Водоподъемные станции

Водоподъемная станция

ВОДОПОДЪЕМНЫЕ СТАНЦИИ предназначаются для добывания воды из источника и перекачки ее в водопроводную сеть. Основными принадлежностями водопроводных станций являются: всасывающие и нагнетательные насосы, приводящие их в движение двигатели и трубопроводы. При проектировании водопроводных станций необходимо определить количество подлежащей перекачке воды, суммарный подъем ее, а также продолжительность работы насосов в течение суток. При определении мощности станции берется средний суточный расход воды в месяцы наибольшего потребления с учетом всех потерь воды, а также и расхода ее на собственные нужды станции. Максимальные часовые расходы покрываются из запаса регулирующего резервуара (см. Водонапорные резервуары). Подъем воды (всасывание + нагнетание) определяется по разнице между высшим уровнем воды в резервуаре и низшим уровнем ее в источнике с учетом потери напора в трубах. Число часов работы станции выбирается в зависимости от степени неравномерности потребления воды и объема регулирующего резервуара. В больших городах наибольшее потребление воды происходит в течение 14—18 часов; этим определяется минимальная продолжительность работы станции и емкость резервуара. Обычно большие водопроводные станции работают по возможности равномерно и беспрерывно круглые сутки; резервуар наполняется ночью и регулирует часовые колебания расхода, отдавая запас днем. Малые водопроводные станции работают 8—10 часов в сутки при резервуаре достаточной емкости.

При выборе числа насосов для подачи потребного суточного количества воды д. б. учтены: надежность, достигаемая постановкой запасных агрегатов; соразмерность, устанавливаемая выбором подходящей мощности каждого агрегата, и экономичность. В больших установках д. б. не менее двух запасных насосов для регулирования работы водопроводной станции при капитальном и случайном ремонте. При основном электрическом оборудовании запасными агрегатами д. б. дизель-насосы или паровые насосы; мощность отдельных агрегатов выбирается в предположении, что каждый из них будет работать с полной нагрузкой и с наибольшим КПД. При переменной подаче насосы большой мощности могут оказаться менее выгодными, чем большее число насосов меньшей мощности, позволяющее комбинировать различную подачу. При выборе типа насоса д. б. учтено следующее: а) насосы по возможности д. б. ходового типа, для которых можно получить во всякое время запасные части к ним; б) конструкция насосов д. б. надежна и долговечна; в) КПД д. б. достаточно высок и постоянен при разных условиях работ; г) эксплуатация насосов д. б. наиболее выгодной; д) вся насосная установка д. б. приспособлена для различных возможных условий работы; в этом отношении выгоднее насосы разной производительности.

Насосы подразделяются на поршневые, плунжерные, центробежные, турбинные, пневматические и на другие специальные, редко применяемые типы. Объемные насосы имеют разнообразную конструкцию. Достоинства этих насосов: высокий коэффициент полезного действия (до 0,84), остающийся постоянным при разных условиях работы, долговечность, надежность, возможность регулировки подачи и напора (путем изменения числа оборотов). Недостатки: высокая стоимость, большая занимаемая площадь, большой вес, трудность соединения с электромоторами и двигателями внутреннего сгорания, порча песком, который находится в воде, восприимчивость к гидравлическим ударам. Центробежные насосы, работа которых основана на превращении живой силы воды в статическое давление, находят большое применение в водопроводном деле. КПД этих насосов не постоянен, и данный насос имеет максимальный КПД при определенном числе оборотов и определенном напоре, для которого и рассчитывается насос. При напорах больших расчетного подача насоса уменьшается, КПД также сильно падает; при недопустимо высоких напорах подача совсем прекращается. При напорах меньших расчетного подача хотя и увеличивается, но КПД уменьшается и расход энергии растет. Поэтому центробежные насосы должны всегда работать при расчетных данных. Параллельная работа центробежных насосов возможна лишь в том случае, когда характеристика их имеет вид, указанный на фиг. 1, т. е. если напор при закрытой задвижке выше напора при нормальной подаче; при характеристике же, изображенной на фиг. 2, когда напор при закрытой задвижке ниже напора при нормальной подаче, одинаковые напоры соответствуют двум разным производительностям, и параллельная работа насосов невозможна.

Водоподъемные станции

Центробежные насосы разделяются на насосы низкого давления - до 30 м, среднего - до 70 м и высокого - выше 70 м водяного столба. Для малых напоров насосы строятся с одним колесом, для больших напоров применяются многоступенчатые турбинные насосы. Преимущества центробежных насосов сравнительно с поршневыми: а) малая первоначальная стоимость и малые эксплуатационные расходы; б) простота конструкции, малый вес, небольшие размеры занимаемой площади; в) возможность прямого соединения с электромоторами и быстроходными двигателями; г) невосприимчивость к гидравлическим ударам, возможность работы при закрытой задвижке, возможность подачи засоренной воды с песком и пр.; д) параллельная работа для увеличения подачи и последовательная - для увеличения напора. Недостатки: а) малый КПД - 70—80%; б) малые пределы регулирования подачи и напора и необходимость работы при постоянных условиях; в) необходимость заливки водой при пуске; г) опасность развития большой подачи и перегрузки двигателя при порче напорной линии; д) возможность обратного хода при остановке напором воды в нагнетательной линии.

В обычных условиях применяются горизонтальные центробежные насосы. Для глубоких колодцев применяются вертикальные центробежные насосы, опускаемые в шахту или трубу колодца на глубину стояния воды; они приводятся в движение мотором, расположенным наверху шахты и соединенным с насосом вертикальным валом (тип Фарко).

Для извлечения воды из глубоких колодцев (артезианских скважин) применяются пневматические водоподъемники - аэролифты, действующие посредством сжатого воздуха, вдуваемого в скважину на большой глубине и выбрасывающего из скважины смесь воды и воздуха. Системы пневматических водоподъемников различаются между собой по конструкции, но в общем состоят из воздушной трубы, опущенной в скважину ниже динамического уровня воды в ней (равного 2,25 высоты подъема) и помещаемой в центре или сбоку водяной трубы. КПД аэролифтов 25—33%. Достоинства: а) большая продуктивность; б) простота конструкции - отсутствие движущихся и трущихся частей, простота ухода и дешевизна эксплуатации, надежность действия; в) аэрация воды, что имеет значение в артезианских водах для выделения из них железа и марганца, хотя отложения солей железа могут вызвать ржавление труб. Недостатками пневматических водоподъемников являются: а) низкий КПД, неравномерность подачи; б) невозможность горизонтального  перемещения воды, благодаря чему требуется двойная перекачка ее - сначала в резервуар, а из него в сеть.

Двигателями для насосов водоподъемных станций являются паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и электромоторы. Паровые машины тендем-компаунд и  тройного расширения с перегретым паром с конденсацией, с клапанным парораспределением, с числом оборотов до 60 в минуту применяются при поршневых и плунжерных насосах, непосредственно соединенных с машиной. Преимущества паровых машин: легкая регулировка числа оборотов и давления и возможность экономичной работы при изменяющихся условиях подачи воды, надежность действия и длительность службы. Недостатки: дороговизна, большие размеры занимаемого места (с котлами), дорогая эксплуатация. Паровые турбины применяются для насосов большой мощности. Насосы в большинстве случаев соединяются с турбиной шестеренной передачей, уменьшающей число оборотов насоса до той величины, которая дает наибольший КПД. Преимущества турбины перед паровыми машинами: меньший расход пара (на 25%), малые размеры турбины и занимаемой ею площади, простота и вместе с тем надежность конструкции, дешевая стоимость эксплуатации и ремонта, удобство соединения с центробежными насосами.

Для насосов большое применение получили дизеля. Насосы соединяются с дизелями ременной или шестеренной передачей. При больших мощностях шестеренные передачи громоздки, а ременная требует применения специальных широких ремней с натяжными приспособлениями типа Ленинс. Дизеля имеют высокий КПД и малый расход топлива, могут быть быстро пущены в работу и занимают меньше места, чем паровые машины с котлами. Термические КПД разных двигателей:

Дизель … 32,0—35,3
Газовый двигатель … 18,0—27,5
Паровая турбина до 2000 л. с. … 10,6—16,2
Паровая машина … 9,1—15,4

Электродвигатели применяются при центробежных насосах, помещаемых на одном валу, реже - для быстроходных плунжерных насосов. Электродвигатели ставятся переменного тока, реже - постоянного. Двигатели переменного тока - синхронные и асинхронные, с постоянным числом оборотов, высокого (2000—6000 V) и низкого (220 V) напряжения. Преимущества электромоторов: а) малая первоначальная стоимость; б) малые эксплуатационные расходы; в) незначительность занимаемого места; г) удобство соединения с центробежными насосами. Недостатки: а) постоянство числа оборотов при переменном токе; б) ненадежность электрической установки, требующей наличия в виде запаса другого рода двигателей; в) необходимость ставить двигатель на максимальную нагрузку насоса; г) порча от сырости и пыли.

Водоподъемные станции устраивают вблизи источника, при реках - на высоком незатопляемом берегу. Насосы, забирающие воду из источника, располагают на таком уровне, чтобы высота всасывания не превышала 5—6 м. Это достигается помещением насосов в случае надобности ниже уровня земли - в подвалах, в шахтах. При очистке воды вводится двойная перекачка: из реки - на очистительные сооружения и из сборного резервуара чистой воды - в сеть или водонапорную башню. В этом случае насосы первого подъема ставят внизу, в подвале машинного здания, а второго - наверху, на уровне земли.

Всасывающий трубопровод д. б. по возможности коротким и достаточного диаметра для уменьшения потери напора. Трубы должны идти повышаясь к насосам; так как скопление воздуха во всасывающей трубе может прекратить действие насоса, то соединения труб делают воздухонепроницаемыми; на всасывающей трубе устанавливают воздушный клапан, а выделяющийся из воды воздух должен удаляться особым вакуум-насосом. На нагнетательных трубах также ставят воздушный клапан для предохранения от гидравлических ударов и, кроме того, обратный клапан. Всасывающие и нагнетательные трубы соединяются с насосами задвижками. Все трубы обычно помещаются в особых галереях. Насосы должны быть присоединены ко всем трубопроводам на случай порчи одного из них. Для учета воды на нагнетательной линии у каждого насоса ставят водомер Вентури, а также манометр и вакуумметр для показания давления и всасывания.

Помещение насосной станции д. б. несгораемое: кирпичное или железобетонное, с несгораемой крышей; полы, для чистоты, устраивают плиточными. Здание д. б. хорошо освещаемо и вентилируемо. Расположение двигателей и насосов должно давать возможность удобного их обслуживания. Все управление паровыми вентилями, водяными задвижками и электрическими приборами необходимо сосредоточивать у машины, равно как и все приборы, показывающие работу машин. Для паровых установок рядом с машинным зданием устраивают котельную. При дизелях строят помещения для нефтяных и масляных баков. Нефтяные резервуары на дворе станции, в противопожарных целях, обносят земляным валом. При электроснабжении устраивают помещение для трансформаторов и для приборов тока высокого напряжения. При станции должно быть служебное помещение и ремонтная мастерская.

Особое устройство имеют станции пневматического водоснабжения. Вода, добываемая из скважины аэролифтом или насосом, накачивается в герметически закрытый железный резервуар, соединенный вверху с таким же резервуаром, наполненным воздухом при известном давлении. Из резервуара вода выходит под давлением в разводящую сеть труб. Давление воздуха должно быть вдвое больше требуемого напора в сети. Накачивание воздуха в резервуар и пополнение его по мере израсходования производится воздушным компрессором. Пневматическая станция удобна, для водоснабжения небольших городов, так как она не нуждается в водонапорных башнях и является простой и удобной в эксплуатации. При электронасосах применяются особые автоматические приспособления для пуска и остановки моторов в зависимости от падения или повышения давления в резервуаре; это еще более упрощает эксплуатацию, делая ненужным постоянное пребывание на станции машиниста.        

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.