Альтернативное решение по замене башен Рожновского

Первые водонапорные башни Рожновского появились в 30-х годах прошлого столетия и получили широкое распространение в военные и послевоенные годы, когда условия времени требовали изготовления подобных сооружений в заводских условиях, монтажа на месте в течение нескольких суток и, самое главное, отказа от использования дефицитного в то время топлива на их обогрев.
И в настоящее время водоснабжение многих поселков и промышленных предприятий осуществляется при помощи водонапорных башен.

Однако при всей простоте и широком распространении башни Рожновского обладают рядом недостатков:

• трудности использования в зимний период, особенно возрастающие при уменьшении водопо-требления;
• интенсивное появление ржавчины в воде из-за большой поверхности окисления накопительной емкости;
• ограниченное и непостоянное давление воды на выходе из башни, определяющееся высотой башни;
• высокая стоимость и трудоемкость работ по ремонту башни.

Основной недостаток водонапорных систем Рожновского – изношенное или аварийное состояние действующих башен.

Водонапорные башни долгое время являлись основным элементом локального водоснабжения, но на сегодняшний день их установка экономически нецелесообразна, в то время как применение частотного преобразователя для управления насосом скважины снижает расходы по реконструкции башни и имеет ряд неоспоримых технических преимуществ:
• стабильность создаваемого давления за счет автоматического регулирования производительно-сти насоса в зависимости от текущего расхода воды;
• исключение громоздкой водонапорной башни: все необходимое оборудование может быть смонтировано в обычном помещении или специализированном внешнем контейнере, что резко снижает затраты по доставке оборудования и монтажу;
• повышенная надежность оборудования, стабильность работы в зимний период;
• повышение ресурса насоса скважины за счет плавного регулирования и ряда защит;
• отсутствие периодически смачивающихся участков водопроводной системы и, соответст¬венно, отсутствие коррозии, и лучшее качество подаваемой воды;

• возможность интеграции систем учета по расходуемой воде и потребляемой электроэнергии.

Компания «ЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ» предлагает альтернативное решение по замене водонапорных башен!

Основу проекта водоснабжения малых населенных пунктов и хозяйственных объектов без использования водонапорных башен составляют частотный преоб-разователь, который устанавливается в отапливаемом помещении для управления асинхронным двигате-лем насоса скважины, датчик давления и вспомогательное сило-вое коммутационное оборудование. В случае отсутствия отапливаемого помещения не обязательно его строить, достаточно установить преобразователь частоты в шкаф соответствующего климатического исполнения.

СТОИМОСТЬ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Стоимость новой башни системы Рожновского высотой 15 м и объемом 25 м3 на сегодняшний день в среднем 300 тыс. рублей. В случае нового строительства следует также учитывать стоимость разработки проекта и стоимость всех других подготовительных работ (плюс в среднем 200 тыс. рублей).

Т.е. имеем на сегодня: затраты на установку данной башни составит в среднем 500 тыс. руб.:
• стоимость собственно башни, привязка её на место, фундамент (500 кг арматурной стали, 10 кг листовой стали, 25 т бетона, плюс работы).
При использовании частотного регулирования стоимость частотных преобразователей производства компании «ЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ» г. Москва (на примере, 7,5 кВт) составляет 24 тыс. руб. В качестве датчиков давления используются как датчики с токовым выходом 4

20 мА типа КРТ-5 или МВS 3000, так и электроконтактные манометры типа ЭКМ. Приборы равнозначны с точки зрения управления частотным преобразователем, различия заключаются в точности поддержания заданного давления в системе, т.е. датчик давления поддерживает давление в системе с точностью до 1%, в то время как использование ЭКМ позволяет поддерживать давление в системе в пределе, заданном ЭКМ.

Таким образом, в цену базового комплекта оборудования при безбашенном водоснабжении входит стоимость:

• частотного преобразователя – 23 900 тыс. руб.;
• датчика давления – 6,5 тыс. руб.;
• монтажных работ – 10 тыс. руб. (в среднем)
• пуско-наладочных работ – 10 тыс. руб. (в среднем).

Итого: стоимость решения без водонапорной башни – 50,4 тыс. руб., что на порядок меньше, чем стоимость башни – 500 тыс. руб.

РАСХОДЫ, СВЯЗАННЫЕ С ОБСЛУЖИВАНИЕМ ОБОРУДОВАНИЯ

Расходы, связанные с обслуживанием при башенном водоснабжении и водоснабжении с использованием частотных преобразователей производства компании «ЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ» г. Москва, различаются на порядок поскольку:
• частотные преобразователи практически не требуют технического обслуживания, за исключением периодического профилактического осмотра оборудования;
• отсутствие больших пусковых токов, полная защита электродвигателей насосных агрегатов, работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, увеличивает межре-монтный период и срок службы электродвигателей.
• отсутствие гидравлических ударов в системе подачи воды положительно сказывается на сальниках, запорной арматуре, продлевая срок их эксплуатации без ремонта;
• небольшие габаритные размеры и отсутствие особых требований к качеству электропитания позволяют разместить частотные преобразователи в любом подсобном помещении и даже в ко-лодцах скважин, обеспечив необходимые условия эксплуатации;
• унификация, модульность, простота установки позволяют выполнить ремонт в кратчайшие сроки с минимальными затратами;
К особенностям эксплуатации частотного преобразователя можно отнести необходимость поддержания в зимний период температуры не ниже — 5° С или обеспечения его безостановочной эксплуатации (исключить отключение электропитания и останов насосного агрегата и, соответственно, пч), а также обеспечение защиты от прямого попадания влаги (по условиям эксплуатации влажность до 98% без конденсата).

Расходы на обслуживание водонапорных башен значительно выше, поскольку складываются из затрат на проведение ежегодного санитарно-технического обслуживания, очистки, покраски и т.д.

ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ВОДЫ

Экономия электроэнергии происходит за счет разности работ, производимых насосом при подъеме воды на 15-метровую высоту водонапорной башни и подаче к потребителю по горизонтальному водопроводу, плюс экономия за счет стабилизации давления и уменьшения утечек из башни, особенно в зимний период. Еще одним источником экономии при частотном регулировании служит встроенная автоматическая функция минимизации затрат электроэнергии при слабой нагрузке.

Таким образом, суммарная экономия электроэнергии составляет от 30% до 50 %.
Такая существенная экономия электроэнергии становится возможной еще и потому, что снижается общий расход воды, в том числе потери от утечек. Экономия воды в системах водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления. Для существующих систем водоснабжения в коммунальной сфере, не находящихся в аварийном состоянии, каждая лишняя атмосфера вызывает за счет больших утечек дополнительные 2

7% потерь воды, которые и приходится восполнять, затрачивая дополнительное количество электроэнергии при эксплуатации насосного агрегата.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ, УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ, УДОБСТВО В РАБОТЕ

При замене водонапорной башни возможна установка наземного павильона со станцией управления погружным или центробежным насосом (см. рис. ниже). В состав станции управления входят преобразователь частоты, контрольно-измерительные приборы, коммутационная аппаратура, органы управления и контроля.

Регулирование давления может быть автоматическим и ручным.
При автоматическом управлении процесс регулирования давления полностью автоматизирован. При ручном – возможны варианты дискретного (ночное давление – дневное давление) и плавного регули-рования давления в водопроводной сети (согласно установленных ограничений).
На объектах, где расположены несколько электроприводов, работа-ющих во взаимосвязанном режиме, наличие преобразователя частоты в составе станции управления обеспечивает плавный пуск и регулирование скорости вращения одного основного двигателя погружного насоса, при этом остальные двигатели работают непосредственно от питающей сети. Включение и отключение допол-нительных насосов производится автоматически для поддержания давления в водоводе при увеличении расхода воды потребителями и невозможности поддержания заданного давления с помощью основного насоса.

Использование частотных преобразователей в водоснабжении позволяет:
• снизить затраты на ремонт вышедших из строя водонапорных башен не менее чем в 8-10 раз по сравнению с их заменой на новые;
• снизить потребление электроэнергии;
• регулировать давление в водопроводной сети;
• снизить потери чистой питьевой воды при утечках;
• исключить влияние прямых пусков электроагрегатов на электросети;
• уменьшить эксплуатационные расходы на обслуживание, ремонт и поддержание технического состояния оборудования;
• значительно снизить, а не редко и исключить, расходы на ремонт трубопровода за счет исклю-чения гидроударов в сети;
• обеспечить технологичность, универсальность и экологичность по сравнению с водонапорными башнями;
• обеспечить окупаемость внедряемого частотно-регулируемого привода в среднем за 5-6 ме-сяцев только за счет сэкономленной электроэнергии (с учетом всех косвенных экономических факторов этот срок значительно снижается).

Метод водоснабжения без использования водонапорных башен с успехом может быть использован для водоснабжения малых населенных пунктов, отделенных хозяйственных объектов, а также частных коттеджей.

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.