Важными элементами систем водоснабжения, состояние которых нуждается в безотлагательном вмешательстве, являются насосные станции. Большинство из них построены в период бурного развития промышленных объектов и роста населения в городах. При их проектировании учитывались перспективное развитие системы, небольшое количество типоразмеров насосов, низкая стоимость электроэнергии и необходимость сокращения капитальных затрат. В результате всего этого, сегодня общим для насосных станций является:
- низкий коэффициент полезного действия насосных агрегатов;
- фактические гидравлические характеристики насосов значительно превышают необходимые для работы системы;
- количество насосов и их параметры не позволяют обеспечить необходимую подачу насосной станции в течение суток без дросселирования;
- отсутствие регулирования работы насосов изменением частоты вращения рабочих колес;
- низкое качество запорной арматуры (особенно обратных клапанов), благодаря чему на насосных станциях часто возникают циркуляционные потоки.
Отмеченные недостатки приводят к избыточному потреблению электроэнергии и часто к увеличению истоков в сети. Замена неэффективного и изношенного насосного оборудования позволяет уменьшить энергопотребление как минимум на 25 %. Средний срок окупаемости таких проектов составляет одинтри года, а в некоторых случаях — до нескольких месяцев. Описанные в статье опыт и размышления авторов заостряют внимание на некоторых проблемах при подборе насосного оборудования и, надеемся, позволят избежать определенных ошибок и просчетов.
Выбор фирмы-производителя
Сотруднику водоканала, перед которым поставлено задание подобрать насосы с целью модернизации ВНС, несложно потеряться в предложениях насосов отечественного и импортного производства с большим разбросом цен и параметров. В первую очередь при подборе насоса следует обратить внимание на его КПД и материалы, из которых изготовлен насос.
Данные по материалам и КПД, как правило, приводятся в каталогах и проспектах. Если такие данные не приводятся, лучше не рассматривать такие насосы. Высокое значение КПД и стойкие к коррозии материалы, используемые в конструкции насоса, являются предпосылкой долговечной работы и энергосбережения. То есть, при подборе насоса следует обращаться к тому производителю, который использует современные технологии и выпускает достаточно широкую номенклатуру насосов.
Следует заметить, что стоимость насоса со схожими характеристиками отечественного и иностранного производства может отличаться в несколько раз. Стоимость насоса, в основном, обусловлена материалами, использованными для его изготовления, а также качеством обработки внутренних поверхностей корпуса насоса и рабочего колеса. Благодаря этому насосы импортного производства, как правило, имеют более высокий КПД, комплектуются менее мощными электродвигателями и, при правильной эксплуатации и соблюдении требований производителя, являются более надежными.
При выборе фирмы-производителя также стоит обратить внимание на гарантийные сроки и наличие у фирмы подразделений, которые могут обеспечить квалифицированное гарантийное и сервисное обслуживание, а также ремонт оборудования.
Подбор гидравлических параметров и количества насосных агрегатов
Достаточно распространенным подходом при реконструкции насосных станций является замена существующего насоса с определенными характеристиками на такой же, но с более высоким КПД. Если существующий насос обеспечивает необходимые напор и расход, то и выбранный таким же образом новый насос будет их обеспечивать, а следовательно, уменьшается вероятность ошибки, объем строительно-монтажных работ, количество новой запорно-регулирующей арматуры, и т.д.
Такой подход часто является оправданным для насосных станций, работающих из резервуара в резервуар и имеющих постоянные параметры Q–H на протяжении суток и года. Конечно, при этом необходимо сначала убедиться в экономической целесообразности замены. С использованием общеизвестных правил подбора насосов, консультантами Львовского отделения института местного развития отработан следующий алгоритм:
1. Экспериментальным путем строится кривая Q–H напорного трубопровода. Для этого необходимо измерить расход и давление после задвижки на напорном трубопроводе при разных режимах работы насоса, регулируя расход с помощью задвижки после насоса. Удобнее всего это можно сделать с помощью накладного ультразвукового переносного расходомера и цифрового датчика давления.
При наличии стационарных приборов можно воспользоваться их показателями. В этом случае рекомендуется предварительно убедиться в их точности. Целесообразно одновременно построить кривые Q–H и Q–КПД, поскольку в процессе эксплуатации они могут значительно отклоняться от паспортных. Для этого достаточно дополнительно измерить давление сразу после насоса и силу тока электродвигателя, поскольку напряжение в течение непродолжительного времени практически не изменяется.
2. На кривую напорного трубопровода наложить паспортную кривую Q–H нового насоса. Для группы насосов нужно построить суммарную кривую. Найти точку пересечения обоих кривых (исходную рабочую точку).
3. Исходная рабочая точка должна лежать немного правее и выше, чем фактическая рабочая точка. Со временем рабочее колесо насоса будет изнашиваться, и точка пересечения кривых насоса и трубопровода сместится левее и вниз. Если в перспективе предусматривается изменение производительности насосной станции, то целесообразно подбирать насосы, производительность которых может быть изменена путем замены рабочего колеса.
4. Проверить, обеспечиваются ли оптимальные условия работы насоса (достигается ли желаемый КПД), при расходе, которому отвечает рабочая точка. На этом этапе целесообразно определить экономичный эффект от замены насосов — абсолютную величину экономии электроэнергии и срок окупаемости проекта. Сравнивая насосы разных марок и разных производителей, можно достичь максимальной эффективности капиталовложений.
5. Проверить, не развивается ли кавитация при данных гидравлических условиях. Для этого нужно сравнить допустимый кавитационный запас Δhдоп (для насосов иностранного производства обозначается как NPSHR) насоса с кавитационным запасом системы Δhсист (обозначается как NPSHA). Пренебрежение этим фактором может привести к значительному снижению производительности, КПД и преждевременного выхода насоса из строя. Тем не менее, существуют примеры, когда при подборе насосов на эту величину не обращают внимания или путают ее с допустимой высотой всасывания. Допустимый кавитационный запас системы вычисляется:
где pатм — абсолютное атмосферное давление, pатм ≈ 105 Па; pн.п — давление насыщенных паров водяного пара, при t = 20 °C pн.п ≈ 104 Па; γ — плотность воды, при t = 20 °C γ = 998,2 кг/м3; g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения; HS — минимальное давление со стороны всасывания (принимается со знаком «+») или минимальная необходимая высота всасывания (принимается со знаком «–»), м; Σhвс — сумма потерь напора со стороны всасывания, которая состоит из потерь напора по длине всасывающей линии и суммы местных сопротивлений (колен, обратных клапанов, задвижек и т.д.). Поэтому длина всасывающих линий должна быть по возможности минимальной и соответствующего диаметра, следует избегать лишних поворотов и нефункциональной арматуры. Подставив числовые значения, получим:
Δhсист = NPSHA = 9,2 ± HS – Σhвс.
Для обеспечения бескавитационной работы во всем диапазоне расходов необходимо, как минимум, выполнение следующего условия:
Δhдоп ≤ Δhсист или NPSHR ≤ NPSHA.
Для повышения надежности работы насоса расчетную величину напора со стороны всасывания увеличивают на 1,5 м, что эквивалентно уменьшению Δhсист на эту же величину. Величина Δhдоп или NPSHR указывается производителем насосов. Пользуясь известными из курса теории насосов зависимостями, заметим, что меньшему значению кавитационного запаса отвечает большая высота всасывания и, наоборот, большему значению кавитационного запаса — меньшая высота всасывания.
Учитывая сравнительно высокую стоимость импортных насосов, у эксплуатационников очень часто возникает желание приобрести самые дешевые насосы, как правило, с высоким NPSH. То есть, сознательно подбираются насосы с малой высотой всасывания, после чего возникают проблемы с кавитацией или резким падением давлений на напорном трубопроводе. Такого типу насосы могут использоваться только для подкачек или в условиях стабильного и высокого подпора.
Стоит заметить, что с увеличением высоты всасывания или уменьшения NPSHR, цены на насосы резко увеличиваются. Применение вышеописанного подхода при подборе насосов часто делает невозможным получение максимального эффекта от замены насосов для насосных станций, которые работают на сеть. Действительно, подавляющее большинство насосных станций имеют по четыре-шесть мощных насосных агрегатов, из которых лишь один-два постоянно работают и часто дросселируются задвижками.
При замене рабочих насосов «один в один» такая же судьба постигнет и новые насосы. Кроме этого, уменьшается гибкость при эксплуатации насосной станции, не учитывается тенденция к уменьшению водопотребления населением, которое в будущем может нивелировать эффект замены. Потому рекомендуется подбирать насосы не по одной рабочей точке (в максимальный час), а на основе суточного графика подачи воды насосной станцией.
Измерение суммарной производительности насосной станции и давления на выходе необходимо производить в течение нескольких суток, при этом желательно захватить сутки максимального и минимального водоснабжения. Кроме этого, во время измерений стоит проверить, нужно ли поддерживать заданные значения давлений на выходе из насосной станции. Использование для подбора насосов только отчетных данных водоканала или записей машинистов насосных станций часто приводит к грубым просчетам и напрасному расходованию средств!
На насосных станциях, которые работают из резервуара в резервуар, как правило, устанавливают один-два новых рабочих насоса. В качестве резервных насосов могут использоваться существующие старые насосы. Для насосных станций, которые работают на сеть, для обеспечения суммарного необходимого расхода целесообразно устанавливать максимально возможное количество рабочих насосов (это не касается насосных станций подкачки).
Это позволит, во-первых, обеспечить максимальную гибкость и надежность в эксплуатации, во-вторых, может уменьшить общую стоимость насосного оборудования и оборудования для регулировки расхода, если такое планируется устанавливать. Эффективность подобранного оборудования следует оценивать уже не по КПД в рабочей точке, а по средней величине удельного потребления электроэнергии (кВт⋅ч/м3) на протяжении суток.
Заметим при этом, что меньшие насосы, как правило, имеют более низкий КПД, однако при большом их количестве за счет включения-выключения отдельных агрегатов может достигаться большая экономия электроэнергии, чем при работе большого насоса с большим КПД на прикрытую задвижку. При подборе насосов для работы на сеть, при прочих равных условиях, следует отдавать преимущество насосам с максимально пологой кривой Q–H. Конечно, должно выполняться условие:
NPSHR ≤ NPSHA.
После того, как теоретический подбор насосов выполнен, строят кривую их совместной работы. На данном этапе целесообразно смоделировать проектный режим работы насосной станции, используя существующее насосное оборудование, и убедиться, что при проектном расходе обеспечивается достаточное давление в системе, отсутствуют жалобы потребителей и т.д. Дополнительную экономию электроэнергии можно получить, оборудовав насосную станцию, работающую на сеть, оборудованием регулирования по давлению.
При достаточно большом количестве насосов (четырешесть) такую регулировку можно осуществить путем ступенчатого автоматического включения/выключения насосов для поддержки заданного давления на выходе из насосной станции. Если ступенчатое включение-выключение не дает желаемого результата, как это бывает при меньшем количестве насосов, один из насосов оборудуют устройством для регулирования количества оборотов электродвигателя (ПЧР).
Ввиду высокой стоимости таких устройств, следует предварительно оценить экономическую целесообразность их установки. Ввиду высокой стоимости таких устройств, следует предварительно оценить экономическую целесообразность их установки. Для повышения надежности работы насосной станции и равномерного износа насосных агрегатов стоит рассмотреть также возможность оборудования группы насосов автоматикой для обеспечения равномерности времени, отработанного каждым отдельным насосов.
Следует, однако, заметить, что подобная автоматика иностранного производства, как правило, чувствительна к качеству энергоснабжения. Внезапные перебои питания, перепады напряжения быстро выводят ее из строя, что в свою очередь, приводит к перебоям в водоснабжении и удорожают эксплуатацию. Для уменьшения стоимости реконструкции, водоканалы при замене насосов пытаются выполнить максимум монтажных работ собственными силами. Собственными силами разрабатывается проектная документация на обвязку.
В худшем случае обвязка выполняется вообще без проекта «на месте». Типичные ошибки, которые встречаются при этом: зауженные диаметры всасывающих трубопроводов, недостаточное расстояние для нормальной работы обратных клапанов, образования воздушных мешков во всасывающих трубопроводах из-за отсутствия подъема к насосу, ошибки в расположении насосов по высоте. Все это делает невозможной работу насосов в нормальном режиме, уменьшает их КПД, приводит к преждевременному износу в результате кавитации.
Для предупреждения этих негативных явлений желательно заключать контракты на замену насосов под ключ, а если такой возможности нет — по крайней мере, заказать проект на реконструкцию у специализированной организации. Еще одно замечание касается случая, когда на поставку насосов и выполнение работ по их монтажу объявляется тендер. Здесь следует особенно тщательным образом подойти к разработке тендерной документации, в частности технических спецификаций.
Не стоит перенасыщать спецификации лишними деталями — это уменьшает число участников торгов и приводит к подорожанию тендерных предложений. По нашему мнению, не целесообразно также ограничивать потенциального подрядчика в количестве насосных агрегатов — достаточно указать суммарную производительность и давление на выходе из насосной станции, а также минимально необходимое количество рабочих и резервных насосных агрегатов, как этого требует СНиП.
Конечно, производительность и давление должны быть определенны на основе тщательного анализа системы и тенденций водопотребления, а также результатов измерений. Вместе с тем, спецификации должны обязательно содержать требование к минимальному КПД насосных агрегатов, а одним из критериев оценки тендерного предложения должна быть эксплуатационная стоимость предлагаемого насосного оборудования, а не только цена предложения.
Выводы
Безусловно, импортные насосы более функциональны, энергоэкономичны и малогабаритны. Известные фирмы представляют широкий спектр насосов и вспомогательного оборудования, которое улучшает условия эксплуатации. Но, учитывая сравнительно высокие цены, очень важно не ошибиться при выборе соответствующего насоса. Основными критериями при подборе насосов является: необходимые производительность, давление и КПД насоса; материалы, из которых изготовлен насос; обязательной является проверка всасывающих свойств насоса. Кроме того:
- гидравлические параметры нового насосного оборудования нужно определять на основе измерений фактической производительности насосных станции (при определении необходимого давления нужно проверить целесообразность поддержки заданного давления на выходе из насосной станции, который часто бывает завышенным);
- при определении количества насосных агрегатов нужно учитывать условия обеспечения минимального энергопотребления на протяжении суток и гибкости в эксплуатации, а также возможные изменения (как правило, уменьшение) водопотребления в течение периода эксплуатации насосов;
- на насосных станциях, которые работают на сеть, стоит предусматривать оборудование для регулировки работы «по давлению» — экономическая целесообразность использования такого оборудования должна быть проверена расчетом;
- желательно не планировать параллельную работу новых зарубежных насосов со старыми отечественными;
- необходимо учитывать чувствительность электроники, которая используется в регуляторах частоты и устройствах плавного пуска, к перепадам напряжения — стоимость замены электронных блоков может быть значительной.
Данный обзор не может претендовать на абсолютную полноту. На рынке есть целый ряд других производителей, насосное оборудование которых с успехом используется в водоканалах. Тем не менее, мы надеемся, что эта статья сможет помочь при выборе насосов и избежать некоторых характерных ошибок.
