Реконструкция водозаборов

Таким образом, увеличение производительности головных сооружений не всегда возможно и ограничено природными условиями.

Реконструкция головных сооружений с русловыми  затопленными водоприемниками

 

На рис. 1 (см. ниже) приводится схема водозабора с русловым затопленным водоприемником. Перепады уровней равны потерям напора на отдельных участках гидравлической схемы. При минимальном уровне в источнике высота всасывания насоса первого подъема максимальна. Рассмотрим условия работы водозабора при гидравлической перегрузке. В этом случае уровни воды в аванкамере и в отделении всасывающих труб понизятся, а высота всасывания насосов первого подъема увеличится сравнительно с расчетной. Лимитирующим элементом водозабора становятся насосы первого подъема.

 

 

 

Рис.1. Схема водозабора с затопленным русловым одоприемником:  
1 – водоприемник; 2 – самотечная линия; 3 – сеточный колодец; 4 – аванкамера; 5 – отделение всасывающих труб; 6 – всасывающая труба; 7 – насос первого подъема; 8 – входное окно с решеткой; 9 – сетка; D₁ – высота порога; D₂ – толщина забрала

 

Вакуумметрический напор отечественных  центробежных насосов редко превышает 6–7 м. Увеличение высоты всасывания и  одновременно возрастание потерь напора во всасывающей линии способны привести к кавитации либо к срыву вакуума и полному отказу насоса. Другим фактором, способным нарушить работу насосов, является прорыв воздуха во всасывающую линию. При понижении уровня в отделении всасывающих труб (отметка ) возникает опасность образования «воздушных шнуров» (рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Такое явление происходит, если заглубление  входных воронок менее некоторого критического значения:

 

                            

 

где – критическое заглубление (глубина), м; – скорость входа в воронку, м/с; – диаметр входной воронки, м.

 

Например, при скорости входа в воронку 1 м/с, ее диаметре 0,25 м критическое заглубление  равно 0,08 м, т.е. 0,32 . Рекомендуется заглублять вход в воронку на 0,6–1,2 . Опасность подсоса воздуха во всасывающие трубы уменьшается, если снабдить входные воронки козырьками или разместить вокруг труб плавающие плотики. Считается, что в этом случае критическая глубина может быть уменьшена на 20–25 %.

В условиях снижения уровня и уменьшения полезной вместимости аванкамеры, увеличивается  опасность захвата воздуха всасывающими линиями насосов и водоприемные отверстия труб следует заглублять не менее чем на

 

,                              

 

где – расход воды, м³/с; – площадь зеркала воды в отделении всасывающих труб, м².

 

 

Для увеличения высоты всасывания насосов  применяется перепуск воды из напорной линии насосов во всасывающую линию (рис. 3).

Вода, поступающая из напорной линии, находится под большим напором, а следовательно, обладает большей удельной энергией, чем всасываемая. Рассеивание  избыточной энергии повышает общую энергию потока.

 

 

 

Увеличение высоты всасывания указанным способом рекомендуется определять по номограмме (рис. 4).

 

 В номограмме приняты следующие обозначения: – диаметр сопла, мм;  
– диаметр всасывающей линии насоса, мм; – требуемое увеличение высоты всасывания, м; – скоростной напор при истечении из сопла, м. Для примера, приведенного на рис. 2.4, = 0,12 (принято); = 2,0 м; = 70 м. Пусть = 500 мм, тогда = 60 мм. Скорость истечения из сопла  . При » 1,0, = 37,1 м/с.

Для конической сходящейся насадки  с углом конусности 13° коэффициент сжатия = 0,983. Тогда расход воды, , м³/с, направляемый из напорной линии во всасывающую,

 

.

 

Иногда для увеличения высоты всасывания во всасываемую линию вводят контролируемое и ограниченное количество воздуха (не более 2–3 % от расхода воды). Увеличение высоты всасывания вследствие уменьшения плотности перекачиваемой среды составит

 

,         

 

где – максимальная вакуумметрическая высота, поддерживаемая насосом, м; – количество вводимого воздуха в % от расхода воды.

Например, при  ¹ 6,0 и = 3 % высота всасывания увеличится на 0,18 м.

При введении воздуха необходимо предусмотреть на напорной линии  насоса воздухосборники и вантузы  для его сбора и удаления.

Рассмотренные способы неэкономичны, а при введении воздуха требуют  жесткого контроля. Они необходимы только в период, когда уровни воды в источнике близки к минимальным.

На рис. 5 приводятся некоторые способы решения, принимаемые для повышения устойчивости работы насосов.

 

 

Рис. 5. Способы повышения устойчивости водозабора при снижении уровня воды в водопроводном колодце: 1 – водоприемная камера; 2 – камера всасывания; 3 – плавающий щит; 4 – напорный трубопровод к эжектору; 5 – дополнительный всасывающий трубопровод; 6 – вакуум-котел; 7 – сифонный трубопровод; 8 – герметичное перекрытие; 9 – вакуум-насос

 

По схеме а высота всасывания увеличивается путем оборудования входа во всасывающую линию эжектором.

По схеме б из работы исключается береговой колодец, и всасывающая линия соединяется с самотечной.

Схема в позволяет поддерживать вакуум путем установки котла, куда засасывается выделяющийся при пониженном давлении воздух.

Схема г - вакуумирование сеточного колодца обеспечивает повышение уровней в аванкамере и в отделении всасывающих труб. Такая схема была применена на Новосибирском водопроводе, причем, повышение уровня составило 1,5–2,0 м. Расход воды при вакуумировании колодца определяется по следующей зависимости:

 

,                            

 

 

где – площадь сечения самотечной линии; – перепад уровней в источнике водоснабжения и аванкамере без вакуумирования; – создаваемый вакуумметрический напор; – коэффициент сопротивления системы «водоприемник – самотечная линия».

 

Заметим, что в случае вакуумирования опасность возникновения кавитации или срыва вакуума у насоса не уменьшается, а лишь создаются условия для его залива.

Рассмотренные методы приемлемы, если продолжительность их применения ограничена низкими уровнями в источнике. В  противном случае возникает необходимость  в реконструкции насосной станции  первого подъема. Реконструкция  станции также необходима, если существующие насосы не могут обеспечить требуемую подачу.

При необходимости реконструкции  в связи с недопустимым увеличением высоты всасывания следует ориентироваться на применение погружных насосов с их размещением в отделениях всасывающих труб сеточных колодцев. Особенностью погружных насосов являются компактность и простота монтажа, что в ряде случаев позволяет отказаться от установленного резерва и хранить резервные агрегаты на складе головных сооружений. Могут использоваться и насосы, предназначенные для установки в скважинах, но они имеют пониженные КПД.

Если насосная станция первого  подъема совмещена с сеточным колодцем и задача заключается в  увеличении производительности насосов, но места для размещения новых горизонтальных насосов недостаточно, не исключена возможность установки вертикальных насосов.

Рассмотрим другие отрицательные  последствия, возникающие при повышении  производительности головных сооружений.

Увеличение скорости втекания в  водопроводные окна водоприемника приводят к поступлению воды повышенной загрязненности.

Рекомендуемые нормативами скорости составляют 0,2–0,6 м/с,  
в зависимости от загрязненности водотока. Форсирование водоотбора приводит к частому засорению решеток на входных отверстиях, т.е.  
к некоторому ухудшению условий эксплуатации.

Реальные условия водоприема, известные по опыту предыдущей эксплуатации, позволяют реально оценить возникающие неудобства. Они часто компенсируются улучшением конструкции решеток на водоприемных окнах. Конструкция решеток существенно влияет на равномерность втекания воды. Равномерному втеканию способствует конструкция решеток со стержнями из полос, расположенных вертикально, причем ширина стержней принимается не меньше просвета между ними. Если боковые грани стержней развернуть так, что угол отвода воды, отсчитываемый от направления течения в водотоке, составит 120–135°, то решетка приобретет свойства самоочищаемости.

Сезонные помехи (ледовые  явления, появление мальков рыбы), усугубляемые переходом водозабора на форсированный режим, иногда могут быть преодолены за счет обычных защитных мер сезонного характера.  
В других случаях неизбежна реконструкция с увеличением площади приемных окон. Варианты такой реконструкции, предусматривающие размещение дополнительных водоприемников, приведены на рис. 6.

а.                б.                  в.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Схемы реконструкции водозаборов: 1 – оголовок дополнительный; 2 – оголовок существующий; 3 – сеточный колодец и НС-1 существующий; 4 – сеточный колодец дополнительный; – - – существующий трубопровод; ^_____ дополнительный трубопровод

По варианту а дополнительный оголовок оборудован самотечными линиями, присоединенными к существующему сеточному колодцу.

Вариант б предусматривает объединение самотечных линий от дополнительного оголовка и существующих. Расстояние от места соединения до сеточного колодца ограничено условиями проведения строительно-монтажных работ, но должно быть минимально возможным. Такая схема считается неудачной, так как трудно исключить взаимное влияние соединенных оголовков, что нарушит устойчивость забора воды.

Вариант в предусматривает строительство независимого блока, включающего оголовок, самотечные линии и сеточный колодец. Напорная линия (схемы предусматривают насосную станцию первого подъема, совмещенную с сеточным колодцем) от нового блока соединяется перемычкой с существующей напорной линией.

В нормативах скорости воды в самотечных линиях в зависимости от категории водозаборных сооружений рекомендуются в пределах от 0,7 до 2,0 м/с. Рекомендация связана с технико-экономическими соображениями и с долговечностью трубопроводов, которые подвержены истиранию песком в период эксплуатации. Очевидно, что некоторое превышение рекомендуемых скоростей не приведет к каким-либо радикальным отрицательным последствиям. В этих случаях следует предусматривать более строгий контроль за техническим состоянием трубопроводов и за своевременностью ремонтов.

Одним из элементов, работа которого при увеличении производительности водозабора усложнится, являются плоские и вращающиеся сетки в сеточном колодце. Как известно, во избежание разрыва полотна сеток, создаваемый ими перепад уровней ( по рис. 2.1) строго  
ограничивается и составляет как максимум 0,1–0,15 м для плоских и  
до 0,15–0,30 м для вращающихся сеток.

Увеличение расходов воды, а также  ее уровня в аванкамере сравнительно с расчетным проектным расходом, требует более частой промывки. Не исключено, что в отдельные периоды  года возникает кратковременная ситуация, при которой нельзя выдержать нужный режим промывки. В этом случае существует возможность отказа от сеток на критический период, хотя при этом есть опасность засорения насосов первого подъема и возникает необходимость в их чистке.

В практике водоснабжения  не редки случаи, когда слой донных наносов у водоприемника увеличивается, высота порога оказывается недостаточной, а в водоприемник поступает вода с повышенным содержанием песка. На рис. 7 приведена схема реконструкции оголовка с устройством специального короба из листовой стали. Водоприемные окна в коробе установлены так, чтобы создать нужную высоту порога.

 

 

При ухудшении проектных  условий водоприема проводятся гидротехнические работы: строительство струенаправляющих дамб, уменьшающих вероятность поступления в водоприемник большого количества наносов и шуги, создание ковшей, перенос оголовков в более удобные для забора воды точки акватории и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

    Реконструкция – эффективный способ усиления и усовершенствования объектов для повышения их производительности и улучшения качества эксплуатации. При реконструкции реализуются скрытые и неиспользуемые производственные возможности объектов. Объекты, входящие в системы водоснабжения и водоотведения, технологически связаны, и часто реконструкция носит не локальный, относящийся только к данному объекту, характер, а выполняется в интересах всей системы. При реконструкции предусматривается выявление лимитирующих элементов, ограничивающих перевод объекта на требуемый производственный режим. Если установлены причины, по которым элемент оказался лимитирующим, пути решения задачи конкретизируются и сужаются. Проектное решение по реконструкции должно базироваться на знании закономерностей функционирования того или другого объекта. Необходимые технологические расчеты выполняются по общеизвестным методикам, согласно действующим нормативам. Проектирование должно быть многовариантным, с технико-экономическим сравнением и обоснованием оптимального решения.

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Образовский, А.С. Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников / А.С. Образовский, Н.В. Ереснов, В.Н. Ереснов и др.; Под ред. К.А. Михайлова, А.С. Образовского. – М.: Стройиздат, 1976. – 368 с.

2. Плотников, Н.А. Проектирование  и эксплуатация водозаборов подземных вод / Н.А. Плотников, В.С. Алексеев. – М.: Стройиздат, 1990. – 256 с.

3. СНиП 2.04.02.-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.  
– М.: Госстрой России, 1997.

4. Порядин, А.Ф. Устройство и эксплуатация водозаборов / А.Ф. Порядин. – М.: Стройиздат, 1988. – 182 с.

5. Николадзе, Г.И. Водоснабжение:  Учеб. для вузов / Г.И. Николадзе, М.А. Сомов:– М.: Стройиздат, 1995. – 688 с.

6. Порядин, А.Ф. Водозаборы в системах централизованного водоснабжения / А.Ф. Порядин. – М.: НУМЦ Гос. Экологии России, 1999.  
– 338 с.