Автоматическое управление насосом водонапорной башни

Наряду с производством металлоизделий на заказ, и услуг металлообработки, компания "Схид-будконструкция" изготавливает водонапорные башни для водоснабжения села. Практически все системы сельского водоснабжения можно разделить на три группы. Наиболее широко применяемая — башенная система водоснабжения на основе изготовления и установки металлоизделий башни Рожновского для подъема столба воды. Две другие системы, которые применяются реже — это безбашенные с гидропневмобаком и с двумя ступенями подъема.
Рассмотрим башенную систему Рожновского. Надежная работа системы в автоматическом режиме прежде всего зависит от того, в какой степени учтены особенности, условия и режимы взаимного функционирования всех элементов системы.

Режим водопотребления на селе характеризуется большой неравномерностью расходов, с коэффициентом часовой неравномерности, достигающим 2,5. Это значит, что днем в период максимального разбора воды ее часовой расход может в 2,5 раза превышать среднее значение (4 часть) суточного расхода.

Ночью, наоборот, расход воды резко сокращает-ся. Непосредственное включение насоса в сеть без водонапорной башни в условиях сильной неравномерности расхода воды привело бы к ненормальному режиму работы насоса с недостаточным напором или, наоборот, с малой подачей и чрезмерным давлением. На такой режим работы сеть водоснабжения не рассчитана, при этом в сети происходили бы глубокие перепады давления, перебои в подаче воды, резко возросло бы потребление электроэнергии.

Водонапорная башня позволяет насосу и потребителям воды действовать по своим графикам, причем насос всегда работает в расчетном, наиболее выгодном и правильном режиме. В такой системе башня Рожновского выполняет несколько функций:
1. За счет столба воды в колонне она поддерживает требуемое практически постоянное статическое давление воды в системе. В результате потребитель получает воду бесперебойно и с постоянным расчетным напором.
2. Создавая постоянное давление в сети, башня обеспечивает работу насоса в постоянном режиме, с расчетной подачей и давлением при резко неравномерном расходе воды потребителями. При малом потреблении насос работает на водонакопитель, при большом — к подаче в ситему добавляется поток воды, идущий из водонакопителя.
3. В стволе сохраняется не расходуемый запас воды на случай пожара или аварии в системе водоснабжения.
4. Башня Рожновского сохраняет технологический (хозяйственный) запас воды на случай планового или аварийного отключения напряжения сети, перерыва в работе насоса в связи с техническим обслуживанием и т. п.
5. Внутри размещается регулирующий объем воды, который определяет периодичность включения насоса.
6. Наконец, водонапорная башня имеет запас воды, который необходим в случае, когда производительность насоса меньше, чем максимальный часовой расход водопотребления.

 Основными показателями водонапорной башни, вытекающие из функционального назначения, являются ее высота и емкость бака. Например, высота башни Рожновского 50 м3 составляет 26 метров и определяется необходимым напором, а емкость бака 50 м3 — величиной запаса воды, рабочего и полного объемов. Для определения этих показателей надо знать характер потребления воды на ферме и график работы насосной станции.

Расходование воды из бака и его пополнение имеет периодический характер, определяемый с одной стороны графиком потребления воды qп, а с другой — подачей насоса qн. Рассмотрим пример рис. 1, где показана схема водоснабжения (а), графики подачи, расхода воды и наполнения бака (б) и (в). Пусть в исходном положении бак залит полностью, а насос отключен, следовательно питание потребителей водой происходит за счет содержимого бака, рис. 1 (б). С течением времени уровень воды в опустится до отметки нижнего уровня (НУ). В этот момент насос будет включен. Дальнейший режим зависит от соотношения между подачей насоса и текущим расходом воды. Пусть расход превышает подачу (рис. 1 (в) зона S). Тогда уровень воды будет продолжать снижаться до тех пор, пока расход не уменьшится и не станет меньше подачи насоса (точка 2). Лишь после этого уровень начнет повышаться вновь. Когда водонапорная башня заполнится и вода достигнет верхнего уровня (ВУ), насос будет отключен, после чего процесс повторится вновь.

Если подача насоса всегда выше текущего расхода, как показано на рис. 1 (б), то в момент включения уровень воды в водонапорной башне сразу начнет повышаться (точка 1). Таким образом, для управления насосом надо правильно представлять себе текущий уровень воды в баке — во избежание переполнения бака, «перелива», или наоборот, опорожнения башни. С этой целью при ручном управлении насосом применяют разного рода датчики, указывающие количество воды в баке. При их отсутствии опытный персонал вырабатывает такие практические навыки, которые помогают ему более или менее удовлетворительно следить за режимом работы водонапорной башни, хотя при такой работе «вслепую» случаи перелива или, наоборот, нехватки воды весьма нередки.
Очевидно, что при такой схеме работы водонапорной башни перепад между отметками уровня воды получается достаточно большим. Эта величина и определяет рабочий объем бака, равный площади окружности, умноженный на величину перепада отметок наполнения воды. Оставшаяся часть образует нерасходуемый хозяйственный и противопожарный запас.
Заметим, что чем меньше регулирующий объем, тем больше запас воды в водонапорном резервуаре и наоборот. Это следует из очевидного равенства:

Wб = WЗ + W рег.,

где, Wб — полный объем бака;
Wз — нерасходуемый запас воды;
Wрег. — регулирующий объем.

Если между предельными уровнями расположен весь объем водонапоной башни, это значит, что запаса воды в ней практически нет, т. к. вся емкость используется как регулирующий объем. Если, напротив, регулирующая емкость выбрана малой, это значит, что большая часть объема бака используется для хранения нерасходуемого запаса воды.

Чрезмерное снижение уровня воды приводит не только к снижению напора и нарушению водоснабжения, но и грозит замерзанием башни Рожновского. Переливы воды, особенно в зимнее время, также серьезно нарушают нормальную работу. Нередко зимой можно видеть башню Рожновского, напоминающую ледяной столб. В условиях суровой зимы редкое и нерегулярное наполнение водонапорной башни, её повторяющееся полное опорожнение особенно нежелательны.

Автоматика водонапорной башни позволяет избежать всех недостатков ручного управления. В этом случае в баке фиксируются два уровня воды — верхний, при достижении которого насос должен быть отключен, и нижний — при достижении которого он вновь автоматически включается. Выбирая расстояние между верхней и нижней отметкой, мы четко определяем рабочий объем и величину нерасходуемого запаса воды.

Чем же надо руководствоваться при выборе этих значений? Сокращая рабочий объем, мы увеличиваем запас воды, однако при этом возрастает число включения насоса водонапорной башни. Замеры показали, что увеличение частоты включений в сутки с 2 до 7 раз позволяет уменьшить регулирующий объем почти в 3 раза и существенно увеличить запас воды. При ручном управлении это потребовало бы непрерывного дежурства человека, управляющего насосом. Благодаря автоматизации такой режим не только не требует дополнительных затрат труда, но и вообще выполняется без участия человека. 

Для работы водонапорных установок в автоматическом режиме, а также для автоматизации работы водоочистных систем существуют ряд устройств, реагирующих на изменение давления, уровня или скорости течения воды.

Автоматическое включение или выключение электродвигателей насосов в системах водоснабжения зданий возможно при изменении уровня воды в водонапорном баке, либо давления в трубопроводах сети или скорости движения воды в трубопроводе. При изменении указанных параметров приводятся в действие датчики, связанные с исполнительными механизмами включения или выключения магнитного пускателя, соединяющего или размыкающего линию электропитания двигателя насоса.

Для контроля применяют различные реле уровня воды: механические, электронные, датчики давления и ультразвуковые датчики. В механических (поплавковых) реле уровня {рис. 1) чувствительным элементом является поплавок, поступательное движение которого различными способами передается на контакты реле. В зависимости от верхнего или нижнего положения уровня воды в баке, реле уровня включает или выключает контакты электроцепи двигателя.

После всего сказанного ясны преимущества автоматизации насоса башни Рожновского перед управлением вручную. При этом, прежде всего, персонал освобождается от управления насосом, наблюдением за наличием воды и связанных с этим забот и затрат труда. Четкая фиксация верхнего и нижнего наполнения предупреждает случаи переливов воды и опорожнения башни. Сокращение рабочего объема увеличивает нерасходуемый запас воды в баке, что повышает надежность водоснабжения при перебоях в электроснабжении, плановом обслуживании насосного оборудования и т. д. Регулярная подкачка в водонапорную башню теплой воды из скважины резко сокращает льдообразование в башне, что повышает ее устойчивость к морозам.

Максимально допустимая частота включений насоса ограничена предельной величиной, равной трем включениям в час. Это связано с большими токовыми перегрузками при пуске, с возможностью повреждения шпоночного соединения вала электродвигателя с насосом, болтовых креплений электродвигателя к насосу, срезания вала насоса, разрушения резьбового соединения нагнетательного трубопровода вблизи насоса из-за механических перегрузок, возникающих при включении электронасоса. Итак, требования к частоте включения электронасоса противоречат условию уменьшения рабочего объема.

Определим зависимость между этими величинами. Пусть подача насоса всегда больше часового расхода воды. Число включений насоса в час, т. е. частота включений равна величине, обратной длительности цикла tц, состоящей из времени работы насоса tр и времени паузы tп.

 
Z = 1/tц = 1 / (tp+tп) (1)
Если qн — часовая производительность насоса, м3/ч, а
qп — часовой расход воды, м3/ч потребителями, то:
tp = Wрег / (qн-qп), час (2)
tп = Wрег / qп, час (3)
С учетом (2) и (3) частота включений равна:
Z = (qн — qп) qп /Wрегqп, вкл/ч (4)
Математическая зависимость частоты включений от расхода водопотребления (4) имеет максимум при qп = 0,5qн. Тогда
Zmax = 0,25qн/Wрег, вкл/ч (5)

 
Зная предельную величину Zмах и производительность насоса можно определить минимальный регулирующий объем и по нему минимальную величину перепада между нижним и верхним уровнями, при котором запас воды в баке башни будет максимально возможным.
По формуле (5) для предельной величины Zмах = 3 и площади бака S = 7,065 м2 можно рассчитать для ряда производительностей применяемых насосов минимальную величину перепада между отметками.
Из расчета видно, что приемлемым для всех рассчитанных вариантов будет регулирующий объем Wpег = 5,25 м3, который обеспечивается датчиком с межконтактным расстоянием 0,75 м. Однако принимать предельную величину за исходную при выборе длины датчика было бы неосмотрительным.
Это объясняется тем, что существует ряд причин, требующих иметь некоторый запас по регулирующему объему, а равнозначно и по частоте включений электронасоса. К ним относятся следующие:

• при расчете приняты номинальные значения подач электронасосов; на практике зачастую применяются насосы с запасом по высоте подъема, что приводит к подачам, превышающем номинальное;
• на подачу электронасоса оказывают влияние штатные изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, а также изменение динамического уровня воды в скважине и других ее гидрогеологических характеристик;
• для повышения надежности снабжения водой на случай кратковременных остановок насоса или задержек в срабатывании автоматики регулирующий объем емкости в баке принимают на 30% больше расчетного Wрег.

Учитывая сказанное, запишем:
W'рег = Wрег · 1,3 = 6,8 м3,
отсюда минимальная величина перепада равна 0,98 м.

Приведенные выше данные справедливы для случая, когда максимальный часовой расход воды потребителем не превышает подачу электронасоса. Только в этом случае регулирующий объем резервуара определяется однозначно. Иное положение возникает при расходе, превышающем подачу насоса. Автоматика, реагирующая только на уровень воды в резервуаре водонапорной башни, к такому ориентированному действию неспособна, она «глупа». Поэтому период максимального расхода воды может наступить не при заполненном резервуаре, а наоборот, когда вода достигает в нем нижнего уровня. Насос включится, но уровень будет снижаться ниже нижнего уровня до тех пор, пока подача насоса не станет выше текущего расхода.

Сказанное поясняет рис. 1, где для ясности момент t1 достижения водой нижнего положения совмещен с началом превышения расхода над подачей. Следовательно, к регулирующему объему Wрег1, ограниченному верхним и нижним положением, надо добавить еще Wрег2, который «вырабатывается» в период времени t1 — t2, указанного превышения расхода над подачей. Его величина численно определяется как площадь S заштрихованной части графика. Следовательно, в случае, когда подача насоса меньше максимального расхода, полный регулирующий объем следует определять как:

Wрег = Wрег1 + Wрег2 = (0,25qн / Zmax) + S

Очевидно, что при выборе перепада между управляющими датчиками в автоматических установках надо учитывать и возможное увеличение регулирующего объема за счет Wрег2. Это особенно важно при использовании малогабаритного четырехдюймового электронасосного оборудования, подача которых не превышает 2-3 м3/час и значительно ниже максимальных часовых расходов. Таким образом, вопрос возможности применения таких насосов сводится, прежде всего, к двум моментам: достаточна ли подача их для обеспечения суточных расходов у потребителей и хватит ли объема водонапорной башни для размещения дополнительного регулирующего объема Wрег2.