در سامانه های آبیاری مزارع کشور از ایستگاههای متداول با پمپهای دور ثابت استفاده میشود. که همیشه با مشکل تلفات آب وانرژی مواجه اند. ارائه سیستمی برای تطبیق عملکرد ایستگاهها با الزامات بهرهبرداری می تواند کارایی توزیع آب و بهرهوری انرژی مزارع را بهبود بخشد. یکی از گزینه ها استفاده از پکیج ایستگاه پمپاژ است که خود را با تقاضای متغیر سیستم سازگار میکند. دراین تحقیق، با کدنویسی در نرم افزارMicrosoft Visual Studio ، طراحی پکیج ایستگاه پمپاژ برای سامانة آبیاری پرفشار و کم فشار انجام شد. سپس، با منظورکردن تغییرات دبی و فشار در طول فصل آبیاری و مشخصات هیدرولیکی، توپولوژی و متولوژی مزرعه بنک آباد، عملکرد پکیج ایستگاه پمپاژ ارزیابی و با دو روش بهرهبرداری متداول و پکیج مقایسه شد. نتایج نشان داد عملکرد پکیج کاملاً مناسب مزارع بوده و تلفات انرژی به میزان قابل توجهی کاهش یافته است؛ بطوری که در بهرهبرداری به روش متداول آب بیش از نیاز به سامانه تزریق میشود؛ به طوری که تلفات آب در بهره برداری به روش متداول 36 درصد و به روش پکیج زیر 3درصد کل آب مصرفی است. میزان بهای انرژی در هرماه 45 درصد، میزان هزینه نگهداری پانزده ساله 46درصد کاهش مییابد.
آب از دیرباز مهم ترین عامل توسعه به خصوص توسعه بخش کشاورزي در جهان بوده است.انسانها در دوران اولیه زندگی، نزدیک رودخانه ها و منابع آب تجمع کرده و آب مورد نیاز فعالیتهاي کشاورزي، که میتوان آن را نخستین دخالت بشر درطبیعت دانست، از منابع آب رودخانهها و چشمهها تأمین میکردند. هر چند منابع آب موجود در کره زمین 96/5درصد این منابع شور و متعلق به آب اقیانوسها است. چاو و همکاران (1988) مقدار بسیار محدودي آب شیرین سطح و زیرزمینی به طور مستقیم از سوي انسان مورد استفاده قرار میگیرد. افزون بر آن، کمی بیش از 1/76 زمین به صورت بلورها یا رودخانههاي یخی از دسترس خارج شده و آنچه باقیمانده در عمق زمین ذخیره شده است. عزیزي (1380)
قرار گرفتن کشور ایران درنبودِ دستورالعمل و استاندارد مشخص و نظارت کافی درطراحی، انتخاب، نصب، و بهرهبرداری از سیستمهای پمپاژ متداول در ایران موجب شده این سیستمها بازده پایینی داشته باشند. بی توجهی به هزینههای دورة بهرهبرداری سیستم در زمان طراحی، استفاده از روشهای نامناسب برای کنترل جریان، تغییرات سیستم در طول زمان، عدم بالانس نیاز و کارکرد پمپ، تحمیل شوکهای الکتریکی به مدار، عدم تنظیم شیرهای قطرهای مزرعه، جریان غرقاب در مزرعه و تعمیرات و نگهداری سخت سیستم از علل این موضوع است. در بیشتر سیستمهای متداول، مقدار جریان مورد نیاز با زمان تغییر میکند. بنابراین، پکیج ایستگاه پمپاژ، ضمن آنکه باید پاسخگوی مقدار بیشینة جریان مورد نیاز باشد، باید بسته به ماهیت سیستم و مشخصات آن از روشی مناسب برای کنترل جریان استفاده کند؛ به طوری که علاوه بر تأمین آب مورد نیاز سامانه، کمترین تلفات انرژی را داشته باشد. بررسیها نشان میدهد جایگزینی درایوها در پکیج موجب ایجاد پمپهای دورمتغیر میباشد استفاده از پمپ دور متغیر در پکیج ایستگاه پمپاژ که مقدار آب مورد نیاز سامانه را با فشار کافی و صرفاً با حداقل انرژی تأمین میکند، به علّت ناآشنایی طراحان یا صرفاً هزینة اولیة بیشتر، محدود است؛ در حالی که بررسیها نشان میدهد در بسیاری مواقع قیمت انرژی بازیافت شده از این طریق در کمتر از یک سال معادل هزینة سرمایهگذاری اولیه خواهد بود. مطالعه و تحقیق در زمینة استفاده از پکیج در سامانه های آبیاری اندک است و از آنجا که در ایران پمپها قسمت عمدة انرژی را مصرف میکنند، بررسی کاربرد پکیج ایستگاه پمپاژ در این زمینه میتواند گامی مؤثر در ارتقای عملکرد آبیاری مزارع باشد. تولوان (2008)
در تحقیق حاضر پکیج ایستگاه پمپاژ در راستای مدیریت آب مزارع و در راستای بهینهسازی انرژی، با قابلیت کنترل متمرکز طراحی شده و برای نیل به هدف نهایی یعنی بسترسازی کنترل میزان آب و انرژی مصرفی کل کشور و مدیریت منابع طراحی شده است. تاکنون از این سیستم در کشور ما 9 طرح بهرهبرداری شده است. که 3 طرح آن در مزراع مورد استفاده قرار گرفته است. که ما در این تحقیق مزرعه بنک آباد را مورد مطالعه قرار دادیم.
یکی از دلایل بهرهوری پایین ایستگاههای پمپاژ متداول این است که انتخاب پمپها بر اساس دبیِ حداکثر طراحی و تنظیم شدهاند، وقتی نیاز سیستم کم میشود، آب و انرژی را هدر میدهند. از آنجا که در ایستگاه متداول عرضة آب بر حسب نیاز معمولا ًبا شیرکنترل دبی انجام میشود، در تحقیق حاضر بهره برداری دو حالت کلی بهره برداری منظور شد: 1) ایستگاه پمپاژ متداول 2) پکیج ایستگاه پمپاژ. در این تحقیق کارکرد پکیج ایستگاه پمپاژ در مزرعه بنک آباد بر اساس اطلاعات توپوگرافی، متورلوژی و هیدرولوژی ارزیابی گردید و طبق اطلاعات موجود، و نوع کشت سه محصول گندم، ذرّت و هنداونه خط رانش پمپها بر اساس نیاز هر محصول به کمک نرم افزار Microsoft Visual Studio طراحی شده و بهرهبرداری گردید.
برای حل مشکلات ناشی از متغیر بودن دبی در ساعات شبانه روز و فصول مختلف در راه اندازی الکتروپمپ ها از درایو استفاده شده است که به کمک آن میتوان نقاط کاری متعددی را با حفظ حداکثر راندمان در منحنی دبی ایستگاه تعریف کرد؛ در حالی که در طرح متداول نقاط کاری ایستگاه پمپاژ برابر با تعداد الکتروپمپ ها میباشد که این موضوع وسعت عمل بهرهبرداران را محدود کرده و باعث هدر رفت انرژی، استهلاک بیش از حد قطعات، هدر رفت آب و در نهایت تحمیل هزینه های اضافه و به حداقل رسیدن راندمان پروژه خواهد شد.
شکل1: مقایسه اندازه سیستم متداول با پکیج
اولین گام اساسی در طراحی پکیج ایستگاه پمپاژ انتخاب پمپهای متناسب با نیاز سامانه است. انتخاب پمپهای نامناسب و بزرگتر از حدّ نیاز بهای انرژی و هزینههای نگهداری را افزایش میدهد.
شکل 2: نمودار انتخاب پمپ. کاتلوگ پمپیران (1395)
جهت تأمین دبی بیشتر میتوان از الکتروپمپها به صورت موازی استفاده کرد . در این حالت کلکتوری در ورودی جهت تقسیم سیال بین خطوط و در خروجی جهت جمعآوری آن، نصب میشود. این کلکتورها نیز از شیر فلکه جهت ایزوله کردن پکیج و قطعه قابل پیادهکردن جهت اتصال و انفصال پکیج به خط مکش و رانش برخوردار میباشند.
کلیه این تجهیزات در داخل باکس فلزی در کارخانه مونتاژ شده و کلیه اجزای این باکس به صورت مکانیکی ( اتصال پیچ مهره ) به هم متصل میشوند و به غیر از کف، از پنج وجه (ضلع طولی , عرضی , سقف ) می توان به تجهیزات داخل آن دسترسی پیدا نمود.
مشخصات کلی پکیج ایستگاه پمپاژ
جدول 1: مشخصات فیزیکی پکیجها
ایتم | ابعاد | واحد |
طول L | 340 الی 2700 | cm |
عرض D | 50 الی 500 | cm |
ارتفاع H | 93 الی 500 | cm |
جدول 2: مشخصات هیدرولیکی پکیجها
ایتم | رنج کار | واحد |
دبی Q | 20 الی 14400 | |
ارتفاع H | 10 الی 1000 | m |
راندمان η | 60 الی 81 | % |
قدرت P | 5/3 الی 12000 | kw |
همانطور که میدانیم انرژی نقش بسیار مهمی در زندگی امروز بشر دارد. در همین راستا میزان مصرف انرژی الکتریکی برای پمپاژ آب روز به روز بالا میرود و حدود 20 درصد انرژی تولید شده در جهان صرف پمپاژ آب آشامیدنی میشود و 40 درصد از کل بودجه کشورها به تأمین آب آشامیدنی اختصاص داده میشود. از این رو قیمت آب روز به روز در جهان در حال افزایش میباشد و میلیاردها دلار هزینه صرف پمپاژ آب از طریق پمپهای گریز از مرکز میگردد. نرخ بهرهوری این پمپها متفاوت بوده و عوامل مختلف برعملکرد و راندمان این پمپها تاثیر میگذارد، به طور میانگین راندمان این پمپها بین 35 الی 80 درصد میباشد، یعنی تقریبا به صورت میانگین 42 درصد انرژی مورد نیاز در اصطکاک و نشت و.... از دست میرود که عدم توجه به این موضوع باعث میشود که هزینههای زایدی بر سیستم تحمیل گردد. لذا در پکیج ایستگاه پمپاژ بر تک تک این موارد توجه خاصی شده و عوامل زیر در طراحی آن مد نظر قرار گرفته است.
درخصوص متغیر بودن دبی در فصول مختلف در طرحهای آبیاری تحت فشار و شبکه آبرسانی شهری با توجه عدم بالانس تأمین و مصرف، همیشه درصدی از آب و به تبع آن انرژی به صورت پرت از دست میرود. در پکیج ایستگاه پمپاژ با هوشمند بودن سیستم و امکان تعریف نقاط مختلف کاری با حداکثر راندمان، علاوه برهدررفت آب، هدررفت انرژی ، استهلاک بیش از حد قطعات و در نهایت تحمیل هزینههای اضافه به بهرهبرداران به حداقل رسیده و وسعت عمل بهرهبرداران از طرح افزایش و هزینههای دوران بهرهبرداری کاهش چشمگیری مییابد.
در سیستم کنترل هوشمند پکیج اطلاعات ارسالی از پکیجها پس از دریافت در ایستگاه کنترل مرکزی، توسط نرمافزار Microsoft Visual Studio مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و میتوان وضعیت پارامترهای مختلف را مشاهده نمود. به کمک این سیستم میتوان عملیات مانیتورینگ و کنترل از راه دور را بهسادگی انجام داد و با آموزشهای کوتاه مدت به اپراتورها میتوان بهخوبی از قابلیتهای آن بهرهبرداری کرد.
مواردی که بصورت هوشمند و از راه دور در پکیج کنترل میگردد عبارتند از :
پدیده ضربت قوچی آب از تغییر ناگهانی سرعت جریان آب در خط لوله در حداقل زمان به وجود می آید. یکی از مهم ترین علل ایجاد ضربت قوچی آب و بروز فشارهای بسیار بالا از کار انداختن یا از کار افتادن پمپ به علت قطع برق می باشد. چنانچه الکتروپمپها عمداً یا به طور اضطراری از کار بیافتند مقدار جریان سیال داخل خط لوله به سرعت کاهش مییابد ولی به علت ممنتم ستون مایع حرکت سیال به طرف جلو ادامه یافته و باعث ایجاد کاهش فشار در پشت سر خورد میگردد، این فشار ممکن است به قدری کاهش یابد تا به فشار بخار سیال رسیده و باعث ایجاد کاویتاسیون گردد.
سرعت جریان پس از مدتی به علت اصطکاک و فشار استاتیک سیستم کاهش یافته و به صفر می رسد. پس از این لحظه جهت حرکت معکوس و جریان مایع به طرف الکتروپمپها شروع میشود. دراین لحظه شیر یکطرفه در خط رانش پمپ بسته میشود، فشار در محل ایجاد کاویتاسیون افزایش یافته و باعث تقطیر بخارات سیال میگردد. دو ستون مایع به شدت با یکدیگر برخورد مینمایند. این برخورد دو ستون مایع باعث ایجاد فشارهای بسیار زیاد شده و خسارات جدی به پکیج ایستگاه پمپاژ، خط لوله و تجهیزات مربوطه وارد میکند. نوربخش (1395)
از آنجا که در طراحی ایستگاه های پمپاژ متداول برای تأمین آب و فشار مورد نیاز سامانه پمپ ها را بر اساس حداکثر فشار و دبی انتخاب می کنند و از طرفی نیاز آبی با این مقدار متفاوت است، مقدار زیادی آب در هر فصل رشد تلف می شود. درپکیج ایستگاههای پمپاژ با دادن اطلاعات آبیاری مزارع می توان اتلاف آب را به صفر رسانید. در این تحقیق حالت ایده آل طراحی و بهره برداری پکیج ایستگاه پمپاژ و ایستگاههای متداول در مزرعه بنک آباد مقایسه شد.