Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

It has been estimated that there exists a large technical and economic potential for energy saving in pumping systems. In general, pumping systems account for nearly 22percent of the world's electric motor energy demand. In certain industrialplants, over 50 percent of electrical energy used by motors can be for pumping systems. In wastewater pumping, the operation of the pumps is typically based onthe on-off control method. This means that pumps operate always at full capacity when on duty. In most cases, pumps may also be oversized. These things lead toincreased energy consumption. The theory part of the thesis presents the basics of sewage disposal and wastewater treatment and the main components ofthe pumping system: pump, pipework, motor and variable speed drive. The empirical part of the thesis presents an efficiency speed calculator, which estimates the energy saving potential in wastewater pumping systems. With the calculator, it is possible to compute the energy saving potential when the speed of the pump is controlled with a variable speed drive instead of the on-off control method. The calculator indicates the most optimal rotational speed as well as the specific energy consumption. Based on the efficiency speed calculator, three different real life cases were studied in municipal wastewater pumping stations.Laboratory tests were also made to simulate the calculator as well as to study the energy saving potential. According to the study, there is a considerable potential to achieve energy savings in wastewater pumping systems by de-creasing the rotational speed of the pump. In cases with low geodetic head, it is possible to save energy as much as 50% and in the long run it is possible to achieve hugeenergy savings. In addition, the results confirm that there is a need to optimize the operation of pumping systems.