Что такое ВЗУ?
ВЗУ – это инженерное сооружение, которое предназначено для забора воды из подземных источников (например, из артезианских скважин). По сути – это насосная станция I-го подъема, которая обеспечивает подачу воды в необходимом количестве и с требуемым напором в последующие звенья системы водоснабжения (в резервуар, в очистные сооружения, либо непосредственно потребителю).
Скважинные водозаборы применяются для обеспечения водой практически всех видов потребителей: населенных пунктов, промышленных предприятий, социально-коммерческих объектов и т.д. Однако выбор типа водозаборного сооружения в пользу скважинного водозабора определяется технико-экономическими и гидрогеологическими условиями строительства.
Как правило, качество подземных вод сильно выше качества воды из поверхностных источников, поэтому чаще всего предпочтение отдается именно им, что также подтверждается СП 31.13330.2021 п.6.4: «Для хозяйственно-питьевых водопроводов должны максимально использоваться имеющиеся ресурсы подземных вод, удовлетворяющие санитарно- гигиеническим требованиям».
Существует множество вариаций исполнения водозаборных узлов. В общем виде водозаборный узел состоит из надземной и подземной части.
Надземная часть, представляет собой здание и включает в себя:
- павильон;
- водомерный узел, который включает в себя расходомер (счетчик) и трубопроводную обвязку;
- оголовок скважины – устройство, который устанавливается на верхней части обсадной трубы скважины, обеспечивающий герметичность скважины.
- шкаф управления.
В качестве примера на рис.1 представлено базовое оснащение надземной части ANTARUS ВЗУ.
Подземная часть водозаборной скважины состоит из:
- насосного агрегата, установленного в скважине;
- напорного трубопровода, по которому вода подается из скважины. На напорный трубопровод монтируется насосный агрегат;
- обсадной колонны труб, которая предотвращает осыпание стенок скважины и делает возможным установку, эксплуатацию и ремонт оборудования; Диаметр обсадной колоны труб не может быть меньше диаметра насосного агрегата и зависит от способа бурения и глубины скважины.
- погружного электрода либо датчика уровня, необходимого для защиты от сухого хода;
- кабеля, по которому питание подается к насосному агрегату;
- страховочного троса, который предотвращает падение насоса в скважину в случае внештатной ситуации.
Помимо этого, подземная часть водозабора может оснащаться дополнительными элементами – фильтром, кожухом охлаждения и т.д. Необходимость установки дополнительного оборудования определяется проектом.
На рис.2 представлен пример оснащения подземной части ВЗУ.
Для насосных станций первого подъема (в т.ч. и для скважинных водозаборов), как правило, назначается равномерный режим работы в течение суток. Рассчитываются станции на средний часовой расход, что также диктуется СП 31.13330.2021 п. 7.7 «Водозаборные сооружения, водоводы, станции водоподготовки должны рассчитываться на средний часовой расход в сутки максимального водопотребления». Поэтому можно сделать вывод, что на сети необходимо устройство запасно-регулирующих емкостей, предназначенных для компенсации несовпадения режимов подачи воды и ее разбора.
В таком случае насос будет работать с постоянными характеристиками напора и расхода в течение суток, т.е. на одну рабочую точку. И этот режим работы для насоса является наиболее оптимальным (при условии, что насос был подобран корректно). Режимы работы насосных станций первого, второго подъема и график водопотребления представлен на рис.3.
Однако, даже несмотря на предписания нормативных документов, очень часто скважинные водозаборы рассчитывают на максимальный часовой расход, без устройства емкостей. Обычно это связано с желанием уменьшить капитальные затраты. В таких случаях очень часто прибегают к использованию частотных преобразователей (далее ПЧ) и подбирают насос на максимальные расходы. Кажется, что это оптимальное решение: нет необходимости проводить земляные работы для устройства резервуара, не нужен сам резервуар, в сети поддерживается необходимое давление, и подача воды скважинным насосом равна водоразбору. Тем не менее, не все так идеально. Есть несколько нюансов, которые необходимо учитывать при использовании ПЧ со скважинными насосами. О них поговорим далее.
1. Использование ПЧ предполагает поддержание давления на напорном трубопроводе, даже при низких расходах. Такие расходы часто ведут к недостаточному охлаждению двигателя насоса в связи со снижением количества воды, омывающей двигатель, и снижением скорости её движения.
Представим, что для обеспечения небольшого населенного пункта необходим ВЗУ. Исходные данные для подбора, следующие:
Максимальный часовой расход Q max.ч=36 м3/ч;
Средний часовой расход в сутки максимального водопотребления Qср.ч.max=7 м3/ч;
Средний часовой расход Qср.ч=5,8 м3/ч;
Минимальный часовой расход Qmin.ч=0,23 м3/ч; (расчеты расходов выполнены по п.5.2 СП 31.13330.2021).
Необходимый напор H=90 м;
Допустим, на сети не устраиваются промежуточные емкости, и насос подбирается на максимально часовой расход, т.е. в качестве рабочей точки для подбора насоса используем параметры: Qmax.ч=36 м3/ч; H=90 м. По данным параметрам подошел скважинный насос ANTARUS 6SBP30-17-15/01.
График подбора насоса с частотным преобразователем представлен на рис. 4.
Для расчета скорости обтекания двигателя скважинного насоса водой применяется следующая формула:
где:
Q (м3 ⁄ч) – расход воды, перекачиваемый насосом;
D (мм) – внутренний диаметр обсадной трубы;
d (мм) – условный диаметр электродвигателя (рис.2).
Предположим, что внутренний диаметр обсадной трубы D2=203 мм, а диаметр двигателя насоса 6SBP30-17-15/01 D1=150 мм.
Скорость потока, проходящего через электродвигатель для насосов ANTARUS, должна находится в диапазоне от 0,15 до 3 м/с для обеспечения оптимальных условий работы насоса.
Для указанной рабочей точки, скорость обтекания двигателя составит:
В данном случае скорость обтекания для достаточного охлаждения двигателя будет обеспечена.
Однако данный расчет выполнен на максимальный часовой расход. И, как правило, такой расход характерен для небольших промежутков времени в утренние и вечерние часы. Если вернуться к рис. 3, то видно, что в ночное и дневное время расход воды значительно ниже.
Сделаем расчет скорости обтекания двигателя на средний часовой расход.
На рис. 6 представлен график работы скважинного насоса на параметры Q=5,8 м3/ч, H=90 м.
Для указанной рабочей точки, скорость обтекания двигателя составит:
Такая скорость не будет обеспечивать достаточное охлаждение двигателя. Более того, если считать на минимальные часовые расходы, то скорость будет кратно ниже. Это может привести к выходу из строя двигателя насоса. А ещё снижение расхода в следствие снижения частоты вращения также приводит к недостаточной смазке подшипников скольжения.
Более того, продолжительная работа насоса на минимальные расходы (т.е. в первой трети характеристики насоса) значительно снижает КПД насоса, увеличивает энергопотребление, и приводит к перегреву двигателя.
Для предотвращения перегрева возможно применение кожуха охлаждения, который позволит обеспечить необходимое охлаждение двигателя за счет изменения траектории движения и увеличения скорости потока жидкости в пространстве между двигателем насоса и кожухом (рис. 7).
При устройстве скважины с кожухом охлаждения необходимо учесть габариты кожуха, а также произвести грамотный подбор самого кожуха. Важно помнить, что кожух охлаждения решает только проблему перегрева двигателя, т.е. избежать выполнения требований нормативных документов только за счет кожухов не получится.
2. Использование преобразователей частоты для скважинных насосов может сопровождаться не только перегревом двигателя из-за недостаточной скорости потока воды, но и возникновением высокочастотных импульсов напряжения на участке между ПЧ и электродвигателем насоса. Это приводит к тому, что изоляция обмоток двигателя быстрее изнашивается, повышается акустический шум двигателя, растет вероятность перегрева обмоток, что в последствии может привести к повреждению изоляции и короткому замыканию. В сети, питающей частотный преобразователь, возможно появление помех, которые способны навредить другому оборудованию, питающемуся от этой же сети. В большей части такие явления связаны с особенностями конструкции электродвигателей скважинных насосов, а также с большой длиной кабеля между электродвигателем насоса и ПЧ.
Для предотвращения подобных нежелательных последствий к частотным преобразователям устанавливают выходные фильтры. Обычно это фильтр dU/dt или синусоидальный фильтр.
Фильтры dU/dt сглаживают резкие изменения напряжения, защищая оборудование (например, двигатели и кабели) от повреждений. Обеспечивают небольшое снижение акустических шумов.
Синусный фильтр преобразует выходной сигнал частотного преобразователя (ЧП) в чистую синусоидальную форму напряжения и тока. Его основная задача — устранить высокочастотные помехи и сделать выходной сигнал максимально близким к естественному синусоидальному сигналу. Благодаря чему обеспечивается большее снижение нагрузки на изоляцию двигателя и уменьшение акустических шумов.
Стоит также отметить, что стоимость таких фильтров достаточно высока.
Выбор фильтра зависит от задач, бюджета и требований к качеству сигнала.
Говоря об особенностях применения ПЧ для ВЗУ, стоит также напомнить, что номинальная мощность преобразователя частоты может соответствовать или быть немного больше, чем у двигателя. Как правило, рекомендуется, чтобы номинальная мощность преобразователя частоты была в 1,1–1,5 раза больше мощности двигателя.
Безусловно, использование ПЧ для ВЗУ обладает и рядом преимуществ:
- возможность плавного пуска/остановка насоса, который существенно снижает риск получения гидравлического удара;
- поддержание постоянного давления на напорном трубопроводе независимо от расхода воды;
- увеличение энергоэффективности системы;
- при подборе на максимальный часовой расход позволяет избежать устройства промежуточных резервуаров (но, в таком случае, необходимо заранее учесть, что это не соответствует СП 31.13330.2021 п. 7.7, поэтому такое решение с большой вероятностью не пройдет экспертизу).
В любом случае, решение об установке преобразователя частоты ПЧ необходимо принимать, тщательно взвесив все «за» и «против» в рамках конкретного проекта.
Команда ANTARUS с радостью поможет вам в этом. Сегодня уже несколько десятков ВЗУ ANTARUS успешно функционируют, снабжая водой различные объекты по всей России. Они играют важную роль в обеспечении надёжного и качественного водоснабжения, поддерживая бесперебойную работу множества предприятий и учреждений.
Самостоятельно подобрать ANTARUS ВЗУ можно на сайте https://search.antarus.ru/ (подбор ВЗУ доступен только с предварительной регистрацией).
Алсу Шарафеева, инженер 1-й категории направления «Водоснабжение и канализация» и Андрей Белов, руководитель проектного отдела АНТАРУС,
компания «Элита»