bbk 000000

УДК 628.292.65.011.4

Игнатчик С. Ю.

Обеспечение надежности и энергосбережения при расчете сооружений для транспортирования сточных вод

Аннотация

Рассмотрены основные положения методики расчета сооружений для транспортирования сточных вод на примере системы «коллектор – станция аэрации» при возросшем расходе сточных вод. Приводится последовательность обоснования решения, при котором система обеспечит надежную транспортировку и снижение затрат на эксплуатацию. Численная оценка надежности ограничена вероятностными [вероятность безотказной работы P(t), интенсивность отказов и ремонтов μ] и параметрическими [производительность Q(t) и энергопотребление W(t)] показателями системы. Разработанная методика расчета позволяет обосновать технические решения по обеспечению надежности и энергосбережению при реконструкции сооружений для транспортировки сточных вод с учетом требований по охране окружающей среды.

Ключевые слова

сточные воды , надежность , энергопотребление , эксплуатационные затраты , насосная станция , характеристика насосов

 

Скачать статью в журнальной верстке PDF

В поселке Осиновая Роща Ленинградской области строится жилой городок, сточные воды которого предусмотрено отводить по коллектору от поселка Песочный до поселка Новоселки и далее на Северную станцию аэрации Санкт-Петербурга. На стадии ТЭО была принята производительность системы транспортирования до 30 тыс. м³/сут. Однако при подключении коллектора от жилого городка к самотечному коллектору «Песочное–Новоселки» перед канализационной насосной станцией на иловых площадках расход сточных вод, отводимых на станцию аэрации, возрастет до 39 тыс. м³/сут. Поэтому возникла необходимость расчета надежности сооружений для транспортировки сточных вод на стадии ТЭО.

На примере указанной системы рассмотрим основные положения методики расчета сооружений для транспортировки сточных вод. При этом важна последовательность обоснования решения, при котором система обеспечит надежную транспортировку возросшего расхода сточных вод при снижении затрат на эксплуатацию. Согласно ГОСТу [1], надежность определяется как «… свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции …». В данном случае под объектом понимается система транспортировки сточных вод и ее отдельные элементы (сооружения и оборудование).

Численная оценка надежности ограничена вероятностными [вероятность безотказной работы P(t), интенсивность отказов  и ремонтов μ] и параметрическими показателями [производительность Q(t) и энергопотребление W(t) системы]. Эти показатели взаимосвязаны и дополняют друг друга. При этом вероятностные показатели характеризуют лишь безотказность и ремонтопригодность объекта в процессе эксплуатации. Поэтому в ГОСТе [1] вероятностными показателями рекомендуется ограничиваться, если параметрическое определение надежности нецелесообразно. Например, работоспособность простых объектов характеризуется лишь наличием или отсутствием отказа. При определении надежности сложных объектов (систем массового обслуживания) наряду с вероятностными показателями определяют параметрические, например, их производительность с учетом эффективности обслуживания и ремонтных работ.

При выборе указанных показателей критериями для вероятностной и параметрической оценки надежности являлись: соответствие их «… режимам и условиям использования …», а также «… выполнение заданных функций …» и требований к производительности проектируемой системы при снижении энергозатрат. Под отказом понимается ситуация, при которой система не может транспортировать заданный расход сточных вод, и происходит их сброс на рельеф из-за наступившего с вероятностью Q_i(t) = 1 – P_i(t) аварийного состояния одного или нескольких сооружений (элементов), входящих в ее состав. При этом под аварийным состоянием сооружения понимается невозможность транспортировки сточных вод из-за одновременного отказа рабочего и резервного оборудования или трубопроводов, входящих в его состав.

Расчет сооружений для транспортирования сточных вод выполняется в три этапа:

1 – определение технологических (гидравлических, энергетических и других) показателей совместной работы сооружений, входящих в состав ранее запроектированной транспортной системы, при увеличении расхода до 39 тыс. м³/сут;

2 – вероятностная и параметрическая оценка надежности сооружений;

3 – обоснование выбора и оценка эффективности решения, при котором обеспечивается надежная транспортировка сточных вод при снижении затрат на эксплуатацию.

На первом этапе для определения технологических показателей совместной работы сооружений при увеличении расхода до 39 тыс. м³/сут применяется расчетная гидравлическая модель [1].

В рассматриваемом примере учитываются следующие исходные данные. Коллектор от жилого городка подключается к самотечному коллектору «Песочное–Новоселки» диаметром 1 м при уклоне i = 0,001. Весь расход сточных вод поступает в приемную камеру КНС на иловых площадках. Максимальная отметка воды в приемном резервуаре КНС –7 м, минимальная –8,4 м. Площадь приемного резервуара 64 м². На КНС предусмотрена установка четырех насосов Grundfos S21154M6A511 – двух рабочих (m_раб = 2) и двух резервных (m_рез = 2). Отметка оси насосов –7,85 м. Напорный коллектор «Новоселки–Ольгино» длиной 10 км проложен в две нитки из полиэтиленовых труб диаметром 0,57 м. Максимальная отметка напорного трубопровода –2,1 м. Перепад высот от КНС до приемного резервуара Главной насосной станции Северной станции аэрации составляет 6 м.

Для моделирования работы указанной системы транспортирования сточных вод технические характеристики (Н–q, h–q и др.) насосного оборудования и труб определяются по данным фирм-производителей в виде:

H(q) = a₁qⁿ + a₂q^n–1 + a₃q^n–2 + … + a_n–1q + a₀;

N(q) = c₁qⁿ + c₂q^n–1 + c₃q^n–2 + … + c_n–1q + c₀;

h(q) = k₁qⁿ + k₂q^n–1 + k₃q^n–2 + … + k_n–1q + k₀,

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

При эксплуатации системы в автоматизированном режиме расчетная модель учитывает режим управления числом одновременно работающих насосов в зависимости от притока сточных вод, а также наполнение и скорость движения воды в самотечном и напорном коллекторах системы, динамику изменения отметок уровня воды в приемном резервуаре КНС. Для этого в расчетную модель включены:

 

где Q_i, q_i–k – расход в i узле и на i–k участках напорного коллектора и КНС; S_j – гидравлическое сопротивление элементов системы; S_фj – то же, насосов; ∆Z – геометрическая высота подъема воды.

Приведенные выражения позволяют составить замкнутую систему уравнений для выполнения поверочного расчета совместной работы системы «резервуар – насосная станция – напорный коллектор с перемычками».

На рис. 1 приведены результаты оценки изменения в течение суток характеристик системы транспортирования сточных вод: Q–t, Н–t,h_кол–t, Q_ст–t,NPSH–t и др. Они подтверждают возможность транспортировки сточных вод на Северную станцию аэрации при увеличении расхода Q_ст до 39 тыс. м³/сут насосами Grundfos S21154M6A511, которые предусмотрено установить на КНС. Приведенные результаты служат исходными данными для выполнения второго этапа расчета (вероятностной и параметрической оценки надежности работы сооружений при принятом режиме эксплуатации).

На втором этапе при определении вероятностных показателей надежности самотечного и напорного коллекторов за расчетный принят режим, при котором их обслуживание и ремонт выполняются по мере необходимости в неограниченном объеме. При этом режиме эксплуатации процесс изменения в течение года состояния напорного коллектора с приемным резервуаром КНС моделируется по методике [2] системой дифференциальных уравнений:

Аналогичная модель [2] применяется для определения вероятностных показателей надежности самотечного коллектора.

В отличие от коллекторов при определении надежности работы канализационной насосной станции на иловых площадках учтено, что контроль осуществляется с диспетчерского пункта (с целью снижения затрат на освещение и отопление). Обслуживающая бригада посещает станцию периодически (k раз в год), совмещая работы по обслуживанию, устранению неисправностей и ремонту. В остальное время работой насосов на КНС управляет АСУ.

Для рассматриваемой системы в соответствии с результатами расчета, приведенными на рис. 1, при вероятностной оценке надежности работы КНС в автоматизированном режиме эксплуатации необходимо применить две расчетные модели [3]. Первая – моделирует процесс изменения состояния КНС в течение времени t₁ при работе одного насоса, вторая – в часы увеличения притока воды t₂ при работе двух насосов. При этом, например, вторая расчетная модель имеет вид:

В расчетах принято, что обслуживающая бригада посещает станцию один раз в месяц, совмещая работы по обслуживанию и ремонту (μ = 0,0014 1/ч). Интенсивность заявок на обслуживание и ремонт определена с учетом данных производителя:  λ = λ_н+ λ_арм+ λ_авт = 0,0004 1/ч.

В соответствии с системами уравнений (1) и (2), определяется вероятность безотказной работы КНС и коллекторов P_i(t) в течение расчетного периода эксплуатации t. Результаты расчета приведены на рис. 2.

Определением вероятностных показателей принято ограничиваться при оценке надежности оборудования и отдельных участков сети, когда их работоспособность достаточно оценить по типу «да–нет» (отказал – не отказал). Последнее объясняется тем, что вероятностные показатели не позволяют определять эффективность выполнения сооружениями системы требуемых функций с учетом изменения их состояния в процессе эксплуатации за расчетный период эксплуатации t, поэтому дополнительно определяют параметрические показатели надежности.

В рассматриваемом примере за параметры, характеризующие способность выполнять требуемые функции, приняты производительность Q(t) и энергопотребление W(t) сооружений. При этом процесс изменения Q(t) с учетом показателей безотказности и ремонтопригодности в общей постановке описывается системой дифференциальных уравнений [4]:

Q’_i(t) = q_i + μ_iQ_i–1(t) – (λ_i + μ_i)Q_i(t) + λ_iQ_i+1(t). (3, а)

Для определения энергопотребления W(t) дополнительно предлагается применять расчетную систему дифференциальных уравнений:

W’_i(t) = j_i(t) + μ_iW_i–1(t) – (λ_i + μ_i)W_i(t) + λ_iW_i+1(t), (3, б)

где Q_i(t) – производительность сооружения (объем поданной воды) за время t при условии, что оно находилось в i состоянии в начале расчетного периода, м³;
W_i(t) –энергопотребление за время t, кВт×ч; Q’_i(t) = dQ_i(t)/dt; W’_i(t) = dW_i(t)/dt; q_i – расход воды, перекачиваемый сооружением в i состоянии, м³/ч; j_i – количество потребляемой электроэнергии кВт×ч; i – номер состояния (0 £ i £ n); 0 – состояние системы, когда все оборудование работоспособно.

В рассматриваемом примере при определении производительности КНС за время t = t₁ с учетом допустимой продолжительности обслуживания и ремонта t_доп система (3, а) принимает вид:

 

Системы (3) и (4) решаются численным и аналитическим методом [4]. Например, решая уравнения (4) при граничных условиях Q_i(0) = 0; P₀(0) = 1; λ _{– 1} = λ_n = μ_i = μ_n+1 = 0, формулы для определения Q(t) и W(t) за время t = t₁ + t₂ можно записать в виде:

где wⁱ_уд – удельное энергопотребление КНС в i режиме, под которым понимаются затраты энергии на транспортировку 1 м³ воды, кВт×ч/м³.

 

 

В формулах (5) значения q_i, t_i, wⁱ_уд принимаются по данным, полученным на первом этапе расчета (рис. 1, 3). В рассматриваемом примере: q₁ = 1276 м³/ч; q₂ = 2146 м³/ч; t₁ = 3830 ч; t₂ = 4470 ч; w¹_уд = 0,094 кВт×ч/м³; w²_уд = 0,108 кВт×ч/м³. Результаты расчета Q(t)приведены на рис. 4.

Аналогично выполняется параметрический расчет надежности других сооружений, входящих в состав системы. Приведенные на рисунках 2, 4 и 5 результаты вероятностного и параметрического расчета надежности системы сооружений для транспортирования сточных вод показывают, что требования, предъявляемые к системам первой категории надежности, в данном случае не выполняются. При этом установлено, что фактическое энергопотребление системы «самотечный коллектор – КНС – напорный коллектор» на перекачку стока превышает оптимальное значение при работе насосов в рабочей зоне на 30% (рис. 5).

С учетом результатов проведенных расчетов на третьем этапе обосновывается проектное решение, при котором обеспечивается надежная транспортировка возросшего расхода сточных вод системой «самотечный коллектор – КНС – напорный коллектор» при снижении энергопотребления. Проектное решение включает: замену насосов, изменение алгоритма работы АСУ, устройство переключений на напорном коллекторе.

Насосы выбирались с учетом перевода работы КНС на режим ненагруженного резерва, обеспечения при ликвидации аварий на напорном коллекторе перекачки расчетного расхода (без сброса неочищенных сточных вод в окружающую среду), снижения энергопотребления. При этом моделировалась работа системы «самотечный коллектор – КНС – напорный коллектор» с насосами фирм: Ливгидромаш – СДВ 4000-28, ABS – AFP 4004, KSB – Amarex KRTK 350-500, Flygt – Perf_NP3400.835-670-515, Grundfos – S21306 H в режиме, когда дополнительно учитывается регулирующая емкость самотечного коллектора. По результатам расчета (рис. 6) выбран насос KSB Amarex KRTK 350-500, который обеспечивает выполнение первых двух требований при минимальном энергопотреблении.

Вероятностный и параметрический расчеты надежности выполняются с применением моделей, аналогичных системам уравнений (1), (2), (3):

для КНС

При расчете по формулам (6) и (7) приняты следующие параметры: q₁ = 2240 м³/ч; t₁ = 6390 ч; w¹_уд = 0,073 кВт×ч/м³. Результаты расчета Q(t), W(t) приведены на рис. 7, 8.

Эффективность принятого решения определяется тем, что при вероятности безотказной работы более 0,95 система гарантирует выполнение транспортной функции (рис. 7) с отклонением не более 3% требуемой производительности. При этом энергопотребление (рис. 8) снижается на 30%.

На рис. 9 показано, как изменяется удельное энергопотребление системы транспортирования сточных вод в течение суток в зависимости от типа выбранных насосов. По результатам расчета выбран насос KSB Amarex KRTK 350-500, который гарантирует при ликвидации аварий на напорном коллекторе перекачку возросшего расхода сточных вод на Северную станцию аэрации без сброса неочищенных сточных вод в окружающую среду и снижение затрат на эксплуатацию.

Выводы

Разработанная методика расчета позволяет обосновать технические решения по обеспечению надежности и энергосбережению при реконструкции сооружений для транспортировки сточных вод с учетом требований по охране окружающей среды.

 

 

Список цитируемой литературы

1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1990.
2. Кинебас А. К., Ломбас С. И., Игнатчик С. Ю. и др. Методика мониторинга насос­ных станций (на примере КНС № 10 системы водоотведения Санкт-Петербурга) // Водоснабжение и сан. техника. 2010. № 3.
3. Игнатчик С. Ю., Ревенко Р. А., Саркисов С. В. Методика оценки риска появления аварий на сети систем водоотведения: Материалы Третьих академических чтений РААСН. – СПб, 2009.
4. Ильин Ю. А., Игнатчик С. Ю., Анисимов Ю. П. и др. Обеспечение эксплуатационной надежности канализационных насосных станций: Тр. ВИТУ. – СПб: Стройиздат, 2008. Вып. 7.
5. Игнатчик С. Ю. Экологическая безопасность водоводов и коллекторов систем водоотведения: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. – СПб, СПбГАСУ, 1997.