Насосные станции. Водоподъемные устройства

В зданиях водопроводных насосных станций размещают насосы и двигатели к ним, трубопроводы, задвижки, контрольно-измерительные приборы, водомеры, электрооборудование и пр. Здания насосных станций бывают круглыми или прямоугольными в плане.

Агрегаты (насос и двигатель) располагают перпендикулярно или параллельно продольной оси здания в один или два ряда, а также в два ряда в шахматном порядке. Подъем, перекачивание на очистные сооружения и подача воды в городские сети осуществляются насосными станциями. Основным оборудованием насосной станции является насос.

Центробежные насосы классифицируют по ряду признаков. Рассмотрим некоторые из них.

По напору различают насосы низконапорные (до 20м), средненапорные (20–60 м) и высоконапорные (более 60 м).

По числу колес насосы делят на одноколесные и многоколесные. Многоколесными, как правило, делают высоконапорные насосы.

По расположению вала насосы бывают горизонтальные и вертикальные.

В зависимости от перекачиваемой жидкости различают насосы водопроводные (водяные), для перекачки сточной жидкости (канализационные), песковые, грязевые (землесосные) и пр.

По назначению насосы бывают общего назначения, шахтные, артезианские (предназначенные для работы в скважинах) и др.

Основным рабочим элементом центробежного насоса (рис. 1.6) является рабочее колесо 1 с изогнутыми лопастями 2, расположенное на валу внутри корпуса 3. Корпус насоса соединен со всасывающим 4 и нагнетательным 5 трубопроводами. Перед пуском насоса его корпус и всасывающий трубопровод заполняют жидкостью. При вращении рабочего колеса жидкость, находящаяся между лопастями, под действием центробежной силы отбрасывается к периферии, выходит в спиральную камеру и далее в нагнетательный трубопровод. В центральной части насоса перед входом в рабочее колесо возникает разрежение, и вода под действием атмосферного давления направляется из источника по всасывающему трубопроводу в насос.

Рис. 1.6. Схема центробежного насоса

Для нормальной работы центробежных насосов вакуум в их всасывающем патрубке не должен превышать определенной величины, зависящей от их конструкции, частоты вращения колеса и других параметров.

Эту величину называют допустимой вакуумметрической высотой всасывания. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания указывается в каталогах насосов и обычно не превышает 6–7 м.

При проектировании насосных установок различают геометрическую высоту всасывания и вакуумметрическую высоту всасывания . Геометрическая высота всасывания – это разность отметок центра колеса и уровня воды в источнике. Вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасывания, потерь напора во всасывающем трубопроводе и скоростного напора при входе в насос .

Вакуумметрическая высота всасывания во избежание кавитации не должна превышать допустимой вакууметрической высоты всасывания, т. е.

(1.1)

Полный напор , который должен создавать центробежный насос, складывается из следующих величин (рис. 1. 7): геометрической высоты всасывания , геометрической высоты нагнетания , потерь напора во всасывающем трубопроводе (с арматурой) , потерь напора в напорном трубопроводе (с арматурой) (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схема насосной установки:

1-приемный клапан; 2- всасывающий трубопровод; 3- вакуумметр; 4- насос; 5- манометр; 6- обратный клапан; 7-задвижка; 8- напорный трубопровод

Следовательно,

(1.2)

Полезная (эффективная) мощность насоса, кВт, выражается соотношением

, (1. 3)

где - удельный вес жидкости, ; - подача насоса, ; - полный (рабочий) напор насоса, м.

Мощность на валу насоса (потребляемая мощность), кВт,

, (1. 4)

где - полный КПД насоса.

Полный КПД учитывает гидравлические, объемные и механические потери.

Приведенные на рис. 1.8. рабочие характеристики насоса показывают, как изменяется напор, мощность на валу насоса и КПД с изменением расхода.

Точка 1 характеристики называются оптимальной точкой, т. е. точкой, отвечающей оптимальному режиму работы насоса.

Рис 1.8. Рабочие характеристики центробежного насоса

Характеристику трубопровода (или системы трубопроводов) можно представить в виде двучлена

, (1. 5)

где - геометрическая высота подачи воды, т. е. разность отметок уровней воды в источнике и в напорном баке (см. рис. 1.7); - сумма потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах.

Вблизи насосных станций с большой подачей на напорных трубопроводах устраивают камеру, в которой размещают задвижки, расходомеры, предохранительные и обратные клапаны. Это позволяет уменьшить размеры зданий самих станций.

По расположению в общей схеме водоснабжения насосные станции подразделяют на станции I подъема, II подъема, повысительные и циркуляционные. Насосные станции I подъема подают воду из источника водоснабжения на очистные сооружения или, если не требуется очистка воды, непосредственно в распределительную сеть, водонапорную башню и другие сооружения. Насосные станции II подъема служат для подачи воды с очистных сооружений к потребителям. Повысительные насосные станции предназначены для повышения напора в водопроводной сети. Циркуляционные насосные станции устраивают в промышленных системах водоснабжения; они служат для подачи отработавшей воды на охлаждающие устройства и возврата этой воды на предприятие.

По расположению оборудования насосные станции могут быть наземные, заглубленные и глубокие.

По характеру оборудования различают станции с горизонтальными центробежными насосами, с вертикальными центробежными насосами, с поршневыми насосами, с центробежными насосами и компрессорами для обслуживания воздушных водоподъемников.

По характеру управления насосные станции могут быть с ручным, автоматическим и дистанционным управлением.

Насосные станции I подъема, подающие воду на очистные сооружения, рассчитывают на средний часовой- расход в дни наибольшего водопотребления.

При заборе воды из артезианских скважин насосы станции I подъема обычно подают воду в резервуары, откуда ее забирают и подают потребителям насосы станции II подъема. Режим работы насосов станции II подъема зависит от графика водопотребления. Подача воды в течение суток может быть равномерной и ступенчатой. При ступенчатой подаче уменьшаются необходимый объем бака водонапорной башни и полный рабочий напор насосов. При подборе насосов для ступенчатой подачи учитывают очередность развития станции. На насосной станции целесообразно устанавливать однотипные насосы с одинаковой подачей. Режим работы насосной станции выбирают на основе анализа графиков водопотребления и совместной работы насосов, водоводов и водопроводной сети.

Насосные станции I подъема, принимающие воду из открытого источника, обычно заглубляют для уменьшения высоты всасывания насосов. При заглублении насосных станций более чем на 4–5 м на них чаще всего устанавливают вертикальные центробежные насосы.

На станциях I подъема должно быть предусмотрено не менее двух рабочих насосов и один или два резервных. Каждый насос, как правило, имеет отдельный всасывающий трубопровод.

Для учета работы отдельных агрегатов и всей станции устанавливают расходомеры. Наиболее распространены скоростные турбинные счетчики воды, сопла Вентури и трубы Вентури.

На рис. 1.9 приведена насосная станция раздельного типа, в которой водозаборное сооружение и здание станции разделены.

Рис. 1.9. Насосная станция первого подъема раздельного типа:

1 - всасывающий трубопровод; 2 - нагнетательный трубопровод; 3 - водосборный резервуар; 4 – насосы Д630/90 двойного всасывания (подача 630 м³/ч, напор 90 м); 5,6 – всасывающая и нагнетательная задвижки; 7 – обратный клапан; 8- дренажные насосы; 9 – вакуум-насосы

Очистка природных вод

Как показывает анализ качества вод природных источников, их применение для целей водоснабжения возможно только после проведения комплексных мероприятий по их очистке. Основные методы и сооружения по обработке вод природных источников приведены на рис. 1.10. Рассмотрим задачи каждого из представленных способов.

Осветление – это процесс, с помощью которого из воды удаляются содержащиеся в ней взвешенные вещества. Осветление может осуществляться отстаиванием воды в отстойниках. Для улучшения этого процесса применяют коагуляцию, т. е. вводят в воду химические реагенты, которые способствуют укрупнению и более быстрому осаждению взвешенных веществ. Коагуляция в свободном объеме протекает в смесителях и камерах хлопьеобразования. В настоящее время широко применяется контактная коагуляция. При этом воду осветляют в осветлителях с взвешенным осадком. Процесс контактной коагуляции может протекать и в зернистой загрузке фильтров.

Рис. 1.10. Основные методы и сооружения по обработке питьевой воды

После отстойников и осветлителей вода подвергается более глубокому осветлению – фильтрованию, в процессе которого она проходит через слой фильтрующего материала фильтров.

Обеззараживание воды осуществляется с целью уничтожения бактерий, главным образом болезнетворных (патогенных). Наиболее распространенными способами обеззараживания воды являются хлорирование, озонирование и бактерицидное облучение.

В ряде случаев применяется специальная обработка воды.

Например, подземные воды иногда подвергаются обезжелезиванию.

Питательная вода котельных установок и ТЭЦ требует предварительного ее умягчения на реагентных и катионовых установках.

Вода некоторых источников водоснабжения должна быть обессолена до подачи ее потребителям.

Для предотвращения коррозии трубопроводов и арматуры, а также выпадения в трубах солей осуществляют стабилизацию воды путем добавления в нее химических реагентов.

Таким образом, очистные станции представляют собой комплекс сооружений, в которых вода подвергается очистке, приобретая качества и свойства, необходимые потребителю.

Выбор методов очистки и состав очистных сооружений в свою очередь зависит от ряда факторов:

1. качества воды в источнике водоснабжения;

2. назначения водопровода;

3. производительности станции очистки;

4. местных условий;

5. экологической и технико-экономической целесообразности применения способов очистки.

Остановимся на изучении методов очистки воды для хозяйственно-питьевых нужд и примем в качестве источника водоснабжения города – реку.

В хозяйственно-питьевых водопроводах, использующих речную воду, на очистные сооружения возложены задачи осветления, фильтрации и обеззараживания воды. Попутно решаются задачи устранения из воды неприятных запахов и привкусов, вопросы умягчения воды (если это необходимо), устранение ее цветности (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Основные показатели качества питьевой воды

Наименование показателя	Значение
Запах и привкус	не более 2 баллов
Активная реакция – концентрация ионов водорода (РН)	6,5 < рН < 8,5
Мутность – количество взвешенных частиц	не более 1,5 мг/л
Температура воды (оптимальная)	7 – 10 °С
Число кишечных палочек в 1 литре воды (коли-индекс)	не более 3
или
Наименьший объем воды, в котором еще обнаруживается кишечная палочка (коли-титр)	не менее 300 мл
Цветность по платино-кобальтовой шкале	20°
Жесткость – содержание солей Са и Mg	7 – 10 мг · экв/л
Содержание железа	не более 0,3 мг/л
Содержание фтора	0,7 – 1,5 мг/л
Содержание свинца	не более 0,1 мг/л
Содержание урана природного и урана-238	не более 1,7 мг/л
Содержание остаточного активного хлора	0,3 – 0,5 мг/л

Очистные сооружения являются одним из составных элементов системы водоснабжения города и тесно связаны с ее остальными элементами. Очистные сооружения обычно стараются располагать в незначительном удалении от насосной станции первого подъема. Наибольшее распространение в практике водоочистки имеют схемы очистных сооружений с самотечным режимом движения воды. Это означает, что вода из поверхностного источника водоснабжения, поданная насосами насосной станции первого подъема, самотеком проходит все очистные сооружения и поступает в резервуар (чистой воды), из которой забирается насосами насосной станции второго подъема.

В случае, когда один из основных процессов очистки (осветление или фильтрация) осуществляется несколько раз, технологическая схема называется двух-, трех- или многоступенчатой. При одноступенчатой схеме очистки воды ее осветление осуществляется на фильтрах или в контактных осветлителях (без использования отстойников).

На рис. 1.11 показана структура комплекса очистных сооружений, ocyществляющего очистку воды для хозяйственно-питьевых целей, по двухступенчатой технологической схеме.

Вода, подаваемая насосами насосной станции первого подъема, поступает в смеситель 1, куда вводится раствор реагентов, приготовляемых в реагентном хозяйстве 2, необходимых для проведения коагулирования, где и происходит их смешивание с водой. Из смесителя вода поступает в камеру хлопьеобразования 3, где осуществляется укрупнение взвеси. Затем вода последовательно проходит отстойники 4, где происходит осаждение взвеси, а затем фильтры 5, в которых она проходит более глубокое осветление. В трубу, подающую воду из фильтров в резервуар чистой воды 6, вводится хлор из хлораторной 7. Необходимый для обеззараживания контакт воды с хлором происходит в резервуаре 6. В ряде случаев хлорирование воды осуществляется дважды – перед смесителем (первичное хлорирование) и после фильтров (вторичное хлорирование). Процесс обесцвечивания воды происходит одновременно с процессом коагулирования и осветления воды.

Основные очистные сооружения в зависимости от производительности станции могут располагаться отдельными блоками или объединяться. Кроме того, типы и конструкции этих сооружений зависят от климатических условий. В большинстве случаев все очистные сооружения выполняются из железобетона.

При проектировании комплекса очистных сооружений необходимо не только наметить их размещение на плане отведенной под строительство площадки, но и составить предварительную «высотную схему станции», т. е. установить предполагаемые отметки расчетных уровней воды во всех сооружениях.

Рис. 1.11. Комплекс очистных сооружений по очистке воды для хозяйственно-питьевых целей по двухступенчатой технологической схеме:

1 – смеситель; 2 – реагентное хозяйство; 3 – камера хлопьеобразования; 4 – отстойники; 5 – фильтры; б – резервуар чистой воды; 7 – хлораторная

Коагулированием примесей называют процесс укрупнения мельчайших коллоидных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием молекулярного притяжения.

Коллоидные частицы, содержащиеся в воде, имеют чаще всего отрицательный заряд и находятся во взаимном отталкивании, поэтому не оседают. Реагент (коагулянт), добавленный в воду (процесс протекает в смесителе), образует положительно заряженные ионы. Это способствует взаимному притяжению противоположно заряженных коллоидов и приводит, как показано на схеме, к образованию укрупненных частиц или, как их принято называть, «хлопьев» в камерах хлопьеобразования.

В результате отстаивания и фильтрования из воды удаляется до 95% бактерий. Для уничтожения оставшихся в воде болезнетворных бактерий воду обеззараживают.

Использование озона для целей обеззараживания воды получает в настоящее время широкое распространение. Озонирование осуществляется пропуском через воду озонированного воздуха, т. е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомную форму (О₃). Озон обладает высокой бактерицидностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды. В ряде случаев применение озона является целесообразным для обесцвечивания воды, борьбы с запахами и привкусами. Озон в виде озоно-воздушной смеси получают в электрических озонаторах из кислорода воздуха.

Метод обеззараживания воды бактерицидным облучением осуществляется с использованием ультрафиолетовых лучей, обладающих бактерицидными свойствами. В качестве источника излучения применяют ртутно-кварцевые лампы высокого и низкого давления. Этот метод, как правило, применяют для небольших количеств воды поверхностных и подземных вод.

Наиболее распространенным методом обеззараживания воды перед ее подачей в хозяйственно-питьевые водопроводы является хлорирование.

Для этого используются жидкий хлор и хлорная известь (для станций небольшой производительности).

Воду хлорируют жидким или газообразным хлором, под действием которого большинство бактерий погибают, в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток. Правильное назначение дозы хлора является исключительно важным. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия, излишняя – ухудшает вкусовые качества воды. Поэтому доза хлора должна быть установлена в зависимости от индивидуальных качеств очищаемой воды на основании опытов с этой водой. Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки должна приниматься исходя из необходимости очистки воды в период ее максимального загрязнения (например в период паводков).

Показателем достаточности принятой дозы хлора является наличие в воде остаточного хлора, концентрация которого для питьевой воды (как указывалось ранее) составляет 0,3 – 0,5 мг/л.

Хлорирование уже осветленной волы производится перед ее поступлением в резервуар чистой воды, где она контактирует с ним 30 мин.

Иногда применяют предварительное хлорирование, т. е. хлор добавляют в воду до смесителя. Это позволяет уменьшить дозу коагулянта и обеспечивает санирование самих очистных сооружений. Вводя хлор до и после очистных сооружений, можно снизить общий расход хлора по сравнению с расходом его при предварительном хлорировании, сохраняя преимущества последнего.

При использовании жидкого хлора процесс обеззараживания осуществляют с помощью хлораторов напорного или вакуумного типов. Недостатком напорных хлораторов является возможность утечки из них хлора. Эта опасность устранена в вакуумных хлораторах, поэтому они наиболее часто используются в установках для обеззараживания воды.