Принципы проектирования насосной станции и выбора насосов

Россия является мировым лидером по запасам пресной воды. Однако, многие города и даже регионы испытывают её дефицит. Решить эту проблему можно с помощью водоочистки и водоподготовки.

Насосные станции систем водоотведения – это комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий отведение сточных вод в соответствии с нуждами потребителя [58, 90]. Определенные условия проектирования допускают многообразие решений схем водоотведения, удовлетворяющих санитарно-техническим, экономическим и экологическим требованиям. Насосные станции для транспортировки осадков находятся в едином комплексе сооружений очистки сточных вод и обработки осадков. Они служат для перекачки сброшенного осадка и активного ила на сооружения для дальнейшей их обработки [1 - 5]. Перед тем как попасть на насосную станцию, вода проходит ряд решеток или решеток-дробилок. Они задерживают крупные отбросы, поступающие на канализационные насосные станции с потоком сточных вод. Применение таких решеток обеспечивает защиту насосов от засорения, продлевая их срок эксплуатации [6 - 7].

Экономичность и эффективность действия систем водоснабжения и водоотведения определяются выбором месторасположения их насосных станций, надежностью работы, а также эксплуатационными показателями установленных на станции агрегатов [55 - 57, 82 - 89].

2.    Обзор литературы

Анализ литературы по теме «принципы проектирования насосных станций и выбора насосов» позволяет выделить направления основных исследований в этой области:

• 1.    Надежность насосной станции;

• 2.    Реконструкция систем водоотведения;

• 3.    Модернизация насосных станций;

• 4.    Мониторинг насосных станций;

• 5.    Проектирование и оптимизация насосной станции;

• 6.    Энергосбережение и энергоэффективность;

• 7.    Выбор насосных агрегатов.

В публикациях [8-12, 34-35] представлены 3 основные характеристики надежности городской водоотводящей сети – структурной, конструкционной и эксплуатационной. Рассмотрены основные положения методики расчёта сооружений для транспортирования сточных вод. С. Е. Петренко в своей работе [12] затрагивает тему организации бесперебойной подачи и обеспечения необходимых уровней давления на всех участках системы водоснабжения, определяющих надежность работы насосной станции.

Износ систем водоотведения в большинстве населенных пунктах составляет 70-80%. В публикациях [13-15, 91-92] авторами предложены пути реконструкции водоотводящей системы за счет изменения технологических параметров, устройства резервуаров-усреднителей и применения современного оборудования и материалов.

В работах [16-18] обобщен опыт модернизации насосных станций с заменой устаревшего оборудования и насосных агрегатов, с внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами и использованием энергосберегающих технологий. Такие преобразования позволяют повысить уровень организации и управления эксплуатацией всего комплекса насосных станций.

В публикациях [19-20] приведена методика мониторинга канализационных насосных станций, позволяющая определять технологические показатели надежности работы насосной станции, необходимые для выбора насосов и обоснования решений по энергосбережению при реконструкции. Эта методика успешно использована на КНС №10 Санкт-Петербурга.

В публикациях [22, 26] приведены результаты исследований по выбору оптимальной конфигурации и размеров канализационных насосных станций, сформулированы принципы их проектирования. Авторы работ [21, 23-25] приводят оптимальные характеристики погружных насосов.

В работах [27-38, 85-89] авторы затрагивают вопросы эффективной работы насосно-силового оборудования в связи с ростом тарифов на электрическую энергию.

• С. Е. Березин и С. Я. Мацов в своей публикации [39] формулируют одну из основных тем направления «Выбор насосных агрегатов» - «Как снизить риск ошибки при выборе сложной техники». В работах [40-54] приводятся основные характеристики современного насосного оборудования, а также исследования в данной области.

3.    Цель работы 4.    Основные принципы проектирования насосной станции

Целью данной работы формулирование основных принципов проектирования насосной станции, а также исследование основных параметров насосных агрегатов. Поставлена задача рассмотреть канализационную насосную станцию и насосное оборудование как единую энергоэффективную систему.

Водопроводная система надежна, если она при заданных условиях окружающей среды, в определенном интервале времени работает безупречно. Надежность системы снижает возможность возникновения явлений, которые могут привести к ограничению либо временной остановке ее действия. Повреждения имеют стохастический характер и могут быть непредсказуемыми [80-81].

• 1.    Прежде всего, необходимо определить расчетный срок службы станции, для этого принимают во внимание следующее:

• - старение и износ механического оборудования;

• - возможность расширения станции в будущем;

• - эффективность работы станции в течение первых лет эксплуатации, когда она еще не может работать в полную мощность.

• 2.    Экономических анализ схем водоотведения может производиться по соотношению укрупненных объемов строительных работ и основных параметров работы насосных станций (перекачиваемых расходов воды, создаваемых напоров).

• 3.    Размеры насосной станции зависят от количества монтируемых резервных агрегатов. Для насосных станций I категории (обслуживают эквивалентное количество жителей свыше 5000 человек) следует предусматривать установку в станции двух резервных насосных агрегатов [60, 61].

• 4.    Места расположения насосных станций уточняются с учетом гидрогеологических условий и планировки кварталов, очередности строительства системы водоотведения и согласовываются со службами контроля за качеством воды и охраны рыбных ресурсов.

• 5.    Исходными данными для расчета и проектирования насосных станций – расход воды Q и напор H . Для выбора оборудования необходимо оценить качество перекачиваемых сточных вод, а именно: плотность, вязкость, агрессивность жидкой среды, абразивность взвешенных веществ, образование осадков и вредных газов, их взрывоопасность, а также крупность и специфику содержащихся в воде частиц [59].

Срок службы станции должен выбираться так, чтобы стоимость системы между существующими и будущими пользователями была бы разделена поровну [59, 65, 79].

Таким образом, проектирование станции проводится с обязательным построением характеристик совместной работы насосов и напорных водоводов и их анализом. При анализе возникают сложности с рациональным подбором насосов как по количеству так и по их характеристикам [59].

Рис.1. Схема расположения насосной станции и напорного трубопровода:

1 – самотечный подводящий трубопровод; 2 – насосная станция; 3 – напорный трубопровод; 4 – очистные сооружения

Расход Q (максимальный, средний и минимальный) определяют по суммарной таблице притока всех видов сточных вод.

Геометрическая высота подъема воды H г определяется как [58, 73]:

Hг=Z0-ZHC, где Z0 – отметка подачи сточных вод (отметка верха напорного трубопровода)

Z HC – отметка откачки уровня сточных вод (отметка среднего уровня воды в приемном резервуаре)

Напор насосной станции H определяется по формуле [58]:

H=Hг + hн.тр. + hв.тр., где hн.тр. и hв.тр. – потери напора в напорном и всасывающем трубопроводах.

5.    Основные принципы выбора насосов

Основными критериями выбора насосов являются затраты на электроэнергию, которая потребуется для перекачки всего объема воды за весь период его эксплуатации. Показатель суммы затрат за весь срок службы насосов (LCC) в зависимости от того, какую жидкость они будут качать – чистую или загрязненную, - отличаются по составу и величине входящих в него затрат [62, 68-71].

а                                            б

■ электроэнергия 80%

■ оборудование 9%

■ обслуживание 11%

^>

и электроэнергия 53%

в Потеря энергии из-за засоров 17% ы ремонт, прочистка 19% ноборудование 3%

вобслуживание 8%

Рис. 2. Диаграммы составляющих суммы затрат за весь срок службы насосов, перекачивающих чистую (а) и сточные (б) воды

По данным Британской ассоциации гидравликов [63], насосы потребляют 31% всей энергии, затрачиваемой промышленностью. При работе по 4000 часов в год электродвигатель насоса потребляет электроэнергию, стоимость которой в несколько раз превышающую стоимость самого насоса.

Насосные станции целесообразно проектировать с двумя группами насосов. Одна группа должна перекачивать бытовые и производственные сточные воды в сухую погоду, а другая включается в работу только во время дождя - для перекачки дождевых вод [58].

Одновременное использование в насосных станциях насосов разной производительности и даже различных типов может оказаться рациональнее применения одинаковых по подачам и типам агрегатов, управляемых регулируемым электроприводом. Рекомендуемое соотношение величин подач насосов при этом должно быть равным соотношению объемов максимального расчетного и минимального фактического часового водопотребления и водоотведения по насосной станции [59, 64-67].

В своей работе [59] автор отмечает вышеописанные критерии выбора насосов на примере четырех наиболее известных фирм-производителей погружных агрегатов: ABS, Grundfos, ITT Flygt, KSB [72, 74-78].

Рис.3. Характеристики насосов фирм ABS, Grundfos, ITT Flygt, KSB для Q=200 м3/ч, H=13м

По графику определяется, что характеристики насосов очень близки. Поэтому следует производить выбор агрегатов, руководствуясь показателем LCC – суммы затрат за весь срок службы.

Полагая, что срок службы насосов составляет 8 лет, а суммарный объем перекачанной воды порядка 240 тыс. м3, можно определить энергопотребление насосов.

Рис.4. Относительное энергопотребление насосов фирм ABS, Grundfos, ITT Flygt, KSB на перекачку равных объемов (в кВт∙ч)

Также при выборе насосов необходимо принять во внимание затраты на их техническое обслуживание.

6.    Выводы

• 1.    Важно учитывать при подборе насосов, что они являются лишь частью системы (водоводы, арматура и т.п.) доставки жидкости, следовательно, определение агрегатов без привязки к системе недопустимо. Основной критерий в выборе насосов – сумма затрат за весь период их службы. Цена является наименее значимым компонентом в сумме данных затрат по насосным агрегатам.

• 2.    Также необходимо принять во внимание качество воды в месте водозабора. Так как затраты за весь срок службы насосов напрямую зависят от степени загрязнённости воды: сточные воды требуют капитальных затрат на ремонт и прочистку оборудования.