Расчет вертикального водозабора и насосных станций

Введение

Неотъемлемым компонентом пищевого производства является вода (потребляется от единиц до сотни м³/час), поэтому производители вынуждены направить особое внимание на водоподготовку, как на один из ключевых технологических процессов. Качество используемой воды здесь сказывается на качестве конечного продукта самым непосредственным образом.

В пищевой промышленности вода используется для технологических нужд, для питания паровых котлов, санитарной обработки и мойки оборудовании, мытья производственной тары, а также снабжения лабораторий и прочих целей. Вода для технологических целей - это вода, участвующая в производственном процессе, используемая для транспортировки, мойки, обработки сырья; приготовления продукта и для его заключительной обработки. В ряде производств, таких как производство бутилированной воды, соков, безалкогольных напитков, вода служит основным сырьем.

В пищевой промышленности минимальные требования к воде, применяемой в технологических целях, соответствуют требованиям к питьевой воде (СанПиН 2.1.4.1074-01). Дополнительно такая вода также должна отвечать ряду специфических требований, определяемых ее назначением.

Как правило, для пищевых производств требуется вода, по составу близкая к водопроводной, но с ограниченным содержанием железа, марганца, взвесей, солей жесткости.

Расчет вертикального водозабора и насосных станций

Дебит одиночных совершенных скважин, заложенных в безнапорных пластах, определяется по формуле

, (1)

n

S

СУВ

S₁

h₁

h

Рисунок 1 – Схема взаимодействующих скважин

где К_ф и μ − коэффициенты фильтрации и водоотдачи соответственно;

m – мощность водоносного пласта, м;

S− максимально допустимое понижение уровня грунтовых вод, м;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины (внутренний радиус эксплуатационной колонны).

(2)

Радиус влияния R, то есть расстояние от центра скважины до точки восстановления статического уровня, вычисляет по формуле

, (3)

где а − коэффициент пьезопроводности (скорость распространения давления в пласте), м²/сут. Для напорных пластов:

, (4)

где t – нормативное время эксплуатации скважины, лет; в зависимости от назначения скважины и условий ее работы принимают в среднем 8…15 лет, максимально 25 лет.

м²/сут,

м,

м³/ч.

Коэффициент фильтрации и коэффициент водоотдачи приняты в зависимости от характеристики водоносных пород.

В первой приближении величина максимального понижения уровня воды принимается равной:

, (9)

где Н − статический напор воды в водоносном пласте, м.

м.

Окончательно определяется фактическая глубина понижения уровня воды в скважине:

, (10)

0,25 м.

Кроме рабочих, в состав скважинного оборудования водозабора входит одна резервная скважина (n_рез=1).

Общее количество скважин:

, (11)

Способ бурения водозаборных скважин – ударно-канатный с использованием установки УГБ-ЗУК (300).

Верхняя обсадная колонна труб, называемая кондуктором, служит для защиты устьевой части скважины от обрушения и размыва, а также для придания скважине правильного вертикального направления. Кроме того эта колонна служит для изоляции скважины от притока верхних, часто загрязненных вод. При ее установке должна быть произведена тщательная центровка колонны.

Над скважиной предусмотрен наземный павильон размером в плане 2,40 × 3,00 м и высотой Н=2,8 м для размещения оголовка скважины, электродвигателя, насоса, приборов пусковой и контрольно-измерительной аппаратуры и приборов автоматики. Кроме того, в них располагают части напорного трубопровода, оборудованного затворами, обратным клапаном, вантузом, пробоотборным краном.

Скважины оборудуются оголовком. Конструкция оголовка обеспечивает полную герметизацию, исключающую проникновение в межтрубное и затрубное пространство поверхностной воды и загрязнений.

Диаметр обсадной трубы 150 мм. В скважинах устанавливается погружной насос ЭЦВ 6-10-80; Q=16 м³/час; Н=110,0 м; N=7,5 кВт.

Аппаратура управления скважинным насосом поставляется комплектно с насосом. Датчики − ДВНУ − верхнего и нижнего уровней входят в комплект.

Монтаж и демонтаж секций скважинных насосов предусматривается через люки, располагаемые над устьем скважины.

Скважины также оборудуются пожарным рукавом для отвода воды при прокачке, краном для отбора проб воды, водомером ВМХ-50, учитывающим расход подаваемой воды.

Для обеспечения санитарно-эпидемиологической надежности и охраны всех водопроводных сооружений от нарушений, которые могут вредно отразиться на качестве и количестве подаваемой населению воды, для всех проектируемых и реконструируемых водопроводов хозяйственно-питьевого назначения должны предусматриваться зоны санитарной охраны (ЗСО). Основной задачей зоны санитарной охраны является выделение территории, в пределах которой создается особый режим, исключающий или ограничивающий возможность загрязнения и заражения водного источника и водопроводных сооружений.

Зона источника водоснабжения в месте расположения водозаборных сооружений состоит из трех поясов:

− первого – зона строгого режима;

− второго и третьего – зоны режимов ограничения хозяйственной деятельности.

Границы первого пояса устанавливаются от крайних водозаборных сооружений группового водозабора и равны 30 м.

Границы второго пояса ЗСО устанавливаются расчетом в зависимости от климатических районов и защищенности подземных вод с учетом времени продвижения микробного загрязнения воды до водозабора от 100 до 400 суток.

Границы третьего пояса ЗСО определяются временем продвижения химического загрязнения воды до водозабора, которое должно быть больше принятой продолжительности эксплуатации водозабора, но не менее 25 лет.

Территория первого пояса должна быть спланирована, огорожена и озеленена. Рекомендуется глухое ограждение высотой 2,5 м и сторожевая (тревожная) сигнализация.

На территории первого пояса запрещаются все виды строительства, проживание людей, прокладка трубопроводов различного назначения (за исключением трубопроводов, обслуживающих водопроводные сооружения), выпас скота, применение для растений ядохимикатов и удобрений.

На территории второго пояса запрещается загрязнение территории нечистотами, размещение складов горюче-смазочных материалов, размещение кладбищ, скотомогильников, навозохранилищ, применение удобрений и ядохимикатов.

На территории третьего пояса запрещается размещение складов горюче-смазочных материалов, ядохимикатов, минеральных удобрений, шламонакопителей и других объектов, которые могут вызвать химические загрязнения.

Зона санитарной охраны водопроводных сооружений должна состоять из границ первого пояса и санитарно защитной полосы вокруг него.

Границы первого пояса ЗСО территории водопроводных сооружений совпадает с ограждением площадки и должна быть на расстоянии:

− от резервуаров чистой воды, фильтров, контактных осветлителей ≥30 м;

− от стен сооружений и стволов водонапорных башен ≥15 м.

Санитарно-защитная полоса вокруг ограждения водопроводных сооружений, расположенных за пределами второго пояса зоны источника водоснабжения, должна иметь ширину ≥100 м.

Первый пояс образуется выделением вокруг каждой скважины территории на 30 м во всех направлениях.

Второй пояс включает территорию, находящуюся в радиусе R от крайних скважин:

, (12)

где Q – производительность водозабора;

Т – время добегания загрязнений до поверхности скважины;

m – мощность пласта, м;

n – пористость пласта.

Третий пояс включает территорию, находящуюся в радиусе R, определяемом по той же формуле, что и для второго пояса, но при Т = 25 лет = 9125сут.

Выбор насосного агрегата

В большинстве случаев скважины оборудуют погруженным электронасосом. Для выбора марки насоса определяется его подача и полный напор. Подача скважинного насоса определяется по формуле:

Q_н= , м³/ч, (13)

Q_н= =6,25 м³/ч.

Полный напор насоса определяется по формуле

Н_н=В-ВН+h_ц, м, (14)

где В-отметка, на которую необходимо подать воду из скважины;

ВН-отметка верха насоса

h_ц-потери напора в водоподъемной трубе, м, рекомендуется принимать 2-4 м.

Н_н=50-40+3=13 м

По этим значениям выбираем марку насоса. Его характеристика занесена в таблицу 1.

Таблица 1 - Характеристика насоса

Тип	Насос	Электродвигатель
подача, м^3/ч	напор, м вод. ст	кол-во ступеней	масса, кг	подпор, м вод. ст	тип	мощность, кВт	Частота вращения вала, об/мин	напряжение, В	номинальный ток, кг	масса, кг
ЭЦВ8-20-10						ПЭДВ11-180				24,2

Выбор конструкции водоприемной части осуществляется в зависимости от характеристик пород водоносных пластов и кровли над этим пластом. Мы принимаем бесфильтровую водоприемную часть скважины, так как 50% крупность частиц водоносного пласта составляет 20-100 мм. Необходимым условием сооружения бесфильтровых скважин является наличие устойчивой кровли над водоносным горизонтом.

2 Технологические схемы водоподготовки

Качество исходной воды не соответствует норме. Показатели качества воды представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Показатели качества воды

Наименование	Исходная вода	Требуемые показатели
Мутность, мг/л	5-10	1,5
Цветность, град	30-50
Жесткость общая, мг-экв/л	9,0
рН	8-9	6-9
Fe^+2	1,5	0,3
F	0,6	0,7
Окисляемость, мг/л	8,5

При условии забора воды из первичных источников, водоподготовка в пищевой промышленности будет включать в себя следующие этапы:

1. аэрация;

2. обезжелезивание;

3. механическая фильтрация;

4. устранение цвета, вкуса и запаха (сорбционная фильтрация);

5. умягчение;

6. УФ-обеззараживание.

Это самый расширенный вариант водоподготовки в пищевой промышленности.

Этапы подготовки воды

1. Механическая фильтрация устраняет из первичной воды любые неорганические примеси, то есть все то, что выкинули в воду, все то, что не растворилось, и является твердой субстанцией, отфильтровано будет на этом этапе. Механические фильтры бывают сетчатыми, бывают гравийными. В качестве засыпки здесь могут использовать гравий или керамзит. Главное, чтобы засыпка фильтра представляла собой плавный переход от гальки более крупной, до более мелкой. После этого этапа вода должны выходить прозрачной. Задача данного этапа устранить примеси размером больше песчинки. Сетчатые фильтры включают в себя несколько сеток, сделанных из нержавеющей закаленной стали. Фильтрация происходит по тому же принципу, что и в фильтре гравийном.

2. После этой стадии настает черед сорбционных приборов. Их задача устранить из воды примеси меньше песчинки. Также с помощью активированного угля, как основной засыпки сорбционных фильтров, избавляются от запахов. После этой стадии переходят к обезжелезиванию и дезинфекции.

Данные два этапа зависят от химического анализа воды. Если он показал наличие высокого содержания железа или вредных бактерий и вирусов, то дезинфекция нужна в обязательном порядке. Производиться она может разными способами. Если у вас есть бассейн или для производства нужен бассейн, например в каком-нибудь форельном хозяйстве, без озонатора не обойтись. С помощью жидкого кислорода, получается очень хорошо дезинфицировать воду. Но для массового использования озонатор достаточно дорог.

Самым дешевым способом дезинфицировать воду является использование реагентов. Для этого в водоподготовку в промышленности монтируют дозаторы, которые определенные реагенты впрыскивают в водную среду через определенное время. Но на реагенты нужно тратиться постоянно и, ни в коем случае нельзя ошибиться с дозой. Это чревато негативными последствиями.

Самый распространенный вариант обеззараживания в пищевой промышленности – использование промышленной водоподготовки питьевой воды. Это безреагентный прибор, в котором воду облучают простой ультрафиолетовой лампой, без изысков. Действует качественно и никаких дополнительных затрат не требует.

Если химический анализ показал в воде высокое содержание железа, то без фильтра-обезжелезивателя не обойтись. Водоподготовка в промышленности, связанной с производством воды в любом виде включает в себя безреагентный обезжелезиватель. Здесь преобразование железа из двухвалентной формы в трехвалентную малорастворимую происходит за счет окисления кислородом.

В других отраслях промышленности большой популярностью пользуются стандартные обезжелезиватели, использующие в очистке марганцевый песок, зеленого цвета. Такая засыпка работает очень качественно. Эффективность ее трудов станет еще выше, если вода содержит еще и незначительные включения кремния. Восстановить такой прибор довольно легко, для этого можно использовать раствор марганцовки.

Только после того, как вода пройдет все эти этапы, наступает время непосредственно для умягчения. И то, это будет еще умягчение, а не тонкая очистка, которая так важна именно для получения качественной питьевой воды.

При производстве питьевой воды больше всего в качестве промышленных фильтров умягчителей воды могут применять ионный обмен. Для получения питьевой воды электромагнитный умягчитель воды не совсем подходит, т.к. соли жесткости в нем не отфильтровываются, а связываются. А получение качественной питьевой воды требует полного устранения солей жесткости.

Ионный обмен происходит путем замещения солями жесткости солей натрия, содержащихся внутри смоляного картриджа, основы данного прибора. Натрий плохо держится в структуре картриджа, и потому легко заменим. Такая легкая возможность замещения, как раз и обеспечивает прибору его высокую скорость очистки любой фактически воды.

Водоподготовка в промышленности для производства питьевой воды использует ионные приборы со сменными картриджами. Поскольку прибор имеет реагентную природу, то в производстве питьевой воды такие установки применять нельзя. Проблему решили путем устранения из системы реагентной основы. Для этого картридж заменили, а не стали восстанавливать, как это делают в любой другой отрасли промышленности.

К минусам данной установки относят расходы на новые картриджи, в других отраслях сюда добавляются еще расходы на регенты. Восстанавливают такой прибор с помощью соли высокой степени очистки. В промышленных масштабах соли используют очень много. Что приводит к большим дополнительным расходам.

После этапа умягчения водоподготовка в промышленности переходит к стадии тонкой очистки. При производстве питьевой воды это главный этап системы. Здесь в большой чести мембранные системы очистки. Только они в состоянии обеспечить высочайшее качество очищения. К ним относятся микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос и нанофильтрация.

Любой из этих приборов имеет один объединяющий их всех элемент – это мембрана. Для каждого прибора она должна обладать своими особенностями. Иногда мембранная система настолько хорошо работает, что устраняет практически все примеси из воды, делая ее стерильной. Для пищевой промышленности более всего применяют ультрафильтрацию.

Обратный осмос – основоположник всех мембранных методов, в нем вода фильтруется на молекулярном уровне. Примеси устраняются очень качественно и фактически в полном объеме, вплоть до бактерий с вирусами. Однако, работая с такими фильтрами нужно помнить, что мембрана весьма тонкая и чувствительная инстанция. Повредить ее каким-то вкраплением мельчайшего размера не составит труда. Это фильтр тонкой очистки и он работает исключительно с органикой.

Такие нюансы работы заставили обратный осмос использовать исключительно в паре с другими фильтрующими элементами. Если водоподготовка в промышленности выглядит у вас, как умягчение, то обратный осмос может дополняться фильтром ионного обмена. Если первичная очистка какая-то присутствует, то тогда можно воспользоваться механическим фильтром.

В любом случае, что микрофильтрацию, что обратный осмос использовать в одиночку запрещено. Тогда он очень быстро поломается. И вам придется постоянно тратить деньги на недешевые мембраны.

И под конец, хотелось бы отметить, что слишком высокая степень очистки приводит к устранению из воды и полезных минеральных веществ. Вот почему системе нужен кондиционер. Его задача восстановить в питьевой мягкой воде минеральный баланс.

Если кратко, то именно так и выглядит водоподготовка в промышленности, если предприятие занимается производством и поставкой качественной питьевой воды.

Дата добавления: 2015-07-26