Первая трудность: запаздывание в своевременном размещении проекта регулирующей емкости. Он должен быть включен в утвержденный проект генерального плана застройки, который разрабатывается на несколько десятилетий вперед. Поэтому в практике случается так, что при разработке проекта водоснабжения выясняется, что необходимого участка земли для регулирующей емкости либо своевременно не предусмотрели, либо предусмотренную заняли под чтолибо более срочное, но ранее не предусмотренное.

В настоящее время, когда земля под застройку обрела цену, размещение регулирующих емкостей, наземных резервуаров или водонапорных башен должно быть обоснованно как часть комплексной системы инженерного оборудования, в которой система водоснабжения анализируется в двух вариантах: с регулирующими емкостями и без них.

Техническая политика прошлого века регламентировала всемерную экономию не только при строительстве сетей и сооружений, но и в проектных работах предусматривала более широкое применение типовых проектов, в том числе насосных станций. Вначале это оказывало положительный эффект, но со временем стало сдерживать инициативу повышающих свою квалификацию проектировщиков и иногда бывало неправильно понято заказчиками. Но положительный опыт использования типовых проектов, который предусматривает установку на насосных станциях П подъема минимального количества насосных агрегатов, следует одобрить. Дело в том, что в начале ускоренной урбанизации СССР был использован зарубежный опыт развития больших городов. насосостроение могло обеспечить насосные станции агрегатами относительно небольшой производительности, а на данный момент время дватри насосных агрегата могут подать расход, достаточный для города с населением в миллион человек и более. Но не все поселения так велики, не везде требуются «насосыразновесы».

В настоящее время следует начать оптимизацию и реконструкцию систем водоснабжения в первую очередь тех, которые не имеют регулирующих емкостей. Среди многочисленных техникоэкономических разработок, которые должныбыть выполнены проектировщиками, следует обратить внимание на определение затрат энергии на подъем воды насосными агрегатами с различными типами электроприводов.

С этой целью предлагается к рассмотрению специально составленный пример для сопоставлений.

В городе с населением от 100 до 150 тыс. человек расчетное удельное водопотребление 220 л/челoсут, среднее за год; рельеф местности спокойный, вода подается с одной стороны. На насосной станции П подъема насосы Д 125065, два рабочих, один в резерве и один в ремонте. У этих насосов характеристика стабильная, но в номенклатуре типа Д имеются также насосы с нестабильной характеристикой qH. Поэтому анализируется вариант с нестабильной характеристикой Д 50065: четыре рабочих насоса и два резерв/ремонт. Варианты по производительности примерно равные, с помощью обточки рабочих колес могут стать идентичными.

Во избежание повторов в рассуждениях и с целью некоторого упрощения, приняты следующие допущения:

геометрическая высота подъема воды rH принята одинаковой как при работе с регулирующими емкостями, так и без них;

величина геометрической высоты подъема воды назначена из соображения обеспечения пятишестиэтажной застройки;

потери напора от водопитателя до диктующей точки пропорциональны квадрату поступающего в сеть расхода;

потеря напора в водоводах примерно равна потерям напора в магистральных сетях города;

оптимальная частота вращения электроприводов насосов одинакова как при работе насосов с регулирующей емкостью, так и без нее.

Расчетные расходы воды: максимальные и минимальные определены по методике СНиП 2.04.0284, которая предусматривает выполнение водосберегающих мероприятий у потребителей и в самой системе:

при работе с регулирующими емкостями qмакс= 1650 м3/ч и qмин = 1100 м3/ч и расчетных коэффициентах подачи воды насосами Км = 1 и 1,2;

при работе без регулирующих емкостей qмакс= 2300 м3/ч и qмин =  418 м3/ч.

Размеры регулирующей емкости рассчитаны по формуле этого СНиПа с учетом коэффициента подачи насоса: соответственно 3,32 % и 12,32 % от максимального расчетного суточного расхода (39,6 тыс. м3) или 1328 и 4928 м3.

Характеристика совместной работы насосов и системы водоснабжения представлена на 1 с насосами Д 125065 и на 2 с насосами Д 50065.

Основным условием бесперебойной и экономичной работы насосной установки должен быть правильный выбор и проверка правильности выбора насоса. При проектировании оно должно начинаться с максимальных расчетных расходов, а при реконструкции этим параметром заканчивается.

После построения совместного рабочего поля параллельной работы двух Д 125065, обозначенного П, на него переносится предельная точка qмакс/Н = 2000/5 Выше этого параметра находится характеристика, образуемая D2=  460 мм, ниже D2 = 400 мм. Искомый диаметр находится м. ними. Машиностроители решают задачу интерполяцией, используя соотношение:

которое решается двумя способами с помощью парабол пропорциональности:

и

Уравнение ( применяется с использованием вычислительной техники, а уравнение ( , представляющее собой прямую линию, используют с помощью специальной линейки с нанесенной риской. Оба способа показаны на рис 1.

Вторая предельная точка qwмакс/Н = 2000/54, соответствующая работе насоса в регулирующую емкость при Кн = 1,2, обозначена в рабочем поле П точкой «2».

Апроксимацию характеристик насосов для каталожных диаметров рабочих колес следует выполнять по формуле

параметры которой подбираются по трем точкам, находящимся в пределах рабочего поля. Для таких вычислений желательно иметь более точные, чем каталожные данные: от изготовителя или из натурных испытаний.

Расчет искомого диаметра производится следующим образом. Если использовать аналитический метод, то после нахождения параметров парабол пропорциональности насоса/насосов, характеристик системы, и уравнения ( , производится их совместное решение. Оно состоит в нахождении координат характеристик колес насосов и парабол пропорциональности, посредством чего вычисляют разницу расходов и напоров при оптимальном и минимальном диаметре рабочего колеса. Для первой предельной точки (2300/5 qмакс qмин= 2450 2050 = 400 м3/ч искомая точка іиск= 60 150/400 = 22,5 мм, искомый диаметр Dиск = 437 мм. Если считать по разностям манометрических высот, то разница будет незначительна.

Графический метод проиллюстрирован для точки «2» (2000/5 , где:

q1макс q1мин= 1760 = 640 м3/В

и

q1макс qwрасх= 2400 2000 = 400 м3/В;

откуда іиск= 60o400/640 = 37,5 мм и Dиск = 422,5 мм.

После нахождения таким способом оптимальных расчетных диаметров, насосостроители пересчитывают характеристики по формулам:

qиск= qзав.Dиск/Dзав.опт.

и

Hиск= Hзав(Dиск/Dзав.опт)2,

где: Dзав.опт наибольший заводской диаметр;

qзав и Hзав точки с заводской характеристики;

qиск и Hиск вычисленные точки характеристик искомых диаметров.

Пересчитанные характеристики для D1 = 437 и 422,5 мм помещены в рабочем поле П и для D2 = 422,5 мм рабочем поле 1.

В левой части 1 изображено рабочее поле одного насоса 1У Д 125065 с D2 = 460 мм и переменной частотой вращения от номинальной до сниженной вдвое. Дальнейшее снижение частоты вращения машиностроителями не исследовалось и принцип. возможность пересчета D2 = характеристик насосов по формулам подобия сомнительна при n1<0,5n0.

Нормативные документы предписывают рассчитывать объем регулирующих емкостей по максимальному суточному расходу исходя из предположения, что насос/насосы проработают без отключения все 24 часа. Но в нормально функционирующей системе в период максимального водозабора должен быть один самый большой водозабор, а остальные меньше его. Поэтому подача воды в сеть с регулирующими емкостями весь расчетный цикл будет работать постоянно, а второй периодически подпускаться и только в конце расчетного срока есть теоретическая возможность, что оба проработают круглые сутки и не будет произведено включение третьего (резервного) агрегата. Так будут работать насосы с D2 = 400 мм, что в примере не рассматривалось из соображений краткости.

Этот вариант оптимален: один насос подает 1100 м3/ч, а два 1650 м3/ч, и своей работой перекрывают расчетный размах расходов ( выше). Оба насоса работают в рабочем поле и обеспечивают наиболее простую схему автоматического управления оборудованием, и минимальный расход энергии на подачу воды.

В то же время есть принцип. возможность отдалить наступление расчетного случая и при приближении периода максимального водозабора увеличить диаметр рабочих колес, попутно сэкономив на объеме рециркулирующей емкости.

Но за это придется заплатить усложнением системы автоматического управления и дополнительными затратами на подъем воды, т. к. изменяются гидравлические условия. Два насоса с D2 = 422,5 против D2 = 400 мм будут подавать больше 2000 против 1650 м3/ч и один 1300 против 1100 м3/ч.

Это приведет к увеличению потерь напора в водоводах от насосной до регулирующей емкости. Кроме этого, в диапазоне 1300 1100 м3/ч насос придется дросселировать или производить сброс воды из напорного во всасывающий коллектор, что сопряжено с дополнительным перерасходом энергии.

Работа насосов Д 50065 в таких же условиях происходит иначе. Если подача воды тремя и четырьмя насосами идет без осложнений, то два насоса выходят за пределы рабочей зоны и попадают в область кавитационной эрозии их рабочих органов рабочего колеса и отвода, что сопровождается снижением расхода и напора, КПД падает. В результате подача, отмеченная точкой «6», не обеспечивается. Для того чтобы исправить положение, следует задросселировать оба насоса на величину Dh Когда же в работе будет только один насос, то его придется задросселировать на еще большую величину Dh1 (точка «4»).

Необходимость в дросселировании насосов, подающих воду в регулирующие емкости, определяется характеристиками насосов, системы водоснабжения и режимом водопотребления. В настоящее время специалисты В и В не считают целесообразным применение способов регулирования потому, что потери воды в системах водоснабжения «выравнивают» подачу и создают «реальные графики», которые лежат в основе техникоэкономических обоснований. но в практике попадаются случаи, когда специалистыавтоматчики при большой протяженности водоводов применяют так называемый замедленный пуск и остановку насосных агрегатов с помощью дросселирования или изменения частоты вращения.

Необходимо отметить, что проводимые мероприятия по оптимизации водоснабжения ликвидации утечек и снижения нерациональных расходов должны дать эффект, и графики водопотребления обретут большую неравномерность, ночные расходы значительно сократятся и расчетные расходы, определяемые по методике СНиП 2.04.0284, «приблизятся» к натуре. А в первой трети прошлого века методика расчетов, основанная на статистических данных (Стандарт НККХ РСФСР2 показалась устаревшей, и на этой базе появились рекомендации, не обоснованные.

Переходя к рассмотрению работы центробежных насосов с регулируемым приводом, следует отметить, что их внедрение в России началось в крупных системах, где в насосных станциях было установлено большое количество насосов. На основании зарубежного и отечественного опыта сложилось мнение, что на насосной станции целесообразно устанавливать не более чем 1/32/5 регулируемых агрегатов от их общего числа в насосной установке, подающей воду в одну зону. Но такая установка сложна и громоздка и управлять ею сложно.

Поэтому в рассматриваемом случае основа это установка регулируемого электропривода на всех насосах. Это позволит легче найти оптимум.

Продолжим рассмотрение выбранных примеров.

Насосы Д 125065 при подаче близких к максимальным расходам ( целесообразно эксплуатировать с одинаковой частотой вращения и для нахождения оптимального решения прорабатывать варианты регулирования одним насосом, оставляя второй работать с номинальной частотой вращения.

При этом низший предел снижения частоты вращения регулируемого насоса определяется наибольшей подачей и наименьшей манометрической высотой нерегулируемого насоса в его рабочей зоне. Этот параметр обозначен точкой «6», а суммарный расход обоих насосов точкой «7» на характеристике сети. Отрезок «67» это расход регулируемого насоса. Он меньше разрешенного изготовителем и поэтому этот вариант отвергается. Но, помимо усложнения управления, это решение требует увеличения числа насосов для резерва.

Работа двух насосов с одинаково регулируемых агрегатов требует достижения частоты вращения n2 = 0,785 n Оставшийся в работе один агрегат увеличивает частоту вращения до n1 = 0,936 n В цикле снижения водоотбора при n1 = 0,706 n0(точка «4») он выйдет из рабочей зоны, и радиальные усилия будут возрастать по мере снижения до минимального расхода (точка «3»). Насколько это опасно для бесперебойной работы агрегата, следует уточнить в ходе анализа режима водопотребления и проконсультировавшись с изготовителем насоса.

На 2 показана работа 4х насосов Д 5006 Обеспечив подачу воды в период максимального водоразбора при номинальной частоте вращения, командное устройство снижает обороты. При n4 = 0,92 n0 четвертый агрегат отключается, а оставшиеся три увеличивают частоту вращения до номинальной (n3 = n и при дальнейшем снижении расхода пройдет n3 = 0,86 n Если при ней отключить третий агрегат, оставшиеся в работе выйдут из рабочей зоны в первую часть характеристики и попадут в зону кавитационных явлений. Во избежание этого следует продолжить снижать частоту вращения и отключить третий агрегат при n3 = 0,8n. оставшиеся в работе перейдут на n2 = 0,908 n0 и останутся в рабочей зоне.

Переход на работу с двух агрегатов на один целесообразен при n2 = 0,515 n0, что позволит начать ему работать при n1 = 0,84 n0.

В работе без регулирующей емкости минимальный расход qмин= 418 м3/ч (точка «3») обеспечивается при n1>0,74 n0, при которой опять начинается помпаж, сопровождаемый гидравлическими ударами и вибрацией, которые могут стать причиной аварии.

В период возрастания водоотбора для поддержания заданного режима, приходится увеличивать частоту вращения. По достижении n1 = 0,84 n0 следует начать дросселировать насос, чтобы ввести его в рабочую зону (точка «4»), далее переход на работу двумя агрегатами произойдет в пределах рабочей зоны. Аналогично следует управлять переходом на работу тремя агрегатами для предотвращения выхода двух работающих из рабочего поля. А при переходе с трех на четыре агрегата при такой же характеристике сети дросселирование не потребуется.

Завершив анализ подачи воды насосами, следует рассмотреть работу регулирующей емкости.

Из нее уходит qмакс= 2300 м3/ч и qмин = 418 м3/ч. Режим наполнения и срабатывания регулирующей емкости определяется числом работающих насосов и их взаимодействием с водоводами при переменной высоте h Последнее будет иметь место при подсоединении подающего трубопровода в нижнюю часть емкости.

Надежность подачи максимального расхода потребителю определяется вертикальным расположением регулирующей емкости и зависит от правильного определения сопротивления водоводов и магистральных сетей на перспективу, но при реконструкции системы может быть достаточно гарантирована.

Следует также учитывать и условия минимального водозабора. В это время потери напора в сети снижаются, пьезометр в начале сети растет изза того, что регулирующая емкость наполняется перед началом утреннего водозабора. Поэтому, во избежание увеличения потерь и нерациональных расходов воды, следует предусматривать устройства для стабилизации напоров в диктующих точках.

На 3 показаны пьезометрические профили системы с водонапорной башней перед потребителем (городской застройкой). В нижнем этаже предусмотрена станция регулирования.

В современных условиях водонапорные башни имеют ряд преимуществ перед наземными резервуарами. Главное градостроительное преимущество это то, что нет необходимости в организации вокруг башни зоны санитарной охраны. А система водоснабжения может использовать объем ствола башни для своих нужд. Так, в стволах Крестовских водонапорных башен, диаметром 20 м и высотой 40 м, в пяти нижних этажах размещались жилые и служебные помещения и станция проверки водомеров.

За рубежом в ХХ веке строили водонапорные башни с объемом бака от 1500 до 21500 м3 с высотой несущего ствола от 2,5 до 35,5 м и высотой уровня воды от 5,5 до 12,2 м.

Но башня «работает» не только в системе водоснабжения она может быть и архитектурной доминантой, как в архитектурном ансамбле, так и в окрестностях города, иного поселения. За рубежом этим пользуются: башни соответственно архитектурно оформляют и используют как смотровые площадки, в них устраивают рестораны и т. п.

Но, к сожалению, не везде можно размещать водонапорные башни, также как и резервуары. первопричины: технические, экономические, организационные.

А с внедрением регулируемых электроприводов тоже появляются трудности, значительно ухудшающие техникоэкономические показатели и иногда препятствующие оптимизации вообще: это недостаточное число типоразмеров насосов типа Д, наиболее применяемых в типовых проектах.

В сводном графике насосов Д по ГОСТ 10272 не хватает 23 типоразмера для того, чтобы закрыть промежутки м. отдельными полями. Кроме того, м. насосами Д и К также надо проектировать размерный ряд.

Но если существующая номенклатура Д используется для работы при «постоянном расходе» (это мнение насосостроителей), то при «переменном расходе» они рекомендуют насосы со стабильной характеристикой. Но как быть, если такой характеристикой обладают не все насосы Д и К? Видимо, уповать на импортные насосы со стабильными характеристиками для тех же параметров. Заказчику и проектировщику в этом вопросе нужна исчерпывающая информация, а не рекламные сообщения.

С насосами надо быть на «вы»: их надо беречь, правильно использовать и подбирать, учитывая их место в системе водоснабжения и грамотно эксплуатировать.

Каждый насос, находящийся в работе, за срок своей службы потребляет электроэнергию в несколько раз большую по стоимости, чем он сам. Поэтому повышение эфф. его работы важно и с экономической, и экологической точки зрения. Об этом свидетельствуют следующие цифры.

На рубеже ХХХХI в России доля стоимости электроэнергии составляла в 4080 % эксплуатационных расходов в наружных системах В и В. По оценкам специалистов, нерационально тратился примерно 1 млрд кВт/ч г. А на рубеже ХIХХХ для всего народного хозяйства вырабатывался тоже 1 млрд кВт/ч г.

Но насос работает не сам по себе, а во взаимодействии со многими элементами системы водоснабжения. Поэтому для проектирования реконструкции насосной установки, также как и для нового строительства, следует привлекать специализированные организации, а не пытаться, экономя на проектных работах, решить проблему своими силами. Трудности, связанные с градостроительным законодательством и переходом на более совершенную номенклатуру насосов, будут постепенно решаться. А методику анализа можно использовать при составлении задания на разработку проекта АСУ.

Литература
Мошнин Л. Ф., Исаев В. Н., Сомов М. А. Применение регулирующих емкостей в системах водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 199 № 1.

Порядин А. Ф. Пути улучшения хозяйственнопитьевого водоснабжения в России // Водоснабжение и санитарная техника. 199 № 3.

Митянин В. М. Улучшение работы водопроводов городов Сибири // Опыт эксплуатации систем промышленного и коммунального водоснабжения: Материалы семинара. М., 1966.

Гейнц В. Г. Как определить обточку рабочего колеса центробежного насоса // Водоснабжение и санитарная техника. 199 № 6.

Башта Т. М., Руднев С. С. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М., 1982.

Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М., 1966.

Агульник Р. М. Влияние размеров пазух на радиальную силу и характеристику насоса // Гидромашиностроение: Труды ВНИИ Гидромаш. 197 Вып. 45.

Шабалин А. Ф. Колебания часового водопотребления в новых городах // Водоснабжение и санитарная техника. 193 № 9.

Ямпольский М. Д., Прокофьев К. П. Коэффициенты неравномерности потребления воды в индустриальных городах // Водоснабжение и санитарная техника. 193 № 45.

1 Лезнов Б. С. Рекомендации по применению регулируемого привода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. М., 1987.

1 Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М., 1998.

1 Гейнц В. Г. Рецензия на монографию Б. С. Лезнова «Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. 199 № 12.

1 Гейнц В. Г. Расширение номенклатуры насосов для воды // Водоснабжение и санитарная техника. 199 № 4.

1 Лобачев П. В. Насосы и насосные станции. М., 1990.

1 Шевелев Ф. А., Орлов Г. А. Водоснабжение больших городов зарубежных стран. М., 1987.