Введение. Назначение насосных станций. 

 

Насосные станции систем водоснабжения и водоотведения представляют собой сложный комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоподачу или водоотведение в соответствии с нуждами потребителя. Это насосы и двигатели к ним различных типов, контрольно-измерительные приборы, трубопроводы как в пределах помещения насосной станции, так и вне ее, регулирующая и запорная арматура, электрооборудование и т.д.

Состав сооружений, конструктивные особенности насосной станции тип и число основного и вспомогательного оборудования определяется с учетом назначения насосной станции и технологическими требованиями к ней.

 

Классификация насосных станций.

 

По своему назначению в системе водоснабжения и водоотведения насосные станции подразделяются:

Водопроводные: по своему назначению и расположению в общей схеме водоснабжения делятся на станции, первого подъема, второго подъема, повысительные и циркуляционные.

Насосные станции первого подъема забирают воду из источника водоснабжения и подают ее на очистные сооружения или, если не требуется очистки, непосредственно в резервуары, сеть, водонапорную башню в зависимости от принятой схемы водоснабжения. На промышленных предприятиях с процессами, предъявляющими различные требования к качеству воды, на одной и той же насосной станции могут быть установлены насосы, подающие воду как на очистные сооружения, так и непосредственно на предприятия без очистки.

Насосные станции второго подъема служат для подачи очищенной воды из резервуаров чистой воды потребителю.

В некоторых случаях насосные станции первого и второго подъемов могут быть размещены в одном помещении, что позволяет уменьшить расходы на строительство и эксплуатацию. Однако такое решение может иметь место только при определенном виде водоисточника, типе очистных сооружений и рельефе местности.

Повысительные насосные станции предназначены для повышения напора в водопроводной сети или водоводе. В этом случае вода забирается из одной сети и под увеличенным напором подается в другую сеть или в последующий участок длинного напорного водовода.

Циркуляционные насосные станции входят в схемы оборотного водоснабжения промышленных предприятий и тепловых электростанций. На этих станциях одни подают отработанную воду на охлаждение или очистные устройства, а другие возвращают ее снова к промышленным агрегатам.

Канализационные: их назначение в схемах канализации заключается в подъеме воды на очистные сооружения, если рельеф местности не позволяет подавать воду самотеком. Канализационные насосные станции устраиваются также во избежание большого заглубления канализационного коллектора. В этом случае сточные воды из заглубленного коллектора подаются в другой коллектор расположенный выше.

 

 

Принципиальные схемы насосных станций.

 

По расположению в общей схеме канализационные насосные станции подразделяются на главные, служащие для перекачки сточных вод со всей территории населенного пункта и районные, предназначенные для перекачки сточных вод с части территории населенного пункта или промышленного предприятия. Районные насосные станции перекачивают сточные воды или непосредственно на очистные сооружения, или в выше лежащий коллектор.

 

Рис. 1. Схема компоновки насосных станций различного назначения

а — насосная станция I подъема из открытого водоисточника;

б — насосная станция II подъема;

в — повысительная насосная станция;

г — циркуляционная насосная станция;

д — насосная станция водоотведения;

1 — водозабор;

2 — самотечные водоводы;

3 — водоприемно-сеточный колодец;

4 — всасывающие трубы;

5 — насосная станция;

6 — напорные водоводы;

7 — очистные сооружения;

8 — резервуары чистой воды;

9 — потребители технической воды

10 — приемные камеры;

11 — охлаждающие или очистные сооружения;

12— самотечный коллектор;  

13 — помещение решеток  

 

 

Основные требования к их сооружениям и оборудованию.

При строительстве станций необходимо учитывать грунтовые и гидрогеологические условия места строительства, чтобы избежать излишних трудозатрат, возможного затопления станции, размыва русла, нарушения рыбного хозяйства и т.д.

Для водоснабжения используются поверхностные источники водоснабжения (реки, озера, водохранилища), подземные воды (артезианские и грунтовые), подрусловые воды. В отдельных случаях используется морская вода, что требует строительства насосных станций особого морского типа. В каждом случае состав сооружений, их тип и компоновка определяется не только видом источника водоснабжения, но и его особенностями.

 

В состав насосных станций первого подъема входят (см. рис. 1а):

·        водозаборное сооружение, предназначенное для забора требуемого количества воды из водоисточника, предварительной очистки ее от загрязнений;

·        сооружения, транспортирующие воду от водозаборного устройства до водоприемного сооружения насосной станции;

·        водоприемное сооружение, предназначенное для подвода воды к всасывающим трубам насоса;

·        всасывающие трубы;

·        здание насосной станции со всем необходимым гидромеханическим, энергетическим и вспомогательным оборудованием;

·        напорные водоводы;

·        водовыпускное сооружение, предназначенное для спокойного выпуска воды в канал, на очистные или технологические сооружения.

В зависимости от естественных эксплуатационных или производственных условий некоторых сооружений может не быть вообще или они могут быть объединены. Основным фактором, определяющим общую схему компоновки и конструктивные решения отдельных сооружений, является размещение водозаборного сооружения по отношению к зданию насосной станции - совмещенное или раздельное.

При наличии у берега реки или водохранилища глубин, обеспечивающих нормальные условия для забора воды и при относительно небольших колебаниях горизонта воды (до 5-8 м) обычно устраивают береговые насосные станции совмещенного типа. В зависимости от формы берегов и геологических условий здание станции может быть расположено непосредственно на берегу у уреза максимального горизонта воды или на некотором удалении от берега в конце подводящего канала.

Береговые насосные станции раздельного типа применяют при широкой затопляемой пойме. Водозаборные сооружения располагают вблизи уреза максимального горизонта воды, а здание станции - у береговой надпойменной террасы. Между водозабором и зданием насосной станции укладывают самотечные водоводы.

При значительных колебаниях уровня воды (12-20 м) здание станции выносят в русло реки, то есть применяют русловые совмещенные насосные станции.

В условиях пологого русла реки и малых глубин рекомендуется применять русловые насосные станции раздельного типа, у которых вода из оголовка водозабора, расположенного в русле реки, поступает в водоприемник станции, размещенной на берегу по самотечным водоводам.

Русловые насосные станции применяют также и при заборе воды из водохранилищ. В этом случае при проектировании проверяют целесообразность совмещения насосной станции с плотиной и использование в качестве водозабора башни донного выпуска или головного сооружения поверхностного водосброса.

В водозабор подземных вод, как правило, входят приемные устройства (скважины, шахтные колодцы, лучевые водозаборы, горизонтальные водосборы, каптажи источников), насосы и трубопроводы, связывающие отдельные приемные устройства с насосной станцией или водоводами.

В зависимости от суммарной подачи насосной станции, мощности водоносного пласта и глубины его залегания возможны схемы индивидуального или группового водозабора. В первом случае каждая скважина имеет свой собственный насос. Вода от каждой скважины подается в сборный коллектор или непосредственно в водонапорную башню, а оттуда в сеть.

Использование буровых скважин в качестве источников водоснабжения возможно и без установки в них дорогостоящего гидромеханического оборудования (артезианских насосов). Водозаборное устройство при этом представляет собой ряд скважин, подключенных к общему водоводу, который заканчивается в водосборном колодце общей для всех скважины насосной станций. Водозаборные скважины размещаются на некотором расстоянии друг от друга, определенном местными гидрогеологическими условиями. Над скважинами устраивают колодцы, в которых устанавливают необходимую запорную и регулирующую арматуру и измерительные приборы.

При относительно неглубоком уровне грунтовых вод вода забирается трубопроводом, работающим как сифон за счет разности между динамическим уровнем воды в скважине и уровнем воды в водосбросном колодце насосной станции.

 

Насосные станции второго подъема (рис. 1б). Значительная удаленность, как правило, насосных станции второго подъема от источника водоснабжения и независимость работы насосов станции от режима водоисточника позволяют в большой мере упростить схему компоновки основных сооружений станции. Чаще всего применяется следующая схема: вода напорными трубопроводами станции первого подъема подается на очистные сооружения. После них отфильтрованная вода поступает в резервуары чистой воды (РЧВ), из которых она забирается насосами станции второго подъема и подается в сеть или водонапорную башню.

 

Принципиальные схемы компоновки сооружений повысительных насосных станций (рис. 1в) определяются типом водовода, по которому передается вода и расходом транспортируемого потока. Для транспортировки большого количества воды используется чаще всего открытые каналы. Наиболее типичным для этих условий решением является то, при котором вода головной насосной станции забирается из водоисточника и подается в канал, на котором через определенные расстояния размещаются станции промежуточного водоподъема, последовательно подкачивающие воду. Продольный профиль канала при этом приобретает ступенчатый характер с отдельными самотечными участками, расположенными на разных отметках. 

Схемы головных насосных станций, практически не отличаются от уже рассмотренных схем водопроводных насосных станций первого подъема.

Специфическими являются лишь конструкции сооружений для выпуска воды в первый самотечный участок канала. Промежуточная насосная станция, совмещенная с водоприемником, забирает воду из аванкамеры, представляющий собой расширенный участок канала. Вода по относительно коротким трубопроводам подается в водовыпускное сооружение, из которого поступает в напорный бассейн и затем в следующий участок канала.

При использовании для передачи воды на дальние расстояния напорных водоводов приходится создавать в начальной точке водовода весьма большой напор, что требует применения высоконапорных, дорогих труб. Для снижения давления в трубах водовод разбивают на несколько участков, располагая в начальной точке каждого участка повысительную насосную станцию, забирающую воду из безнапорного резервуара.

 

Циркуляционные насосные станции (рис. 1г). Для промышленных предприятий, имеющих оборотную систему водоснабжения основным элементом, побуждающим движение воды, является циркуляционная насосная станция. На этих насосных станциях имеется, как правило, две группы насосов: одна из них подает отработанную на предприятии воду на охлаждающее устройство, а другая возвращает охлажденную воду опять на производство.

 

Канализационные насосные станции (рис. 1д). Характерной особенностью любой схемы компоновки канализационной насосной станции является наличие приемного резервуара, сглаживающего неравномерность притока сточной жидкости к насосам. Резервуар может располагаться в одном здании с насосной станцией или раздельно. Для предохранения насосов от засорения или поломок сточные воды перед поступлением в насос пропускаются через решетки, устанавливаемые в помещении приемного резервуара.

 

 

Конструкции и типы насосных станций

Тип водопроводной насосной станции диктуется ее назначением и подачей, видом и режимом источника водоснабжения, типом и характеристикой основного насосного оборудования, климатическими условиями, рельефом и гидрогеологическим строением местности.

Тип канализационной станций определяется, главным образом, глубиной заложения подводящего коллектора, объемом сточных вод и регулярностью их поступления, гидрологическими условиями (в частности наличием грунтовых вод), типом устанавливаемых насосов.

Сочетания указанных условий позволяет классифицировать насосные станции по следующим признакам:

·        по характеру основного оборудования насосные станции могут быть:

а) с центробежными насосами;

б) с осевыми, диагональными, горизонтальными или вертикальными насосами;

в) с объемными насосами;

·        по расположению лопастных насосов относительно уровня воды в приемном резервуаре (водозаборе или РЧВ) насосные станции подразделяются:

а) на станции, где насосы, располагаются с положительной высотой всасывания;

б) на станции, где насосы работают с подпором.

·        по расположению относительно земли насосные станции могут быть:

а) заглубленные ( шахтного типа );

б) частично заглубленные;

в) наземные.

На рисунке 2 представлены различные схемы зданий водопроводных насосных станций.

 

 

 

Рис. 2. Конструктивные схемы зданий водопроводных насосных станций

а, б – наземные насосные станции; в, г, д, е, ж, з, и – заглубленные насосные станции (в, г, д, е – здания камерного типа; ж – здание блочного типа; з, и – здания шахтного типа)

а – здание насосной станции, совмещенное в водозабором

б – раздельное размещение здания насосной станции с водозабором;

в – здание насосной станции с «сухой камерой» объединенное с водозаборными сооружениями;

г - здание насосной станции с «сухой камерой» расположенное на удалении от водозаборных сооружений;

д - здание насосной станции с «мокрой камерой» совмещенное с водозаборными сооружениями (насосные агрегаты располагаются в сухом помещении над камерой);

е -  здание насосной станции с «мокрой камерой» совмещенное с водозаборными сооружениями (насосные агрегаты располагаются в камере);

ж – здание блочного типа совмещенное с водозабором;

з – шахтно-камерная конструкция здания насосной станции;

и – блочно-камерная конструкция здания насосной станции.

 

Конструктивные решения зданий водопроводных насосных станций в этом отношении могут быть весьма разнообразными. Общей чертой, характерной для насосных станций, которые забирают воду из открытых водоисточников, является заглубление станции для обеспечения необходимой высоты всасывания или подпора насосов при всех колебаниях уровня. Подземная часть здания всегда подвергается большим нагрузкам от давления грунта и грунтовых вод, и поэтому ее выполняют, исходя из соображений прочности и водонепроницаемости в виде массивных железобетонных конструкций. Наиболее часто встречающимися конструкциями подземных частей насосных станций, совмещенных с водозаборным сооружением, является блочная и камерная.

Блочная конструкция характерна для крупных насосных станций, оборудованных высокопроизводительными вертикальными центробежными и осевыми насосами. Всасывающие трубы этих насосов имеют сложную пространственную форму; трубы устраивают в монолитных массивных бетонных блоках, являющихся одновременно и фундаментом здания.

При камерном типе здания станции его подземная часть выполняется в виде тонкостенной полой конструкции - камеры. В зданиях насосных станций с сухой камерой последняя отделена от водоприемного сооружения сплошной стенкой, через которую проходят всасывающие тубы насосов. Колебания уровня при этом, могут быть какими угодно. Здания станции камерного типа с мокрой камерой оборудуются, как правило, осевыми насосами с вертикальным валом; здания с сухой камерой - насосами любого типа.

Здания насосных станций, выполненных раздельно от водоприемных сооружений, могут быть камерного или так называемого незаглубленного типа. В первом случае они выполняются заглубленными или частично заглубленными с сухой камерой, во втором случае они находятся на некотором удалении от источника водоснабжения и располагаются преимущественно на поверхности земли. Здания станции незаглубленного типа представляют собой обычное здание промышленного назначения с отметкой пола всегда выше отметок уровня воды в водоисточнике или грунтовых вод. Насосные агрегаты устанавливаются на отдельные фундаменты, несвязанные конструктивно со зданием станции. Вода забирается всасывающими трубами достаточной протяженности непосредственно из источника или из специального водоприемного колодца. Здания насосной станции незаглубленного типа оборудуют  центробежными насосами с горизонтальным валом.

 

Здания канализационных насосных станций выполняют в подавляющем большинстве случаев заглубленными или частично заглубленными камерного типа с сухой камерой (рис. 3).

По форме здания насосной станции в плане различают;

 а) круглые здания;

б) прямоугольные.

Круглая форма здания удобна при производстве работ опускным способом, но в отношении размещения оборудования, трубопроводов и подъемно - транспортных средств она менее удобна, чем прямоугольная.

При малом заглублении станции и большом числе насосов целесообразно выполнять здание насосной станции прямоугольного типа.

По характеру управления насосные станции могут быть:

а) с ручным управлением - все операции по выключению и включению агрегатов производятся обслуживающим персоналом;

б) автоматические - все операции по управлению выполняются соответствующими приборами;

в) с дистанционным управлением - выключение и включение агрегатов выполняется из диспетчерского пункта, значительно удаленного от станции.

По расположению приемного резервуара относительно машинного зала насосные станции бывают:

а) совмещенного типа;

б) с раздельным расположением резервуара.

 

Рис. 3. Схемы канализационных насосных станций

а – раздельная;

б – совмещенная;

в – совмещенная на скальных грунтах.

 

Определение производительности и напора водопроводных насосных станций первого подъема

 При определении производительности насосов первого подъема возможны два основных случая:

1.    Насосная станция подает воду на очистные сооружения для хозяйственно-питьевых или производственных нужд;

2.    Насосная станция подает воду в резервуары чистой воды без очистки либо без очистки непосредственно потребителю.

При работе насосной станции по первому варианту расчетную часовую производительность определяют по формуле:

,                  (1)

 

где Q_{сут. мак.} – максимальный суточный расход, м³/сут;

 - коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды станции, принимается равным 1,04…1,11 в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, конструкции фильтров, принятой интенсивности промывки и схемы повторного использования промывной воды;

Т – продолжительность работы насосной станции, принимаемая обычно 24 часа.

Если насосная станция первого подъема работает по второму варианту, то ее расчетную часовую производительность определяют по аналогичной формуле, но с коэффициентом , учитывающий расход воды на собственные нужды, принимаемый равным 1,01…1,02.

С целью сокращения размеров сооружений и стабилизации процесса очистки, режим работы насосной станции обычно назначается равномерной в течение суток. Если же водопотребление в течение суток неравномерно, подача насосной станции должна назначаться по максимальному часовому расходу потребителя (при отсутствии регулирующей емкости) и по среднечасовому расходу потребления (при наличии регулирующей емкости).

Окончательный выбор режима работы, а, следовательно, и подача насосной станции первого подъема определяется на основании технико-экономического обоснования с учетом технологического процесса очистки воды.

При определении подачи насосной станции первого подъема системы объединенного хозяйственно-питьевого и противопожарного водопровода необходимо обеспечить возможность форсированной подачи воды в часы пополнения противопожарного запаса.

Восстановление противопожарного запаса может производиться:

·        рабочими насосами, если эти насосы задействованы не круглые сутки, т.е. во время перерывов в их работе;

·        рабочими насосами за счет возможного сокращения водопотребления;

·        резервными насосами; противопожарными насосами.

В случае если на насосной станции первого подъема установлены противопожарные насосы, то их подача определяется по формуле (2):

 

,                (2)

 

где 3Qп – полный пожарный расход за три часа (расчетная продолжительность тушения пожара в населенном пункте или на предприятии);

 - суммарный расход воды в течение 3 часов наибольшего водопотребления (по графику водопотребления);

Q – средняя часовая подача нормально работающих насосов станции первого подъема;

Т – продолжительность пополнения пожарного запаса (принимается 24…74 часа в соответствие с требованиями СНиП 2.04.02-84).

Расчетный напор насосов станции первого подъема в каждом конкретном случае определяется по вертикальной планировке с учетом потерь напора во всасывающей и напорной линиях

 

 

Рис 4. Высотная схема подачи воды на очистные сооружения

1 – водоприемный береговой колодец;

2 – насос;

3 – смеситель на очистных сооружениях;

РУВ – расчетный уровень воды.

 

Как видно на рис. 4 напор насосов, м, можно определить:

Н = Н_Г + h_ω,вс + h_ω,н + h₂ + h₃ + 1, м,               (3)

 

где Н_Г – статический напор (геометрическая высота подъема воды), т.е. разница отметок уровней воды в смесителе очистных сооружений Z_с и у всасывающих водоводов в водоприемном сеточном колодце Z_р;

h_ω,вс - потери напора во всасывающем трубопроводе, м;

h_ω,н – гидравлические потери в напорном трубопроводе, м;

 h₂ – потери напора в насосной станции, м ;

h₃ – потери напора в водомере, м;

1 – запас напора, м.

Статический напор определяют при минимальном расчетном уровне воды в водоисточнике. Уровень воды в приемной камере водоприемного сеточного колодца устанавливается ниже уровня воды в водоеме на сумму гидравлических потерь на решетке, в самотечных водоводах и на сетке.

Для предварительных расчетов высоту расположения смесителя можно принять 4-6 м над поверхностью земли, при окончательных расчетах эту высоту устанавливают в соответствии с проектом очистной станции.

 

 

Определение производительности и напора насосов водопроводной станции второго подъема.

·        безбашенную,

·        с башней в начале сети,

·        с контррезервуаром.

Экономичность работы станций второго подъема во многом зависит от правильного выбора режима ее работы. Режим работы хоз-питьевых насосов выбирают в зависимости от режима водопотребления и наличия в сети регулирующих емкостей. Подача этих насосов может быть равномерной, при наличии больших регулирующих емкостей либо многоступенчатой при отсутствии регулирующих емкостей. В первом случае аккумулирующая емкость не должна превышать 15%, во втором случае 6% от суточной производительности. Обычно работу насосной станции принимают двух- или трехступенчатой. Под ступенчатой работой понимают работу различного числа насосов в разные часы суток. При расчете подачи насосной станции второго подъема необходимо найти оптимальный вариант режима ее работы – минимальную вместимость аккумулирующей емкости и наименьшую частоту включения насосных агрегатов.

 

 

Рис. 5. Совмещенный график водопотребления и равномерной и ступенчатой работы насосной станции

1 – линия водопотребления;

2 – равномерная подача насосной станции;

3 и 4 -  ступенчатая работа насосной станции (для различных вариантов подбора времени работы ступеней).

 

Определение подачи и выбор режима работы насосной станции удобно производить по совмещенному графику водопотребления и водоподачи насосной станции. По соотношению максимального и минимального водопотребления назначают количество ступеней работы насосной станции.

При соотношении >3 принимают трехступенчатый режим работы, при соотношении =1,5…3 – двухступенчатый. При этом необходимо соблюдать следующее условие:

Q₁t₁ + Q₂t₂  + Q₃t₃ = 100%,                               (4)

где Q₁, Q₂, и Q₃  - подача насосов на первой, второй и третьей ступенях соответственно, %;

t₁ ,t₂, t₃ – назначенное время работы соответствующих ступеней, час.

 

При наличии аккумулирующей емкости расход в час максимального водоразбора может поступать в сеть из башни, что позволяет уменьшить расчетную максимальную подачу (верхняя ступень водоподачи) насосной станции.

При безбашенной схеме водоснабжения график водоподачи хозпитьевых насосов должен совпадать с графиком водопотребления.

Насосная станция второго подъема должна обеспечивать подачу расчетного расхода воды на пожаротушение в период наиболее напряженной работы водопроводной сети, т.е. в час максимального водопотребления.

Расчетную подачу воды насосами при пожаротушении определяют по формуле (5):

 

Q_пож  = Q_max.час + Q_п + Q_п.п – Q,                                                    (5)

 

где Q_max.час  - максимальный часовой расход, м³/час;

Q_п – расход воды на наружное пожаротушение, м³/час;

Q_пп – суммарный расход воды на промпредприятии (технологические, хозпитьевые нужды), м³/час;

Q -  расход воды на прием душа, мытье полов и мойку технологического оборудования на промышленных предприятиях, м³/час.

Подача воды на наружное пожаротушение может обеспечиваться группой основных насосов, при этом допускается снижение свободного напора до 10м.

В машинном зале насосной станции, как правило, устанавливают группу промывных насосов, обеспечивающие подачу воды непосредственно в коммуникации фильтров или контактных осветлителей. Их подачу определяют по формуле (6), м³/час:

 

Q_пром. = F∙q∙N,                      (6)

 

где F – площадь одного фильтра, м²;

q – принятая интенсивность промывки, м³/час на 1 м²;

N – число одновременно промываемых фильтров.

 

Полный напор хозпитьевых насосов зависит от наличия и места расположения водонапорной башни. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи:

·        водонапорная сеть без регулирующей емкости;

·        система водоснабжения с водонапорной башней, расположенной в начале сети;

·        регулирующая емкость размещена в конце сети (сеть с контррезервуаром).

При  отсутствии  регулирующей  емкости полный  напор насосов определяют по формуле (7), м:

 

Н = Н_ст + h₁ + h₂ + h₃ + h₄ + h₅,                                (7)

где – Н_ст – статический напор, равный разности отметок земли в диктующей точке и расчетного уровня воды в резервуаре чистой воды (РЧВ),м;

h₁  - потери напора во всасывающих трубопроводах от РЧВ до насосной станции, м;

h₂ – потери напора в насосной станции, м ;

h₃ – потери напора в водомере, м;

h₄ – потери напора в напорных водоводах, м;

h₅ – требуемый свободный напор в водопроводной сети в точке, выбранной за расчетную, м.

При расположении водонапорной башни в начале сети полный напор насосов определяют по зависимости (8), м:

 

Н = Н_Г + h_ω,вс + h₂ + h₃ + h_ω,н + Н_б + Н_р,                            (8)

 

где Н_Г – статический напор, равный разности отметок земли в месте расположения водонапорной башни и расчетного уровня воды в РЧВ, м;

Н_б – высота ствола водонапорной башни, м;

Н_р – высота бака, м;

h_ω,вс  - потери напора во всасывающих трубопроводах от РЧВ до насосной станции, м;

h₂ – потери напора в насосной станции, м;

h₃ – потери напора в водомере, м;

h_ω,н – потери напора в напорных водоводах, м.

На рис. 6 представлена расчетная схема насосной станции второго подъема с башней в начале сети.

 

Рис. 6. Высотная схема подачи воды из резервуара чистой воды в систему с башней в начале сети

1 – резервуар;

2 – насос;

3 – водонапорная башня.

 

Наличие контррезервуара изменяет режим работы как самой сети, так и насосной станции второго подъема. При этом варианте возникают случаи максимального водопотребления, когда сеть питается и от насосов и от контррезервуара (двухстороннее питание с появлением границы, на которой имеет место встреча потоков воды от насосной станции и контррезервуара), и случай максимального транзита, когда излишек воды, подаваемой насосами, поступает в контррезервуар.

При максимальном водопотреблении полный напор насосов определяют по формуле (9), м:

 

Н = Н_Г^' + h_ω,вс  + h₂ + h₃ + h_ω,н^' + Н_св.д ,                      (9)

 

где Н_Г^' – статический напор, равный разности отметок земли в диктующей точке (на рис. 7 точка а) и расчетного уровня воды в РЧВ, м;

h_ω,вс  - потери напора во всасывающих трубопроводах от РЧВ до насосной станции, м;

h₂ – потери напора в насосной станции, м ;

h₃ – потери напора в водомере, м;

h_ω,н^' – суммарные потери напора на участках сети от начальной точки до диктующей, определяемые при расчете водопроводной сети на случай максимального водоразбора, м;

Н_св.д – минимально допустимый напор в сети в диктующей точке, м.

На рис. 7 приведена высотная схема работы насосной станции второго подъема с контррезервуаром.

 

 

Рис. 7. Высотная схема подачи воды из резервуара чистой воды в систему с контррезервуаром

1 – резервуар;

2 – насос;

3 – водоводы, водопроводная сеть;

4 – башня - контррезервуар.

 

При максимальном транзите в контррезервуар полный напор насосов определяют по формуле (10), м:

 

Н = Н_Г^'' + h_ω,вс  + h₂ + h₃ + h_ω,н^''                         (10)

 

где Н_Г^'' – статический напор, равный разности отметки дна бака контррезервуара и расчетного уровня воды в РЧВ, м;

h_ω,вс  - потери напора во всасывающих трубопроводах от РЧВ до насосной станции, м;

h₂ – потери напора в насосной станции, м ;

h₃ – потери напора в водомере, м;

h_ω,н^'' – суммарные потери напора на участках сети от начальной точки до контррезервуара при максимальном транзите, м.

 

Полный напор при пожаротушении определяется, м:

 

Н = Н_Г^' + h_ω,вс  + h₂ + h₃ + h_ω,н^' + h₇ + H_св.п,                         (11)

 

где Н_Г^' – статический напор, равный разности отметок земли в расчетной точке пожара и расчетного уровня воды в РЧВ, м;

h_ω,вс  - потери напора во всасывающих трубопроводах от РЧВ до насосной станции, м;

h₂ – потери напора в насосной станции, м ;

h₃ – потери напора в водомере, м;

h_ω,н^' – суммарные потери напора на участках сети от начальной точки до диктующей, определяемые при расчете водопроводной сети на случай максимального водоразбора, м;

h₇ – суммарные потери напора на участках сети от начальной точки до диктующей при пожаротушении, м

Н_св.д – свободный напор в расчетной точке при возникновении пожара, м, должен быть не менее 10м.

 

При определении расчетной точки пожара следует исходить из наиболее неблагоприятных условий работы насосной станции. Под этими условиями понимается возможности возникновения пожара в наиболее возвышенных и удаленных от насосной станции точках территории, обслуживаемой водопроводом.

Если в насосной станции установлена объединенная хозяйственно-пожарная либо пожарная группы насосов, то за расчетный уровень воды в РЧВ принимается уровень пожарного запаса, для хозяйственно-питьевой группы – средний уровень воды в резервуарах. Если данные о расчетных уровнях и хранении пожарного запаса отсутствуют, уровень хранения пожарного запаса принимают на 1 м выше, минимального уровня воды в резервуарах, а средний уровень – на 2,4 м выше минимального уровня.

 

 

Особенность расчета подачи и напора пожарных насосов

 Хозяйственно-питьевые, а иногда и производственные водопроводы объединяют с противопожарными. Пожарные насосы обычно устанавливают в насосных станциях второго подъема и лишь в редких случаях устраивают отдельные противопожарные  насосные станции. Подачу и напор пожарных насосов определяют из следующих соображений. Расход воды на пожаротушение  устанавливается нормами (СНиП 2.04.02-84) в зависимости от числа жителей и этажности зданий в населенном пункте или от категории производства промышленных предприятий.

Подача пожарных насосов зависит от того, какая система пожаротушения принята для данного водопровода – высокого и низкого давления. При системе пожаротушения высокого давления подачу пожарных насосов выбирают из расчета обеспечения всего расхода (максимальный хозяйственный суммируют с противопожарным), а при системе пожаротушения низкого давления их подачу устанавливают из расчета совместной работы пожарных и хозяйственно-питьевых насосов при обеспечении всего расхода. В населенных пунктах чаще всего устраивают противопожарный водопровод низкого давления.

Напор, который должны развивать насосы в противопожарных водопроводах низкого давления, при расчете сети устанавливается из условий, что свободный напор в месте тушения пожара должен быть не менее 10м. При наличии пожарного депо необходимый напор обеспечивается с помощью пожарных автомашин или мотопомп.

В противопожарных водопроводах высокого давления напор, развиваемый насосами, должен обеспечивать высоту компактной струи не менее 10м на отметке наивысшей точки самого высокого здания. При отсутствии пожарного депо напор создается стационарными пожарными насосами, установленными в насосных станциях, при этом трубы сети должны быть выбраны с учетом повышения давления при пожаре.

Рис. 8. Схемы тушения пожара из водопровода

а – низкого давления (с подачей воды из водопроводной сети через гидранты низкого давления); б – высокого давления.

Число пожарных насосов выбирают в зависимости от системы пожаротушения, расхода, требуемого на тушение пожара, и числа резервных насосов. Как правило, должно быть не менее двух пожарных насосов. Допускается пожарные насосы устанавливать на насосных станциях первого подъема. 

 

 

Категории надежности действия водопроводных насосных станций первого и второго подъемов.

Первая категория допускает перерыв в подаче воды только на время (не более 10минут), необходимое для выключения поврежденных и включения резервных элементов (оборудования, арматуры, трубопроводов), и снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды не более 30% расчетного расхода и на производственные нужды до предела, установленного аварийным графиком работы предприятия, при длительности снижения не более 3-х суток.

 

Вторая категория допускает перерыв в подаче для проведения ремонта не более, чем на 6 часов и соответствующее снижение подачи не более, чем на 10 суток.

 

Третья категория допускает перерыв в подаче не более, чем на 24 часа и соответствующее снижение подачи не более, чем на 15 суток.

К насосным станциям различных категорий предъявляются соответствующие требования по надежности энергообеспечения (для насосных станций первой, второй категорий подключение не менее, чем к двум независимым ЛЭП), по капитальности сооружений, по резерву технологического оборудования.

От категории насосной станции зависит число резервных агрегатов (табл. 1), число всасывающих и напорных линий, количество и размещение запорно-регулирующей арматуры на внутристанционных коммуникациях.

 

Таблица 1. Число резервных агрегатов, устанавливаемых в водопроводных насосных станциях.

 

Количество рабочих агрегатов одной группы насосов.	Число резервных агрегатов в насосных станциях
	Первая категория	Вторая категория	Третья категория
до 6	2	1	1
6   9	2	1	-
свыше 9	2	2	-

 

 

 

Расположение насосного оборудования на станциях первого и второго подъемов.

 

 

Рис. 9. Расположение насосных агрегатов в круглых машинных зданиях

а,б – компоновка для совмещенных с водозабором насосных станций, обусловленная схемой подвода воды к насосам (а – подвод воды изнутри; б – подвод воды извне);

в,г,д - компоновка для раздельных насосных станций (в – агрегаты расположены в один или несколько рядов, г - агрегаты расположены уступом, д - агрегаты расположены радиально).

Круглые в плане здания насосных станций удобно строить опускным способом, поэтому станции такой формы устраивают при большом заглублении. Так как размещать в них насосное оборудование менее удобно, чем в прямоугольных станциях, круглые в плане здания возводят лишь при небольшом числе насосных агрегатов (3—5). При большем числе агрегатов строят прямоугольные здания.

 

 

Рис. 10. Расположение насосных агрегатов в прямоугольных машинных зданиях

а – однорядное расположение агрегатов параллельно продольной оси станции;

б – однорядное расположение агрегатов перпендикулярно продольной оси станции;

в – однорядное расположение агрегатов под углом к продольной оси станции;

г – двухрядное расположение агрегатов;

д – двухрядное расположение агрегатов в шахматном порядке.

 

Вид размещения определяется типом насоса и удобством размещения всасывающих и напорных трубопроводов с наименьшим числом их поворотов.

Однорядное расположение агрегатов (рис. 10,а и рис. 11) обеспечивает компактность размещения оборудования и, кроме того, здание насосной станции в этом случае уже, чем при расположении агрегатов по второй схеме (рис. 10,б и рис. 12), а компоновка системы трубопроводов обеспечивает наименьшие потери напора. Недостатком такой схемы расположения агрегатов является значительное увеличение длины насосной станции. Поэтому эту схему применяют для компоновки станций с небольшим числом крупных агрегатов (например, насосов типа Д).

Вторая схема однорядного расположения насосных агрегатов (см. рис. 10,б и рис. 12) также обеспечивает компактность размещения оборудования при небольшой ширине здания. Особенно удобна такая схема при установке насосов консольного типа. По такой схеме компонуют преимущественно крупные агрегаты, но такую же схему можно использовать и при компоновке небольших насосов.

При большом числе агрегатов (более 5)  различного назначения (производственные, противопожарные, для подачи хозяйственно-питьевой воды и т. п.) применяют двухрядное расположение агрегатов (рис. 10,г). Такое расположение требует увеличения ширины здания, а схема коммуникаций трубопроводов при этом усложняется.

При расположении насосов в два ряда, но в шахматном порядке (см. рис. 10,д), удается сократить ширину здания и упростить схему коммуникации трубопроводов. Насосная станция наиболее компактна, когда двигатели в одном ряду расположены против насосов в другом, но в таких случаях приходится, как правило, применять насосные агрегаты правого и левого вращения, что не возможно.

Для обеспечения безопасности обслуживания и удобства монтажа и демонтажа агрегатов последние должны иметь свободный доступ со всех сторон. Между выступающими частями насосных агрегатов нужно оставлять проход шириной не менее 1 м — при низковольтных (до 1000 В) электродвигателях и 1,2 м — при высоковольтных (более 1000 В). Расстояние между агрегатами и стеной должно быть не менее 0,7 м при их расположении в шахматном порядке и равно 1 м при их расположении по другим описанным выше схемам. Между фундаментами агрегатов и распределительным щитом следует соблюдать дистанцию 1,5 м, а между неподвижными выступающими частями прочего оборудования — не менее 0,7 м. Насосные агрегаты с диаметром напорного патрубка менее 100 мм и с электродвигателями напряжением до 1000 В, а также вспомогательное оборудование можно устанавливать непосредственно у стены без прохода или размещать два агрегата на одном фундаменте также без прохода между ними. В последнем случае вокруг сдвоенной установки необходимо оставлять проход шириной не менее 0,7 м.

 

 

 

Рис. 11. Однорядное расположение агрегатов параллельно продольной оси станции

 

Рис. 12. Однорядное расположение агрегатов перпендикулярно продольной оси станции

 

 

Рис. 13. Однорядное расположение агрегатов под углом к продольной оси станции

 

 

Трубопроводы насосной станции первого и второго подъемов

Всасывающие внестанционные трубопроводы. Наилучшим условием для нормальной работы насосов является обеспечение каждого насоса индивидуальной всасывающей трубой. Однако это возможно только при использовании вертикальных центробежных, осевых и небольшого числа (до четырех) горизонтальных насосов. При числе горизонтальных центробежных насосов более четырех на насосных станциях раздельного типа значительно увеличиваются габариты водозаборного сооружения, усложняется устройство всасывающих коммуникаций, что приводит к удорожанию строительства гидроузла в целом. В этом случае можно принимать количество внестанционных всасывающих труб меньше числа насосов с устройством общего коллектора, к которому подключаются рабочие и резервные насосы.

Количество внестанционных всасывающих линий на насосных станциях первой и второй категории надежности должно быть не менее двух. При выключении одной линии остальные внестанционные всасывающие трубопроводы должны быть рассчитаны на пропуск полного расчетного расхода для станций первой и второй категорий и 70% расчетного расхода для третьей категории.

Расчетный расход одного всасывающего водовода определяется по формуле (12):

 

,                             (12)

 

а для насосных станций третьей категории по формуле (13):

 

,                        (13)

 

где Q_н.с  – максимальная подача насосной станции;

 n – количество всасывающих водоводов.

 

При конструировании всасывающих линий необходимо учитывать следующие требования:

·        всасывающая линия должна быть герметичной и исключать проникновение воздуха внутрь трубы, так как наличие растворенного газа резко влияет на подачу и напор насоса, а также ухудшается его запуск в работу;

·        конструкция всасывающей линии должна исключать возможность образования в ней «воздушных мешков»;

·        трубопровод должен иметь постоянный уклон в сторону насоса не менее 0,005;

·        если всасывающий трубопровод состоит из труб разного диаметра, то между ними необходимо делать косые переходы;

·        для уменьшения потерь напора всасывающие трубопроводы должны иметь минимально возможную длину с минимумом арматуры и фасонных деталей;

·        всасывающие трубопроводы как в пределах насосной станции, так и вне ее выполняются из стальных труб на сварке с применением фланцевых соединений для присоединения к арматуре и насосам.

На рисунке 14 приведены примеры неправильного и правильного расположения всасывающих трубопроводов.

 

 

 

 

 

Рис. 14. Неправильное (а) и правильное (б) расположение всасывающих труб

1 – воздушный мешок;

2 – прямой переход;

3 – косой переход.

 

Приемные концы всасывающих труб в камерах водоприемных сооружений должны размещаться таким образом, чтобы обеспечивать свободный и равномерный подвод воды. Для снижения сопротивления при входе потока к всасывающим трубопроводам привариваются приемные конусы (воронки), диаметр которых принимается Д_вх = (1,25…1,5) d, где d диаметр всасывающей трубы (рис. 15). Центральный угол конуса воронки устраивают 8…16⁰. Во избежание воронкообразования и  засасывания воздуха обрез приемной воронки погружается на глубину не менее 0,6 м. В случае, если указанную глубину обеспечить нельзя, то на концах приемных конусов необходимо устраивать экраны – металлические пластины размером не менее 2Д_вх.

 

 

Рис. 15. Расположение всасывающей трубы в приемной камере

 

Всасывающие трубы осевых и вертикальных насосов, имеющих сложную форму, выполняются из металла и поставляются совместно с насосами, либо изготавливаются из бетона при сооружении подводного блока насосной станции.

Напорные внутристанционные трубопроводы предназначаются для подачи воды от насосов к водоводам. Чаще всего количество отходящих от насосной станции водоводов, меньше числа насосов. Поэтому их объединяют в один общий коллектор. Диаметр напорного коллектора принимают из условия пропуска по нему 100% расчетного расхода насосной станции. Все внутристанционные трубопроводы выполняются из стальных труб на сварке.

На всасывающей стороне насоса устанавливают задвижку и эксцентрический переход, а на напорной – прямой переход, обратный клапан, который препятствует обратному току перекачиваемой среды в случае прекращения подачи энергии к электродвигателю насоса, необходимое количество задвижек, водомеры (индивидуально на каждый насос или суммарный  в начале водовода), гасители энергии гидравлического удара (при необходимости) и контрольно - измерительную аппаратуру.

Общий напорный коллектор, как и всасывающий, устраивают либо в машинном зале, либо в специальной камере переключений, примыкающей к зданию насосной станции. Количество задвижек должно обеспечивать работу станции согласно ее категории надежности при отключении на ремонт любого насоса или участка водовода. Вся арматура устанавливается на подставке высотой не менее 200 мм.

Диаметры всасывающих и напорных трубопроводов определяют в соответствии с расчетными расходами и рекомендуемыми СНиП скоростями (табл. 2.)

 

 

Таблица 2. Рекомендуемые скорости движения воды во всасывающих и напорных трубопроводах насосной станции.

 

Диаметры труб, мм	Скорости движения воды в трубопроводах, м/с.
	Во-всасывающем	В напорном
250	0,6…1	0,8…2,0
300…800	0,8…1,5	1,0…3,0
более 800	1,2…2,0	1,5…4,0

 

Диаметры внутристанционных трубопроводов должны соответствовать стандартным диаметрам выпускаемой запорно-регулирующей арматуры, которая размещается на них.

Трубопроводы внутри насосной станции могут располагаться над поверхностью пола с устройством мостков (переходов) над трубопроводами; в мелких каналах, когда маховик задвижки возвышается над полом; в глубоких каналах; на кронштейнах у стен; в подвалах. Различные компоновочные решения прокладки напорных внутристанционных трубопроводов изображены на рисунке 16 и 17.

 

 

Рис. 16. Горизонтальная (а) и вертикальная (б) компоновки напорных внутристанционных трубопроводов

 

Наружные напорные водоводы. Число напорных водоводов от станций первой и второй категории надежности действия принимается не менее двух. Если при двух водоводах их диаметры оказываются более 1400 мм, то число водоводов увеличивают.

Расчетный расход одного напорного водовода равен:

,                             (14)

 

где Q_н.с – расчетная подача насосной станции;

n – количество напорных водоводов.

 

Для прокладки наружных напорных водоводов применяют преимущественно неметаллические трубы: асбестоцементные при диаметрах до 500 мм включительно и напорах, не превышающих 120 м, железобетонные при диаметрах свыше 500 мм и напорах до 90 м пластмассовые. При больших напорах, в условиях предприятий и населенных мест со сложными подземными коммуникациями напорные водоводы могут проектироваться стальными или чугунными.

Выбор материала труб и его диаметра производят на основании технико-экономических расчетов с учетом стоимости труб, производства работ и эксплуатационных затрат на электроэнергию. Данный расчет весьма трудоемок и, как правило, проводится с использованием ЭВМ.

 

 

Рис. 17. Коллекторные переключения на всасывающих и напорных трубопроводах

 

 

Проектирование насосных станций систем водоотведения

Режим работы насосной станции, число насосов и вместимость приемного резервуара зависят от режима притока сточных вод, обычно неравномерного в течение суток. Исключение составляют некоторые случаи перекачки производственных сточных вод, приток которых может быть равномерным.

Расчетная подача канализационной насосной станции Q_н.с. должна быть равна или несколько превосходить максимальный секундный приток стоков Q_max  (15):

 

Q_н.с.  ³ Q_max                           (15)

 

В остальное время подача насосной станции ниже и стоки откачиваются из приемного резервуара не всеми, а только частью установленных насосов. Допускается насосы отключать полностью на некоторое время, в течение которого стоки накапливаются в приемном резервуаре.

Напор насосной станции определяют по формуле (16) с учетом конкретной вертикальной схемы (рис. 18):

 

Н = Н_г + h_ω,вс. + h_ω,н. + h_из                                       (16)

 

где Н_г - статический напор насосов, м;

h_ω,вс. - потери напора во всасывающем трубопроводе, м;

h_ω,н - потери напора в  напорном трубопроводе, м;

h_из - потери напора на излив в приемную камеру, принимаемые равными 0,5 - 1,5 м.

 

Статический напор насосов определяется по формуле (17):

 

Н_ст = z_п - z_р,                          (17)

 

где z_п - отметка максимального уровня воды в приемной камере очистных сооружений или в приемном колодце вышележащего коллектора;

z_р - отметка расчетного уровня сточных вод в приемном резервуаре насосной станции (18).

 

z_р = z_л - Н_пр.р /2,                              (18)

 

где z_л - отметка лотка подводящего коллектора;

Н_пр.р - глубина приемного резервуара, принимается в зависимости от производительности насосной станции 1,5 - 2,5 м.

 

 

 

 

Рис. 18. Схема подачи сточной жидкости из заглубленного коллектора в верхний коллектор

 

 

 

 

 

Приемный резервуар и его оборудование

 

 

Рис. 19. Схемы канализационных насосных станций

а – раздельная;

б – совмещенная;

в – совмещенная на скальных грунтах;

г – шахтная;

д – со шнековыми подъемниками;

1 – подводящий коллектор;

2 – приемный резервуар;

3 – всасывающие трубопроводы;

4 – напорные трубопроводы;

5 – электродвигатель;

6 – насос.

 

 

Минимальная вместимость приемного резервуара должна приниматься не менее максимальной подачи одного из насосов в течение 5 минут.

Глубину рабочей части приемного резервуара принимают равной 1,5-2 м, считая от лотка подводящего коллектора. На участке расположения всасывающих труб насосов устраивают приямок глубиной 0,5-0,7 м. Дно резервуара должно быть с уклоном не менее 0,1 в сторону приямка.

Всасывающие трубы диаметром до 500 мм устраивают с коленом, разворачивая приемные отверстия ко дну приямка. При диаметре более 500 мм - всасывающий трубопровод начинается непосредственно от вертикальной стенки, разделяющей приемный резервуар и машинный зал.

Для поддержания всех насосов в постоянной готовности к запуску, к всасывающей трубе каждого насоса подводят трубопроводы для взмучивания осадка. Кроме того, по периметру приемного резервуара предусматривается перфорированный трубопровод взмучивания осадка. Вода в систему взмучивания забирается от напорных линий основных насосов. Эта же система используется и для опорожнения напорных трубопроводов. В резервуар должна быть подведена также линия от напорного водопровода технической воды для смыва загрязнений со стен и пола.

Над приемным резервуаром не менее, чем на 0,5 м выше уровня воды в подводящем самотечном коллекторе устраивают перекрытие. Для спуска в приемный резервуар предусматривают люки диаметром не менее 0,7 м.

 

 

Рис. 20. Приемный резервуар канализационной станции

1 – подводящий коллектор;

2 – распределительный канал;

3 – шибер;

4 – дробилка;

5 – решетка;

6 – всасывающий трубопровод;

7 – гидроизоляция.

 

Оборудование приемного резервуара

Наиболее прогрессивным решением для предварительной очистки сточных вод считается установка решеток-дробилок - механизмов, совмещающих в себе задержание и извлечение мусора.

Типоразмеры и количество решеток-дробилок (РД) назначают исходя из рекомендуемых скоростей движения сточных вод в пределах 1,2 м/с при максимальном притоке.

Для монтажа и демонтажа сороудерживающих устройств предусматривают необходимое подъемно - транспортное оборудование.

 

Рис. 21. Вертикальная решетка                          Рис. 22. Решетка-дробилка РД-600

1 – решетка;                                                1 – распределительный канал;

2 – дробилка;                                                       2 – неподвижный корпус;

3 – тяговые цепи;                                                3 – привод;

4 – катки;                                                             4 – вращающийся барабан.

5 – грабли.

 

 

Вспомогательное оборудование насосных станций

Наиболее простые способы заливки насосов - заливка насосов из напорного трубопровода, от резервного напорного бака  и заливка специальным насосом. Все приведенные способы заливки насосов могут быть использованы на водопроводных и канализационных насосных станциях, перекачивающих стоки без крупных механических загрязнений. К тому же на всасывающем трубопроводе обязательно устанавливается обратный приемный клапан. Клапан вызывает большое гидравлическое сопротивление, что снижает высоту всасывания, поэтому эти способы заливки рекомендуется использовать для насосов с диаметром всасывающих труб не более 200 - 250 мм.

Заливка насосов с помощью струйного насоса. Рабочая жидкая среда к струйному насосу подводится от напорного трубопровода либо от специального насоса. Этот способ используется для заливки средних и крупных насосов. Установки обратного приемного клапана не требуется.

Заливка насосов при помощи вакуум - насоса. При заливке вакуумным насосом на насосной станции предусматривают общую вакуумную установку, к которой подключают все основные насосы, требующие заливки перед пуском.

Требуемую подачу вакуум - насоса определяют исходя из времени, необходимого для заливки насоса, по формуле (19):

 

, м³/мин,                       (19)

 

где W_тр + W_н - объем воздуха в насосе и заливаемой части трубопровода (как правило, до задвижки на напорном трубопроводе), м³;

Н_s - геометрическая высота всасывания, считая от оси насоса до расчетного уровня воды в приемной камере при запуске, м;

Н_атм - напор, соответствующий барометрическому давлению, принимается равным 10 м;

К_s - коэффициент запаса, учитывающий возможность проникновения воздуха через неплотности (сальники, фланцевые соединения); принимается равным 1,05 - 1,1;

t - время, необходимое для создания необходимого для заливки разряжения, мин; t = 2-3 мин.

 

В качестве вакуум - насосов системы заливки рекомендуются водокольцевые насосы:

КВН - консольный вакуум-насос, ВВН - водокольцевой вакуум-насос, РМК - ротационная машина-компрессор.

На насосных станциях устанавливают два насоса с одним циркуляционным бачком. Один из установленных насосов является резервным. Вода, поступающая в циркуляционный бачок, не должна содержать механических примесей. На канализационных насосных станциях (чтобы исключить возможное попадание загрязненной жидкости в вакуумные насосы) вакуумпровод разделяют промежуточным баком.

 

 

Рис. 23. Схемы заливки центробежных насосов

а - заливка насосов из напорного трубопровода;

б - Заливка насосов с помощью струйного насоса;

в - Заливка насосов с помощью вакуум – насоса.

 

 

Дренажные насосные установки

Пол машинного зала, а также все каналы для трубопроводов делаются с уклоном не менее 0,005 в сторону дренажных лотков. С дренажных лотков вода собирается в дренажный колодец, откуда вода по мере накопления удаляется дренажным насосом. Объем колодца принимают равным подаче дренажного насоса в течение 5 - 15 мин.

В насосных станциях первого подъема с забором из открытого водоисточника дренажная вода откачивается обратно в водоем, в насосных станциях водоотведения - в приемный резервуар, в насосных станциях  второго подъема - в наружную канализацию.

Для дренажной насосной установки используются вихревые консольные самовсасывающие насосы ВКС или погружные центробежные моноблочные канализационные насосы ГНОМ, ЦМК. Дренажных насосов устанавливают не менее двух (один рабочий и один резервный). Запуск и выключение насосов производят автоматически от поплавковых реле уровней в дренажном колодце.

Подача дренажных насосов определяется по формуле (20):

 

Q_др = (1,5 - 2)(Sq₁+q₂), л/с,                     (20)

 

где Sq₁ - суммарные утечки через сальники, по 0,05-0,1 л/с на каждое сальниковое уплотнение;

q₂ - фильтрационный расход через стены и пол здания, л/с. Ориентировочно q₂ определяют по формуле (21):

 

q₂ = 1,5 + 0,001×W,                       (21)

 

где W - объем части машинного зала, расположенной ниже максимального уровня грунтовых вод, м³.

 

В малых неавтоматизированных насосных станциях водоотведения дренажные воды можно откачивать основными насосами. Для этого к всасывающему патрубку насоса подсоединяют трубу с вентилем, которая свободным концом опускается в дренажный колодец (приямок).

 

 

Насосные установки хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения.

Техническое водоснабжение насосных станций необходимо, чтобы обеспечить смазку и охлаждение подшипников, охлаждения электродвигателей, силовых трансформаторов (с водяным охлаждением), а также для поддержания помещений в надлежащем санитарном состоянии. На канализационных насосных станциях техническая вода, кроме того, используется на смыв раздробленного дробилкой отбросов - 6-8 л на 1 кг задержанного мусора, для промывки приемного резервуара и илопровода.

Расход воды на смазку, охлаждение подшипником и уплотнение сальников определяется по паспортным данным рабочих насосов. Ориентировочно можно принимать 0,5-1 л/с на каждый рабочий агрегат. Напор в техническом водопроводе должен на 2-10 м превышать напор основных насосов.

В насосных станциях первого подъема техническая вода перед подачей к насосам может очищаться в отстойниках и фильтрах. В насосных станциях водоотведения технические насосы забирают воду из хоз-питьевого водопровода через бак “разрыва струи”.

Бак “разрыва струи” служит для защиты сети хоз-питьевого водопровода от возможного загрязнения их сточными водами. Бак “разрыва струи” стремятся расположить как можно выше (на полу первого или второго этажа или на кронштейнах на стене в подземной части насосной станции) с тем, чтобы максимально использовать напор питающей сети.

Вместимость бака принимают:

·        0,5 м³ при подаче основных насосов до 150 м³/час;

·        1-1,5 м³ при подаче 1000 м³/ч,

·        4-6 м³ при подаче более 1000 м³/ч.

Требуемый напор технических насосов определяют по формуле (22):

 

Н_т.н. = Н - (z_д.б. - z_о.н.) + DН, м,                          (22)

 

где Н - напор, развиваемый основными насосами, м;

z_д.б - отметка дна бака “разрыва струи”, м;

z_о.н - отметка оси основного насоса, м;

DН - рекомендуемое превышение напора в сети технического водопровода над напором, развиваемым основными насосами; определяется по паспортным данным основных насосов.

Потребление технической воды каждым рабочим насосом ориентировочно составляет 0,3-0,5 л/с.

В качестве технических насосов используют насосы типа ВК, ВКС или К: один рабочий и один резервный. Технические насосы устанавливаются обычно в машинном зале сдвоенными на одном фундаменте.

Для осушения машинного зала в случае затопления (при выходе из строя насоса), а также для опорожнения всасывающих водоводов и приемных камер насосных станций первого подъема предусматривается система осушения. Существуют различные схемы систем осушения. Наибольшее распространение для насосных станций водоснабжения получила система с самотечным коллектором и сборным колодцем. Применение в качестве осушительных насосов типа ГНОМ или ЦМК одновременно решает задачу грязеудаления.

Производительность осушительных насосов следует определять по формуле (23):

 

, м³/ч                     (23)

 

где W - объем воды, находящейся во всасывающей трубе и в камере осушаемого насоса при максимальном горизонте воды в нижнем бьефе, м³;

t - продолжительность откачки, час;

g - фильтрационный расход воды через неплотности в конструкциях затвора, 05-1 л/с на 1м уплотняющих конструкций затвора, м³/ч.

Напор осушительных насосов принимается на 2-4 м больше заглубления насосной станции.

На рис. 24 представлена схема системы осушения насосной станции первого подъема.

 

Рис. 24. Схема системы осушения насосной станции

1 – всасывающие трубы основных насосов;

2 – колонки управления затворами на осушительных трубах;

3 – осушительные трубы для отвода воды из всасывающих труб;

4 – сборная потерна;

5 – сборный колодец;

6 – осушительные и дренажные насосы;

7 – напорный трубопровод осушительных насосов;

8 – датчик уровня;

9 – поплавковое реле.

 

Контрольно-измерительная аппаратура

- приборы технологического контроля

- приборы для измерения электрических величин.

На насосных станциях следует предусматривать измерения: давления в напорных водоводах и у каждого насосного агрегата, расходов и объемов подаваемой воды, уровней воды в резервуарах, в дренажных приямках, в приемных резервуарах, аварийного уровня затопления и др.

Для измерения давления и вакуума применяют пружинные манометры, мановакууметры и вакууметры. Общая схема устройства электрического манометра представлена на рис. 25.

 

Рис. 25. Электрический манометр

1,3 – левый и правый подвижные контакты;

2 – стрелка-неподвижный контакт;

4 – устройство регулирования или сигнализации.

 

На автоматизированных насосных станциях применяют пружинные электроконтактные манометры, выдающие сигнал при достижении заданного давления (или вакуума). Наиболее совершенными можно считать датчики серии “Сапфир”.

Наиболее сложным видом технологического контроля является измерение подачи насосной станции. На насосных станциях применяют, как правило, турбинные водосчетчики (рис. 26) либо расходомеры переменного перепада давления. В качестве сужающих устройств таких водомеров используются диафрагмы (рис. 27), сопла Вентури (рис. 28) и нормальные сопла (рис. 29).

 

 

 

 

 

Рис. 26. Скоростные турбинные водомеры типа ВВ общий вид

1 – корпус;

2 – вертушка;

3 – передача;

4 – счетный механизм.

 

 

 

Рис. 27. Диафрагмы нормальные, смонтированные в трубопроводах

а – камерные;

б – дисковые;

1 – диафрагма, 2 - прокладка; 3 – камера «+»; 4 – камера «-».

 

 

 

 

Рис. 28. Сопла Вентури для установки в трубопроводах 

а - диаметром до 500 мм;

б – диаметром свыше 500 мм.

 

 

Рис. 29. Нормальное сопло.

 

Сужающее устройство вызывает местный перепад давления, величина которого зависит от средней скорости, а следовательно, и от расхода. Перепад измеряется дифференциальным манометром.

Потери напора в водомерах определяются по формулам (24-26):

 

для диафрагм   h_вдм=;                      (24)

 

для сопел                    h_вдм=;                            (25)

 

для труб Вентури      h_вдм=0,14;                        (26)

 

 

где  v - скорость в трубе на подходе к водомеру, м/с;

       m - коэффициент относительного сужения потока, определяется по формуле (27):

 

(27)

 

где    d и D диаметры сужающего устройства и подводящего трубопровода.

Значения m выбирают из стандартных: для диафрагм - 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5; для труб и сопел Вентури - 0,2 и 0,4.

Расходомеры следует устанавливать за прямолинейным участком трубопровода. Длина прямолинейного подводящего участка принимается (20...40)D и отводящего - 5D.

Измерение расхода в трубах большого диаметра (D_у³400 мм) может производиться с помощью ультразвукового расходомера. Для измерения расхода сточных вод с большим содержанием крупных взвесей, а также расходов илов, осадков и пульп рекомендуют электромагнитные расходомеры (ЭМР). Принцип действия таких расходомеров основан на измерении тока, возникающего при движении жидкости в магнитном поле.

Для измерения расхода сточных вод применяем ультразвуковой расходомер ДНЕПР-7 с накладным монтажом датчиков (рис 30.). При применении этого расходомера измерения объемного расхода не требуют нарушения целостности трубопровода, расходомер не вносит дополнительного гидравлического сопротивления, т.е. потери в расходомере равны нолю. Его характеристики приведены в таблице 3.

 

 

 Рис. 30. Общий вид датчиков расхода воды Днепр – 7.

 

 

Таблица 3

Модификация прибора	Стационарный вариант
Наименование прибора
Способ представления информации	Эллектронный счетчик-интегратор с таймером времени наработки, индикатор мгновенного значения объемного расхода. Аналоговый выход (0-5мА), импульсный выход (10,25, 50,100,1000,10000 л/имп), частотный выход (открытый коллектор), PS232, RS485
Контролируемая среда	Вода: артезианская. чистая питьевая, сточная горячая, сиаманская, речная, с примесями., аэрированная и т.д. Жидкости: кислоты, ацетоны, щелочи, растворы коагулянтов, спирты,и их растворы и т.д. Насыщенный водяной пар при температуре от 100 до 2000С. При индивидуальной градуировке возможна работа на мазуте и воздухе, попутном нефтяном газе.
Пределы измерения, м3/ч	0,1-43429,4
Диаметры трубопроводов, мм	от 20 до 1600
Мин.длина прямого участка, Ду	10-15 Ду. Может быть сокращена при контролируемом симметричном потоке.
Тип трубопровода	Заполненный, незаполненный, самотечный- используеться прямое измерение расходов в самотечьных коллекторах по двум параметрам
Погрешность измерения	2% в точке, в диапазоне расходов от 3 до 100%, во всем температурном диапазоне
Потеря давления, мПа	0
Тип монтажа датчиков	Накладной
Питание	~220В, с частотой 50Гц
Исполнение	IP-54
Габаритные размеры, мм	150*150*110
Вес полного комплекта, кг	4,2
Срок службы, лет	8
Срок и метод поверки	2 года, имитационная, включающая весь контур измерения.

 

 

 Расходомер ЭХО-Р-02 предназначен для измерения объема (количества) протекающей жидкости, в том числе сточных вод, в открытых каналах шириной до 4-х и в безнапорных трубопроводах диаметром 100 мм и более с целью учета в канализационных сетях, на очистных сооружениях, промышленных предприятиях. Принцип действия расходомера ЭХО-Р-02 заключается в бесконтактном измерении уровня жидкости, протекающей в водоводе, пересчете его в мгновенное значение расхода и последующем интегрировании. Потери напора в ультрозвуковом расходомере равны нулю.

Водоизмерительное устройство устанавливается за пределами насосной станции в специальной камере.

 

Рис. 31. Общий вид ультрозвукового расходомера ЭХО – Р – 02.

 

 

Подъемно-транспортное оборудование

Для перемещения грузов используют тали ручные с кошками и без них, электротельферы, кран-балки и мостовые краны.

Тали ручные предназначены только для подъема груза на небольшую высоту (от 3 до 12 м); приводятся в действие тяговой цепью. Существуют тали шестеренчатые, червячные. Грузоподъемность талей от 0,5...10 т, скорость подъема груза 0,6...0,1 м/мин.

Тали ручные с кошками служат для подъема и перемещения груза в продольном направлении. Кошками называют тележку, которая перемещается по рельсовому пути тяговой цепью. Этот вид грузоподъемного механизма используют преимущественно для обслуживания щитовых затворов, решеток и подобных устройств.

Тали электрические (тельферы) представляют собой самоходную тележку, передвигающуюся по подвесному монорельсу. Тельферы изготавливают грузоподъемностью 250, 500, 1000, 2000, 3000, 5000 и 10000 кг. Они могут поднимать груз на высоту до 30 м.

Кран-балки подвесные обеспечивают подъем и перемещение груза в продольном и поперечном направлении. Существуют ручные и электрические кран - балки. Грузоподъемность кран - балок 0,5 - 5 м, длина монорельса 3 - 12 м.

 

 

Рис. 32. Подвесная электрическая кран-балка грузоподъемностью 1-5 т

 

Краны мостовые ручные и электрические подобны подвесным кран-балкам, но отличаются от них большей грузоподъемностью. Ходовая часть мостовых кранов перемещается по рельсам, уложенным по верхним поясам несущих балок.

Грузоподъемность однобалочных ручных кранов 3,2 - 8 т, пролеты от 4,5 до 12 м, высота подъема грузов до 12 м. В насосных станциях обычно применяются 5 - 10 тонные краны мостовые электрические. Пролет кранов от 11 до 31,5 м.

Чаще всего в насосных установках в качестве грузозахватных устройств используют крюки, которыми оборудованы тали, краны и другие механизмы. Грузы к крюкам подвешивают с помощью чалочных приспособлений (строп).

Специально для круглых насосных станций выпускаются радиальные мостовые краны. Несущая балка такого крана одним концом опирается на опору в виде центральной цапфы с радиально - сферическим подшипником, а другим - на торцовую балку с колесами, передвигающуюся по круговому рельсу, уложенному по выступу стены.

В незаглубленных и полузаглубленных насосных станциях монтируемый груз забирается подъемно - транспортным оборудованием с грузовой платформы кузова автомобиля и подается к месту монтажа или на промежуточную монтажную площадку. В заглубленных насосных станциях подъемно - транспортным оборудованием верхнего помещения подается к монтажному люку и через него опускается на монтажную площадку машинного зала. С этой площадки транспортным оборудованием машинного зала подается к месту монтажа.

Форма и размеры монтажного люка определяются габаритами проносимого оборудования с учетом запаса не менее 0,3 м. Проходы вокруг оборудования на монтажной площадке должны быть не менее 0,7 м.

Грузоподъемность подъемно - транспортного оборудования следует выбирать по массе наибольшей монтажной единицы с учетом 10 % надбавки.

 

 

 

Рис. 33. Мостовые краны

а – ручной однобалочный грузоподъемностью 3-8 т;

б – электрический грузоподъемностью 5-50 т;

1 – мост;

2 – механизм передвижения моста;

3 – механизм подъема и перемещения груза.

 

 

 

Запорно-регулирующая арматура трубопроводов

Задвижки применяются для полного отключения насосов или частичного перекрытия трубопроводов с целью регулирования подачи.

В зависимости от конструкции запорного устройства задвижки могут быть двух типов: клиновые и параллельные. У клиновых задвижек запорный орган – диск имеет форму клина, за счет чего он при усилии со стороны шпинделя плотно прижимается к гнездам корпуса. Для уплотнения на диске и гнездах закреплены уплотняющие кольца.

У параллельных задвижек проход корпуса перекрывается двумя подвижно соединенными между ними дисками, которые раздвигаются одним или двумя расположенными между ними клиньями. Уплотняющие кольца дисков и гнезд корпуса расположены параллельно друг к другу и перпендикулярно к оси задвижки.

Задвижки могут быть с выдвижным и невыдвижным шпинделем. У первых неподвижная гайка, в которой вращается шпиндель, расположена в крышке задвижки и при открытии шпиндель выходит наружу, увлекая за собой запорный диск. У вторых гайка шпинделя находится в запорном диске и шпиндель вращаясь в неподвижных направляющих подшипниках перемещает гайку и запорный диск. Задвижки с выдвижным шпинделем менее удобны, так как они требуют большой высоты помещения и не удовлетворяют гигиеническим условиям.

Задвижки могут быть с ручным и механизированным приводом. Механизированные задвижки имеют  электрический или гидравлический привод. Для облегчения управления все задвижки диаметром более 400мм, а на автоматизированных станциях независимо от диаметра должны быть обеспечены механическим приводом. Согласно паспортным данным, задвижки можно устанавливать в любом положении, однако из соображений удобства монтажа и эксплуатации их лучше устанавливать шпинделем вверх. Размеры и масса задвижек зависят от того давления, на которое они рассчитаны. Основные данные задвижек приведены в справочной литературе. Промышленность выпускает задвижки с диаметром условного прохода 50…1600 мм.

 

 

 

Рис. 34. Параллельная задвижка с

электроприводом и выдвижным шпинделем

 

 

Рис. 35. Клиновая задвижка с ручным приводом и невыдвижным шпинделем

 

Дисковые затворы. Принцип работы дискового затвора состоит в том, что диск, будучи прижат к уплотняющей поверхности седла внутри корпуса, преграждает путь потоку среды, при повороте диска на 90⁰ среда свободно проходит через затвор. По сравнению с задвижками затвор имеет большее гидравлическое сопротивление. Для уменьшения сопротивления и во избежание кавитации перед затвором надо иметь прямой участок трубопровода, равный 1,5Д_у, а после затвора – 2Д_у. Затворы лучше работают при повышенных скоростях (3…4 м/с). 

Как и задвижки, затворы выпускают с ручным и электрическим приводом. В рабочем положении большинство затворов либо полностью закрыто либо открыто. В последнее время выпускаются затворы пригодные и для дросселирования потока.

 

 

Рис. 36. Дисковый поворотный затвор с электроприводом 

1 – нижний подшипник;

2 – ось;

3 – поворотный диск;

4 – корпус;

5 – сальник;

6 – верхний подшипник;

7 – гидропривод.

 

Обратные дисковые поворотные клапаны. Применяются на насосных станциях для того, чтобы при аварийной остановке насоса воспрепятствовать обратному через насос току воды из напорного трубопроводу. Обратное течение воды может привести к опорожнению напорных водоводов и опасному обратному вращению насоса и электродвигателя.

Размещение за каждым насосом обратного клапана существенно упрощает автоматизацию включения и отключения насосов. В канализационных насосных станциях при напорах насосов не более 30 м допускается обратные клапаны не устанавливать. Обратные клапаны могут устанавливаться и на напорных водоводах в камерах около насосных станций, которые служат для предохранения от затопления машинного зала при разрушении внутристанционных трубопроводов.

Существует два основных вида обратных клапанов с верхней подвеской диска (типа «захлопка») и с эксцентрической подвеской («безударный»). Обычно рекомендуется применять «безударные» клапаны. Эти клапаны по сравнению с клапанами «захлопка», имеют меньшие габариты, меньшую массу и более плавную посадку диска на седло при закрытии клапана. В открытом положении диск у обратного клапана удерживается подъемной силой, возникающей от скоростного напора потока.

 

 

Рис. 37. Обратные клапаны

а – однодисковый с верхней подвеской тарели;

б - однодисковый с эксцентричной подвеской тарели;

в – многодисковый;

1 – корпус;

2 – тарелка клапана;

3 – крышка корпуса;

4 – рычаги;

5 – байпас.

 

Предохранительные клапаны устанавливают на напорных трубопроводах которые служат для предохранения их от разрыва при гидравлическом ударе. Такие клапаны могут быть пружинными, рычажными гасителями удара. Они применяются на трубопроводах диаметром более 300 мм и необходимость их использования должна быть подтверждена расчетом.

  

 

Фундаменты под насосные агрегаты

В наземных и частично заглубленных насосных станциях агрегаты устанавливают на отдельные фундаменты. Ширину и длину фундамента принимают на 100…150 мм больше ширины и длины плиты или рамы, на которой смонтированы насос и электродвигатель. Высота рамы принимается не менее 100 мм. Расстояние от края рамы до оси отверстий под крепежные болты должно составлять 50…100 мм, а расстояние от края рамы до края фундамента – не менее 50 мм.

Глубина заложения фундамента зависит о расположения всасывающих и напорных трубопроводов и определяется вычислениями с учетом структуры грунта основания и расчетом на устойчивость к вибрациям. В любом случае она должна быть не менее 500 мм, а также не менее глубины заложения фундаментов соседних агрегатов. Возвышение фундаментов над уровнем чистого пола машинного зала принимают не менее 100 мм. На верхней поверхности фундаментов предусматривают бортики, желобки и трубки для сбора и отвода воды, просочившейся через сальники насосов.

Между фундаментами отдельных агрегатов, стен и колонн внутри здания станции следует предусматривать разрывы; в местах сопряжения фундаментов с полом необходимо устраивать осадочные швы.

В заглубленных и полузаглубленных насосных станциях, где для защиты от возможного затопления при аварии в пределах машинного зала электродвигатели насосов располагаются на высоте не менее 500 мм от пола машинного зала.

В заглубленных и полузаглубленных насосных станциях блочного и камерного типов фундамент насоса опирается на монолитную конструкцию или железобетонную плиту, составляющие основание здания.

Приводные двигатели вертикальных насосов типа В, СДВ, ОВ и ОПВ устанавливаются над насосами на балках междуэтажного перекрытия.

 

 

Рис. 38. Пример установки насоса Д 320-50 на фундаментной плите

 
 

Графоаналитический расчет трубопроводов насосной станции

В связи с малой протяженностью внутристанционного всасывающего и напорного трубопроводов потерями напора по длине пренебрегают, учитывая только потери напора на местные сопротивления, с²/м⁵ 

 

               ,              (28) 

 

где Σζ_2, Σζ₃ – сумма коэффициентов местных сопротивлений соответственно, во всасываюших и напорных внутристанционных коммуникациях принимаются по [2];

ω_вс.н - площадь сечения всасывающего и напорного трубопроводов, м².

Сопротивление в напорном внестанционном трубопроводе, с²/м⁵;

,                             (29) 

где ΣН_н.в.- потери в напорном трубопроводе, м;

h_вдм  - потери напора в водоизмерительном устройстве, м.

 

 

 

 

Графоаналитический расчет совместной работы насосов и трубопроводов.

Для этой цели на миллиметровой бумаге строятся характеристики выбранного насоса, Затем строятся суммарные характеристики Q - Н насосов при параллельной их работе для каждой из ступеней работы насосной станции. При параллельной работе производительности насосов складываются при одинаковых напорах. Характеристику трубопровода строят по уравнению:

                     (30)

,                       (31) 

где S_пр  - приведенный коэффициент сопротивления системы, учитывающий сопротивление в коммуникациях насосной станции и в напорных водоводах, отнесенный к расходу одного насоса, с²/м⁵.

Q_н, - Расчетный расход а напорного внестанционного трубопровода;

где - m - число рабочих насосов;

n - число напорных водоводов.

В общем виде потери напора в системе трубопроводов определяются по формуле

           (32) 

Задаваясь величинами расходов насоса Q_н, и подставляя в уравнение значения S₂, S₃, S₄, находим потери напоров для каждого режима работы насосной станции, в зависимости от количества работавших в этом режиме насосов. Результаты расчетов сводятся в таблицу 4.

Таблица 4. расчетные режимы работ насосной станции.

Режимы работы насосной станции	Количество работающих насосов	Количество напорных водоводов	Расчетные величины	Подача насоса м3/с
				Qн
				Qн2
Нормальный	m	n
Аварийный	m	n-1

Примечание. Под нормальным режимом понимается работа различного числа насосов (m) на расчетное количество внестанционных водоводов (n); под аварийным - выход из строя одного напорного водовода (n-1).

Используя данные табл. 4 наносят их в виде точек на график с характеристиками насосов. Соединяя эти точки плавной кривой, получают характеристику системы трубопроводов.

Рабочая точка системы "А" находится на пересечении суммарной характеристики трех насосов Q₁₊₂₊₃-H характеристики системы трубопроводов.

Рабочая точка системы "Г" характеризует работу трех насосов (Q₁₊₂₊₃-H) и системы трубопроводов при выходе из строя одного напорного внестанционного трубопровода (n-1). Для насосных станций второй и третьей категорий надежности действия и при наличии аварийного выпуска насосной станции Q_Г должен составлять не менее 70 % от Q_А

В случае, если данное условие не выполняется, т.е. производительность насосной станции падает более чем на 30%, то для достижения необходимой степени обеспеченности подачи воды между водоводами следует устраивать перемычки с установкой задвижек. При наличии перемычек в аварийной ситуации отключается не весь внестанционный трубопровод, а только его часть.