis Veevõrgu rõhu muutus ööpäevas Jooniselt 4.11 on näha veevõrgu rõhu muutust ööpäevas. Sinise joonega on muunduri ATV 32 seadistus üks, kus uinumisfunktsioon ei rakendu ja pumba lülitab välja rõhulüliti veevõrgu rõhu 380 kpa saavutamisel. Punasega on seadistus kolm, kus on kasutatud uinumisfunktsiooni ja öist rõhu langetust. Seadistusel üks toimub sagedane pumba käivitamine ja seiskamine ja seaderõhku 360 kpa süsteemis ei suudeta stabiilselt hoida. 43

44 Keskmine veevõrgu rõhk on ligikaudu kpa. Seadistusel kolm on pumba käivituste arv oluliselt väiksem. Ajavahemikus 6:30 kuni 20:00 töötab pump pidevalt uinumissagedusele lähedase toitepingesagedusega. Selle eeliseks on stabiilne rõhk veevõrgus, mis on võrdne seaderõhuga. Väiksema veetarbimisega perioodil toimub sarnaselt seadistusele SM 1.1 sage pumba käivitamine. Langetades veevõrgu rõhku väiksema veetarbimisega perioodil, antud objektil öösel 1:00 kuni 5:00, väheneb oluliselt ka käivituste arv. Kuna veevarustussüsteemis on ka renoveerimata lõike, vähendab veevõrgu rõhu langetamine lekkeid süsteemis. 44

45 5. SÜVAVEEPUMBA TÖÖ ANALÜÜS 5.1. Katseperiood Märtsi kuu jooksul mõõdeti katsete käigus pumba ahela elektrienergia tarbimist. Võrreldes seda puurkaevpumpla üldise elektritarbimisega saab teada, kui suure osa puurkaevpumpla elektrienergiatarbimisest moodustab süvaveepump. Vastavalt tabeli 3.2 andmetele on puurkaevust pumbatud märtsi kuus 584 m3 vett. Vastavalt mõõteandmetele, on selle jaoks tarbitud 619 kw h elektrienergiat. Puurkaevpumpla kogu elektritarbimine oli 761 kw h aasta märtsi kuus moodustas pumba elektritarbimine 81 % kogu puurkaevpumpla elektritarbimisest. Ülejäänud 142 kw h jaguneb põhiliselt elektri konvektorite, kompressori, valgustuse ja muude väiksemate tarbijate vahel. Märtsi kuu keskmine oletatav temperatuur Linna külas oli 3 C [21]. Katseseeriate mõõtetulemustest on arvutatud seitsme päeva jooksul pumba ahela poolt tarbitud elektrienergia, puurkaevust pumbatud vee kogus, pumpamise erikulu ja tootlikkus. Arvutustulemused on esitatud tabelis 5.1. Tabel 5.1. Katseseeriate arvutustulemused Katseseeria Otsekäivitus Sujuvkäiviti (katseseeria 1) Sujuvkäiviti (katseseeria 2) Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM 2 Pumba ahela seitsme päeva elektrienergia tarbimine, kw h 144,6 106,8 141,5 146,1 164, ,2 Puurkaevust pumbatud vee kogus, m3 146,9 105,0 142,6 124,9 152,8 144,8 159,8 Erikulu, kw h/m3 Keskmine jõudlus, m3/h 0,98 2 0,99 1, , ,74 0,91 6 0,95 Vastavalt tabeli 5.1 arvutus- ja mõõtetulemustele on näha, et erikulu arvestades on kõige säästlikum kasutada pumba otsekäivitust ja sujuvkäivitit. Sagedusmuunduri ATV 32 seadistus SM 1.1 on kõige suurema elektrienergia erikuluga. Mõõtetulemuste analüüsimiseks on võrreldud joogivee tarbimist erinevatel päevadel nädala lõikes esmaspäevast pühapäevani, vastavad joonised on esitatud lisas D. Joonistelt on näha, 45

46 et tarbimise graafik on päeviti sarnane ja otstarbekas on taandada nädala mõõteandmed 24 h peale. Selle jaoks on vaja kindlaks teha, kui sarnase tarbimisgraafikuga on tööpäevad ja nädalavahetus. Vee keskmine tarbimine tööpäeviti, puhkepäeviti ja nädala keskmisena on esitatud tabelis 5.2. Tabel 5.2. Keskmine veetarbimine Katseseeria Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 1 Sujuvkäiviti SK 2 Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM 2 Tööpäeva keskmine veertarbimine m3 2 15,4 20,5 17,9 21,7 2 22,6 Puhkepäeva keskmine veetarbimine m3 Nädalapäeva keskmine veetarbimine m3 21,4 14,0 20,1 17,7 21,9 19,5 23, ,0 2 17,8 21,8 20,7 22,8 Tabelist 5.2 on näha, et keskmine vee tarbimine juhtimismeetodi erinevatel päevadel on sarnane. Juhtimismeetodite analüüsimiseks vaadeldakse elektrienergia erikulu sõltuvust pumba jõudlusest. Selle jaoks on leitud katseseeria iga tunni keskmine erikulu ja tootlikkus ja taandatud need 24 h peale. Erinevate nädalate võrdluseks on uuritud parameetreid tööpäevade, puhkepäevade ja seitsme päeva ulatuses. Seitsme päeva tunni keskmised jõudlused ja elektrienergia erikulu on esitatud joonisel 5.1. Pumba jõudlus on näidatud sinise joonega ja elektrienergia erikulu tulbana. Nädalavahetuse ja tööpäevade vastavad joonised on esitatud lisas E. 46

47 1,4 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m3 Jõudlus m3/h a Jõudlus m3/h b 1,4 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m Kellaaeg Jõudlus m3/h c 1,4 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m Kellaaeg Kellaaeg Elektrienergia erikulu Pumba jõudlus Joonis 5.1. Erikulu sõltuvus pumba jõudlusest: a otsekäivitus; b sujuvkäiviti katseseeria 1; c sujuvkäiviti katseseeria 2 Jooniselt 5.1 on näha, et nii otsekäivituse kui ka sujuvkäiviti katseseeria üks elektrienergia erikulu on võrdlemisi stabiilsed olenemata pumba jõudlusest. Pumba jõudluse ja erikulu väärtused on mõlema juhtimismeetodi korral olnud sarnased. See tuleneb juhtimismeetodite sarnasest töötsüklist. Pumba jõudlus iseloomustab ka piirkonna veetarbimist. Jooniselt on näha, et tarbimine langeb südaöösel (kell 23 1 öösel) ja kasvab kella viiest kuni kella seitsmeni hommikul. Ülejäänud osa päevast on vee tarbimine ja pumba jõudlus stabiilne (1 1,1m3/h). Võrreldes kahe sujuvkäiviti katseseeriaid on näha, et katseseerial üks, kus on seadistatud madalam rakendusrõhk töötab pump päeval väiksema jõudlusega ja kõrgema elektrienergia erikuluga. Sagedusmuunduri katseseeriate vastavad seosed on esitatud joonisel

48 1,4 2,1 1,8 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m3 Jõudlus m3/h a Jõudlus m3/h b 1,4 2,1 1,8 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m Kellaaeg 1,4 2,1 1,8 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m3 Jõudlus m3/h c 2,1 1,8 1,5 0,9 0,3 Erikulu kw h/m Kellaaeg Kellaaeg Jõudlus m3/h d 1, Kellaaeg Pumba jõudlus Elektrienergia erikulu Joonis 5.2. Erikulu sõltuvus pumba jõudlusest sagedusmuundurite erineval seadistusel: a SM 1.1; b SM 1.2; c SM 1.3; d SM 2 48

49 Joonisel 5.2 on esitatud pumba jõudluse ja elektrienergia erikulu muutus ööpäevas kasutades pumba juhtimiseks sagedusmuundurit. Sagedusmuunduri SM 1.1 korral on graafik sarnane sujuvkäiviti ja otsekäivituse katseseeriale. See on tingitud nende sarnasest töötsüklist. Muunduri SM 1.2 korral suureneb elektrienergia erikulu pumba jõudluse vähenedes. Sagedusmuunduri SM 1.3 korral on öösel (kella ühest viieni) vähendatud veevõrgu seaderõhku ja seetõttu on sellel perioodil oluliselt väiksem elektrienergia erikulu. Veevõrgu rõhu langetamine väiksema veetarbimisega perioodil aitab kompenseerida seadistuse kaks puuduseid. Vastavalt joonisele 4.11 ja 5.2 saab järeldada, et kui pumba jõudlus saavutab ligikaudu 1 m3/h, siis jääb pump pidevalt tööle. Sagedusmuunduri SM 2 katseseeriat saab võrrelda katsega SM 1.2. Mõlemal juhul tõuseb erikulu pumba jõudluse vähenemisel. Katseseeria SM 2 korral on erikulu väikese veetarbimisega perioodil oluliselt kõrgem kui katseseerial SM Pumba jõudlus Juhtimismeetodi efektiivsuse hindamiseks on analüüsitud elektrienergia erikulu erineval pumba jõudlusel. Erikulu sõltuvalt juhtimismeetodist ja tootlikkuse vahemikust on esitatud Erikulu, kw h/m3 joonisel ,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1, ,3 0, ,5 0,5... 0, ,9 0,9...1 Jõudluse vahemik Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 1 Sujuvkäiviti SK ,1 SM 1.1 SM 1.2 SM 1.3 Joonis 5.3. Elektrienergia erikulud sõltuvalt pumba jõudluse vahemikust 49 >1,1 m3/h SM 2

50 Jooniselt 5.3 on näha, et väiksemal jõudlusel on erinevus juhtimismeetodite elektrienergia erikuludes suurem kui kõrgemal tootlikkusel. Sujuvkäivitiga juhtimisel jääb alates jõudlusest 0,5 m3/h elektrienergia erikulu võrdlemisi stabiilseks, kuna sujuv käivitamine ja seiskamine aitab säästa elektrienergiat on ka erikulu valdavalt madalam kui otsekäivituse korral. Muunduri katseseeriate puhul on väikese jõudlusega olukorras põhiliseks elektrienergia tarbijaks sagedusmuunduri töö uinumissagedusel enne ooterežiimi lülitumist. Jõudluse kasvades ooterežiimi mõju elektrienergia erikulule väheneb. Seades ööseks väiksema veevõrgu rõhu, langeb oluliselt ka elektrienergia erikulu madalamal jõudlusel. Elektrienergia erikulu pumba jõudlusel kuni m3/h on muunduri SM 1.3 kasutamisel pea kaks korda väiksem kui teistel muunduri seadistustel. Jõudluse kasvades läheneb erikulu muunduri SM 1.2 ja SM 2 katseseeriatega. Süvaveepumba juhtimisel sagedusmuunduriga jõudluse kasvades elektrienergia erikulu väheneb. Järgnevalt on kindlaks tehtud, missugusel tunni keskmisel jõudlusel pump kõige sagedamini töötab. Selle jaoks on koostatud tundide keskmiste tootlikkusete väärtustest Pareto diagramm (joonis 5.4 ja joonis 5.5). Esinemissagedus a % 80% 60% 40% 20% 0% 0,9 1,3 1,1 0,3 0,5 1,4 0,7 1,5 1,7 1,9 2,0 1,6 1,8 Jõudlus m3/h 100% c 50 Esinemissagedus % 60% 40% 20% 0% 100% 40 80% 30 60% 20 40% 10 20% 0 0% 1,1 0,9 0,7 0,5 0,9 0,7 0,3 0,5 Esinemissagedus b Jõudlus m3/h Jõudlus m3/h Joonis 5.4. Jõudluste esinemissagedus: a otsekäivitus; b sujuvkäiviti katseseeria 1; c sujuvkäiviti katseseeria 2 50

51 Jooniselt 5.4 on näha et otsekäivituse korral on tunni keskmine tootlikkus kuni 2 m3/h, sujuvkäiviti korral kuni 1.2 m3/h. Tunni keskmine pumba jõudlus on ligikaudu 1 m3/h. Sujuvkäiviti katseseeria üks seadistusel on pumba keskmine jõudlus m3/h madalam kui seadistusel kaks. Esinemissagedus a % 80% 60% 40% 20% 0% ,9 0,3 Esinemissagedus b 0,5 Jõudlus m3/h 0,7 1, % 80% 60% 40% 20% 0% 1,1 0,9 0,5 0,3 0,7 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 Jõudlus m3/h Esinemissagedus c % 80% 60% 40% 20% 0% ,1 0,3 Esinemissagedus d 1,3 0,9 0,5 Jõudlus m3/h 0,7 1, % 60 80% 60% 40 40% 20 20% 0 0% 1,1 0,3 1 1,3 Jõudlus m3/h 0,5 0,9 0,7 Joonis 5.5. Jõudluste esinemissagedus: a sagedusmuundur SM 1.1; b sagedusmuundur SM 1.2; c sagedusmuundur SM 1.3; d sagedusmuundur SM 2 51

52 Joonisel 5.5 on näha, et rakendades sagedusmuundurit ATV 32 pumba juhtimiseks, töötab pump kõige sagedamini jõudlusel 1 m3/h. Võrreldes seadistust SM 1.2 ja SM 1.3 on näha, et suuremate jõudluste esinemissagedused on sarnased, kuid veevõrgu rõhu langetamine tõstab oluliselt väiksema jõudluse osakaalu pumba töös seadistusel SM 1.3. Sagedusmuunduriga SM 2 kasutades töötab pump kõige sagedamini tunni keskmise jõudlusega m3/h Pumba töötsüklid Juhtimismeetodite võrdlemiseks on otstarbekas analüüsida pumba käivituste intervalli ja veevõrgu rõhu seost. Sagedusmuunduri seadistuse üks töötsükkel on sarnane otsekäivitusele ja sujuvkäiviti juhtimisele. Veevõrgu rõhu muutus sagedusmuunduriga juhtimisel on esitatud Veevõrgu rõhk, kpa joonisel Aeg, s SM 1.1, öösel SM 1.1, hommikul SM 1.2, öösel SM 1.3, öösel Joonis 5.6. Veevõrgu rõhu muutus ajas pumba käivitusel Jooniselt 5.6 on näha, et hommikul (kell kaheksa) kui tarbimine on kõrgem käivitub pump seadistusel SM 1.1 ühe korra 70 sekundi jooksul. Samal seadistusel öösel (kell kaks) on pumba käivituste vahe 170 sekundit. Kasutades muundurit SM 1.2 on öösel käivituste intervall 280 sekundit. Vähendades veevõrgu rõhku öösel (SM 1.3) on pumba käivituste vahe 780 sekundit. Seadistusel SM 1.2 käivitub pump öösel ligikaudu kolm korda sagedamini kui SM 1.3 seadistuse kasutamisel. Otsekäivituse ja sujuvkäivitiga juhtimisel on rõhu muutus analoogne seadistusele SM 1.1. Suurema veetarbimise ajal töötab pump seadistusel SM 1.2 ja SM 1.3 pidevalt ja veevõrgu rõhku hoitakse stabiilselt seadeväärtusel. 52

53 Linna küla veevarustuse tagamiseks on süsteemis kaks puurkaevpumplat. Süsteemi seadistamisel võib ühe pumpla osakaal küla veevarustuse tagamisel suureneda. Seda just otsekäivituse ja sujuvkäiviti katseseeriate korral kui rõhu reguleerimiseks kasutatakse rõhulülitit. Rõhulüliti reguleerimiseks on kaks seadekruvi. Ühega määratakse rakenduse väärtus ja teise kruviga ennistus väärtus. Kui veevõrgu rõhk saavutab ülemise taseme (seadeväärtuse) toimub rõhulülitis kontaktide avanemine. Rõhu langedes ennistus väärtuseni toimub kontaktide sulgemine. Rõhulüliti ülesandeks sagedusmuunduriga juhtimisel on ülerõhu kaitse. Seega on muunduriga juhtimisel rõhulüliti seadistus erinev otsekäivitusel ja sujuvkäivitiga juhtimisel. Pumba käivituste arvu, töötamise kestust ja veevõrgu rõhu tagasisideväärtusi katseseeria kestel iseloomustab tabel 5.3. Tabel 5.3. Pumba käivitused ja tööaeg Juhtimismeetod Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 1 Sujuvkäiviti SK 2 Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM 2 1 Käivituste arv kokku Käivituste arv tunnis Töötunnid, h ,5 1 Tööaeg ühe käivitus e kohta, s 5,4 6,2 Rõhu tagasiside väärtuste vahemik, kpa ,4 8,6 7,1 5, , ,7 16,6 7,8 9, , ,5 4 18,4 24, , ,3 140, , , ,1 128, , ( )1 144, ,6 148, , ,8 Tööaeg, % Pumbatud vee kogus, m3 146,9 rõhk öösel kella ühest viieni Tabelis 5.3 kasutatud käivituste arv on muunduriga katseseeriate korral saadud kaugjälgimissüsteemi andmetest pumba oleku analüüsist. Otse ja sujuvkäiviti korral on käivituste arv saadud SCADA andmetest rõhu muutuse analüüsist. Sujuvkäiviti katseseerias üks on rõhulüliti seadistamisel alumine rakendusväärtus olnud madalam kui teistel katseseeriatel. Selle võrra on ka väiksem käivituste ja töötundide arv. Osa töökoormust langeb Linna küla puurkaevpumplale kaks, seda on näha ka katseseeria jooksul pumbatud vee kogusest. Sagedusmuunduri seadistus SM 1.1, sujuvkäiviti katseseeria kaks ja otsekäivitus on sarnase töötsükliga, kuid muunduri käivitus toimub rõhuanduri järgi teistel rõhulüliti järgi. Sagedusmuundur seadistusel SM 1.2 on oluliselt väiksema pumba käivituste arvuga, see on 53

54 tingitud uinumisfunktsiooni rakendamisest. Kui öösel vähendada seaderõhku ja pikendada seaderõhu ja rakendusrõhu vahet, siis väheneb käivituste arv veelgi (seadistus SM 1.3). Tabelist 5.3 saab järeldada, et pumba suhteline tööaeg on uinumisfunktsiooni korral oluliselt pikem. Kui võrrelda otsekäivitust ja sagedusmuunduri seadistust SM 1.3, siis erinevus pumba tööajas on suur, kuid erinevus vee pumpamise erikulus ühesugusel keskmisel tootlikkusel (tabel 5.1) väike. Pumba tööaja ja käivituste arvu analüüsist on näha, et sagedusmuunduri uinumisfunktsiooni rakendamisel on vähenenud käivituste arv ja suurenenud pumba töötunnid. Otsekäivituse ja sujuvkäiviti kasutamisel suureneb käivituste arv ja vähenevad pumba töötunnid Joogivee tootmine Erinevate juhtimismeetodite võrdlemiseks tuleb analüüsida küla mõlema pumpla joogivee tootmist ja osakaalu terve küla veevarustussüsteemis. Katseseeriate ajal asula veetarbimise analüüsiks on koostatud tabel 5.4. Tabel 5.4. Linna küla veetarbimine katsete ajal Linna küla Linna küla Linna küla kokku puurkaevpumpla 1 puurkaevpumpla 2 JuhtimisVee tarbimine, Vee tarbimine, Vee tarbimine, Öö Öö Öö meetod 3 3 m m m3 Osakaal, Osakaal, Osakaal, % % % Kokku Öösel1 Kokku Öösel Kokku Öösel Otsekäivitus 147 8,7 5, ,7 3,8 Sujuvkäiviti 105 5,9 5, ,9 2,7 SK 1 Sujuvkäiviti 146 7,4 5, ,4 3,4 SK 2 Sagedusmuundur 125 6,8 5,4 77 0, ,0 3,5 SM 1.1 Sagedusmuundur ,9 8,4 76 0, ,1 5,7 SM 1.2 Sagedusmuundur 145 6,2 4,3 71 0, ,4 3,0 SM 1.3 Sagedusmuundur 160 8,6 5,4 64 0, ,8 3,9 SM 2 1 kella ühest viieni 54

55 Tabelist 5.4 on näha, et öine (kella ühest viieni) veetarbimine Linna küla puurkaevpumplas üks moodustab olenevalt juhtimismeetodist 4,3 8,4 % kogu katseseeria tarbimisest. Linna küla puurkaevpumplas kaks 0 0,3 %. Linna külas kokku moodustab öine tarbimine 2,7 5,7 % ööpäevasest veetarbimisest. Sujuvkäiviti katseseeriast üks on näha, et mõlemad pumplad on nädala jooksul tootnud sarnase koguse joogivett. Teiste katseseeriate korral on puurkaevpumplas üks toodetud keskmiselt % asulas tarbitud joogiveest, sujuvkäiviti seadistusel SK 1 on osakaal 48 %. Kuna sujuvkäiviti SK 1 on rõhulüliti alumine rakendusväärtus olnud madalam kui teistel katseseeriatel, siis on võrdsustunud kahe puurkaevpumpla tootlikkused. Sagedusmuunduriga katseseeriate korral on näha, et uinumisfunktsiooni kasutamine öösel (SM 1.2), ilma veevõrgu rõhu langetuseta, tõstab veetarbimist. See väljendub öösel pumbatud veekoguse suhtelisest suuremas väärtuses. Sarnaselt on näha, et sagedusmuunduri seadistusel SM 1.3 on öösel pumbatud vee suhteline kogus mõnevõrra väiksem kui teistel katseseeriatel. Sagedusmuunduriga SM 2 on asula joogiveevarustuse osakaal nihkunud rohkem Linna küla puurkaevpumplale üks (71 %). Otsekäivituse ja sujuvkäiviti korral on öösel kella ühest viieni pumbatud vee koguste suhteline osakaal päevasest sarnased. See tuleneb juhtimismeetodite töötsüklite sarnasusest. Kokkuvõttes on katseseeriate kestel Linna küla veevõrku pumbatud vee kogused üsna sarnased. Selle jaoks et kindlaks teha, kas rõhu langetamine öösel aitab veekulu vähendada, tuleb analüüsida erinevate juhtimismeetoditega pumbatud veekoguseid. Tabelis 5.5 on esitatud katseseeriate tundide keskmised toodetud vee kogused (ühtlasi vastavad need väärtused ka pumba tunni keskmisele jõudlusele m3/h). Mida tumedama rohelisega on lahter seda väiksem on tunni keskmine vee tootmine 55

56 Tabel 5.5. Katseseeriate tunni keskmised pumbatud vee kogused Keskmine pumbatud vee kogus m3 Sujuv- Sagedus- Sagedus- Sagedus- Sageduskäiviti muundur muundur muundur muundur SK 2 SM 1.1 SM 1.2 SM 1.3 SM 2 6 0,57 6 0, , , , ,30 0,39 1 0, , ,91 3 1,10 1,17 7 0,94 1,10 1,13 1,16 0 0,94 9 1,14 1,19 6 0,93 1, ,94 1,17 1,11 1,17 3 0,94 1,19 6 1,19 7 0,93 1,13 7 1,17 4 0, ,14 4 0, ,11 4 0,93 7 1, , ,16 7 0, ,16 4 0, ,16 6 0, ,19 3 0, ,96 0,90 6 0,91 0,59 0,76 0,79 6 0,73 Tund Otsekäivitus ,34 1 0,30 0,39 0, ,99 1,13 1, ,16 1, ,91 0,99 Sujuvkäiviti SK 1 0,39 1 0, ,71 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,76 0 0,76 0,74 0,74 0,76 0,73 0,74 0,79 0,73 0,70 0,50 Keskmine kella 1 5 0, ,31 Keskmine kella 5 1 0,99 0,71 0, ,99 8 Suhteline erinevus, % 31,5 29,8 27,4 28,8 46,1 22,4 28,4 Tabelist 5.5 on näha, et erinevate juhtimismeetoditega toodetud keskmised vee kogused erinevad teineteisest märkimisväärselt. Seetõttu on uuritud ühe juhtimismeetodi öise perioodi ja ülejäänud päeva vee koguste erinevust. Võrreldes ajavahemikul 1 5 ja ülejäänud osa ööpäevast, siis otsekäivituse, sujuvkäiviti SK 1 ja SK 2, sagedusmuunduri SM 1.1 seadistusel moodustab öösel pumbatud tunni keskmine vee kogus % päevasest keskmisest vee kogusest. Selle põhjuseks on nende kolme juhtimismeetodi sarnane töötsükkel. Sarnase vee tootmise erinevusega on ka SM 2. Muunduri seadistusel SM 1.2 suurendab pumbatud vee kogust uinumissagedusel töötav pump, mis pikendab asjatult töötsükli kestust. Sellest 56

57 tingituna on öine keskmine pumbatud vee kogus 46 % päeva keskmisest vee kogusest, mis on suurem kui teiste juhtimismeetodite puhul. Sarnase seadistusega on ka SM 2, kuid siinjuhul öise vee koguse erinevus 28%. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.3 on öine keskmine pumbatud vee kogus 22 % päeva keskmisest vee kogusest. Siinjuhul peab arvestama ka tarbimise eripäradest tulla võiva muutusega. Kasutades sagedusmuundurit SM 2 on keskmine pumbatud vee kogus suurem kui teistel juhtimismeetoditel. Põhjuseks võib olla pumba pikem töötsükkel ja kõrgem uinumissagedus. Mõõteandmetest võib eeldada, et öösel veevõrgu rõhu langetamine aitab vähendada pumbatud vee hulka, seda tõenäoliselt just lekete vähenemise arvelt Pumba elektrienergia tarbimine ja erikulu Juhtimismeetodite üheks põhiliseks võrdlemise parameetriks on puurkaevust vee pumpamise elektrienergia erikulu. Mõõteseeriate veekulu ja pumba elektrienergia tarbimise andmetest on Erikulu kw h/m3 koostatud karp-vurrud diagramm, joonis ,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 Otsekäivitus SK 1 SK 2 SM 1.1 SM 1.2 Joonis 5.7. Juhtimismeetodite erikulud 57 SM 1.3 SM 2

58 Joonisel 5.7 on näha, et sagedusmuunduri seadistusel SM 1.3 on väikseim elektrienergia erikulu miinimum. Arvutuse andmed on mõõdetud kell üks öösel, ajal kui seaderõhku langetatakse. Sellisel muunduri seadistusel on ka kõige väiksem mediaan erikulu sagedusmuunduriga juhtimisel. Sujuvkäivitit kasutades on saavutatud kõige väiksem mediaan elektrienergia erikulu. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.1 toimub pumba sagedane käivitamine ja seiskamine kuna uinumisfunktsiooni ei saa rakendada. Seetõttu on sellise sagedusmuunduri seadistusega suurimad elektrienergiaerikulu mediaan väärtused. Suuremad erikulu maksimaalväärtused muunduriga juhtimisel tekivad ajal, kui veetarbimine on kõige väiksem. Muunduri seadistusel SM 1.3 suureneb erikulu öösel kella viie ajal kui seaderõhk tõstetakse 230 kpa pealt 360 kpa. Kõige suurema elektrienergia erikulu maksimum väärtus on sagedusmuunduriga SM 2, mille andmed on mõõdetud öösel kell kolm. Linna küla puurkaevpumpla üks pumba ahela elektrienergia tarbimine erinevatel juhtimismeetoditel on esitatud tabelis 5.6. Tabel 5.6. Linna küla puurkaevpumpla üks elektrienergia kulu Juhtimismeetod Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 1 Sujuvkäiviti SK 2 Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM 2 1 Elektrienergia, kw h Kokku Öösel1 144,6 8,5 105,7 6,4 141,5 7,5 145,0 8,9 163,3 16,4 15 4,0 179,2 17,6 Öise tarbimise osakaal, % 5,9 6,1 5,3 6,1 1 2,7 9,8 kella ühest viieni Vastavalt tabeli 5.6 andmetele on näha, et otsekäivituse, sujuvkäiviti SK 1 ja sagedusmuunduri SM 1.1 kasutamisel on öösel kella ühest viieni tarbitud elektrienergia osakaal ligikaudu 6 % kogu ööpäevasest elektrienergia tarbimisest. See on tingitud juhtimismeetodite sarnastest töötsüklitest. Sujuvkäiviti SK 2 olukorras on öise elektrienergia tarbimise osakaal väiksem kui SK 1 kasutamisel. Sagedusmuunduri SM 1.2 ja SM 2 kasutamisel on öine elektrienergia tarbimine 10 % ööpäevasest. Suurem elektrienergia tarbimine on seotud uinumisfunktsiooni rakendamisega. Kui öösel langetada veevõrgu rõhku (SM 1.3), langeb öine elektrienergia tarbimine 2,7 %-ni kogutarbimisest. 58

59 Erikulude paremaks võrdlemiseks on koostatud tabel 5.7, milles on esitatud pumpamise elektrienergia erikulu sõltuvalt juhtimismeetodist ja kellaajast. Selle abil on võimalik hinnata juhtimismeetodi efektiivsust erineval perioodil ööpäeva jooksul. Tabelis on juhtimismeetodi nädalase katseseeria andmed taandatuna 24 h peale. Tabel 5.7. Juhtimismeetodite erikulude võrdlus ööpäeva lõikes Tund Vee pumpamise erikulu kw h/m3 SagedusSagedusOtseSujuvSujuvmuundur muundur käivitus käiviti SK 1 käiviti SK 2 SM 1.1 SM 1.2 1,11 0, ,97 1,10 6 1,32 2 0,96 5 1,40 1,63 1, ,17 1,32 1, , ,37 7 0, ,16 1, ,15 6 0,96 0 0,99 1, ,10 1 1,15 3 0,98 0,97 3 1,15 0,99 0,97 0,93 0 1,14 0, ,13 0 0,98 1 0,98 1,15 0 0, ,17 9 0,99 0,92 0 1, , ,16 3 0, , ,13 4 0,98 7 0,99 1, ,99 0,99 1,15 1,10 0,96 4 0,99 1,13 1,10 0,99 0, Sagedusmuundur SM ,75 3 1,32 1,11 1 0,99 0, ,17 2 Sagedusmuundur SM 2 1,88 2,09 2,02 1,99 2,03 1,67 1, , , ,99 1,11 1,33 Tabelist 5.7 on näha, et mida tumedama rohelisega on lahter, seda väiksem on keskmine erikulu sellel tunnil. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.3 on öösel kella ühest kuni viieni elektrienergia erikulu oluliselt väiksem kui teiste juhtimismeetodite korral. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.1 on erikulu enamasti suurem kui teiste juhtimismeetodite korral. Otsekäivituse ja sujuvkäiviti kasutamisel on erikulu enamasti madalam kui sagedusmuundurit kasutades. Sagedusmuunduri rakendamisel on kõige otstarbekam kasutada seadistust SM 1.3, 59

60 kus on kasutatud uinumisfunktsiooni ja langetatud seaderõhku öösel. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.3 on väikseim erikulu miinimum. Arvutuse andmed on mõõdetud kell üks öösel, ajal kui seaderõhku langetatakse. Sellel hetkel on veevõrgu rõhk 360 kpa ja seadeväärtus 280 kpa ning rakendusväärtus 230 kpa. Enne pumba uut käivitust peab langema rõhk 130 kpa. Selle tulemusena registreeriti vaadeldud perioodil üks veekulu mõõtja impulss (100 l). 60

61 6. MAJANDUSARVUTUS 6.1. Seadmete investeeringu maksumus Praeguses olukorras on veevarustussüsteemi rõhuandur ja puurkaevu nivooandur ühendatud sagedusmuunduriga, mis edastab vastavad väärtused andmeside kaudu kontrollerisse. Muunduriga juhtimiselt üleminek otsekäivitusele ja sujuvkäivitiga juhtimisele tuleb kontrollerile paigaldada lisamoodul rõhuanduri ja puurkaevu nivoo jaoks, mis eeldab ka kontrolleri programmis muudatusi. Juhtimismeetodite liht-tasuvusaja võrdlemiseks tuleb arvesse võtta lisatavate seadmete, paigalduse ja seadistuse maksumused ja tööjõu kulud. Tabelis 6.1 on esitatud pumba juhtimismeetodi ümberehitamise orienteeruvad kulud süsteemi paigaldanud ettevõttele. Tabel 6.1. Seadmete investeeringu maksumuse Võrdluse parameeter Kontrolleri lisamoodul, Juhtseade, Sõidukulud, Seadistuse kulu, Programmeerimise kulu, Kokku, Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 2 Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM Seadmete hinnad on esitatud koos käibemaksuga. Seadistuse, programmeerimise ja sõidukulude arvestamisel on lähtutud ettevõtte oletuslikust töötunni hinnast. Tabelist on näha, et suure osa investeeringu maksumusest moodustab tööjõukulu Aastane elektrienergia maksumus Pumpla töö optimeerimise otsene kasu peaks väljenduma kokku hoitud elektrienergias. Puurkaevust 2014 aasta jooksul pumbatud vee koguse Linna küla puurkaevpumplast üks on 61

62 6210 m3 (tabel 3.2). Selle alusel leiti erinevate juhtimismeetodite kasutamise alternatiivsed väärtused. Analüüsis kasutati 2014 aasta keskmist NPS (Nord Pool Spot) hinda 376 /kw h, kuhu on lisatud elektriaktsiis 045 /kw h, võrguteenus 364 /kw h, taastuvenergiatasu 077 /kw h elektrimüüja hinnanguline keskmine marginaal 022 /kw h ja käibemaks 20 %, kokku 0,10608 /kw h [23, 24]. Arvutustes pole arvesse võetud pumba tööaja erinevust öösel ja päeval, kasutati katseseeria keskmist elektrienergia erikulu. Võttes arvesse erinevate juhtimismeetodite elektrienergia erikulusid on koostatud tabel 6.2. Tabel 6.2. Erinevate juhtimismeetodite võrdlus Võrdluse parameeter Tarbitud elektrienergia, kw h Elektrienergia maksumus, Elektrisääst, Suhteline erinevus, % Seadmete investeeringu maksumus, 1 Enenrgiasäästu investeeringu lihttasuvusaeg Otsekäivitus Sujuvkäiviti SK 2 Sagedusmuundur SM 1.1 Sagedusmuundur SM 1.2 Sagedusmuundur SM 1.3 Sagedusmuundur SM ,8 6147,9 7265,7 6706,8 6442,6 6955,2 645,6 652, ,5 683,4 737,8 125,2 16,2 118,6 15, ,3 7,7 87,4 11,3 33 4, kuud 49 kuud puudub 31 kuud 28 kuud 273 kuud Tabeli 6.2 järgi on näha, et siiamaani töötanud sagedusmuundur seadistusega üks on valikutest kõige kallima ekspluatatsiooniga. Liht-tasuvusaeg otsekäivituse korral on 35 kuud, kuid otsekäivitust ei ole soovitatav pikema ajaliselt süvaveepumba juhtimiseks kasutada. Veetarbimise kasvades väheneb liht-tasuvusaeg sujuvkäivitiga juhtimisel ja suureneb otsekäivitusel. Muunduriga juhtimissüsteemilt üleminek sujuvkäivitiga süsteemile ei ole otstarbekas. Üleminekul tuleb arvestada seadmete lisamaksumusega, mis tõstavad lihttasuvusaja 49 kuuni. Sagedusmuunduri seadistusel SM 1.2 annab 7,7 % säästu elektrienergialt ja liht-tasuvusajaks on 31 kuud. Olemasoleva sagedusmuunduri seadistuse muutmine seadistusele SM 1.3 on kõige väiksema liht-tasuvusajaga (28 kuud). Langetades öösel kella ühest viieni veevõrgu rõhku on muunduril seadistusega SM 1.3 elektrisääst 3,6 % suurem kui seadistusel SM 1.2. Vahetades välja olemasoleva sagedusmuunduri Vacon 100 vastu (SM 2), pikeneb liht62

63 tasuvusaeg üle 22 aasta. Kuigi sujuvkäiviti elektrisääst on suurem kui sagedusmuunduril, ei ole lisanduva seadmete investeeringu maksumuse tõttu otstarbekas üle minna süvaveepumba juhtimisele sujuvkäivitiga. Otstarbekas ei ole teostada muunduri vahetust, vaid üle minna muunduri seadistusele SM

64 KOKKUVÕTE Magistritöö koostamisel ja andmete analüüsi käigus ilmnes, et võimalusi süvaveepumba töö optimeerimiseks on mitmeid. Tulemustest selgus, et kõik uuritud juhtimismeetodid olid efektiivsemad kui objektil algselt rakendatud meetod: 1. Kõige suurema elektrienergia säästu (16,2 %), võrreldes sagedusmuunduri seadistega SM 1.1, annab otsekäivituse kasutamine. Otsekäivituse kasutamisel tekkiva hüdraulilise löögi tõttu ei sobi selline meetod pikemaajaliseks kasutamiseks. 2. Elektrienergia sääst sujuvkäiviti SK 2 korral on 15,4 %. Sujuvkäiviti kasutamine vähendab hüdraulilist lööki torustikus, kuid suurema veetarbimisega perioodil toimub sagedam pumba käivitamine. 3. Sagedusmuundur seadistusel SM 1.1 töötab kõige ebaefektiivsemalt. Sellist seadistust tuleks vältida. 4. Sagedusmuunduri seadistus SM 1.2 annab elektrienergia säästu 7,7 %. Puuduseks on pikk töötsükkel väikse veetarbimisega perioodil (öösel), kuid aitab säästa kõrgema veetarbimisega perioodil (päeval). Eeliseks on stabiilsem rõhk veevarustussüsteemis. 5. Kõige energiasäästlikum sagedusmuunduri seadistus on SM 1.3 (11,3 %). Veevõrgu rõhu langetusega öösel lahendatakse osaliselt seadistuse SM 1.2 puudused. 6. Sagedusmuunduri välja vahetamine teise tootja muunduri vastu (SM 2) annab 4,3 % elektrienergia säästu, kuid ei ole otstarbekas suurte lisakulude tõttu, mis pikendavad tasuvusaega oluliselt. Arvestades ka energiasäästu investeeringu maksumust on otstarbekas minna pumba juhtimisel üle sagedusmuunduri seadistusele SM 1.3. Sellisel juhul on investeeringu liht-tasuvusaeg 28 kuud. Muunduriga juhtimissüsteemilt üleminek sujuvkäivitiga süsteemile ei pruugi olla otstarbekas. Üleminekul tuleb arvestada seadmete ja tööjõukulu lisamaksumusega, mis tõstavad liht-tasuvusaja 49 kuuni. Pumba tööaja ja käivituste arvu analüüsist on näha, et sagedusmuunduri uinumisfunktsiooni rakendamisel on vähenenud käivituste arv ja suurenenud pumba töötundide arv. Otsekäivituse ja sujuvkäiviti kasutamisel suureneb käivituste arv ja vähenevad pumba töötunnid. 64

65 Optimeerimine põhineb konkreetse objekti parameetritel, tarbimis- ja mõõteandmetel ning seetõttu on raskendatud tulemuste kasutamine ja üldistamine teistele objektidele. Magistritöö tulemuste kasutamine teistel objektidel ei pruugi anda sarnast energiasäästu. Veevõrgu rõhu langetamine vähendas pumbatud vee suhtelist kogust. Võib eeldada, et see on tingitud veelekete vähenemisest süsteemis. Uurida tasuks energiasäästu erinevate tootjate sagedusmuundurite ja seadistuste korral. Miinimum sagedus ja PI regulaatori parameetrite väärtused sagedusmuunduris on katselised ning teiste väärtuste korral võivad tulemused erineda. 65

66 KIRJANDUS 1. European water resources and policy. Freshwater society. [WWW] waterresourcesineurope.pdf ( ) 2. Strategic evaluation on environment and risk prevention under structural and cohesion funds for the periood National Evaluation Report for Estonia. (2006). GHK. [WWW] evalstrat_env/ee_main.pdf ( ) 3. Ülevaade Eesti joogi ja mageveest. ( ). Global water intelligence. [WWW] ( ) 4. Komisjoni määrus (EÜ) nr 640/2009, millega rakendatakse Euroopa Parlamendi ja nõukogu direktiiv 2005/32/EÜ seoses elektrimootorite ökodisaini nõuetega. (2009). Jõustunud 22. juuli Euroopa ühenduste komisjon [WWW] ( ) 5. Strategies to Save Energy During the Pumping Process. Water Research Foundation. [WWW] EnergyMgt- EEPumping-FactSheet.pdf ( ) 6. Strategies for saving energy at public water systems. (2013). US Environmental Protection Agency. [WWW] upload/epa816f13004.pdf ( ) 7. Võrguanalüsaator Janitza UMG 605 [WWW] _files/files/user_files/manuaalid-ja-pdf-id/janitza/umg605_manual.pdf ( ) 8. Helme valla ühisveevärgi ja kanalisatsiooni arendamise kava aastateks (2009). SA Valga Piirkonna Keskkonnakeskus. [WWW] aktilisa/4111/2201/2039/uvk_lopp.pdf ( ) 9. Linna küla PK-1 puurkaevpumpla rekonstrueerimine. Veetöötluse osa. Miridon OÜ (2012). 10. Linna küla asukoht. Maa-amet. [WWW] XGis?app_id=UU82&user_id=at&punkt=608703, &zoom=5169&tooltip=Linn 66

67 a%20k%c3%bcla%2c%20helme%20vald%2c%20valga%20maakond&setlegend=u UKAT1_82=0,UUKAT1L_82=0,SHYBR_ALUS01=0,SHYBR_ALUS07_82L=1 ( ) 11. Pumba tüübid. (2002). Tallinna Tehnikaülikool [WWW] elektriajamid/oppeinfo/aar5420/ pump31.html ( ) 12. Tsentrifugaalpumba tunnusjooned ja jõudluse reguleerimine. Tehnikaülikool [WWW] (2002). Tallinna pump32.html ( ) 13. Jacques Chaurette. (2005). Centrifugal pump system tutorial. ( ) 14. Staatiline veetase. (2010). Tallinna Tehnikaülikool [WWW] ( ) 15. Dünaamiline veetase. (2010). Tallinna Tehnikaülikool [WWW] dunaamiline-veetase.html ( ) 16. Sukelpumpade spetsifikatsioon. [WWW] BGP/Not%C3%ADcias/databookletSP.pdf ( ) 17. Pump control. Jensen Engineered Systems. [WWW] /pump-control/ ( ) 18. Süvaveepumba mootori spetsifikatsioon. [WWW] WebCAPS/Details?productnumber= &id=GPHexn&lang=ELL ( ) 19. Altivar 32 Variable speed drives for synchronous and asynchronous motors Programming Manual. (2010). Schneider Electric [WWW] tech_support/pdfs/45manual_atv32-program.pdf ( ) 20. Kjellberg, M., Kling, S. Softstarter handbook. (2003). ABB [WWW] a /$file/1sfc132002m0201.pdf ( ) 21. What Is PID Tutorial Overview [WWW] ( ) 22. Linna küla kuu keskmine temperatuur. [WWW] /et/ee/linna/131277/march-weather/131277?monyr=3/1/2015&view=table ( ) 23. Elspot prices. Nord Pool Spot. [WWW] ( ) 24. Elektrienergia võrgutasud ja maksud. ( ) 67 Elektrilevi [WWW]

68 ENERGY CONSUMPTION OPTIMIZATION OF DRINKING WATER PRODUCTION IN VILLAGE SUMMARY Drinking water supply in cities, villages and rural areas are mostly based on groundwater. The main goal of the thesis is to optimize energy consumption in driven well drinking water production. Submersible pumps are used in driven wells for pumping water through filtration system into water supply network. To control submersible pump there are three studied methods: 4. Direct on line starting. 5. Controlling with soft starter. 6. Controlling with VFD (variable frequency drive). Test series were conducted to compare different submersible pump control methods. For that a measuring system was installed to measure water consumption and electrical parameters of the pump. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system that was installed prior to the test series for several objects in the area, was also used for data gathering. The object of study is Linna village pumping station in Helme parish, Estonia. As a result average specific electricity consumption was calculated for each hour of the test series. Most energy efficient control method was direct on line starting, but considering water hammering effect in pipeline it is not recommended. Controlling with soft starter was nearly as efficient. VFD was used with three different configuration and one alternative VFD was also used with another configuration. The benefit of using VFD is stable pressure in water supply system but in low water consumption periods it does not provide financial savings. The most optimum choice was to reconfigure the VFD and to lower the pressure of water distribution system at night. Wide range of flow rate throughout the day makes the optimization of submersible pump difficult. Lowering the pressure in water distribution system reduces water leakages. 68

69 LISAD 69

70 Lisa A Mõõtmise skeemid 70

71 71

72 72

73 Lisa B. Puurkaevpumpla Joonis B.1. Puurkaevpumpla filtrite- ja kilbiruum 73

74 Lisa B järg Joonis B.2. Puurkaevpumpla puurkaevu ruum 74