Гидравлический удар. Что это такое? В прошлой статье (Занимательное водоснабжение) мы рассказали об истории водоснабжения в нашем городе. Выяснили, какое сложное и огромное хозяйство Кара-Чумышский гидроузел, что он в настоящее время отправляет каждые сутки почти 22 тяжелых состава (по 65 вагонов в каждом составе) воды жителям Прокопьевска и Киселевска. И дальше до потребителя эти составы двигаются по непреложным законам гидравлики.
Обеспечение надежного и стабильного давления в магистральных и распределительных сетях водоснабжения - одна из ключевых задач водоканалов. От правильного расчета, поддержания и регулирования давления зависят не только качество водоснабжения потребителей, но и долговечность трубопроводов, насосного оборудования и запорной арматуры.
Согласно действующим нормам, свободный напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителей не должен превышать 60 метров водяного столба, или примерно шести атмосфер. Это ограничение введено для защиты внутридомовых систем, трубопроводной арматуры и бытовых приборов от избыточного давления. При превышении этого значения возникает обязанность предусматривать установку регуляторов давления на вводах в здания или осуществлять зонирование системы водоснабжения.
Зонирование становится особенно актуальным для Прокопьевска со сложным рельефом. Рельеф Прокопьевска действительно сложный и пересеченный, с заметными перепадами высот. Распределение высот по районам города: западная часть (районы Сафоново, Тырган, Щербаковка, поселок Высокий): 410-470 метров над уровнем моря, самые высокие точки - гора за зданием ГИБДД - 468 метров, трамвайная остановка «ТРК «27 плюс» - 465 метров; центральная часть (город) значительно ниже: 260-300 метров; восточная часть снова подъем: 300-350 метров. Таким образом, перепад высот в городской черте составляет 204 метра (от самой низкой точки в долине реки Ускат - 204 м до самой высокой - 468/485 м).
В таких условиях перепады высот между различными районами могут достигать десятков метров, что создает значительную разницу в статическом давлении. Водоканал организуют отдельные зоны водоснабжения с независимыми насосными станциями или устанавливают регуляторы давления на границах зон, таких регуляторов давления установлено по городу почти 20 штук. Это позволяет поддерживать оптимальные параметры давления во всей системе и избежать как дефицита, так и избытка давления.
Правильный гидравлический расчет сетей водоснабжения закладывает основу для надежной работы всей системы. Методика расчета базируется на определении потерь напора по длине трубопроводов и в местных сопротивлениях с учетом характеристик материала труб.
Насосная станция первого подъема располагается непосредственно у водохранилища и обеспечивают забор воды через галерею от водопринимающей башни с последующей транспортировкой к очистным сооружениям, фильтрам и смесителям. Подбор насосов осуществляется по требуемой подаче и напору с обязательным резервированием.
Насосная станция второго подъема при работе должна обеспечивать переменный режим водопотребления в течение суток. Максимальный расход приходится на утренние и вечерние часы, когда одновременно открывается большое количество водоразборных точек. В эти периоды насосы должны создавать напор, достаточный для подъема воды на 20 метров относительно отметки РЧВ (резервуара чистой воды), преодоления потерь в распределительной сети и обеспечения свободного напора две атмосферы у верхнего потребителя. Суммарный требуемый напор составит порядка 50-55 метров, в настоящее время на станциях второго подъема (именуется как старый и новый) гидроузла установлены 14 насосов разной мощности, от 2500 кубических метров в час до 250 кубических метров в час. Насосная станция второго подъема работает в существенно более динамичном режиме. Она забирает воду из резервуаров чистой воды и подает ее в распределительную сеть, где водопотребление меняется в широких пределах в течение суток. Ночью расход может составлять всего 15-20% от среднесуточного, а в часы утреннего и вечернего максимума достигать 200% от среднего значения. Соответственно, насосное оборудование должно обеспечивать гибкое регулирование подачи при сохранении требуемого давления.
Подход к управлению насосной станцией второго подъема заключается в ступенчатом регулировании производительности путем включения и отключения отдельных насосов. На станции установлены насосы различной производительности, комбинация которых позволяет покрыть весь диапазон водопотребления, также оснащена частотными преобразователями, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателей насосов. Датчики давления, установленные на напорном коллекторе и в контрольных точках сети, передают сигналы в систему автоматического управления. При снижении давления ниже заданной установки частотный преобразователь увеличивает обороты рабочего насоса, повышая его производительность. При избыточном давлении обороты снижаются. Такая система обеспечивает стабильное давление в сети независимо от текущего водопотребления и одновременно дает значительную экономию электроэнергии.
Повысительные насосные станции (их главная задача — компенсировать падение напора, которое возникает из-за удаленности потребителей, перепадов высот, большого расхода воды или особенностей рельефа) устанавливаются в высотных зонах города или на удаленных участках сети, где давление от основных насосных станций оказывается недостаточным. Они забирают воду непосредственно из магистрального трубопровода и повышают ее напор до требуемого уровня, их по городу установлено более десятка.
Такие станции комплектуются всем необходимым оборудованием, включая насос с частотным регулированием, запорную арматуру, контрольно-измерительные приборы, шкафы автоматики.
На каждой насосной станции первого, второго подъемов установлены электронные расходомеры (счетчики) с передачей данных в реальном времени в диспетчерский пункт, что позволяет мгновенно реагировать на изменения водопотребления и своевременно отслеживать возникающие дефекты на магистральных трубопроводах.
Оптимальные скорости движения воды в наружных сетях водоснабжения нормируются с учетом назначения трубопровода. В магистральных водоводах, транспортирующих воду от очистных сооружений к резервуарам чистой воды, допускается скорость до 3 метров в секунду. В распределительных сетях рекомендуется поддерживать скорость в диапазоне 0,6-1,5 метра в секунду. Превышение верхнего предела приводит к интенсивной эрозии труб и повышенным гидравлическим потерям, а движение со скоростью ниже нижнего предела создает риск застойных явлений и ухудшения качества воды.
Гидравлический удар остается одной из наиболее опасных аварийных ситуаций в системах водоснабжения. Большинству людей непонятно, хотя практически все слышали о нем.
Вода - инерционное вещество. При резком включении или отключении насосов или перекрытии задвижек она еще долго продолжает свое движение. Создаются критические перепады давления, влияющие на целостность трубопроводов, запорной арматуры и насосов. Математические выкладки скорее для обывателя, а вот результаты действия этого удара, его последствия сразу же он ощущает, когда из-за аварий у них в домах из кранов слышна только предательская тишина или «побулькивание воздуха».
Особенно подвержены этому явлению системы водоснабжения таких городов, как Прокопьевск и Киселевск. Это города шахтерских поселков. Только у нас существовало около 20 шахт. Для обеспечения нормальных режимов необходимо создавать избыточные давления, порой подав воду на десятки километров до Северного Маганака, Голубевки, Березовой Рощи, Ясной поляны. Манометры на насосных станциях в эти районы в часы максимального водопотребления показывали 12-14 атмосфер! Зато ночью надо было снижать до 8-10 атмосфер.
Электродвигатели по стандартам создавались со стабильными частотами вращения валов - 750, 1000, 1500 и 3000 оборотов в минуту. Когда нужно было, включались два-три насоса, когда нет - один-два. Вот вам и типичный пример гидравлического удара. И это каждый день, а иногда и несколько раз в сутки.
Порой удивлялись: какая сила создавалась в трубах, когда во время аварии лопалась чугунная труба диаметром 600 или 900 мм. Немало приходилось работать кувалдой, чтобы расколоть ее остатки. А гидравлические эксцессы могли в мгновение ока их разрушить.
Физические процессы работы водопроводной системы не прощают небрежности и игнорирования законов гидродинамики, ошибок в эксплуатации, так называемого «человеческого фактора».
Старожилы из числа сотрудников Водоканала вспоминают ситуацию, возникшую в зимний период в 80-х годах прошлого столетия: на насосной станции 2-го подъема Гидроузла при аварийном отключении насосного агрегата создалось критическое давление в исходящем от агрегата трубопроводе, произошел гидроудар, и вода реверсивным (обратным) движением ринулась обратно через насос в помещение машинного зала, попутно раскручивая и насос, и электродвигатель вспять. Для оперативного разрешения возникшей чрезвычайной ситуации был создан штаб, в том числе при участии Заузелкова Виктора Ивановича - руководителя управления коммунального хозяйства Кемеровской области, который оперативно вертолетом прибыл в город.
Вода грозила затопить помещение машинного зала, все насосы и двигатели, а это полная остановка подачи воды и обезвоживание котельных во время отопительного сезона. Но человек может как совершить ошибку, так и проявить смекалку, что и случилось. Прекратить обратное раскручивание насоса и остановить неконтролируемый поток воды помог простой лом, который заблокировал агрегат. Далее аварийщики уже ликвидировали последствия аварии.
Мы благодарны науке, что она создала наиболее верное средство борьбы с этим явлением. Не помогали ни задвижки, ни обратные клапаны, ни вантузы. Помогло самое простое - плавный пуск и частотное регулирование. Плавный пуск - это понятно: двигатель постепенно разгоняется или останавливается до нужных параметров. А частотное регулирование позволяет менять обороты электродвигателя в зависимости от требуемых режимов подачи воды. Выставишь заданное давление, в зависимости от рельефа «этажности», задашь исходные данные, и система сама будет их поддерживать практически без человеческого фактора. Увеличился разбор, и, пожалуйста, оборотов двигателя уже не 1450 в минуту, а 1600. Уменьшился и двигатель - вращается 1000 раз, и не надо включать или выключать дополнительные агрегаты, а то и менять полностью оборудование.
Теперь на всех насосных станциях установлено такое оборудование! Мало того, данные с насосов выведены на центральный пункт в диспетчерской. А в случае появления какой-либо нештатной ситуации моментально принимаются оперативные решения для исключения возникшей проблемы и обеспечения прокопчан водой в требуемом режиме.
Сегодня Водоканал обслуживает 900 км водопроводных сетей: 600 км - арендуемых у города и 300 обслуживает по заявкам. Сетевое хозяйство огромное! Если в среднем в России до двух аварий на 1 км сетей, то, получается, в среднем три бригады аварийщиков в смену устраняют до шести аварий за смену. Так еще надо водоводы планово менять не менее 12 км за короткое лето, и тогда лет за пятьдесят можно будет обновить хотя бы те, которые находятся в аренде. А если этого не делать, то целая река будет уходить в потери и на них бесполезно будем нести расходы на электроэнергию, реагенты и прочие затраты. И вот об этом, о потерях и о цене воды, мы расскажем в следующей статье.
Галерея
#ВодоканалПрокопьевск #ПрокопьевскийВодоканал #ХолоднаяВода #ЧистаяВодаПрокопьевск #ПрокопьевскЧистаяВода #Прокопьевск #ЖемчужинаКузбасса #ГородТрудовойДоблести #95летПрокопьевск
Информационный партнер: Дзен канал КузИнфо
Официальные аккаунты Прокопьевского Водоканала (VodaPr.ru) в соцсетях: Одноклассники, ВКонтакте, Яндекс Дзен, Rutube
