Резервуары для хранения воды часто встречаются на объектах различного назначения. Они применяются для хранения требуемого объема воды, например, на противопожарные нужды, а также для выравнивания водопотребления в системе и обеспечения требуемого времени контакта обеззараживающего вещества с водой.
Забор воды из этих резервуаров и подача воды в сети водоснабжения (хозяйственно-питьевого, производственного или противопожарного назначения) осуществляется насосными агрегатами. И здесь встает вопрос: как правильно расположить резервуары и насосные агрегаты относительно друг друга и при этом минимизировать затраты на строительство?
Располагать резервуары на открытом воздухе возможно не всегда (только для хранения относительно небольшого объема), и это требует дополнительных расходов на их обогрев в зимнее время. Поэтому чаще всего резервуары делают либо полностью заглубленными, либо полузаглубленными (в обваловке).
Отсюда возникает ряд вопросов:
- как расположить насосные агрегаты? Если делать машинный зал на уровне дна резервуара, то потребуются достаточно дорогие работы по его подземному устройству из монолитного железобетона.
- можно ли разместить насосы над резервуарами? Способны ли они всасывать воду из резервуара, расположенного ниже их гидравлической части?
Что касается расположения машинного зала непосредственно над резервуарами, то нормативная литература это запрещает: СП31.13330.2021 «10.4 Отметку оси насосов следует определять из условия установки корпуса насосов под заливом» (СП 485 и СП 10 на пожаротушение имеют аналогичные пункты). Исключение может быть только для насосных станций 2-й и 3-й категории (которые не подают воду на нужды пожаротушения) и только при использовании вакуум-насосов или вакуум-котлов. Но и они являются достаточно дорогостоящим оборудованием и влекут за собой усложнение алгоритма работы насосного агрегата. Поэтому такие схемы для создания дополнительного подпора перед насосами не получили широкого распространения.
Также в пункте 10.4 СП31.13330.2021 указано, что насос должен быть под заливом от верхнего уровня: «при заборе воды из резервуара - от верхнего уровня (определяемого от дна) неприкосновенного пожарного запаса (НПЗ) воды при одном пожаре». Т.е. допускается установка насоса выше минимального уровня воды (См. рисунок 2).
И здесь вновь возникают вопросы:
- что будет, когда уровень воды опустится ниже максимального (это обязательно произойдёт при работе насосных агрегатов)?
- сможет ли в этом случае насос всосать воду?
- что произойдет, когда насос остановится? Сможет ли он запуститься повторно, ведь уровень воды в резервуаре понизится и будет ниже отметки оси насосного агрегата?
Как правило, в нашей стране для перекачивания воды используются нормальновсасывающие насосные агрегаты (кроме бытового сегмента). В теории они могут всасывать воду из резервуаров, расположенных ниже, но с рядом ограничений.
Во-первых, ответим на вопрос: что произойдет, когда насос остановится, сможет ли он запуститься повторно при понижении уровня воды в резервуаре? Система от резервуара до всасывающей оси насосного агрегата должна быть заполнена водой, т.к. насос не может перекачивать воздух. При этом, согласно нормативной литературе, насос должен быть под заливом относительно верхнего уровня воды в резервуаре. Алгоритм работы насосных станций подразумевает работу по уставкам (значениям давления). Существует уставка включения насосных агрегатов и уставка их отключения. Т.е., при достижении определенного давления в системе насосные агрегаты остановятся и перестанут перекачивать воду, соответственно уровень воды в резервуарах понизится, и насосы будут уже НЕ под заливом.
Согласно принципу сообщающихся сосудов: вода из трубопровода между резервуарами и насосами выльется обратно в резервуары (т.к. насосы теперь стоят выше уровня воды). Чтобы этого не произошло, необходимо установить донный либо обратный клапан. Они предотвратят обратный ток жидкости и вытекание воды в резервуар при остановке насосного агрегата. Однако нужно понимать, что обратный и донный клапан имеют достаточно большое сопротивление Kvs, соответственно, на них будут большие потери напора. Что, в свою очередь, возвращает нас к вопросу: сможет ли в этом случае насос всосать воду?
Как я уже писал ранее, в теории нормальновсасывающие насосы способны всосать воду из резервуара, даже если водный уровень в нем ниже оси насоса. Однако способность насоса поднимать воду необходимо рассчитывать по достаточно простой формуле:
Pвсасывания = Pа – (Vp + Ls + Hf) – NPSHr – 1;
Где Pa - атмосферное давление (10,3 м на уровне мирового океана);
Vp - давление насыщенных паров воды (для холодной воды можно пренебречь);
Ls - высота подъема воды (геометрическая разница отметок);
Hf - потери во всасывающем трубопроводе (потери по длине трубопровода + потери на местные сопротивления, в том числе на арматуре и обратном клапане).
NPSHr – NPSH насоса, которые можно получить из листа подбора насосных агрегатов или насосной установки.
1 – минимальный запас.
Данная формула актуальна только для безнапорных резервуаров. Если в итоге ваше значение Pвсасывания оказалось положительным, то ваш насос способен всосать воду из резервуара, даже если уровень в нем упадет (при наличии обратного клапана). Но это только в теории...
По факту у данной схемы есть много ограничений, начиная с того, что класс герметичности обратного или донного клапана должен быть обязательно «А», располагаться либо непосредственно в самом резервуаре, либо сразу около него и др.
Но даже если выполнить все требования и максимально подстраховаться: выбрать насос с наименьшим NPSHr, например, с 6-полюсным электродвигателем, максимально увеличить диаметр трубопровода и расположить насосную установку как можно ближе к резервуару. И в этом случае остаются серьезные риски.
Рассмотрим пример:
У нас есть система пожаротушения с забором воды из резервуаров, который осуществляется в соответствии с принципиальной схемой, указанной выше на рисунке 2. Разница в высотных отметках между насосным агрегатом и наименьшим уровнем воды в резервуаре составляет 2,83 м. Температура воды – 20 С, поэтому, давлением насыщенных паров можно пренебречь, приняв их за «0». Насосные агрегаты и резервуары расположены на уровне Мирового океана (давление 1 атм.). Потери напора по длине трубопровода (между насосным агрегатом и резервуарами) составляют 2,5 м. Требуемый расход составляет 55 м3/ч, а требуемый напор - 30 м, из которых 15 м – статическая составляющая и еще 15 м – динамическая.
Как мы видим, насос практически идеально подходит под требуемую рабочую точку, а в резервуарах установлены донные фильтры, которые предотвратят выливание воды обратно в резервуар и опорожнение трубопровода между насосом и установкой, обеспечив тем самым постоянную работу в заполненном состоянии. Определим возможность работы на всасывание согласно нашей формуле. NPSHr насоса составляет около 3,4 м.
H всасывания = Pа – (Vp + Ls + Hf) – NPSHr – 1 = 10,3-(0+2,83+2,5)-3,4-1=0,57м.
Согласно нашим расчетам, такая система вполне пригодна для работы (даже с небольшим запасом) и абсолютно точно справится с поставленной задачей.
Но предположим, что при выполнении гидравлического расчета инженер взял небольшой запас (что очень часто встречается на практике), и фактический требуемый напор в системе составляет не 30 м, а, допустим, 23 м (на практике запасы бывают намного больше).
Как мы видим, запрашиваемая рабочая точка немного опустилась, а фактическая рабочая точка (точка пересечения графика работы сети и графика напорно-расходной характеристики системы) съехала в крайнюю правую часть графика напорно-расходной характеристики насоса, но осталась в его пределах. Куда больше нас волнует NPSHr насоса, который стал существенно выше и теперь превышает 4,5 м, приближаясь к 5 м. Произведем наш расчет работы насоса на всасывание, исходя из новых данных.
H всасывания = Pа – (Vp + Ls + Hf) – NPSHr – 1 = 10,3-(0+2,83+2,5)-5,7-1=-1,73м.
Значение получилось отрицательным, а значит, данный насос при таком расходе даже в теории не сможет всосать воду в требуемом объеме.
Конечно, можно попробовать решить данную систему путем дросселирования, и это в теории может даже помочь. Но стоит понимать, что, во-первых, отрегулировать дросселированием протяженную сеть с большим количеством потребителей на практике крайне сложно (а иногда и невозможно). Во-вторых, описанная выше проблема далеко не единственная, которая может возникнуть при подобной установке насосных агрегатов.
Если вы планируете выполнить систему с подъемом воды из резервуаров в режиме самовсасывания насосов, советую еще раз взвесить все «за» и «против». Такая схема имеет огромное количество рисков, некоторые будет невозможно решить «по факту» без дорогостоящих капиталовложений. Единственное её преимущество – экономия на работах по устройству подземного машинного зала уже давно имеет иные надежные решения. Например, размещение насосного оборудование возможно в подземных емкостях, выполненных из стеклопластика. Такие решения позволяют опустить насосы практически на любую глубину, закрыв вопрос с самовсасыванием. Опыт применения подобных решений уже достаточно большой. На сегодняшний день только компания «ЭЛИТА» ежегодно реализует несколько десятков проектов насосных установок Antarus в подземном стеклопластиковом корпусе Биогард.
Евгений Волчков,
руководитель направления «Водоснабжение и канализация»,
компания «Элита»