Vesipumppaamoiden sähkömoottorikäyttöjen energiatehokkuuden optimointi

Abstract

Opinnäytetyössä selvitettiin energiatehokkuuden parantamista vesihuollon pumppauskohteissa ja määritettiin keskipakopumppujen samankaltaisuuslakien perusteella energiatehokkain kierrosluku sekä tutkittiin tämän toimivuutta käytännön koestuksella. Työn tavoitteena oli löytää pumppaamojen sähkömoottorikäytöissä energiaa säästävät säätötoimenpiteet. Lisäksi työssä esitetään teknisiä rakenteita pumppauskäytön suunnittelijoille sekä aiheeseen perehtyville vesihuollon järjestelmäkehittäjille.

Työssä hyödynnetään teknillistä kirjallisuutta, suunnittelijoille suunnattuja oppaita ja laskennan toteutukseen Matlab-ohjelmistoa. Opinnäytetyön tilaajana toimi Insta Automation Oy, joka toimii teollisuudessa kokonaisvaltaisena automaation järjestelmätoimittajana.

Opinnäytetyössä esitetään yleiskuva vesihuollosta Suomessa, syventävä tekninen tarkastelu keskipakopumppuihin sekä säädettävän sähkömoottorikäytön perusrakenne. Laajan tarkastelun jälkeen Matlab-ohjelmistoa käyttäen laskettiin energiatehokkain kierrosluvun piste keskipakopumppujen samankaltaisuus-, eli affinitylakien perusteella. Lisäksi opinnäytetyössä tutkittiin erään vesihuollon toimijan kohteessa todellista energian säästöä kierroslukusäädöllä, ja esitettiin tuntemattomista muuttujista aiheutuvia epävarmuustekijöitä.

Lopputuloksena opinnäytetyöstä saatiin keskipakopumppujen laskennallisesti energiatehokkain kierroslukupiste sekä tätä tukevaa tutkinnallista näyttöä. Opinnäytetyö esittää mallin energian säästämisestä pumppauskäytössä oikeilla säätömenetelmillä ja antaa suunnittelua tukevia teknisiä ratkaisuja ja syntyviä rajoitteita. Opinnäytetyötä voisi jatkokehittää kohteissa, joissa tunnetaan tarkemmin yksittäisten laitteistojen tekniset ominaisuudet ja kohteen tilastoitua veden kulutusta.

The aim of this thesis was to improve energy efficiency in water supply pumping facilities and to determine the theoretically most energy efficient rotational speed of centrifugal pumps, as well as to investigate the practical implications of this finding. The study enables more energy-efficient control strategies in pumping systems equipped with adjustable electric motor drives. The thesis also provides technical background information for pumping system designers in water supply applications. The work utilized technical literature, design manuals and the Matlab-software for computational analysis. The thesis was commissioned by Insta Automation Oy, which operates as a comprehensive automation system supplier within the industrial sector.

The thesis presents an overview of the Finnish water supply sector, an in-depth technical examination of centrifugal pumps, and a description of the fundamental concept of adjustable electric motor drive systems. The study explores methods for improving energy efficiency in pumping applications through speed control. Based on the Affinity laws and the variation of motor efficiency with rotational speed, the most energy-efficient operating point was determined.

A practical case study conducted at a water utility site verified the findings and assessed their real-world applicability. The results provide a foundation for energy savings in pumping applications and confirm the feasibility of optimised speed control.