Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Решения комплексов очистных сооружений

Обеспечение надёжной работы напорных водоводов и насосных станций


Обеспечение надёжной работы напорных водоводов и насосных станций

Особое место в обеспечении надёжности систем водоотведения занимают напорные трубопроводы, как наиболее уязвимые и функционально значимые элементы системы водоотведения, от надежной и эффективной работы которых во многом зависит состояние окружающей среды, развитие промышленности и инфраструктуры города. Как показывает практика эксплуатации, нарушение надёжной работы водоотводящих систем связано в основном с авариями (отказами) и повреждениями на линейной части системы, то есть на участках напорных трубопроводов (НТ).

Основными причинами отказов трубопроводов напорной системы водоотведения в городах РФ являются: значительный износ и низкие темпы обновления труб; неправильный выбор материала и класса прочности труб для конкретных условий эксплуатации; интенсивная внешняя и внутренняя коррозия труб (не имеющих защитных покрытий и устройств электрозащиты); несоблюдение технологии производства работ; низкое качество материалов и труб, уложенных в период массового жилищного строительства в РФ.

Существовавшая долгие годы практика строительства инженерных коммуникаций была основана на нормативной базе, основным принципом которой было минимизация капитальных затрат и стоимости строительно-монтажных работ.

Именно по этим причинам значительная часть напорных трубопроводов водоотводящих систем крупных городов РФ (в том числе и г. Москвы) проложена из стальных труб, изготовленных из наиболее дешевых марок стали и не имеющих, как правило, защиты от внешней и внутренней коррозии. Поэтому к надежности функционирования трубопроводов системы водоотведения города, в настоящее время, предъявляются особо высокие требования. Нарушения работы участков напорных водоотводящих трубопроводов, препятствующие нормальному выполнению заданных функций водоотведения, обуславливаются различными случайными событиями. Единственным путем оценки возможности появления таких событий, закономерностей их возникновения и повторения являютбя сбор и обработка статистических сведений по эксплуатации напорных трубопроводов водоотводящих систем.

Эти сведения позволяют численно установить вероятность возникновения случайных событий, которые могут привести к отказу участка трубопровода и нарушению нормального функционирования водоотводящей сети в целом.

Статистические исследования надежности напорных трубопроводов ряда городов РФ показали, что в качестве математической модели, описывающей закон распределения потока отказов и времени восстановления трубопроводов, может быть принят экспоненциальный закон распределение Пуассона.

Значимость и практическое использование результатов статистических оценок времени восстановления участков напорных трубопроводов определяются возможностью оценки вероятности их восстановления за определенное время. Исходя из этого возможно оценить работу и достаточность оснащения ремонтно-восстановительных бригад, ремонтопригодность трубопроводов, совершенствовать нормы технического обслуживания трубопроводов.

Оценка и контроль этой величины позволяет фиксировать уровень надежности, соответствующий существующему техническому состоянию трубопроводов, организации их технического обслуживания и интенсивности обновления, и определить трубопроводы, имеющие наибольший риск возникновения аварий («слабые звенья»).

Наиболее частой причиной аварий на стальных напорных трубопроводах системы водоотведения г. Москвы являются свищи, что вызвано внутренней и особенно наружной коррозией труб, эксплуатируемых длительное время (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Основные причины отказов напорных трубопроводов

С увеличением длительности эксплуатации увеличивается риск отказов напорных трубопроводов водоотведения (рис. 21.3). Анализ влияния факторов, дестабилизирующих надежность участков напорных трубопроводов, позволяет их систематизировать по трем группам.

Рис. 21.3. Влияние возраста труб на величину отказов напорных трубопроводов

Первая группа факторов связана с технологией изготовления труб. Для стальных труб заводскими дефектами являются металлургические дефекты в стенках труб, закаты, расслоения, трещины. Сварочные заводские дефекты возникают в продольных стыках труб в тех случаях, когда нарушается технология сварки или применяются некондиционные материалы.

Вторая группа факторов связана со строительством трубопроводов и заключается либо в неотработанной технологии укладки труб, либо в нарушении строителями требуемой технологии. В стальных трубопроводах это проявляется в переломах труб, нарушении сварных соединений и т.д.

Третья группа факторов определяется условиями функционирования и эксплуатации трубопроводов. К этой группе могут быть отнесены следующие факторы, которые по степени их влияния на уровень надежности трубопроводов могут быть ранжированы в последовательности: диаметр трубопровода, наличие и качество изоляции, материал труб, возраст трубопровода, наличие блуждающих токов, грунтовые условия.

Общие принципы и методы обеспечения надежности системы водоотведения, включающей насосную станцию (НС) – напорные трубопроводы (НТ). Надежность и экологическая безопасность НС и НТ должна обеспечиваться высоким качеством элементов, из которых они состоят (насосные агрегаты, трубы, арматура), соблюдением технологии строительно-монтажных работ и регламента эксплуатации. Современное качество элементов и оборудования НС и НТ, эксплуатируемых в городах РФ, не может обеспечить безотказной их работы и соответственно экологическую безопасность при эксплуатации. В этой связи основным методом обеспечения надежности системы водоотведения и ее элементов является резервирование, то есть введение в систему «избыточности».

Нормами проектирования степень резервирования НТ зависит от категории надежности НС. Так, например НС системы водоотведения г. Москвы, относится к первой категории надежности, при которой должна обеспечиваться 100%-ная подача расчетного расхода (в том числе и в случае возникновения отказа (аварии) на НТ). Обеспечение этого требования должно предотвратить снижение пропускной способности НТ и снизить риск сброса неочищенных сточных вод в водоемы или на поверхность земли при отказах или авариях в системе водоотведения.

Наибольшее распространение в практике проектирования и эксплуатации напорных трубопроводов систем водоотведения при решении задачи обеспечения их надежности получили методы структурного, раздельного, функционального и временного резервирования.

Метод структурного резервирования НТ заключается в прокладке Двух параллельных трубопроводов. В практике проектирования и эксплуатации напорных трубопроводов характерно использование такого вида структурного резервирования, при котором резервный трубопровод находится в нагруженном резерве. Расчет показателей надежности НТ при использовании методов структурного резервирования должен производиться для следующих основных вариантов:

Вариант 1. Простейший вариант подачи сточных вод от насосной станции по одному напорному трубопроводу. Этот вариант используется достаточно редко, так как эта схема не содержит средств резервирования, то есть не обладает необходимой надежностью и не обеспечивает бесперебойности отвода сточных вод.

С точки зрения теории надежности данный вариант относится к нерезервированным системам с «последовательным включением элементов». Элементом этой системы является участок трубопровода. Каждый из элементов такой системы может пребывать или в работоспособном состоянии, или в состоянии отказа. Вероятность одновременного пребывания всех п участков системы НТ в работоспособном состоянии равна произведению вероятностей их исправного состояния.
Вариант 2 . Вариант обеспечения надежности системы НС-НТ при подаче сточной жидкости по системе из двух (п=2) параллельно уложенных трубопроводов одинаковой длины и диаметра – общее структурное резервирование.

При исправной работе оба трубопровода подают требуемый расход. Предположим, что имеется функциональный резерв по пропускной способности трубопроводов, который позволяет при отказе одного из них обеспечивать 100%-ную подачу сточной воды по трубопроводу, находящемуся в исправном состоянии. Отказ системы НТ (полное прекращение подачи) может происходить только тогда, когда во время ремонта одного трубопровода откажет второй.

Известно, что в условиях, когда время ремонта мало по сравнению с временем исправной работы элемента (участка трубопровода), распределение наработки системы НТ до отказа и между отказами (Т) близко к экспоненциальному.

Способ резервирования путем прокладки резервных ниток напорного трубопровода ясен и весьма надежен, но экономически нерационален. Он требует увеличения капитальных вложений в два раза больше, чем вариант без резервирования. Устройство резервной линии не обеспечивает долговечность НТ. Резервная линия, даже если она не работает, а находится в резерве, также подвергается интенсивной коррозии, не уступающей скорости коррозии работающей нитки.

Практика эксплуатации определила и другие недостатки этого способа резервирования, главные из которых следующие:
1) в период притока минимального и среднего расходов воды существенно снижаются скорости движения воды в напорных трубопроводах, то есть величина их становится меньше критических, при которых обеспечивается самоочищение трубопроводов,
2) в период притока минимального и среднего расходов воды работа насосов происходит при пониженных значениях КПД, что приводит к неоправданному повышению эксплуатационных расходов.

Эффективным средством повышения надежности системы напорных трубопроводов в системах водоотведения является использование раздельного резервирования системы НТ, то есть устройство перемычек – соединительных линий с камерами переключений между параллельными трубопроводами.
Перемычки позволяют выключать на ремонт при аварии не весь трубопровод, а только его неисправный участок, передавая сточные воды в обход поврежденного участка в исправный трубопровод, этот способ резервирования рекомендуется СНиПом и он предпочтительней других по капитальным вложениям.

При использовании перемычек напорные трубопроводы обычно разбиваются на ремонтные участки между двумя задвижками, так что система представляет собой п последовательно включенных участков (элементов) в т параллельно уложенных трубопроводах.

Устройство камер переключений на НТ позволяет в случае аварии выключать не всю линию, а только поврежденный участок, тогда из п участков системы в работе остаются п-1 участков поврежденной линии. Изменение пропускной способности системы НТ в целом будет значительно меньшим, чем при отключении поврежденного трубопровода полностью. Полное прекращение функционирования системы НТ может наступить лишь при одновременном повреждении на всех участках трубопроводов.

Устройство перемычек позволяет значительно уменьшить влияние экологических последствий аварий напорных трубопроводов системы во-доотведения при незначительном увеличении затрат. Рассмотрим пример оценки показателей надежности системы параллельно уложенных напорных канализационных трубопроводов с устройством перемычек между ними (рис. 21.4).

Рис. 21.4. Системы параллельно уложенных напорных канализационных трубопроводов с устройством перемычек

Перемычки имеют малую длину по сравнению с общей протяженностью напорных трубопроводов и поэтому надежность их во много раз превышает надежность самих трубопроводов, то есть при инженерных рас-« четах можно пренебречь вероятностью отказа перемычки.

Могут иметь место следующие состояния этой системы напорных трубопроводов: – полная работоспособность системы (1-е состояние); – отказ одного из участков (2-е состояние) – четыре варианта; – отказ непротиволежащих двух участков (3-е состояние) – четыре комбинации; – отказ двух противолежащих участков (4-е состояние)- две комбинации.

Отказ в работе напорных трубопроводов наступает тогда, когда имеют место все четыре состояния (1, 2, 3, 4).

Можно считать, что для системы дублированных трубопроводов введение одной перемычки, соединяющей трубопроводы посередине, уменьшает интенсивность отказов системы НТ в два раза по сравнению с трубопроводами без перемычки.

При рассмотрении вариантов обеспечения требуемой надежности НТ задачей функционального резервирования является возможность находить необходимое минимальное увеличение пропускной способности трубопроводов сверх определяемой из технико-экономических соображений. Это способствует выполнению заданных функций НТ по показателям надежности.

Определение номинального диаметра трубопроводов системы производится на пропуск расчетного расхода. Техническое решение применения функционального резервирования как метода повышения надежности НТ может быть основано на использовании двух его проявлений:
1. Увеличение пропускной способности НТ, осуществляемое за счет установки трубопроводов большего диаметра, приводит к уменьшению гидравлического сопротивления системы НТ и тем самым способствует улучшению качества функционирования.
2. Интенсивность отказов участков НТ уменьшается с увеличением диаметра, то есть при этом также будет иметь место увеличение вероятности работоспособного состояния системы НТ.

Целесообразность применения функционального резервирования для системы напорных трубопроводов требует технико-экономического и надёжностного обоснования.

Временное резервирование является одним из наиболее эффективных методов обеспечения надежности и экологической безопасности системы НС-НТ.
В соответствии с существующей терминологией, временное резервирование это «резервирование», предусматривающее использование избыточного времени. Применительно к системам водоотведения под избыточным временем может пониматься время, в течение которого сточная жидкость может накапливаться в аварийном резервуаре. Этого времени должно быть достаточно для устранения аварии на напорных трубопроводах.

До настоящего времени использование временного резервирования, как средства обеспечения требуемой надежности и экологической безопасности системы НС-НТ, не нашло широкого применения. Регулирующие резервуары применяются на водоотводящих сетях общесплавных систем водоотведения, которые существует в значительной части городов за рубежом, а в РФ регулирующие резервуары рекомендуется применять на ливневых сетях различных систем водоотведения.

В настоящее время, применение регулирующих резервуаров становится обязательным и обеспечивает значительное сокращение капитальных вложений на все элементы системы водоотведения, расположенные ниже регулирующих резервуаров (трубопроводы, насосные станции, очистные сооружения и др.).

В последние годы использование временного резервирования путем строительств резервуаров, совмещающих аварийные и регулирующие функции, нашло эффективное применение в системе водоотведения г. Москвы. При этом функционирование аварийно-регулирующих резервуаров (АРР) позволяет не только обеспечить требуемый уровень надежности системы НС-НТ, но и использовать их для целей зарегулирования притока сточных вод. Наиболее эффективными методами обеспечения надежности системы НС-НТ в водоотводящей системе города являются: использование раздельного резервирования (устройство НТ не менее, чем из двух водоводов и переключения между ними); использование временного резервирования – применение аварийно-регулирующих резервуаров (АРР).

Нахождение оптимального варианта обеспечения надежности системы НС-НТ определяется путем выполнения на ЭВМ серии надежностно-технологических расчетов различных вариантов устройства системы НС-НТ и последующего сравнительного анализа их технологических и надежностных показателей. В качестве оцениваемых показателей надежности системы НС – НТ следует принимать интенсивность отказов системы напорных трубопроводов w(t), характеризующая величину риска аварий и вероятность безотказной работы – P(t).

В основу технологических расчетов надежности системы НС-НТ должны быть положены фактические данные по технологическим параметрам эксплуатируемых насосных станций и напорных трубопроводов.





Похожие статьи:
Проектирование и строительство систем водоотведения

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Решения комплексов очистных сооружений

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум