Problematika návrhu kanalizačních čerpacích stanic

Čerpací stanice společně s armaturami a výtlačným potrubím tvoří jeden celek tzv. hydraulický systém. Ze strany provozovatele jsou na něj kladeny požadavky bezpečného, spolehlivého a hospodárného odvedení odpadních vod.

Spotřeba pitné vody mezi léty 1989 – 2013 velmi poklesla, a to ze 173 l.os^-1.den^-1 na 82 l. os ¹. den^-1 [5]. Tento pokles se dá mimo jiné přisuzovat zvýšení nákladů na energie pro domácnosti, způsobeném obnovou vodovodní a kanalizační sítě.

S poklesem spotřeby pitné vody dochází k poklesu vypouštěných odpadních vod do kanalizace a tím pádem ke snížení tzv. „vodnaté složky“ odpadních vod. Toto snížení má za následek nárůst hrubých nečistot (např. papírových ubrousků) v odpadní vodě a to až k maximálnímu množství 60 g/m³ [6]. Tento fenomén vede k častým provozním problémům kanalizačních čerpacích stanic.

Návrh čerpadla

Čerpadlo by mělo být navrženo tak, aby se pracovní bod nacházel v oblasti 0,5 - 1,2 . Q_OPT. Jedině tak může být zabezpečený jeho spolehlivý provoz bez ucpávání. Elektromotor čerpadla by měl být osazen motorem s min. účinností IE3 – prémiová účinnost.

Mimo výše vymezenou provozní oblast čerpadla, dochází k:

• nízké hydraulické účinnost – vysoké náklady na elektrickou energii;
• velké radiální síly (zničení ucpávky a ložisek převodovky nebo motoru);
• kavitace – snížená životnost oběžného kola;
• vibracím a hluku.

V dnešní době dochází často k předimenzování čerpadel, což vede ke vzniku mnoha provozních problémů, viz obr. 2.

Nejčastěji dochází k předimenzování čerpadla následujícími způsoby:

1. Z důvodu tzv. „zajištění spolehlivého provozu“ zvýší projektant o pár procent dopravované množství;
2. Přirážka ke geodetické výšce, nebo její špatný odečet někdy odhad;
3. Ztráty potrubí, přirážka na místní ztráty.

Jak je všeobecně známo se vzrůstajícím množstvím, narůstají ztráty s kvadrátem rychlostí. Čerpadlo je následně předimenzováno a pracuje v oblasti částečného zatížení. Na čerpadlo pak působí nadměrné radiální síly, které způsobí výše popsané problémy.

Co dělat v případě předimenzovaného čerpadla:

1. Stočení oběžného kola na požadovaný průměr;
2. Regulace s pomoci FM – frekvenčního měniče;
3. Regulace obtokem – tzv. bypassem – není pro odpadní vody vhodná;
4. Regulace škrcením armatury – není pro odpadní vody vhodná.

Doprava odpadních vod v dnešní době

V dnešní době se pro dopravu odpadních vod nejčastěji používají dva základní typy čerpacích stanic. Mokrá čerpací stanice s čerpadly osazenými v odpadní vodě a suchá čerpací stanice s čerpadly oddělenými od odpadní vody. Pro oba typy čerpacích stanic se v komunální oblasti přednostně používají odstředivá hydrodynamická čerpadla s různými typy oběžných kol.  Společným znakem oběžných kol na odpadní vodu je relativně velká kulová průchodnost, aby se co nejvíce omezilo ucpávání oběžných kol způsobené dlouhými vlákny a hrubými nečistotami z odpadních vod, jak je uvedeno v obr. 3. Ucpání v důsledku blokování oběžného kola se odstraňují s vynaložením velkých nákladů. Ucpávání je způsobeno nejčastěji nerovnoměrným nátokem odpadních vod. Při malém nátoku odpadních vod stoupá koncentrace nerozpuštěných látek v odpadní vodě (novodobých hygienických prostředků). V zimním období se do kanalizace dostává posypový materiál, který také způsobuje časté blokace čerpadel.

Způsob instalace čerpadel

Při instalaci čerpadel se většinou rozhoduje o instalaci vertikální nebo horizontální. Rovněž kalová čerpadla mohou být instalována do suché šachty, ale je potřeba s výrobce prokonzultovat odvod tepla, resp. způsob chlazení. Z hlediska údržby jsou v poslední době pozorovány přestavby mokrých jímek na suché.

Technologie mokrých čerpacích stanic je již dosti známá, proto se v dalším textu budeme věnovat technologii osazené do suché šachty se separací pevných látek.

Technologie kompaktní čerpací stanice se separací pevných látek

V současné době získává na významu technologie s předřazeným sběračem nerozpuštěných látek – separátorem před oběžným kolem čerpadla, zjednodušeně technologie separace.

Tato technologie má výhody čerpadel osazených v suchu a navíc díky sběrači – separátoru se k čerpadlu nedostávají hrubé nečistoty, které by ho mohly ucpat.  Z těchto důvodů se k těmto čerpadlům osazují hydraulicky účinnější vícekanálová oběžná kola (s hydraulickou účinností až 85%). Výhodou technologie separace je spolehlivý provoz z důvodu velké kulové průchodnosti min. 100 mm, nízké náklady na elektrickou energii – použití elektromotorů s prémiovou účinností IE3, nízké náklady na údržbu a suchá šachta. Úspora na provozních nákladech může být až 90% oproti technologii kalových čerpadel. Tato technologie se vyrábí v kompaktním provedení a může být instalována rovnou v šachtě, čímž značně usnadňuje výstavbu, jak znázorňují obr. 4 a 5.

Hydraulický návrh výtlačného potrubí z čerpací stanice

Na úvod je potřeba si uvědomit, že odpadní voda je suspenze, která obsahuje rozptýlené hrubé nečistoty v kapalině. V případě, že poklesne střední rychlost proudění, pod kritickou usazovací rychlost, dochází ke vzniku usazenin na dně potrubí a tím k redukci volného profilu potrubí – sunutí nečistot po dně potrubí.

Odstředivé čerpadlo pro dopravu odpadních vod je ze svého principu závislé na protitlaku ve výtlaku (statická výška a ztráty) – nekonstantní výstupní tlak, proto je potřeba zvláštní pozornost věnovat klesajícím výtlačným řadům. Jejich návrh není na první pohled tak jednoduchý, jak by se mohlo zdát. Čerpací stanice je zpravidla umístěna v nejvyšším bodě výtlaku, kde je velmi malý nebo dokonce žádný protitlak.

V České republice je problematika rychlostí ve výtlačném potrubí v souladu s EU, proto pro zajímavost uvádím přístup v Německu.

Norma ATV-DVWK-A 134 rozšiřuje v Německu evropskou normu EN 752 Odvodňovací systémy vně budov.

Pro spolehlivou dopravu odpadních vod doporučuje německá norma ATV 134 Plánování a výstavba čerpacích stanic na dopravu odpadních vod, zajištění volného kulového průchodu čerpadlem, armaturami a výtlakem 100 mm.

Dále pojednává o tom, že čerpadla by neměla být dimenzována pouze na množství přítoku odp. vod, nýbrž rozhodující parametry jsou:

• netečnost na ucpání čerpadla;
• minimální průtočná rychlost ve výtlaku.

Nesmí se použít menší jmenovité světlosti pro výtlak jak 80 mm a použití menších kulových průchodů ve spojitosti s řezacím zařízením jenom ve výjimečných případech.

Spodní hranice pro průtočnou rychlost uvádí 0,5 m/s v případě dlouhých dob čerpání a 1,0 m/s v případě krátkých dob čerpání.

Poznámka: Při paralelním čerpání více čerpacích stanic jak znázorňuje obr. 6, lze po dohodě s projektantem připustit min. rychlost 0,5 m/s. Při samostatném čerpání je ovšem nutné, aby se rychlost pohybovala kolem 1,0 m/s.

Návrh tohoto hydraulického systému se provádí tak, že systém je funkční, jak v případě paralelního chodu všech čerpadel současně, tak i jednotlivých čerpacích stanic – samostatné čerpání. V případě takového čerpání mohou být rychlosti ve výtlaku nižší, než normou předepsané.

Varianty řešení dopravy odpadní vody pomocí čerpadly:

1. Stoupající výtlačné potrubí s výškovými a nízkými body s plně zaplněným potrubím;
2. Stoupající výtlačné potrubí s výškovými a nízkými body s částečně zaplněným potrubím vzduchem;
3. Klesající výtlačné potrubí částečně nebo úplně zaplněné vzduchem.

Ad 1. Klasický příklad výtlačného potrubí, kdy k výpočtu se používají obvyklé vztahy známé z hydrauliky kapalin.

Ad 2.  U potrubí s výškovými a nízkými (nejnižšími) body se může v klesajících větvích potrubí nashromáždit vzduch. V extrémních případech mohou všechny klesající části výtlaku obsahovat vzduch. V případě, že není k dispozici zavzdušňovací a odvzdušňovací ventil musí se tyto vzduchové kapsy zohlednit v návrhu čerpací stanice.

Ad 3. Klesající výtlaky nejsou ve většině případů naplněny vzduchem po celé jejich délce, protože vzduch v potrubí je komprimován tlakem vody a unášen (vynášen) dále proudící vodou. Přesně definovat tento stav v klesajícím výtlaku je velmi obtížné avšak pro přesný výpočet ne zcela nutné.

Dalším komplikovaným problémem zůstává vzduch v klesajícím potrubí, klesající potrubí je potřeba navrhovat jako gravitační, tzn. dochází ke vzniku směsí vzduch-voda. Strhávaný vzduch může být komprimován do velkých vzduchových kapes. Tyto komprimované kapsy se mohou náhle rozšířit a při tom dochází k nekontrolovanému kolísání tlaku v potrubí.

Z výše uvedených důvodů doporučuji vždy osazení zavzdušňovacích a odvzdušňovacích ventilů v geodetických a hydraulických výškových bodech, protože jejich používání má vliv na výši nákladů na elektrickou energii (velikost výkonu elektromotoru čerpadla).

Při hydraulickém návrhu technologie čerpání je nutné dodržet minimální výkonovou rezervu motoru podle normy ČSN ISO 9905: 1994 Technické požadavky pro odstředivá čerpadla - Třída I, jinak může rovněž docházet ke vzniku provozních problémů.

Závěr

Minimální dopravní rychlosti ve výtlačném potrubí vedou k zahnívání odpadních vod a dále ke vzniku zápachu v oblasti zaústění kanalizačních výtlaků. Tento fenomén dnešní doby je nutné odstranit se zvýšenými náklady s pomocí stavebně-technických úprav nebo s použitím kanalizačních biofiltrů [4]. Jako vhodné řešení proti vzniku provozních problémů (zápach, ucpávání čerpadel) se jeví použití suchých čerpacích stanic se separací pevných látek, které se s přibýváním hrubých nečistot v kanalizaci budou více prosazovat. Při hledání energetických úspor (optimalizace hydraulického systému) je nutné se hlavně zaměřit na průběh profilu výtlačného potrubí včetně armatur a dále pak na unášecí rychlost ve výtlaku. Zde můžeme nalézt největší potenciál pro provedení energetické optimalizace hydraulického systému.