X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ ГОРОДОВ

Зависимость экономики страны и условий развития общества от водных ресурсов со временем существенно возрастает, так как увеличивается потребность в воде, и повышаются требования к ее качеству. Это происходит потому, что очень остро стоит вопрос загрязнения и истощения водных ресурсов [2]. Решение проблемы предполагает совершенствование учета водных ресурсов, определение водного баланса отдельных районов, развитие методов расчетов и прогнозов элементов гидрологического режима для наиболее рационального использования вод.

Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве, для многих живых существ служит средой обитания. Она необходима и для хозяйственно-бытовых потребностей человека, всех растений и животных.

Экономика водных ресурсов изучает наличие, количество и качество вод по их видам, а также обеспечивает контроль над вводом в действие сооружений по очистке сточных вод и систем водоснабжения, эффективностью их очистки и сбросов в водоёмы и почву.

Согласно федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011-2017 годы одной из важных ее целей является необходимость создания предпосылок для устойчивого развития систем водоснабжения и водоотведения регионов независимо от объемов дотационных средств из федерального бюджета [1].

Важно понимать, что обе системы (как водоснабжение, так и водоотведение) играют особую роль в современном городском хозяйстве. Нарушения в их работе могут привести к ухудшению санитарно-эпидемиологической ситуации в городской среде.

Одной из особенностей гидрологии городов является организация поверхностного стока. Для этого необходимо строительство ливневой канализации, устройства гидротехнических сооружений, обслуживание и ремонт которых требуют серьезных затрат.

Организацию поверхностного стока в городе необходимо решать с учетом особенностей ландшафта территории. Широкое распространение склонов различной длины и крутизны определяет необходимость отведения под зеленые насаждения больше земель, если сравнивать с городами, в которых рельеф слабо выражен [2]. Зеленые насаждения следует размещать так, чтобы они способствовали очистке вод поверхностного стока, выполняли эстетические, рекреационные и другие функции.

Очистка сточных вод представляет собой комплекс мероприятий по удалению загрязнений в сточных водах, обеспечивающих соответствие воды установленным нормам качества. Процесс очистки сточных вод состоит из трех этапов:

1) механическая очистка сточных вод – простое механическое отделение очищенной воды и твердых или осаждаемых веществ в сточных водах без биологических воздействий;

2) биологическая очистка сточных вод – очистка отфильтрованных сточных вод искусственно регулированными биологическими процессами с помощью живых организмов, обычно микроорганизмов;

3) химическая очистка сточных вод – использование специальных методов для повышения эффективности биологической очистки с целью удаления питательных или минеральных веществ [6].

Для правильного выбора системы водоснабжения необходимо иметь данные о водопотреблении, знать требования, предъявляемые к качеству воды, располагать сведениями о напоре, под которым она должна подаваться потребителю, знать характеристику имеющихся природных водоисточников в районе проектирования и т.д [5].

Система водоснабжения включает в себя холодный и горячий водопроводы. Параметры водопроводных сооружений систем водоснабжения городов и населенных мест рассчитывают на определенный расчетный период, который может включать несколько очередей строительства, учитывающих перспективу развития города и повышение уровня благоустройства потребителей воды [4]. Одним из основных показателей надежности работы системы служит безотказное функционирование в течение рассматриваемого периода времени.

В целях повышения качества систем водоснабжения и водоотведения необходимо:

— улучшение качества питьевой воды путем внедрения новых технологий на действующих сооружениях;

— противокоррозионная обработка теплоносителя и защита его от вторичного насыщения коррозионно-активными газами;

— улучшение качества очистки стоков на действующих городских очистных сооружениях канализации.

Основными подходами модернизации систем водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод согласно федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011-2017 годы являются:

1. Осуществление капитальных вложений.

2. Реформирование сложившихся в отрасли отношений посредством реализации мероприятий региональных программ развития водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод [1].

Выбор водопроводных и водоотводящих систем для населенных мест и промышленных предприятий следует осуществлять с учетом санитарных, технических, экологических, социальных и экономических требований.

Рациональное и успешное решение этих задач возможно при условии знания закономерностей природных явлений и разумного их использования.

1. Российская Федерация. Правительство. О федеральной целевой программе «Чистая вода» на 2011-2017 годы [Электронный ресурс] : постановление Правительства Рос. Федерации от 22.12.2010 № 1092 : [ред. от 25.05.2016]. – Режим доступа : КонсультантПлюс. Законодательство. Версия Проф.

2. Битюкова, В. Р. Социально-экологические проблемы развития городов России / В. Р. Битюкова. – Москва : Либроком, 2009 – 448 с.

3. Павлов, К. В. Ядро экономических систем и эффективная хозяйственная политика / К. В. Павлов. – Москва : Магистр, 2009. – 196 с.

Модернизация водопроводных сетей — с чего начинать?

Модернизация водопроводных сетей – с чего начинать?

, канд. химических наук.

Как мы уже отмечали в предыдущей статье [1], в настоящее же время многие водопроводные сети (ВПС) уже полностью выработали свой технический ресурс и поддерживаются только за счет регулярных ремонтов. Было показано также, насколько разорительной является эксплуатация старых изношенных сетей. С каждым годом степень износа инженерных систем увеличивается, а вместе этим увеличиваются и затраты на их эксплуатацию и текущий ремонт.

В связи с этим актуальной становится задача радикальной модернизации ВПС, используя трубы из самых современных материалов, а также привлекая самые эффективные методологии модернизации и проектирования сетей. В настоящей статье предлагается ряд первичных этапов, которые автор разработал на основании анализа состояния дел в ряде Водоканалов городов Сибири и России (данные из открытых источников), а также на основании литературного анализа и собственных модельных расчетов с помощью ПК SibStream [2].

В результате серии гидравлических расчетов [2] и анализа литературных данных [3] было установлено, что:

износ сетей на каждые 5% (в среднем через каждые 4 года) приводит к увеличению затрат на их эксплуатацию более чем на 50% относительно проектных значений! Спустя уже 3-5 лет после начала эксплуатации толщина отложений на стенках металлических труб составляет величину 10-15 % от диаметра, что сокращает пропускную способность магистралей в 1.5-2 раза. Через 10-15 лет гидравлическое сопротивление магистралей увеличивается в 3-5 раз. Это обстоятельство вынуждает повышать давление в главных магистралях больших диаметров и, соответственно, кратно увеличивать расходы электроэнергии на насосных станциях. трубы диаметром D≤300 мм. имеют общую протяженность примерно в 2-3 раза меньше суммарной протяженности всех водопроводных магистралей города. Однако предельный износ и зарастание именно этих труб является причиной массовых утечек и повышенного гидравлического сопротивления сетей в целом. Именно среди этой группы труб имеется много слабопроточных и тупиковых магистралей, подверженных сильному зарастанию. При этом, чем уже труба, тем сильнее относительное сужение внутреннего сечения при равной – по сравнению с широкими трубами – толщине отложения на стенках труб.

Исходя из всего вышесказанного, нами предлагается следующее (цифры относительно города на 500 тыс. жителей и в/п сети протяженностью 600-800 км.):

Районы водопроводной сети, где преобладают предельно изношенные трубы, желательно планировать заново. Это позволит построить действительно оптимальную схему сети района, составить ее точный план и гидравлическую модель и сократить общую протяженность трубопроводов района. Такой способ модернизации каждого района способен, в итоге, значительно сократить протяженность городских магистралей и, следовательно, удешевить процедуру их модернизации и дальнейшей эффективной эксплуатации.

Под гидравлической моделью здесь понимается следующий набор информационных данных, а также аппаратных и программных средств.

Точные координаты всех узлов (колодцев и водопотребителей) ВПС, индивидуальные или групповые графики потребления, а также нормативные свободные напоры в узлах. Расположение всех магистралей в других элементов сети с указанием их диаметров, даты укладки, эквивалентных шероховатостей труб, типа материалов труб и других технических характеристик. Подробное описание насосных станций с указанием всех насосов, их напорно-расходных характеристик (НРХ), порядка подключения насосов (последовательное, параллельное, комбинированное), а также индивидуальных графиков работы всех насосов. Совокупность всех измерительных приборов, постоянно или временно функционирующих в сети (манометры, расходомеры и т. п.). Структурированная совокупность всех данных о замерах, полученных в ходе эксплуатации и ремонта сетей. Например, суточные и многодневные графики водопотребления в узлах, графики колебания давлений и уровней воды в баках, графики энергопотребления и КПД всех насосов и т. п. К особой группе относятся данные о степени зарастания и корродирования труб разных районов, диаметров, материалов и сроков эксплуатации. Они получаются в ходе планового или аварийного ремонта на участках. Программные средства, способные выполнять гидравлические расчеты ВПС любого размера и сложности. В связи с общей изношенностью сетей России и стран СНГ, необходимое давление в сети поддерживается не всегда и не во всех участках. Поэтому расчетная схема, заложенная в программе, должна явно учитывать зависимость уровня потребления в каждом узле от свободного напора, а не только от времени (графики неравномерности водопотребления). Кроме того, программа должна располагать эффективными средствами оптимизации как всей ВПС в целом, так и отдельно по районам.

Создание точной гидравлической модели для сильно изношенных водопроводных сетей является очень сложной проблемой, которая требует проведения многочисленных исследований и измерений в сетях, а также использования высокоэффективного программного обеспечения. Такая задача может быть решена лишь усилиями коллектива специалистов по гидравлическим расчетам и мониторингу водопроводных сетей совместно со специалистами Водоканала. Разработанная таким способом адекватная гидравлическая модель водопроводных сетей может уже непосредственно использоваться в процессе их модернизации. Только с помощью такой модели можно вначале оптимизировать и удешевить процесс модернизации сетей, а затем осуществлять эффективный мониторинг с целью постоянного поддержания их работоспособности на достаточно высоком уровне. Очевидно, что гидравлическая модель должна постоянно обновляться и пополняться в соответствии с проведенными изменениями в сетях. Экономический эффект от разработки и успешного применения гидравлической модели многократно превысит все затраты на ее создание и поддержку.

Обзор предлагаемых вариантов модернизации систем водоканалов Российской Федерации. Возможности модернизации объектов водоснабжения и водоотведения

1 Обзор предлагаемых вариантов модернизации систем водоканалов Российской Федерации. На перекачку чистых и сточных вод в России расходуется млрд. КВт*ч электроэнергии. Стоимость электроэнергии в общей сумме эксплуатационных расходов на водопроводно-канализационных предприятиях, составляет %. Несмотря на это, созданию экономичных режимов работы насосных установок, пока еще уделяется недостаточно внимания. В результате 5 15 % энергии нерационально теряется в процессе перекачки чистых и сточных вод. В отдельных случаях этот показатель возрастает до %. Энергозатратность производства определяется постоянно возрастающей долей устаревших производственных фондов, изношенностью оборудования. Уровень износа систем ВиК достигает 70-75%, 53 % аварий водопровода и канализации происходит из-за их ветхости. Энергосберегающие мероприятия направлены на замену технологического оборудования на новое, более эффективное, позволяющее автоматизировать процессы и сократить рабочую силу с целью уменьшения потерь воды водопроводно-канализационного хозяйства и снижение потребления энергоресурсов, за счѐт: — установки высокоэффективных насосов, имеющих при равной производительности и напоре меньшие мощности электродвигателей; — установки преобразователей частоты для оптимизации регулируемых параметров посредством изменения частоты вращения электродвигателей на водопроводных насосных станциях; — внедрении автоматики и приборов учета. Возможности модернизации объектов водоснабжения и водоотведения Мощность До 315 квт До 630 квт До 2000 квт Варианты модернизации Электродвигатели Преобразователи частоты (ПЧ) Устройства мягкого пуска (УМП) Шкафы управления насосными агрегатами (ШУН) 1. Станции управления насосами первого подъѐма (водозабор) Н а с о с н а я с т а н ц и я I подъема забирает воду из источника водоснабжения (река, озеро, водохранилище, артезианская скважина и т.п.) и. подает ее в резервуары чистой воды или на очистные сооружения. Недостатки существующих схем:

2 1. Запуск электродвигателя представляет собой чрезвычайно тяжелый режим для электрической машины. Пусковой ток в 5 7 раз превышает номинальное значение, что неизбежно приводит к опасному перегреву электродвигателей при их частых повторных запусках. 2. Ускоренный износ запорной арматуры при единственно возможном способе регулирования напора насосного агрегата дросселировании. 3. Ускоренный износ электродвигателей насосных агрегатов работающих в номинальном режиме. 4. Необоснованно увеличенное энергопотребление относительно необходимого количества перекачиваемого продукта. Возможности модернизации: — Применение устройств плавного пуска насосных агрегатов исключает гидравлические удары, снижает пусковые токи и защищает электродвигатели во время работы. — Автоматическое управление насосными агрегатами скважин и водоприемных колодцев с применением преобразователей частоты. — Оптимизация нагрузки на каждую скважину и водоприемный колодец по фактической добыче воды или времени работы. — Оптимизация количества одновременно работающих насосных агрегатов. — Дистанционный контроль состояния скважин. 2. Станции управления насосами второго и третьего подъѐма. Насосная станция II подъема подает воду из резервуаров чистой воды в распределительную сеть. В тех случаях, когда развиваемое давление недостаточно для подъема воды на требуемую высоту, сооружаются п о в ы с и т е л ь н ы е насосные станции (станции подкачки). Недостатки: 1. Невозможность оптимизировать производительность насосного агрегата соответственно суточного водопотребления. 2. Запуск электродвигателя представляет собой чрезвычайно тяжелый режим для электрической машины. Пусковой ток в 5 7 раз превышает номинальное значение, что неизбежно приводит к опасному перегреву электродвигателей при их частых повторных запусках. 3. Ускоренный износ запорной арматуры при единственно возможном способе регулирования напора насосного агрегата дросселировании. 4. Ускоренный износ электродвигателей насосных агрегатов работающих в номинальном режиме. 5. Необоснованно увеличенное энергопотребление относительно необходимого количества перекачиваемого продукта. Применение станций управления с ПЧ целесообразно обычно в тех случаях, когда: — насосная водопроводная установка подает воду непосредственно в сеть (насосные станции 2, 3 подъема, станции подкачки) — диапазон колебания водопотребления достаточно большой (не менее % максимальной подачи) — динамическая составляющая водоподачи достаточно большая (не менее 20-30% общей высоты подъема)

3 Эффект от внедрения: 1. Снижение расхода электроэнергии на 20-30% 2. Снижение расхода чистой воды на 2-5% за счет стабилизации давления в водопроводной сети и соответственно, уменьшаются утечки и непроизводительные расходы (сброс воды) 3. Снижение расхода чистой воды, соответственно снижает сброс сточных вод в систему водоотведения и составляет 80% от экономии чистой воды 4. Уменьшается кол-во аварийных раскопок и объем ремонтных работ в зависимости от снижения избыточных напоров 5. Увеличивается межремонтный цикл электродвигателей и запорной арматуры. Системы водоотведения: Канализационные насосные станции (КНС) предназначены для перекачки сточных вод к месту очистки. В зависимости от места в общей схеме канализации КНС подразделяются на местные, районные и г л а в н ы е (центральные). Кроме того, КНС подразделяются по роду п е р е к а ч и в а е м ы х с т о к о в (бытовые, производственные и др.). КНС оборудуются насосами для сточных жидкостей или насосами, предназначенными для перекачки загрязненных вод. Сточные воды из сети поступают в приемный резервуар КНС, далее подаются насосами в напорные водоводы и по ним поступают на очистные сооружения. Применение станций управления с ПЧ целесообразно обычно в тех случаях, когда: — объем приемных резервуаров канализационных и иных насосных станций не превышает обычных размеров, т.е. его емкость не превышает минутной подачи наиболее крупного насоса — диапазон колебания притока достаточно большой (не менее % максимальной подачи). Общий эффект от внедрения: — Снижение энергопотребления до 30%. — Увеличение межремонтного цикла оборудования в 1,5-2 раза. — Оптимизация количества включений и отключений насосных агрегатов. — Применение устройств плавного пуска уменьшает пусковые токи и защищает электродвигатели во время работы.

4 Эффект от внедрения: Экономия электроэнергии до 30 %. Экономия воды до 10%. Значительное уменьшение стоимости системы. Быстрая самоокупаемость. Увеличение надежности агрегатов и системы водоснабжения. Использование специальных электродвигателей, адаптированных для работы в системе с ПЧ. Экономические показатели от внедрения преобразователей часты на насосных станциях. При неравномерном суточном, недельном, месячном графике потребления потребителем воды поддержание оптимального давления в сетях возможно с помощью перекрытия задвижек на выходе насосной станции (метод дросселирования) или за счѐт изменения скорости вращения насосного агрегата (изменение его производительности). Мощность, потребляемая насосом находится в кубической зависимости от скорости вращения рабочего колеса. Р.=f(Q 3 ), т.е. уменьшение скорости вращения рабочего колеса насоса в 2 раза приводят к уменьшению мощности, потребляемой насосом в 8 раз. Производительность насоса Q прямо пропорцианальна скорости вращения рабочего колеса насоса. Исходя из графиков потребления воды и зависимости мощности, потребляемой насосом от производительности можно определить примерную экономию электроэнергии от применения частотно-регулируемого привода.

5 Q, м3/сек P,кВт 1,2 дросселирование (определяется экспериментально) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Р 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Q, м3/сек Суточный график расхода воды P=f(Q 3 )=f(n 3 ) Зная суточный график расхода или потребления воды можно определить суточную экономию электроэнергии при применении частотнорегулируемого привода. Для каждого значения производительности насоса Q это будет разница Р графика потребления мощности. 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, t, час ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИ

6 СОСТАВ СИСТЕМЫ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ центральная ПЭВМ диспетчера с программным обеспечением АРМ Диспетчера ; узлы сбора информации на каждом объекте; каналы передачи данных. ЗАДАЧИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ПЭВМ ДИСПЕТЧЕРА отображение состояния объектов; оперативное сообщение диспетчеру об аварийных ситуациях на объектах; архивирование информации о работе объекта; запрос информации по определенным датчикам и вывод ее в табличном и графическом виде. ЗАДАЧИ УЗЛА СБОРА ИНФОРМАЦИИ считывание информации с управляющих контроллеров, либо с датчиков; архивирование информации на объекте; передача информации по запросу ПЭВМ диспетчера; передача аварийных сообщений в ПЭВМ диспетчера.