بررسی کاربرد پکیج ایستگاه پمپاژ نسبت به سیستم متداول در مدیریت آب و انرژی مزارع

چکیده

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.

مقدمه

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.

مواد و روش­ها

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.

مقایسه اندازه سیستم متداول با پکیج

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.

نمودار انتخاب پمپ. کاتلوگ پمپیران (1395)

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

 

 

مصرف بهینه انرژی

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.

  • کارکرد الکتروپمپ در محدوده نقطه­ی کاری در حداکثر راندمان (کنترل راندمان الکتروپمپ با دبی)
  • نبود جریان اولیه
  • به حداقل رساندن طول هادیها
  • به حداقل رساندن اتصالات الکتریکی
  • حذف مصرف عمومی مجموعه ایستگاه­های پمپاژ (سرمایشی گرمایشی ،روشنایی و جرثقیل، تخلیه هرز آب و ...)
  • یکسان­سازی فشار در حداقل و حداکثر مصرف
  • استفاده هوشمندانه انرژی متناسب با دبی
  • رعایت اصول پدافند غیرعامل

کنترل از راه دور

خلاصه­ سیستم هوشمند

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 :

  • بروز بار اضافی در الکترو موتورها
  • افت ولتاژ غیرمعمول در خطوط اصلی جریان برق
  • افت فشار غیرمعمول در لوله رانش
  • سطح آب غیرمعمو ل در حوضچه، مخزن یا لوله مکش
  • کنترل و تنظیم جریان آب خنک­کننده موتور یا پمپ­ها
  • جلوگیری از کارکرد پمپ­ها به صورت خشک و بدون آب
  • تعریف ظرفیت­های کاری مختلف با توجه به نیاز طرح
  • کنترل میزان مصرف انرژی ساعات مختلف شبانه­روز
  • کنترل حجم آب پمپاژ شده هر ساعت و روز و ....      
  • کنترل فشار
  • کنترل نشتی اتصالات و دیگرآلارم‌های برنامه‌ریزی شده
  • كنترل عملكرد صحيح شيرآلات
  • گردش خودكار وضعيت كاركرد دستگاهها به صورت مساوي
  • تولید فایل‌های خروجی با فرمت‌های مختلف
  • ذخیره‌ی اطلاعات با فرمت استاندارد بانک‌های اطلاعاتی
  • امكان تعريف وضعيت­های كاری مختلف مجموعه بر اساس دبي و فشارها متفاوت با حداکثر راندمان
  • امکان پرینت­گیری به فواصل زمانی تعریف شده (درخواست بهره بردار ) روزانه ، هفتگی ، ماهانه ، سالانه و...............

تحلیل ضربه قوچی آب

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)

بحث و نتیجه ­گیری

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.