Центробежные насосы.
Как они должны работать в системах водоснабжения городов и поселков
Отечественные ученые считают, что наиболее эффективна та система водоснабжения, в которой подача воды в городскую/поселковую сеть производится насосами, работающими совместно с регулирующими емкостями. Однако эти рекомендации иногда труднореализуемы.
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 что-либо 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 рассматривается 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. Тогда насосостроение могло обеспечить насосные станции агрегатами относительно небольшой производительности, а сегодня время два-три насосных агрегата могут подать расход, достаточный для города с населением в миллион человек и более. Но не все поселения так велики, не везде требуются «насосы-разновесы».
В настоящее время следует начать оптимизацию и реконструкцию систем водоснабжения в первую очередь тех, которые не имеют регулирующих емкостей. Среди многочисленных технико-экономических разработок, которые должны быть 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 1250-65, 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 рассматривается вариант с нестабильной характеристикой — Д 500-65: 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 подъ-ема воды rH принята одинаковой как при работе с регулирующими емкостями, так и без них;
— величина геометрической высоты подъема воды назначена из соображения обеспечения пяти-шестиэтажной 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 2.04.02-84, которая предусматривает выполнение водосберегающих мероприятий у потребителей и в самой системе:
— при работе с регулирующими емкостями qмакс= 1650 м 3 /ч и qмин = 1100 м 3 /ч и расчетных коэффициентах подачи воды насосами Км = 1 и 1,2;
— при работе без регулирующих емкостей qмакс= 2300 м 3 /ч и qмин = 418 м 3 /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. м 3 ) или 1328 и 4928 м 3 .
Характеристика совместной работы насосов и системы водоснабжения представлена на рис. 1 с насосами Д 1250-65 и на рис. 2 с насосами Д 500-65.
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 1250-65, обозначенного П, на него переносится предельная точка qмакс/Н = 2000/57. Выше этого параметра находится характеристика, образуемая D2 = 460 мм, ниже D2 = 400 мм. Искомый диаметр находится между ними. Машиностроители решают задачу интерполяцией, используя соотношение:
которое решается двумя способами с помощью парабол пропорциональности:
Уравнение (1) применяется с использованием вычислительной техники, а уравнение (2), представляющее собой прямую линию, используют с помощью специальной линейки с нанесенной риской. Оба способа показаны на рис 1.
Совместная работа насосов Д 1250-65 и сети
1 – рабочее поле насоса при D2ном/D2мин = 460/400 при номинальной частоте вращения n0;
П – то же двух насосов, работающих параллельно;
Ш – область дросселирования насоса при минимальных подачах в регулирующую емкость;
I–IV– рабочее поле = 460 при снижении частоты вращения;
H = c1q2 и H = cq – параболы пропорциональности;
H = f(q1Hr) – характеристика системы водоснабжения;
n0 – номинальная частота вращения вала насоса;
n1 и n2 – частота вращения одного и двух работающих насосов;
qмакс и qмин – расчетные расходы (водоотборы) в системе без регулирующих емкостей;
Кн–отношение максимальной часовой подачи в регулирующую емкость к среднечасовому водоотбору в сутки максимального водопотребления;
q w макс – подача в регулирующую емкость расчетным числом работающих при Кн =… насосов при заданном Кн;
q w макс – то же одним насосом при Кн=…
Вторая предельная точка q w макс/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, а также уравнения (3), 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 (2300/57) qмакс— qмин= 2450 — 2050 = 400 м 3 /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» (2000/54), где:
q1макс— q1мин = 1760 = 640 м 3 /В
q1макс— q w расх = 2400 — 2000 = 400 м 3 /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:
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 поме-щены в рабочем поле П и для D2 = 422,5 мм — рабочем поле 1.
В левой части рис. 1 изображено рабочее поле одного насоса 1У Д 1250-65 с D2 = 460 мм и переменной частотой вращения от номинальной до сниженной вдвое. Дальнейшее снижение частоты вращения машиностроителями не исследовалось и возможность пересчета D2 = характеристик насосов по формулам подобия сомнительна при n1 3 /ч, а два — 1650 м 3 /ч, и своей работой перекрывают расчетный размах расходов (см. выше). Оба насоса работают в рабочем поле и обеспечивают наиболее простую схему автоматического управления оборудованием, а также минимальный расход энергии на подачу воды.
В то же время существует 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 м 3 /ч и один 1300 против 1100 м 3 /ч.
Это приведет к увеличению потерь напора в водоводах от насосной до регулирующей емкости. Кроме этого, в диапазоне 1300 — 1100 м 3 /ч насос придется дросселировать или производить сброс воды из напорного во всасывающий коллектор, что сопряжено с дополнительным перерасходом энергии.
Работа насосов Д 500-65 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 D h2. Когда же в работе будет только один насос, то его придется задросселировать на еще большую величину D h1 (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 технико-экономических обоснований. Однако в практике попадаются случаи, когда специалисты-автоматчики 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 2.04.02-84, «приблизятся» к натуре. А в первой трети прошлого века методика расчетов, основанная на статистических данных (Стандарт НККХ РСФСР-20) показалась устаревшей, и на этой базе появились рекомендации, не всегда 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 1/3-2/5 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 1250-65 при подаче близких к максимальным расходам (рис.1) 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 «6-7» — 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 n0. Оставшийся в работе один агрегат увеличивает частоту вращения до n1 = 0,936 n0. В процессе 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.
Совместная работа насосов Д 500-65 и сети
1, 2, 3, 4 – число параллельно работающих насосов;
n0 – номинальная частота вращения вала насоса;
n1,n2,n3,n4 – частота вращения вала насоса/насосов, работающих параллельно;
D h1 и D h2 – избыточные напоры, устраняемые дросселированием; D h3 – часть избыточного напора, устраняемого снижением частоты вращения;
qмакс и qмин – расчетные водоотборы при отсутствии регулирующих емкостей;
Кн – отношение максимальной часовой подачи в регулирующую емкость к среднечасовому водоотбору в сутки максимального водопотребления;
q w макс – подача расчетным числом насосов в регулирующую емкость при Кн =… при заданном Кн;
qмин – то же одним насосом при Кн=1,2; «4», «6» – максимальные подачи, разрешаемые изготовителем при номинальной частоте вращения вала насоса
На рис. 2 показана работа 4-х насосов Д 500-65. 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 = n0) и при дальнейшем снижении расхода пройдет n3 = 0,86 n0. 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. Тогда 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 м 3 /ч (точка «3») обеспечивается при n1>0,74 n0, при которой 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»), после этого 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 м 3 /ч и qмин = 418 м 3 /ч. Режим наполнения и срабатывания регулирующей емкости определяется числом работающих насосов и их взаимодействием с водоводами при переменной высоте h2. 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 из-за 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 рис. 3 показаны пьезометрические профили системы с водонапорной башней перед потребителем (городской застройкой). В нижнем этаже предусмотрена станция регулирования.
Сравнение пьезометрических профилей при работе водопроводной сети с регулирующими емкостями и без них
1 – насосная установка;
П – диктующая точка на сети;
Ш – регулирующая емкость – водонапорная башня;
РД – станция регулирования;
D Н – потери напора в водоводах и магистральных сетях от насосной установки до диктующей точки;
D Нрg – диапазон регулирования напора насосами;
D Нрg – то же – регулятором давления (стабилизатором напора);
iмакс – гидравлический уклон при максимальном водозаборе;
iмин – гидравлический уклон при минимальном водозаборе;
iw–1 – гидравлический уклон в момент завершения заполнения водонапорного бака при Кн = 1;
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 м 3 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. Причины: технические, экономические, организационные.
А с внедрением регулируемых электроприводов тоже появляются трудности, значительно ухудшающие технико-экономические 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 между отдельными полями. Кроме того, между 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 эффективности его работы важно и с экономической, и экологической точки зрения. Об этом свидетельствуют следующие цифры.
На рубеже ХХ-ХХI в России доля стоимости электроэнергии составляла в 40-80 % эксплуатационных расходов в наружных системах В и В. По оценкам специалистов, нерационально тратился примерно 1 млрд кВт/ч·г. А на рубеже ХIХ-ХХ 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
1. Мошнин Л. Ф., Исаев В. Н., Сомов М. А. Применение регулирующих емкостей в системах водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 1.
2. Порядин А. Ф. Пути улучшения хозяйственно-питьевого водоснабжения в России // Водоснабжение и санитарная техника. 1991. № 3.
3. Митянин В. М. Улучшение работы водопроводов городов Сибири // Опыт эксплуатации систем промышленного и коммунального водоснабжения: Материалы семинара. М., 1966.
4. Гейнц В. Г. Как определить обточку рабочего колеса центробежного насоса // Водоснабжение и санитарная техника. 1990. № 6.
5. Башта Т. М., Руднев С. С. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М., 1982.
6. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М., 1966.
7. Агульник Р. М. Влияние размеров пазух на радиальную силу и характеристику насоса // Гидромашиностроение: Труды ВНИИ Гидромаш. 1974. Вып. 45.
8. Шабалин А. Ф. Колебания часового водопотребления в новых городах // Водоснабжение и санитарная техника. 1937. № 9.
9. Ямпольский М. Д., Прокофьев К. П. Коэффициенты неравномерности потребления воды в индустриальных городах // Водоснабжение и санитарная техника. 1939. № 4-5.
10. Лезнов Б. С. Рекомендации по применению регулируемого привода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. М., 1987.
11. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М., 1998.
12. Гейнц В. Г. Рецензия на монографию Б. С. Лезнова «Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. № 12.
13. Гейнц В. Г. Расширение номенклатуры насосов для воды // Водоснабжение и санитарная техника. 1992. № 4.
14. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции. М., 1990.
15. Шевелев Ф. А., Орлов Г. А. Водоснабжение больших городов зарубежных стран. М., 1987.
