СИСТЕМЫ АРТЕЗИАНСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Постоянный рост цен на энергоносители стимулирует разработку и внедрение энергосберегающих технологий, к которым относится и частотно-регулируемый электропривод. Он особенно эффективный в системах артезианского водоснабжения, где экономия электроэнергии достигает 25 – 40% в зависимости от режимов работы и условий, в которых эксплуатируются насосные станции. В некоторых источниках указывают экономию 60% и даже 80%, однако такой экономии достигают только в том случае, если одновременно с внедрением частотно-регулируемого электропривода проводят замену устаревшего насосного оборудования.

Если частотно-регулируемый электропривод такой эффективный, то почему он массово не внедряется? К одному из факторов, сдерживающих внедрение станций частотного управления насосными агрегатами, в частности и на водоканалах, можно отнести отсутствие достоверной информации об экономической эффективности и технической целесообразности их внедрения. В развитых странах уже прошли этап недоверия к этой технологии и, например, в США промышленный потенциал, в котором используется частотно-регулируемый электропривод, составляет 40%, в Германии 50%, а в независимой Украине – не более 10%.

В данной статье рассмотрим основные практические вопросы, связанные с эффективным применением частотно-регулируемого электропривода в системах артезианского водоснабжения, в которых каждая вторая водонапорная башня требует капитального ремонта, а каждая четвертая вообще не подлежит ремонту.

Артезианское водоснабжение очень актуально для Украины, потому что запасы пресной воды у нас самые малые в Европе, и каждый третий украинец потребляет артезианскую воду. Несмотря на это мы в среднем потребляем на 100 литров воды в день больше чем в странах Евросоюза и потери в системах водоснабжения у нас самые большие.

АРТЕЗИАНСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ С ВОДОНАПОРНЫМИ БАШНЯМИ

Знакомая и понятная для всех нас система артезианского водоснабжения имеет водонапорную башню, с помощью которой автоматизируется технологический процесс водоснабжения. Алгоритм работы такой системы понятен для всех – при срабатывании датчика нижнего уровня воды в башне включается глубинный насос артезианской скважины, а при наполнении башни датчик верхнего уровня отключает насос.

Когда речь заходит об экономии электроэнергии в системе водоснабжения с водонапорной башней с помощью частотного привода, то многие недоумевают: насос включается и выключается автоматически, а, выключившись, вообще ничего не потребляет, так о какой экономии может идти речь? За счет чего получают экономию электроэнергии в таких системах, рассмотрим позже, а сейчас перечислим преимущества водонапорных башен.

1. При перебоях в электроснабжении в башне будет запас воды – это основное преимущество для тех, кому старые технологии всегда кажутся более надёжными и удобными. Одако это преимущество весьма сомнительно, ведь напряжение питания может быть отключено и в тот момент, когда в башне воды практически не будет (нижний уровень).
2. Если в артезианской воде есть сероводород, то, отстоявшись в водонапорной башне, вода будет поступать к потребителю уже без неприятного запаха.
3. Если водонапорная башня выйдет из строя, то ее можно сдать на металлолом.

К недостаткам водонапорной башни моно отнести:

1. Высокая стоимость самой башни и большие эксплуатационные расходы на обслуживание, и текущий ремонт (устранение течей, чистка, дезинфекция, покраска);
2. Необходимость в строительной площадке и проведении капитального строительства, связанного с установкой водонапорной башни;
3. Давление в водопроводе изменяется пропорционально высоте воды в водонапорной башне. Так как нижний уровень воды в башне должен обеспечивать нормальное водоснабжение всех потребителей, то наполнение башни водой выше этого уровня приводит к увеличению потерь воды из-за утечек (2 – 7% на одну атмосферу) и увеличения удельного потребления электроэнергии на подъем воды с артезианской скважины (насос должен преодолевать больший напор воды).
4. Трудности использования в зимний период, особенно возрастающие при уменьшении водопотребления. Замерзание переливающей воды может привести к разрушению конструкции и падению башни;
5. Ржавчина, появляющаяся на стенках башни, ухудшает качество воды;
6. В водонапорной башне вода контактирует с окружающим воздухом, что приводит к образованию органических соединений, которые вынуждены уничтожать хлорированием воды. В результате химической реакции хлора и органики образуются хлорорганические соединения, которые, по заключению американских ученых, увеличивают риск онкологических заболеваний.

БЕЗБАШЕННОЕ АРТЕЗИАНСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ С ПОЖАРНЫМИ РЕЗЕРВУАРАМИ

Одновременно со строительством водонапорных башен, как правило, строились и пожарные резервуары, которые сохранились намного лучше водонапорных башен, и могут быть использованы в системах безбашенного водоснабжения. Пожарный резервуар, так само, как и водонапорную башню заполняют водой с помощью глубинного насоса артезианской скважины. Для подачи воды с пожарного резервуара в систему водоснабжения используют насос второго подъема, при этом давление в водопроводе поддерживают либо с помощью задвижки (дедовский метод), либо регулятором «после себя» (бай пасс), а лучше всего – с помощью энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода.
Такая безбашенная система артезианского водоснабжения, с нашей точки зрения, будет самой оптимальной, как по стоимости, так и по функциональным возможностям. В такой системе будет не только санитарный, но и пожарный запас воды, а строительство пожарного резервуара и его облуживание намного дешевле варианта с водонапорной башней. Очень хорошие результаты получают при использовании пластмассовых резервуаров, выпуск которых освоен в Украине (смотри фото).

БЕЗБАШЕННОЕ АРТЕЗИАНСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ С МЕМБРАННЫМИ БАКАМИ

В последнее время находят все более широкое применение безбашенные насосные станции с гидроаккумуляторами на базе мембранных баков. Такие баки имеют резиновую «грушу» (мембрану), которая при наполнении водой сжимает воздух в гидроаккумуляторе. При достижении заданного давления срабатывает контактный манометр (реле давления) и отключает насос. Сжатый воздух выдавливает воду с гидроаккумулятора в систему до тех пор, пока давление не уменшится до минимального значения, при котором сработает контактный манометр и включит насос.

В таких системах вода не имеет контакта с воздухом и необходимость в хлорировании отпадает. Однако в процессе работы наблюдается образование осадка в резиновой груше, состоящего с механических примесей песка, глины, мела, ржавчины и т.д., что снижает качество воды и вынуждает проводить санитарную профилактическую промывку гидроаккумулятора.

К недостаткам таких систем можно отнести относительно невысокий срок службы резиновых мембран и постоянно изменяющееся давление в водопроводе, которое приводит к увеличению потерь воды и к увеличению потребления электроэнергии.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СИСТЕМЫ АРТЕЗИАНСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Энергосберегающие станции управления глубинными насосами артезианских скважин (СУГНА) на базе частотно-регулируемого электропривода, которые выпускает научно-промышленное предприятие ТЕХНОСЕРВИСПРИВОД, позволяет, кроме экономии электроэнергии, автоматизировать технологический процесс водоснабжения и поддерживать постоянное давление в системе независимо от расхода воды.

Энергосберегающие станции СУГНА могут обеспечивать артезианское водоснабжение как автономно, т.е. без водонапорных башен, пожарных резервуаров и мембранных баков, так и вместе с ними. При использовании СУГНА в любых системах артезианского водоснабжения они дают экономический эффект и значительно улучшают технико-эксплуатационные характеристики.

Следует отметить, что станции управления глубинными насосами артезианских скважин СУГНА кроме экономии 25 – 40% электроэнергии дают возможность автоматизировать и оптимизировать технологический процесс артезианского водоснабжения, что значительно повышают надежность и долговечность насосного оборудования, водопроводов, запорной и регулирующей арматуры и т.д., и уменьшают затраты на обслуживание и ремонт системы артезианского водоснабжения. Более подробно в статье ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ СУГНА.

Водонапорная башня: назначение, виды, элементы и как устроена

ГОСТ 25151-82, устанавливающий термины, определения для систем, оборудования водоснабжения, указывает, что водонапорная башня является напорным резервуаром для хранения воды, установленным на опорной конструкции.

СП 8.13130.2020, регламентирующий противопожарные требования при устройстве источников внешнего водоснабжения, относит водонапорные башни к пожарным резервуарам, то есть к емкостным инженерным сооружениям, предназначенным для хранения запасов воды, которые по исполнению могут быть как металлическими, так и железобетонными конструкциями.

Фото водонапорной башни А.А. Рожновского

СП 31.13330.2012 о водоснабжении, являющийся актуализированной редакцией СНиП 2.04.02-84, также рассматривает водонапорные башни в качестве источника водоснабжения для целей тушения пожаров; уточняя, что в поселках, где проживает до 5 тыс. человек, а расход воды требуется не больше 10 л/с, допустимо прокладывать тупиковые линии водоснабжения при наличии пожарного водоема, водонапорной башни, что расположены в конце таких тупиков.

Но, изначально водопроводные башни создавались, и используются до сих пор не только для целей пожаротушения, а как гидротехнические сооружения для создания запасов воды, автономного регулирования ее расхода, напора в локальной сети водоснабжения небольшого населенного пункта, предприятия, железнодорожной станции.

Следует отметить, что строительство водонапорных башен в наши дни не уникально, как в прошлом, когда построенные из натурального камня, полнотелого кирпича сооружения часто отличались вычурной архитектурной красотой, отнесшей их позднее к достопримечательностям, историческим памятникам.

Для возведения современных водонапорных башен используют типовые проекты, технические условия, например, ТУ 4741-001-76960843-2005 – о стальных унифицированных водонапорных башнях системы Рожновского; ТУ 4741-001-00237819-2006 – о водонапорных башнях Рожновского типов БР-15, БР-25.

История

Для создания запаса воды, ее самотечной подачи в населенные пункты без использования каких-либо насосных механизмов, еще в древности использовали горные озера, искусственные пруды, акведуки.

Века назад появились и первые водонапорные башни – искусственные резервуары, устанавливаемые в крепостях, замках, городах для питьевых, хозяйственных нужд защитников, населения как в мирное время, так и при осаде неприятелем. Именно эти сооружения противник стремился разрушить одними из первых, чтобы лишить обороняющихся запаса воды, в том числе использовавшейся для тушения пожаров, возникающих при осадных действиях.

Второе рождение водонапорные башни получили с изобретением паровоза, строительством разветвленной сети железных дорог, обслуживающего их инженерного станционного хозяйства в Европе, США, России; развитием промышленного производства на новых территориях, не имеющих сетей централизованного водоснабжения.

Именно простейшая конструкция, принцип работы башни сделали ее такой востребованной, актуальной в различных ситуациях:

• Возможность забора воды из любого источника – от реки, ручья до артезианской скважины.
• Установка насоса не очень большой мощности для подъема воды в бак башни на высоту 10-20 м.
• Самотечная подача воды на питьевые, технические или хозяйственные нужды под естественным напором.
• Постоянное пополнение запаса воды, используемой для повышения напора в локальной сети водоснабжения поселка, железнодорожной станции, промышленного производства.
• Использование в критических ситуациях, в том числе при тушении пожара.
• Простейшая автоматика включения заполнения бака, пуска воды.

Из-за комплекса перечисленных преимуществ, унификации комплекта водонапорной башни, которую несложно доставить на новую промышленную площадку, территорию сельскохозяйственного предприятия, строящегося жилого поселка; быстро смонтировать, установив на бетонное фундаментное основание, они востребованы в районах, где централизованное строительство наружных сетей водоснабжения в ближайшие годы не планируется.

Назначение

Водонапорная башня предназначена для следующих целей:

• Заполнения ее бака водой из ближайшего источника, включая подземные водоносные пласты, с помощью насоса/насосной станции.
• Хранения запаса воды.
• Подачи ее под собственным напором в автономную систему водоснабжения на нужды населенного пункта, производственного, сельскохозяйственного объекта.

Вторая функция водонапорной башни, как искусственного источника наружного противопожарного водоснабжения, указана в пункте 4.1 СП 8.13130.2020:

• Для защиты поселений, где жителей меньше 5 тыс.
• Отдельных строительных объектов за их чертой, не обеспеченных наружным водоснабжением.
• Объектов любого назначения, с расходом воды на тушение не выше 10 л/с.
• Зданий малоэтажной застройки площадью, не превышающей нормативную для пожарного отсека по их степени стойкости огню.

Кроме того, водонапорные башни используются в качестве дополнительного источника для заправки пожарных автомашин, когда организовывается подвоз воды к месту пожара. Для этого:

• Снаружи башни на отводящем, подводящем трубопроводе врезают патрубок с соединительной головкой для подключения, заправки пожарной автотехники.
• У водонапорной башни, а также по направлению подъезда к ней, так же как для пожарных гидрантов, водоемов, должны устанавливаться указатели расстояния до них, с использованием светоотражающих материалов.

Видов водонапорных башен несколько, зависящих в основном от материала, использованного для постройки:

• Каменные, кирпичные, редко эксплуатируемые, чаще используемые под размещение музеев, смотровых площадок, предприятий общепита.
• Из железобетонных конструкций, в основном строившиеся в СССР.
• Водонапорные баки, смонтированные на ажурных металлических опорах, созданные по проектам инженера В. Г. Шухова.
• Водонапорные цилиндрические баки, установленные на стальном рамном каркасе произвольной конструкции.
• Стальные баки переменного сечения системы инженера А. А. Рожновского, напоминающие по форме гранату с ручкой.
• Цилиндрические резервуары различных размеров, вплоть до железнодорожных цистерн, установленные на железобетонные, стальные конструкции оснований. Чаще всего это водонапорные баки в составе систем летнего водопровода дачных поселков.

Технические характеристики, устройство и элементы

Их стоит рассмотреть на примере самой распространенной конструкции таких гидротехнических сооружений, изобретенной советским инженером А.А. Рожновским в 1936 году, и настолько удачной, эффективной при использовании, что автор был в 1942 году награжден Сталинской премией.

Основной идеей талантливого изобретателя было использование унифицированного набора конструктивных элементов высотного водонапорного сооружения, в основном выполненных из металла, что позволяло их быструю транспортировку, сборку на месте за небольшой период, особенно по сравнению со строительством подобных сооружений из кирпича, железобетонных конструкций.

Огромными преимуществами нового вида таких инженерных сооружений было отсутствие необходимости в системе обогрева, что весьма важно для большинства регионов страны, а также вновь разработанная схема управления, полностью работающая в автоматическом режиме. Изобретение первоначально предназначалось для заправки паровозов на железнодорожных узлах, станциях, но стало впоследствии востребованным в других отраслях.

В состав башни Рожновского входят следующие элементы:

• Фундаментное основание, выполняемое из готовых строительных блоков или заливкой монолитной плиты.
• Ствол башни, являющийся ее опорной частью, высота которого составляет до 30 м.
• Бак, имеющий типовой размер емкостью 15, 25, 50 или 160 м 3 , служащий для сбора/расхода воды.
• Стальные трубопроводы для заполнения, отвода воды из бака, откуда она под собственным напором, создавая давление, поступает к потребителям.
• Наружная/внутренняя лестница или скобы для обслуживания.
• Смотровой люк в крыше водонапорного бака.
• Насос, источником воды для которого чаще всего служит подземная скважина или водоем.
• Система автоматики – контактные датчики верхнего, нижнего уровней воды в баке, реле включения/отключения электропитания насосов.
• Аварийное устройство перелива воды на случай отказа автоматики.

Схема оборудования водонапорной башни-колонны

1 – напорная труба для подачи воды из колонны в бак; 2 – рабочая переливная труба; 3 – подающе-отводящая труба; 4 – воздушная труба; 5 – бак; 6 – регулирующий объем; 7 – неприкосновенный противопожарный объём; 8 – днище бака; 9 – труба для подачи воды в сеть при тушении пожара; 10 – предохранительная переливная труба; 11 – колонна; 12 – всасывающая труба насоса; 13 – насосная станция подкачки; 14 – труба к водопроводной сети

Согласно СП 8.13130.2020 к техническим параметрам, устройству водонапорных башен предъявляются следующие требования:

• Расчетный объем воды в баке должен обеспечить наружное и внутреннее тушение пожара в обслуживаемом здании в течение 10 мин, с учетом максимального расхода на другие нужды.
• Размещение бака по высоте установки должно производиться на основании гидравлического расчета системы водоснабжения.
• Если водонапорная башня не входит в зону имеющейся молниезащиты обслуживаемого объекта, то требуется оборудование собственных устройств защиты от разряда атмосферного электричества.
• Автоматика должна обеспечивать контроль уровня неприкосновенного объема воды для целей пожаротушения, а также уровень, обеспечивающий работу насосов в безаварийном режиме.
• Степень стойкости к огню водонапорной башни должна быть не ниже II-ой.
• Для изготовления опорных стволов башен допустимо использовать стальные конструкции или местные негорючие материалы и вещества, а для баков – только сталь.
• В районах с жестким климатом допустим подогрев воды в баке при помощи паровых, водяных, электрических нагревательных устройств, греющих кабелей.

При наличии одного источника электроснабжения водонапорной башни в малонаселенных пунктах, на объектах защиты следует предусматривать установку резервного пожарного насоса с двигателем на жидком топливе, обеспеченным автоматическим пуском от аккумуляторной батареи.

Как работает

Водоснабжение жилого поселка

Принцип работы этого гидротехнического высотного сооружения основан на эффекте закона о сообщающихся сосудах:

• С помощью насоса по подающему трубопроводу происходит забор воды из подземной скважины, реки, озера в накопительный бак, смонтированный наверху башни.
• Под собственным напором, обусловленным высотой размещения бака, вода самотеком движется по подающему трубопроводу в автономную/локальную систему снабжения ее потребителей – жилых домов, промышленных, сельскохозяйственных производств. Имеется также возможность с помощью соединительных патрубков с вентилями непосредственной заправки сельскохозяйственной, поливочной, пожарной автотехники.
• При небольшом разборе воды напорный бак постепенно заполняется, и при достижении максимального уровня автоматика по сигналу электроконтактного датчика отключает подачу электропитания на насос.
• При понижении уровня до минимально установленного значения происходит включение насоса.

Простота конструкции, режима работы башни по-прежнему оставляет ее востребованным гидротехническим оборудованием за городской чертой, вне зоны действия централизованных сетей водоснабжения.