Существующие системы водоснабжения поселений и предприятий

 

Все рассматриваемые системы водоснабжения могут быть автоматизированы с применением шкафов управления и насосных станций, серийно производимых по техническим условиям ТУ 3432-001-99964944-2010 и ТУ 3631-001-99964944-2011 соответственно.

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ИХ НЕДОСТАТКИ

В России широко распространены водозаборы с забором воды из артезианских скважин, обеспечивающие основной объем добываемой воды на питьевые и технические нужды. Добыча воды производится с помощью скважинных погружных насосов.

Из средств автоматизации и управления процессом подачи воды применяются главным образом станции управления и защиты (СУЗ, Лоцман), реализующие пуск и останов насоса по давлению (ЭКМ) или уровню (поплавковые или кондуктометрические датчики). СУЗ отличаются низкой стоимостью и имеет достаточно широкий набор защит и диагностируемых аварийных ситуаций, однако принципиально не могут обеспечить щадящий плавный пуск/останов насоса, исключить гидроудары и далеко не всегда обеспечивают бесперебойное водоснабжение, увеличивая эксплуатационные потери.

Значительное количество насосов управляются вручную, включаются через автоматический выключатель, контактор, или рубильник. В ряде случаев не реализуется даже тепловая защита насоса, не реализованы и защиты от «перекоса фаз», обрыва, смены чередования фаз, от пониженного и повышенного напряжения сети, износа опорного подшипника и рабочих колес, грозозащита и проч. Все это приводит к периодическим затратам на ремонт насоса, его замену, затраты от вынужденных пауз в подаче воды. Внедрение правильно подобранных средств защиты и управления насосами, является одним из путей снижения эксплуатационных затрат. Кроме того, в условиях плохого качества электроснабжения даже при наличии средств защиты насоса, служба эксплуатации вынуждена загрублять параметры защиты во избежание частых перерывов водоснабжения. Это приводит к работе насоса при пониженном, повышенном или неравномерном напряжении, к снижению ресурса. Одним из возможных решений является применение преобразователей частоты, которые в силу принципа действия (наличия выпрямителя и автономного инвертора) подают на двигатель всегда нужное напряжение, даже при значительных колебаниях сетевого напряжения.

В самых простых системах водоснабжения скважинные насосы подают воду непосредственно потребителям. При этом регулирование давления либо не производится, либо оно осуществляется задвижками или ступенчатым пуском нескольких насосов. Работа подобных систем сопровождается значительными колебаниями давления, в том числе высоким давлением в ночное время. Результатом является быстрый износ запорной арматуры, частые порывы и повышенные ежемесячные затраты на обслуживание гидросистемы, перерасход электроэнергии. Внедрение соответствующей частотно-регулирующей автоматики настоятельно рекомендуется в данных системах и окупается менее чем за 6-10 месяцев.

В большинстве случаев скважинные насосы работают в режиме подачи воды в резервуары, в том числе водонапорные башни. При этом, проявляется ряд недостатков СУЗ, в том числе связанных с рекомендуемыми к применению датчиками. Так, вместо применения поплавковых или кондуктометрических датчиков в случае их замерзания рекомендуется переход к измерению уровня воды по давлению в нижней части наполняемого резервуара. При этом рекомендуется применение аналогового датчика, передающего на выход численное значение избыточного давления воды (Danfoss MBS3000 или Honeywell и проч.) и подключенного к нему компактного измерителя-регулятора (Maxthermo, Autonics и проч.), который может подавать сигналы управления на один или несколько насосов. Преимуществами такого решения является повышенная надежность, точность и гибкость настройки регулируемого уровня, в том числе возможность задания уровней включения резервных насосов и аварийной сигнализации. Вместо применяемых в настоящее время чувствительных к гидроударам ЭКМ инженерами Промэлектро рекомендуется применение более надежных реле давления (Grundfos FF-4 или Danfoss KPI35 и проч.) с реле времени для исключения влияния гидроударов и временных колебаний давления, или указанной выше комбинации аналогового датчика и измерителя-регулятора.

Отрицательной особенностью действующих водозаборов является то, что менее 30 % скважин в России оснащены датчиками защиты от сухого хода насоса, несмотря на то, что функция обработки сигналов этих датчиков входит в СУЗ и большинство приборов управления и защиты насоса. Для защиты скважинного насоса от аварийного режима сухого хода в состав шкафов управления включаться датчики кондуктометрического, поплавкового или гидростатического типа. Преимуществом гидростатических датчиков является возможность индикации текущего уровня воды в скважине или его дистанционной передачи, например на диспетчерский пульт.


Недостатки водонапорных башен.

Одним из наиболее распространенных технических решений в российских инженерных системах являются водонапорные башни. Применение водонапорных башен обеспечивает две основные функции: обеспечение давления и выравнивание неравномерного потребления воды путем ее аккумулирования.
Вместе с тем, водонапорные башни имеют ряд принципиальных недостатков и ограничений: значительные капитальные затраты, трудоемкость эксплуатации, возможные переливы, несвоевременные отключения или, наоборот, повторные включения насосов, вызванные действием гидроударов, падением давления на протяженных трубопроводах и проч. и коррозионные процессы, обмерзание внутренней поверхности из-за недостаточного оборота воды в зимний период, а также образование льда на внешней поверхности башни из-за утечек и переливов. Обледенение приводит к уменьшению рабочего объема башни и увеличению частоты пуска скважинных насосов, нарушению работы датчиков уровня в башне, увеличивает риск повреждения башни при весеннем таянии и обрушении ледяной массы. Для снижения стоимости создания, модернизации или ремонта системы водоснабжения с вышедшими из строя водонапорными башнями целесообразно рассматривать перспективы внедрения частотно-регулируемых шкафов управления  на скважинных насосах ЭЦВ и аналогичных, а также компактных систем второго подъема.


Недостатки действующих водозаборов второго подъема (II подъема). 

Значительная часть насосных станций II подъема в России уже оснащена энергосберегающими системами частотного регулирования, позволяющими стабилизировать давление и избежать его превышение сверх требуемого, сэкономив тем самым электроэнергию, снизив расход воды и повысив срок службы всего оборудования.

Однако наличие неавтоматизированных водозаборов и повысительных насосных станций с забором воды из резервуаров, естественных водоемов и трубопроводов низкого давления позволяет говорить о целесообразности дальнейших работ по ресурсосбережению и исключению человеческого фактора путем внедрения шкафов управления и насосных станций.

На устаревших насосных станциях малой мощности (до 5,5 кВт) основным расточительным фактором являются неравномерность и перебои в водоснабжении, расходы на ремонт, а также завышенный фонд оплаты труда персонала. На насосных станциях большой мощности наибольшими затратами становятся ежемесячный перерасход электроэнергии и воды.
Основным недостатком действующих неавтоматизированных водозаборов является отсутствие экономичного регулирования давления в напорном коллекторе. К тому же при нулевом или малом разборе воды задвижки не снижают давление. Это тем более опасно, что вследствие наклонной Q-H характеристики насоса он создает максимальное давление именно при малом расходе воды. То есть в ночное время давление в системе достигает критического максимума. Системы со ступенчатым регулированием (поочередным пуском насосов) более экономичны, однако и на них эксплуатационные затраты могут быть существенно снижены путем исключения периодических режимов работы с повышенным давлением (например когда с ростом разбора воды в течение дня производительности одного насоса уже недостаточно, а одновременная работа двух насосов избыточна). Кроме того, частые пуски и остановы насосов резко сокращают срок службы гидросети (гидроударами) и электросети (пусковыми токами).

Внедрение преобразователей частоты и внедрение автоматизированных систем энергосберегающего управления несколькими насосами позволяет экономично поддерживать давление на заданном уровне, обеспечивать равномерную выработку ресурса, повысить срок службы оборудования, сократить затраты на обслуживание и ремонт. Подобная модернизация водозаборов имеет малый срок окупаемости (как правило, меньше 8-12 месяцев) и является одним из самых рациональных видов инвестиций в сфере водоснабжения.

Пример: внедрение частотно-регулирующей автоматики на насосах 55 кВт станции II подъема Колхода им. Фрунзе позволило обеспечить экономичную ночную подачу воды в село Николаевка (ранее насосы на ночь отключались для экономии), а снижение давления в трубопроводе с 6 атм до 5 атм позволило обеспечить пониженный расход воды и бесперебойное водоснабжение в течение дня (ранее накопительный резервуар II подъема опустошался к середине рабочего дня, после чего следовал перерыв в водоснабжении). Кроме того, снизилось суммарное энергопотребление (15% на основных насосах и 8% на скважинных за счет уменьшения количества перекачиваемой воды), исключены 5-кратные пусковые броски тока (пусковые токи снижены с 500 А до 105 А), снижена статическая гидравлическая нагрузка на трубы за счет снижения давления (в том числе за счет автоматического снижения уставки давления ночью), а также динамическая нагрузка за счет исключения гидроударов, повышен механический и электрический ресурс насосного агрегата, предусмотрены 4 режима резервирования электрической части.