СИСТЕМА ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДЫ
WATER TRANSFER SYSTEM

Система относится к строительству, в частности к системам водоснабжения населенных мест.
Известна система водоснабжения населенного пункта, включающая резервуары чистой воды, насосную станцию с нерегулируемыми насосами, запасно-регулирующую емкость, поддерживающую нормативный напор в разводящей сети, и наружную разводящую сеть, соединенные с трубопроводами, регулируемый насос, установленный после нерегулируемых насосов и соединенный с ним последовательно через запасно-регулирующую емкость (см. авторское свидетельство СССР №859559, Е03В 7/04, приоритет от 17.07.79 г.).
Недостаток этой системы - узкая область применения, т.к. она не может быть применена для больших городов ввиду ограниченного объема запасно-регулирующей емкости.
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является «Система водоснабжения мегаполиса», содержащая кольцевую водопроводную сеть, разделенную на зоны, соединенные между собой водоводами, источники питания сети водой, зональные насосные станции с напорными магистральными трубопроводами подачи воды в зоны, установленную на сети насосную станцию с подающим и отводящими трубопроводами и соединенную с ней запасно-регулирующую емкость. В известной системе запасно-регулирующая емкость выполнена безнапорной, зональные насосные станции выполнены в виде совокупности параллельно установленных насосов, при этом:
- по крайней мере, одна зональная насосная станция выполнена в виде совокупности параллельно установленных групп низконапорных и высоконапорных насосов с напорными трубопроводами, а напорные трубопроводы группы высоконапорных насосов соединены с напорными магистральными трубопроводами подачи воды в зоны;
- зональные насосные станции снабжены всасывающими трубопроводами и напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны, соединенными с напорными трубопроводами группы низконапорных насосов;
- система снабжена зональными запасно-регулирующими емкостями, соединенными, по крайней мере, с одним источником питания сети водой и зональными насосными станциями при помощи всасывающих трубопроводов, и установленной на водопроводной сети, по меньшей мере, одной зоны, по меньшей мере, одной повысительной насосной станцией с всасывающим трубопроводом, соединенным с напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны.
Имеется вариант развития системы, когда:
- по крайней мере, одна зональная насосная станция, выполненная в виде совокупности параллельно установленных групп низконапорных и высоконапорных насосов с напорными трубопроводами, снабжена группой дополнительных низконапорных насосов с напорными трубопроводами. При этом данная зональная насосная станция снабжена дополнительными напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны, соединенными с напорными трубопроводами группы дополнительных низконапорных насосов;
- система снабжена установленной на водопроводной сети данной зоны, по меньшей мере, одной дополнительной повысительной насосной станцией с всасывающим трубопроводом, соединенным с дополнительными напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны;
- система снабжена, по меньшей мере, одной водопроводной безнапорной запасно-регулирующей емкостью, соединенной с всасывающим трубопроводом повысительной насосной станции и с напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны;
- система снабжена, по меньшей мере, одной дополнительной водопроводной безнапорной запасно-регулирующей емкостью, соединенной с всасывающим трубопроводом дополнительной повысительной насосной станции и с дополнительными напорными транспортными трубопроводами подачи воды в зоны (см. Система водоснабжения мегаполиса: патент на изобретение №2321706, Рос. Федерация: МПК Е03В 7/04 (2006.01) / Кармазинов Ф.В., Кинебас А.К., Беляев А.Н., Ильин Ю.А, Игнатчик B.C., Игнатчик С.Ю. и др.; опубл. 10.04.2008, Бюл. №10).
Для известной «Системы водоснабжения мегаполиса» характерны следующие недостатки:
1. Высокие затраты электроэнергии на транспортировку воды, поскольку при поступлении воды из водопроводной сети в запасно-регулирующие безнапорные емкости происходит безвозвратная потеря остаточного напора, для создания которого затрачена электроэнергия на насосных станциях;
2. Низкая надежность водопроводных сетей, поскольку они работают под избыточным давлением, которое поддерживается по всей зоне в целом на максимальном уровне, без учета того, что в отдельных ее частях оно могло быть значительно ниже (районы малоэтажной застройки, пониженный рельеф и т.п.). Кроме того, это характерно и для всей системы, в которой давление между зонами также не регулируется, поскольку они соединены между собой водоводами.
Задачей настоящего изобретения является снижение затрат электроэнергии на транспортировку воды и повышение надежности системы.
Поставленная задача решена так, что в известной системе, содержащей кольцевую водопроводную сеть, разделенную на зоны, соединенные между собой водоводами, источники питания сети водой, зональные насосные станции с всасывающими трубопроводами, параллельно установленными насосами с напорными трубопроводами, соединенными с напорными магистральными трубопроводами подачи воды в зоны, зональные запасно-регулирующие емкости, соединенные, по крайней мере, с одним источником питания сети водой и зональными насосными станциями при помощи всасывающих трубопроводов, установленную на водопроводной сети, по меньшей мере, одной зоны, по меньшей мере, одну повысительную насосную станцию с всасывающим трубопроводом, установленную на водопроводной сети насосную станцию с подающим и отводящими трубопроводами и соединенную с ней безнапорную запасно-регулирующую емкость, в соответствии с настоящим изобретением:
- безнапорная запасно-регулирующая емкость соединена с подающим трубопроводом установленной на водопроводной сети насосной станции;
- по меньшей мере, одна повысительная насосная станция, по меньшей мере, одной зоны дополнительно снабжена напорным трубопроводом и локальной водопроводной сетью, при этом напорный трубопровод соединен с локальной водопроводной сетью, а всасывающий трубопровод - с водопроводной сетью этой зоны;
- система дополнительно снабжена подводящим трубопроводом, соединяющим водопроводную сеть и безнапорную запасно-регулирующую емкость, дополнительной локальной водопроводной сетью, соединенной с подающим трубопроводом, байпасной линией, соединяющей подводящий трубопровод с дополнительной локальной водопроводной сетью.
Имеются варианты развития, когда:
- система дополнительно снабжена клапаном, установленным на байпасной линии, регулирующим давление в дополнительной локальной водопроводной сети;
- локальная водопроводная сеть и дополнительная локальная водопроводная сеть соединены с кольцевой водопроводной сетью, по меньшей мере, одним соединительным трубопроводом с установленным на нем клапаном, регулирующим давление в локальной водопроводной сети и дополнительной локальной водопроводной сети;
- насосная станция дополнительно снабжена группой низконапорных насосов с всасывающими трубопроводами, соединенными с подводящим трубопроводом и напорными трубопроводами, соединенными с отводящими трубопроводами насосной станции;
- насосная станция дополнительно снабжена обводящим трубопроводом, соединяющим подводящий трубопровод с подающим трубопроводом, клапаном, регулирующим давление, установленным на обводящем трубопроводе, при этом клапан, регулирующий давление, установлен с возможностью регулирования давления перед насосной станцией;
- насосная станция дополнительно снабжена гидравлической машиной, например гидротурбиной, кинематически соединенной с электрогенератором, установленной на подводящим трубопроводе;
- система дополнительно снабжена межзонными клапанами, регулирующими давление, установленными на водоводах.
Отличительными признаками заявляемой зональной системы транспортировки воды являются:
1. Соединение безнапорной запасно-регулирующей емкости с подающим трубопроводом установленной на водопроводной сети насосной станции;
2. Дополнительное снабжение системы, по меньшей мере, одной повысительной насосной станцией, по меньшей мере, одной зоны напорным трубопроводом;
3. Дополнительное снабжение системы, по меньшей мере, одной повысительной насосной станцией, по меньшей мере, одной зоны локальной водопроводной сетью;
4. Соединение напорного трубопровода повысительной насосной станции с локальной водопроводной сетью, а всасывающего трубопровода - с водопроводной сетью этой зоны;
5. Дополнительное снабжение системы подводящим трубопроводом, соединяющим водопроводную сеть и безнапорную запасно-регулирующую емкость;
6. Дополнительное снабжение системы дополнительной локальной водопроводной сетью, соединенной с подающим трубопроводом;
7. Дополнительное снабжение системы байпасной линией, соединяющей подводящий трубопровод с дополнительной локальной водопроводной сетью;
8. Дополнительное снабжение системы клапаном, установленным на байпасной линии, регулирующим давление в дополнительной локальной водопроводной сети;
9. Соединение локальной водопроводной сети и дополнительной локальной водопроводной сети с кольцевой водопроводной сетью, по меньшей мере, одним соединительным трубопроводом с установленным на нем клапаном, регулирующим давление в локальной водопроводной сети и дополнительной локальной водопроводной сети;
10. Дополнительное снабжение насосной станции группой низконапорных насосов с всасывающими трубопроводами, соединенными с подводящим трубопроводом;
11. Дополнительное снабжение насосной станции группой низконапорных насосов напорными трубопроводами, соединенными с отводящими трубопроводами насосной станции;
12. Дополнительное снабжение насосной станции обводящим трубопроводом, соединяющим подводящий трубопровод с подающим трубопроводом;
13. Дополнительное снабжение насосной станции клапаном, регулирующим давление, установленным на обводящем трубопроводе;
14. Установка, клапана, регулирующего давление, с возможностью регулирования давления перед насосной станцией;
15. Дополнительное снабжение насосной станции гидравлической машиной, например гидротурбиной, кинематически соединенной с электрогенератором;
16. Установка гидравлической машины на подводящем трубопроводе насосной станции;
17. Дополнительное снабжение системы межзонными клапанами, регулирующими давление;
18. Установка межзонных клапанов на водоводах.
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки 1, 2, 5, 10 и 15 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемой системе указанных отличительных признаков позволяет получить два положительных эффекта.
Первый положительный эффект заключается в том, что снижаются затраты электроэнергии на транспортировку воды, т.к. при поступление ее из водопроводной сети в запасно-регулирующие безнапорные емкости не происходит безвозвратная потеря остаточного напора для создания которого затрачена электроэнергия на насосных станциях. Это достигается благодаря совместному применению отличительных признаков №1, 7-15, поскольку они позволяют частично или полностью использовать остаточное давление водопроводной сети.
Второй положительный эффект заключается в том, что повышается надежность водопроводных сетей, поскольку они не работают под избыточным давлением, т.к.:
- за счет введения локальных зон в пределах одной зоны кольцевых водопроводных сетей давление не поддерживается по всей зоне в целом на максимальном уровне, а изменяется, учитывая этажность застройки, рельеф и т.п. Это достигается благодаря совместному применению отличительных признаков №1-6, 8, поскольку они позволяют регулировать давление в локальных зонах;
- появилась возможность в различных зонах поддерживать требуемое давление на минимальном уровне. Это достигается благодаря совместному применению отличительных признаков №17-18, поскольку они позволяют регулировать давление в зонах.
Таким образом, заявляемая система транспортировки воды отвечает критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой зональной системы транспортировки воды, на фиг.2 - вариант развития насосной станции, когда она дополнительно снабжена группой низконапорных насосов, на фиг.3 - вариант развития насосной станции, когда она дополнительно снабжена обводящим трубопроводом, соединяющим подводящий трубопровод с подающим трубопроводом, и клапаном, установленным на обводящем трубопроводе с возможностью регулирования давления перед насосной станцией, на фиг.4 - вариант развития системы, когда она дополнительно снабжена гидравлической машиной, установленной на подводящем трубопроводе.
Система включает кольцевую водопроводную сеть 1, разделенную на зоны. На фиг.1 в качестве примера показаны две зоны: первая зона 2 и вторая зона 3. Кроме того, система включает расположенные в каждой зоне источники 4 питания сети водой, зональные запасно-регулирующие емкости 5, соединенные с источниками 4 питания сети водой и с всасывающими трубопроводами 6 зональных насосных станций 7. В соответствии с настоящим изобретением выполнение зональных насосных станций 7 может быть различным. В качестве примера на фиг.1 представлен вариант, когда в первой зоне 2 она выполнена в виде параллельно установленных 7-ми насосов 8, а во второй зоне 3 - в виде 4-х насосов 8.
Источники 4 питания сети водой в соответствии с настоящим изобретением могут быть представлены в виде водопроводных станций, осуществляющих забор и очистку питьевой воды, скважинных водозаборов, водоводов, подающих воду и т.п.
Напорные трубопроводы 9 насосов 8 соединены с напорными магистральными трубопроводами 10 подачи воды в зоны.
Система также включает в себя:
установленную на водопроводной сети 1 повысительную насосную станцию 11 с всасывающим трубопроводом 12, соединенным с водопроводной сетью 1 этой зоны, а также напорным трубопроводом 13, соединенным с локальной водопроводной сетью 14;
- установленную на водопроводной сети насосную станцию 15 с подающим 16 и отводящими 17 трубопроводами;
- безнапорную запасно-регулирующую емкость 18, соединенную с подающим трубопроводом 16, установленной на водопроводной сети насосной станции 15;
- подводящий трубопровод 19, соединяющий водопроводную сеть 1 и безнапорную запасно-регулирующую емкость 18;
- дополнительную локальную водопроводную сеть 20, соединенную с отводящим трубопроводом 17;
- байпасную линию 21, соединяющую подводящий трубопровод 19 с дополнительной локальной водопроводной сетью 20;
- водоводы 22, соединяющие кольцевые водопроводные сети разных зон.
Изобретение не исключает установку на сети районных и локальных повысительных насосных станций, а также запорной и регулирующей арматуры (задвижек, обратных клапанов, поворотных затворов, вантузов и т.п.) в местах, предусмотренных строительными нормами и правилами.
Имеется вариант развития, когда система дополнительно снабжена клапаном 23, установленным на байпасной линии 21, регулирующим давление в дополнительной локальной водопроводной сети 20. Устройство клапана 23 доступно для понимания специалистами на основании уровня техники их смыслового содержания, т.к. он представляет собой известный в технике клапан, регулирующий давление после себя.
Имеется вариант развития, когда локальная водопроводная сеть 14 и дополнительная локальная водопроводная сеть 20 соединены с кольцевой водопроводной сетью 1, по меньшей мере, одним соединительным трубопроводом 24 с установленным на них клапаном 23, регулирующим давление в локальной водопроводной сети 14 и дополнительной локальной водопроводной сети 20. На фиг.1 представлен вариант, когда локальная водопроводная сеть 14 соединена с кольцевой водопроводной сетью 1 двумя соединительными трубопроводами 24 с установленными на них клапанами 23, а дополнительная локальная водопроводная сеть 20 - одним соединительным трубопроводом 24 с установленным на них клапаном 23.
Имеется вариант развития, представленный на фиг.2, когда насосная станция 15 дополнительно снабжена группой низконапорных насосов 25 с всасывающими трубопроводами 26, соединенными с подводящим трубопроводом 19, и напорными трубопроводами 27, соединенными с отводящими трубопроводами 17.
Имеется вариант развития, представленный на фиг.3, когда насосная станция 15 дополнительно снабжена обводящим трубопроводом 28, соединяющим подводящий трубопровод 19 с подающим трубопроводом 16, клапаном 29, регулирующим давление, установленным на обводящем трубопроводе 28, при этом, клапан 29, регулирующий давление, установлен с возможностью регулирования давления перед насосной станцией 15.
Имеется вариант развития, представленный на фиг.4, когда система дополнительно снабжена гидравлической машиной 30, установленной на подводящим трубопроводе 19. Гидравлическая машина 30 в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнена в виде гидротурбины 31, кинематически соединенной при помощи кинетической связи 32 с электрогенератором 33.
Имеется вариант развития, представленный на фиг.1, когда система дополнительно снабжена межзонными клапанами 34, регулирующими давление, и установленными на водоводах 22. Настоящим изобретением не исключается установка межзонных клапанов 34, регулирующих давление (до себя или после себя).
Система транспортировки воды работает следующим образом.
Источники 4 питания сети водой подают воду в зональные запасно-регулирующие емкости 5, откуда ее по всасывающим трубопроводам 6 забирают зональные насосные станции 7. Предлагаемым изобретением предусмотрена перекачка воды в кольцевую водопроводную сеть 1, по меньшей мере, в две ступени.
Первая ступень предусматривает подачу воды при помощи всех (кроме резервных) параллельно установленных насосов 8 через напорные трубопроводы 9 в напорные магистральные трубопроводы 10 подачи воды в зоны. На чертеже этот вариант показан реализованный в двух зонах: первой зоне 2 и второй зоне 3. В этом случае по длине магистральных трубопроводов 10 должно поддерживаться давление, необходимое для питания водой близлежащей застройки. При этом, чем больше длина магистральных трубопроводов 10, тем больше снижается давление за счет линейных потерь, которые прямо пропорциональны их длине. Когда давление в них снижается до значений меньше минимально допустимых или требуемое давление возрастает, например, при повышении этажности застройки, т.е. появлением локальной водопроводной зоны с повышенным давлением, то подключается вторая ступень перекачки. Конструктивно она может быть представлена в двух вариантах.
Первый вариант - с применением установленной на водопроводной сети повысительной насосной станции 11 с всасывающим трубопроводом 12, соединенным с водопроводной сетью 1 этой зоны, а также напорным трубопроводом 13, соединенным с локальной водопроводной сетью 14. За счет работы повысительной насосной станции 11 в локальной водопроводной сети 14 поддерживается требуемое давление.
Второй вариант - с применением установленной на водопроводной сети насосной станции 15 с подающим 16 и отводящими 17 трубопроводами. В отличие от первого варианта второй ступени перекачки вода из водопроводной сети 1 по подводящему трубопроводу 19 может подаваться в дополнительную локальную водопроводную сеть 20 по двум подвариантам.
Первый подвариант возможен в часы минимального водопотребления, например в ночь, когда давление воды в подводящем трубопроводе 19 достаточно (больше или равно норме) для подачи ее в дополнительную локальную водопроводную сеть 20 напрямую по байпасной линии 21. В этом случае, клапан 23, установленный на байпасной линии 21, регулирует давление в дополнительной локальной водопроводной сети 20, не допуская его превышения. Это повышает надежность этой локальной сети, поскольку аварийность на сетях возрастает с повышением давления.
В этом подварианте подача воды в дополнительную локальную водопроводную сеть 20, так же как и в локальную водопроводную сеть 14 в первом варианте, дополнительно осуществляется по соединительным трубопроводам 24 с установленными на них клапанами 23, регулирующими давление в локальной водопроводной сети 14 и дополнительной локальной водопроводной сети 20.
Второй подвариант работает в режиме, когда давления воды в подводящем трубопроводе 19 недостаточно (меньше нормы) для подачи ее в локальную водопроводную сеть 20 напрямую по байпасной линии 21. В этом случае вода по подводящему трубопроводу 19 с разрывом струи поступает в безнапорную запасно-регулирующую емкость 18, а из нее по подающим трубопроводам 16 при помощи насосной станции 15 через отводящие 17 трубопроводы с требуемым давлением подается в дополнительную локальную водопроводную сеть 20. В результате в запасно-регулирующей емкости 18 создается запас воды, что повышает надежность работы системы, поскольку создает временной резерв в подаче воды, когда в дополнительную локальную водопроводную сеть 20 вода может подаваться даже в режиме аварии на кольцевой водопроводной сети 1, подводящем трубопроводе 19, напорных магистральных трубопроводах 10 подачи воды в зоны, зональных насосных станциях 7, источниках 4 питания сети водой, зональных запасно-регулирующих емкостях 5.
В этом подварианте насосная станция 15 должна развивать напор, равный требуемому напору в дополнительной локальной водопроводной сети 20, поскольку при поступлении воды по подводящему трубопроводу 19 в безнапорную запасно-регулирующую емкость 18 происходит безвозвратная потеря давления воды. Для того чтобы частично компенсировать эту потерю, имеются следующие режимы работы (варианты развития) системы.
19
19
3
Первый режим, когда (см. фиг.2) вода из подводящего трубопровода 19 через всасывающие трубопроводы 26 группой низконапорных насосов 25 по напорным трубопроводам 27 подается в отводящие трубопроводы 17. Низконапорные насосы 25 могут развивать более низкий напор по сравнению с насосами насосной станции 15. Поэтому для обеспечения требуемого напора для подачи воды в дополнительную локальную водопроводную сеть 20 давление в подводящем трубопроводе 19 не гасится безвозвратно, а используется в качестве поднапора перед группой низконапорных насосов 25. В результате происходит снижение потребляемой мощности Р на величину ΔР1=0,0027·Q·P, кВт, где Q - расход воды, поступающей по подводящему трубопроводу 19, м/ч; P - давление воды в подводящем трубопроводе 19, м.в.с.
28
28
В первом режиме вода не может быть подана напрямую для повышения давления на насосную станцию 15, поскольку с учетом подпора давление в дополнительной локальной водопроводной сети 20 превысит расчетное, т.к. для каждой насосной станции существует минимально допустимое развиваемое давление и расход. Для избегания избыточного давления в дополнительной локальной водопроводной сети 20 осуществляется переход во второй режим (см. фиг.3) ее работы. В этом случае вода по обводящему трубопроводу 28 через клапан 29, регулирующий давление перед насосной станцией 15, поступает на нее, а затем - в дополнительную локальную водопроводную сеть 20. При этом после клапана 29, т.е. перед насосной станцией 15, образуется максимально возможное давление Р, при котором с учетом минимально возможного развиваемого давления насосной станцией 15 в дополнительной локальной водопроводной сети 20 образуется требуемое давление. В результате происходит снижение электропотребления Р на величину ΔР2=0,0027·Q·P, кВт.
19
Третий режим, когда (см. фиг.4) вода по подводящему трубопроводу 19 через гидротурбину 31, кинематически соединенную при помощи кинетической связи 32 с электрогенератором 33, с разрывом струи поступает в безнапорную запасно-регулирующую емкость 18. При этом не происходит безвозвратная потеря давления воды, т.к. она превращается в электроэнергию, на величину ΔР3=0,0027·Q·Р·η, кВт, где η - коэффициент полезного действия гидротурбины 31 с электрогенератором 33.
Кроме перечисленных вариантов и подвариантов обеспечения давления в локальной водопроводной сети 14 и в дополнительной локальной водопроводной сети 20 система позволяет регулировать давление в зонах посредством межзонных клапанов 34 (см. фиг.1), образуя перетоки воды из зон с избыточным давлением в зоны, где его не хватает. Это дополнительно повышает надежность системы и снижает ее электропотребление.
Таким образом, предлагаемая система транспортировки воды позволяет:
1. Снижать затраты электроэнергии на транспортировку воды, т.к. при поступление ее из водопроводной сети 1 в запасно-регулирующие безнапорные емкости 18 не происходит безвозвратная потеря остаточного напора, для создания которого затрачена электроэнергия на насосных станциях;
2. Повысить надежность водопроводных сетей, поскольку они не работают под избыточным давлением, т.к.:
- за счет введения локальных зон 14 и 20 в пределах одной зоны кольцевых водопроводных сетей 1 давление не поддерживается по всей зоне в целом на максимальном уровне, а изменяется, учитывая этажность застройки, рельеф и т.п.;
- в различных зонах поддерживается требуемое давление на минимальном уровне.