Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Перекачка сточных вод

Расчет и проектирование насосных станций и напорных водоводов


Расчет и проектирование насосных станций и напорных водоводов

Расположение насосных станций. Отвести воду к очистным сооружениям и обеспечить ее подачу на требуемую высоту или выпуск в водоем самотечными трубопроводами удается сравнительно редко. Для этого возникает необходимость в перекачке сточных вод насосными станциями, которые по напорным трубопроводам транспортируют воду в заданные места и на требуемые высоты. Число насосных станций, места их расположения и параметры работы устанавливаются при разработке схем водоот-ведения, выполнении гидравлического расчета трубопроводов и построении их продольных профилей.
Определенные конкретные условия проектирования обычно допускают многообразие решений схем водоотведения, удовлетворяющих техническим и санитарным требованиям. Возможны решения с разным числом насосных станций и различным расположением их в схеме водоотведения, однако эти решения не будут однозначны в экономическом отношении. Выбор числа и мест расположения насосных станций производят одновременно с выбором схем водоотведения и на основании экономического сравнения нескольких вариантов схем. Экономическое сравнение вариантов производят по приведенным затратам на стадии выполнения технического проекта.

Эти схемы разрабатывают на основании подробного анализа условий проектирования. Хотя расчет сети на этом этапе проектирования еще не возможен, разработка должна производиться с учетом экономических, экологических и санитарно-технических требований. Предварительный экономический анализ схем может производиться по соотношению укрупненных объемов строительных работ (соотношению длин и диаметров самотечных и напорных трубопроводов, глубин заложения самотечных трубопроводов или объемов земляных работ, числа и глубин подземных частей насосных станций и др.) и основных параметров работы насосных станций (перекачиваемых расходов воды создаваемых напоров и др.).

Для открытого способа производства работ глубина заложения труб не должна превышать: в легких сухих грунтах – 7,5-8,0 м; при наличии подземных вод – 5,5-6 м; в скальных грунтах – 5,0 м. На больших глубинах при сооружении трубопроводов возникают трудности и резко возрастает стоимость строительства.

На рис. 7.4 представлены два варианта расположения насосной станции в схеме водоотведения города. При равной производительности насосных станций и практически одинаковых напорах преимущество одного из приведенных вариантов будет зависеть в основном от соотношения капитальных вложений. Необходимо иметь в виду, что второй вариант будет уступать первому варианту по надежности вследствие большой протяженности напорных трубопроводов.
Опыт проектирования показывает, что лучшими экономическими показателями отличаются схемы с районными насосными станциями, расположенными в начальной части коллекторов. Это объясняется малой мощностью РНС и существенным снижением заглубления главных коллекторов и ГНС, обычно диктуемым начальными участками сети, имеющими большие уклоны.

Рис. 7.4. Схемы водоотведения города с одной насосной станцией (я, в) и продольные профили главных коллекторов (б, г):
1 – коллектор; 2 – главный коллектор; 3 – напорный трубопровод

Насосные станции и напорные трубопроводы достаточно часто выходят из строя, что требует значительных затрат на ремонт. Лишь сравнительно высокий резерв оборудования, принимаемый при проектировании, позволяет обеспечивать бесперебойность работы систем водоотведения. В настоящее время еще не разработаны обоснованные показатели надежности работы насосных станций и невозможна оценка систем водоотведения с учетом надежности их работы. Однако, основываясь на предшествующем опыте, при проектировании сравнительно часто отдают предпочтение схемам с меньшим числом насосных станций, которые обладают повышенной надежностью. Опыт эксплуатации показывает, что достаточно трудно выработать конкретные рекомендации по выбору числа насосных станций и определению мест их расположения. Только тщательный анализ возможных условий проектирования выявит преимущества или недостатки того или иного решения.

При выборе места расположения насосных станций и их числа необходимо учитывать характеристики выпускаемых промышленностью насосов. Окончательно место расположения насосных станций должно уточняться с учетом гидрогеологических условий и планировки кварталов, очередности строительства системы водоотведения, размещения подводящих самотечных трубопроводов, аварийных выпусков, напорных трубопроводов и других соображений. Насосные станции надлежит располагать в отдельно стоящих зданиях на расстоянии не менее 20 м от жилых домов и пищевых предприятий при их производительности до 50 тыс. м3/сут и не менее 30 м при большей производительности. По периметру территории насосных станций необходимо предусматривать защитные зеленые насаждения шириной не менее 10 м. Не следует располагать насосные станции на проездах и набережных.

Насосные станции для перекачки производственных сточных вод могут блокироваться с производственными корпусами, а также размещаться непосредственно в цехах предприятий.

Насосные станции следует располагать на незатопляемой территории. Отметка порога у входа в них должна быть не менее чем на 0,5 м выше самого высокого уровня воды в водоеме с учетом нагона волны. Все подводящие самотечные трубопроводы перед насосной станцией должны объединяться в один, так как в насосную станцию допускается ввод лишь одного трубопровода.

Перед насосными станциями целесообразно предусматривать аварийные выпуски, использование которых возможно лишь в чрезвычайных случаях. Задвижки на аварийных выпусках должны пломбироваться. Наличие аварийных выпусков позволяет значительно уменьшить последствия прекращения работы насосных станций (затопление территорий города и поступление сточных вод в водоемы, заполнение подводящих трубопроводов и резервуаров насосных станций осадком и др.) в результате сокращения сроков простоя насосных станций. На рис.7.5 показан пример размещения насосной станции и трубопроводов различного назначения на территории квартала. Места расположения насосных станций и возможность устройства аварийных выпусков должны согласовываться со службами контроля за качеством воды и охраны рыбных ресурсов.

Исходные данные для проектирования и расчета насосных станций. Для расчета насосной станции требуется знать расходы в отдельные часы суток и особенно максимальный, средний и минимальный расходы, а также геометрическую высоту подъема воды.

Рис. 7.5. Схема расположения насосной станции и трубопроводов:
1 – самотечные трубопроводы;
2 – камера; 3 – насосная станция;
4 – напорные трубопроводы;
5 – красные линии (границы квадратов); 6 – аварийный выпуск в реку

Расходы устанавливают по суммарной таблице притока всех видов сточных вод.

За расчетную отметку откачки уровня сточных вод принимают: отметку среднего уровня воды в приемном резервуаре; отметку уровня воды в подводящем коллекторе при минимальном притоке, если насосная станция не имеет регулирующего резервуара, что характерно для крупных насосных станций.

За отметку подачи сточных вод принимают: отметку верха (шелы-ги) напорного трубопровода в точке присоединения, если напорный трубопровод присоединяется к приемному колодцу или отводящему самотечному трубопроводу выше горизонта воды в них; отметку максимального расчетного горизонта при подаче под уровень воды (при расположении верха напорного трубопровода ниже уровня воды); отметку верха трубопровода при прохождении им повышенного участка местности, имеющего отметку земли выше уровня воды в точке подачи.

Рис. 7.6. Высотная схема расположения насосной станции и напорного трубопровода:
1 – самотечный подводящий трубопровод; 2 – насосная станция; 3 – напорный трубопровод; 4 – очистные сооружения

Насосные станции могут подавать воду на очистные сооружения или перекачивать ее из бассейна в бассейн. Если насосная станция подает воду на очистную станцию, то в этом случае требуется определять отметку подачи воды. Очистные станции располагают в непосредственной близости к водоему. В процессе проектирования специально определяют взаимное высотное расположение отдельных сооружений, чтобы течение воды от сооружения к сооружению происходило самотеком. Лишь в очень редких случаях в пределах очистных сооружений прибегают к перекачке сточных вод. Для обеспечения самотечного движения сточной воды по очистным сооружениям и выпуска ее в водоем предусматривается определенный расчетный перепад воды hoc между первым (головным) очистным сооружением и высоким уровнем воды в водоеме, равным величине общих потерь напора в пределах очистных сооружений и выпуска воды в водоем.

Опыт проектирования позволяет рекомендовать следующие ориентировочные значения величины hoc: 7 ч- 8 м, если биологическая очистка воды производится на биологических фильтрах, которые применяются при расходах воды до 20 – 30 тыс. м3/сут; 4 т 5 м, если биологическая очистка сточных вод производится на аэротенках, которые применяются при расходах более 20 тыс. м7сут. По расчетам может получаться, что отметка Z0 будет значительно превышать отметку поверхности земли в данном месте. Это будет указывать на то, что очистные сооружения должны быть расположены на насыпных грунтах.

Если насосная станция обеспечивает перекачку сточных вод из одного самотечного коллектора в другой, то уровень воды в самотечном трубопроводе в точке подачи воды и отметки подачи воды определяют по продольному профилю самотечного трубопровода.

Расчету насосной станции должно предшествовать определение диаметра напорных трубопроводов. Число напорных трубопроводов необходимо принимать не менее двух с устройством в случае необходимости между ними переключений. Скорость движения сточных вод следует принимать в напорных трубопроводах в пределах насосных станций от 1 до 2,5 м/с, а за пределами их – 1-1,5 м/с; во всасывающих трубопроводах – 0,7 -М ,5 м/с.

Расчет насосных станций производят в следующем порядке: определение расчетного расхода; определение напора, который должна создавать насосная станция; подбор насосов по расходу и напору; построение характеристик (графиков) совместной работы насосов и напорных трубопроводов и определение рабочих точек.

Напор, который должна создавать насосная станция, находится по формуле (см. рис. 7.6):
Ннс=Нг+кн.тр. +К,пР.> где hHmp и he – потери напора соответственно в напорном и всасывающем трубопроводах.

Исследования показали, что особо следует определять потери напора в напорных трубопроводах, расположенных в пределах насосных станций. Вследствие более высоких скоростей движения воды в них и наличия большого числа местных сопротивлений потеря напора в них оказывается соизмеримой с потерями напора в напорном трубопроводе за пределами насосной станции, имеющем значительную длину.

Всасывающие трубопроводы представляют собой короткие трубы, в которых потери напора по длине и в местных сопротивлениях также соизмеримы между собой.

По каталогам насосов для вычисленных расхода и напора производят подбор насосов с учетом следующих соображений: общую подачу рабочих насосов выбирают из условия перекачки максимального расчетного притока сточных вод; для станций средней и большой пропускной способности число и подачу насосов следует выбирать с учетом неравномерности притока сточных вод на станции (режим работы станции должен обеспечиваться с высоким КПД при максимальном, среднем и минимальном притоках).

Насосные станции общесплавной и полураздельной систем водоот-ведения целесообразно проектировать с двумя группами насосов. Одна группа предназначена для перекачки бытовых и производственных сточных вод в сухую погоду, а другая – для перекачки дождевых вод и включается в работу только во время дождя. Это объясняется большой разницей в расходе бытовых и производственных сточных вод и расходе дождевых вод.

Важнейший этап расчета — построение характеристик (графиков) совместной работы насосов и напорных трубопроводов. Он подробно рассматривается в специальном курсе «Насосные и воздуходувные станции». Ниже будет обращено внимание на некоторые особенности расчета насосных станций.

Насосные станции систем водоотведения создают сравнительно низкие напоры. При этом потери напора в коммуникациях насосных станций оказываются соизмеримыми с потерями напора во всем напорном трубопроводе. Поэтому необходимая точность расчета всей насосной станции требует особой тщательности в определении потерь напора в коммуникациях насосных станций. Следует также учитывать, что потери напора в коммуникациях насосных станций зависят от числа работающих насосов. Поэтому расчетный график, построенный для подачи нескольких насосов в общий напорный трубопровод, не может быть использован для определения рабочей точки в случае подачи иного числа насосов в этот же трубопровод. Особенно это важно для случаев, когда коммуникации насосных станций несимметричны. Для точного определения рабочих точек насосов в таких системах рекомендуется применять метод построения приведенных характеристик насосов, разработанный инженером К. А. Щегловым.

На рис. 7.7, б представлен график для двух разных насосов, работающих в два трубопровода по схеме, показанной на рис. 7.7, а. В такой схеме расход воды и потеря напора на участках а – в и б – в будет резко отличаться как вследствие разной длины и конструкции трубопроводов, так и неодинаковых характеристик насосов. Для определения рабочей точки в характеристики насосов вводятся уточнения: из характеристик насосов вычитаются характеристики трубопроводов а – в и б – в, предварительно построенные в виде отрицательных характеристик (ниже оси абсцисс).

Вычитание производят графически. Таким образом, все параметры работы насосов приводятся в точке в. (Приведенные характеристики насосов показаны пунктиром.) Суммарная характеристика двух насосов, также приведенная в точке в, строится суммированием двух приведенных характеристик каждого насоса. Характеристики напорных трубопроводов строятся обычным способом от точки в и также суммируются.

Метод приведенных характеристик позволяет точно рассчитывать также работу двух расположенных в разных местах насосных станций в один напорный трубопровод. Подбор насосов и расчет напорных трубопроводов необходимо производить из условия обеспечения при аварии по одному трубопроводу пропуска 100% расчетной подачи.

Рис. 7.7. Схема насосной станции с двумя насосами (я) и зависимость (характеристика) q от Н (б):
1 – для НСь 2 – для НСц; 3 – приведенная для HQ; 4 – приведенная для НСи; 5 – приведенная; 6 – для одного напорного трубопровода; 7 – для двух напорных трубопроводов; 8 – для трубопроводов на участке а – в; 9 – для трубопроводов на участке б – в; НТр – напорные трубопроводы

Для обеспечения указанных условий могут использоваться резервные насосы и переключения между напорными трубопроводами для выключения аварийного участка. Если по расчету выясняется, что указанные условия не соблюдаются, то определение диаметра трубопровода и подбор насосов, а также построение характеристик повторяют. Окончательный выбор трубопроводов и насосов должен быть сделан с учетом рассмотрения всех возможных вариантов и технико-экономических показателей.

Насосные станции дождевой, общесплавной и полураздельной систем водоотведения следует рассчитывать из условия перекачки дождевых вод, равной расчетному притоку этих вод при периоде однократного переполнения, установленном для принятой системы водоотведения. Число насосных агрегатов для перекачки дождевых вод должно быть минимальным, резервные насосы не предусматриваются. При этом не предполагается регулирование дождевого стока перед насосной станцией. Если регулирование осуществляется, то расчетный расход насосной станции определяют по формуле:
где а – коэффициент регулирования, принимаемый на основании технико-экономического анализа конкретных условий проектирования; qr – расчетный расход дождевых вод.

Для перекачки больших расходов воды на небольшую высоту (2 -7 м) целесообразно применение шнековых насосов (подъемников). Следует, однако, иметь в виду, что отечественная промышленность серийно их не выпускает. Для перекачки небольших расходов воды эффективно применение пневматических установок. Для перекачки дождевых вод с большими расходами и малыми напорами весьма целесообразно применение осевых насосов марок О и ОП.

Более полного соответствия параметров притока сточных вод и откачки их насосами можно достичь в результате изменения характеристик центробежных насосов путем изменения частоты вращения или обточки колес насосов.

В машинном зале насосных станций, кроме насосов для перекачки сточных вод, устанавливают насосы для подачи воды на технические нужды, вакуум-насосы (если основные насосы установлены не под заливом), насосы для удаления дренажных вод, подъемно-транспортные устройства и контрольно-измерительные приборы. Насосы рекомендуется устанавливать под заливом.

Если насосы располагаются выше расчетного уровня сточной воды в резервуаре, то высотное расположение оси насосных агрегатов следует уточнять расчетом, методика которого изложена в специальной литературе. При этом насосная станция должна иметь оборудование для обеспечения заливки насосов перед их пуском. При проектировании должно уделяться особое внимание надежности работы насосных станций, которая достигается при бесперебойном электроснабжении и резерве оборудования, регламентируемого СНиП.

Определение вместимости приемных резервуаров и особенности их устройства. Приемные резервуары насосных станций могут устраиваться совмещенными в одном здании с машинным отделением и отдельно стоящими. Вместимость приемных резервуаров надлежит определять с учетом притока сточных вод, подачи насосов и принятого режима их работы. Вместимость приемных резервуаров насосных станций для перекачки бытовых сточных вод должна быть не менее 5-минутной максимальной подачи одного из насосов. При крупных насосных станциях (пропускной способностью более 100 тыс. м3/сут) приемным резервуарам придают форму распределительного канала. Вместимость резервуаров определяется конструктивными соображениями – необходимой площадью и глубиной для размещения насосов, механических решеток и др.

Частое включение насосных агрегатов в работу усложняет эксплуатацию насосной станции и отрицательно сказывается на работе электроаппаратуры управления насосами и системы электроснабжения. Поэтому частота включения насосных агрегатов в течение 1 ч допускается не более 3 раз при ручном управлении и не более 5 раз – при автоматическом. Частота включения насосов зависит от вместимости приемного резервуара. Вместимость, вычисленная по 5-минутной максимальной подаче одного насоса, обычно рекомендуется проверять на соблюдение требований о числе включений насоса за 1 ч.

Вместимость приемного резервуара обычно рекомендуют определять путем построения интегрального графика притока и откачки сточных В°Д одним насосом в час минимального и среднего (50% максимального) притока сточных вод. На рис.7.8 показан пример определения вместимости резервуара. Ломаная линия III откачки сточных вод с периодическим выключением насоса строится следующим образом.

Рис. 7.8. Интегральный график притока и откачки воды насосной станцией:
I – приток сточных вод; II – откачка воды одним насосом; III – то же, с периодическим его выключением

Из точек их пересечения с прямой I притока воды проводят линии, параллельные линии II подачи насоса, до пересечения с ближней нижней пунктирной линией. Образовавшаяся ломаная линия III характеризует работу насоса с выключением его 5 раз за 1 ч. Горизонтальные участки ломаной линии характеризуют время простоя насоса, а наклонные режим его работы. Наибольшая разность ординат между линиями / и III показывает требуемый минимальный объем резервуара для обеспечения пяти включений насоса за 1 ч. Он оказался равен 39 м3.

Вместимость резервуара следует принять равной 66,7 м3. Приведенный выше расчет показывает, что при принятой вместимости резервуара число включений за 1 ч будет меньше 5.

Вместимость резервуара и параметры работы насосов при включении его могут быть определены и аналитически. Необходимые зависимости следуют из рис.7.8. Отрезок ординаты cd представляет собой приток воды за время \/п (между двумя остановками насоса – одного цикла стоянки и работы насоса), равный величине q„/n (где qnp – приток воды за 1 ч, п -число включений за 1 ч).

Рис. 7.9. Зависимость относительной вместимости резервуара от относительного притока:
1 и 2 – при включениях за 1 ч соответственно пяти и трех

Относительная вместимость резервуара, вычисленная по 5-минутной подаче насоса, равна WP = qHac’5l60 – 0,083 или 8,3%, т.е. меньше или равна требуемой вместимости, определенной из условия регламентируемого числа включений насоса.

Таким образом, если вместимость приемного резервуара принимается равной 5-минутной максимальной подаче одного насоса, то при этом обеспечиваются условия по частоте включения насоса: не более 3 и 5 раз за 1 ч.

Приемные резервуары насосных станций полураздельных и общесплавных систем водоотведения выполняют с переливным устройством и разделительной стенкой на два отделения (одно для стока в сухую погоду, другое – во время дождя); возможна установка двух самостоятельных резервуаров. Вместимость приемных резервуаров или их отделений для притока в сухую погоду определяется так же, как и вместимость резервуаров насосных станций бытовой сети полной раздельной системы водоотведения. При дополнительном притоке во время дождя вместимость рассчитывается как для регулирующего резервуара.
Вместимость приемных резервуаров насосных станций дождевой сети рассчитывается так же, как вместимость регулирующего резервуара. Вместимость приемных резервуаров насосных станций дождевой сети, полураздельной и общесплавной систем водоотведения должна быть не меньше объема воды, поступающей за время, необходимое для запуска насоса с наибольшей подачей.

В приемных резервуарах насосных станций возможно выпадение осадка. Этим и определяются особенности их устройства. Дно приемных резервуаров насосных станций бытовых сетей полных раздельных систем водоотведения должно иметь уклон к приямкам не менее 0,1. По периметру наружных стен резервуаров рекомендуется прокладывать трубопроводы, снабженные патрубками и присоединенные к напорному трубопроводу. С их помощью можно взмучивать и смывать осадок к приямкам. Кроме того, в помещении над резервуаром (помещении решеток) следует устанавливать поливочные краны, оборудованные шлангами с брандспойтами, которые также служат для взмучивания и смыва осадка в резервуарах. Одной из эффективных мер удаления осадка из резервуаров является обеспечение режима работы насосной станцией с периодическим полным опорожнением резервуара.

Напорные трубопроводы и аварийные выпуски. Число напорных трубопроводов от насосных станций следует принимать не менее двух с устройством в случае необходимости между ними переключений. Лишь при специальном обосновании допускается прокладка одного трубопровода. Напорные трубопроводы, как правило, должны выполняться из неметаллических труб (асбестоцементных, железобетонных, пластмассовых), внутри насосных станций трубопроводы – из стальных труб.

В высоких точках перегиба трубопровода необходимо устанавливать вантузы для выпуска и впуска воздуха, а в низких точках – выпуски для опорожнения трубопроводов при ремонтах и периодического сброса осадка. При повороте труб в горизонтальной и вертикальной плоскостях на угол более 10° следует устраивать упоры, конструкция и размеры которых должны определяться расчетом. Арматуру напорных трубопроводов надлежит располагать в колодцах или камерах.

Для предупреждения затопления помещения решеток в аварийных случаях на самотечных трубопроводах в колодце перед насосной станцией устанавливают затвор (задвижку), а для сброса воды в водоем устраивают аварийный выпуск. В начале аварийного выпуска, в колодце, устанавливают задвижку. Приводы затвора на самотечном трубопроводе и задвижки аварийного выпуска должны механизироваться, а управление ими должно осуществляться с поверхности земли. Задвижка аварийного выпуска должна быть опломбирована.

Устье (начало) аварийного выпуска следует располагать выше отметки высоких вод в водоеме для обеспечения спуска воды даже в период паводка. Оно обычно выполняется в виде берегового оголовка, но можно выносить его и на некоторое расстояние от берега. Отметка устья аварий-ногогвыпуска должна быть ниже меженного горизонта воды.

К использованию аварийного выпуска можно прибегать лишь в исключительных случаях. Их устройство должно согласовываться с органами санитарно-эпидемиологической службы, службы охраны рыбных запасов, а также регулирования использования и охраны вод.





Похожие статьи:
Конструирование насосных станций

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Перекачка сточных вод

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум