В действующих ТКП выявлены пробелы, а в нашем случае – промоины

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 тыс. м³/сут. 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 при проектировании, так и эксплуатации.

Во многих случаях технические условия управлениями водопроводно-канализационного хозяйства выдаются заказчикам без обосновывающих расчетов, что не может быть признано правильным. Опыт и интуиция эксплуатационного персонала системы водоснабжения признаются непогрешимыми при выдаче технических условий.

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

При обследовании системы водоснабжения выявляются многие негативные аспекты, которые отвечают на вопрос: «Почему фактические параметры системы водоснабжения не соответствуют проектным?»

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 нужно 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 с необходимой степенью точности фактическому состоянию всех элементов системы, а также фактическому водопотреблению и его неравномерности.

Несмотря на некоторое увеличение трудозатрат на обследование при выполнении проектов по системе водоснабжения, они в значительной степени окупятся за счет оптимизации принимаемых решений по реконструкции тех или иных элементов системы водоснабжения.

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 системы должны быть запроектированы и построены отдельные 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 данной статье 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.

Предпроектное обследование системы водоснабжения должно являться неотъемлемой частью проектов на расширение и (или) реконструкцию системы водоснабжения населенного пункта в целом или отдельных ее объектов (насосных станций, водоводов, магистральных и распределительных сетей, повысительных насосных станций, резервуаров, водонапорных башен).

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

Рассмотрим более подробно вопросы, отраженные в некоторых требованиях ТКП 45–4.01–32, ТКП 45–4.01–197 и ТКП 45–4.01–200.

Энерго- и ресурсосбережение

1. ТКП 45–4.01–32 (п. 12.2.6). 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 часов.

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;
• исключается необходимость установки дренажных насосов.

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

Управление насосом с регулируемым электроприводом нужно осуществлять 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% по сравнению с насосными станциями, которые не оборудованы такими приводами.

3. ТКП 45–4.01–32 (п. 12.3.1). Дроссельные станции следует применять в системах распределения воды с целью снижения давления в водопроводной сети отдельных районов 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.

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

Это требование направлено не только на ресурсосбережение, но и на повышение надежности работы системы водоснабжения.

 

Повышение надежности работы систем водоснабжения

5. Из опыта 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 насосов в системах водоснабжения и насосов насосных станций перекачки сточных вод.

Это происходит в связи с несоответствием кавитационной характеристики системы всасывающих трубопроводов насоса кавитационной характеристике самого насоса, которая, как правило, приводится в паспортах насосов.

Основными характеристиками насоса при заданном числе оборотов и диаметре рабочего колеса согласно ТКП 45–4.01–200 (п. 5.3.2) 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).

Ниже приводится построение характеристики кавитационного запаса всасывающей трубопроводной системы насоса в зависимости от подачи воды и допустимого кавитационного запаса насоса. Характеристика кавитационного запаса всасывающей трубопроводной системы рассчитывается по формуле:

hк.т = (Pа – Pп.в.)/ρ·g – Hг.в – ∑hв.т,

где Pа – атмосферное давление, Па;

Pп.в. – давление насыщенных паров воды при заданной температуре, Па;

ρ – плотность воды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Hг. в – геометрическая высота всасывания, м;

∑hв.т – потери напора во всасывающем трубопроводе, м.

Пересечение графика кавитационной характеристики всасывающего трубопровода с графиком допустимого кавитационного запаса насоса (точка А) определяет предельную подачу насоса, при которой он будет работать без кавитационных явлений.

Такие графики следует выполнять при проектировании насосных станций с учетом требований ТКП 45–4.01–32 (п. п. 12.2.5, 12.2.6), ТКП 45–4.01–200 (п. п. 7.2.8, 8.2.8, 9.5)

6. В ТКП 45–4.01–32 (п. 12.2.14) включено требование «… 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».

Необходимость включения этого требования обусловлена тем, что в станциях очистки воды применяются фильтры из полимерных материалов. Станции очистки воды не связаны с тушением пожаров.

7. 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, как было по СНиП 2.04.02–84, а 600 мм и более и транзитном расходе не менее 70% по ТКП 45–4.01–32 (п. 6.11).

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

8. В связи с совершенствованием производства работ по прокладке трубопроводов закрытым способом предусмотрена норма, допускающая внутренний диаметр футляра определять по условиям технологии производства работ – ТКП 45–4.01–32 (п. 8.6).

9. Предусмотрена норма в ТКП 45–4.01–32 (п. 8.9), допускающая при обосновании устройство дюкера из полимерных материалов.

10. 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

Качество питьевой воды в системах коммунального водоснабжения является одной из основных социальных проблем населенного пункта. В населенных пунктах Республики Беларусь источниками коммунального водоснабжения являются подземные воды, которые в большинстве случаев удовлетворяют санитарно-гигиеническим требованиям за исключением повышенного содержания железа, а в некоторых случаях марганца и аммиака.

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 работы фильтра.

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

Нормальный режим работы поддерживается периодической промывкой их фильтрующей загрузки.

В зависимости от гранулометрического состава фильтрующей загрузки может применяться водо-воздушная промывка или водяная.

При водо-воздушной 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 5–8,5 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 м², предусматриваются два насоса с приводом мощностью 30 кВт каждый, а при водо-воздушной промывке дополнительно еще и компрессор мощностью 45 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 тыс. м³/сут, в ней установлены три двухсекционных фильтра диаметром 3000 мм с сифонной промывкой фильтрующей загрузки.

Процесс очистки воды от железа заключается в следующем. 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 преимуществ, основными из которых являются:

• 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 «сам по себе»;
• 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;
• обеспечивается постоянная после наладки, не зависящая от эксплуатационного персонала интенсивность промывки фильтра;
• в качестве фильтрующей загрузки используется кварцевый песок, отсев гранитного щебня и другие зернистые материалы, разрешенные Министерством здравоохранения Республики Беларусь 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 второго подъема на горизонтальных площадках.

На станциях обезжелезивания, в которых предусматривается несколько установок данного типа, управление режимом промывки может осуществляться 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 мин. 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 этих типах фильтров является энерго- и ресурсосберегающей.

По такой технологии построены станции обезжелезивания в некоторых городах и поселках Российской Федерации.

Об авторе

Антон Сытин является руководителем разработок:

• ТКП 45–4.01–32–2010 (02250) Наружные водопроводные сети и сооружения. Строительные нормы проектирования;
• ТКП 45–4.01–197–2010 (02250) Наружные водопроводные сети и сооружения. Правила проектирования;
• ТКП 45–4.01–200–2010 (02250) Насосные станции систем водоснабжения. Правила проектирования.