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.

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