Василенко А.А., Грабовский П.А., Ларкина Г.М., Полищук А.В., Прогульный В.И. Реконструкция и интенсификация сооружений водоснабжения и водоотведения

Подождите немного. Документ загружается.

131

вания – это комплекс сооружений, состоящий из резервуаров и насос-

ной станции, которая работает только в периоды максимального во-

доразбора.

Основная НС проектируется на среднечасовое потребление

(рис. 3.19). При максимальном потреблении включается НС регулиро-

вания и сеть питается с двух сторон – из основной НС и узла регули-

рования. Насосная станция узла регулирования

работает периодиче-

ски, основная НС работает в равномерном режиме. При этом уменьша-

ется расход электроэнергии. К недостаткам этой схемы следует отне-

сти появление новой площадки, резервуаров и насосной станции, а

также дополнительного обслуживающего персонала. Работу узла ре-

гулирования целесообразно автоматизировать – в этом случае расходы

на содержание персонала будут минимальными.

При гидравлическом

расчете определяют места размещения уз-

лов регулирования, подачу насосных станций (основной и узла регу-

лирования), место и объем РЧВ, схему их питания (рис.3.20).

Место расположения НС регулирования и питание ее резервуа-

ров зависят от расхода, протяженности сети, режима водопотребления,

рельефа местности и определяются гидравлическим расчетом. Процесс

регулирования сводится к выбору

такого напора, при котором пьезо-

метр в диктующей точке равен требуемому.

макс

ср

Поверхность

еоб

од

имых нап

оро

макс

Узел регули-

ования

Основная

Рис.3.19. Схема с

злом

ег

ли

ования.

132

При гидравлическом расчете водопроводной сети осуществляют

не только внутреннюю увязку сети, но и внешнюю, что позволяет

выявить условия взаимодействия сети, основной НС, регулирующих

РЧВ и НС узла регулирования.

При подключении узла регулирования перед резервуарами

часто приходится устанавливать прикрытую задвижку (см. задвижку

на рис. 3.19) или регулятор давления, чтобы напор в сети

в зоне,

примыкающей к РЧВ, не был слишком малым.

Как правило, решение задачи интенсификации в каждом блоке,

может быть достигнуто несколькими способами. Для выбора опти-

мального решения необходимо проводить сравнение вариантов по

приведенным затратам. Кроме того, учитываются:

1) возможность и трудоемкость реализации того или иного варианта

при производстве работ в условиях

непрерывно действующих осталь-

ных сооружений;

2) расход электроэнергии;

3) избыточные напоры в сети.

Контрольные вопросы

1. Перечислите возможные пути интенсификации системы

«НС–водоводы–РЧВ».

Ва

иант 1

Ва

иант 2

Узел

ег

ли

ования

Основная

НС

Рис. 3.20. Схема питания узла регулирования:

вариант 1 – через сеть; вариант 2 – транзитным

водоводом.

133

2. Покажите на продольном профиле водоводов, как выбрать ме-

сто строительства дополнительной насосной станции.

3. Потребуется ли дополнительная регулирующая емкость при

замене малых насосов на насосы большей производительно-

сти, работающие периодически?

4. Составление расчетной схемы сети по данным манометриче-

ской съемки.

5. Как по результатам манометрической съемки определить пе-

регруженные участки

, участки с малыми расходами, места ра-

сположения неисправной арматуры?

6. В каких случаях при интенсификации целесообразно зониро-

вание сети? Возможные схемы зонирования.

7. Как определить границ зон?

8. Приведите схему сети с пьезометрическими линиями для слу-

чаев питания из одной точки и из двух.

9. Почему при строительстве контррезервуаров может

быть уве-

личена пропускная способность сети?

10. Как влияет установка резервуаров у крупных потребителей на

работу водопроводной сети?

11. Проиллюстрируйте на схемах с пьезометрическими линиями,

за счет чего достигается увеличение пропускной способности

сети:

• при изменении точки питания схемы НС-ВБ-сеть;

• при строительстве дополнительной НС;

• при строительстве дополнительной

ВБ;

• при строительстве НС у ВБ.

12. Что такое узел регулирования? Режим его работы.

13. В каких случаях целесообразно строительство узлов регули-

рования?

14. Как определить место строительства узла регулирования?

15. Как обеспечить минимальный потребный напор в сети в зоне

РЧВ узла регулирования при питании последнего через сеть?

16.

В каком случае величина избыточных давлений в сети будет

больше – в схеме НС-сеть или в схеме с узлами регулирова-

ния?

3.3. СПОСОБЫ СОКРАЩЕНИЯ РАСХОДА ЭНЕРГИИ В СПРВ

Затраты энергии в СПРВ определяются потреблением электро-

энергии в насосных станциях, которое зависит не только от насосов,

134

но и от системы подачи воды. При уменьшении сопротивления водо-

водов и сетей снижается необходимый напор насосов и количество

потребляемой энергии.

Основные пути сокращения потерь энергии в насосных стан-

циях следующие:

1. Обточка (обрезка) рабочих колес насосов.

2. Замена насосов на более совершенные конструкции – с более вы-

сокими КПД либо

с более подходящими рабочими характеристи-

ками.

3. Использование более широкого набора насосов, позволяющего

работать в зоне высоких КПД при любых режимах водопотребле-

ния.

4. Регулирование работы насосов.

5. Рациональное управление работой насосов.

Обрезка рабочего колеса насоса целесообразна в тех случаях,

когда большую часть времени насос создает избыточный напор. Не-

обходимый диаметр

колеса рассчитывают по формуле -

ном

DD =

где D

и D

ном

– необходимый и паспортный (номинальный) диаметры

рабочего колеса; Н

и Н

ном

– соответствующие напоры насосов.

Допустимая обрезка колес (см. табл. 3.2) ограничивается в зави-

симости от коэффициента быстроходности насоса -

,65.3

75.0

где n – число оборотов, об/мин; q – подача, м

/с; Н – напор, м.

Таблица 3.2. Допустимая степень обрезки рабочих колес

Диапазон n

Степень обрезки колеса, %

60 - 120 20-15

120-200 15-11

200-300 11-7

Коэффициент полезного действия насоса при обрезке колеса

уменьшается в соответствии с формулой Муди [47]:

,)1(1

25,0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=

ср

ηη

135

где η

ср

и η – КПД насоса при обрезанном (D

ср

) и номинальном (D)

диаметрах колес. Однако это уменьшение очень невелико - примерно

1% на каждые 10 % срезки колеса при n

=60 –200 и 1% на каждые 4 %

при n

=200 – 300.

Если на насосной станции установлено несколько однотипных

насосов, то обрезку следует проводить не на всех насосах, а на 1 – 2

[42]. Это позволяет регулировать напор насосов, варьируя состав ра-

ботающих насосов.

Замена насосов обычно требует значительных капиталовложе-

ний, поэтому здесь требуется технико-экономическое обоснование. В

[42] рекомендуется производить замену насосов в тех случаях,

когда

стоимость потерь электроэнергии за 3 года выше разницы стоимости

нового и установленного оборудования.

3.3.1. Методы регулирования работы насосов

Насосы являются основными потребителями электрической

энергии в предприятиях водопроводно- канализационного хозяйства.

Так, по данным 1997 г. затраты на оплату электрической энергии в

Одесском Водоканале составляли примерно 57 % эксплуатационных

расходов по водоснабжению.

Одним из способов снижения

энергозатрат является регулиро-

вание работы насосов. Необходимость регулирования возникает в тех

случаях, когда напор, создаваемый насосом, больше напора, нужного

потребителю. Рассмотрим работу насоса на водопроводную сеть

(рис.3.21).

Предположим, насос подобран на режим максимального водо-

потребления. При этом подбор идеален – точка пересечения характе-

ристик насоса и сети точно соответствует потребным параметрам

(q=q

max

, H=H

max

)

Рассмотрим работу системы «насос – сеть» при расходе q

max

. Снижение подачи произойдет за счет увеличения сопротивления

сети (потребитель прикроет часть кранов), характеристика сети станет

более крутой (пунктир на рис. 3.21). Напор насоса при этом станет

равным Н

. Однако, как видно из рисунка 3.21, сеть может пропустить

нужный расход при напоре Н

По сложившимся в практике проектирования традициям, подбор насосов

всегда производится с некоторым запасом, т.е. создаваемый напор больше

необходимого – H>Hmax.

136

Таким образом, насос будет создавать избыточный напор

ΔH = Н

- Н

а избыточная потребляемая мощность –

ΔN = q

ΔH/102η

где η

– коэффициент полезного действия агрегата (насос и электро-

двигатель), равный произведению КПД насоса и двигателя

= η

Одновременно, в этом случае на величину ΔH возрастает напор в сети,

что приводит к увеличению расхода (это и утечки и нерациональное

использование воды потребителем). Отсюда следует целесообразность

регулирования насосов.

Ниже рассмотрены некоторые способы регулирования работы

насосов.

Дросселирование напорной задвижкой

Здесь подачу насоса снижают, прикрывая задвижку на напорном

патрубке, увеличивая

потери напора в ней на величину ΔH. В принци-

пе подача насоса может быть уменьшена, если прикрывать задвижку

на всасывающем патрубке, однако при этом возрастает опасность ка-

ΔH

нс

max

Характеристика

насоса

Расчетная

характеристика

сети

Рис. 3.21. Совместная характеристика насоса и сети

137

витации. Поэтому этот способ регулирования запрещен правилами

технической эксплуатации [48].

Характеристика системы «насос + задвижка» построена путем

отнимания потерь напора в задвижке от характеристики насоса

. В

этом случае потребляемая насосом мощность мало изменится по срав-

нению с отсутствием регулирования (рис. 3.22).

Небольшое снижение потерь энергии будет за счет уменьшения

избыточных напоров в сети и связанных с ними снижением потерь

воды. Вместе тем, если дросселирование задвижкой технически допус-

тимо, а других способов регулирования насосов нет, то такое

регули-

рование считается целесообразным.

К преимуществам этого метода следует отнести:

1. Простота реализации.

2. Не нужны дополнительные капиталовложения.

3. Сокращение напоров в сети.

4. Уменьшение числа аварий на сети из-за уменьшения давления.

В некоторых источниках [47] дросселирование задвижкой на напорном пат-

рубке толкуется, как увеличение сопротивления сети.

ΔH

hг+hнс

max

Характеристика насоса

Расчетная харак-

теристика

сети

Характеристи-

ка системы

«насос + за-

движка»

Рис.3.22. Совместная характеристика насоса и сети при

др

оссели

овании за

вижкой

138

5. Снижение потерь воды.

Недостатки метода:

1. Перерасход энергии.

2. Сильное прикрытие может привести к выходу задвижек из

строя.

Регулирование перепуском воды и впуском воздуха

Метод заключается в перепуске части жидкости, подаваемой

насосом, из напорного патрубка во всасывающий трубопровод по об-

водной линии, на которой установлена задвижка для регулирования

работы

установки (рис. 3.23) [49].

Метод применяют в осевых насосах, у которых мощность с уве-

личением подачи убывает. Перепуск жидкости во всасывающий тру-

бопровод улучшает кавитационные характеристики насосов, однако

здесь усложняется схема насосной установки и, что самое главное,

снижается КПД насосной установки [47,49]. Поэтому этот метод

практически не применяется в насосных станциях предприятий ВКХ

Впуск воздуха во всасывающий трубопровод – более эконо-

мичный метод, чем дросселирование [47,49], однако глубина регули-

рования здесь ограничена из-за возможных резких ухудшений кавита-

ционных характеристик насоса. Кроме того, в системах водоснабжения

нельзя подавать в сеть воду с большим количеством воздуха.

Регулирование поворотом лопастей насоса

Этот метод применяется в средних и

крупных поворотно-

лопастных осевых насосах (например, насосы типа ОП[47,49]).

КПД насоса при повороте лопастей изменяется незначительно,

поэтому этот способ регулирования значительно экономичнее регули-

рования дросселированием.

Рис. 3.23. Схема регулирования насосов перепуском воды

139

нс

max

Характеристика насоса при числе оборотов n

Ха

акте

истика сети

Характеристика насоса – n

Рис. 3.24. Рег

ли

ование насоса изменением числа обо

отов

Осевые насосы применяют на тепловых электростанциях (в ка-

честве циркуляционных), в шлюзовых установках в ирригации, а так-

же на станциях первого подъема систем водоснабжения и в канализа-

ционных насосных станциях.

Регулирование изменением частоты вращения насоса

При изменении частоты вращения насоса характеристика насоса

перемещается как бы параллельно себе (рис. 3.24). Этот способ

регу-

лирования является наиболее экономичным [47,49,50] и в последнее

время все шире внедряется в практику.

Связь параметров насоса с числом его оборотов описывается

формулами:

= n

= (n

)

= (n

)

где q – подача;

n – частота вращения;

H – напор;

N – мощность, потребляемая электродвигателем.

Изменение частоты вращения насоса может быть реализовано

следующими способами:

140

1. Использованием двигателей с переменной частотой вращения-

• электродвигатели постоянного тока,

• электродвигатели переменного тока с переключением

обмотки на различное число пар полюсов,

• коллекторные электродвигатели,

• паровые и газовые турбины,

• двигатели внутреннего сгорания.

2. Применением гидромуфты или электромагнитной муфты скольже-

ния.

3. Изменением частоты тока.

В насосных станциях предприятий ВКХ

наибольшее примене-

ние получили короткозамкнутые асинхронные двигатели переменного

тока, не допускающие изменения частоты вращения.

Гидромуфты конструктивно сложны, требуют увеличения габа-

ритов насосной станции и являются источниками потерь энергии, воз-

растающих с увеличением глубины регулирования.

Электромагнитные муфты скольжения одно время считались

довольно перспективными [47]. Однако, в последнее время наиболь-

шее распространение получили

частотные преобразователи тока для

регулирования работы насосов.

По данным фирмы "Wilo", являющейся одним из лидеров на

мировом рынке насосов, в практике западноевропейских стран сегодня

безусловное предпочтение отдается принципу управления числом обо-

ротов двигателя насоса по сравнению с дроссельным или рециркуля-

ционным решением. Высокая эффективность и простота применения

этого принципа привели к его

быстрому успеху. Альтернативные спо-

собы - двигатели постоянного тока, вязкое сцепление (гидромуфты) и

др. применяются исключительно в нестандартных и специальных слу-

чаях.

Необходимо заметить, что уменьшение числа оборотов насоса

допускается до 40 % от номинального, поскольку при очень малом

числе оборотов двигатель может недостаточно охлаждаться. Напор

при этом снижается примерно на 80%.

Серьезным недостатком

систем частотного регулирования явля-

ется их сравнительно высокая стоимость. Ориентировочная цена пре-

образователей мощностью от 160 до 450 кВт – 84 – 95 долларов США

за 1 кВт мощности. Возможно использование одного преобразователя

частоты для нескольких насосов. В этом случае нужна дополнитель-

ная станция группового управления стоимостью от 400 до 900 долла-

ров США. Относительно высокие затраты на приобретение

насосов с