Проектирование наружных водопроводных сетей и сооружений

Основная часть населенных пунктов Республики Беларусь обеспечивается водой из отдельных скважин, расположенных в пределах территории застройки – это особенно касается малых городов с водопотреблением до 5,0 тыс.м³/сутки. Как правило, того количества воды, которое могут подать скважины в водопроводную сеть, достаточно, но ее распределение неудовлетворительно. В большинстве случаев отсутствуют регулирующие емкости – резервуары, водонапорные башни и сооружения по очистке воды.

Если рассматривать систему водоснабжения в целом, то затраты на строительство водоводов и водопроводных сетей составляют 70–85%. Поэтому системе распределения воды в населенном пункте должно уделяться особое внимание как на момент ее проектирования, так и в процессе эксплуатации.

Учитывая высокий удельный вес водоводов и водопроводных сетей в стоимости системы водоснабжения, возникает вопрос необходимости обследования системы водоснабжения при каждом новом строительстве объекта со значительным водопотреблением, подключаемого к водопроводным сетям населенного пункта.

Предпроектное обследование системы водоснабжения позволит выявить сложившиеся условия работы системы, внести в ее схему изменения и дополнения, устраняющие выявленные недостатки при возможно меньших затратах материальных ресурсов, в первую очередь, за счет эффективного использования существующих сооружений и устройств.

В процессе предпроектного обследования следует выполнить гидравлические расчеты взаимовлияния всех элементов системы водоснабжения с учетом их технического состояния и фактического режима водопотребления. Само выполнение гидравлических расчетов при использовании вычислительной техники затруднений не вызывает, однако требует больших затрат времени на подготовку расчетной схемы и исходных данных, соответствующих фактическому состоянию всех элементов системы, а также фактическому водопотреблению и его неравномерности.

Принцип оптимального развития системы водоснабжения

Система хозяйственно-питьевого водоснабжения населенного пункта разрабатывается на основе его генерального плана на перспективу 10–15 лет и более в зависимости от значимости населенного пункта. В процессе жилищного строительства предусматривается развитие сетей и сооружений системы водоснабжения. На каждом этапе развития сиcтемы должны быть запроектированы и построены отдельные ее элементы, которые удовлетворяли бы принципу оптимальности работы системы водоснабжения.

Под оптимальным принципом следует понимать такие проектные решения, при которых обеспечение водой потребителей достигается с наименьшими капитальными затратами, наименьшими затратами электроэнергии на насосных станциях и потерями воды в водопроводных сетях с соблюдением нормативных требований по степени обеспеченности подачи воды соответствующей категории потребителям.

Этапом завершения предпроектного обследования системы водоснабжения является идентификация расчетных параметров ее фактическим с определенной степенью допустимой погрешности. Такими параметрами являются пьезометры в контролируемых точках, давления (напоры) и расходы по насосным станциям, в том числе и по повысительным насосным станциям.

В настоящих тезисах рассматриваются вопросы, касающиеся энерго- и ресурсосбережения, надежности работы отдельных элементов системы водоснабжения при проектировании развития и реконструкции системы водоснабжения или отдельных ее элементов на базе требований, предусмотренных в ТКП 45–4.01–32, ТКП 45–4.01–197 и ТКП 45–4.01–200.

Требования по предпроектному обследованию системы водоснабжения изложены в ТКП 45–4.01–197 (раздел 4).

Энерго- и ресурсосбережение

Согласно п. 12.2.6 ТКП 45–4.01–32 в насосных станциях второго подъема допускается установка насосов при заливке их от максимального уровня воды в резервуаре. При этом в резервуаре должна быть выделена специальная камера, уровень воды в которой должен находиться на максимальной отметке при гарантированной подаче воды первым подъемом и обмене воды в резервуарах не более чем за 48 ч.

Реализация специальной камеры в резервуарах чистой воды позволит:

• снизить потребление электроэнергии насосной станцией в периоды среднего и минимального водопотребления;
• существенно снизить капитальные затраты на строительство насосной станции до 15–20% в связи с тем, что не требуется заглубление насосной станции;
• повысить надежность ее работы по условиям исключения затопления насосных агрегатов при возникновении аварии в насосной станции, так как сброс воды может быть произведен на поверхность земли;
• исключить необходимость установки дренажных насосов.

Согласно п. 15.2.3 ТКП 45–4.01–32 регулируемым электроприводом следует оборудовать, как правило, один насос в группе из двух-трех работающих насосов.

Как правило, управление насосом с регулируемым электроприводом осуществляется автоматически в зависимости от давления в диктующих точках водопроводной сети при контроле расчетного расхода воды, подаваемой в сеть, и уровня воды в резервуарах.

Это требование позволяет проектировщикам подбирать параметры насосов таким образом, чтобы обеспечивались требуемые давления в диктующих точках водопроводной сети без необходимости дросселирования давления на насосной станции. При эксплуатации насосных станций с регулируемым приводом насосов обеспечивается широкий диапазон изменения давления в зависимости от величины водопотребления.

Управление насосной станцией с насосами, оборудованными регулируемым электроприводом, обеспечивает снижение потребления электроэнергии до 10% и более по сравнению с насосными станциями, которые не оборудованы такими приводами.

Исходя из п. 12.3.1 ТКП 45–4.01–32 дроссельные станции следует применять в системах распределения воды с целью снижения давления в водопроводной сети отдельных районах жилой застройки, требующих давления значительно меньшего, чем в водопроводной сети основной застройки.

Это требование направлено на сокращение непроизводительных потерь воды в водопроводной сети в районах с низкой этажностью застройки и на снижение аварийности на водопроводной сети этих районов. Такими районами обычно являются населенные пункты, примыкающие к городской застройке, а также районы частной застройки в городе.

Согласно п. 10.1.2 ТКП 45–4.01–32 при выборе типа арматуры следует выполнять технико-экономическое сравнение вариантов применения арматуры различных изготовителей с учетом габаритов, надежности работы, стоимости самой арматуры и сопутствующих ей колодцев, камер и других сооружений.

Повышение надежности работы систем водоснабжения

В процессе работы насосных станций систем водоснабжения наблюдаются случаи, когда насос при повышенной подаче или при замене на более производительный начинает вибрировать, издавать резкий шум, потребляет больше электроэнергии, снижая при этом подачу воды в систему водоснабжения, и в итоге разрушается рабочее колесо (обычно, лопатки рабочего колеса). Такие явления иногда возникают не только в насосных станциях систем коммунального водоснабжения, но и в насосных станциях систем водоснабжения промышленных предприятий. Это касается не только насосов в системах водоснабжения, но и системах насосных станций перекачки сточных вод.

Причиной этому является несоответствие кавитационных характеристик системы всасывающих трубопроводов насоса и самого насоса. Характеристика, как правило, приводится в паспортах насосов.

Итак, согласно п. 5.3.2 ТКП 45–4.01–200 основными характеристиками насоса при заданном числе оборотов и диаметре рабочего колеса являются:

• зависимость давления от подачи p = f (Q);
• зависимость мощности от подачи N = f (Q);
• зависимость коэффициента полезного действия от подачи η = f (Q);
• зависимость допустимого кавитационного запаса от подачи Δhдоп = f (Q).

Согласно п. 12.2.14 ТКП 45–4.01–32 «в зданиях и сооружениях систем водоснабжения, которые не связаны с хранением и подачей воды на тушение пожаров, трубопроводы могут выполняться как из стальных труб, так и труб из полимерных материалов». Это обусловлено тем, что в станциях очистки воды применяются фильтры из полимерных материалов. Кроме того, станции не связаны с тушением пожаров.

По сравнению с ранее действовавшим СНиП 2.04.02, устройство параллельных линий водопровода к магистральным линиям для присоединения попутных потребителей следует осуществлять при диаметре магистральных линий не 800 мм и более (согласно СНиП 2.04.02–84), а 600 мм и более и транзитном расходе не менее 70% (согласно п. 6.11 ТКП 45–4.01–32).

Наличие этого требования предусматривает не только технико-экономические соображения по условиям устройства камер и колодцев, фасонных частей и запорной арматуры значительного диаметра для присоединения попутных потребителей, но и требования повышения надежности подачи воды потребителям в случае выключения на ремонт отдельных участков водопроводных сетей (п. 10.2.1 ТКП 45–4.01–32).

В связи с совершенствованием производства работ по прокладке трубопроводов закрытым способом (п. 8.6 ТКП 45–4.01–32) предусмотрена норма, допускающая определение внутреннего диаметра футляра по условиям технологии производства работ. Норма, допускающая при обосновании применение устройство дюкера из полимерных материалов, предусмотрена п. 8.9 ТКП 45–4.01–32.

В ТКП 45–4.01–197 приведены номограммы для определения величины гидравлического удара в трубопроводах при различных условиях его возникновения.

Фильтры с сифонной промывкой фильтрующей зернистой загрузки

Основным технологическим оборудованием для обезжелезивания подземных вод являются фильтры, надежная и эффективная работа которых зависит не только от качества исходной воды, предварительной ее обработки (аэрирования), но и от свойств фильтрующей загрузки и качества ее промывки.

Опыт эксплуатации некоторых станций обезжелезивания свидетельствует, что промывная вода при промывке фильтров распределяется по площади фильтра неравномерно. Это ведет к кольматации отдельных участков фильтрующей загрузки, сокращению площади фильтрации и снижению эффективности их работы.

При производительности станции обезжелезивания более 20,0 тыс.м3/сутки, как правило, применяются безнапорные фильтры; при меньшей производительности могут применяться как напорные, так и безнапорные фильтры заводского изготовления.

Нормальный режим работы фильтров поддерживается периодической промывкой их фильтрующей загрузки. В зависимости от гранулометрического состава фильтрующей загрузки может применяться водо-воздушная или водяная промывка.

При водовоздушной промывке фильтров применяются компрессоры и насосы, при водяной – только насосы или башни с насосами меньшей производительности.

Удельная установленная мощность промывных насосов в зависимости от интенсивности промывки (12–20 л/с на 1 м2) изменяется в пределах 5,0–8,5 кВт на 1 м2 фильтрующей площади, находящейся в одновременной промывке. В таких же пределах требуется удельная мощность воздуходувок (компрессоров) при водо-воздушной промывке.

Для станций обезжелезивания, оборудованных фильтрами заводского изготовления типа ФОВ с площадью фильтрации 8,0 м2, предусматриваются два насоса с приводом мощностью 30,0 кВт каждый, а при водовоздушной промывке дополнительно еще и компрессор мощностью 45,0 кВт. При этом дополнительно в качестве резерва устанавливается один компрессор тех же параметров.

Институтом «Белкоммунпроект» на станции обезжелезивания в г. Мосты Гродненской области применены безнапорные фильтры по изобретению № 2192913, режим промывки фильтрующей загрузки которых осуществляется с помощью сифона. Изготовителем данных фильтров является Минский завод технологических металлоконструкций.

Станция рассчитана на 5,0 тыс. м³/сутки, в ней установлены три двухсекционных фильтра диаметром 3000 мм с сифонной промывкой фильтрующей загрузки.

В процессе обезжелезивания при фильтровании исходной воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, через слой зернистой загрузки образуется на поверхности зерен каталитическая пленка из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Обезжелезивание воды в загрузке, покрытой пленкой, является автокаталитическим процессом, в результате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки как катализатора при работе фильтра. Нарастание пленки на зернах фильтрующей загрузки определяет продолжительность фильтроцикла. Процесс увеличения гидравлического сопротивления определяется изменением положения уровня воды в пьезометре на восходящей ветви сифона.

Этот фильтр имеет ряд важных преимуществ:

• исключение из технологической схемы станции обезжелезивания дорогостоящего оборудования (промывных насосов, компрессоров, задвижек с электроприводом);
• включается на промывку автоматически при достижении предельного уровня воды в восходящей ветви сифона;
• продолжительность фильтроцикла зависит от концентрации железа в исходной воде, график промывки устанавливается произвольно;
• обеспечивается высокая равномерность распределения промывной воды по площади фильтра;
• исключается образование вакуума в фильтрующей загрузке;
• при промывке одного из фильтров остальные фильтры работают в нормальном режиме (форсированный режим работы фильтров исключается);
• производится плавный пуск фильтра на промывку;
• после наладки обеспечивается постоянная, не зависящая от эксплуатационного персонала интенсивность промывки фильтра;
• в качестве фильтрующей загрузки используется кварцевый песок, отсев гранитного щебня и другие зернистые материалы, разрешенные Минздравом РБ к применению в практике очистки питьевой воды;
• минимально необходимое давление исходной воды над полом станции обезжелезивания 0,07 МПа.

Установки предложенной конструкции обладают одним из важных достоинств по сравнению с фильтрами типа ФОБ. Фильтры могут располагаться практически на одном уровне с днищем резервуаров чистой воды, что играет важную роль при расположении сооружений 2‑го подъема на горизонтальных площадках.

На станциях обезжелезивания, в которых предусматривается несколько установок данного типа, управление режимом промывки осуществляется исключительно одной задвижкой (затвором).

Общая мощность энергетического оборудования на станциях обезжелезивания с данными установками не превышает 15 кВт, что на порядок ниже по сравнению с традиционными решениями, а объем строительно-монтажных работ может быть сокращен на 15–20%.

Продолжительность промывки 6–8 минут. Расход воды на собственные нужды станции составляет менее 2,5% от исходной воды, поступающей на станцию. Следует отметить, что промывка фильтрующей загрузки на данном типе фильтров может производиться как водяная, так и водовоздушная. Технология обезжелезивания воды на данных типах фильтров является энерго- и ресурсосберегающей.

Станции обезжелезивания, построенные по этой технологии, действуют и в Московской области: Смоленск – водозабор «Верхне Ясенный» на 25 тыс. м3/сутки; Востряково–1 Домодедовского района на 7,2 тыс. м3/сутки; Былово – завод цветных порошковых изделий на 500 м3/сутки.

Обобщив опыт работы приведенных выше станций обезжелезивания, возможно, существует необходимость включить в ТКП 45–4.01–31–2009 «Сооружения водоподготовки. Строительные нормы проектирования» дополнительные пункты, в которых следует отразить применение фильтров с сифонной промывкой фильтрующей зернистой загрузки.

По материалам доклада А. П. Сытина, главного специалиста по водоснабжению технического отдела ПРУП «Белкоммунпроект».