На основе длительного опыта эксплуатации трубопроводов водоснабжения и водоотведения установлено, что в процессе их жизненного цикла «эксплуатация» на внутренней поверхности напорных металлических сетей водоснабжения и на внутренних стенках напорных канализационных коллекторов образуется слой осадка, влияющий на величину значений фактических характеристик гидравлического потенциала трубопроводов — Nдвф, vф и iф [1, 2, 5]. Следствием изменения значений этих характеристик, естественно, является изменение энергопотребления насосных агрегатов, установленных на канализационных насосных станциях (КНС), что снижает эффективность эксплуатации напорных коллекторов и приводит к изменению экономических показателей их эксплуатации [3, 4, 6–8].
На рис. 1 приведён фрагмент слоя отложений на внутренних стенках сетей водоснабжения и стенках напорных канализационных коллекторов.
Рис. 1. Фрагменты отложений внутри различных трубопроводов (на внутренней поверхности: а — водопроводных сетей, б — напорных коллекторов)
В результате проведённых гидравлических исследований трубопроводов с внутренними отложениями подтверждено существование зависимостей фактического энергопотребления насосных агрегатов от значений величин фактического внутреннего диаметра труб dвнф и фактической средней скорости потока vсрф, зависящих от значения толщины фактического (измеренного) слоя осадка σ на внутренней поверхности труб (рис. 1а).
Зависимость имеет вид [8]:
где iф, dвнф и vф — значения фактических характеристик гидравлического потенциала труб со слоем внутренних отложений; η — величина КПД насосного агрегата по паспорту (для расчётов принимают η = 0,7 [10]).
Значения параметров, входящих в зависимость (1), зависят в первую очередь от значения толщины фактического слоя осадка σф на внутренней поверхности труб коллектора (рис. 1а), которая изменяется во времени в процессе его эксплуатации, а значит изменяется энергопотребление насосных агрегатов.
Формулы для расчёта значений dвнф, vсрф и iф широко используются на практике и имеют следующий вид [2, 9]:
dвнф = (dн — 2Sp) — 2σф, м, (2)
здесь dн — наружный диаметр труб по ГОСТ из конкретного вида материала, м; Sp — толщина стенки трубы по ГОСТ, м; σф — значение фактической (измеренной) толщины слоя осадка на внутренней поверхности трубы, м (рис. 1а):
σф = Sф — Sp, м, (3)
где Sф — фактическая толщина стенки труб со слоем отложений, м.
Формулы (2) и (3) используются при расчёте значений Nдвф по формуле (1) [10].
Покажем на конкретном примере, как изменяется энергопотребление насосного агрегата при изменении фактической толщины слоя отложений σф на внутренней поверхности канализационного коллектора из стальных труб.
Условие задачи
По напорному коллектору диаметром dвн = 400 мм из стальных электросварных труб по ГОСТ 10704–91 перекачивается расход сточной жидкости q = 0,11 м³/с (110 л/с). Толщина фактического (измеренного) слоя осадка на внутренних стенках труб составляет σ = 30 мм.
Необходимо рассчитать и сравнить значения энергопотребления насосного агрегата для новых стальных труб и труб со слоем отложений σ = 30 мм (0,03 м). Показать графически изменение энергозатрат насосного агрегата Nдв при заданных условиях.
Решение
1. По формуле (2) вычисляют значение фактического внутреннего диаметра dвнф для расчёта величины фактической скорости потока vф: dвнф = (0,4064–2×0,01) — 2×0,03 = 0,3264 м.
2. Аналогично для новых стальных электросварных труб: dвн = 0,4064–2×0,01 = 0,3864 м.
3. Вычисляют значение средней скорости для новых труб и фактической средней скорости для труб со слоем осадка σ = 0,03 м:
4. Определяют значения потерь напора i (гидравлического уклона) на сопротивления по длине для новых труб и для труб со слоем отложений σ = 0,03 м. Для расчётов используют формулу профессора Ф. А. Шевелева, имеющую уточнённый авторами вид [9]. Для новых труб:
для труб со слоем отложений σ:
5. По формуле (1) вычисляют величину энергозатрат насоса для новых стальных труб Nдв и для труб со слоем осадка Nдвф:
6. Фактические энергозатраты насосного агрегата Nдвф в коллекторе со слоем осадка σ = 0,03 м возросли: Nдвф > Nдв на 95,51% или в 22,27 раза.
7. Для графической демонстрации изменяемых энергозатрат насосного агрегата Nдвф в табл. 1 по описанной методике рассчитаны значения характеристик гидравлического потенциала новых стальных труб и труб с разной толщиной слоя отложений в диапазоне значений σ < 0,03 м.
Результаты и их обсуждение
Сравнение значений гидравлических характеристик труб и характеристик энергозатрат насосных агрегатов Nдвф с разной толщиной слоя внутренних отложений приведено в табл. 1. На рис. 2 по данным табл. 1 построен график зависимости iф = f(σ), а на рис. 3 — график зависимости Nдвф = f(σ), подтверждающие влияние толщины слоя осадка σ на значение величины гидравлического уклона iф и значение энергозатрат насосного агрегата, транспортирующего сточные воды.
Рис. 2. Зависимость фактических потерь напора воды в трубопроводе от толщины слоя осадка на внутренней поверхности
Рис. 3. Зависимость фактических энергозатрат насосного агрегата от толщины слоя осадка на внутренней поверхности
Анализ значений гидравлических характеристик коллектора, представленных в табл. 1, показывает, что:
1. С увеличением толщины слоя осадка σ на внутренней поверхности канализационных коллекторов — резко изменяются значения фактических потерь напора iф на сопротивление по длине. Для приведённого примера при изменении значений σ в диапазоне от 0 до 30 мм (0,03 м) фактические потери напора iф возрастают на 95,5%: iф30 = 0,07226 м/м > iф0 = 0,00325 м/м на 95% или в 22,23 раза.
2. При этом (табл. 1) фактическое энергопотребление насосного агрегата на перекачку стоков по трубам с внутренними отложениями для тех же условий также возрастает на 95,51% или в 22,28 раза: Nдвф = 117,268 кВт·ч > Nдв0 = 5,264 кВт·ч.
3. Это свидетельствует о необходимости проведения постоянного контроля толщины слоя внутренних отложений σ на стенках напорных коллекторов.
Заключение
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующее заключение:
1. Напорные коллекторы систем водоотведения из стальных труб и труб из серого чугуна, также как и водопроводные трубы из этих материалов, в процессе эксплуатации трубопроводов подвержены образованию на внутренней поверхности труб слоя осадка, влияющего на величину фактических значений характеристик их гидравлического потенциала (dвнф, vф и iф) и, в конечном итоге, на энергопотребление насосных агрегатов.
2. Структура слоя осадка на внутренней поверхности напорных коллекторов из металлических труб изучена недостаточно, поэтому требуется проведение специальных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для разработки мер, предотвращающих резкое изменение значений характеристик гидравлического потенциала труб с внутренними отложениями.
3. Требуется также разработка и обоснование величины предельных значений σ для труб разного диаметра, при достижении которых дальнейшая эксплуатация напорных коллекторов с внутренними отложениями — недопустима.
4. Гидравлический расчёт напорных коллекторов из металлических труб с внутренними отложениями следует на данном этапе проводить с использованием справочного пособия «Таблицы для гидравлического расчёта водопроводных труб из стали и серого чугуна с внутренними отложениями» [11], а после проведения исследований структуры слоя осадка σ разработать уточнения к этим таблицам.
