Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Канализационная насосная станция (КНС) -- сооружение системы водоотведения, предназначенное для перекачки сточных вод из нижележащих коллекторов и трубопроводов в вышележащие или непосредственно на очистные сооружения. Необходимость в КНС возникает, когда рельеф местности не позволяет обеспечить самотечное движение стоков к точке приёма.
По виду перекачиваемых стоков КНС подразделяются на станции хозяйственно-бытовых сточных вод, дождевых (ливневых) стоков, производственных сточных вод и станции перекачки осадков. По конструктивному исполнению различают КНС шахтного типа (заглублённые), наземные с сухим машинным залом и компактные заводской готовности из стеклопластика или полиэтилена.
Расчёт канализационной насосной станции включает определение расчётного расхода, требуемого напора насосов, подбор насосного оборудования, расчёт объёма приёмного резервуара и разработку схемы резервирования. Все расчёты выполняются в соответствии с СП 32.13330.2018 "Канализация. Наружные сети и сооружения" (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85, с изменениями).
Расчётный расход -- ключевой параметр, определяющий производительность КНС. Согласно п. 8.2.1 СП 32.13330.2018, насосы, оборудование и трубопроводы следует выбирать в зависимости от расчётного притока и физико-химических свойств сточных вод, высоты подъёма и характеристик напорных трубопроводов.
Расчётный расход хозяйственно-бытовых сточных вод определяется на основании численности обслуживаемого населения, удельного водоотведения и коэффициента неравномерности. Максимальный часовой расход определяется по формуле:
Qmax.ч = qуд * N * Kmax / 1000, м3/ч
где: qуд -- удельное водоотведение, л/(чел*сут), принимаемое равным удельному водопотреблению по СП 30.13330; N -- расчётное число жителей; Kmax -- общий коэффициент максимальной неравномерности (произведение суточного и часового коэффициентов).
Коэффициент неравномерности водоотведения зависит от среднего расхода сточных вод. Значения общих коэффициентов неравномерности при обеспеченности 5% (95-й процентиль) приведены в таблице 1 СП 32.13330.2018:
Для КНС локальных объектов (жилые комплексы, промышленные площадки) расчётный расход определяется по суммарному водоотведению от присоединённых зданий с учётом коэффициента неравномерности. Методика расчёта водоотведения от отдельных зданий приводится в СП 30.13330 "Внутренний водопровод и канализация зданий".
Требуемый напор насоса КНС определяется по формуле:
H = Hgeom + hтр + hмс + hзап, м
где: Hgeom -- геометрическая высота подъёма -- разность отметок оси напорного трубопровода в точке излива и минимального уровня воды в приёмном резервуаре, м; hтр -- потери напора на трение по длине напорного трубопровода, м; hмс -- потери напора на местных сопротивлениях (задвижки, обратные клапаны, отводы, тройники), м; hзап -- запас напора на излив (свободный напор), обычно 1,0-2,0 м.
Геометрическая высота определяется из продольного профиля трассы напорного коллектора:
Hgeom = Zизл - Zmin, м
где Zизл -- отметка оси трубопровода в точке излива (переход в самотечный коллектор или точка сброса), Zmin -- отметка минимального уровня воды в приёмном резервуаре (уровень выключения насоса).
Потери на трение рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха или с использованием таблиц Шевелёва для напорных трубопроводов:
hтр = i * L, м
где i -- удельные потери напора (гидравлический уклон), м/м; L -- длина напорного трубопровода, м.
Удельные потери определяются из таблиц или по формуле: i = lambda * v2 / (2 * g * d) где lambda -- коэффициент гидравлического трения (определяется по формуле Колбрука-Уайта в зависимости от числа Рейнольдса и шероховатости стенок), v -- скорость потока (м/с), d -- внутренний диаметр трубопровода (м), g = 9,81 м/с2.
Потери на местных сопротивлениях определяются суммированием потерь на каждом элементе арматуры и фасонных частей:
hмс = SUM(zetai) * v2 / (2 * g), м
где zetai -- коэффициент местного сопротивления i-го элемента.
Согласно требованиям СП 32.13330.2018, скорость движения сточных вод в напорных трубопроводах следует принимать в пределах, обеспечивающих незаиливающий режим. Для хозяйственно-бытовых сточных вод минимальная скорость составляет не менее 0,7 м/с. Верхний предел скорости обычно ограничивают 2,5 м/с для предотвращения гидравлических ударов и чрезмерного износа трубопроводов.
Подбор насосов КНС осуществляется по двум основным параметрам: производительности (подаче) и напору. Рабочая точка насоса (пересечение характеристики насоса H-Q с характеристикой сети) должна находиться в зоне максимального КПД.
В современных КНС применяются преимущественно погружные центробежные насосы с рабочим колесом, адаптированным для перекачки загрязнённых жидкостей. Основные типы рабочих колёс:
Согласно п. 8.2.2 СП 32.13330.2018, количество резервных насосов принимается в зависимости от числа рабочих:
После предварительного подбора насоса необходимо построить характеристику сети и определить фактическую рабочую точку. Характеристика сети описывается зависимостью:
Hсети(Q) = Hgeom + S * Q2
где S -- гидравлическое сопротивление сети, определяемое из расчёта потерь при расчётном расходе: S = (hтр + hмс) / Q2
Рабочая точка насоса должна обеспечивать подачу не менее максимального расчётного притока при КПД не ниже 0,85 от максимального значения КПД данного насоса.
Объём приёмного резервуара -- один из ключевых параметров КНС. Согласно п. 8.2.15 СП 32.13330.2018, вместимость подземного резервуара насосной станции следует определять в зависимости от притока сточных вод, производительности насосов и допустимой частоты включения электрооборудования.
Минимальный полезный объём приёмного резервуара должен быть не менее объёма сточных вод, перекачиваемых одним насосом наибольшей производительности за 5 минут:
Wmin = Qнас * 5 / 60, м3
где Qнас -- производительность одного насоса, м3/ч.
Более точный расчёт выполняется из условия ограничения числа включений насоса. Для КНС с одним рабочим насосом (схема 1+1) используется формула:
W = Qнас / (4 * nmax), м3
где: Qнас -- производительность насоса, м3/ч; nmax -- максимально допустимое число включений насоса в час (определяется по паспорту насоса).
Эта формула получена из анализа цикла работы насоса: максимальная частота пусков достигается при притоке, равном половине производительности насоса (Qпр = 0,5 * Qнас). В этом режиме время заполнения рабочего объёма равно времени откачки.
Типовая канализационная насосная станция включает следующие основные элементы:
Приёмный резервуар (мокрый колодец) -- ёмкость для приёма и накопления сточных вод. В компактных КНС насосы устанавливаются непосредственно в резервуаре (мокрая установка).
Погружные насосные агрегаты -- рабочий и резервный (или несколько рабочих с резервными), установленные на направляющих с автоматической стыковкой к напорному патрубку.
Напорный трубопровод с запорной и обратной арматурой -- на каждом насосе устанавливается обратный клапан и запорная задвижка (или затвор).
Входная решётка или корзина -- для задержания крупных включений и защиты рабочих органов насосов. Размер ячейки должен быть не более свободного прохода рабочего колеса насоса.
Система автоматического управления -- шкаф управления с контроллером, поплавковыми или ультразвуковыми датчиками уровня. Обеспечивает автоматическое включение/выключение насосов по уровню, чередование рабочих насосов, аварийную сигнализацию.
В типовой КНС с двумя насосами (1+1) устанавливаются следующие уровни:
Разница отметок между уровнями "СТОП" и "ПУСК 1" определяет рабочий объём резервуара. Минимальное расстояние между поплавковыми датчиками обычно составляет 200-300 мм.
Согласно п. 8.2.6 СП 32.13330.2018, при двух и более напорных трубопроводах каждый из них должен быть рассчитан на пропуск полного расхода сточных вод. При одном напорном трубопроводе необходимо предусматривать аварийный выпуск сточных вод. Число напорных трубопроводов принимается в зависимости от категории надёжности КНС.
Объект: КНС для жилого комплекса
Расчётный максимальный приток: Qmax = 25 м3/ч (6,94 л/с)
Отметка лотка подводящего коллектора: Zподв = 95,50 м
Отметка точки излива напорного коллектора: Zизл = 104,00 м
Длина напорного трубопровода: L = 250 м
Материал напорного трубопровода: ПЭ 100, SDR 17
Диаметр напорного трубопровода: Dнар = 110 мм (dвн = 96,8 мм)
Схема работы: 1 рабочий + 1 резервный (1+1)
Минимальный уровень воды в резервуаре (уровень "СТОП") принимаем на 0,5 м ниже лотка подводящего коллектора:
Zmin = 95,50 - 0,5 = 95,00 м
Hgeom = Zизл - Zmin = 104,00 - 95,00 = 9,0 м
Скорость в напорном трубопроводе:
v = 4 * Q / (pi * d2) = 4 * 0,00694 / (3,1416 * 0,09682) = 0,0278 / 0,00736 = 0,94 м/с
(v = 0,94 м/с > 0,7 м/с -- условие незаиливания выполнено)
Потери на трение (по таблицам Шевелёва для ПЭ-труб d=96,8 мм при Q=6,94 л/с):
Удельные потери: i ≈ 0,014 м/м
hтр = i * L = 0,014 * 250 = 3,50 м
Местные сопротивления (на одну нитку):
Обратный клапан: zeta = 1,7
Задвижка: zeta = 0,15
Отводы 90 (3 шт.): zeta = 3 * 0,25 = 0,75
Выход в колодец: zeta = 1,0
SUM(zeta) = 1,7 + 0,15 + 0,75 + 1,0 = 3,60
hмс = 3,60 * 0,942 / (2 * 9,81) = 3,60 * 0,884 / 19,62 = 0,16 м
Запас на излив: hзап = 1,0 м
H = Hgeom + hтр + hмс + hзап = 9,0 + 3,50 + 0,16 + 1,0 = 13,66 м
Принимаем Hтреб = 14 м (с округлением в большую сторону).
Требуемые параметры: Q = 25 м3/ч, H = 14 м
Подбираем погружной канализационный насос с одноканальным рабочим колесом, свободный проход не менее 65 мм.
Рабочая точка насоса при Q = 25 м3/ч должна обеспечивать напор не менее 14 м, КПД -- в зоне оптимального значения.
Мощность двигателя (ориентировочная): P = rho * g * Q * H / (eta * 3600 * 1000) = 1000 * 9,81 * 25 * 14 / (0,55 * 3600 * 1000) = 1,73 кВт Принимаем насос с двигателем мощностью 2,2 кВт (ближайший стандартный номинал).
Допустимое число включений (по паспорту для насоса 2,2 кВт): nmax = 15 вкл./ч
По формуле ограничения пусков:
W = Qнас / (4 * nmax) = 25 / (4 * 15) = 0,42 м3
По минимуму СП 32 (5-минутная производительность):
Wmin = Qнас * 5 / 60 = 25 * 5 / 60 = 2,08 м3
Принимаем определяющее значение: W = 2,08 м3 (требование СП 32 более жёсткое).
Принимаем круглый корпус КНС. Рабочая высота слоя воды (между уровнями СТОП и ПУСК 1):
Для диаметра корпуса Dкнс = 1,5 м (площадь сечения S = pi*1,52/4 = 1,77 м2):
hраб = W / S = 2,08 / 1,77 = 1,18 м
Принимаем hраб = 1,2 м (после округления).
Согласно п. 8.2.5 СП 32.13330.2018, к каждому насосу рекомендуется предусматривать самостоятельный всасывающий трубопровод. Для погружных насосов с автоматической стыковкой (система направляющих) каждый насос подключается к индивидуальному напорному патрубку с обратным клапаном и задвижкой.
По п. 8.2.17 СП 32.13330.2018, в приёмных резервуарах следует предусматривать устройства для взмучивания осадка и обмыва стенок. Для компактных КНС эта функция может выполняться самим насосом при включении или специальной системой промывки.
КНС должна быть оборудована приточно-вытяжной вентиляцией. Для компактных КНС без обслуживаемого помещения предусматривается естественная вентиляция через вентиляционные стояки. Кратность воздухообмена для машинных залов КНС -- не менее 5 обменов в час (согласно СП 60.13330).
Помимо рабочего объёма, в КНС предусматривается аварийный объём -- запас ёмкости между уровнем аварийного переполнения и уровнем включения последнего (резервного) насоса. Аварийный объём должен обеспечивать время для прибытия аварийной службы или включения аварийного насоса.
Категория надёжности КНС определяется по СП 32.13330.2018 в зависимости от обслуживаемого объекта. Для КНС I категории (обслуживающих более 50 тыс. жителей) требуется полное резервирование оборудования и электроснабжение от двух независимых источников. Для КНС III категории (менее 5 тыс. жителей) допускается сниженное резервирование.
Минимальный объём определяется двумя условиями: требованием п. 8.2.15 СП 32.13330.2018 (не менее 5-минутной производительности одного насоса наибольшей производительности) и ограничением по допустимой частоте включения электрооборудования насосов, указанной в паспорте оборудования. Принимается большее из двух значений. Избыточный объём приводит к загниванию стоков и заиливанию дна.
Каждый пуск электродвигателя сопровождается пусковым током, превышающим номинальный в 5-7 раз. Частые пуски приводят к перегреву обмоток двигателя, повышенному износу подшипников, контактов пускателей и уплотнений. Для погружных насосов это особенно критично, поскольку охлаждение двигателя обеспечивается перекачиваемой жидкостью и при частых кратковременных циклах двигатель не успевает охладиться.
Согласно СП 32.13330.2018, минимальная скорость в напорных канализационных трубопроводах должна составлять не менее 0,7 м/с для обеспечения незаиливающего режима. Оптимальный диапазон скоростей для хозяйственно-бытовых стоков -- 1,0-2,0 м/с. При скорости выше 2,5 м/с возрастает риск гидравлических ударов.
Геометрическая высота подъёма -- это разность отметок между точкой излива напорного коллектора (переход в самотечный коллектор или колодец гашения напора) и минимальным рабочим уровнем воды в приёмном резервуаре КНС (уровень "СТОП" насоса). Определяется по продольному профилю трассы и глубине заложения КНС.
Да. На напорном патрубке каждого насоса устанавливается обратный клапан, предотвращающий обратный ток жидкости через неработающий насос. Также на каждом насосе устанавливается запорная задвижка (или затвор) для возможности демонтажа насоса без опорожнения напорного трубопровода. Обратный клапан устанавливается между насосом и задвижкой.
Частотное регулирование позволяет плавно изменять производительность насоса в зависимости от притока. Основные преимущества: снижение числа пусков двигателя (плавный пуск), уменьшение объёма приёмного резервуара, снижение энергопотребления при неполной нагрузке, уменьшение гидравлических ударов в напорном трубопроводе. Однако необходимо обеспечивать минимальную скорость в напорном трубопроводе для предотвращения заиливания.
В КНС мокрого типа (наиболее распространённый для компактных станций) погружные насосы устанавливаются непосредственно в приёмном резервуаре, погружённые в перекачиваемую жидкость. В КНС сухого типа насосы размещаются в отдельном машинном зале, отделённом от приёмного резервуара стеной, и подключаются к резервуару через всасывающие трубопроводы. КНС сухого типа обеспечивают более удобное обслуживание, но требуют значительно больших размеров и заглубления.
Для хозяйственно-бытовых сточных вод без предварительного процеживания свободный проход рабочего колеса должен составлять не менее 65-80 мм. Это обеспечивает прохождение типовых загрязнений (гигиенические принадлежности, тряпки, пищевые отходы). Для КНС с предварительным процеживанием через решётку достаточно свободного прохода 40-50 мм.
Неравномерность притока учитывается коэффициентом общей максимальной неравномерности Kgen.max, значения которого приведены в таблице 1 СП 32.13330.2018. Коэффициент зависит от среднего расхода и уменьшается с ростом водопотребления. Для малых систем (5 л/с) Kgen.max = 2,5, для крупных (5000 л/с и более) -- 1,35. Производительность насосов подбирается на максимальный приток с учётом этого коэффициента.
КНС допускается устанавливать в зонах возможного подтопления при условии обеспечения герметичности корпуса и надземной части (горловины, шкафа управления). Верх горловины должен быть выше расчётного уровня подтопления. Корпус из стеклопластика или ПЭ рассчитывается на действие выталкивающей силы грунтовых вод; при необходимости предусматривается пригруз или анкерение к бетонному основанию.
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Информация предназначена для общего ознакомления инженерно-технических специалистов с методикой расчёта канализационных насосных станций и не может использоваться в качестве проектной документации.
Автор не несёт ответственности за последствия применения данной информации при проектировании, строительстве или эксплуатации реальных объектов. Проектирование КНС должно выполняться квалифицированными специалистами проектных организаций в соответствии с действующими сводами правил и стандартами. Приведённый пример расчёта является иллюстративным и не заменяет полноценного проектного решения.
1. СП 32.13330.2018 "Канализация. Наружные сети и сооружения" (Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85, с изменениями).
2. СП 31.13330.2021 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения".
3. СП 30.13330.2016 "Внутренний водопровод и канализация зданий" (с изменениями).
4. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод. -- М.: Издательство АСВ.
5. Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции. -- М.: Стройиздат.
6. Шевелёв Ф. А., Шевелёв А. Ф. Таблицы для гидравлического расчёта водопроводных труб. -- М.: Стройиздат.
7. Grundfos. The Sewage Pumping Handbook (техническое руководство по проектированию канализационных насосных станций).
8. Дягилев М. А. Расчет емкости приемного резервуара канализационных насосных станций с погружными насосными агрегатами // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. N 11.
9. Дягилев М. А. Расчёт ёмкости приёмного резервуара канализационной насосной станции // Водоснабжение и санитарная техника. 2014. N 1.
10. Xylem (Flygt). Design recommendations for pump stations with midrange centrifugal Flygt wastewater pumps (технические рекомендации).
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.