Водонапорные башни (ВБ) — это напорно-регулирующие сооружения, предназначенные для сглаживания неравномерности водопотребления и подачи насосной станции (как правило, насосной станции второго подъёма либо погружного насоса скважины для малых систем водоснабжения). То есть, в отличие от резервуаров чистой воды (РЧВ), ВБ выполняют функции как регулирования, так и создания напора в сети за счёт высоты своего ствола.
По опыту обучения в профильном вузе автору известно, что студентам, как правило, предлагается для курсовых работ провести расчёты для схемы водоснабжения с проходным или так называемым «контррезервуаром». При некоторых различиях данных схем (расположение ВБ относительно насосной станции и водопроводной сети) общим местом является порядок работы башни: в часы наименьшего водопотребления бак ВБ наполняется избыточной водой, подаваемой насосной станцией, в часы наибольшего водопотребления бак опорожняется, компенсируя недостаток подачи от насосной станции. При таком порядке работы уменьшаются требуемые подача насосной станции и объём бака водонапорной башни. Но чаще система водоснабжения работает в режиме, который иногда называют «автоматическим»: насосная станция (или погружной насос скважины) подаёт воду в водопроводную сеть и одновременно в бак водонапорной башни; при наполнении бака до верхнего уровня подающие насосы выключаются, вода в сеть подаётся из бака ВБ вплоть до его опорожнения до нижнего уровня, когда вновь включаются подающие насосы.
Данная схема для случая работы от погружного насоса скважины с указанием пьезометрической линии представлена на рис. 1. Для дальнейшего рассмотрения сразу обозначим основные показатели:
- Нтр — требуемый напор в системе, м;
- Нст — статический уровень воды в скважине, м;
- qуд — удельный дебит скважины (расход воды, приходящийся на 1 м понижения уровня воды), м3/(ч·м);
- Ндин — динамический уровень воды в скважине, м;
- ΔН — понижение уровня воды, м;
- Нб — высота ствола водонапорной башни, м;
- Нбак — высота бака водонапорной башни, м;
- Qmax.ч — максимальный часовой расход воды, м3/ч;
- Qср.ч — средний часовой расход, м3/ч;
- Qi — расход воды в данный час суток, м3/ч;
- Qб — подача насоса при использовании водонапорной башни, м3/ч;
- ηг — гидравлический коэффициент полезного действия насоса;
- Nб и Nч — мощность насосов, кВт;
- Wб и Wч — энергопотребление насосов (без учёта КПД электродвигателей) при наличии ВБ и её отсутствии, кВт·ч.
Рис. 1. Схема водозаборного устройства с водонапорной башней
Табл. 1. Распределение суточного расхода воды по часам суток
| Параметр | Значение | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Период, час | 0–1 | 1–2 | 2–3 | 3–4 | 4–5 | 5–6 | 6–7 | 7–8 | 8–9 | 9–10 | 10–11 | 11–12 |
| Номер часа | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Доля водопотребления, % | 0,50 | 0,50 | 0,50 | 0,50 | 1,00 | 3,00 | 5,00 | 8,00 | 7,75 | 7,00 | 4,75 | 4,25 |
| Период, час | 12–13 | 13–14 | 14–15 | 15–16 | 16–17 | 17–18 | 18–19 | 19–20 | 20–21 | 21–22 | 22–23 | 23–24 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Номер часа | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| Доля водопотребления, % | 3,00 | 2,50 | 2,00 | 4,50 | 6,00 | 8,00 | 8,25 | 7,50 | 7,00 | 4,50 | 3,00 | 1,00 |
Как известно, мощность насосного агрегата определяется по общей формуле:
| N = ρgQH / (ηгηобηмех), | (1) |
где H — напор, м; Q — подача воды, м3/с; ρ — плотность воды; g — ускорение свободного падения; ηоб — объёмный коэффициент полезного действия насоса; ηмех — механический коэффициент полезного действия насоса.
Если в выражение (1) подставить значения ρ = 1000 кг/м3 и g = 9,81 м/с2, а также разделить на 3600 секунд, получим:
| N = 0,00273QH / (ηгηобηмех), | (2) |
при размерности подачи воды Q [м3/ч].
Далее все значения мощности для случая использования водонапорной башни будут обозначаться индексом «б», а применительно к частотному преобразователю без использования ВБ — с индексом «ч».
Расчётная производительность насоса с частотным преобразователем (ЧП) должна быть равной максимальному часовому расходу Qmax.ч.
Расчётная производительность насоса при использовании ВБ должна оцениваться по интегральному графику водопотребления, который строится на основании часового распределения суточного расхода в процентах. Такие графики фигурировали в старых учебных пособиях по водоснабжению. Насколько данное распределение актуально для современности, это вопрос несколько спорный, но в первом приближении можно попробовать использовать их. Согласно имеющимся данным, распределение по часам суток следующее (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что максимальному часовому расходу соответствует 19-й час суток (с 18:00 до 19:00) с 8,25 % от общего суточного водопотребления. Таким образом, минимальный часовой расход (0,5 %) составляет 0,5/8,25 = 0,061Qmax.ч, средний часовой расход (100/24)/8,25 = 0,51Qmax.ч.
Данные табл. 1 в виде интегральных значений были перенесены на рис. 2. На этом же рисунке показан интегральный график подачи насосов — насоса скважины или насосной станции второго подъёма. Интегральный график подачи насосов проведён таким образом, чтобы как можно точнее соответствовать графику водопотребления. Согласно построению на рис. 2, видно, что часовая подача насосов при наличии ВБ составляет 5,5 % суточного водопотребления или 0,67Qmax.ч. Это значение и будет расчётной подачей Qб. Время работы насосов для подачи максимального суточного расхода, таким образом, составляет 18,18 ч. По часовым расходам можно оценить значения Nб и Nч за каждый час и сутки в целом.
Рис. 2. Интегральные графики водопотребления и водоподачи насосной станцией
Требуемый напор насосов складывается из соотношения:
| Нб = Нст + Qб/qуд + Нб + Нбака + Δhб; | (3) |
| Нч = Нст + Qср.ч/qуд + Нтр + Δhч. | (4) |
В выражениях (3) и (4) гидравлические потери Δhб и Δhч складываются из потерь напора в водоподъёмных трубах, в трубопроводах и арматуре павильонов скважин, в водоводах. Δhб и Δhч можно принять равными, так как, хотя и при отсутствии ВБ расчётный пропускаемый расход больше, но и заложить можно бóльший диаметр водоводов Δhб = Δhч = Δh. Капитальные затраты в данной статье вовсе не рассматриваются.
Напор Нтр можно приравнять к Нб, так как высота ствола водонапорной башни подбирается согласно требуемому свободному напору.
Отношения Qб/qуд и Qср.ч/qуд представляют собой понижения уровней воды в скважинах применительно к двум рассматриваемым случаям. Для случая без использования ВБ предполагается использовать значение среднечасового расхода Qср.ч, так как динамический уровень в скважине несущественно меняется от часа к часу, а Qср.ч = 0,51Qmax.ч. Высоту бака ВБ Нбак можно выразить в виде Нбак = АНтр, где А = Нбак/Нтр. Отсюда:
| Nб = 0,00273 × 0,67Qmax.ч / (ηгηобηмех) × [Нст + 0,67Qmax.ч/qуд + Нтр (1 + A) + Δhб]; | (5) |
| Nч = 0,00273 × 0,67Qi / (ηгηобηмех) × [Нст + 0,51Qmax.ч/qуд + Нтр + Δhб]. | (6) |
Нетрудно заметить, что Nб — это постоянная величина в течение суток, в то время как Nч меняется в течение дня. Требуемый напор для случая применения ВБ больше, чем когда используется только ЧП, а требуемая подача меньше, так как подбор насоса при использовании только ЧП производится на значение Qmax.ч.
Табл. 2. Расчёт Wч для случая погружного насоса ЭЦВ 8-40-70
| Номер часа | Qi | ηгi, % | ηгi | Qi/ηi |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,061Qmax.ч | 15 | 0,20ηг | 0,305 |
| 2 | 0,061Qmax.ч | 15 | 0,20ηг | 0,305 |
| 3 | 0,061Qmax.ч | 15 | 0,20ηг | 0,305 |
| 4 | 0,061Qmax.ч | 15 | 0,20ηг | 0,305 |
| 5 | 0,121Qmax.ч | 20 | 0,27ηг | 0,448 |
| 6 | 0,364Qmax.ч | 44 | 0,59ηг | 0,617 |
| 7 | 0,606Qmax.ч | 61 | 0,82ηг | 0,739 |
| 8 | 0,970Qmax.ч | 73 | 0,99ηг | 0,980 |
| 9 | 0,939Qmax.ч | 73 | 0,99ηг | 0,949 |
| 10 | 0,848Qmax.ч | 71 | 0,96ηг | 0,883 |
| 11 | 0,576Qmax.ч | 57 | 0,77ηг | 0,748 |
| 12 | 0,515Qmax.ч | 51 | 0,69ηг | 0,746 |
| 13 | 0,364Qmax.ч | 44 | 0,59ηг | 0,619 |
| 14 | 0,303Qmax.ч | 38 | 0,51ηг | 0,594 |
| 15 | 0,242Qmax.ч | 33 | 0,45ηг | 0,538 |
| 16 | 0,545Qmax.ч | 56 | 0,76ηг | 0,717 |
| 17 | 0,727Qmax.ч | 66 | 0,89ηг | 0,817 |
| 18 | 0,970Qmax.ч | 74 | 1,00ηг | 0,970 |
| 19 | 1,000Qmax.ч | 74 | 1,00ηг | 1,000 |
| 20 | 0,909Qmax.ч | 73 | 0,99ηг | 0,918 |
| 21 | 0,848Qmax.ч | 71 | 0,96ηг | 0,883 |
| 22 | 0,545Qmax.ч | 56 | 0,76ηг | 0,717 |
| 23 | 0,364Qmax.ч | 44 | 0,59ηг | 0,617 |
| 24 | 0,121Qmax.ч | 20 | 0,27ηг | 0,448 |
| Итого | 16,17 |
Значения коэффициентов полезного действия ηоб и ηмех также примем равными для обоих случаев.
Для решения задачи сравнения энергетической эффективности отбросим из выражений (5) и (6) все одинаковые переменные. Тогда:
| Nб = Qmax.ч/ηг [0,00183Нст + 0,00123 × Qmax.ч/qуд + 0,00183Нтр (1 + A) + 0,00183Δh] = Qmax.ч/ηг · Б; | (7) |
| Nч = Qi/ηг [0,00273Нст + 0,00139 × Qmax.ч/ηуд + 0,00273Нтр + 0,00273Δh] = Qi/ηг · B. | (8) |
Работа насосов в сутки при наличии ВБ составляет 18,18 ч, поэтому суточное энергопотребление (КПД электродвигателя условно не учитываем) составит:
| Wб = 18,18 Qmax.ч/ηг Б, кВт. | (9) |
Коэффициент ηг здесь всегда остаётся постоянным.
Расчёт Nч намного более сложный. Во-первых, в каждый час подаётся разный расход Qi. Во-вторых, расход Qi подаётся с гидравлическим КПД ηг менее максимального (за исключением часа наибольшего водопотребления). Предполагается, что при Qmax.чηг наибольший, рабочее колесо раскручено на номинальную частоту оборотов n, а частота тока составляет 50 Гц. Тогда суточное потребление электроэнергии составит:
| Wч = ∑24i=1 (Qi/ηгi) Б, кВт. | (10) |
Каждому значению Qi соответствует своё значение ηгi, которое в рассматриваемом случае всегда будет меньше ηг при Qmax.ч. Чтобы оценить значения ηгi, необходима привязка к конкретной марке насоса. Для примера возьмём погружной насос ЭЦВ 8-40-70: подача 41 м3/ч (Qmax.ч), напор 74,0 м, ηг = 74 % (0,74) (рис. 3).
Рис. 3. Характеристики насосов серии ЭЦВ 8-40
Согласно характеристикам насоса ЭЦВ 8-40-70 и данным табл. 1, можно приблизительно оценить отношение Qi/ηгi. Каждое значение Qi и ηгi можно представить, как Qmax.ч и ηг, умноженные на соответствующие коэффициенты.
Таким образом, получаются две следующие формулы: Wб = 18,18(Qmax.ч/ηг)Б и Wч = 16,17(Qmax.ч/ηг)Б, но если первая из них относится к любой марке насоса, то вторая — к определённой модели вследствие неоднозначности распределения КПД насоса по напорно-расходной характеристике.
Разницу между Wч и Wб можно оценить, раскрыв выражения для этих переменных следующим выражением:
| ΔW = Wч − Wб = Qmax.ч/ηг (0,00183Нст + 0,00225Qmax.ч/qуд + 0,0441Нсв + 0,0441Δh) − − Qmax.ч/ηг [0,0333Нст + 0,0225Qmax.ч/qуд + 0,0333Нсв (1 + A) + 0,0333Δh] = = Qmax.ч/ηг (0,0108Нст + 0,0108Нсв − 0,0333НсвA + 0,0108Δh). |
(11) |
Подставив для примера в выражение (11) цифры, можно оценить экономию электроэнергии для суток наибольшего водопотребления.
Например, дано: Нтр = 25 м, Нст = 35 м, Qmax.ч = 41 м3/ч, qуд = 5,0 м3/ч, ηг = 74 %, Δh = 10 м, высота бака ВБ — Нбак = 5 м, тогда А = 5/25 = 0,2. В этом случае ΔW для суток наибольшего потребления составит 32,6 кВт. Аналогичные значения можно получить и для каждого иного дня в течение года, когда водопотребление меньше максимального суточного.
Из представленных выше выражений видно, что экономия при использовании ВБ может быть тем больше, чем больше максимальный часовой расход Qmax.ч и геометрическая высота подъёма (Нст + Нтр) без учёта понижения в скважине. Наоборот, экономичность падает при больших значениях высоты бака Нбак.
Также очевидно, что при использовании ВБ снижается количество моточасов работы насосов, а сами насосы работают в области наивысших КПД в отличие от работы с частотными преобразователями без водонапорной башни. Что, конечно, положительно сказывается на надёжности и долговечности насосов.
Встречается мнение, что водонапорные башни можно заменить мембранными баками-гидроаккумуляторами, но подобное суждение является ошибочным: баки-гидроаккумуляторы неспособны компенсировать часовую неравномерность водопотребления и подачу насосной станции. Их задачей является снижение частоты запуска насосных агрегатов (подробнее см. [1]).
Впрочем, наличие в системе водоснабжения водонапорной башни не препятствует использованию частотных преобразователей на насосах. В таком случае требуемое давление настраивают на подачу воды до верхнего уровня воды в баке ВБ. Включение/выключение подающего насоса производится по опорожнению/заполнению бака водонапорной башни.
Частотный преобразователь позволяет обеспечить поддержание постоянства давления в водопроводной сети. Причём использование частотного преобразователя в особенности целесообразно при наличии станции водоподготовки, когда подача воды из скважины производится в один подъём: в системе водоснабжения имеется водонапорная башня, но отсутствуют резервуары чистой воды и насосная станция второго подъёма. Такая схема была реализована, например, на водозаборном узле (ВЗУ) микрорайона Салтыковка городского округа Балашиха Московской области в 2019 году. Существующая водонапорная башня не была демонтирована, а обновлена и реконструирована. На фото 1 можно увидеть площадку сооружений до реконструкции.
Фото 1. Площадка водозаборного узла (ВЗУ) «Салтыковка» до реконструкции
Упрощённая технологическая схема этого ВЗУ показана на рис. 4. Здесь погружной насос скважины, оснащённый частотным преобразователем, подаёт воду по сигналу от датчика давления РЕ. Вода под постоянным давлением направляется через станцию водоподготовки (обезжелезивания) одновременно и в водопроводную сеть, и в бак ВБ. Подача погружного насоса составляет 20 м3/ч.
Рис. 4. Упрощённая технологическая схема ВЗУ «Салтыковка»
При незначительном водопотреблении часть подаваемой воды пополняет бак водонапорной башни. Давление, создаваемое насосом скважины и водонапорной башней, воспринимается электроконтактным манометром Мэк. При определённом давлении по сигналу от Мэк закрывается дисковый затвор с электроприводом Дэ, и по сигналу датчика РЕ погружной насос скважины останавливается. Далее вода в водопроводную сеть подаётся самотёком из бака ВБ.
По мере опорожнения бака гидростатическое давление, воспринимаемое электроконтактным манометром Мэк, снижается, и при определённом его значении открывается дисковый затвор с электроприводом Дэ. При наступившем снижении давления по сигналу от датчика давления РЕ включается погружной насос скважины. Цикл работы повторяется снова.
Выводы
- Использование водонапорных башен в небольших системах водоснабжения может способствовать снижению энергопотребления, которое может быть тем более значительным, чем выше требуемый напор и часовая подача.
- Система водоснабжения, оснащённая погружным насосом скважины с частотным преобразователем и водонапорной башней, может обеспечивать очистку и подачу воды потребителям без резервуаров чистой воды и насосной станции второго подъёма.
- При реконструкции водозаборных узлов представляется целесообразным не сносить, а ремонтировать и обновлять существующие водонапорные башни.
