Оптимизация работы водопроводной сети города
Аннотация
Представлены способы оптимизации работы водопроводной сети г. Новосибирска. Подробно рассмотрены несколько вариантов установки редукционных клапанов на участках водопроводной сети микрорайонов Пашино («до себя») и Северный («после себя») Калининского района города. Приведены результаты эксплуатации различных регуляторов давления и частотных преобразователей, применяемых в последние несколько лет на водопроводных насосных станциях. В результате установки регуляторов давления на участках водопроводной сети микрорайонов Пашино и Северный г. Новосибирска удалось снизить общий расход насосных станций «Питьевой центр» и ТЭЦ-4 на 10–15%, уменьшить давление на насосной станции четвертого подъема (ТЭЦ-4) на 10 м вод. ст. При этом аварийность водопроводной сети микрорайонов снизилась на 10–20%.
Водопроводная сеть города – один из основных элементов системы водоснабжения. Надежность ее работы и бесперебойность подачи воды потребителям в необходимом объеме и с гарантированным напором являются важнейшими показателями качества услуг, оказываемых МУП г. Новосибирска «Горводоканал».
Протяженность трубопроводов в городе составляет более 1700 км. Отдельные жилые районы имеют высокие геодезические отметки и значительно удалены от станции водоподготовки. Поэтому на водопроводной сети предусмотрено несколько крупных повысительных насосных станций (станций подкачки). На отдельных участках сети возникают избыточные напоры, которые приводят к увеличению числа аварийных ситуаций и соответственно к потерям воды из-за изношенности (до 70%) труб.
В настоящее время с учетом особенностей городской водопроводной сети изменен подход к обеспечению ее работоспособности, организация управления эксплуатацией поставлена на более высокий уровень. С недавнего времени наряду с модернизацией водопроводной сети постоянно оптимизируется работа насосных станций. За счет перераспределения потоков в сети и изменения зон водоснабжения отдельных районов стало возможным снижение давления на насосных станциях, реализованное с помощью частотного регулирования.
С 2008 г. частотные преобразователи устанавливаются как на небольшие насосные станции, так и на высоковольтное насосное оборудование мощностью от 500 кВт. При этом общая аварийность на участках водопроводной сети сократилась на 20–25%, а расход электроэнергии по данным насосным станциям уменьшился на 15–30% в зависимости от марки насосного оборудования.
Наряду с непрерывным контролем за гидравлическими параметрами системы водоснабжения и режимами работы насосных станций, заменой запорно-регулирующей арматуры в течение последних лет на водопроводных сетях г. Новосибирска устанавливаются современные регуляторы давления. В настоящее время установлено 15 регуляторов давления различных марок («T.I.S.», «Raphael», «BERMAD»), которые регулируют давление как «до» так и «после себя» и позволяют исключить значительные колебания давления и повысить надежность работы водопроводной сети. Схему работы установленных регуляторов давления рассмотрим на примере участков водопроводной сети микрорайонов Пашино и Северный Калининского района г. Новосибирска.
ВодоснабжениемикрорайонаПашино, представляющего собой пяти- и двухэтажную застройку, окруженную частным сектором, осуществляется по водоводу диаметром 500 мм от насосной станции ТЭЦ-4 (четвертый подъем). Подача воды в водопроводные сети частного сектора происходит непосредственно от водовода. Исходя из этого, необходимое давление в контрольной точке (самая высокая точка по рельефу местности, в которой перепад по отметкам с насосной станцией составляет 25 м), находящейся в начале распределительной сети, должно быть не ниже 14 м вод. ст., что обусловливает высокое давление на насосной станции ТЭЦ-4 (40–50 м вод. ст.). Подкачка воды для нескольких районов пятиэтажной застройки осуществлялась четырьмя насосными станциями с резервуарами чистой воды: «Искра», «Пошивочная», поселков Гвардейский и Флотский (рис. 1).
Наиболее крупная насосная станция «Искра» с двумя резервуарами чистой воды (общим объемом 4000 м 3 и средним расходом 250 м 3 /ч) расположена в конце сети. Перепад по отметкам с контрольной точкой составляет 30 м, что приводит к избыточному давлению перед резервуарами и соответственно к необходимости постоянно регулировать задвижку перед резервуаром. Подобная ситуация сложилась и с остальными насосными станциями поселка, что приводило практически к постоянным гидравлическим ударам в результате резкого повышения давления в сети, которое в отдельные периоды достигало 70–80 м вод. ст. При наполнении резервуара даже одной насосной станции наблюдалось падение давления в водопроводной сети всего микрорайона.
Исправить сложившуюся ситуацию позволила установка двух регуляторов давления «до себя». С помощью редукционного клапана, размещенного перед резервуаром чистой воды насосной станции «Искра», обеспечено минимально необходимое давление в водоводе диаметром 500 мм вне зависимости от режима работы насосной станции. Регулятор давления на водоводе в «середине» сети микрорайона (рис. 1) гарантировал постоянное давление и, как следствие, постоянное и равномерное поступление воды в резервуары чистой воды остальных насосных станций.
В настоящее время давление в водопроводной сети микрорайона Пашино не превышает 30 м вод. ст., а рабочее давление в течение суток меняется в интервале 20–25 м вод. ст. (рис. 2). Обеспечена постоянная и равномерная подача воды в резервуары насосных станций независимо от колебания расхода в летний период, связанного с отбором воды на полив в частном секторе.
Благодаря установке регуляторов давления общая аварийность на сетях микрорайона Пашино сократилась на 30%. Удалось снизить давление на насосной станции ТЭЦ-4 до 30–40 м вод. ст. и сократить общее водопотребление микрорайона на 33 516 м 3 в месяц (10,1%), а в дальнейшем отказаться от эксплуатации требующего на тот момент капитального ремонта резервуара чистой воды насосной станции «Пошивочная».
ВодоснабжениемикрорайонаСеверный осуществляется по закольцованному водоводу диаметром 300 мм от насосной станции «Питьевой центр». Микрорайон представляет собой частный сектор и два небольших жилых массива десятиэтажной застройки. Водоснабжение многоэтажной застройки и частного сектора осуществляется непосредственно от данного водовода (рис. 3). Наличие десятиэтажной застройки и перепад между отметками земли до 30 м (между массивами многоэтажной застройки и зданиями частного сектора) обусловливают высокое давление в водопроводной сети частного сектора (до 75–80 м вод. ст.) и высокую аварийность.
Исходя из особенностей системы водоснабжения, подача воды в сети частного сектора осуществляется по нескольким трубопроводам диаметром 100–150 мм от основного водовода диаметром 300 мм. В связи с высоким коэффициентом суточной неравномерности, связанным с отбором воды на полив, было принято решение об установке трех редукционных клапанов диаметром 150 мм (рис. 3), работающих параллельно на одну водопроводную сеть. Перемычки между системой водоснабжения частного сектора и основным водоводом были исключены.
Установка и оптимальная настройка (ноябрь 2009 г.) регуляторов давления позволили снизить давление в водопроводной сети частного сектора до 45–50 м вод. ст. и общее водопотребление на 10–15% (с 6045 до 5319 м 3 в месяц). Общая аварийность водопроводной сети за 2010 г. снизилась на 20%, прекратились жалобы от населения на повышенное давление в сети.
Выводы
В результате установки регуляторов давления на участках водопроводной сети микрорайонов Пашино и Северный г. Новосибирска удалось снизить общий расход насосных станций «Питьевой центр» и ТЭЦ-4 на 10–15%, уменьшить давление на насосной станции четвертого подъема (ТЭЦ-4) на 10 м вод. ст. При этом аварийность водопроводной сети микрорайонов снизилась на 10–20%.
Оптимизация модульных решений в системах водоснабжения и канализации
Optimization of Modular Solutionsin Water Supply and Sewer Systems
O. A. Steinmiller, Candidate of Engineering, General Director at AO Promenergo, V. V. Petrov, Head of Package Sales at AO Promenergo, A. S. Semyonov, Director of Engineering Center for Modular Solutions at AO Promenergo
Keywords: water supply, sewer,sewage pumping stations, modular automatic pumping station
There is a recent tendency of implementing modular solutions in ventilation, heating, water supply and disposal systems. Popularity of modular solutions is explained by reduction of the costs and time: for development of design solutions, their approval, and for construction and installation works. These solutions relate well with the concept of standard design of solutions.
В последнее время наблюдается тенденция к внедрению модульных решений в системах вентиляции, отопления, водоснабжения и водоотведения. Популярность применения модульных решений обусловлена сокращением затрат и сроков: на разработку проектных решений, их согласование; на проведение строительно-монтажных работ. Данные решения хорошо соотносятся с концепцией типового проектирования решений.
Оптимизация модульных решений в системах водоснабжения и канализации
О. А. Штейнмиллер, канд. техн. наук, генеральный директор АО «Промэнерго»,
В. В. Петров, руководитель комплектных продаж АО «Промэнерго»,
А. С. Семенов, директор инженерного центра модульных решений АО «Промэнерго»
При рассмотрении вопросов оптимизации модульных решений в водоснабжении в первую очередь следует отметить применение в качестве повысительной насосной установки МАНС (модульная автоматическая насосная станция) заводского изготовления, что стало общей практикой для внутренней инженерной инфраструктуры зданий.
В последнее время значительно возросло применение так называемых блочно-модульных решений для насосных станций повышения давления на наружных сетях водоснабжения. Такое решение представляет собой выполненную в готовом корпусе насосную станцию, предназначенную для наружной установки. Наиболее распространенными являются блочно-модульные насосные станции надземного размещения. В этом случае они, как правило, имеют жесткую каркасную основу, обшиваемую сэндвич-панелями. Указанное конструктивное исполнение может быть скомплектовано из нескольких секций. Размер секции ограничен требованиями транспортировки (наиболее распространенные варианты: длина до 12 м, ширина до 2,5 м, высота до 2,5 м). Таким образом, общий размер поставляемой насосной станции не будет иметь ограничений по габаритам по сравнению с моносекционной установкой.
На рис. 5 представлены фотографии двухсекционной повысительной водопроводной насосной станции (далее – ПВНС), реализованной, в соответствии с проектом, при строительстве систем инженерного обеспечения объектов жилищной застройки квартала в районе Янино-1 (Ленинградская обл., Всеволожский р-н). Общие габариты указанной станции составили 6000×4800×2600 мм. Внутри станции размещены: установка с шестью основными насосами и одним насосом-жокеем МАНС 6 CR150–3–2 + 1 CR32–2, вводной электросиловой шкаф, шкаф автоматики и управления МАНС.
При разработке модульного решения ПВНС и размещении оборудования внутри станции необходимо обратить особое внимание на следующие аспекты:
- оптимизация габаритов с учетом транспортных ограничений при сохранении необходимых зон обслуживания оборудования;
- разработка конструктива каркаса, пола и крыши станции с учетом всего комплекса требований (жесткость, прочность, сниженный уровень теплопотерь, обеспечение аварийного водоотведения и др.);
- оценка необходимости оснащения корпуса станции воротами с ручной или электрической талью и/или люками для проведения ремонтных работ в ходе эксплуатации. При этом должна учитываться возможность проведения демонтажа насосного оборудования через люк (люки), предусматриваемые в крыше насосной станции;
- определение трассировки трубопроводов (включая опоры и другие способы закрепления) и кабельных сетей;
- разработка технических решений по соединению внутренних коммуникаций (трубопроводов, электросиловых и сигнальных кабелей) при «стыковке» секций в ходе сборки на объекте;
- определение мероприятий, выбор типа конструкций и материалов, обеспечивающих требуемую степень огнестойкости (что особенно существенно при размещении группы насосного оборудования, предназначенного для противопожарного водоснабжения);
- разработка конструктивных и инженерных решений подключения блочно-модульной станции к наружным коммуникациям (входному и выходному трубопроводу, электросиловым и сигнальным сетям);
- осуществление всего комплекса требований к фундаментной плите-основанию, в том числе определение габаритов, конструктивных особенностей (расчет прочности с подбором характеристик армирующей сетки), организация мест подведения и подключения наружных коммуникаций.
При этом следует учитывать:
- что размещение «связанного» оборудования (например, насосы одной группы или основные шкафы управления и автоматизации) по возможности должно предусматриваться в пределах одной секции;
- что размещение и конструктивное решение вводного электрического шкафа должны обеспечивать возможность подключения ввод-ного электросилового кабеля (с учетом изгиба при определенном проектом сечении, а также расположения точек ввода этого кабеля в станцию).
Разрабатываемая модульно-блочная повысительная насосная станция может включать следующие элементы: павильон насосной станции (включая внутренние системы обеспечения: освещение, обогрев, вентиляция и др. (МАНС хозяйственного-питьевого и/или МАНС противопожарного водоснабжения)), шкафы (щиты) управления и автоматизации. Комплект изделий, поставляемых как модульное решение, должен определяться в соответствии с указаниями проектной документации. Особое внимание следует обращать на состав документации, которую необходимо предоставить заказчику с изделием (или комплектом изделий).
 |
Одним из важных направлений оптимизации модульных решений в водоснабжении является детальная проработка вопросов, связанных с энергоэффективностью и надежностью работы оборудования. Существенным фактором является то, что стоимость затрат на электроэнергию за срок службы такой повысительной насосной системы, как правило, многократно превышает ее первоначальную стоимость. Другим фактором, определяющим эксплуатационные расходы, является корректный подбор насосных агрегатов для реальных режимов эксплуатации в целях обеспечения долговечной работы при низких ремонтных затратах.
При использовании МАНС хозяйственно-питьевого водоснабжения предусматривается автоматическое подключение/отключение рабочих насосов (по схеме параллельной работы) в соответствии с текущими условиями водопотребления (расхода воды). В системах водоснабжения сложной конфигурации, как правило, управление работой осуществляется по критерию поддержания постоянного давления на выходе МАНС. В таких системах в целях обеспечения необходимого уровня энергоэффективности и плавности регулирования подачи при постоянном напоре, с учетом характера эксплуатации МАНС, в системах водоснабжения обязательно применение частотного регулирования привода насосов в составе МАНС.
В ходе проектирования МАНС необходимо обеспечить максимальный КПД работы насосной установки в целом. Для этого подбор насосов производится таким образом, чтобы на большей части рабочей зоны, и в первую очередь в точке пересечения характеристики насоса (при номинальной частоте вращения рабочих колес) и линии контролируемого постоянного давления (напора), обеспечивалось максимальное КПД насосов. Это, в свою очередь, создаст условия для высокой энергоэффективности принятого решения.
В последнее время особенно актуальной стала задача оснащения каждого из насосов частотно-регулируемым приводом (ЧРП). Причем в настоящее время еще не решен вопрос порядка изменения выходного давления МАНС в соответствии с изменяемой подачей (обеспечение необходимого давления в каждой точке потребления). Реализация такого решения сегодня экономически не оправданна. Поэтому в большинстве случаев реализуются схемы с использованием критерия постоянного давления на выходе МАНС.
Потребность в ЧРП на каждом насосе обусловливается, как правило, вариативностью параметров на входе в МАНС. При постоянном критерии давления на выходе это приводит к необходимости эксплуатации МАНС в режимах с переменным напором, выдаваемым насосами в составе МАНС. При существенном снижении напорных характеристик возрастает вероятность выхода работающих на номинальной частоте насосов в недопустимые зоны характеристики (вправо). Поэтому при вероятности изменчивости напоров на подводящем трубопроводе рекомендуется предусматривать применение ЧРП на каждом из насосов, при этом система управления и автоматизации МАНС должна использовать алгоритмы контроля и учета рабочей зоны.
Кроме того, передовые решения при разработке программного обеспечения контроллера в составе МАНС позволяют в каждый момент времени оптимизировать работу такой установки, выбирая наилучшее сочетание количества работающих насосов и частоты вращения с точки зрения минимизации затрат электроэнергии. Такое решение, разработанное и внедренное в программное обеспечение ряда моделей МАНС, выпускаемых АО «Пром-энерго», основано на известных в насосной теории законах подобия. Применение этого алгоритмического решения позволяет существенно сократить энергозатраты и увеличить сроки службы насосного оборудования за счет постоянного автоматического «поиска» системой управления МАНС таких режимов работы насосных агрегатов, которые были бы оптимальны по нагрузке, соответствующей текущей потребности.
Реальное совмещение энергоэффективности и модульного построения инженерных систем в ходе проектирования и строительства может быть обеспечено за счет разработки и внедрения в практику типовых проектных решений. Дальнейший анализ тенденций и потребностей в области систем водоснабжения и водоотведения (основанный на рассмотрении применяемого инженерного оборудования, в том числе насосных станций, систем управления, автоматизации и диспетчеризации) позволит существенно сократить стоимость жизненного цикла таких систем. Разработка и внедрение в практику оптимальных типовых проектных решений – это реальный путь, обеспечивающий совмещение вопросов энергоэффективности и модульного построения инженерных систем в ходе проектирования и строительства.
