Расчет режима работы насосных станций
Поскольку расчет насосных станций ведут на перспективу (насосные станции I подъема и станции водоотведения — на 25 лет, станции II подъема — на 8 лет) и насосные агрегаты подбирают с учетом их работы при полном развитии системы, в период развития эти насосные агрегаты, как правило, работают неэкономично. Поэтому для повышения экономичности работы станций необходимо проводить поверочный расчет на первую очередь развития системы.
Насосные станции I подъема. Подача воды насосами I подъема может осуществляться по трем основным схемам:
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; подача хозяйственно-питьевой
Подача насосной станции I подъема при поступлении воды без очистки в резервуары. Подача воды на хозяйственно-питьевые нужды без очистки возможна лишь при использовании артезианских вод или подрусловых вод с устройством скважин. В этом случае чаще всего вода насосами I подъема подается в резервуары чистой воды, откуда горизонтальными насосами II подъема — потребителям.
Такая схема подачи воды потребителям позволяет устаноаить равномерную круглосуточную работу насосов I подъема, произвести расчет на среднечасовую подачу и уменьшить число скважин или их диаметр. Кроме того, равномерный и непрерывный отбор воды улучшает режим работы скважин.
3) насосная станция подает воду без очистки непосредственно потребителям.
Подача насосной станции I подъема при поступлении воды на очистные сооружения. Как правило, станцию рассчитывают на подачу среднего часового расхода воды в дни максимального водопотребления с учетом расхода воды на собственные нужды насосной станции I подъема и станции очистки воды. Среднюю часовую подачу насосной станции, м3/ч, определяют по формуле:
Для производственных систем водоснабжения воду можно подавать без очистки и из поверхностных источников, если ее качество удовлетворяет требованиям технологического процесса. Например, для систем охлаждения можно подавать воду с мутностью до 50 мг/л, цветность воды не ограничивается. Этим требованиям обычно удовлетворяет вода из равнинных рек и водохранилищ.
Для системы производственного водоснабжения подача насосной станции 1 подъема устанавливается в зависимости от того, куда подается вода: непосредственно на производство (система прямоточного водоснабжения) или в оборотную систему водоснабжения, имеющую циркуляционные насосные станции в системе водоохлаждающих устройств. При прямоточной системе водоснабжения должна быть обеспечена подача насосной станции, отвечающая режиму водопотребления производства. Если режим водопотребления равномерный, то подача станции определяется по формуле (9.1), если неравномерный — из условия обеспечения наибольшего часового расхода в дни максимального водопотребления, т. е. по методике расчета насосных станций II подъема городского водопровода. При оборотной системе производственного водоснабжения насосная станция I подъема подает средний часовой расход воды на восполнение безвозвратных потерь. Вода подается в резервуар охладительных устройств, откуда циркуляционными насосами — в систему производственного водоснабжения по графику режима водопотребления.
Подача насосной станции I подъема при поступлении воды без очистки непосредственно потребителям. В этом случае все артезианские скважины условно делят на основные и неосновные. К основным относятся наиболее мощные скважины, имеющие большой удельный дебит и обеспечивающие среднечасовой расход аоды потребителями. Работают они круглосуточно, и их дебит определяют по формуле (9.2). К неосновным относятся скважины, которые работают в часы максимального водоразбора, а также во время ремонта основных скважин. Дебит их рассчитывается на подачу воды, равную разности подачи в час максимального водопотребления и подачи среднечасового водопотребления.
Часовая подача насосной станции I подъема должна быть:
Подача воды насосной станции 1 подъема непосредственно потребителю приводит к увеличению числа скважин по сравнению с системой подачи воды в резервуар Однако в этом случае отпадает необходимость в строительстве резервуаров и насосной станции II подъема Выбор той или иной схемы подачи воды потребителям решается на основании техникоэкономического сравнения вариантов с учетом конкретных гидрогеологических характеристик источника
Расчет скважинного водозаборного сооружения и сооружений системы подачи воды к потребителям представляет собой сложную инженерную задачу, связанную с выполнением трудоемких расчетов, которые весьма значительно усложняются с решением оптимизационной задачи. В связи с этим во ВНИИ ВОДГЕО в 1978—1980 гг. были проведены исследования математического обеспечения ЭВМ для проведения таких расчетов. Полученные результаты позволили разработать рекомендации по применению ЭВМ для выполнения комплексных расчетов водозаборов подземных вод.
При определении подачи насосной станции I подъема системы объединенного хозяйственно-питьевого й противопожарного водопровода необходимо обеспечить возможность форсированной подачи воды в часы пополнения противопожарного запаса, который находится в резервуарах, расположенных у насосной станции II подъема.
Максимальный срок восстановления противопожарного запаса воды должен быть не более:
24 ч— в населенных пунктах и на предприятиях пожарной опасности категорий А, Б, В;
36 ч — на предприятиях пожарной опасности категорий Г и Д,
74 ч — в сельских населенных пунктах и сельскохозяйственных производственных комплексах
В течение времени восстановления противопожарного запаса воды насосная станция I подъема должна обеспечивать также и расчетную подачу воды на хозяйственно-питьевые и производственные нужды.
Восстановление противопожарного запаса может производиться: рабочими насосами, предназначенными для подачи воды на хозяйственно-питьевые и производственные нужды, если эти насосы работают не круглые сутки; пополнение производится во время перерывов в их работе;
рабочими насосами за счет возможного сокращения водопотребления;
резервным насосным оборудованием;
противопожарными насосами, установленными на насосной станции I подъема.
При восстановлении израсходованного противопожарного запаса воды подачу насосов, м3/ч, определяют по формулам:
Насосные станции 1 подъема, получающие воду из артезианских скважин, обычно рассчитывают на круглосуточную работу при максимальном суточном расходе. Для подачи дополнительного количества воды во время пополнения израсходованного неприкосновенного пожарного запаса должны быть предусмотрены резервные скважины с полным комплектом оборудования. Лишь при крайне незначительном относительном количестве воды, требуемой для пополнения пожарного запаса, подачу воды из скважины рассчитывают на форсированный режим в период пополнения этого запаса. В любом случае необходимо технико-экономическое обоснование принятого варианта восстановления неприкосновенного противопожарного запаса воды в резервуарах.
Насосные станции II подъема. В зависимости от планировки снабжаемого водой объекта и взаимного расположения насосной станции и напорных аккумуляторов различают следующие системы: безбашенную; с башней в начале сети; с контррезервуаром.
Объем и режим водопотребления меняются непрерывно в зависимости от случайных событий и характеризуются значительной неравномерностью.
Насосы II подъема подают воду непосредственно в сеть потребителя и поэтому режим работы насосной станции II подъема определяют в зависимости от режима водопотреб-ления объекта. Для насосной станции II подъема должны быть проведены расчеты режима работы на следующие случаи:
пожарного запаса воды: для производств категории В — до 36 ч, для производств категорий Г и Д — до 48 ч.
При недостаточности дебита источника для пополнения противопожарного запаса воды можно увеличить период восстановления запаса и соответственно запас воды в резервуаре. Дополнительный объем противопожарного запаса воды при удлинении времени его восстановления надлежит определять по формуле:
работа в часы наибольшего и наименьшего водопотребления в сутки максимального расхода воды;
работа системы при тушении пожара в часы наибольшего водопотребления;
работа насосной станции при возникновении аварий.
Для системы с контррезервуаром кроме указанных расчетов необходимо проводить расчет на случай наибольшего транзита воды в контррезервуар.
В безбашенной системе вода подается насосной станцией непосред- ственно в сеть, поэтому насосы подбираются из расчета на час наибольшего водопотребления в сутки максимального водопотребления. Для этого строится совмещенный график (рис. 9.1) работы насосной станции и сети и анализируется обеспеченность подачи в различные часы суток. Как правило, в безбашенной системе требуется установка большего числа насосов, но отпадает необходимость в строительстве напорного аккумулятора.
В системе водоснабжения с напорным аккумулятором максимальную подачу насосной станции принимают меньше максимального часового расхода и приближают график режима работы насосной станции (I подъема к графику водопотребления, но это не значит, что графики должны в точности совпадать. Водопотреблен не в системах водоснабжения весьма неравномерно, поэтому, если мы примем режим подачи воды насосами в точности соответствующим режиму водопотребления, потребуется очень часто включать и выключать насосные агрегаты, что чрезвычайно усложнит эксплуатацию насосных станций.
При подаче воды насосами II подъема, большей водопотребления, избыток . воды поступает в аккумулирующую емкость. В часы, когда водопотребление превышает подачу, недостающее количество воды поступает в сеть из аккумулирующей емкости. Следовательно, чем больше разность между подачей и потреблением воды, тем больше должна быть аккумулирующая емкость.
При определении подачи насосной станции II подъема необходимо найти оптимальный вариант режима ее работы — минимальную вместимость аккумулирующей емкости и наименьшую частоту включения насосных агрегатов. Работу насосной станции принимают двух- или трехступенчатой (ступенчатой называется работа различного числа насосов в разные часы суток).
Равномерный режим работы насосов рекомендуется для систем водоснабжения с подачей не более 15 тцс. м3/сут, так как при большей подаче потребуются большие аккумулирующие емкости. При ступенчатой работе насосной станции объем аккумулирующей емкости принимают 2,5—6%, при равномерной 8— 15% суточной подачи станции. Следовательно, режим работы насосной станции 11 подъема в значительной степени зависит от вместимости принятой аккумулирующей емкости. При выборе объема напорных аккумуляторов рекомендуется принимать типовые проекты водонапорных башен.
Определение подачи и выбор режима работы насосной станции удобно производить по табл. 9.1 или по совмещенному графику недопотребления и подачи насосной станции II подъема (рис. 9.2).
В табл. 9.1 приведены примеры равномерной и ступенчатой работы насосной станции при наличии в системе водонапорной башни и при коэффициенте часовой неравномерности водопотребления, равном 1,35. Регулирующая вместимость раана максимальному остатку в баке. При получении отрицательных и положительных величин регулирующая вместимость равна сумме абсолютных величин максимальной отрицательной и максимальной положительной. При равномерной круглосуточной работе насосов подача будет: 100:24 = 4,167 «4,17% Регулирующая вместимость бака по табл. 9.1 в I варианте составила U7 = 6,98% максимального суточного расхода, при ступенчатой работе насосов (вариант 11) W=2,5% максимального суточного расхода. По 111 варианту работы насосной станции регулирующая вместимость W=2,25% максимального суточного расхода. Анализ ступенчатых режимов работы насосной станции по II и III вариантам показывает, что при И варианте поступление воды в бак водонапорной башни происходит в основном в дневные часы, т. е. когда в городе расходуется наибольшее количество воды и водопроводная сеть в напряженный момент работы должна пропускать транзитный расход воды в башню. В III варианте ступенчатой работы насосной станции регулирующая вместимость уменьшается. Сокращается часовое поступление воды в бак и из бака, т. е. соединительные водоводы «башня — сеть» будут рассчитываться на меньший расход и, следовательно, можно принять трубы меньшего диаметра.
Общее количество воды, поступающей в бак водонапорной башни за сутки при режиме работы насосной станции по II варианту, равно 4,2% максимального суточного; при режиме работы по III варианту поступление воды в башню уменьшается до 3,55%, что позволяет сократить эксплуатационные расходы, так как напоры при подаче воды в сеть меньше, чем при подаче воды в бак водонапорной башни. Установлено, что при подаче воды в напорный аккумулятор напоры в сети возрастают, а между напором и потерями воды существует прямая Связь. При снижении напора на вводе в здание на 10 м суточный расход воды уменьшается на 5- 10%.
Окончательный выбор режима работы насосной станции устанавливается на основании технико-экономического расчета конкурирующих вариантов с учетом местных условий. Например, на маленьких поселковых водопроводах бак водонапорной башни заполняется в дневную смену,
а затем в вечерние и ночные часы расходуется созданный запас воды. Это приводит к увеличению вместимости бака, но позволяет сократить дежурный персонал и принять работу насосной станции в одну смену. При применении автоматизированного управления при том же дежурном персонале можно перейти на круглосуточную работу насосной станции и уменьшить вместимость бака башни, но увеличатся капитальные затраты на автоматизированное управление насосными агрегатами.
На рис. 9.2 показан совмещенный график ступенчатого водопотребления и работы насосов (разномерной и ступенчатой) для I (линия 2), II (линия 3) и III (линия 4) вариантов по табл. 9.1. Регулирующая вместимость определяется наибольшей из отдельных площадей, образуемых линией работы насосов и линией водопотребления 1.
Таблица 9.1 мерной работе насосов — заштрихованная площадь (от 23 до 5 ч), равная приблизительно 7% (6,98% по табл.9.1)
Для определения режима работы насосов и вместимости бака водонапорной башни удобнее пользоваться интегральным графиком. Ординаты интегральных графиков дают суммарное количество воды, поданной с начала суток до каждого рассматриваемого часа. На рис. 9.3 приведен интегральный график водопотребления (линия /), совмещенный с интегральными графиками подачи воды насосной станции II подъема при равномерном (линия 2) и ступенчатом (линии 3 и 4) режимах, соответствующих расчету по табл. 9.1. Тангенс угла наклона интегральной кривой к оси абсцисс характеризует интенсивность расходования и подачи воды за соответствующий промежуток времени. Подача воды насосами представлена ломаными линиями (3 и 4), точки излома которых соответствуют моментам изменения подачи воды насосной станцией, т. е. моментам пуска или остановки отдельных насосных агрегатов.
Требуемую вместимость аккумулирующей емкости определяют по интегральному графику как сумму абсолютных величин максимальной положительной и максимальной отрицательной разностей ординат кривых подачи и водопотребления. Например, при ступенчатой работе насосов вместимость бака составит: по варианту III +0,8 + +(—,45)=2,25%, а по варианту II—2,5%. Если кривую подачи (линию 2} сдвинуть вдоль оси абсцисс влево таким образом, чтобы она стала касательной к наиболее выпуклой части кривой водопотребления, то разности ординат линий / и 2 будут одного знака, а максимальная разность ординат даст расчетную величину регулирующей вместимости.
Анализ режимов работы насосных станций показывает, что при ступенчатой работе возможно значительное уменьшение вместимости бака водонапорной башни и некоторое снижение требуемой полной высоты подъема воды насосами за счет меньшей высоты бака. Как видно из приведенного примера, при ступенчатой работе насосов вместимость бака водонапорной башни может быть значительно (почти в 3 раза) меньше, чем при равномерной работе, но зато увеличивается площадь насосной станции вследствие установки большего числа насосов (хотя и меньшей подачи) и вместимость подземных резервуаров, поскольку станция I подъема обычно работает равномерно.
В ряде случаев увеличивается и диаметр водоводов, так как при ступ.енчатой работе они должны быть рассчитаны на пропуск большего количества воды, чем при равномерной. Практика проектирования и эксплуатации систем водоснабжения показывает, что для малых водопроводов обычно выгодна равномерная работа насосов.
