Резервуары в системах водоснабжения

В системах водоснабжения используются резервуары, которые являются одними из их основных сооружений, гарантирующими хранение запасов воды и обеспечение ее подачи потребителю в необходимом количестве в любое время суток.

Резервуары для накопления и хранения запасов питьевой воды использовались с незапамятных времен. На территории Европы (Чешская Республика) сохранился до наших дней небольшой по габаритам резервуар-накопитель, построенный в 1495 г. в архитектурном стиле, характерном для поздней готики.

Современные резервуары отличаются большими габаритами и несколько иными функциями, чем резервуары-накопители. Резервуары систем водоснабжения различают по следующим признакам: назначению, форме в плане (круглые или прямоугольные); высоте расположения (напорные и безнапорные); степени заглубления (подземные, наземные); материалу (железобетонные, стальные, бетонные и т.д.).

По назначению резервуары подразделяются на запасные, регулирующие, противопожарные резервуары, работающие как водонапорные башни или баки пневматических установок,

Запасные резервуары обеспечивают надежность и бесперебойность работы систем водоснабжения. Регулирующие емкости способствуют более равномерной работе насосных станций, так как отпадает необходимость в подаче насосами пиковых расходов воды. Их характерным примером являются водонапорные башни. Противопожарные резервуары, обычно устраиваемые на промышленных объектах и объектах сельскохозяйственного водоснабжения, создают необходимый противопожарный запас воды. Резервуары, сооружаемые на высоких отметках местности, выполняют роль водонапорных башен. При одинаковой емкости стоимость такого резервуара значительно меньше стоимости башни. Высоко расположенные напорные резервуары обычно служат не только регулирующими емкостями, их часто используют одновременно и для хранения аварийных или пожарных запасов воды. В отличие от напорных резервуаров безнапорные обычно служат регулирующими емкостями на водоочистных станциях. Эти сооружения называются резервуарами чистой воды. Они находятся на границе двух зон системы: равномерной подачи насосами I подъема и неравномерной (ступенчатой) подачи насосами насосной станции II подъема. Крупные резервуары из монолитного железобетона сооружают объемом от 50 до 2000 м3 и диаметром 4,7-25,4 м при высоте 3,5-4,5м. Резервуары из сборного железобетона имеют объем: круглые — от 50 до 3000 м3, прямоугольные — от 50 до 20 000 м3. Применяются железобетонные резервуары цилиндрической формы с купольным перекрытием объемом до 600 м3. В условиях умеренного климата они заглубляются на половину высоты цилиндрической части и обсыпаются землей слоем толщиной около 1 м в целях теплоизоляции верхней части и перекрытия. Резервуары объемом более 600 м3 устраивают с плоским перекрытием.

Резервуары чистой воды и их обвязка

1 - 0044 — Фотоальбом











1 — ввод воды в резервуар; 2 — отвод воды на промывку фильтров; 3 — отвод пожарного расхода воды; 4 — переливные трубы; 5 — удаление осадка

Обвязка резервуаров и оборудование их трубами и арматурой зависят от назначения и расположения их в системе водоснабжения. Для обеспечения надежной и бесперебойной работы системы водоснабжения обычно устанавливают не менее двух идентичных резервуаров. Резервуары оборудуют подводящими, отводящими, переливными и спускными трубами.

Для регулирования подачи воды в резервуары устанавливают автоматические устройства или поплавковые запорные клапаны на подающем трубопроводе. Резервуары оборудуют люками, скобами (лестницами), необходимыми для осмотра, чистки и ремонта сооружений. На рисунке выше показана схема коммуникаций для резервуаров чистой воды, расположенных на водоочистной станции.

Полная емкость резервуара разделяется на регулирующую (от горизонта х-х до горизонта п-п) и запасную — пожарную (от горизонта п-п до дна). Вода поступает из очистных сооружений по трубе, расположенной у дна резервуара. Всасывающие трубы пожарных насосов находятся на отметке дна резервуара, что позволяет израсходовать весь пожарный запас в случае чрезвычайной ситуации. Всасывающие трубы насосов хозяйственно-питьевого назначения находятся на уровне п-п и, таким образом, не могут забирать воду, находящуюся ниже этого уровня.

Как указывалось выше, другим типом регулирующих резервуаров, используемых в системах водоснабжения, являются водонапорные башни, Они представляют собой конструкцию в виде поддерживающего ствола и бака с запасом воды. Водонапорные башни необходимы для сглаживания режима работы насосной станции II подъема в соответствии с режимом водопотребления.

При значительной неравномерности водопотребления практически трудно (либо экономически невыгодно) достичь совпадения потребления и подачи воды. В данной ситуации водонапорные башни являются весомой альтернативой каким-либо другим устройствам.

Водонапорные башни, являясь неотъемлемой составной частью архитектурных ансамблей городов, имели свой определенный колорит и отличительные особенности.

Место расположения водонапорной башни в значительной мере определяется рельефом местности. Как правило, ее устанавливают на возвышенных отметках с целью уменьшения строительной стоимости. Однако в общем случае место ее установки должно определяться гидравлическими и технико-экономическими расчетами систем подачи и распределения воды.

Если башня на местности располагается между насосной станцией II подъема и городом, то такая система водоснабжения называется с башней в начале сети, а если на противоположной стороне, т.е. в конце города по отношению к точке подачи воды в водопроводную сеть, то системой водоснабжения с башней в конце сети. Такая башня называется контррезервуаром. Вместо водонапорной башни может быть установлен наземный или подземный напорный резервуар, если вблизи города имеются достаточно высокие отметки земли. Емкости могут быть установлены и в промежуточное положение, если возвышенные отметки находятся в черте населенного пункта.

Регулирующий объем водонапорной башни определяют по совмещенным ступенчатым или интегральным графикам работы насосов и водопотребления. Дополнительно объем бака башни должен содержать противопожарный запас, рассчитанный для населенных пунктов на тушение одного внутреннего и одного наружного пожара в течение 10 мин, а для промышленных предприятий — на тушение только одного внутреннего пожара. Иногда в водонапорной башне содержится и аварийный запас воды.

Регулирующий объем бака определяют по максимальному остатку воды в нем. Как видно из таблицы ниже, регулирующий объем бака при ступенчатой работе насосов равен 5,20%, а при равномерной работе — 19,16%, т.е. при ступенчатой работе насосов можно значительно сократить объем бака.

Определение требуемого регулирующего объема бака водонапорной башни для случая равномерного и ступенчатого режима работы насосов в течение суток

Часы суток

Подача насосами при работе

Водопотребление

Приток в бак при работе

Расход из бака при работе

Остаток в баке при работе

равномерной

ступенчатой

равномерной

ступенчатой

равномерной

ступенчатой

равномерной

ступенчатой

0-1

4,17

-

1,5

2,67

-

1,5

8,83

2,2

1-2

4,17

-

1,5

2,67

_

1,5

11,5

0,7

2-3

4,16

0,8

1,5

2,67

0,7

14,16

0

3-4

4,17

2,8

1,5

2,67

1,3

-

16,83

1,3

4-5

4,17

2,8

2,5

1,67

0,3

_

18,5

1,6

5-6

4,16

5,5

3,5

0,66

2

_

_

19,16

3,6

6-7

4,17

5,5

4,5

1

0,33

18,83

4,6

7—8

4,17

5,5

5,5

1,33

17,5

4,6

8-9

4,16

5,5

6,25

2,09

0,75

15,41

3,85

9-10

4,17

5,5

6,25

2,08

0,75

13,33

3,1

10-11

4,17

5,5

6,25

2,08

0,75

11,25

2,35

11-12

4,16

5,5

6,25

2,09

0,75

9,61

1,6

12-13

4,17

5,5

5

0,5

0,83

8,33

2,1

13-14

4,17

5,5

5

0,5

0,83

7,5

2,6

14-15

4,16

5,5

5,5

1,34

_

6,16

2,6

15-16

4,17

5,5

6

-

1,83

0,5

4,33

2,1

16-17

4,17

5,5

6

1,83

0,5

2,5

1,6

17-18

4,16

5,5

5,5

_

1,34

1,16

1,6

18-19

4,17

5,5

5

0,5

0,83

_

0,33

2,1

19-20

4,17

5,5

4,5

1

0,33

_

0

3,1

20-21

4,16

5,5

4

0,16

1,5

0,16

4,6

21-22

4,17

2,8

3

1,17

_

0,2

1,33

4,4

22-23

4,17

2,8

2

2,17

0,8

3,5

5,2

23-24

4,16

-

1,5

2,66

-

-

1,5

6,16

3,7

Итого

100

100

100

19,16

9,4

19,16

9,4

Графический расчет выполняют путем построения интегральной кривой водопотребления и графика подачи воды насосами.

Регулирующий объем бака равен сумме наибольших разностей ординат между кривыми 1 и 2. При равномерной работе насосов эта сумма составляет 13,02 + 6,14 — 19,16% суточного расхода.

Вода в бак подается по трубе 1 на отметку, соответствующую наибольшему наполнению.

Интегральный график водопотребления (1) и подачи воды насосами (2)

1 - 0048 — Фотоальбом

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

Схема оборудования водонапорной башни трубопроводами

1 - 00048 — Фотоальбом




















1 — водоподъемная труба; 2 — отводящий трубопровод; 3 — обратный кланам; 4 — сетка; 5 — поплавковый клапан; 6 — воронка; 7—грязевая труба; 8 — задвижка; 9— переливная труба

На конце трубы установлен поплавковый клапан 5 для автоматического закрытия подающей трубы при наполнении бака. Из бака вода отводится по трубам 1 и 2. Труба 2 оборудована обратным клапаном 3, препятствующим поступлению по ней воды в бак. Конец трубы 2 с сеткой 4 расположен на некоторой высоте над дном, с тем чтобы не происходило засасывания осадка, который может скапливаться на дне бака. Задвижка 8 предназначена для отключения водонапорной башни от сети. К переливной трубе 9 с воронкой 6 присоединена грязевая труба 7 с задвижкой 8, предназначенная для удаления скапливающегося на дне бака осадка и отвода воды при его промывке. При жесткой заделке труб в днище резервуара на стояках трубопроводов 1 и 9 устраивают сальниковые компенсаторы.

При такой схеме оборудования водонапорной башни обеспечивается постоянное перемешивание воды в баке, что препятствует ее замерзанию. Для оборудования башни применяют стальные трубы. С целью осмотра бака снаружи и внутри устанавливают лестницы.

Резервуары водонапорных башен, как правило, — круглой формы в плане. Предпочтительно, чтобы отношение высоты бака башни к ее диаметру было небольшим. В этом случае исключаются значительные колебания напоров в системе при различных режимах и обеспечиваются более благоприятные условия работы насосов.

Резервуары водонапорных башен изготавливают железобетонными и стальными. Наиболее широкое распространение получили железобетонные резервуары, защита которых от коррозии проще и долговечнее защиты стальных. Стальные баки характеризуются меньшей массой, индустриальностью изготовления и монтажа, полной герметичностью. Они нашли достаточно широкое применение в зарубежных странах.

Резервуары могут иметь плоское или вогнутое днище. Придание вогнутым днищам полусферической, эллипсоидной и радиальноконической форм позволяет увеличивать диаметр резервуара (при одном и том же объеме) по сравнению с диаметром резервуара с плоским днищем. Благодаря этому колебания напора могут быть сокращены до минимума, однако такие резервуары сложнее в изготовлении. В нашей стране наиболее широко применяют резервуары с плоским и полусферическим вогнутым днищем.

При наличии опасности замерзания воды в резервуаре вокруг него устраивают шатер, который в зависимости от конструкции водонапорной башни выполняется из железобетона, кирпича или дерева. Для предотвращения замерзания возможно применение электрообогрева.

В башнях большой вместимости при наличии обмена воды с относительно высокой температурой шатры могут отсутствовать даже в суровых климатических условиях. Бесшатровые металлические башни бывают как с теплоизоляцией, так и без нее. Резервуар башни перекрывается сверху. Перекрытие (крыша) обеспечивает его жесткость и служит для защиты от температурных колебаний и попадания загрязнений. Поддерживающие конструкции водонапорных башен выполняют из железобетона, металла и кирпича в виде сплошной стенки или колонн, имеющих различное архитектурное оформление.

Наибольшее распространение получили конструкции из железобетона. Внутреннее пространство, образуемое поддерживающими конструкциями, может использоваться для технических и общественных нужд, но при условии исключения какого-либо воздействия на качество воды, находящейся в резервуаре.

Водонапорные башни могут быть выполнены также из кирпича и дерева. Деревянные водонапорные башни применяют в основном на временных водопроводах. Их оборудуют сигнализацией, передающей показания уровня воды на насосную станцию или диспетчерский пункт водопроводного хозяйства.

Для промышленного водоснабжения разработаны различные конструкции башен большого объема (вместимостью до 3600 м3). Конструктивные отличия таких башен заключаются в том, что их центральный ствол выполняется в виде стальной трубы диаметром до 3 м, являясь одновременно несущей конструкцией, подводящеотводящей трубой и дополнительной емкостью для воды.

Объем регулирующей емкости водонапорной башни будет тем меньше, чем ближе график работы насосной станции II подъема к графику водопотребления. Как отмечалось выше, это достигается увеличением ступеней графика работы насосной станции и, следовательно, установкой большего числа насосов. В любом случае объем регулирующих емкостей должен быть достаточным для обеспечения суточного водопотребления при их совместной работе с насосными станциями.

Как уже отмечалось, в резервуарах чистой воды должен храниться ее запас на тушение пожара Wп. Противопожарный объем воды на трехчасовой запас определяется по следующей формуле: Wп = wп +qx-n -w

где wп — количество воды, расходуемой на локализацию пожаров в течение нормативного времени (3 ч); qx-n — суммарный объем воды, соответствующий наибольшему водопотреблению в течение 3 ч (в соответствии с графиком водопотребления); w — объем воды, поступающей от очистных сооружений в резервуар чистой воды в течение 3 ч.

Кроме того, резервуар чистой воды содержит запас воды на промывку фильтров Wф и другие собственные нужды станции водоподготовки. Тогда суммарный объем W резервуаров чистой воды с учетом регулирующего объема Wp составит: W = Wп + Wф + Wp

В системах водоснабжения небольших объектов иногда находят применение гидропмвматические установки. Они выполняют роль водонапорной башни. Требуемый напор в них создается давлением сжатого воздуха. Существует две разновидности гидропневматических установок — с переменным и постоянным давлением. Схема установки переменного давления показана на рисунке ниже.

В часы минимального водопотребления, когда подача воды насосами 2, забирающими воду из резервуара 1, превышает водопотребление, избыток воды (снижение уровня с z4 до z3) поступает в водовоздушный бак 5. При этом постепенно повышается уровень воды (с z.1 до z2) и увеличивается давление воздуха вследствие его сжатия. При достижении максимального уровня в баке, соответствующего отметке z2, реле давления 4 размыкает цепь питания катушки магнитного пускателя 3 и электродвигатель насоса отключается от питающей его электросети, С этого момента подача воды в водовод 7 осуществляется от гидропневматического бака под давлением сжатого воздуха ртах. В процессе сработки уровня воды давление в баке снижается. 

Схема гидропневматической установки

1 - 0051 — Фотоальбом














1 — резервуар чистой воды; 2 — насосы; 3 — магнитный пускатель; 4 — реле давления; 5 — водовоздушный бак; 6 — компрессор; 7 — напорный трубопровод

При достижении уровня, соответствующего отметке z1 давление в баке снизится до рmin. В этот момент реле включает электродвигатели насосов. Рабочий цикл установки повторяется. Минимальное давление рт]п назначается из условия обеспечения требуемого свободного напора в диктующей точке водоразбора. Во все остальные моменты, когда р > ртiп, свободный напор в этой точке будет выше требуемого.

Регулирующий объем водовоздушного бака 5, заключенный между уровнями z1 и z2, определяется путем совмещения графиков подачи и потребления воды. Существует схема таких установок с двумя баками, один из которых предназначен для воды, а другой — для сжатого воздуха. Они соединены друг с другом трубопроводом. Эти установки рассчитаны на большую производительность.

В гидропневматических установках переменного давления насосы должны работать в широком диапазоне характеристики Q-Н, В процессе эксплуатации определенная часть воздуха, находящегося в баке, растворяется в воде и выходит через неплотности. Для поддержания давления воздуха в баке установка оборудуется компрессором 6. В основе расчета установок лежит закон Бойля-Мариотта,

Пневматические установки постоянного давления позволяют с помощью регулятора давления поддерживать постоянное давления воздуха в гидропневматическом баке и тем самым обеспечивать постоянство расхода и давления у потребителя. Эти установки несколько сложнее описанной выше. Они могут применяться в системах пожаротушения и промышленного водоснабжения, если изменение напора приводит к недопустимым колебаниям расходов воды.