Расчет и проектирование насосных станций

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 водоотведения, 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 – 5,5–6,0 м; в скальных грунтах – 5,0 м, потому что на больших глубинах при сооружении трубопроводов возникают трудности и резко возрастает стоимость строительства.

На рис. 5.2 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.

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.

б

а

в

г

Рис. 5.2. Схемы водоотведения города с одной насосной станцией (а, в)

и продольные профили главных коллекторов (б, г):

1 – коллектор; 2 – главный коллектор; 3 – напорный трубопровод

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 станции осадком и др.) в результате сокращения сроков простоя насосных станций. На рис. 5.3 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 качества воды и охраны рыбных ресурсов.

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

Расходы устанавливают по суммарной таблице притока всех видов сточных вод.

Геометрическая высотa подъема воды равна разности отметок подачи и откачки

Н_нс = z₀ – z_нс , (5.1)

где: z₀– отметка подачи сточных вод;

z_нс– отметка откачки уровня 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.

Рис. 5.3. 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

За отметку подачи сточных вод принимают: отметку верха (шелыги) 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.

Насосные станции могут подавать воду на очистные сооружения или перекачивать ее из бассейна в бассейн. Если насосная станция подаст 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 h_ос 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. Очевидно, что величина этого перепада зависит от числа, состава и конструкции очистных сооружений и выпуска. Таким образом, отметка подачи сточных вод (рис. 5.4)

z₀ = z_р + h_oc , (5.2)

где z_р – верхний уровень воды;

h_ос – величина перепада между очистными сооружениями.

Рис. 5.4. Высотная схема расположения насосной станции

и напорного трубопровода: 1 – самотечный

подводящий трубопровод; 2 – насосная станция;

3 – напорный трубопровод; 4 – очистные сооружения

Опыт проектирования рекомендует ориентировочно принимать значения величины перепада h_ос = 7…8 м, если биологическая очистка воды производится на биологических фильтрах, которые применяются при расходах воды до 20–30 тыс. м³/сут. Если биологическая очистка сточных вод производится на аэротенках, которые применяются при расходах более 20 тыс. м³/сут, то величина перепада может быть от 4 до 5 м. 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 – 1,0–1,5 м/с; во всасывающих трубопроводах – 0,7–1,5 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 (трафиков) совместной работы насосов и напорных трубопроводов и определение рабочих точек.

Напор, который создает насосная станция, находится по формуле (рис. 5.4):

Н_нс = Н_г + h_н.тр + h_р.тр , (5.3)

где h_н.тр и h_в.тр – 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.

С учетом вышеизложенного

(5.4)

где и – потери напора в напорном трубопроводе, расположенном соответственно за пределами и внутри насосной станции.

Формулу (5.4) можно также записать в следующем виде:

Н_нс = Н_г + h_н.тр + h_нс , (5.5)

где h_нс – потери напора во всех трубопроводах, расположенных в пределах насосной станции.

В результате математических преобразований формула (5.3) окончательно принимает следующий вид:

(5.6)

где i – гидравлический уклон напорного трубопровода за пределами насосной станции длиной L;

i₁ – гидравлический уклон напорного трубопровода в пределах насосной станции длиной L_н.тр;

i₂ – гидравлический уклон всасывающего трубопровода длиной L_в.тр;

ν_н.тр и ν_в.тр – скорости движения воды соответственно в напорном трубопроводе в пределах насосной станции и во всасывающем трубопроводе.

Напор, который должна создавать насосная станция, приближенно можно определить и по формуле

Н_нс = Н_г + К · i · L , (5.7)

где К – коэффициент, учитывающий потери напора в трубопроводах, расположенных в насосной станции и равный 1,05–1,1.

Для вычисленных расхода и напора производят подбор насосов по каталогу. 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).

Рекомендуется насосные станции общесплавной и полураздельной системы водоотведения 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.