Расчет производительности канализационных насосных станций (КНС) и мини-КНС

• Основные понятия и ключевые термины в расчете производительности КНС
• Расчет расхода сточных вод
• Гидравлический расчет и параметры насосов
• Особенности конструкции и эксплуатационные параметры современных КНС
• Практические рекомендации и сценарии эксплуатации КНС
• Инструменты и современные методы расчета КНС
• Применяемые в расчетах нормы и стандарты
• Важные рекомендации

Цель расчета производительности канализационной насосной станции – это вычисление максимального объёма притока сточных вод, на основании которого подбирается насосное оборудование по кривой производительности. Грамотное проведение расчета позволяет обеспечить бесперебойный отвод стоков и предотвратить затопление обслуживаемых территорий.

Принцип работы канализационной насосной станции (КНС) заключается в накоплении сточных вод в резервуаре и откачки их насосами по мере заполнения емкости. Обычно КНС оснащается минимум двумя насосами (рабочий и резервный), работающими попеременно для равномерного износа. В случае пиковой нагрузки или отказа основного насоса, включается резервный.

Станция работает в автоматическом режиме. Уровень жидкости отслеживается поплавковыми датчиками или другими устройствами. При достижении заданного верхнего уровня в резервуаре система автоматически запускает рабочий насос. Когда уровень стоков снижается до минимально допустимой отметки, насос автоматически выключается.

Рис. 1 Промышленная мини-КНС

Основные понятия и ключевые термины в расчете производительности КНС

Расчётом определяется тип, количество и мощность устанавливаемого насосного оборудования. Термин “производительность КНС” это объем сточных вод, который КНС способна перекачать за единицу времени. Измеряется в кубических метрах в час (м³/ч) или в литрах в секунду (л/с).

Основная задача расчета производительности – гарантировать, что станция выдержит максимальный приток сточных вод, не допуская переполнения приемного резервуара. Производительность КНС определяется суммарной производительностью рабочего насосного агрегата или группы агрегатов, работающих одновременно.

Для расчета производительности, требуются характеристики притока сточных вод.

1. Максимальный суточный расход – это суточный объем поступающих сточных вод, рассчитанный через среднесуточную норму водоотведения, умноженный на коэффициент суточной неравномерности.
2. Максимальный часовой (секундный) расход – это наибольший средний объём, который может поступать на КНС в течение короткого промежутка времени – например, в часы пикового потребления воды, как правило, утром и вечером. Данная величина определяется делением максимального суточного расхода на необходимый период времени (24 часа) и умножением полученной дроби на коэффициент часовой неравномерности водоотведения. Максимальный секундный расход определяется делением величины максимального часового расхода на число секунд в одном часе (3600). Этот показатель является основой для выбора производительности рабочего насоса, который должен быть способен перекачать расчетный объем, чтобы не допустить перелив в приемном резервуаре во время пиковой нагрузки.
3. Залповый – это кратковременный, очень высокий расход, который вызывается внешними факторами, например, при опорожнении технологических емкостей на производстве. Он может превышать максимальный расход. Поэтому для компенсации устанавливается буферный объем приемного резервуара и резервные насосы.

Расчет расхода сточных вод

С максимальным притоком сточных вод должна гарантированно справляться рабочая группа насосов. Есть два типа максимального притока: часовой и секундный.

Часовой приток — это расчетная величина, характеризующая максимальный объем сточных вод, поступающих в течение одного часа пиковой нагрузки в сутки. Данный показатель служит основой для определения производительности насосной станции и выбора оптимального режима работы ее оборудования.

Формула расчета:

Qч=(Qсут x Kч)/24,

где:

• Qсут – среднесуточный расход сточных вод (м³/сут);
• Кч –коэффициент максимальной часовой неравномерности притока (определяется по СП 32.13330.2018).

Секундный приток — это расчетный показатель расхода сточных вод, вычисляемый на основе максимального часового притока. Он используется при гидравлических расчетах для определения необходимой площади поперечного сечения напорного трубопровода и обеспечения корректной скорости движения жидкости в системе.

Формула:

qсек=Qч/3600

Суточные графики поступления стоков, коэффициенты неравномерности

Поступление сточных вод в течение суток неравномерно. Оно колеблется в соответствии с режимом жизни населения для бытовой канализации или технологического процесса для производственных предприятий. Суточный график отражает изменение расхода стоков в зависимости от времени суток. Типичный график для жилых районов имеет два основных пика: утренний и вечерний. Для математического учета этой неравномерности используются коэффициенты, которые являются безразмерными величинами.

Рис. 2. Пример графика поступления стоков с пиками по часам

Коэффициент суточной неравномерности - отношение максимального или минимального суточного притока к среднесуточному за расчетный период – например, за год. Рассчитывается по формуле:

Ксут=Qср.max/Qср.сут

Коэффициент часовой неравномерности - отношение максимального или минимального притока за час к среднечасовому притоку.

Кч=Qср.max/Qср.ч

Коэффициенты зависят от численности населения, типа объекта и принимаются по таблицам нормативных документов (СП, СНиП). Чем меньше обслуживаемое население, тем выше коэффициент неравномерности, так как влияние каждого отдельного сброса более заметно.

Залповый сброс – особенности учета в проектировании

В отличие от часового максимального притока, который определяет мощность насосов, залповый сброс нецелесообразно компенсировать увеличением производительности насосного оборудования. Это приводит к тому, что насосы большую часть времени работают с большим запасом мощности, что неэффективно.

Рис. 3. Пояснения по компенсации залпового спроса

Поэтому залповый сброс компенсируется буферным объемом приемного резервуара. Это дополнительный объем резервуара между уровнем включения резервного насоса и уровнем аварийного переполнения. Именно этот буфер должен вместить залповый сброс, который необходим для запуска резервного оборудования.

Если объект генерирует частые залповые сбросы, то проектировщик может принять решение о создании дополнительных усреднительных резервуаров (усреднителей) перед КНС, которые будут сглаживать приток.

Гидравлический расчет и параметры насосов

Цель гидравлического расчета – определить напор и производительность насоса и правильно подобрать его тип.

Напор – это энергия, которую насос передает перекачиваемой жидкости. И он должен быть достаточным для подъема этой жидкости на заданную высоту и преодоления потерь давления в системе трубопроводов.

Расчетный напор насоса определяется по формуле:

H=Hгео + Hтр + Hместн + ΔPсрос, где:

• Hгео – геометрическая высота подъема. Разница геодезических отметок между минимальным уровень стоков в приемном резервуаре и отметкой сброса в напорный коллектор.
• Hтр – потери напора на трение, которые возникают по длине напорного трубопровода из-за трения жидкости о стенки. Зависят от длины, диаметра, материала труб и скорости потока.
• Hместн – потери напора на местные сопротивления: отводы, тройники, клапаны, задвижки.
• ΔPсрос – свободный напор на сбросе. Нужен для учета заданных условий сброса в приемный коллектор.

Hтр и Hместн – в основном они формируют потери напора в системе. Их величина влияет на мощность насоса: чем больше потери, тем больше мощность. Снизить можно тремя способами.

1. Увеличить диаметр труб, за счет чего снижается скорость потока и потери на трение. Но большой диаметр повышает стоимость системы и может привести к выпадению осадка.
2. Использовать трубы из материалов с низким коэффициентом шероховатости: стеклопластик, ПВХ.
3. Уменьшить в проекте число поворотов и запорной арматуры.

Производительность рассчитывается по формуле: Q = V/t, где:

• V – общий объем канализационных стоков;
• t – время, за которое насос должен откачать объем V.

Главное условие – производительность насоса должна быть выбрана так, чтобы он мог срабатывать приток Qч. То есть: Q＞Qч.

При проведении гидравлического расчета необходимо учитывать и скорость потока. Минимальная должна быть достаточной для самоочищения трубопровода. Обычно принимается в пределах 0,7-1,0 м/с. Максимальная не должна превышать значения, при которых появляются гидравлические удары и происходит повышенный износ труб и арматуры. Обычно не превышает 2,5-3,0 м/с.

Скорость потока рассчитывается по формуле:

V=qсек/A, где А - сечение трубопровода.

Необходимо также учитывать кавитационный запас. Кавитация – это образование и последующее схлопывание пузырьков воздуха в потоке жидкости внутри насоса. Она возникает, когда давление жидкости в самой узкой части рабочего колеса падает ниже давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости. Схлопывание пузырьков вызывает сильный удар, вибрацию и быстрое разрушение материала рабочего колеса.

Для предотвращения кавитации необходимо условие: доступный кавитационный запас должен быть больше требуемого. Последний – это минимально необходимое избыточное давление на входе в насос, которое устанавливается и гарантируется производителем. Определяется испытаниями и зависит от конструкции насоса. Доступный – это фактическое избыточное давление, имеющееся на входе в насос.

Специфика расчета производительности мини-КНС

Для больших КНС расчетная производительность определяется среднесуточным расходом, скорректированным на коэффициент часовой неравномерности. Для мини-КНС расчет производительности проводится немного по-другому, потому что здесь учитываются следующие факторы:

1. Из-за малого числа потребителей одновременное использование – например, нескольких сантехнических приборов – приводит к резкому и кратковременному увеличению расхода. Поэтому здесь коэффициенты неравномерности, применяемые к среднесуточному расходу, будут намного выше, чем для централизованных систем.
2. Расчет часто основывается на нормах водоотведения на человека или на единицу оборудования (например, для кафе), с обязательным учетом максимальных пиковых сбросов в секунду или минуту.

Компактность мини-КНС – это ограниченный объем вмещаемых стоков. Поэтому подбор насоса жестко привязывается к характеристике – допустимое количество пусков в час (Z). Из-за ограничения по объему необходимо подбирать насосы с более высокой производительностью (Q) по отношению к фактическому притоку, чтобы сократить время цикла откачки и тем самым уложиться в допустимое число пусков (Z). Если производительность насоса слишком низкая, ему придется включаться часто, что быстро выведет его из строя.

Роль резервных насосов

Любая КНС должна обеспечивать надежность, поэтому в ней устанавливают резервные насосы. Их роль:

• включаться при отказе основного (рабочего) агрегата;
• работать совместно с основным при наступлении максимального или залпового притока;
• работать попеременно с основным, чтобы продлить срок службы каждого агрегата.

Производительность резервного такая же, как у рабочего.

Особенности конструкции и эксплуатационные параметры современных КНС

Современные канализационные насосные станции (КНС) – это автоматизированные комплексы. Их конструкция и эксплуатационные характеристики обеспечивают максимальную надежность, уменьшают частоту обслуживания и снижают энергопотребление.

Рис. 4. Изображение конструкции КНС

Корпус изготавливается из прочных и коррозионностойких материалов: стеклопластик, полиэтилен или железобетон. Главное требование – полная герметичность и устойчивость к давлению грунта и грунтовых вод.

Насосные агрегаты, работающие с загрязненными средами, сильно вибрируют. А это приводит к разрушению конструкции КНС и повышенному уровню шума. Поэтому насосы виброизолируют – обычно устанавливают на жесткое основание с использованием виброгасящих прокладок или амортизаторов.

Современные КНС функционируют практически полностью в автоматическом режиме, которые управляется системой автоматического управления (САУ), основанной на показаниях датчиков уровня. Используется на станциях и частотное регулирование. Это когда с помощью частотных преобразователей изменяется частота и напряжение, подаваемое на двигатель насоса. Так плавно меняется его скорость вращения, а значит, и производительность с напором.

При снижении скорости вращения вдвое, производительность снижается в 2 раза, напор в 2²=4 раза, а потребляемая мощность в 2³=8 раз.

Для контроля и управления КНС используется комплекс оборудования, которое обеспечивает мониторинг и оперативное вмешательство. Это не только шкафы управления КНС. Современные станции интегрируются в единую систему диспетчеризации, которая дает возможность контролировать их работу удаленно. Это и сбор данных, и быстрое реагирование, и анализ с оптимизацией циклов включения и частотных режимов.

Практические рекомендации и сценарии эксплуатации КНС

Эффективность работы канализационной насосной станции зависит и от правильного расчета гидравлических параметров, и от учета эксплуатационных требований и защиты оборудования.

Расчёт частоты запусков насосов

Частое включение и выключение насосного агрегата негативно сказывается на его ресурсе. Производители насосного оборудования строго регламентируют максимальное допустимое количество включений в час (Z). Например, для мощных насосов с прямым пуском Z обычно составляет 6-12 пусков/час. Для насосов, работающих с преобразователем частоты (ПЧ), это ограничение может быть снято.

Для ограничения частоты пусков необходимо правильно рассчитать рабочий объем приемного резервуара, который находится между уровнем включения и отключения. Рабочий объем должен обеспечить минимально необходимое время работы насоса.

Это время рассчитывается по формуле:

tмин=60/Z

Тогда необходимый рабочий объем для одного насоса:

Vраб ＞ (Qнас - Qприток) / tмин

Критерии выбора объема приемного резервуара для нормальной работы

Объем приемного резервуара складывается из рабочего и буферного объема. Рабочий должен быть достаточен, чтобы обеспечить минимальное время работы насоса и минимальное время простоя между включениями. Буферный должен вместить стоки в случае аварийной ситуации или при залповом сбросе. И он должен обеспечить накопление максимального притока в течение времени, которое необходимо для устранения неисправности или запуска аварийного питания – обычно 1-3 часа.

Защита оборудования КНС от засоров, удаление воздуха, тепловая и электробезопасность

КНС перекачивает жидкости с высоким содержанием твердых и волокнистых включений. В современных системах может использоваться функция обратного кратковременного включения насосов для взбалтывания осадка или самоочищения напорного коллектора.

В напорном трубопроводе могут скапливаться газы, который вызывает коррозию, или воздух. Это снижает производительность насоса и способствует возникновению гидравлических ударов. Для этого на самых высоких точках напорного трубопровода и при необходимости на самой КНС устанавливаются автоматические воздушные клапаны (вантузы), которые выпускают скопившийся воздух и газы без вмешательства оператора.

Обеспечение безопасности оборудования и персонала всегда в приоритете.

1. В обмотках двигателя насосов устанавливают температурные датчики. При превышении критической температуры насос автоматически отключается.
2. Датчик нижнего уровня останавливает работу насоса без жидкости.
3. Преобразователи частоты или тепловые реле в шкафу управления обеспечивают защиту от токовых перегрузок и коротких замыканий.
4. Все металлические части корпуса КНС и оборудования заземляются в соответствии с нормами электробезопасности.

Инструменты и современные методы расчета КНС

Проектирование КНС требует высокой точности и оптимизации. А это невозможно без применения специализированного программного обеспечения и продвинутых методов математического моделирования.

Использование CFD-моделирования и программного обеспечения

CFD-моделирование – это инструмент для детального анализа работы приемного резервуара и насосной группы. Позволяет смоделировать трехмерное течение сточных вод, предсказать образование вихрей, зон застоя, точно оценить гидравлические потери на входе в насосы.

Рис. 5. Пример интерфейса анализа при CFD-моделировании

Рис. 5. Пример интерфейса анализа при CFD-моделировании

Для подбора оборудования используются специализированные программы от производителей насосов и CAE-системы, которые позволяют:

• автоматически строить рабочую характеристику системы (производительность и напор) и находить оптимальную рабочую точку насоса;
• проводить расчет гидравлического удара и подбирать средства его гашения.

Роль математического моделирования и компьютерного проектирования

Математическое моделирование выходит за рамки чисто гидравлики и охватывает весь цикл эксплуатации КНС.

• С помощью математических моделей можно симулировать суточные и недельные графики притока, проверять алгоритмы частотного регулирования и определять уровни включения/выключения насосов.
• Можно интегрировать гидравлический расчет, конструктивные особенности и электрические схемы в единую 3D-модель.
• Рассчитать жизненный цикл оборудования с учетом капитальных затрат, стоимость энергии и обслуживания.

Применение норм и стандартов

Проектирование и эксплуатация КНС должны соответствовать действующим нормативным актам.

ГОСТ, СП и ISO – основные нормативы для проектирования

Нормативная база для проектирования насосных станций включает национальные и международные стандарты, охватывающие вопросы водоотведения, оборудования и испытаний.

• СП 32.13330.2018 (Канализация. Наружные сети и сооружения) – один из основных сводов правил (актуализированный СНиП 2.04.03-85). Документ регламентирует общие требования к проектированию наружных сетей, сооружений канализации и устанавливает методику расчета расходов сточных вод. И содержит требования к устройству насосных станций и напорных трубопроводов.
• ГОСТ 6134-2007 (Насосы центробежные. Методы испытаний) устанавливает общие требования к проведению гидравлических испытаний центробежных насосов. Обеспечивает единообразие в процедурах измерения производительности, напора и КПД. Это дает возможность сравнивать характеристики насосного оборудования разных производителей.
• ISO 9906 (Ряды насосов. Гидравлические испытания для приемочного контроля) – международный стандарт, который часто используется производителями. Он детализирует классы точности измерений (класс 1, 2, 3). Это дает возможность потребителю и проектировщику выбрать насос, соответствующий требуемой точности характеристик.

Рекомендации по выполнению тестовых испытаний и сертификации КНС

Подтверждение соответствия оборудования проектным требованиям является завершающим этапом ввода КНС в эксплуатацию.

1. Заводские приемочные испытания рекомендуется проводить перед отгрузкой оборудования на объект. Тестирование проводится на стендах производителя в соответствии с требованиями ГОСТ 6134-2007 или ISO 9906 (обычно класс 2 или 3).
2. Полевые приемочные испытания проводятся после монтажа на объекте.
3. Все элементы КНС должны иметь действующие сертификаты соответствия техническим регламентам Таможенного союза или национальные сертификаты. Это подтверждает безопасность оборудования и его пригодность для использования на территории страны.

Заключение

Проектирование канализационной насосной станции требует комплексного подхода, объединяющего гидравлический расчет с современными эксплуатационными требованиями и строгим соблюдением нормативных актов.

Рекомендации:

1. Основой любого расчета является определение максимального суточного и часового притока. Неточность на этом этапе ведет к ошибкам в подборе мощности.
2. Нужно обеспечить корреляцию между рабочей точкой насоса и гидравлической характеристикой системы.
3. Расчет рабочего объема приемного резервуара должен быть выполнен с учетом максимальной частоты пусков насосов.
4. Всегда предусматривать установку резервных агрегатов и проводите проверку кавитационного запаса для всех рабочих режимов.
5. Для большинства КНС внедрение преобразователей частоты является обязательным условием.
6. Проектирование должно соответствовать законодательным актам.