Насосное оборудование для "Большой воды"

Аннотация. Приводится структура использования насосного оборудования в качестве мероприятий по защите населения, территорий и ликвидации последствий затоплений: инженерная защита (стационарные комплексы) и ликвидация последствий (мобильные комплексы). Использование насосного оборудования рассматривается в контексте разработки проектов, совершенствования технологий строительства, выбора конструктивных и технологических решений.

Ключевые слова: ликвидация затоплений, погружной насос, мобильный насос.

Международный анализ числа жертв природных катастроф свидетельствует о том, что наводнения являются третьим по величине стихийным бедствием после циклонов, тайфунов, штормов (на первом месте) и землетрясений (на втором месте). 

На явления катастрофических затоплений территорий России (г. Крымск, Амурская область, г. Хабаровск, Благовещенск, Комсомольск-на-Амуре, Еврейская автономная область, г. Биробиджан) невозможно ответить молниеносно инженерными решениями. Но в последние десятилетия наблюдается режимная тенденция роста количества осадков в средних и высоких широтах, что приводит к увеличению годового стока рек. Наблюдения за уровнем паводков последних лет в Европе, России и других странах мира подтверждают мнение ученых о том, что глобальный климат становится более экстремальным. Очевидно, что сами катастрофические затопления территорий предотвратить невозможно, но разрушительные последствия можно сократить.

Разрушительная сила стихийных бедствий огромна, но не безгранична. При соответствующих мерах по их прогнозированию, предотвращению, своевременном оповещении населения об их приближении, своевременном принятии мер защиты и решительной борьбе с ними губительных последствий можно избежать или свести их к минимуму.

Масштабы чрезвычайной ситуации с затоплением местности, вызванные авариями на гидротехнических сооружениях, зависят от его типа и класса, вида аварии (главным образом, от размера пророна), параметров водохранилища и плотины (дамбы), характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических, географических и других условий местности, подвергаемой катастрофическому затоплению.

Мировая практика имеет примеры строительства уникальных инженерно-защитных сооружений. Так, например, в Нидерландах вдоль морского побережья возведены дамбы протяженностью в десятки километров, которые защищают от катастрофических морских штормов почти 50% территории страны, где проживает около 60% населения.

Не случайно именно Нидерланды являются одним из искуснейших производителей насосной техники (например, завод Nijhuis, производящий насосы с максимально достижимым КПД, до 94%). Превентивные мероприятия по защите населения и территорий в чрезвычайных ситуациях природного характера включают строительство специальных сооружений, среди которых насосная техника является функционально-исполнительным звеном. Она позволяет осуществлять мероприятия по противодействию наводнениям, к примеру, перераспределение максимального стока между водохранилищами, переброска стока между бассейнами и внутри речного бассейна и т. д., а также эффективно ликвидировать и смягчать последствия затоплений.

Использование насосного оборудования рассматривается в контексте разработки проектов, совершенствования технологий строительства, выбора соответствующих конструктивных и технологических решений, рис. 1.

При этом, по нашему мнению, наиболее современным техническим решениям соответствует оборудование на базе погружных насосных агрегатов. Именно погружная насосная техника1 [1] наиболее приспособлена для работы в зонах затоплений, что отвечает принципам надежности работы узлов перекачки, их работоспособности в условиях чрезвычайных ситуаций. Другим важным аспектом выбора насосного оборудования является его высокая производительность или мощность, поскольку тема охватывает катастрофические затопления и подтопления. Совершенствование конструкции мощных погружных насосных агрегатов создало основы для разработки новых проектных решений их применения в насосных станциях современного поколения.

Насосные станции перераспределения стока осуществляют связь между водохранилищами, переброску стока между бассейнами и внутри речного бассейна, задачи мелиорации и ирригации и т. д.

Наиболее ярким примером применения погружных осевых насосов для решения подобных задач является насосная станция на дамбе Эймейден (Голландия) с насосами производства Nijhuis, внесенными в Книгу рекордов Гиннеса в качестве насосов с самой большой подачей в мире — 60 м3 /с (216000 м3 /ч), рис. 2. Подобный рекорд еще долгое время будет оставаться недостижимым

Станции перераспределения стока могут перекачивать не только воду, а ее грунтовую смесь или пульпу. Таким образом, они способны решать две задачи одновременно: экологическую реанимацию водоемов и подачу строительного материала для формирования дамб. Пожалуй, самым ярким примером служит гидронамыв в условиях морских вод — как вариант с агрессивным влиянием солей на насосную технику и повышенными требованиями к качеству изготовления электродвигателей. Важность последнего подтверждается повышенными нагрузками на электродвигатели вследствие высокого удельного веса водопесчаных пульп (требуется запас мощностей) и конструктивных особенностей погружных электродвигателей.

Самые крупные в мире землесосные снаряды Vasco da Gamma и Leiv Eriksson принадлежат бельгийской фирме, рис. 3. Они сконструированы на основе погружных электродвигателей Ingeteam (Северная Испания) — одного из крупнейших производителей. Параметры двигателей: мощность  6,5 МВт; напряжение 3,1 кВ; скорость вращения 253 об/мин.

Экипированная насосным оборудованием судоходная техника предназначается для намыва дамб, но иногда выполняет уникальные задачи: например, намыв искусственных островов под строительство в Объединенных Арабских Эмиратах

В группу Ingetam входит производитель погружной насосной техники Indar. Уникальность этого оборудования отвечает самым высоким требованиям по производительности (до15000 м3 /ч) и напорам (до 1200 м) при установленной мощности двигателей до 2,5 МВт и выше в стандартной «линейке». Исполнение для напряжений 0,38; 0,66; 3; 6 и 10 кВ достаточно гибко соответствует потребностям объектов. Кроме того, при высоких мощностях переход на повышенное напряжение питания способствует уменьшению диаметра кабеля и его гибкости, что необходимо при работе с погружной техникой.

В качестве примера переброски стока внутри речного бассейна удачно реализован проект строительства насосной станции на дамбе для закачки воды из р. Царев в Приволжский затон и далее в канал 1 Мая и р. Кутум, рис. 4.  

Производительность станции в летний период межени составляет 17 м3 /сек (61000 м3 /ч), а в весенние периоды паводка количество откачиваемой воды из водотока составляет не менее 9 м3 /сек (32000 м3 /ч). При этом разница напоров «межень — паводок» составляет 5 м. К устройству принято восемь погружных насосов, включая резервные агрегаты

Для увеличения производительности, представленной на рис. 4 станции водоотлива могут быть рекомендованы насосы Indar 6, 10 кВ, рис. 5. Производительность каждого агрегата до 25 000 м3 /ч, при Н до 7 м.

Данный тип насосов разработан для достаточно тяжелых условий эксплуатации при перекачках. На станциях перераспределения стока в Мексике сложилась критическая ситуация (рис. 6). Мусор и отбросы, подлежащие перекачке, блокировали работоспособность насосов. Засорам подвергались рабочие колеса и проточная часть водоподъемной колонны (намотка длинноволокнитстых отложений на кабель внутри колонны). После замены агрегатов ситуация стабилизировалась. Разработка формы рабочих колес учитывала эффект самоочистки, а кабельный ввод был изготовлен совместно с водоподъемной колонной — минимально коротким. Способ компьютерного моделирования (или CFD анализ), вошедший в регулярную практику производителя, помогает предсказывать результат от конструктивных инноваций.

Дренажные насосные станции рассматриваются для целей общего водопонижения и обеспечения работоспособности ГЭС и других гидротехнических сооружений в штатных и экстремальных условиях.

Принцип совместной работы рассредоточенных дренажных систем и насосной станции с погружными агрегатами реализован водоканалом г. Якутска, рис. 7. Дренажные системы выполнены трехслойно с использованием щебня фракциями 20–40 мм, 10–20 мм, 5–10 мм. Аналогичные дренажи целесообразно использовать с целью водопонижения подтопленных территорий в сборных лиманах в качестве стандартного комплекса инженерной защиты. Рядом с лиманом и его дамбой исполняется ковшовый водозабор с дренажной системой, связанной гидравлически с насосной станцией. На время строительных работ отгородительная дамба сохраняется. 

Данная насосная станция универсальна. Системы дренажей дублируются устройством высокопроизводительных оголовков руслового типа, что позволяет рассматривать данную насосную станцию и для целей перераспределения стока.

В отличие от рис. 4 и 6, установка погружных насосов производится на специальный напорный патрубок, а не в водоподъемные колонны (как на рис. 4, 6). Тип рабочих колес насосов также изменяется с осевых на центробежные2 , что приводит к изменению формы «улитки» рабочего колеса и способу ее крепления в резервуарах. Главная причина этому — предпочтительная потребность в повышенных напорах. Такое исполнение моноблочных агрегатов очень часто используется для условий канализационных насосных станций. И в данном случае производителю Indar нет равных (на единицу оборудования): Q до 10500 м3 /ч, Н до 140 м, Р до 2,5 кВт, рис. 8. Водоотливы с подтопленных территорий через сборные лиманы могут быть выполнены также в виде береговых водозаборов в отсутствии дренажных систем.

Катастрофические последствия и человеческие жертвы на Саяно-Шушенской ГЭС создали импульс к использованию на гидротехнических сооружениях погружных насосных агрегатов. В проектировании систем жизнеобеспечения ГЭС (ГАЭС) стали предусматриваться системы аварийного осушения с применением мощных погружных насосов.

Проекты Загорской ГАЭС-2 и Рогунской ГЭС (Таджикистан), разработчик — ОАО «Институт Гидропроект» имени С. Я. Жука, используют этот новый стандарт на базе насосной техники Indar при проектировании систем общей производительностью системы до 15000 м3 /ч при напорах до 55 м. Поскольку чертежи режимных объектов привести в качестве примера не представляется возможным, приведем схемное решение с аналоговыми конструктивными элементами, рис. 9. Простота установки насосов налицо.

Особенность агрегатов — некритичность к протечкам. Заполненные водой, антифризом или маслом электродвигатели с конструктивными элементами компенсации перепада давления (на погружение и/или разность температур) позволяют применять насосы на больших глубинах до 600 м.

Замена полупогружных агрегатов в насосных станциях осушения проточной части турбин на погружные не только повысила надежность системы, но и существенно сократила эксплуатационные затраты за счет увеличенного межремонтного интервала и применения энергосберегающего оборудования (короткие валы агрегатов увеличивают общий КПД агрегатов).

Ливневые насосные станции являются стандартным техническим решением для ЖКХ. Но, вместе с тем, следует отметить, что не всегда реализованные решения эксплуатируются в работоспособном состоянии, рис.10. Поддержание сетей водостока и ливневых коллекторов в работоспособном состоянии — отдельная задача, не требующая комментариев.

Проекты ливневых станций, разработанные ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», рассчитаны как крупные водоотливы производительностью 40000, 70000, 100000 м3 /ч, рис. 11. Основные конструктивные размеры для привязки аналогичного оборудования назначены в [2].

Проект предусматривает водопропускные сетки, собирающие мусор и отбросы, перед дробилками фрезерного типа в погружном исполнении IP68, а также специальные зоны для равномерного распределения потоков вод между агрегатами. Данное распределение позволяет устранить негативное взаимовлияние рабочих агрегатов друг на друга, воронкообразование при условии минимального конструктивного размера приемного резервуара. Это в свою очередь позволит достичь расчетных режимов при эксплуатации, способствует минимуму капитальных затрат и поддержанию приемного резервуара в чистоте.

В качестве сравнения с техническими решениями на полупогружных агрегатах можно заметить, что использование погружных насосных агрегатов позволяет понизить объем капитальных вложений в 2 раза и сократить сроки строительства на 40%, за счет отказа от строительства капитального наземного здания. На рис. 12 отчетливо заметно различие в геометрических размерах станции с погружными насосами (а) и полупогружными (б) традиционной компоновки. Современная насосная станция не имеет машинного зала и является необслуживаемой. Монтаж и демонтаж насосных агрегатов производится автокраном. В таком проектном решении есть и эстетическая составляющая, а именно возможность строительства в живописных местах, не отягощая пейзаж видом габаритного технологического сооружения. 

Для проекта, рис. 11 и 12, фирмой Indar изготовлены насосные агрегаты в погружном исполнении, рис. 13. Параметры насосных агрегатов: Q = 15300 м3 /ч, H = 18 м, Р = 1,1МВт, КПД = 91,5%, 10 кВ. Общее количество — 8 ед. Испытания3 насосных агрегатов проводились в марте 2013 г. в присутствии российских специалистов (ОАО «Мосводоканал», ОАО «Институт Гидропроект», ОАО «Мособлгидропроект»). При этом в ходе испытаний насосов был зафиксирован более высокий КПД (на 0,57%), чем ранее заявленный производителем.

Оригинальное проектное решение может стать базовым для разработки проектов крупных ливневых насосных станций в РФ, в том числе в городах, готовящихся к проведению Чемпионата мира по футболу в 2018 г. [3]. Программой предусмотрены строительство и реконструкция 28 объектов теплоснабжения, водоснабжения, водоотведения, непосредственно связанных с обеспечением спортивных объектов, включая строительство насосных станций и очистных сооружений ливневого стока.

Перекачка вод на дальние расстояния из зон затопления требует высоких напоров. 

В условиях затоплений основной задачей является быстрое введение в строй насосных станций. Возможно ли это, когда речь идет о высоковольтных насосах с мегаваттной мощностью? Обычно строительство крупных насосных станций растягивается на многие месяцы. Оказывается, да, возможно! 

Данное условие может быть обеспечено при существенном сокращении объема и времени проведения СМР при использовании высоконапорных погружных агрегатов. Для их монтажа в рабочее положение в лиманах и нижних отметках подтопленных территорий достаточно установки направляющих рельсов (при наклонном исполнении, рис. 14) и нескольких фундаментных блоков (при горизонтальном исполнении насоса, рис. 15). Возможность исполнения погружного электродвигателя на разное питающее напряжение (0,38; 0,66; 3; 6 или 10 кВ)4 позволяет обойтись без понижающих трансформаторных подстанций.

Использование данных типов оборудования позволяет производить перекачки рабочими напорами до 935 м, расходами до 9000 м3 /ч, а также использовать их на больших глубинах погружения до 600 м. Погружные насосы монтируются краном. 

Перекачка вод на близкие расстояния связана с необходимостью локальной откачки из зон затоплений, подвалов, аварий на сетях водопровода, канализации, теплоснабжения, а также водопонижения (при комплектации иглофильтровальными установками).

Набор инженерных решений включает использование высокопроизводительных агрегатов для вариантов комплектации автономными источниками электроэнергии, так и в их отсутствии, рис. 16. Мобильные насосные станции характеризуются следующими рабочими параметрами: Q до 9000 м3 /ч, H до 130 м. Дизельные или бензиновые приводы обеспечивают работоспособность в условиях отсутствия электроснабжения. 

Так, для контроля уровня воды и предотвращения наводнения на Загорской ГАЭС работают четыре дизельных насосных агрегата BBA, общая производительность которых составляет 20000 м3 /ч, рис. 17. Максимальная производительность агрегата составляет 5500 м3 /ч при напоре 37 м. 

Решающую роль при выборе насосных агрегатов сыграли такие характеристики, как КПД и широкий свободный проход 125 мм. Насосные агрегаты обеспечивает высокую производительность при минимальном расходе топлива. В летнее время данные агрегаты могут использоваться для откачки сточных вод.

Принцип насосной перекачки данных агрегатов — самовсасывающий и не требующий их заливки перед пуском — в значительной степени упрощает их использование в чрезвычайных ситуациях

Быстровозводимые и мобильные насосные станции приспособлены к использованию и в другой чрезвычайной ситуации — при пожаротушении, и в полной мере могут реализовать свои преимущества при решении обратной задачи: транспортировке больших объемов воды к местам тушения крупных очагов пожара. 

Основные достоинства мобильной техники — независимость от стационарных источников электропитания, позволяют применять при решении задач, не связанных с природными явлениями (откачка воды при авариях на объектах ЖКХ, устройство временных насосных станций при ремонтных работах, пожаротушение) и имеют высокий арендный потенциал для владельца техники.

Особенности управления погружными насосами связаны с их конструкцией, обеспечивающей эффективное охлаждение электродвигателей. Это способствует увеличению часового количества пусков в 3–5 раз (в зависимости от мощности агрегата), по сравнению с традиционной техникой «сухого» исполнения. В случаях, когда питающие сети способны выдержать пусковые токи, подобная техника легко справляется без частотного регулирования и устройств плавного пуска, что упрощает мобильность использования.

Конструктивной особенностью погружных насосов является наличие датчиков, которые по жилам контрольного кабеля связаны со шкафами управления и выдают сведения о работоспособности оборудования для формирования информационных протоколов о состоянии: 

• статора: термопары обмоток, Pt-100 — текущая температура, датчики течи воды (как в статор, так и в клеммную коробку);

• подшипников: Pt-100 — текущая температура

Кроме того, в насос встроены антиконденсатные нагреватели для защиты полости статора и клеммной коробки.

Для силового оборудования сохраняется возможность использования традиционной для баз АСУ ТП информации: наработка моточасов, текущие токовые нагрузки и напряжение, перекос фаз.

При потребности в технологическом управлении задействуются датчики уровня (поплавкового типа или давления), реализуется стратегия поочередного включения или выключения агрегатов, включая резервные единицы.

Вместе со всеми достоинствами необходимо отметить, что мощные насосные агрегаты не являются складской продукцией для заводов-производителей. Их поставка в сроки, меньшие 8–10 недель, носит исключительный, случайный характер. Как правило, для изготовления крупного насосного агрегата может потребоваться от 15 до 45 недель и более. Поэтому их заказ, производство и поставка должны носить превентивный характер.

Представленные в статье технические решения и оборудование соответствуют также инженерному оформлению целей и задач федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–2020 годах» [4].