Представлены методы расчета насосных станций в соответствии с требованиями актуализированной редакции СНиП 2.04.03-85 "СП 32.13330.2012. Свод правил. Канализация. Наружные сети и сооружения". Рассмотрены основные требования данного СП и заводов-изготовителей насосных агрегатов к расчетам насосных станций. Выведена формула расчета требуемого рабочего объема насосных станций с несколькими однотипными рабочими насосами. Определена оптимальная логика работы насосов подобных насосных станций, рассмотрены режимы работы насосов, уровни включения и отключения их. Приведен пример расчета рабочего объема приемного резервуара рассматриваемых насосной станции с обоснованием выведенных формул. Показана возможность уменьшения габаритов насосных станций. Представлены обоснования применения рассмотренных формул расчета рабочего объема при расчете насосных станций.
В 2012 г. вышла актуализированная редакции СНиП 2.04.03-85 [1], согласно п.8.2.15 которой, вместимость подземного резервуара насосной станции следует определять в зависимости от притока сточных вод, производительности насосов, допустимой частоты включения электродвигателей и условий охлаждения насосного оборудования. Из всех требований [1], основное – это допустимая частота включений электродвигателя насоса, т.к. по притоку подбирается производительность насоса и учитывает этот параметр. Соответственно, расчет рабочего объема резервуара должен обеспечить условие, при котором, насосы не будут включаться больше допустимой частоты (указанной в паспорте на насос) при разном притоке в насосную станцию, меняющемся в зависимости от времени суток, т.к. это приведет к перегреву двигателя и поломке насоса. Для удовлетворения данного условия (требований СП) необходимо использовать формулу расчета требуемого рабочего объема, подробно рассмотренную в статье "Расчет емкости приемного резервуара канализационных насосных станций с погружными насосными агрегатами" опубликованной в "ВСТ" в 2009г, №11, [2]:
-
где V— требуемый рабочий объем КНС, л;
-
T— время цикла, это время, позволяющее насосу не включаться чаще максимального числа пусков указанного в паспорте на насос (время между двумя последовательными пусками одного насоса), с;
-
Q— производительность насоса (производительность КНС), л/с;
-
4— переводной коэффициент, определенный при выводе формулы (1), см. статью [2];
Формула (1) применима только для расчета требуемого рабочего объема малых КНС, в которых установлено не более одного рабочего насоса. При расчете объема средних и крупных канализационных насосных станций с несколькими однотипными насосами необходимо пользоваться формулой, которая обеспечит равномерную нагрузку на насосы и минимизирует рабочий объем, необходимый для правильной работы насосной группы. Излишний объем приведёт только к удорожанию объекта, загниванию сточных вод в станции и заиливанию дна приемной камеры.
Для правильного расчета минимального, требуемого рабочего объема приемного резервуара КНС с несколькими однотипными насосами необходимо соблюдать главное условие, как и для КНС с одним насосным агрегатом - насосы не должны включаться больше максимального числа раз за определенный промежуток времени (допустимая частота включения электрооборудования, п.8.2.15 [1]), т.е. двигатель насосного агрегата не должен перегреваться из-за постоянных включений. Проанализировав работу подобной КНС (приняв условный объем станции, подобрав насосы на максимальный приток, и рассчитываем частоту включений насосов при условиях притока в КНС от 1 до 100% от максимального, см. пример расчета в конце статьи), очевидно, что максимальное число пусков имеет место, когда приток в станцию задействует насосы в режиме, при котором постоянно работают все рабочие насосы за исключением одного, который работает попеременно, т.е. когда:
-
где q— приток в станцию;
-
Qобщ— производительность КНС, т.е. производительность всех рабочих насосов;
-
Q— производительность одного насоса;
Рабочий насос, который функционирует попеременно, включается максимальное число раз, когда половину цикла он работает, а половину цикла набирается его регулирующий объем (объем V3, рис. 1), так же как и в станциях с одним рабочим насосом. Насосная станция работает с максимальной нагрузкой насосов, когда задействуется рабочий объем одного (последнего) рабочего насоса. Тогда в расчете рабочего объема всей КНС можно использовать производительность одного насоса, а не всей станции. При этом следует учесть необходимость программирования работы насосов на логику "последовательный пуск / последовательная остановка насосов" и добавить к рабочей высоте КНС уровни включения оставшихся насосов (ΔН). Каждый насос будет использовать свой рабочий объем / рабочую зону V1, V2, …, Vn (рис 1), выделение данных рабочих объемов / уровней необходимо для правильного программирования шкафа управления насосами и установки датчиков уровня в станции. При расчете глубины КНС, все рабочие объемы и уровни включений насосных агрегатов, в большинстве случаев, находятся ниже отметки подводящего коллектора (на рисунках 1 и 2, расположение подводящего коллектора показано условно).
На основании вышеизложенного преобразуем формулу (1):
-
где V— требуемый рабочий объем КНС, м³;
-
Т— время цикла, с;
-
Q— производительность одного насоса, л/с;
-
α— число всех насосов в КНС;
-
ΔН— минимально расстояние между поплавками 0,2 - 0,3 м (необходимое для предотвращения ложного срабатывания датчиков уровня);
-
S— площадь резервуара, м³;
-
1000— переводной коэффициент;
Применяя чередование насосов при отключении, программируя контроллер управления насосными агрегатами на следующее чередование насосов: включение 1-го, включение 2-го, …, включение n-го, отключение 1-го, включение 1-го, отключение 2- го, включение 2-го, …, отключение n-го, включение n-го, происходит увеличение времени цикла во столько раз, сколько насосов участвует в чередовании (пример расчета в конце статьи подтверждает данное утверждение). Соответственно, применив данный режим работы насосов, можно уменьшить рабочий объем КНС, разделив его на количество насосов. Так как резервные насосы могут находиться в ремонте, в расчете учитываем только рабочие насосы (n).
Преобразуем формулу (3):
Полученная формула (4) рекомендована насосным заводом "Flygt" для расчета требуемого рабочего объема насосных станций [3].
Пример. КНС с максимальной производительностью q max = 1000 м³/ч = 16,67 м³/мин, количество рабочих насосов - 2 шт., расчетное количество пусков насоса в час, время цикла - 10 раз (Т=360 с), диаметр КНС - 3,0 м, минимально расстояние между поплавками 0,3 м. Производительность насосных агрегатов Q1= Q2 = 500 м³/ч = 138,89 л/с = 8,33 м³/мин.
Требуемый рабочий объем КНС по формуле (4) равняется:
Рассмотрим самый неблагоприятный режим работы насосов, определенный ранее на основании анализа работы подобной станции, когда приток в станцию q = Qобщ - Q/2 = 750 м³/ч = 12,5 м³/мин, согласно формулы (2).
- Сточные воды q=12,5 м³/мин поступают в приемный резервуар КНС с рабочим объемом V=8,37 м³, уровень жидкости поднимается до отметки "Р1 старт" (рис.2), включается насос "А" производительностью Q1=8,33 м³/мин.
- Насосный агрегат &qout;А" не справляется с притоком стоков, происходит наполнение резервуара до отметки "Р2 старт&qout;, за время t1=ΔHS/(q-Q1)=2,12/4,17=0,51 мин, включается насос &qout;В" производительностью Q2=8,33 м³/мин.
- Оба рабочих насоса "А" и "В" совместно откачивают рабочий объем V2=V1=6,25 м³ и поступающие сточные воды q до отметки "Р2 стоп", за время t2=V2/(Q1+Q2-q)=6,25/(8,33+8,33-12,5)=1,5 мин, отключается насос "А".
- Сточные воды q=12,5 м³/мин продолжают поступать в резервуар, насос "В" не справляется и уровень жидкости поднимается до отметки "Р2 старт", за время t3= V2/(q-Q2)=6,25/(12,5-8,33)=1,5 мин, включается насос "А".
- Оба насоса откачивают рабочий объем V2 и поступающие сточные воды q до отметки "Р2 стоп", за время t4=t2=1,5 мин =1,5 мин, отключается насос "В".
- Насос "А" не справляется с объемом поступающих сточных вод и уровень жидкости поднимается до отметки "Р2 старт", за время t5= V2/(q-Q1)=6,25/(12,5-8,33)=1,5 мин, включается насос "В".
- Оба насоса откачиваю рабочий объем V2 и поступающие сточные воды q до отметки "Р2 стоп", за время t6=t2=1,5 мин, отключается насос "А".
- Насос "В" не справляется с объемом поступающих сточных вод и через время t7= t3=1,5 мин, включается насос "А", и т.д.
Выполненный анализ работы рассматриваемой КНС показывает, что время цикла Т (время между последовательными пусками одного насоса) для насоса "А" равняется t1+t2+t3=3,51 мин, при первом его включении, и t4+t5+t6+t7=6 мин для второго и последующих включений. Для насоса "В" время цикла Т=t2+t3+t4+t5=6 мин для первого и последующих включений. Соответственно, насос "А" в первый час работы включится 11 раз, а в последующие часы 10 раз, насос "В" будет включаться 10 раз в час.
Отметим следующее:
- двигатель насосного агрегата допускает кратковременное превышение номинальной нагрузки;
- в насосных станция устанавливаются резервные насосы, участвующие при чередовании общего количества насосов и увеличивающие время цикла насосов;
- вероятность того, что КНС будет работать в самом неблагоприятном для насосов режиме длительное время, когда q = Qобщ - Q/2, ничтожно мала;
- как правило, в расчетах участвуют не максимальные значения количества пусков насоса в час.
Принимая во внимание изложенное выше, мы можем пренебречь одиннадцатым пуском насоса "А" в первый час его работы. Выполняется основное требование производителей насосного оборудования, а значит, расчет выполнен правильно.
Была рассмотрена работа насосной станции с двумя рабочими насосами, но данный алгоритм работы и расчеты рабочего объема будут справедливы и в станциях с большим числом насосных агрегатов.
Вывод:
использование формулы (4) и предложенной логики работы насосов при расчете объема приемного резервуара канализационных насосных станций с несколькими однотипными рабочими насосами: в несколько раз сокращает требуемый рабочий объем станции; удовлетворяет требованиям актуализированной редакции СНиП 2.04.03-85 [1] и заводов-изготовителей насосов; обеспечивает бесперебойную работу насосных агрегатов на весь срок эксплуатации и сохраняет гарантии изготовителей насосов.
Литература
- СП 32.13330.2012. Свод правил. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.
- Дягилев М.А. Расчет емкости приемного резервуара канализационных насосных станций с погружными насосными агрегатами // Водоснабжение и санитарная техника, 2009, №11.
- Dеsign recommendations for pump stations with midrange centrifugal Flygt wastewater pumps. ITT Flygt, 02.04.2008.
Автор статьи:
Дягилев Михаил Аркадьевич,
главный инженер ООО "ТРИТОН".
тел.: +7 (846) 205-16-15.
эл. почта: mikhail.dyagilev@stormwater.ru