Kunsten at pumpe nedad bakke i lange kloakpumpeledninger

Kunsten at pumpe nedad bakke i lange kloakpumpeledninger
af
Torben Larsen
professor, civilingeniør
Institut for Byggeri og Anlæg, Aalborg Universitet
tl@civil.aau.dk - www.civil.aau.dk
Spildevandsteknisk Tidsskrift 4 -2011
På grund af udbygningen og centraliseringen af kloaksystemerne etableres der i disse år mange
lange transportledninger oftest som fuldtløbende pumpeledninger. 5 – 10 km lange ledninger er
ikke ualmindelige. Den gode gamle praksis med at pumpe hvor ledningen stiger og at lade vandet
løbe ved gravitation på de faldende strækninger er dyr både i etablering og vedligehold i forhold til
en enkelt sammenhængende ledning og tilhørende pumpestation. Desuden vil et sådant system være
gunstigt med hensyn til energiforbrug og dermed også i relation CO2 udledning.
I en del tilfælde vil transportledningen skulle transportere fra en højere kote til en lavere hvor
pumpning alligevel er nødvendig for overvinde friktionstabet i røret og/eller i det hele taget for at
starte systemet op. Med andre ord skal pumpesystemet samlet set pumpe nedad bakke. Det lyder
dette som en simpel sag men det er det langt fra. Problemet er, at der i sådanne ledninger let
optræder undertryk, som det kan være vanskeligt at håndtere.
Virkning af undertryk i rørledningen
Kavitation
Tager man hensyn til atmosfæretrykket og damptrykket af vand ved 10 – 20 o C kommer man frem
til at det undertryk, hvor vandet begynder at koge svarer til ca. – 10,2 m Vs. (vandsøjle). Dette
betyder at det laveste tryk der kan eksistere i en rørledning netop er – 10.2 m Vs. Falder trykket ned
til dette punkt dannes et hulrum, en såkaldt kavitet, som kun indeholder vanddamp. Fænomenet
betegnes kavitation og det optræder i en del rørledning hvor kaviteten kan opnå en størrelse på fra
få liter op til flere m 3 . Når trykket så senere stiger klapper kaviteten næsten momentant sammen og
der kan opstå et lokalt trykstød med høje overtryk med rørbrud som yderste konsekvens. Normalt er
kavitation uønsket i den almindelige driftssituation for pumpesystemer, men i visse tilfælde
accepteres det i sjældne ekstreme situationer for eksempel ved strømudfald og lignende såfremt
rørets styrke er tilstrækkelig.
Luftansamlinger
Luft opløses i vand på samme måde som sukker og salt. Opløseligheden vokser med stigende tryk.
Vand som løber længere strækninger i åbne ledninger med frit vandspejl vil ofte være mættet med
opløst luft svarende til atmosfæretrykket. Udsættes dette vand for undertryk vil vandet nu være
1

overmættet med luft og luften vil boble af som man ser når man åbner en sodavand. Stiger trykket
kan luften så opløses igen, men opløsningsprocessen sker langsomt og gradvist. Dette at luften
hurtigt kan frigives og kun langsom opløses giver mulighed for at der rørledninger kan dannes
luftansamlinger i højdepunkter selv om trykket det meste af tiden er større en atmosfæretrykket og
at der kun kortvarigt opstår undertryk for eksempel ved pumpestop. Luftansamlinger kan skylles ud
af højdepunkterne i rørene hvis strømhastigheden er stor og langvarig nok, hvilket i praksis er stort
set umuligt på grund af døgnvariationen i vandføringen i de fleste kloakpumpeledninger.
Luftansamlinger er uønskede fordi de giver større strømningsmodstand i rørene og fordi de kan
forstærke de trykstød der særligt opstår når pumper stopper.
Der findes en række udmærkede både manuelle og automatiske udluftningsventiler til placering i
højdepunkter i ledninger. Først og fremmest må man sikre sig, at de er egnede til at fungere med
urenset spildevand. Manuelle ventiler er ofte nødvendige når et tomt system skal fyldes op. De
automatiske ventiler fungere normalt ikke medens vandet strømmer fordi luften ikke er hvor
ventilen er. Der er således meget blandede erfaringer med udluftningsventilers evne til at holde
ledningerne fri for luft.
Pumpesystemets driftsfaser
Lange kloakpumpeledninger udføres i dag oftest af PE (polyethylen), som er et forholdsvist elastisk
materiale. I disse rør vil en trykbølge forplante sig med en hastighed på omkring 250 m/s. Hvis
ledningen for eksempel er 8 km lang vil derfor gå 8000/250 = 32 sekunder fra at man starter med at
pumpe i den ene ende til at vandet begynder at løb ud i den anden ende. Derfor må man forvente at
lange ledninger skal bruge relativt lang tid til at starte op og bremse ned igen og derfor er det vigtigt
at det samlede system herunder ikke mindst at størrelsen af pumpesump og oppumpningsbrønd
svarer til den langsomme reaktion af systemet.
På grund af variationerne i vandføringen over døgnet kan start og stop af systemerne selv med
omdrejningsregulerede pumper sjældent undgås. Man kan derfor opdele pumpesystemets drift i
følgende 4 faser:
1. Systemet er i ro medens pumpesumpen fyldes op. Kontraventilen er lukket og trykniveauet
nedstrøms denne er det samme lig koten til vandspejlet i oppumpningsbrønden. Hvis der er
dele af røret som ligger højere end vandspejlet i oppumpningsbrøden vil der her være
undertryk (figur 1).
2. Pumpen starter og systemet starter gradvist op ved at en trykfront bevæger sig frem i
ledningen. I perioden hvor ledningen starter op er trykket højere end det (senere) stationære
pumpetryk. Der vil normalt ikke være yderligere undertryk i denne fase i forhold til fase 1.
3. Systemet kører stationært og trykniveauet falder fra pumpen mod oppumpningsbrønden.
Hvis der er dele af røret som ligger højere end tryklinien vil der her være undertryk. (figur 2)
4. Pumpen standser og en negativ trykfront bevæger sig frem i ledningen. I denne ikkestationære
fase er der mulighed for undertryk i de højest beliggende dele af røret.
På alle figurer (nr. 1 til 4) er det forudsat, at der ved pumpen som sædvanligt er placeret en
kontraventil.
2

Figur1 Tryklinie ved standset pumpe Figur 2 Tryklinie ved pumpning
For disse 4 faser må man herefter vurdere i hvilket omfang der optræder undertryk i ledningen og
hvilke konsekvenser dette i givet fald har.
Løsningsmuligheder
Som udgangspunkt må man naturligvis altid overveje om den traditionelle løsning, hvor ledningen
opdeles i en stigende trykledning og en faldende gravitationsledning, kan være hensigtsmæssig. De
øvrige muligheder er følgende:
Løftning af oppumpningsbrønd
En simpleste løsning vil naturligvis være at løfte oppumpningsbrønden op i et tårn, som har den
nødvendige højde til at undgå at undertryk optræder. Men herved så tabes de energimæssige fordele
ved den oprindelige løsning.
Styret ventil ved oppumpningsbrønd
En mere sofistikeret løsning vil være at placeret en styret ventil ved oppumpningsbrønden og sørge
at denne ventil er afspærret når pumpen er standset. Desuden kan tilføjes et permanent enkeltab for
at holde trykket højere. Herved er det muligt at opnå at der aldrig optræder undertryk i systemet
som ses på figur 3 og 4. På grund af den lange lednings langsomme respons er det nødvendigt at
foretage en omhyggelig edb-simulering med de omtalte driftsfaser for opnå en præcis timing af
hvorledes ventilen skal opereres i forhold til start og stop af pumperne. Desuden må man sikre sig,
at ventilen lukkes i tilfælde af strømudfald så oversvømmelse undgås.
Man skal lægge mærke til i figur 3 at ledningen står under tryk selv om pumpen er standset. Dette
skyldes at både kontraventilen ved pumpen og at den styrede ventil nedstrøms er lukkede. En lang
plastledning har en elasticitet svarende til et ikke uvæsentligt volumen som muliggør at trykket kan
holdes i længere tid. Det kræver naturligvis at pumpen kører et antal sekunder efter at ventilen er
lukket.
3

Figur 3 Tryklinie ved standset pumpe og lukket
ventil
Figur 4 Tryklinie ved pumpning og åben ventil med
enkeltmodstand
Afslutning
Som det fremgår af ovenstående handler kunsten at pumpe nedad bakke primært om at undgå, at der
opstår undertryk i systemet. Kan man det, er det langt fra umuligt at pumpe fra et højere niveau til
et lavere i lange pumpeledninger såfremt løsningen planlægges og gennemtænkes grundigt.
4