bbk 000000

УДК 628.292.62-192

Ильин Ю. А., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю., Мельник Е. А., Пробирский М. Д.

Влияние износа вертикальных насосов на надежность, безопасность и энергопотребление канализационных насосных станций

Аннотация

Приведены результаты исследований оценки влияния износа вертикальных насосов на надежность, безопасность и энергопотребление канализационных насосных станций на примере Главной насосной станции Центральной станции аэрации Санкт-Петербурга. Изложены основные положения методики расчета надежности работы насосных станций. Методика, формализованная с использованием программы для ЭВМ, может применяться для конкретных расчетов надежности подобных насосных станций. От надежности работы станции проектной производительностью до 1,5 млн. м³/сут зависит безопасность системы водоотведения, состояние городской среды обитания, грунтовых вод, водоемов и рентабельность предприятий ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Ключевые слова

надежность , канализационная насосная станция , энергопотребление , безопасность , расчетная гидравлическая модель

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Главная насосная станция (ГНС) Центральной станции аэрации (ЦСА) Санкт-Петербурга расположена в круглом опускном колодце диаметром 40 м на глубине 46 м. Сточная вода подводится к станции на отметке –45 м по двум коллекторам диаметром 4,7 м и 2,7 м. Машинный зал электродвигателей (рис. 1) находится над насосным залом (рис. 2) на отметке –30 м. Для обеспечения проведения ремонта или осмотра всасывающих линий и насосов без прекращения работы станции приемная камера разделена на секции. Емкость камеры соответствует подаче одного высокопроизводительного насоса в течение 15 минут. Напорные трубопроводы всех насосов размещены в одной шахте.

В расчетном режиме эксплуатации городской системы водоотведения в камерах-ливнеспусках осуществляется разделение общего расхода на проходящий и не проходящий через ливнеспуск. Расход, проходящий через ливнеспуск в шахту (без выброса в водоем), по тоннельным коллекторам глубокого заложения поступает на Главную насосную станцию ЦСА и подается на очистные сооружения. Расход, не проходящий через ливнеспуск (расчетный выброс – сбрасываемый в период продолжительных ливней редкой повторяемости через водослив), отводится по ливнеотводам в водоемы [1].

На станции эксплуатируются пять вертикальных насосов ФВ 21400-58 и четыре насоса ФВ 9000-58. Насосное оборудование Главной насосной станции не менялось с момента пуска в эксплуатацию (1978 г.), поэтому был проведен мониторинг его состояния. Цель мониторинга – оценка влияния физического износа насосных агрегатов на надежность оборудования и безопасность насосной станции для городской среды обитания, увеличение затрат электроэнергии на подъем сточной воды, техническое обслуживание и ремонт оборудования.

Надежность определяется как «… свойство ГНС … выполнять требуемые функции …» [2]. Безопасность трактуется как свойство насосной станции выполнять требуемые функции, не допуская аварийных режимов эксплуатации, когда из-за отказа насосов (с целью предотвращения затопления машинных залов) в камерах-ливнеспусках осуществляется дополнительный нерасчетный выброс смеси дождевых, бытовых и производственных сточных вод в водную систему «Нева – Невская Губа» [1].

Численная оценка указанных свойств ограничена вероятностными показателями (риском воздействия на окружающую среду при аварийных режимах эксплуатации P^ав(t), интенсивностью отказов и ремонтов μ) и технологическими показателями (производительностью Q(t) и энергопотреблением W(t) насосной станции). Указанные показатели взаимосвязаны и дополняют друг друга.

Исследования проводились в два этапа:

обследование эксплуатируемых насосов с целью определения влияния их износа на технологические показатели надежности (Н–Q), (–Q)и вероятностные показатели (интенсивность отказови ремонтовμ);
определение влияния износа насосов на технологические показатели надежности работы(Q–t), (W–t), безопасность P^ав(t) и энергопотребление W(t) Главной насосной станции с учетом неравномерности поступления стока.

Вероятностные показатели, характеризующие безотказность и ремонтопригодность насосов, определяются для оценки влияния физического износа насосов на безопасность P^ав(t) Главной насосной станции по отношению к окружающей среде, затраты на обслуживание и ремонт оборудования.

Технологические показатели, характеризующие способность насосов выполнять заданные функции, определяются для оценки отклонения фактических значений подачи, напора и энергопотребления эксплуатируемых насосов от паспортных значений. Кроме того, знание их необходимо для построения расчетной гидравлической модели системы «самотечные коллекторы – приемная камера ГНС – насосы ФВ 21400-58 и ФВ 9000-58 – напорные линии». Данная модель позволяет:

определять влияние физического и морального износа насосов на технологические показатели надежности (Q–t), (W–t) работы Главной насосной станции;
при замене устаревших насосов обосновывать выбор типа нового насосного агрегата, энергосберегающего режима совместной работы с учетом динамики изменения отметок уровня воды в приемном резервуаре, наполнения и скорости движения воды в самотечных коллекторах.

На первом этапе исследований, при экспериментальном определении технологических показателей надежности насосов, средства измерений обеспечивали следующую погрешность: подача - не более 5%; напор – не более 1%; мощность – не более 1%; частота вращения рабочего колеса – не более 0,5%.

В процессе диагностики насосов [3] определялись следующие показатели:

средний расход (с помощью ультразвуковых расходомеров в каждом сечении по результату измерения объема сточной воды), м³/ч:

Q_v_ср = V/T_пр, (1)

где V – измеренное значение объема сточной воды, м³; T_пр – интервал времени измерения, ч;

напор насоса, м:

где Р₁, Р₂ – давление на входе и выходе из насоса, м; ρ – плотность жидкости, кг/м³; d₁, d₂ – внутренний диаметр трубопроводов на входе и выходе из насоса, м; ∆z – расстояние по вертикали между отметками положения приборов измерения давления, м;

мощность на валу насоса, кВт:

N_н = N_эη_э, (3)

где N_э – мощность, потребляемая электродвигателем, кВт (определялась с помощью ваттметров и специального измерительного комплекса); η_э – КПД электродвигателя;

КПД насоса, %:

Для оценки возникающих в процессе эксплуатации изменений характеристики (Н–Q), (η–Q),полученные экспериментально, сопоставлялись с паспортными. Результаты сопоставления характеристик высокопроизводительного насоса (ВПН № 11) и низкопроизводительного насоса (НПН № 16), установленных на Главной насосной станции ЦСА, приведены на рис. 3. Подобные изменения свойственны всем обследованным насосам.

Для оценки влияния длительной эксплуатации насосов на увеличение объема работ по техническому обслуживанию и ремонту, а также риска P^ав(t) появления из-за отказа насосов аварийного (нерасчетного) режима эксплуатации Главной насосной станции определялись их вероятностные показатели надежности.

Для оценки интенсивности отказов λ насосов (отключения для устранения неисправностей, выполнения текущего и капитального ремонтов) методом доверительных интервалов использовался алгоритм, в основе которого лежит нахождение частоты отказов ω_i*(∆t), приходящейся на один насос. Выбор ее в качестве расчетной величины вместо вероятности отказа Q*(∆t) объясняется тем, что при определении ω_i*(∆t) можно учитывать все насосные агрегаты, эксплуатируемые в интервале времени ∆t. Зная среднее значение ω_i*(∆t), методом доверительных интервалов находились верхнее ω*_max(∆t) и нижнее ω*_min(∆t) значения частоты отказов с доверительной вероятностью δ.

Сравнение эксплуатационных данных об отказах насосов ФВ 9000-58, устраняемых при обслуживании и текущем ремонте, с моделью Марковского процесса при ω_i*(∆t) = λ_i*(∆t) подтвердило их соответствие при параметрах процесса λ*_min(∆t) = 4,2·10^–4 1/ч, λ*_max(∆t) = 8·10^–4 1/ч. Достоверность принятой гипотезы оценивалась с помощью критерия Пирсона. Установлено, что при мере расхождения χ² = 42,56 и числе степеней свободы r = k – 2 = 50 указанный критерий с вероятностью P(χ) = 0,9 подтверждает совместимость предлагаемой расчетной модели с опытными данными.

Дополнительно проверялись полученные значения интенсивности отказов методом последовательных испытаний. В соответствии с ГОСТ 1833-73, в эксперименте приняты следующие исходные данные: вероятность ошибки первого рода α = 0,05 (вероятность непревышения установленного значения λ*_min); вероятность ошибки второго рода β = 0,05 (вероятность превышения λ*_max); паспортная наработка насоса ФВ 9000-58 на отказ Т_п = 6000 ч. По результатам эксперимента установлено, что с доверительной вероятностью 0,9 параметры процесса появления потребности в ремонтах и устранении неисправностей насосов ФВ 9000-58 изменяются в вышеуказанных пределах. Результаты эксперимента по определению вероятностных показателей надежности насосов ФВ 9000-58 методом последовательных испытаний приведены на рис. 4.

Аналогично определялись значения интенсивности отказов λ насосов ФВ 21400-58 и интенсивности их ремонтов μ. Результаты диагностики показали, что описание процесса появления отказов насосов в виде однопараметрического Марковского процесса совместимо с опытом эксплуатации с вероятностью 0,99 ≥ P(χ) ≥ 0,8. При этом интенсивность появления отказов (заявок), которые устраняются при проведении технического обслуживания и текущих и капитальных ремонтов насосов ФВ 9000-58, с доверительной вероятностью 0,95 составляет: λ¹_min = 5,1·10^–4 1/ч, λ¹_max = 8·10^–4 1/ч, при проведении только капитальных ремонтов λ^к_min = 0,35·10^–4 1/ч, λ^к_max = 2·10^–4 1/ч, для насосов ВФ 21400-58: λ¹_min = 6,8·10^–4 1/ч, λ¹_max = 11·10^–4 1/ч, λ^к_min = 0,4·10^–4 1/ч, λ^к_max = 2,2·10^–4 1/ч. Полученные показатели в 2–3 раза превышают паспортный норматив, при этом увеличиваются соответственно затраты на текущий и капитальный ремонт, а также на техническое обслуживание насосов.

Интенсивность работ при устранении неисправностей и текущем ремонте изменяется в пределах μ*_min = 2·10^–4 1/ч, μ*_max = 4·10^–4 1/ч; при капитальном ремонте насосов ФВ 21400-58 интенсивность работ μ* = 1,5–7·10^–4 1/ч, насосов ФВ 9000-58 μ* = 1,5–9·10^–4 1/ч.

На втором этапе исследований определялось влияние физического износа насосов на технологические и вероятностные показатели надежности, безопасности работы и энергопотребление Главной насосной станции. Для определения влияния неравномерности поступления сточных вод на технологические показатели надежности (Q–t), (W–t) насосной станции, а также наколичество и продолжительность одновременной работы высоко- и низкопроизводительного насосов применяется гидравлическая модель.

При моделировании параметры насосного оборудования и труб определяются в виде:

где a, c, k, n – показатели, определяемые при обследовании или по данным фирм-производителей.

Расчетная модель (5) учитывает режим совместной работы высоко- и низкопроизводительного насосов в течение суток в зависимости от притока сточных вод, а также наполнение и скорости движения воды в самотечных коллекторах и напорных линиях, динамику изменения отметок уровня воды в приемной камере Главной насосной станции. В состав расчетной модели включены:

уравнения баланса расходов в узлах (для сточных вод, поступающих по напорному коллектору на отдельные очистные сооружения):

Уравнения внутренней (контурной) увязки используются с учетом результатов диагностики для определения расходов на участках напорного коллектора. Уравнения внешней увязки необходимы для определения подачи и напора насосов в зависимости от изменения уровня воды в приемной камере Главной насосной станции при нефиксированном поступлении сточных вод и узловых расходах из напорного коллектора. Они позволяют составить замкнутую систему уравнений для выполнения поверочного расчета совместной работы системы «самотечные коллекторы – приемная камера Главной насосной станции – насосы – напорные коллекторы с перемычками» (Q_i, q_i_–_k – расходы в i-ом узле и на (i–k) напорных линиях насосов соответственно; S_j, S_ф_j – гидравлическое сопротивление элементов системы и насосов соответственно; ∆Z – геометрическая высота подъема воды). Под узловыми понимаются расходы сточных вод, поступающие по напорному коллектору на отдельные очистные сооружения.

На рис. 5 приведены результаты сопоставления эксплуатационных данных с результатами расчета системы «самотечные коллекторы – приемная камера Главной насосной станции – насосы ФВ 21400-58 и ФВ 9000-58 – напорные линии» по предлагаемой модели. Расчетная гидравлическая модель (5) позволяет с достаточной точностью (рис. 5, кривые 2, 3) определять энергосберегающий режим совместной работы насосов с учетом динамики изменения отметок уровня воды в приемном резервуаре, наполнения и скорости движения воды в самотечных коллекторах, по которым сток поступает к Главной насосной станции ЦСА. По результатам гидравлического расчета устанавливается изменение в течение суток соотношения между числом рабочих и резервных насосов.

Например, месячная выборка показала, что при существующем режиме поступления сточной воды к станции должны одновременно работать до трех насосов ФВ 21400-58 (рис. 6, а) при среднесуточном ресурсе 40 ч и три насоса ФВ 9000-58 при среднесуточном ресурсе 17 ч (рис. 6, б). Поэтому для учета наличия резервных
насосов в вероятностной расчетной модели (7) дополнительно введены рабочие состояния насосной станции под номерами 3, 4, 5, 8, 9, 10, которые учитывают резерв при отключении на ремонт или техническое обслуживание трех и более насосов.

В соответствии с результатами, приведенными на рис. 6, аварийные режимы эксплуатации Главной насосной станции (когда с целью предотвращения затопления машинных залов в камерах-ливнеспусках должен осуществляться дополнительный нерасчетный выброс сточных вод) возможны, наряду с отключением электроэнергии, например, при одновременном отключении на ремонт трех насосов ФВ 21400-58.

Для определения риска аварийных режимов эксплуатации насосов ФВ 21400-58 используется расчетная модель [4; 5] в виде:

где P_0,1,2,6,7(t) – расчетные состояния насосной станции, когда могут работать не менее трех насосов ФВ 21400-58; P_3,4,5,8,9,10(t) – аварийные состояния, при которых три и более насосов находятся в ремонте или на техническом обслуживании; λ₁ – интенсивность заявок на капитальный ремонт насосов; λ₂ – то же, на устранение неисправностей и текущий ремонт насосов; μ_i – интенсивность выполнения технического обслуживания при устранении неисправностей, текущего и капитального ремонтов.

Аналогичная расчетная модель разработана для определения состояния насосов ФВ 9000-58. Данные модели (в отличие от известных, в которых отказы не группируются по виду ремонта) позволяют выделить в самостоятельную группу отказы, для устранения которых выполняется более трудоемкий капитальный ремонт.

Применяя систему уравнений (7), проведен численный эксперимент на ЭВМ по определению вероятности P_i(t) нахождения насосов Главной насосной станции в указанных состояниях. Чтобы оценить влияние числа насосов, находящихся в ремонте, на вероятность P_i^ав(t) при расчете учитывались все предусмотренные проектом рабочие состояния высоко- и низкопроизводительных насосов.

На рис. 7 приведены результаты эксперимента при двух состояниях высокопроизводительного насоса в начале расчетного периода эксплуатации: при P₀(t) = 1 (кривые 1, 3), когда все насосы исправны, и при P₂(t) = 1 (кривые 2, 4), когда два насоса из пяти ремонтируются. При этом приняты следующие исходные данные:

для новых высокопроизводительных насосов

λ₁ = 1,25·10^–4 1/ч; λ₂ = 4,4·10^–4 1/ч;

μ_0,1,3,4,5 = 1,5·10^–3 1/ч; μ_6,7,8,9,10 = 2·10^–2 1/ч;

для эксплуатируемых высокопроизводительных насосов

λ₁ = 2,2·10^–4 1/ч; λ₂ = 11·10^–4 1/ч;
μ_0,1,3,4,5 = 1,5·10^–3 1/ч; μ_6,7,8,9,10 = 2·10^–2 1/ч.

Вероятность P^ав(t), т. е. риск появления аварийного режима эксплуатации насосной станции, в соответствии с системой уравнений (7), определяется как

Например, на рис. 7, а показано, что из-за износа высокопроизводительных насосов вероятность появления аварийных режимов их эксплуатации

увеличилась с 2% (кривая 4) до 10% (кривая 1), что не соответствует требованиям к безопасности Главной насосной станции как социально значимого объекта города.

Из рис. 7 видно, в какой степени снизилась вероятность расчетного режима эксплуатации высокопроизводительных насосов P₀(t), когда все пять насосов ФВ 21400-58 исправны.

Аналогичные результаты получены для насосов ФВ 9000-58. Низкий уровень вероятности состояния Главной насосной станции, когда все насосы исправны [P₀(t) = 0,35], подтверждает увеличение в 2–3 раза объема ремонтных работ и затрат на поддержание насосов в работоспособном состоянии.

Оценка влияния износа насосов на энергопотребление Главной насосной станции [6; 7] выполняется с помощью расчетной модели (5). При этом по результатам диагностики определяется насос-аналог, который отличается от нового насоса тем, что имеет, например, изношенное (по отношению к начальному) рабочее колесо. Он используется в расчетной модели для учета влияния износа насосов на технологические показатели надежности (Q–t), (W–t) работы станции.

Исходные данные в расчетной модели (5):

суточные графики расхода сточной воды (Q–t), поднимаемой Главной насосной станцией в течение месяца на очистные сооружения (рис. 8);
параметрические характеристики насоса СДВ 22700/63 при частоте вращения 333 об/мин и D = 1950 мм (в отличие от паспортного значения D = 2050 мм) – рис. 9, а;
параметрические характеристики насоса СДВ 9000/63 при частоте вращения 500 об/мин и D = 1280 мм (в отличие от паспортного значения D = 1400 мм) – рис. 9, б;
допустимое колебание уровня воды в приемной камере 1,5–2 м с целью снижения энергопотребления;
регулирующая емкость приемной камеры и самотечных тоннельных коллекторов в зависимости от притока сточных вод.

На рис. 10 приведены результаты экспериментальной оценки влияния износа насосов на энергопотребление Главной насосной станции в течение месяца. Расчеты показали, что одной из причин перерасхода электроэнергии является снижение КПД насосов (рис. 11). Кроме того, на высокий уровень удельного энергопотребления насосной станции (рис. 12) непосредственно влияет большая геометрическая высота подъема сточной воды на очистные сооружения.

Выводы

1. Необходимость инвестиций для замены оборудования на Главной насосной станции Центральной станции аэрации Санкт-Петербурга обусловлена тем, что из-за износа насосов энергопотребление станции (при средней годовой подаче около 400 млн. м³) увеличилось на 8–10%, что составляет около 6 млн. кВт·ч/год (при удельном энергопотреблении 0,2 кВт·ч/м³); риск аварийных режимов эксплуатации станции также увеличился с 2 до 10%, когда с целью предотвращения затопления машинных залов в камерах-ливнеспусках должен осуществляться дополнительный нерасчетный выброс смеси дождевых, бытовых и производственных сточных вод в водную систему «Нева – Невская Губа».

2. Разработанный метод расчета на ЭВМ надежности системы «коллектор – насосы – напорные линии» позволяет оценивать, с учетом влияния износа насосов, эффективность инвестиций, обеспечивающих безопасность и энергосбережение при реконструкции Главной насосной станции.

Список цитируемой литературы

ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1990.
Водоотведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга: Под общей ред. Ф. В. Кармазинова. – СПб: Новый журнал, 2002.
Кармазинов Ф. В., Курганов Ю. А., Кинебас А. К. и др. Изменение технологических показателей надежности работы насосов в процессе эксплуатации // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 11.
Ильин Ю. А., Игнатчик С. Ю., Анисимов Ю. П. и др. Обеспечение эксплуатационной надежности канализационных насосных станций: Сб. тр. ВИТУ. – СПб: Стройиздат СПб, 2008. Вып. 7.
Игнатчик С. Ю. Расчет производственной мощности водопроводно-канализационных сооружений. – СПб, СПбГАСУ, 2003.
Пат. 2310792, РФ. МПК F 17 D 3/01, F 04 D 15/00. Способ управления энергопотреблением насосной станции / Ф. В. Кармазинов и др. // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 32.
Пат. 94291, РФ. МПК F 04 B 51/00. Система управления энергопотреблением при эксплуатации канализационных насосных станций / Ф. В. Кармазинов и др. // Изобретения. Полезные модели. 2010. № 14.