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»

Для систем водоснабжения и водоотведения наиболее распространенными примерами модульных решений являются комплектные канализационные насосные станции (КНС) для наружных сетей и модульные автоматические насосные станции (МАНС) для повышения давления (напора) для сетей внутреннего водопровода жилых и общественных зданий (рис. 1).

Рис. 1. Комплектные канализационные насосные станции (КНС) на наружных сетях и модульные автоматические насосные станции (МАНС) для повышения давления (напора) в сетях внутреннего водопровода жилых и общественных зданий на примере решений АО «Промэнерго»

Обычно в состав комплектных КНС входит резервуар для подземной установки из армированного стеклопластика с точками подключения подводящего (подводящих) и отводящего (отводящих) стоки трубопроводов. Внутри такого резервуара размещено основное оборудование: насос-ные агрегаты (как правило, погружные), напорная трубопроводная обвязка с запорно-регулирующей арматурой, КИПиА (включая регуляторы уровней), вспомогательное оборудование и устройства (погружные соединители, подъемные цепи, лестница, площадка обслуживания, корзины/решетки для сбора крупного мусора, измельчители, мешалки, направляющие для монтажа-демонтажа оборудования), а также внутренние электросиловые и «сигнальные»/управляющие кабельные сети, выходящие за пределы резервуара и подключаемые к устанавливаемому вблизи резервуара шкафу управления, как правило, входящему в объем поставки. Комплектные КНС производства АО «Промэнерго» готовы к непосредственной установке в систему канализации в момент поставки без дополнительных трудозатрат.

Монтаж стеклопластикового резервуара в котлован на фундаментную плиту (определенную проектом по отметке, габаритам и конструкции) с подключением подводящего коллектора и отводящих (напорных) трубопроводов занимает у строительной компании 1,5–2 недели. Установка насосов в резервуар КНС по направляющим трубам, установка регуляторов уровня (поплавков), расключение силовых и управляющих кабелей в шкафу управления занимают не более трех дней. При наличии электроснабжения и возможности подачи/отведения сточной воды весь период монтажных и пусконаладочных работ (без учета сроков поставки комплектной КНС) вполне разумно ограничивается тремя неделями.

В водоснабжении применение в качестве повысительной насосной установки комплектной МАНС заводского изготовления, например МАНС Мульти Про производства АО «Промэнерго», оснащенной стандартной системой управления, прошедшей первичные испытания и тестирование на производственных стендах предприятий-изготовителей, стало сложившейся практикой. Компоновка повысительной насосной установки на объекте, непосредственно в месте монтажа, из отдельных насосных агрегатов и шкафа управления может быть обоснована лишь массогабаритными характеристиками оборудования или особыми условиями работ, затрудняющими транспортировку и монтаж готовой МАНС к месту установки.

В общем случае модульное решение в системах водоснабжения и канализации – это конструктивно связанное изделие (или комплект изделий), представляющее собой единый технологический комплекс, в состав которого, как правило, входят:

• основные конструктивные элементы (при наличии, например, резервуара и/или павильона);
• основное оборудование (например, насосы);
• трубопроводная обвязка с запорно-регулирующей арматурой;
• КИПиА;
• внутренние электросиловые и сигнальные кабельные сети;
• вспомогательные оборудование и устройства;
• система/шкаф управления (электрическое подключение и защита оборудования и КИПиА, автоматизация и диспетчеризация работы изделия).

Модульная установка имеет определенные границы (присоединительные «входные» и «выходные» фланцы, вводные электрические клеммы и др.) для интегрирования ее в инженерную инфраструктуру объекта. Модульная установка должна соответствовать требованиям, изложенным в проектной и рабочей документации, паспорте изделия (или в паспортах в том случае, если установка представляет собой комплект изделий).

Опыт применения модульных решений при монтаже и эксплуатации систем водоснабжения и канализации обусловливает дальнейшее совершенствование и развитие таких решений как в конструктивной части, так и в технологической/функциональной части.

Одной из основных причин интереса к применению модульных решений на наружных сетях водоснабжения и канализации является сокращение сроков проектирования в связи с уменьшением объема вновь разрабатываемой проектной документации. Также оказывает влияние тот факт, что для модульных решений в ряде случаев отсутствует часть требований, предъявляемых экспертизой к объектам капитального строительства (сооружениям). При этом предполагается, что модульные решения заводской готовности отвечают всем обязательным требованиям, предъявляемым к соответствующим сооружениям, таким как степень огнестойкости, герметичность, расчетная прочность конструкции (с учетом ветровых, снеговых, сейсмических и температурных нагрузок) и т . п.

Некоторые из новых решений вызывают споры об экономической целесообразности их применения, а также о безопасности проведения монтажа и надежности эксплуатации. Такие споры в первую очередь связаны с отсутствием развернутой нормативной базы, регламентирующей применение различных модульных решений при строительстве и монтаже систем водоснабжения и канализации. В нормативных документах в полной мере не прописаны четкие требования к составу установок и обоснованности технических требований к модульным решениям (к их конструктивной части, размещению основного и вспомогательного оборудования, точкам подключения к внешним сетям, уровню систем защиты, управления и автоматизации). Вызывают вопросы допустимые условия их применения, порядок проведения шефмонтажных (сборочных) и наладочных работ, а также критерии необходимости проведения и объема испытаний по завершении монтажных работ на объекте, состав и формы исполнительной документации по работам, в ходе которых применялись модульные решения. Оставляет желать лучшего и детерминированность требований к составу и содержанию сопроводительной технической документации (паспортов изделий), а также фактическое соответствие поставляемых изделий техническим условиям, примененным при сертификации такой продукции.

Сокращение затрат в ходе строительства в случае применения модульных решений обусловлено в первую очередь уменьшением сроков монтажных работ подрядчика на объекте, сокращением объема испытаний, снижением риска затрат, связанных с ошибками при монтаже, нередко приводящими к выходу из строя монтируемого дорогостоящего оборудования.
Однако зачастую подрядные организации вносят существенные изменения в решения, преду-смотренные проектной и рабочей документацией, а именно: снижают или исключают ряд технических требований к поставляемым модульным установкам, называя это оптимизацией затрат. В таких случаях формальное применение условно «аналогичного» модульного решения лишь прикрывает отклонение от проектных требований и зачастую приводит к существенному сокращению надежности и снижению предусмотренной проектом функциональности изделия. В связи с этим большое внимание в случаях применения в проектах модульных решений следует уделять отражению в составе проектной документации всего объема существенных технических требований к преду-сматриваемому изделию.

Реальная оптимизация модульных решений в системах водоснабжения и канализации с учетом всего комплекса факторов, влияющих на стоимость проектирования, строительства и последующей работы, а также на надежность и безопасность эксплуатации, достигается за счет выработки и внедрения в практику различных усовершенствований применяемых изделий. В общем случае можно говорить о следующих взаимосвязанных направлениях развития применяемых модульных решений:

1. увеличение технологических функций в составе модульного решения;
2. изменение конструктивной части модульного решения;
3. улучшение основных эксплуатационных показателей модульного решения.

Ниже будет приведен ряд примеров из опыта работы авторов, в которых будут отражены некоторые текущие тенденции развития модульных решений в системах водоснабжения и канализации, соответствующие указанным направлениям.
Опыт эксплуатации комплектных КНС показал необходимость дооснащения модульных решений в некоторых случаях дополнительным функционалом, таким как:

• применение на входе в КНС измельчителей или решеток-дробилок (для предотвращения засорения и/или блокировки насосов поступающим в составе стока мусором, приводящих к остановке работы КНС и необходимости постоянного обслуживания, а в некоторых случаях – к выходу из строя насосных агрегатов);
• применение мешалки в нижней части корпуса КНС, работающей с определенной периодичностью во взаимосвязи с режимом пуска/останова насосов (для предотвращения заиливания с последующим ухудшением условий работы насосного оборудования и существенным сокращением сроков его службы).

В некоторых случаях из-за ограничений по габаритам резервуара КНС, вызванных условиями транспортировки к месту монтажа и/или проектными решениями для условий объекта, возникает необходимость применения дополнительного резервуара в составе модульного решения. Часть оборудования размещается в основном резервуаре, часть – в дополнительном.

Имеются примеры «выноса» в отдельный резервуар (предшествующий по размещению на подводящем коллекторе основному резервуару с насосами) оборудования для измельчения мусора или размещения сороулавливающей корзины (с возможностью извлечение на поверхность). При этом такой резервуар фактически принимает на себя функцию дополнительного резервуара-отстойника, увеличивающего регулирующий объем для определения частоты включения/выключения насосов.

Для решения проблем с размещением насосного и сопутствующего оборудования в допустимых габаритах основного резервуара КНС в практике встречается «вынос» в отдельный резервуар (меньшей глубины заложения) запорно-регулирующей арматуры на напорных трубопроводах после насосов, что может быть признано весьма целесообразным решением с экономической и эксплуатационной точки зрения. Бывает также необходимо включение в состав комплектной КНС отдельного резервуара-отстойника, предшествующего по размещению на подводящем коллекторе основному резервуару с насосами, вследствие недостаточности регулирующего объема в допустимых габаритах основного резервуара. При использовании такого решения проектом следует определить вопросы обслуживания этого резервуара, необходимость оснащения резервуара-отстойника решеткой и/или техническими средствами для очистки резервуара от накопившегося мусора (подъемные решетка или корзина, насос мобильной установки с режущим механизмом и т . п.).
Таким образом, зачастую увеличение технологических функций в составе модульного решения комплектной КНС приводит к изменению его конструктивной части.

За последнее время увеличилось количество запросов от проектных и строительных компаний на размещение шкафов управления и автоматизации в отдельном резервуаре, размещаемом на объекте в подземном положении, в непосредственной близости от основного резервуара КНС (с насосами). Такое решения, как правило, обусловлено требованиями проекта, обеспечивающими согласование экспертизой сокращения санитарных зон КНС, а также улучшение визуально-архитектурной составляющей.

На рис. 2 представлены фотографии, сделанные в ходе монтажа комплектных КНС (разработка, производство и поставка изделий в составе комплектов, шефмонтаж и наладка – АО «Промэнерго») при строительстве систем инженерного обеспечения объектов жилищной застройки квартала в районе Янино 1 (Ленинградская область, Всеволожский район). Каждая комплектная КНС ливневых стоков включает в себя три резервуара: резервуар-отстойник с решеткой, основной резервуар с тремя насосами и сороулавливающей корзиной, резервуар для размещения шкафа управления и автоматизации. Аналогичное решение применено для комплектных КНС хозяйственно-бытовых стоков, в основных резервуарах которых предусмотрено по два насоса.

Рис. 2. Монтаж комплектных КНС (разработка, производство и поставка изделий в составе комплектов, шефмонтаж и наладка – АО «Промэнерго») при строительстве систем инженерного обеспечения объектов жилищной застройки квартала в районе Янино-1 (Ленинградская обл., Всеволожский район)

Приведенный пример комплектных КНС также подтверждает практику улучшения основных эксплуатационных показателей модульного решения. Кроме требования о размещении шкафа управления и автоматизации работы КНС, в отдельном подземном резервуаре были определены расширенные требования к функционалу предусмотренного шкафа. На рис. 3 представлены фотографии одного из шкафов управления и автоматизации ЩУ 108 (производство – АО «Промэнерго») и перечень части требований, обеспечиваемых в соответствии с проектной документацией и техническим заданием.

Рис. 3. В щитах управления предусмотрены ручное
и автоматическое управление работой насо-
сов, АВР, возможность запуска от ДГ, плавный
пуск насосов, организация коммерческого узла
учета электроэнергии. Щит управления обо-
рудован модулем для передачи в ЦДП сигнала
«авария». Режим работы оборудования на
КНС фиксируется на жестком диске с объемом
памяти не менее чем на 240 часов и источником
резервного питания не менее чем на пять часов
работы записывающего устройства

Применение резервуаров для подземной установки шкафов управления и автоматизации КНС требует внимательного отношения к деталям ряда связанных с этим технических решений. Особо следует отметить вопросы размещения и крепления шкафа в резервуаре, конструкции люка резервуара, вентиляции резервуара и связанного с этим обеспечения климата в пределах шкафа, а также наличие дренажного насоса и возможность его использования в резервуаре, герметичное обустройство кабельных вводов в резервуар, предназначенный для размещения шкафа. При поиске оптимального технического решения по каждому из перечисленных выше вопросов важна детальная проработка с учетом различных возможных эксплуатационных ситуаций. Так, например, уже имеются случаи затопления резервуаров с размещенными в них шкафами управления. Представляется, что особо следует опасаться возможного бесконтрольного поступления жидкости в резервуар со шкафом управления из соседнего основного резервуара КНС (с насосами) в случае его временного аварийного затопления из-за различных причин (например, блокировки насосов поступившим мусором). При применении простых решений в части шкафа управления (например, без устройства удаленного аварийного оповещения с использованием системы диспетчеризации) информация о такой аварии может прийти настолько поздно, что сточные воды успеют затопить резервуар со шкафом управления при медленном протекании стоков по пространству внутри кабель-канала (зачастую реализуемого в виде гофрокондуктора), в котором проложены кабели между резервуаром для размещения шкафа и основным резервуаром КНС. Фотография с примером «затопленного» в резервуаре шкафа управления представлен на рис. 4.

Рис. 4. Пример «затопленного» в резервуаре шкафа управления

Следует также отметить увеличение примеров использования частотного регулирования для управления работой насосов в комплектных КНС, как правило, ливневых стоков. Это обусловлено необходимостью вывода насосов в допустимые рабочие зоны по характеристике, что обычно является проблемой, если для КНС предусматривается возможность различных режимов работы на напорную сеть, т . е. с изменяемым количеством рабочих насосов. В этом случае зачастую насосное оборудование подбирается из расчета на максимальное количество одновременно работающих насосов (например: на ряде 2-резервуарных КНС ливневых стоков в аэропорту Пулково каждая из КНС включала шесть насосных агрегатов: четыре рабочих и два резервных, которые были распределены по три насоса в каждый резервуар. При этом системой управления предусматривалась возможность одновременной работы на сеть от одного до четырех насосов), а в случае работы на напорную сеть лишь одного насоса по причине низкого динамического сопротивления сети будет происходить так называемый «свал» рабочей точки насоса вправо от допустимой зоны его работы (кавитация и выход из строя). Соответственно, для таких задач применение частотного регулирования в ходе выбора оптимального решения обеспечивает улучшение основных эксплуатационных показателей такой КНС.

Литература

1. Федеральный закон РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (ред. от 03.07.2016). М., 2016.
2. Штейнмиллер О. А . Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: ГАСУ, 2010.
3. Штейнмиллер О. А . Типовые проектные решения энергоэффективных систем водоснабжения и водоотведения жилых и общественных зданий //
4. Инженерные системы АВОК Северо-Запад. – 2015. – № 4 (54).