Центробежные насосы.
Как они должны работать в системах водоснабжения городов и поселков

В. Г. Гейнц, инженер

 

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 q_макс= 1650 м³/ч и q_мин = 1100 м³/ч и расчетных коэффициентах подачи воды насосами К_м = 1 и 1,2;

- при работе без регулирующих емкостей q_макс= 2300 м³/ч и q_мин =  418 м³/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. м³) или 1328 и 4928 м³.

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 q_макс/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:

К = (D_ном-D_иск)/(D_ном-D_мин) = (460-D_иск)/(460-400),

которое решается двумя способами с помощью парабол пропорциональности:

Н =с₁q₂… (1)

и

H₂ = c₂q₂ (2)

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.

Рисунок 1 (подробнее)   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; qwмакс – подача в регулирующую емкость расчетным числом работающих при Кн =… насосов при заданном Кн; qwмакс – то же одним насосом при Кн=…

 

Вторая предельная точка q^w_макс/Н = 2000/54, соответствующая работе насоса в регулирующую емкость при К_н = 1,2, обозначена в рабочем поле П точкой «2».

Апроксимацию характеристик насосов для каталожных диаметров рабочих колес следует выполнять по формуле

Н = а-bq₂, (3)

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) q_макс- q_мин= 2450 - 2050 = 400 м³/ч искомая точка і_иск= 60·150/400 = 22,5 мм, искомый диаметр D_иск = 437 мм. Если считать по разностям манометрических высот, то разница будет незначительна.

Графический метод проиллюстрирован для точки «2» (2000/54), где:

q_1макс- q_1мин = 1760 = 640 м³/В

и

q_1макс- q^w_расх = 2400 - 2000 = 400 м³/В;

откуда і_иск= 60o400/640 = 37,5 мм и D_иск = 422,5 мм.

После нахождения таким способом оптимальных расчетных диаметров, насосостроители пересчитывают характеристики по формулам:

q_иск= q_зав.D_иск/D_{зав.опт.}

и

H_иск= H_зав (D_иск/D_{зав.опт})2,

где: D_{зав.опт} - наибольший заводской диаметр;

q_зав и H_зав - точки с заводской характеристики;

q_иск и H_иск - 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<0,5n₀.

Нормативные документы предписывают рассчитывать объем регулирующих емкостей по максимальному суточному расходу исходя из предположения, что насос/насосы проработают без отключения все 24 часа. Но в нормально функционирующей системе в период максимального водозабора должен быть один самый большой водозабор, а остальные меньше его. Поэтому подача воды в сеть с регулирующими емкостями весь расчетный цикл будет работать постоянно, а второй - периодически подпускаться и только в конце расчетного срока существует теоретическая возможность, что оба проработают круглые сутки и не будет произведено включение третьего (резервного) агрегата. Так будут работать насосы с D₂ = 400 мм, что в примере не рассматривалось из соображений краткости.

Этот вариант оптимален: один насос подает 1100 м³/ч, а два - 1650 м³/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 м³/ч и один 1300 против 1100 м³/ч.

Это приведет к увеличению потерь напора в водоводах от насосной до регулирующей емкости. Кроме этого, в диапазоне 1300 - 1100 м³/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 Dh₂. Когда же в работе будет только один насос, то его придется задросселировать на еще большую величину Dh₁ (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.

Рисунок 2 (подробнее)   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; Dh1 и Dh2 – избыточные напоры, устраняемые дросселированием; Dh3 – 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; qwмакс – 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 q_мин = 418 м³/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 q_макс = 2300 м³/ч и q_мин = 418 м³/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.

Рисунок 3 (подробнее)   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; DН – потери напора в водоводах и магистральных сетях от насосной установки до диктующей точки; DНрg – диапазон регулирования напора насосами; DНрg – 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; iw–1.2 – то ж при Кн = 1,2

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 м³ 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.