Способы, схемы и особенности систем водоснабжения промышленных предприятий

Для крупных промышленных предприятий, которые могут использовать неочищенную воду, обычно устраивают самостоятельные производственные водопроводы. Иногда такие водопроводы устраивают для группы предприятий, расположенных в одном районе города.

Вода используется в большинстве производственных процессов. Использование воды может быть сведено к следующим основным группам: охлаждение, промывка, парообразование, гидротранспорт, использование в составе выпускаемой продукции.

К качеству воды указанных групп водопотребления предъявляют самые разнообразные требования. Вода для охлаждения должна быть маложесткой, мало мутной (ниже 50 мг/л), не обладать коррозийными свойствами: для питания котлов должна быть обессоленной; для промывки не должны содержать солей, влияющих на качество продукта. Режим расходования воды на производственные нужды определяется режимом работы промышленного предприятия.

Промышленное водоснабжение имеет ряд особенностей. Основная особенность заключается в том, что использованная вода, если она не загрязняется или может быть легко очищена от загрязнений, во многих случаях не сбрасывается в водоем, а снова используется в производстве.

Системы производственного водоснабжения также различают по способу использования воды:

1. Система прямоточного водоснабжения, которая предусматривает подачу воды к потребителям и сброс ее в водоем после использования, т. е. эта система с однократным использованием воды. Если вода загрязняется в производстве, то перед выпуском ее в водоем она очищается на очистных сооружениях.

Прямоточное водоснабжение применяется в тех случаях, когда источник водоснабжения расположен вблизи предприятия (не более 2-3 км) и высота расположения площадки предприятия над уровнем источника невелика (15-20 км).

2. Оборотная система водоснабжения – вода, нагретая в производстве, охлаждается на охладительных сооружениях и вновь используется для тех же целей. Если вода загрязняется в процессе производства, то ее очищают. При очистке и охлаждении воды некоторое количество ее теряется. Потери в оборотной системе составляют обычно 3-5 % от общего количества используемой воды. Это потери восполняются из источника водоснабжения.

Благодаря устройству оборотных систем водоснабжения можно значительно уменьшить сброс в водоем загрязненных промышленных сточных вод и тем самым уменьшить загрязнение водоемов.

3 Системы повторного (последовательного) использования воды, когда вода, использованная в одном производстве, используется повторно в других производствах.

При этой системе водоснабжения уменьшается количество воды, подаваемой из источника по сравнению с прямоточным водоснабжением.

Рисунок 18 - Схема оборотного водоснабжения

На рисунке 18 представлена схема оборотного водоснабжения для двух групп цехов при различных качествах сбросной воды. В этих условиях устраивают изолированные отсеки охлаждающих устройств А и Б, отдельные группы насосов и отдельные подающие водоводы.

Рисунок 19 - Схема оборотного водоснабжения

На рисунке 19 представлена схема оборотного водоснабжения, при которой цехи одной группы сбрасывают воду, требующие дополнительного осветления в отстойниках. После охлаждения вода подается в цеха единой системой водоводов.

На рисунке 20 представлена система последовательного использования воды, когда ее качество допускает использование в других цехах. Ряд передовых предприятий, применяя комбинированные схемы (прямоточно-последовательные, оборотные и оборотно-последовательные), совершенно прекратили спуск в водоем загрязненных сточных вод.

Рисунок 20 – Схема последовательного использования воды

На рисунке 21 представлена одна из таких комбинированных схем. Вода из оборотного цикла А после охлаждения частично используется для группы других потребителей Б, т. е. имеет место комбинация оборотного водоснабжения и последовательного использования воды.Иногда система производственного водоснабжения значительно усложняется тем, что отдельные потребители предъявляют различные требования к качеству воды, для отдельных цехов требуются разные давления в сетях. Тогда на территории предприятия устраивают несколько систем водоснабжения с водой разного качества и разных напоров.

Рисунок 21 – Комбинированная схема

Основная цель разобранных схем производств водоснабжения - значительное сокращение потребления (расхода) воды источника и снижения затрат на водоснабжение.

Режимы работы систем водоснабжения

Связь между отдельными элементами водопровода

После того, как принят режим водопотребления, должен быть установлен и режим работы отдельных сооружений водопровода. Все эти сооружения должны быть рассчитаны на работу в сутки максимального водопотребления.

Проследим связь между режимом отдельных элементов водопровода на примере схемы городского водопровода, приведенной на рисунке 22. Пусть режим расходования воды городом в течение суток задан графиком водопотребления согласно ниже приведенному рисунку.

В этом случае водопроводная сеть подает воду непосредственно к водоразборным устройствам. Следовательно, режим работы сети в целом определяется режимом водоразбора и может характеризоваться тем же графиком водопотребления.

В рассматриваемой системе вода подается в сеть насосной станцией II-го подъема. График работы этой станции назначается в зависимости от принятого графика водопотребления и, по возможности, к нему приближается.

На насосной станции II-го подъема установлены два насосных агрегата. Первый работает с 0 до 4 час., подавая за час 2,5 % суточного расхода. Второй насосный агрегат вступает в работу в 4 часа и работает вместе с первым до 24 часа и оба насоса за час 4,5 % суточного расхода. За сутки насосы подают необходимые городу количество воды, т. к. %. При подаче воды насосами количество поданной воды не будет совпадать с количеством израсходованной (см. график).

Рисунок 22 –График суточного водопотребления для среднего города

При рассмотрении совмещенных графиков подачи и потребления воды легко уяснить роль водонапорной башни. В часы, когда подача воды насосами превышает потребление ее городом, избыток воды подается в башню. В часы, когда потребление превышает подачу, недостающее количество воды наполняется из башни.

Следовательно, водонапорная башня компенсирует несовпадение режимов подачи и потребления воды в отдельные часы суток, накапливая избыток подаваемой воды в одни часы и пополняя недостаток в другие. Для уменьшения требующей регулирующей емкости бака стремятся приблизить кривую подачи воды к кривой потребления. Достичь этого можно увеличением ступеней графика подачи, однако это вызывает увеличение числа агрегатов насосной станции, т. е. удорожание и усложнение эксплуатации. В современных водопроводах, имеющих водонапорные башни, число ступеней графика работы насосных станций II-го подъема колеблется от одной (для малых водопроводов) до трех (для средних). Для крупных водопроводов количество ступеней значительно увеличивается и поэтому в настоящее время в крупных водопроводах от строительства башен отказываются.

Большинство производственных водопроводов имеют равномерные водопотребление в течение суток, поэтому устройство водонапорной башни не требуется (как регулирующей емкости).

После того как принят график водопотребления и в соответствии и с ним намечен график работы станции II-го подъема, определяют режим работы всех элементов водопровода, связанных непосредственно с наносной станцией.

Расчетные напоры в водопроводной сети

Насосные станции II-го подъема должны подавать воду потребителям не только в требуемом количестве, но и под определенным напором. Разбор воды большинством потребителей происходит на некоторой высоте над поверхностью земли, поэтому в водопроводной сети должно быть обеспечено давление, необходимое для подъема воды на эту высоту. Так, для подачи воды в верхние этажи здания в водопроводной сети необходимо иметь внутреннее давление, достаточное для подъема и соответствующего излива воды в наивысшей водоразборной точке, т. е. пьезометрическая высота в точке ответвления от городской сети должна равняться сумме геометрической высоты подъема и суммарной потери напора на пути движения воды. Пьезометрическая высота, требуемая для нормальной хозяйственной деятельности водопровода, обычно называется свободным хозяйственным напором в кН/м², который равен

; , (63)

где - геометрическая высота расположения над поверхностью земли наивысшей водоразборной точки, м;

- свободный напор излива, который необходимо обеспечить у водоразборных приборов, м;

- потери напора в трубах, фасонных частях, арматуре, на участке от точки присоединения к линии городской сети до водоразборной точки, м;

- внутреннее давление в трубе, кгс/м²;

- удельный вес воды, кгс/м³.

При расчете водопровода величину принимают различной для отдельных районов в зависимости от расчетной этажности их застройки. Так СНиП рекомендует следующие величиныв сети водопровода населенных мест:

при одноэтажной застройке м (0,098 МН/м²);

при двухэтажной застройке м (0,118 МН/м²);

при большей этажности необходимо прибавлять по 0,039 МН/м² (4 м) на каждый следующий этаж.

Изобразим вертикальный продольный разрез системы водоснабжения и покажем положения пьезометрических линий для момента минимального водоразбора для населенного пункта.

Рисунок 23 – Вертикальный продольный разрез системы водоснабжения

Из рисунка наглядно видно, что наиболее неблагоприятно расположенными в отношении напора оказываются точки, дальше всего отстоящие от напорной башни. В этих точках самые низкие пьезометрические отметки вследствие падения давления напора на пути от насосной станции II-го подъема до этих конечных точек. Вместе с тем, чем меньше геодезическая отметка точки, тем больше величина располагаемого свободного напора.

Для определения величины расчетного напора, который необходимо создать в начале сети, наиболее неблагоприятную как в отношении ее геодезической отметки, так и в отношении ее удаленности от источника питания. На рисунке такой критической точкой будет точка а, наиболее высшая из конечных точек сети. Пьезометрическая линия, характеризующая падение напора в сети в часы максимального водоразбора, показана схематически в виде сплошной линии.

Связь между напорами в отдельных характерных точках системы:

, (64)

где - соответственно геодезическая отметка и расчетная высота башни;

- геодезическая отметка критической точки;

- потери напора на участке от башни до критической точки.

Отсюда

. (65)

Водонапорную башню следует стремиться располагать на высоких отметках. Если в результате расчета получится, что высота башни равна нулю, то вместо башни устраивают резервуар, расположенный на поверхности земли.

На вышеприведенном рисунке показано расчетное положение пьезометрической линии, определяющей величину напора насосов.

Конечная точка пьезометрической линии располагается на высоте максимального уровня воды в баке башни. При этом величина потери напора в водоводе должна соответствовать максимальному количеству воды, подаваемой насосами по графику работы насосной станции.

Напор, создаваемый насосами (без учета высоты всасывания и потерь на всасывание):

, (66)

где - отметка оси насоса, м;

- расчетная высота бака башни, м;

- потери напора в водоводе, м.

Аналогичным образом устанавливают зависимость между напором, создаваемым насосами I-го подъема, и свободным напором, который необходимо создать у очистных сооружений.

Особенности режимов работы системы водоснабжения при тушении

пожара

В целях повышения надежности при проектировании водопроводов их рассчитывают в предположении, что пожар происходит в часы максимального водоразбора (водопотребления), в наиболее высоких и в наиболее удаленных от источников питания точках территории.

По способу тушения пожара водопроводы разделяют на высокого и низкого давления. Первая система (обычно применяется на промышленных объектах) предусматривает подачу воды к месту тушения пожара пожарного расхода воды (установленного нормами) и повышение давления в водопроводной сети до величины, достаточной для создания пожарных струй непосредственно от гидрантов. В водопроводах низкого давления повышение напора производится лишь на время тушения пожара и предусматривается лишь подача увеличенного в связи с пожаром расхода воды.

Напор для получения пожарных струй создается передвижными пожарными насосами, забирающими воду через пожарные гидранты. Согласно СНиП напор в любой точке сети при этом должен быть не менее 0,098 МН/м² (10 м) и в особенно неблагоприятных точках не менее 6,9 МН/м² (7 м). Это делается для предотвращения возможности образования в сети при отсосе воды пожарными насосами вакуума, т. к. это может вызвать проникновение в водовод через неплотности почвенной воды, и с целью преодоления весьма значительных сопротивлений во всасывающих линиях насосов.

При системе пожаротушения напор воды в линиях высокого давления в 2-2,5 раза превышает свободный хозяйственный напор. Потери напора в сети вследствие увеличения расхода воды при пожаре возрастают, и ординаты пьезометрической линии теоретически будут выше. При этом требуемый напор будет больше высоты башни. Это приводит к тому, что для создания требуемых в сети напоров башню при пожаре необходимо отключить. Напор при этом определяется

, (67)

где - свободный напор в точке пожара, м;

- потери напора в сети между башней и точкой пожара;

- потери напора в водопроводе при пожаре.

Т. е. из формулы видно, для того, чтобы насосной станции II-го подъема увеличить не только количество подаваемой воды, но и напор, необходимо включить в работу специально установленные пожарные насосы взамен обычно работающих насосов (или в дополнение к ним).

При расчете систем водоснабжения низкого давления питания от башни также учитывать не следует. При этом напор, который должны развивать насосы при пожаре, может быть меньше или больше напора насосов при работе в обычное время.

При объединенной системе хозяйственно-противопожарного водопровода необходимый запас воды обычно храниться в резервуаре чистой воды, который все время восполняется по мере израсходования во время пожара (срок его восполнения по СНиП – 24 часа для водопроводов населенных мест и 36 час – для промышленных предприятий).

Водопроводная сеть и водоводы

Назначение и основные требования, предъявляемые к водопроводным сетям. Разветвленные и кольцевые водопроводные сети

Водопроводная сеть представляет собой совокупность трубопроводов, по которым вода транспортируется потребителям.

Она состоит из водоводов, магистральной сети и распределительных трубопроводов. Для транспортирования воды от водоприемника к очистным сооружениям и магистральной сети прокладывают водоводы. Их проектируют не менее чем в 2 линии. Количество линий водоводов надлежит выбирать на основании технико-экономических расчетов с учетом стоимости мероприятий по обеспечению бесперебойности водоснабжения потребителей. При этом необходимо учитывать, что при отключении одного водовода в систему водоснабжения должно быть подано не меньше 50 % расчетного расхода водопотребления населения и обеспечения работы промышленных предприятий по аварийному графику.

Трассу водовода выбирают из условия подачи воды потребителю по кратчайшему направлению, по возможности она должна иметь минимальное количество искусственных сооружений и быть доступной дл обслуживания. рекомендуется прокладывать их вблизи от автодорог. При прокладке нескольких линий водоводов расстояние между ними должно быть не менее 5 м при диаметре труб до 30 мм и 10 м – при диаметре труб больше 300 мм.

На территории города водоводы прокладывают по разным улицам по одной из ее сторон и присоединяют к магистральным сетям в двух различных точках. Точки присоединения соединяют между собой трубопроводы диаметром, равным диаметру водовода.

Основные требования, предъявляемые к водопроводным сетям:

1 обеспечивать подачу заданных количеств воды к местам ее потребления и под требуемым напором;

2 обладать достаточной степенью надежности и бесперебойности снабжения водой потребителей.

По начертанию в плане различают 2 основных вида сетей – тупиковые (разветвленные) (рисунок 24, А) и кольцевые (рисунок 24, Б).

А - тупиковые; Б - кольцевые

Рисунок 24 – Виды сетей

Тупиковые или разветвленные сети в оптимальном варианте обеспечивают подачу воды к потребителям по кратчайшему пути, но не полностью удовлетворяют требование бесперебойности водоснабжения. Поэтому, как правило, в городах и на промышленных предприятиях проектируют кольцевые водопроводные сети.

Кольцевые сети имеют несколько большую протяженность, но обеспечивают более высокую степень надежности и бесперебойности подачи воды к потребителю, чем тупиковые.

Тупиковые водопроводные сети разрешается принимать для снабжения водой объектов, допускающих перерыв в водоснабжении на время ликвидации аварии и в населенных пунктах с населением до 500 чел.

Линии водопроводной сети в зависимости от их назначения можно разделять на магистральные и распределительные.

Магистральными называются линии, которые предназначаются для транспортирования воды по территории населенного пункта.

Распределительными называются линии, которые получают воду из магистральных линий и подают ее к потребителям через центральные пункты или домовые вводы. Минимальный диаметр распределительных линий городского хозяйственно-противопожарного водопровода принимается не менее 100 мм и диктуется в основном расходом воды на пожаротушение.

При проектировании магистральной сети руководствуются следующими соображениями:

1 Кольца, образуемые транзитными магистралями и перемычками должны иметь вытянутую форму в направлении основного движения воды.

2 По основному направлению движения воды должны быть проложено несколько параллельных магистральных линий (не менее двух). С точки зрения экономики число параллельно работающих транзитных магистралей должно быть по возможности наименьшим.

Опыт проектирования показывает, что оптимальное расстояние между магистральными линиями составляет 300-600 м. Соответствующее расстояние между перемычками принимается равным 400-800 м. Диметры трубопроводов перемычек должны назначаться с учетом работы их при аварии на магистральной линии, т. к. при нормальной работе они несут малую нагрузку.

3 Магистральные линии рекомендуется трассировать по наиболее возвышенным отметкам территории для создания достаточных напоров в распределительные сети.

4 При трассировке магистральных линий необходимо учитывать строительно-эксплуатационные условия и увязывать трассы магистральной сети с размещением других сетей городского хозяйства.

Выбирая трассу, необходимо соблюдать минимальное расстояние от трубопровода до различных коммуникаций в соответствии с требованиями СНиП. Глубину заложения водоводов и водопроводных сетей следует принимать с учетом возможности замерзания воды в зимний период и недопустимости нагрева в летний период. Минимальную глубину заложения трубопроводов, считая от низа трубы, принимают на 0,3-0,5 м больше расчетной глубины промерзания грунта.

Гидравлический расчет водоводов и сети

Гидравлический расчет сети заключается в определении по установленным расчетным расходам наиболее выгодных диаметров труб и соответствующих потерь напоров для каждого участка сети. Экономический расчет магистральной сети имеет важное значение, т. к. водопроводная сеть является самым дорогим элементом системы водоснабжения. Для расчета сети требуется, прежде всего, установить расчетные расходы воды по участкам сети.

В большинстве случаев отбор воды из сети производится во многих точках, и получается большое количество расчетных участков, а расчет весьма трудоемким. Поэтому принимают схему равномерно распределенного отбора воды на хозяйственно-питьевые нужды населения.

Расход воды крупных потребителей (промышленных предприятия, железнодорожные вокзалы, банно-прачечным кабинам и т. д.) выделяются в сосредоточенные расходы в определенных узловых точках их расположения.

Расход, приходящийся на 1 м длины сети в л/с, называется удельным

, (68)

где - максимальный расчетный секундный расход, л/с;

- сосредоточенный расход крупных потребителей, л/с;

- общая длина сети, м.

По принятой методике расчета считают, что расход воды на каждом участке пропорционален его длине (). Расход воды на каждом участке называетсяпутевым расходом и определяется по формуле

, л/с. (69)

Каждый промежуточный участок сети, кроме путевого расхода несет транзитный расход, идущий на питание последующих участков, т. е. расход на участке равен

. (70)

По принятой методике расчета путевые расходы воды переводятся на расходы сосредоточенные в узловых точках сети. Узловой расход каждого узла сети равен полусумме путевых расходов участков, примыкающих к данному узлу

. (71)

Для определения диаметра труб участков сети применяют известную формулу гидравлики трубопроводов, связывающую плотность живого сечения трубы в м² с расходом в м³/с и со скоростью движения воды в м/с

. (72)

Отсюда

. (73)

Из формулы видно, что диаметр определяется не только расходом, но и скоростью движения воды. Если принять малую величину расчетной скорости, то трубопровод получится относительно большого диаметра, а, следовательно, будет иметь большую стоимость. И наоборот, если скорость движения воды принять большей. Однако увеличение скорости движения воды вызывает резкое увеличение потерь напора в трубах и, следовательно, увеличиваются затраты электроэнергии на подачу воды к потребителям, т. е. увеличиваются эксплуатационные затраты. Кроме того, скорость движения воды по водопроводным трубам имеет технические пределы. При скорости 2 м/сек и больше в трубопроводах могут возникнуть гидравлические удары, опасные для прочности труб и стыковых соединений.

При выборе диаметров труб руководствуются так называемой экономической скоростью движения воды. Величина этой скорости зависит от целого ряда условий: стоимости энергии, стоимости труб и их монтажа, расчетного срока службы и материала труб.

Н. Н. Абрамовым (Абрамов Н. Н., Поспелов М. М. Расчет водопроводных сетей. Госстройиздат, 1962) предложен график для определения экономического фактора Э, для различных значений стоимости электроэнергии () в зависимости от коэффициента стоимости труб (b).

Для удобства подбора диаметра труб составлена таблица (таблица ) предельных экономических расходов для каждого стандартного диаметра металлических труб.

Потери напора на трение в трубах можно определить по формуле

, (74)

где - расход;

- длина трубопровода;

- диаметр труб;

и - коэффициенты потери напора,.

В практике расчета сети для определения потерь в трубопроводах в большинстве случаев пользуются формулой

, (75)

где - длина трубопровода, км;

- потери напора на 1000 м принимают по таблицам Ф. А. Шевелева (Шевелев Ф. А. «Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбоцементных и пластмассовых водопроводных труб». Госстройиздат, 1970).

В таблицах выделена область экономически выгодных диаметров.

Гидравлический расчет разветвленной сети производят в следующей последовательности:

1 рассчитывают главную магистраль 1-2-3-4 (см. рисунок 24, А), соединяющую начальную точку сети с наиболее удаленной и возвышенной из конечных ее точек;

2 рассчитывают ответвления сети (1-8, 2-6, 2-7, 3-5).

Расчет сети может быть произведен, когда:

а) заданы требуемые напоры во всех узлах, необходимо определить требуемый напор в начальной точке;

б) заданы напоры в начальной и узловых точках, требуется определить диметры труб для пропуска расхода при располагаемом напоре.

При расчете кольцевой сети в общем случае неизвестными являются как диаметры участков, так и расходы на участках. Следовательно, каждый участок сети два неизвестных – диаметр и расход, а общее число неизвестных равно удвоенному числу участков. Для нахождения этих неизвестных необходимо составить надлежащее число уравнений. Рассмотрение законов движения жидкости по замкнутому контуру позволяет составить некоторое число уровней для их нахождения.

1 Сумма расходов, приходящих в узел, равно сумме расходов, уходящих из этого узла, плюс узловой расход.

Если обозначить расходы, приходящие в узел, знаком «плюс», а уходящие (включая узловой расход) – знаком «минус», то алгебраическая сумма расходов будет равна нулю ().

2 В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь напора на участках, где вода движется по часовой стрелке (обозначим условно положительными), равна сумме потерь напора на участках, на которых вода движется против часовой стрелки (обозначим – отрицательными), т. е. алгебраическая сумма потерь в кольце равна нулю () или, где– сопротивление участка (- удельное сопротивление трубы, принимается по таблице Ф. А. Шевелева).

Однако решение системы квадратных уравнений для сети с большим количеством колец представляется сложной задачей. Поэтому гидравлический расчет производят различными приближенными способами, причем все они сводятся к методу последовательного приближения.