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Azionamenti nei sistemi di difesa dalle inondazioni

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Il mondo è pieno di luoghi minacciati dalle inondazioni: un'arma antica nella lotta contro i disastri è la pompa dell'acqua. Leggete come le pompe dell'acqua continuano a diventare sempre più efficienti grazie agli azionamenti a velocità variabile che le controllano.

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L'Organizzazione Mondiale della Sanità stima che, tra il 1998 e il 2017, le alluvioni abbiano colpito la vita di oltre due miliardi di persone in tutto il mondo. Oltre al pericolo immediato per la vita umana, le inondazioni possono devastare i terreni agricoli (spesso situati in zone alluvionali) e devastare il patrimonio strutturale e infrastrutturale delle aree edificate

Con la crescente intensità degli acquazzoni e l'innalzamento del livello del mare, entrambi conseguenze osservate del cambiamento climatico, si prevede che le inondazioni gravi diventeranno più comuni almeno nel breve e medio termine.

L'acqua alluvionale viene allontanata da una strada grazie a una grande pompa d'acqua

La tecnologia precedente alle pompe si limitava in gran parte alla costruzione di sbancamenti, argini, dighe e canali di deviazione. Poi la macchina a vapore permise ai vittoriani dell'Inghilterra orientale di azionare potenti pompe per drenare i terreni al di sotto del livello del mare in modo sufficiente per l'agricoltura. Nel XX secolo l'energia a vapore ha ceduto il passo alla potenza del diesel e poi, a partire dagli anni Settanta, all'elettricità.

Sistemi efficienti di pompaggio delle acque di piena: strategie per una gestione imprevedibile dell'acqua
L'acqua di piena è per definizione imprevedibile. Se il suo arrivo - su scala potenzialmente travolgente - segue un lungo periodo di siccità, le pompe ferme da tempo devono essere attivate istantaneamente, con potenza ed efficienza, per iniziare a trasferire grandi volumi d'acqua (la più grande stazione di pompaggio al mondo, fuori New Orleans, può spostare 150.000 galloni di acqua alluvionale al secondo) a portate continuamente fluttuanti.

Le diverse intensità di risposta all'evento alluvionale si ottengono in primo luogo variando il numero di pompe in azione.

Nei sistemi di difesa dalle inondazioni è indispensabile l'impiego di più pompe (anche nei progetti più piccoli una pompa di servizio deve avere una pompa di riserva). Distribuire il lavoro su un numero maggiore di pompe più piccole piuttosto che su un numero minore di pompe più grandi è il primo passo verso un sistema più sicuro e controllabile. Più piccola è la pompa, inoltre, meno è vulnerabile alle sollecitazioni dovute a problemi di detriti galleggianti, vortici e aria intrappolata.

Inoltre, i motori a velocità variabile sono un prerequisito se le pompe devono interagire con le dinamiche peculiari del comportamento delle acque di piena con un'efficienza ottimale.

L'avvio (o l'arresto) diretto di una pompa per acque alluvionali può causare colpi d'ariete, in seguito alla brusca variazione della portata attraverso la tubatura. Questi shock idraulici riducono la durata di vita delle apparecchiature e portano a perdite nei giunti e alla rottura dei tubi. L'uso di avviatori morbidi o di azionamenti a frequenza variabile (VFD) garantisce un'accelerazione delicata della rotazione della pompa fino alla velocità nominale; in seguito, i VFD offrono il vantaggio di una velocità del motore completamente regolata.

Sebbene sia auspicabile in linea di principio, la regolazione efficiente della velocità dei motori delle pompe per acque alluvionali può essere un'operazione complessa.

Ad esempio, mentre è ragionevole, dal punto di vista del consumo energetico, che un motore a velocità variabile non giri più velocemente di quanto richiesto, le pompe e le tubature che trattano grandi volumi di acqua di piena possono, a seconda della progettazione, essere più o meno vulnerabili all'accumulo di sedimenti. Negli impianti in cui questo è un problema si può scoprire che, funzionando a una velocità costantemente elevata, l'accumulo di sedimenti è ridotto al minimo, così come lo stress meccanico corrispondente sui motori. Un cartello di divieto di accesso su una strada allagata
È importante, inoltre, che le pompe non esagerino. In un'area come i Fens intorno al fiume Great Ouse, ad esempio, i livelli dell'acqua devono essere gestiti per consentire la navigazione (imbarcazioni da diporto oggi dove un tempo c'era il traffico fluviale commerciale). In altre parole, è necessario trovare un equilibrio tra il sottodrenaggio e il sovradrenaggio.

Qual è dunque la sfida per i progettisti di sistemi di pompaggio dell'acqua?
Il progettista di un sistema di difesa dalle inondazioni deve quindi elaborare con cura i livelli idrici target nell'ambiente da proteggere. Questi sono i punti di raccolta dei dati che gli azionamenti utilizzeranno per determinare la velocità del motore: più l'acqua sale al di sopra del livello target, più la pompa lavorerà velocemente; più l'acqua scende, più la pompa rallenta.

Inoltre, più il sistema è programmabile, maggiori sono le opportunità di ottenere diversi tipi di efficienza. Tramite PLC o tecnologia integrata proporzionale-integrale-derivativa (PID), è possibile far variare i valori preimpostati in base al calendario, in modo da tenere conto delle variazioni stagionali del livello dell'acqua. Inoltre, a complemento delle operazioni in tempo reale, si possono utilizzare sistemi di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) per fornire informazioni sugli sviluppi meteorologici in arrivo.

Vantaggi delle pompe centrifughe e del controllo a velocità variabile nella difesa dalle inondazioni
Le pompe centrifughe sono favorite nei sistemi di difesa dalle inondazioni per la loro potenza, semplicità e dimensioni relativamente ridotte. Grazie alle leggi di affinità della pompa centrifuga e del ventilatore, è possibile ottenere notevoli risparmi energetici con la riduzione della velocità del motore (una riduzione della velocità del motore del 25% equivale a una riduzione del consumo energetico di circa il 60%, e così via).

Ciò è importante se si considerano i costi di gestione generalmente elevati di una stazione di pompaggio, che in alcuni casi privilegia ancora i motori diesel per motivi economici (anche se tali sistemi devono accontentarsi di livelli di efficienza intorno solo al 20-40%).

Per questo motivo, quando si tratta di costruire nuove stazioni di pompaggio per acque alluvionali (o di ristrutturarne di vecchie), i sistemi elettrici a velocità variabile sono ora generalmente favoriti. Oltre ai vantaggi della controllabilità, dell'efficienza e dell'economicità, sono anche relativamente silenziosi, una considerazione importante per la progettazione di impianti in ambienti più popolati (e da qui la preferenza di alcuni sistemi per il raffreddamento a liquido piuttosto che ad aria dei motori e degli azionamenti).

Il futuro richiede di coniugare un'automazione più complessa con interfacce sempre più accessibili. L'obiettivo deve essere quello di ottenere sistemi sempre più efficienti; il che, nel contesto della difesa dalle inondazioni, significa ambienti sempre più sicuri.

Gli azionamenti per pompe dedicati si occupano della gestione dell'acqua
Il Pump Drive F600 di Control Techniques non porta solo affidabilità nella gestione del controllo delle acque, ma anche l'uso più efficiente dell'energia. Con le stesse caratteristiche e capacità dei modelli standard, il Pump Drive F600 è stato aggiornato per consentire ai clienti di utilizzare sia i drive standard che quelli ad alto IP per lo stesso progetto. Non c'è più il problema di mischiare e abbinare i fornitori o le caratteristiche dei prodotti, rendendo semplice la qualificazione dei progetti.