Компанія "Схід-будконструкція" виготовляє металовироби промислового призначення - водонапірні вежі для безперервного забезпечення водою. Практично усі системи сільського водопостачання можна розділити на три групи. Найширше вживана - система вежі водопостачання. Дві інші системи, які застосовуються рідше - це безшабашні з гидропневмобаком і з двома східцями підйому.
Розглянемо систему вежі Рожновського. Надійна робота системи в автоматичному режимі передусім залежить від того, в якому ступені враховані особливості, умови і режими взаємного функціонування усіх елементів системи. Режим водоспоживання на селі характеризується великою нерівномірністю витрат, з коефіцієнтом годинної нерівномірності, що досягає 2,5. Це означає, що вдень в період максимального розбору води її годинна витрата може в 2,5 разу перевищувати середнє значення (4 частина) добової витрати. Вночі, навпаки, витрата води різко сокращает-ся. Безпосереднє включення насоса в мережу без вежі в умовах сильної нерівномірності витрати привело б до ненормального режиму роботи насоса з недостатнім натиском або, навпаки, з малим поданням і надмірним тиском. На такі режими роботи і насоси, і мережа водопостачання не розраховані, при цьому в мережі відбувалися б глибокі перепади тиску, перебої в поданні води, різко зросло б споживання електроенергії.
Водонапірна вежа дозволяє насосу і споживачам води діяти по своїх графіках, причому насос завжди працює в розрахунковому, найбільш вигідному і правильному режимі. У такій системі башта Рожновського виконує декілька функцій:
1. За рахунок стовпа води в колоні вона підтримує потрібний практично постійний статичний тиск води в системі. В результаті споживач отримує воду безперебійно і з постійним розрахунковим натиском.
2. Створюючи постійний тиск в мережі, вежа забезпечує роботу насоса в постійному режимі, з розрахунковим поданням і тиском при різко нерівномірній витраті води споживачами. При малому споживанні насос працює на вежу, при великому - до подання насоса додається потік води, що йде з вежі.
3. У вежі зберігається запас води, що не витрачається, на випадок пожежі або аварії в системі водопостачання.
4. Башня Рожновського зберігає технологічний (господарський) запас води на випадок планового або аварійного відключення напруги мережі, перерви в роботі насоса у зв'язку з технічним обслуговуванням і т. п.
5. У вежі розміщується регулюючий об'єм води, який визначає періодичність включення насоса.
6. Нарешті, водонапірна башта має регулюючий об'єм води, який потрібний у разі, коли продуктивність насоса менша, ніж максимальна годинна витрата водоспоживання.
Основними показниками водонапірної вежі, витікаючі з функціонального призначення, являються її висота і ємність бака. Висота башні Рожновського визначається необхідним натиском, а місткість бака - величиною запасу води, що регулює і повного об'ємів. Для визначення регулюючого об'єму потрібно знати характер споживання води на фермі і графік роботи насосної станції. Витрачання води з бака і його поповнення має періодичний характер, визначуваний з одного боку графіком споживання води qп, а з іншої - поданням насоса qн.
Розглянемо дію насоса і вежі на прикладі мал. 1, де показана схема водопостачання (а), графіки подання, витрати води і наповнення бака (б) і (в). Нехай в початковому положенні бак вежі залитий повністю, а насос відключений, отже живлення споживачів водою відбувається за рахунок утримуваного бака, мал. 1 (б). З часом рівень води у баку опуститься до відмітки нижнього рівня (НУ). У цей момент насос буде включений. Подальший режим бака залежить від співвідношення між поданням насоса і поточною витратою води. Нехай витрата перевищує подання (мал. 1 (в) зона S). Тоді рівень води у баку вежі Рожновского продовжуватиме знижуватися до тих пір, поки витрата не зменшиться і не стане менше подання насоса (точка 2). Лише після цього рівень почне підвищуватися знову. Коли бак знову заповниться і вода досягне верхнього рівня, насос буде відключений, після чого процес повториться знову. Якщо подання насоса завжди вище поточної витрати, як показано на мал. 1 (б), то у момент включення рівень води у баку відразу почне підвищуватися (точка 1). Таким чином, для управління насосом потрібно правильно уявляти собі поточний рівень води у баку - щоб уникнути переповнювання бака, "переливання", або навпаки, спорожнення вежі.
З цією метою при ручному управлінні насосом застосовують різного роду сигналізатори рівня, води, що вказують кількість, у баку. При їх відсутності досвідчений персонал виробляє такі практичні навички, які допомагають йому більш менш задовільно стежити за режимом роботи насоса і вежі, хоча при такій роботі "наосліп" випадки переливання або, навпаки, нестачі води дуже нерідкі. Очевидно, що при такому режимі роботи перепад між верхнім і нижньому рівнями води у баку виходить досить великим. Цей перепад і визначає регулюючий об'єм бака, рівний площі бака, помножений на величину перепаду. Частина, що залишилася, утворює господарський і протипожежний запас, що не витрачається.
Помітимо, що чим менше регулюючий об'єм, тим більше запас і навпаки. Це витікає з очевидної рівності:
Wб = WЗ W рег.,
де Wб - повний об'єм бака;
Wз - запас води, що не витрачається;
Wрег. - регулюючий об'єм.
Якщо між самим нижнім і верхнім рівнями розташований увесь об'єм бака, це означає, що запасу води в нім практично немає, т. до. уся місткість бака використовується як регулюючий об'єм. Якщо, навпаки, регулюючий об'єм вибраний малим, це означає, що велика частина об'єму бака використовується для зберігання запасу води, що не витрачається.
Надмірне зниження рівня призводить не лише до зниження натиску і порушення водопостачання, але і загрожує замерзанням башні Рожновського. Переливання вежі, особливо в зимовий час, також серйозно порушують нормальну роботу. Нерідко взимку можна бачити башту Рожновського, що нагадує крижаний стовп. В умовах суворої зими рідкісне і нерегулярне наповнення бака, його повне спорожнення, що повторюється, особливо небажані.
Автоматизація насоса вежі дозволяє уникнути усіх недоліків ручного управління. В цьому випадку у баку фіксуються два рівні - верхній, при досягненні водою якого насос має бути відключений, і нижній - досягши якого він знову автоматично включається. Вибираючи відстань між верхнім і нижньому рівнями, ми чітко визначаємо величину регулюючого об'єму і запасу води, що не витрачається.
Чим же потрібно керуватися при виборі цих величин? Скорочуючи регулюючий об'єм, ми збільшуємо запас води, проте при цьому зростає число включення насоса. Виміри показали, що збільшення частоти включення насоса в добу з 2 до 7 разів дозволяє зменшити регулюючий об'єм майже в 3 рази і істотно збільшити запас води. При ручному управлінні це зажадало б безперервного чергування людини, що управляє насосом. Завдяки автоматизації такий режим не лише не вимагає додаткових витрат праці, але і взагалі виконується без участі людини.
При досить частому підкочуванні води можна не побоюватися спорожнення бака і замерзання води, що особливо небезпечно взимку в нічний період, коли витрата води практично припиняється, і бак міг би на тривалий час залишатися з мінімальним запасом води. В той же час, занадто часті включення погружного насоса украй небажані.
Після усього сказаного ясні переваги автоматизації насоса башти Рожновського перед управлінням вручну. При цьому, передусім, персонал звільняється від управління насосом, спостереженням за наявністю води і пов'язаних з цим турбот і витрат праці. Чітка фіксація верхнього і нижнього рівнів попереджає випадки переливань води і спорожнення вежі. Скорочення регулюючого об'єму збільшує запас води, що не витрачається, у баку, що підвищує надійність водопостачання при перебоях в електропостачанні, плановому обслуговуванні насосного устаткування і т. д. Регулярне підкочування у водонапірну вежу теплої води зі свердловини різко скорочує льдообразование у вежі, що підвищує її стійкість до морозів.
Максимально допустима частота включень насоса обмежена граничною величиною, рівною трьом включенням в годину. Це пов'язано з великими струмовими перевантаженнями при пуску, з можливістю ушкодження з'єднання шпони валу електродвигуна з насосом, болтових кріплень електродвигуна до насоса, зрізування валу насоса, руйнування різьбового з'єднання нагнітального трубопроводу поблизу насоса із-за механічних перевантажень, що виникають при включенні електронасоса. Тому при експлуатації погружных електронасосів вважають за краще уникати їх частих включень. Проте, у міру зменшення габаритів електронасосів, допустима частота включень електронасосів підвищується. Так електронасоси габариту 4", виробництва словацької фірми СІМА, мають частоту до 20 включень в годину.
Отже, вимоги до частоти включення електронасоса суперечать умові зменшення регулюючого об'єму. Визначимо залежність між цими величинами. Нехай подання насоса завжди більше годинної витрати води. Число включень насоса в годину, т. е. частота включень дорівнює величині, зворотній тривалості циклу tц, роботи насоса tр і часу паузи tп, що складається з часу.
Z = 1/tц = 1(1)
Якщо qн - годинна продуктивність насоса, м3/ч, а
qп - годинна витрата води, м3/ч споживачами, то:
tp = Wрег / (qн - qп), година (2)
tп = Wрег / qп, година (3)
З обліком (2) і (3) частота включень рівна:
Z = (qн - qп) qп /Wрегqп, вкл/ч (4)
Математична залежність частоти включень від витрати водоспоживання (4) має максимум при qп = 0,5qн. Тоді
Zmax = 0,25qн/Wрег, вкл/ч (5)
Знаючи граничну величину Zмах і продуктивність насоса можна визначити мінімальний регулюючий об'єм і по ньому мінімальну величину перепаду між нижнім і верхнім рівнями, при якому запас води у баку вежі буде максимально можливим.
По формулі (5) для граничної величини Zмах = 3 і площі бака S = 7,065 м2 можна розрахувати для ряду производительностей вживаних насосів мінімальну величину перепаду між рівнями.
З розрахунку видно, що прийнятним для усіх розрахованих варіантів буде регулюючий об'єм Wpег = 5,25 м3, який забезпечується датчиком з міжконтактною відстанню 0,75 м. Проте приймати граничну величину за початкову при виборі довжини датчика було б необачним.
Це пояснюється тим, що існує ряд причин, що вимагають мати деякий запас за регулюючим обсягом, а рівнозначно і по частоті включень електронасоса. До них відносяться наступні:
-при розрахунку набуті номінальних значень подань електронасосів; на практиці частенько застосовуються насоси із запасом по висоті підйому, що призводить до подань, що перевищує номінальне;
-на подання електронасоса роблять вплив штатні зміни частоти і амплітуди живлячої напруги, а також зміна динамічного рівня води у свердловині і інших її гидрогеологических характеристик;
-для підвищення надійності постачання водою на випадок короткочасних зупинок насоса або затримок в спрацьовуванні автоматики регулюючий об'єм у баку приймають на 30% більше розрахункового Wрег.
Враховуючи сказане, запишемо:
W 'рег = Wрег · 1,3 = 6,8 м3,
звідси мінімальна величина перепаду дорівнює 0,98 м.
Приведені вище дані справедливі для випадку, коли максимальна годинна витрата води споживачем не перевищує подання електронасоса. Тільки в цьому випадку регулюючий об'єм бака визначається однозначно. Інше положення виникає при витраті, що перевищує подання насоса. Автоматика, що реагує тільки на рівень води у баку водонапірної вежі, до такої орієнтованої дії нездібна, вона "безглузда". Тому період максимальної витрати води може настати не при заповненому баку, а навпаки, коли вода досягає в нім нижнього рівня. Насос включиться, але рівень води знижуватиметься нижче нижнього рівня до тих пір, поки подання насоса не стане вище поточної витрати.
Сказане пояснює мал. 1, де для ясності момент t1 досягнення водою нижнього рівня поєднаний з початком перевищення витрати над поданням. Отже, до регулюючого об'єму Wрег1, обмеженого верхнім і нижнім рівнями, потрібно додати ще Wрег2, який "виробляється" в період часу t1 - t2, вказаного перевищення витрати над поданням. Його величина чисельно визначається як площу S заштрихованій частині графіку. Wрег = Wрег1 Wрег2 = (0,25qн / Zmax) S.
Очевидно, що при виборі перепаду між верхнім і нижнім рівнями в автоматичних установках потрібно враховувати і можливе збільшення регулюючого об'єму за рахунок Wрег2. Це особливо важливо при використанні малогабаритного чотиридюймового електронасосного устаткування, подання яких не перевищує 2-3 м3/годину і значно нижче максимальних годинних витрат. Таким чином, питання можливості застосування таких насосів зводиться, передусім, до двох моментів: чи достатнє подання їх для забезпечення добових витрат у споживачів і чи вистачить об'єму водонапірної вежі для розміщення додаткового регулюючого об'єму Wрег2.
