Подбираем водоотливные насосы для стройки
Продолжаем серию статей, посвященных вспомогательному оборудованию для строек (см. «Генераторные установки»).
При подготовке строительного участка к началу работ часто проводятся работы по водопонижению, т. е. понижению уровня грунтовых вод. В процессе строительных и коммунальных земляных работ нередко приходится производить водоотлив – удалять грунтовые и дождевые воды, заполняющие котлованы и траншеи. Эти важные работы выполняются с помощью водоотливных насосов.
Чтобы правильно подобрать насос и обеспечить его надежную работу, а вместе с ней и соблюдение графика всех строительных работ, необходимо выяснить условия будущей эксплуатации агрегата. На рынке работает много производителей насосов, каждый из которых рекламирует свою продукцию как «самую лучшую именно для ваших условий работы». Можно просто утонуть в этом потоке информации и запутаться во множестве типов и моделей насосов.
Насосы – сравнительно простые механизмы. Конструкции водоотливных насосов строительного назначения уже на протяжении нескольких десятилетий не претерпевают принципиальных изменений и хорошо знакомы потребителю. Но какой же насос лучше всего подходит для выполнения данной конкретной работы? Насосы, которые используются на строительном объекте, должны быть выносливыми и надежными, не засоряться твердыми частицами и илом и не выходить из строя из-за неправильного обращения операторов.
Расчет количества воды и ее характеристики
Первым шагом в осуществлении плана водопонижения будет определение количества воды, поступающей из грунта в водосборный котлован, и времени, за которое ее необходимо откачивать. По объему воды, которую надо откачивать, подсчитывают требуемую производительность насоса (насосов) в л/мин или м3/час. Имеется в виду количество жидкости, вытекающей непосредственно на выходе насоса. Чтобы определить объем на конце сливной магистрали, необходимо вычесть потери от сопротивления. Также выбирают типоразмеры насосов и их количество.
Компания Atlas Copco приобрела в 2015 г. итальянскую компанию – производителя насосов Varisco S.p.A. Среди прочей продукции Varisco поверхностные самовсасывающие центробежные насосы для грязной воды и жидкостей с твердыми включениями серии J с корпусом из износостойкого чугуна, с одно- или трехфазными электродвигателями мощностью от 1,1 до 55 кВт. Насосы серии J развивают производительность от 22 до 1200 м3/ч, напор от 12 до 108 м, имеют глубину всасывания от 4 до 10 м, способны перекачивать воду с твердыми частицами размером до 76 мм.
Подобранные насосы должны иметь такую производительность, чтобы перекачивать максимально возможное в данном случае количество поступающей жидкости. Специалисты советуют выбирать насос с достаточно большой производительностью, чтобы откачивать воду быстро. «Установил – и тут же откачал воду». Чтобы не сорвать график работ при внезапном отказе водоотливного насоса, рекомендуется обязательно иметь два или три насоса: один работает, один в резерве и один на ремонте. И еще одна рекомендация от специалистов: независимо от типа насоса целесообразно применять несколько насосов небольшой производительности вместо одного насоса с большой подачей.
Оптимальный режим работы и кавитация. Обычная беда строителей – неправильный подбор насоса для выполнения данной конкретной задачи и фундаментальное непонимание законов гидравлики. Выбрать насос с чрезмерно большой производительностью может быть так же плохо, как и со слишком малой. Если выбрать насос со слишком большой производительностью, он будет перегреваться, т. к. перекачивает недостаточное количество воды, большинство моделей насосов имеют ограничение по минимальному количеству перекачиваемой воды. Иногда люди включают насос на повышенную скорость (обороты), думая, что это поможет охладить насос, т. к. лучше будет всасывать воду. Это, конечно, неправильно.
Обратите внимание: на рабочей характеристике насоса существует «оптимальная зона», в которой он должен работать. Если насос будет работать на режимах, выходящих за пределы этой оптимальной зоны в большую или меньшую сторону по производительности, может возникать кавитация, т. е. образование и исчезновение в жидкости пузырьков. В случае понижения давления в жидкости до уровня давления насыщенного пара при данной температуре жидкость начинает закипать, образуя мелкие пузырьки с паром. При попадании пузырьков на детали насоса давление жидкости возрастает, и пузырьки резко схлопываются. Микровзрывы кавитационных пузырьков с образованием в жидкости ударной волны в ультразвуковом диапазоне приводят к повреждению деталей насоса.
Чтобы предотвратить кавитацию, давление на входе в рабочее колесо насоса должно быть несколько больше давления насыщенных паров жидкости при такой температуре. Величину минимально необходимого превышения давления на входе насоса, когда кавитации не бывает, над давлением насыщенного пара жидкости при такой же температуре принято называть кавитационным запасом (NPSH). Эта величина кавитационного запаса является одной из важнейших характеристик центробежных насосов.
При выборе насоса многие покупатели ориентируются по величинам его максимального напора и производительности. Однако часто забывают учитывать еще одну важную характеристику – оптимальный режим работы, при котором двигатель привода насоса работает оптимально, не испытывая перегрузок и с максимальным к.п.д. Оптимальный режим можно определить по графику к.п.д. работы насоса. Приблизительно этот оптимальный режим находится на середине параметров насоса. В сложных случаях подбор оптимально работающего насоса следует поручить специалистам.
Тип, состав перекачиваемой воды. Необходимо выяснить, не загрязнена ли вода, которая будет откачиваться, и чем: песком, илом, землей, нефтепродуктами, другими химическими веществами, будут ли в составе перекачиваемой жидкости твердые частицы, в каком количестве и какого размера. Для перекачивания жидкостей каждого типа существуют специальные насосы, и именно такой насос будет работать надежно и безотказно. В зависимости от типа жидкости может потребоваться, чтобы детали насоса были выполнены из специальных материалов (например, уплотнения из химически стойкой резины). Насос, который не предназначен для перекачивания жидкостей с твердыми частицами, может стоить дешевле, но он быстро засорится и выйдет из строя, если в перекачиваемой жидкости окажутся твердые частицы и мусор.
Следует также заранее поинтересоваться, какова будет температура воды, т. к. насосы имеют определенный допустимый диапазон температур перекачиваемых жидкостей. Вряд ли это относится к грунтовым водам на стройке, но если температура жидкости будет высокой, это может вызвать кавитацию в насосе или насос вообще не сможет перекачивать слишком горячую или холодную жидкость.
Рабочие характеристики насоса
После того как определено, какое количество воды должен перекачивать насос, наступает очередь других характеристик.
Геометрическая высота всасывания. При подборе насоса для водопонижения важно правильно определить геометрическую высоту (глубину) всасывания. Напомним, что высота всасывания – это глубина (по вертикали), с которой насос способен всасывать воду в свой корпус, расстояние от поверхности воды до всасывающего патрубка насоса.
По законам физики теоретически в идеальных условиях допустимая высота всасывания, соответствующая нормальному атмосферному давлению, составляет 1013 мбар = 1013 кПа, что соответствует 10,33 м вод. ст. Дальше атмосферное давление сравняется с весом столба воды (плюс потери на сопротивление потоку в трубе), и насос не сможет закачивать. Практически же значение высоты всасывания зависит от характеристик насоса и ряда других показателей и обычно не превышает 7,5–8,5 м вод. ст. От диаметра питающего шланга высота всасывания не зависит. Соответственно, если насос работает в горной местности, высоко над уровнем моря, где атмосферное давление ниже, возможная высота всасывания будет еще меньше. Поэтому специалисты рекомендуют устанавливать насос как можно ближе к поверхности воды, на высоте не более чем 7,5 м от поверхности.
Если вода скапливается в глубоком котловане, рекомендуется устраивать специальные бермы-террасы для установки насосов ближе к воде или устанавливать насосы на понтонах. Подпор можно увеличить, установив перед основным насосом вспомогательный. Однако слишком большое давление на входе в насос также нежелательно – оно может стать причиной разгерметизации уплотнений насоса и утечки жидкости.
Напор. Высота нагнетания (напор) – это расстояние по вертикали от выпускного патрубка насоса до уровня (горизонта), на которое насос способен поднять воду за счет создания избыточного давления. Может выражаться также в единицах давления, например, в атмосферах. Одна атмосфера давления примерно соответствует 10 м высоты нагнетания воды. Высоту нагнетания ограничивают только мощность и конструкция насоса. Высота от насоса до поверхности воды здесь не учитывается. Обычно насос, предназначенный для подачи жидкости под большим давлением, имеет выходной патрубок меньшего диаметра, чем входной, чтобы создавать нужный напор на выходе.
Шведская компания Grundfos предлагает центробежные насосы серии EF с электромоторами мощностью 1,5 кВт, предназначенные для перекачивания грунтовых, поверхностных, стоячих и других вод с твердыми частицами размером до 30 мм. Насосы развивают подачу до 46 м3/ч и напор до 25 м, температура перекачиваемой жидкости – от 0 до +40 °С.
Иногда на выходе водопонижающего насоса ставят кран или задвижку, чтобы регулировать напор. Следует учесть, что при таком ограничении напора снижается к.п.д. насоса, так как подача уменьшается, а потребляемая мощность остается на прежнем уровне. Более эффективным методом регулирования подачи является уменьшение скорости вращения насоса путем снижения оборотов двигателя привода. В этом случае подача воды уменьшается с пропорциональным снижением потребляемой мощности.
Расстояние подачи по горизонтали. Расстояние по горизонтали, на которое может подавать воду насос, преодолевая сопротивление трубопровода потоку, рассчитывается по величине напора приблизительно из соотношения 1:10, т. е. если, например, напор равен 4 м, насос может подавать воду по горизонтали на расстояние до 40 м. Однако расстояние по горизонтали может регулироваться: сопротивление потоку в горизонтальном трубопроводе можно уменьшить (чтобы увеличить дальность подачи воды), увеличив диаметр трубопровода.
Способность к самовсасыванию, удалению воздушных пробок. Если насос не погружной, а поверхностного типа и установлен на некоторой высоте над поверхностью воды, владелец может столкнуться с проблемой первоначального заполнения всасывающей линии насоса, прежде чем он сможет засасывать воду. Существуют самозаполняющиеся насосы, которые благодаря особенностям конструкции способны после пуска самостоятельно избавляться от воздушных пробок.
Другие насосы не способны самостоятельно заполнить всасывающую линию и нуждаются в специальной системе, обеспечивающей первоначальное заполнение насоса и удаление воздушных пробок. Эти системы «подкачки» могут иметь различные конструкции. Иногда вода заливается вручную.
У насосов некоторых производителей подкачивающее устройство для заполнения насоса перед пуском встроено в конструкцию самого насоса. Однако в этом случае усложняется насосная установка и снижается ее надежность: в случае выхода из строя заполняющей системы не сможет работать и насос. Другие производители предлагают отдельные, дополнительные системы первичного заполнения насосов, их проще диагностировать и ремонтировать.
В технической документации насосной установки способность выгонять воздушные пробки может указываться в м3/мин.
Размеры и уровень шума. Проанализируйте условия работы на строительном объекте, есть ли какие-то специфические условия или ограничения, потребуется ли какое-то дополнительное оборудование для насоса? Уровень шума от работы насоса как-то ограничивается местными законами? В этом случае для насоса может потребоваться шумоизолирующий кожух. В каком месте будет устанавливаться насос? Достаточно ли там пространства для размещения или нужно подбирать компактную модель?
Так, американский концерн Xylem Inc. предлагает самовсасывающие насосы Dri-Prime принадлежащего ей бренда Godwin, высота при всасывании всухую составляет до 8,5 м. Насосы оснащаются электрическими и дизельными двигателями, предназначены для перекачивания грунтовых вод. Насосы серии CD развивают производительность 80–3500 м3/ч и напор 32–60 м, имеются три модели повышенного напора – до 85 м, размер твердых частиц в воде – до 125 мм. Насосы серии HL развивают производительность 107–1200 м3/ч и напор 100–160 м, имеются три модели повышенного напора – до 193 м, размер твердых частиц в воде – до 65 мм. Все насосы могут устанавливаться на прицепы, а также оборудоваться шумозащитным кожухом.
Когда покупатель определится с перечисленными выше параметрами насоса, он сможет подобрать агрегат, оптимально подходящий для работы на данном строительном объекте.
Привод насоса
Привод насосов может осуществляться через гидропередачу или напрямую от дизельного, бензинового и газового двигателя или электромотора, через упругую муфту, ременную передачу или фланцевое соединение. Если на строительном объекте имеется электропитание, то рекомендуется использовать электромоторы, они более экологичны и к тому же меньше нуждаются в техобслуживании. Подвод электроэнергии к насосам рекомендуется производить по двум электрическим цепям для повышения надежности питания. Кроме того, рекомендуется иметь резервный дизель-генератор, предпочтительно работающий на газе.
Гидропривод используется, если высота всасывания превышает 9 м, и для погружных насосов. Приобретая погружной насос для скважины, лучше сразу остановить свой выбор на модели, мощность которой несколько превышает требуемое значение. Такой подход при выборе насосного оборудования даст вам возможность в дальнейшем модернизировать свою насосную станцию, если в этом возникнет необходимость.
Подбирая насос, следует выяснить, какой силовой установкой он будет приводиться в действие и удобно ли будет вам использовать данную силовую установку, есть ли на вашем строительном объекте условия для эксплуатации данной силовой установки.
Следует также учитывать, что насосы с электрическим приводом обычно рассчитаны только на одну скорость вращения, а большинство насосов с дизельными двигателями оснащаются регулятором, позволяющим изменять частоту вращения коленчатого вала двигателя в безопасном диапазоне и, следовательно, регулировать производительность насоса.
Двигатели внутреннего сгорания и электромоторы подбирают таким образом, чтобы их мощности было достаточно для обеспечения работы насоса с максимальной производительностью на наиболее эффективном скоростном режиме.
Следует выяснить и учитывать длительность работы насосной установки на одной заправке, особенно если эксплуатировать насос придется в отдаленной местности, куда сложно доставлять топливо. Использование насосных установок, способных длительное время работать без дозаправки, позволяет экономить на трудозатратах.
Прочее оборудование насосов
Следует заранее продумать и позаботиться о приобретении дополнительного оборудования для насосной установки и организации водоотлива.
Насосные установки могут оснащаться тепловым предохранителем, который выключает насос при перегреве или при превышении предельной величины электрического тока питания, например, при коротком замыкании. Также современные насосные установки оснащаются диагностическим оборудованием.
Насосные установки с двигателями внутреннего сгорания оснащаются топливными баками с двойными стенками, чтобы исключить случайные повреждения баков машинами, работающими на данном строительном объекте.
Обычно в штатную комплектацию насосов не входят шланги, рукава и трубы, ведь длину и диаметр шлангов или труб нужно подбирать по месту. Потребуются и соответствующие фитинги к этим рукавам, может понадобится дополнительная арматура: клапаны, сужающиеся переходники и муфты. Для отвода выкачиваемой воды используются шланги и трубы, выполненные из различных материалов – полихлорвинила, оцинкованной стали, полиэтилена высокой плотности и многих других. Если на строительной площадке уже имеется трубопровод, к которому должен быть подключен насос, необходимо предварительно выяснить, какого диаметра и из какого материала установлены трубы, их пропускную способность и допустимое давление трубопровода, чтобы избежать внезапных разрывов труб после запуска насоса.
Кроме того, возможно, потребуются защитные короба для прокладки шлангов через дороги, чтобы автомобили могли переезжать через шланг, не нарушая работы насоса.
Большинство насосов устанавливается на шасси прицепов или полозья. Насосы на прицепах наиболее мобильны, но занимают больше места. Если на стройплощадке недостаточно свободного места, лучше выбрать насос на полозьях. Также возможно использование небольших мобильных водоотливных насосов, смонтированных на колесных тракторах, с приводом от вала отбора мощности трактора через редуктор.
Итальянская компания Rovatti Pompe выпускает широкий ассортимент насосов для перекачивания загрязненных жидкостей, в том числе тракторные шламовые насосы с повышающим редуктором и измельчителем серии TLK. Привод насосов осуществляется от ВОМ трактора мощностью от 56 до 89 кВт, насосы развивают подачу 168–228 м3/ч и напор 95–115 м.
