bbk 000000

УДК 628.292.65.011.4

Кинебас А. К., Панкова Г. А., Ломбас С. В., Юдин М. Ю., Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю.

Методика мониторинга канализационных насосных станций (на примере КНС № 10 системы водоотведения Санкт-Петербурга)

Аннотация

Приведена методика мониторинга канализационных насосных станций, которая апробирована на КНС № 10 Санкт-Петербурга. Методика позволяет определять (с учетом изменений в системе «приемный резервуар – насосы – сеть» за время эксплуатации) технологические показатели надежности работы насосной станции, необходимые для выбора насосов и обоснования решений по энергосбережению при реконструкции.

Ключевые слова:

мониторинг , расчетная модель , хозяйственно-бытовые сточные воды , канализационная насосная станция , технологические показатели надежности , энергосбережение

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Система водоотведения Санкт-Петербурга разделена на три самостоятельных бассейна: северный, центральный и юго-западный. Каждый бассейн включает уличные районные коллекторы с насосными станциями, которые перекачивают на очистные сооружения до 0,7 млрд. м³/год (50%) сточных вод различного происхождения. При этом затраты на перекачку (при средней себестоимости 0,3 руб/м³) составляют около 210 млн. руб/год, из них более 50% – стоимость электроэнергии. Поэтому наряду с оптимизацией системы подачи воды в город [1] ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» планирует внедрение энергосберегающих технологий при перекачке сточных вод на очистные сооружения. Для реализации указанных работ возникает необходимость в мониторинге канализационных насосных станций (КНС).

Цель мониторинга – определить (с учетом изменений в процессе эксплуатации в системе «приемный резервуар – насосы – канализационная сеть») технологические показатели надежности (Q–t), (Н–t), (N–t) работы КНС, а также объем и режим притока сточных вод, необходимые для выбора насосов и обоснования решений по энергосбережению при реконструкции станций.

Методика проведения мониторинга насосных станций апробирована на КНС № 10 Санкт-Петербурга, куда поступают хозяйственно-бытовые сточные воды. Выполненные работы включали:

1) обследование эксплуатируемых насосов ФГ 450-22,5 с целью определения влияния износа на технологические показатели надежности (Н–t),(Q–t),(N–t), (–t)работы системы «приемный резервуар – насосы – сеть»;

2) построение расчетной модели системы «приемный резервуар – насосы – сеть» для определения энергопотребления с учетом изменения в процессе эксплуатации объема и неравномерности поступления стока на станцию;

3) выбор насосов, оценку снижения энергопотребления при замене насосного оборудования (с учетом результатов, указанных в пунктах 1 и 2).

При обследовании [2; 3] двух насосов ФГ 450-22,5 (№ 1 и 2) погрешность измерения основных параметров составляла: подачи – не более 5%, напора, мощности, частоты вращения рабочего колеса – не более 1%. Средняя подача сточных вод определялась с помощью ультразвуковых расходомеров (интервал между замерами 5 с) по результату измерения объема стоков:

Q_ср = V/T_пр,                                 (1)

где Q_ср – среднее значение расхода, м³/с; V – измеренное значение объема, м³; T_пр – интервал времени измерения, равный 5 с.

Напор насоса, м:

где Р₁, Р₂ – давление на входе и выходе из насоса соответственно, м вод. ст. (датчик давления «АИР-3»); _u – плотность жидкости, кг/м³; d₁, d₂ – внутренний диаметр трубопроводов на входе и выходе из насоса, м; ∆z – расстояние по вертикали между отметками положения приборов измерения давления, м.

Мощность на валу насоса:

N_н = N_ээ,                                    (3)

где N_э – мощность, потребляемая электродвигателем, кВт (определялась с помощью измерительного комплекса «Парма»); _э – КПД электродвигателя.

Результаты измерения технологических показателей надежности работы (Q–t), (Н–t), (N–t) системы «приемный резервуар – насос ФГ 450-22,5 – сеть»приведены на рис. 1. Кроме того, определяются фактические значения технических параметров (Н–Q), (N–Q), (–Q) насосов, например, в период минимального водопритока путем регулирования сопротивления на напорном трубопроводе. Для оценки имеющихся изменений полученные при обследовании (Н–Q), (N–Q),(–Q) характеристики сопоставлялись с паспортными (рис. 2). Перерасход электроэнергии при работе насосов вне рабочей зоны (расход 700–900 м³/ч) подтвердил необходимость их замены.

Выбор насосов при реконструкции станций осуществляется двумя способами:

первый – без обследования фактического режима работы системы «приемный резервуар – насосы – сеть». При этом выбирают насосы, которые по техническим параметрам (Н–Q), (N–Q),(–Q) аналогичны эксплуатируемым;

второй – с учетом изменений в режиме работы КНС (например, притока сточных вод), произошедших в процессе эксплуатации системы «приемный резервуар – насосы – сеть». При этом (Н–Q), (N–Q),(–Q) характеристики насоса выбирают с учетом его фактического или перспективного режима работы, который определяют по результатам обследования.

Кроме того, независимо от способа выбора заменяемых насосов для обоснования решений по энергосбережению необходимо определить технологические показатели надежности (Q–t), (Н–t), (N–t) работы КНС при фактическом режиме работы эксплуатируемых и принятом (включая перспективный) режиме для новых насосов в системе «приемный резервуар – насосы – сеть».

Выбор расчетной модели для определения (Q–t), (Н–t), (N–t) характеристик основывается на результатах обследования. Модель включает уравнения внешней увязки системы «приемный резервуар – насосы – сеть», учитывающие фактические гидравлические и энергетические характеристики [3] насосов и системы в виде:

где a, b, c, k, q, n – показатели, определяемые по результатам моделирования полученных характеристик насосов и сети.

Система уравнений (4) используется при построении аналитической модели для определения технологических показателей надежности системы «приемный резервуар – насосы – сеть». Кроме того, расчетная модель [4] учитывает регулирующую емкость и колебание отметок уровня стока в приемном резервуаре (рис. 3), а также включает: m уравнений баланса расходов в узлах q_i–k + Q_j = 0; n уравнений внутренней увязки ± S_i–kq_i–k = 0; (е – 1) уравнений внешней увязки, связывающих попарно напоры насосов, выраженные в функции подачи Q_j в виде:

± S_i–kq_i–k ± S_фjQ²_j = ∆Z_j – ∆Z_j–1,

где S_i–k – гидравлическое сопротивление элементов системы, c²/м⁵; S_{ф j}– то же, насосов, c²/м⁵; ∆Z – геометрическая высота подъема воды, м; е – общее число одновременно работающих в рассматриваемый час насосов;  – показатель степени в одночленной формуле для местных и линейных потерь напора в сети (при работе труб в квадратичной зоне = 2).

Предлагаемая аналитическая модель, в отличие от применяемых [5], позволяет анализировать изменение во времени технологических показателей надежности работы (Q–t), (Н–t), (N–t) системы «приемный резервуар – насосы – сеть». При этом учитывается влияние износа на технические параметры (Н–Q), (N–Q), (–Q) насосов, а также изменения в процессе эксплуатации объема и суточной неравномерности поступления стока в приемный резервуар. Результаты расчета по предлагаемой модели системы «приемный резервуар – насос ФГ 450-22,5 № 1 (n = 960 об/мин, d = 435 мм) – сеть (Q_сут = 7000 м³)», эксплуатируемой на КНС № 10, представлены на рис. 3.

Для оценки достоверности расчетная модель сопоставляется с экспериментальными результатами, полученными при мониторинге КНС.

На рис. 4 приведены результаты сопоставления предлагаемой расчетной модели (рис. 3) с фактическим режимом работы системы «приемный резервуар – насосы – сеть» КНС № 10. Погрешность определения по расчетной модели (4) изменения фактических (Q–t), (N–t) характеристик не превышает 5%.

При выборе насосов для замены на КНС № 10 использовались оба вышеуказанных способа. Сравнение их эффективности по энергосбережению выполнено на примере насосов фирм «Ливгидромаш» и KSB.

При первом способе без учета результатов обследования фактического режима работы системы «приемный резервуар – насосы – сеть» выбран насос Sewatec 200-500 фирмы КSB и насос СМ 450/22,5 фирмы «Ливгидромаш», которые по техническим параметрам аналогичны эксплуатируемым насосам ФГ 450-22,5. На рис. 5 приведены характеристики эксплуатируемого на КНС № 10 насоса ФГ 450-22,5 и выбранного насоса Sewatec 200-500 фирмы КSB.

Для оценки эффективности выбранных насосов, применяя систему уравнений (4), определено изменение во времени технологических показателей надежности системы «приемный резервуар – насос – сеть» с учетом фактического расхода и суточной неравномерности поступления стока. Результаты расчета (на примере насоса Sewatec 200-500) представлены на рис. 6, 7.

При втором способе по результатам обследования установлено, что в настоящее время расход (точка А на рис. 3, Q^ч_макс = 900 м³/ч), откачиваемый системой «приемный резервуар – насос ФГ 450-22,5 – сеть», эксплуатируемой на КНС № 10, избыточен по отношению к фактическому расходу стока (точка В на рис. 3,Q^ч_макс = 680 м³/ч), поступающему на станцию. Последнее можно объяснить, например тем, что работы, выполненные за последние годы ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», позволили снизить среднесуточную подачу воды в город, сократив в первую очередь неучтенные расходы и потери воды до 13%, что в 2 раза ниже, чем в целом по стране [1].

По результатам диагностики, в соответствии с фактическим режимом работы системы «приемный резервуар – насосы – сеть», выбраны насосы Sewatec 250-400 (n = 960 об/мин, d = 435 мм) и СМ 450/22,5 с обточенным рабочим колесом (n = 960 об/мин, d = 365 мм). На рис. 8 приведены технические параметры (Н–Q), (N–Q), (–Q) насоса Sewatec 250-400 для работы в системе «приемный резервуар – насосы – сеть».

Для оценки эффективности выбранных насосов по системе уравнений (4) определены технологические показатели надежности системы «приемный резервуар – насос – сеть» с учетом суточной неравномерности поступления стока. Результаты расчета (на примере насоса Sewatec 250-400 фирмы КSB) представлены на рис. 9.

На рис. 10 показано, что при выборе насосов Sewatec 250-400 с учетом результатов обследования удельное энергопотребление КНС существенно снижается.

Эффективность энергосбережения рассмотренных вариантов при замене насосов на КНС № 10 приведена на рис. 11.

Эффективность обоснования энергосберегающих решений при выборе насосов с учетом результатов обследования КНС показана на обобщенном графике (рис. 12) зависимости Н_г/Н_м = f(h_i/h_м), рекомендуемом в [6] для оценки эффективности работы насосных станций в системе водоотведения (Н_г – геометрическая высота подъема сточных вод; Н_м – то же, при максимальном КПД насоса; h_i – потери напора в системе «приемный резервуар – насос – сеть»; h_м – то же, при Н_г = 0). Среднее значение экономического потенциала [6], фактически имеющего место на КНС № 10 (точка А),при замене эксплуатируемых насосов выбранными насосами Sewatec 250-400 фирмы КSB повышается с 0,55 до 0,95 (точка Б).

Выводы

Разработанная методика мониторинга канализационных насосных станций позволяет определять (с учетом изменений, произошедших в системе «приемный резервуар – насосы – сеть» за время эксплуатации) технологические показатели надежности работы станций, необходимые для выбора насосов и обоснования решений по энергосбережению при реконструкции. Инвестиции при замене насосов ФГ 450-22,5 насосами Sewatec 250-400 фирмы KSB на КНС № 10 позволят (при одновременном повышении надежности перекачки стоков до уровня современных требований) снизить потребление электроэнергии на 40–50% при сроке окупаемости до 3 лет.

Список литературы

1. Кармазинов Ф. В., Кинебас А. К. Практика реализации производственных и социальных программ: Материалы вторых академических чтений РААСН. – СПб, 2004.
2. Пат. на полезную модель 51683, РФ. МПК В 04 В 13/00. Устройство для диагностирования насосов / Ф. В. Кармазинов и др. // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 6.
3. Кармазинов Ф. В. и др. Система управления энергопотреблением при эксплуатации канализационных насосных станций.
4. Положительное решение по заявке № 2009146138/22 (065862) от 15.12.2009 г.
5. Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Саркисов С. В. Особенности методики поверочных расчетов при мониторинге водопроводных сетей: Материалы академических чтений РААСН. – СПб, 2009.
6. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петер­бурга. – СПб: Новый журнал, 2002.
7. Сергеев А. И., Ветров Е. П. Современные методы оценки эффективности работы насосных станций в системе водоотведения // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. № 5.