Канализационные насосные станции
Опубликовано: 25 мая 2016 г.
745
Канализационные насосные станции (КНС) применяются для транспортировки сточных вод, когда перемещение их самотеком невозможно. Используются КНС как на бытовых, так и на промышленных объектах.
Большинство современных КНС имеют герметичный корпус из пластика, исключающий попадание сточных вод в грунт. В этом корпусе предусмотрены входы для подводящего и отводящего трубопроводов и устанавливается насосное оборудование.
При любой конструкции КНС принцип их работы одинаков. Стоки попадают в приемную камеру, перекачиваются насосами в напорный трубопровод и через распределительную камеру подаются на очистные сооружения. Для предупреждения обратного затекания стоков в трубопровод насоса предусматривается обратный клапан.
Работа КНС регулируется автоматически. Если рабочий насос не справляется с объемом, включается дополнительный насос. Если насосы и в этом случае справляются с объемами сточных вод, включается сигнализация.
Поступление стоков в КНС обычно происходит неравномерно, поэтому технически оправдана их перекачка только после накапливания в емкости до определенного уровня. Во многих КНС роль накопительного резервуара исполняет нижняя часть корпуса станции (рис. 1), однако в некоторых конструкциях для этого предусмотрена изолированная емкость (рис. 2).
Рис. 1. Канализационная станция с погружными насосами: 1 – вентиляция; 2 –поручень; 3 – люк обслуживания; 4 – раквина + водопровод; 5 – щит управления (ИП 44); 6 – подводящий коллектор; 7 – приемная камера; 8 – напорная арматура; 9 – погружной насос; 10 – анкерные болты; 11 – фундаментная плита
Рис. 2. Канализационная станция с поверхностными самовсасывающими насосами, установленными в «сухой камере»: 1 – приемный резервуар; 2 – отделение обслуживания; 3 – насосное отделение
Автоматика и защита
Работу насосного агрегата регулируют датчики уровня стоков в накопительном резервуаре (рис. 3). Предусматривается четыре уровня датчиков, как правило поплавкового типа, которые располагаются на разной высоте в резервуаре.
Рис. 3. Внутренность емкости насосной станции с насосными агрегатами и поплавковыми датчиками уровня перекачиваемой среды
Датчики первого уровня указывают на малый объем стоков, насосы не работают. Датчики второго уровня включают насос на перекачку скопившихся отходов. Объем стоков в пределах нормального. Датчики третьего уровня срабатывают при повышенном объеме вод и включают резервный насос для откачки избытка стоков. Понижение их уровня по мере откачки до положения датчика второго уровня приводит к отключению электропривода насоса. Датчики четвертого уровня включают аварийный сигнал, поскольку устройства для откачки сточных вод не справляются с их объемом.
По сути датчики первого и четвертого уровней используются в качестве предохранительных устройств. Датчик самого нижнего первого уровня предназначен для того, чтобы избежать «сухого хода» насоса, а датчик четвертого уровня является предохранительным в случае переполнения накопительной емкости.
Дополнительной защитой от перегрева служит наличие датчика или термореле, автоматически отключающих двигатель насоса. Термовыключатели устанавливаются в обмотке статора и представляют собой биметаллические микровыключатели, которые размыкаются при достижении определенной заранее температуры. На трехфазных двигателях устанавливается три микровыключателя, по одному на каждую фазу. Они последовательно подключаются к цепи управления, которая обесточивает двигатель в случае перегрева.
Поплавковые датчики уровня являются одними из самых доступных и вместе с тем самых надежных устройств для измерения уровня стоков. Их надежность обусловлена тем, что они устойчивы в своих показаниях к присутствию пены и наличию пузырей в жидкости, а также могут работать с вязкими средами и на их работу не влияют твердые включения.
Для передачи сигнала от поплавков, перемещающихся по штангам, в них могут быть вмонтированы магниты, которые с помощью герконовых контактов вызывают срабатывания электрического реле. В случае рычаговых датчиков изменение положение рычага может совмещаться с электрическим выключателем. Датчики уровней всех конструкций подключены к системе автоматического управления и аварийной блокировки КНС, которые размещаются в специальном шкафу, установленном на поверхности земли. Обычно система аварийного контроля насоса включает датчики протечки в статор и в клеммную коробку и датчики температуры обмотки статора и вибрации агрегата.
Пульт управления КНС, размещенный в специальном шкафу, выносится за пределы корпуса и размещается на поверхности земли.
Насосное оборудование
Основным элементом КНС служат насосные агрегаты – погружные (рис. 4) или самовсасывающие (рис. 5). Использование погружных насосов по ряду причин может рассматриваться как предпочтительное. Во-первых, использование погружного насоса не требует создания «сухой камеры», которая необходима для установки и эксплуатации самовсасывающего насоса. Во-вторых, при длительной работе насосного агрегата нет необходимости создавать систему охлаждения, поскольку отбор излишка тепла произойдет за счет контакта с перекачиваемой средой.
Рис. 4. Погружной канализационный насос
Рис. 5. Самовсасывающий канализационный насос
Однако при размещении самовсасывающих насосов в сухой изолированной камере удобнее осуществлять ремонт и техническое обслуживание. Поэтому для погружных насосов предусматривается специальное подвижное крепление, которое позволяет быстро и просто поднимать их и отключать от напорного трубопровода. Чаще всего в корпусе КНС параллельно размещают 2–3 канализационных насоса. В случае сильно загрязненных стоков на насосе устанавливается промывочный клапан, взмучивающий шлам перед откачкой.
Большинство насосов погружного типа могут быть также установлены «сухим» способом, подобно поверхностным насосам.
В зависимости от предназначения КНС и свойств перекачиваемый среды выбирается и тип насосного оборудования. Обычно там устанавливаются фекальные или дренажные насосные агрегаты.
Фекальные насосы рассчитаны на перекачку сточных вод, которые могут содержать твердые включения размером 5–100 мм (в зависимости от марки насоса), как правило, составляющих 1–10 % общего объема перекачиваемой среды. Для обычных дренажных насосов допустимо присутствие в рабочей среде твердых частиц меньшего размера – до 12 мм.
По техническим особенностям все фекальные насосы относятся к группе центробежных насосов. В их конструкцию входит встроенный герметизированный асинхронный электродвигатель и собственно центробежный насос.
В зависимости от предназначения выпускаются горизонтальные (рис. 6) (как правило, консольные) и вертикальные (моноблочные) фекальные (рис. 7) насосы. К последним относятся все импортируемые в Россию бытовые модели фекальных насосов и отечественные насосы типа ЦМК, ЭЦК, ЦМФ, МПК, «Иртыш», «Гном».
Рис. 6. Вертикальный моноблочный фекальный насос
Рис. 7. Горизонтальный фекальный насос
Разделяют также переносные и стационарные фекальные насосы. Стационарный – устанавливается на опоре, одновременно являющейся фундаментом насоса, переносные – просто опускаются на дно накопительной емкости.
Напорным трубопроводом погружных фекальных насосов может служить рукав, гибкий или стационарный трубопровод.
Специфика конструкции фекальных насосов, отличающая их от других аппаратов для перекачки загрязненных вод, связаны с особенностями перекачиваемой среды, которая может содержать твердые включения большего размера.
Фекальные насосы, как правило, оснащаются трехфазным двигателем (напряжение питания – 380 В) (рис. 8). Рабочий орган представляет собой колесо с одной (одноканальное, закрытого типа) или несколькими (многоканальное, открытое или полуоткрытое) изогнутыми лопатками (лопастями), которые захватывают жидкость и продвигают ее дальше в канал транспортировки. Используются также свободновихревые рабочие колеса.
Рис. 8. Устройство фекального моноблочного вертикального насоса
Эффективность работы насосов, оснащенных колесами открытого и полуоткрытого типов, зависит от наличия узкого (около 0,5 мм) зазора между корпусом насоса и рабочим колесом. При изнашивании колеса и увеличении зазора эффективность насоса снижается. Кроме того, грязь, накапливающаяся между всасывающим патрубком и колесом открытого или полуоткрытого типа, замедляет его работу и может привести к полной остановке насоса.
В связи с тем что фекальные насосы предназначены для работы в сильно загрязненной среде, способность пропускать через себя содержащиеся в перекачиваемой жидкости твердые частицы без потерь мощности является принципиальной. Эта способность характеризуется понятием «свободного прохода» насосов. Числовые значения свободных проходов, указываемые в технических характеристиках насосов, как правило, отражают размеры сферических частиц, которые насос способен пропустить в составе перекачиваемой жидкости. Если свободный проход характеризуется двухзначным числом, то он относится к наиболее крупному вытянутому объекту, который может по ломаной траектории пройти через насос. Свободный проход 80 мм считается достаточным для насосов малого и среднего размеров, перекачивающих необработанные сточные воды. В насосах с расходом более 100 л/с значение свободного прохода должно быть не менее 100 мм.
Даже большой свободный проход не дает полной гарантии от засорения насоса, многое также зависит от соответствия геометрии рабочего колеса и лопаток свойствам перекачиваемой среды. Причем, далеко не во всех случаях можно предсказать наиболее оптимальный выбор, поэтому на практике удачное решение может быть иногда найдено простой сменой типа насоса.
Одноканальное рабочее колесо, имеющее один проход для перекачиваемой жидкости, обладает хорошей способностью противостоять засорению и характеризуется КПД до 75 %. Ассиметричная форма однолопастного колеса требует балансировки.
Во избежание засорения проточные каналы фекальных насосов выполняются более широкими по сравнению с каналами насосов, предназначенных для перекачки чистых жидкостей. Обтекаемые поверхности рабочего колеса устанавливают заподлицо с поверхностью спирального канала.
Большим свободным проходом характеризуются свободновихревые колеса. Принцип их действия заключается в возбуждении cильного направленного вихревого потока в корпусе насоса, поток жидкости протекает вне рабочего колеса. Благодаря этому, насосы с вихревыми колесами мало подвержены засорению. Однако КПД их ниже, чем у лопастных колес. Наибольший КПД рабочих колес вихревого типа достигает 50 %. В то же время при использовании рабочих колес вихревого типа в потоках с расходом 3–15 л/с КПД их практически равен этому показателю для одноканальных рабочих колес.
Свойства перекачиваемой жидкости следует учитывать при выборе типа рабочего колеса и наличии режущего инструмента. При концентрации неабразивных включений до 8 % могут использоваться насосы с лопастными рабочими колесами, при большей концентрации таких включений рекомендуется применять модели, оснащенные свободно-вихревыми колесами. Также при выборе насоса нельзя забывать о температуре перекачиваемой жидкости и возможном присутствии в ней агрессивных добавок.
Инновационная технология Wilo-EMUport, применяющаяся на КНС компании Wilo (рис. 9), позволяет задерживать отбросы из сточной жидкости в отдельном резервуаре, находящемся на входе в насосную группу. Когда вода достигает определенного уровня, насос включается и откачивает воду из бака в напорный трубопровод через резервуар с отбросами, тем самым очищая его.
Рис. 9. Канализационная станция в модульном исполнении, оборудованная системой сепарации твердых частиц
Система сепарации твердых частиц Wilo-EMUport имеет ряд преимуществ. Во-первых, не требуется использовать насосы со свободным проходом более 80 мм, что обеспечивает более низкое потребление электроэнергии при более высоком КПД, а также снижение расходов на эксплуатацию. Во-вторых, такие насосы меньше подвержены механическому износу, так как не происходит перекачивания твердых частиц через гидравлическую часть. Кроме того, не требуется измельчать отбросы, находящиеся в перекачиваемой сточной жидкости, собирать и вывозить их от насосной станции, что позволяет экономить не только электроэнергию, но и ресурсы эксплуатирующей организации.
Для герметизации электрического двигателя насоса в большинстве погружных насосов, в том числе и фекальных, используется двойное торцевое уплотнение вала, где первичные и вторичные уплотнения разделены масляной камерой, препятствующей проникновению капель воды из перекачиваемой жидкости. Уплотнения содержат по два контактных колеса: одно – стационарное, второе – вращающееся вместе с валом. Кольца прижимаются друг к другу усилием пружины, а на первичном уплотнении – еще и давлением насоса. Герметичность уплотнения достигается за счет исключительной гладкости контактных колес, а надежность функционирования – за счет свойств используемых материалов.
Особое значение имеет материал колес первичного уплотнения, которое должно обладать высокими прочностными характеристиками, чтобы противостоять абразивному воздействию твердых включений в перекачиваемой жидкости и высокими антикоррозийными свойствами. Сегодня в первичном уплотнении применяются кольца, изготовленные из карбида кремния, предел плотности которых определяется по шкале Викерса следующим после алмаза.
Кроме того, важной особенностью многих фекальных насосов, от которой зависят их характеристики при работе в загрязненных стоках, является наличие или отсутствие режущего механизма. В частности, это влияет на минимально допустимый диаметр напорного трубопровода. В соответствии с европейскими нормами при отсутствии режущего механизма номинальный внутренний диаметр не может быть меньше DN 80.
Все вышеизложенное следует учитывать при выборе насоса из многообразия агрегатов, присутствующих на рынке, а также еще целый ряд характеристик оборудования в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации.
Основной характеристикой насосных станций является их производительность, величина создаваемого напора и глубина засасывания. Производительность насосных агрегатов, представленных на рынке КНС, преимущественно варьируется в интервале 1 – 20 000 м3/ч. При создании сети канализационного коллектора предпочтительней считается использование нескольких КНС меньшей производительности, чем одной стации. Вызвано это в первую очередь соображениями безопасности, чтобы избежать серьезных последствий после аварий. Наибольшее распространение получили насосные агрегаты производительностью от 2 до 10 м3/ч, которые создают напор в интервале от 5 до 9 м.
Правильный подбор насоса для КНС является залогом длительной работы станции. Эксплуатация насоса с завышенными или заниженными параметрами приводит к возникновению кавитации в перемещаемой среде, а в насосной станции – повышенной вибрации.
Выбор агрегата по мощности производится с учетом необходимого напора и расхода по рабочей характеристике насоса с определением его рабочей точки. Расчет напорных и мощностных характеристик насоса необходимо производить с учетом вязкости и плотности перекачиваемой жидкости, повышение этих свойств рабочей среды требует соответствующего повышения мощности агрегата.
Важнейшими факторами для определения мощностных характеристик фекального насоса, которые необходимо учесть при его выборе, являются: интенсивность поступления сточных вод, схема и длина трубопровода, общий напор, характер сточных вод.
Дополнительное оборудование, которым может быть укомплектована канализационная насосная станция: источник резервного электропитания, датчики давления, манометры, запорная арматура, оборудование для очистки насосов, соединительных труб.
Статья из журнала "Аква-Терм", № 2 /2016, рубрика "Водоснабжение".
