Наиболее широко применяемая система водоснабжения дачных поселков - башенная. Сегодня пейзаж России немыслим без цельнометаллических водонапорных башен Рожновского. Нельзя проехать и нескольких километров, чтобы не заметить очередную, появившуюся на горизонте.

История цельнометаллических не обогреваемых водонапорных башен-колонн началась в 1925 году, когда инженер П.И.Земсков на основе проведенных им в зимнее время замеров температуры воды в водонапорных башнях на железнодорожной магистрали Омск – Иркутск пришел к выводу о возможности отказа от их отопления.

В 1936 году инженер А.А.Рожновский предложил конструкцию, метод скоростного монтажа и схему автоматической работы цельнометаллической не обогреваемой башни.

В дальнейшем башни получили широкое распространение на транспорте в военные и послевоенные годы, когда условия времени требовали изготовления подобных сооружений в заводских условиях, монтажа на месте в течение нескольких суток и, самое главное, отказа от использования дефицитного в то время топлива на их обогрев. Башни полностью отвечали этим требованиям, и автор за создание и внедрение их был удостоен в 1942 году звания лауреата Государственной премии. Башни получили наименование «башни Рожновского», или БР.

Рассмотрим башенную систему. Надежная работа системы в автоматическом режиме, прежде всего, зависит от того, в какой степени учтены особенности, условия и режимы взаимного функционирования всех элементов системы: скважина, погружной насос, водонапорная башня, трубопровод, санитарно-технические приборы потребителя. Последнее определяет режим водопотребления, который диктует всю работу системы.

Режим водопотребления в поселке характеризуется большой неравномерностью расходов, с коэффициентом часовой неравномерности, достигающим 2,5. Это значит, что днем в период максимального разбора воды ее часовой расход может в 2,5 раза превышать среднее значение (1/24 часть) суточного расхода. Ночью, наоборот, расход воды резко сокращается. (Славин Р.М., Гришин А.П. Автоматизация электронасосных установок/Техника в сельском хозяйстве, №11,1987, с.33.)

Непосредственное включение насоса в сеть без башни в условиях сильной неравномерности расхода привело бы к ненормальному режиму работы насоса с недостаточным напором или, наоборот, с малой подачей и чрезмерным давлением. На такие режимы работы и насосы, и сеть водоснабжения не рассчитаны, при этом в сети происходили бы глубокие перепады давления, перебои в подаче воды, резко возросло бы потребление электроэнергии. Включение в сеть водоснабжения водонапорной башни позволяет насосу и потребителям воды действовать по своим графикам, причем насос всегда работает в расчетном, наиболее выгодном и правильном режиме.

Башня в системе выполняет различные функции.

1. За счет столба воды в колонне она поддерживает требуемое практически постоянное статическое давление воды в системе. В результате потребитель получает воду бесперебойно и с постоянным расчетным напором.

2. Создавая постоянное давление в сети, башня обеспечивает работу насоса в постоянном режиме, с расчетной подачей и давлением при резко неравномерном расходе воды потребителями.
При малом потреблении насос работает на башню, при большом к подаче насоса добавляется поток воды из башни.

3. В башне сохраняется нерасходуемый запас воды на случай пожара или аварии.

4. В башне размещается регулируемый объем воды, который определяется действием автоматики и определяет периодичность включения насоса.

5. Наконец, в башне размещается регулирующий объем воды, который необходим в случае, когда производительность насоса меньше, чем максимальный часовой расход водопотребления. (Гришин А.П. Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Автоматическое управление при работе на башню/Автоматизация и производство, № 10, 1996, с.6.)

Основными показателями башни, вытекающие из функционального назначения, являются ее высота и емкость бака. Высота башни определяется необходимым напором, а емкость бака величиной запаса воды, регулируемого и полного объемов. Вода в башне располагается по всей её высоте, как в баке, так и в её стволе. В зимнее время внутри башни на её стенках образуется лед, который, являясь естественным теплоизолятором, позволяет исключить обогрев башни. В конструкции башни на её внутренних стенках для этой цели предусмотрены льдоудерживатели.

Конструкция башни состоит из следующих основных частей (Типовой проект 901-5-29):

1 - напорно-разводящий трубопровод
2 - грязевая труба
3 - фундаментные штыри
4 - бетонный фундамент
5 - земляная обсыпка
6 - ствол башни
7 - наружная лестница
8 - внутренняя лестница
9 - люк
10 - вентиляционный патрубок
11 - крыша
12 - льдоудерживатели
13 - бак

Характеристики башен:

V бака, м³	Н опоры, м	Н бака, м	D бака, м	D опоры, м
15	12	2,8	3	1,2
25	12	4,4	3	1,2
25	15	4,4	3	1,2
50	15	7,6	3	1,2
50	18	7,6	3	1,2
50	18	7,6	3	2

Расходование воды из бака и его пополнение имеет периодический характер, определяемый с одной стороны графиком потребления воды, а с другой - подачей насоса.

Рассмотрим действие насоса и башни на примере рис. 1, где показана схема водоснабжения (а), графики подачи, расхода воды и наполнения бака (б) и (в). Пусть в исходном положении бак залит полностью, а насос отключен, следовательно, питание потребителей водой происходит за счет содержимого бака, рис. 1 (б). С течением времени уровень воды в баке опустится до отметки нижнего уровня (НУ). В этот момент насос будет включен. Дальнейший режим бака зависит от соотношения между подачей насоса и текущим расходом воды. Пусть расход превышает подачу (рис. 1 (в) зона S). Тогда уровень воды в баке будет продолжать снижаться до тех пор, пока расход не уменьшится и не станет меньше подачи насоса (точка 2). Лишь после этого уровень начнет повышаться вновь. Когда бак вновь заполнится и вода достигнет верхнего уровня (ВУ), насос будет отключен, после чего процесс повторится вновь. Если подача насоса всегда выше текущего расхода, как показано на рис. 1 (б), то в момент включения уровень воды в баке сразу начнет повышаться (точка 1). (Гришин А.П. Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Автоматическое управление при работе на башню/Автоматизация и производство, № 10, 1996, с.6.)

Для управления насосом надо правильно представлять себе текущий уровень воды в баке, во избежание переполнения бака, перелива, или наоборот, опорожнения башни. С этой целью при ручном управлении насосом применяют разного рода сигнализаторы уровня, указывающие количество воды в баке. При их отсутствии опытный персонал вырабатывает такие практические навыки, которые помогают ему более или менее удовлетворительно следить за режимом работы насоса и башни, хотя при такой работе вслепую случаи перелива или, наоборот, недостатка воды весьма нередки.

Очевидно, что при таком режиме работы перепад между верхним и нижнем уровнями воды в баке получается достаточно большим. Этот перепад и определяет регулируемый объем бака, равный площади бака, умноженный на величину перепада. Оставшаяся часть образует нерасходуемый хозяйственный и противопожарный запас.

Заметим, что чем меньше регулируемый объем, тем больше запас и наоборот. Если между самым нижним и верхним уровнями расположен весь объем бака, это значит, что запаса воды в нем практически нет, т.к. вся емкость бака используется как регулируемый объем. Если, напротив, регулируемый объем выбран малым, это значит, что большая часть объема бака используется для хранения нерасходуемого запаса воды. Чрезмерное снижение уровня приводит не только к снижению напора и нарушению водоснабжения, но и грозит замерзанием башни. Переливы башни, особенно в зимнее время, также серьезно нарушают нормальную работу. Нередко зимой можно видеть башню, напоминающую ледяной столб. В условиях суровой зимы редкое и нерегулярное наполнение бака, его полное опорожнение нежелательно.

Иначе обстоит дело при использовании автоматического управления подачей воды насосом в башню. Автоматизация насоса позволяет избежать всех недостатков ручного управления. Благодаря автоматизации такой режим не только не требует дополнительных затрат труда, но и вообще выполняется без участия человека. При достаточно частой подкачке воды можно не опасаться опорожнения бака и замерзания воды, что особенно опасно зимой в ночной период, когда расход воды практически прекращается, и бак мог бы на длительное время оставаться с минимальным запасом воды. В этом случае в баке фиксируются два уровня - верхний, при достижении водой которого насос должен быть отключен, и нижний - при достижении которого он вновь автоматически включается. Выбирая расстояние между верхним и нижним уровнями на датчике, мы четко определяем величину регулируемого объема и нерасходуемого запаса воды. Чем же надо руководствоваться при выборе этих величин? Сокращая регулируемый объем, мы увеличиваем запас воды, однако при этом возрастает число включения насоса, которое ограничено по ГОСТ тремя включениями в час.

Замеры показали, что увеличение частоты включения насоса в сутки с 2 до 7 раз позволяет уменьшить регулирующий объем почти в 3 раза и существенно увеличить запас воды. (Славин Р.М., Гришин А.П. Автоматизация электронасосных установок/Техника в сельском хозяйстве, №11,1987, с.33.)

То есть, требования к частоте включения электронасоса противоречат условию уменьшения регулируемого объема.

Определим зависимость между этими величинами. Пусть подача насоса всегда больше часового расхода воды. Число включений насоса в час, т.е. частота включений равна величине, обратной длительности цикла tц, состоящей из времени работы насоса tр и времени паузы tп.

Z = 1/tц = 1 / (tр + tп) (1)

Если qн - часовая производительность насоса, м³/ч, а qп - часовой расход воды, м³/ч, потребителями, то:

tр = Wрег / (qн - qп), час (2)

tп = Wрег / qп, час (3)

С учетом (2) и (3) частота включений равна:

Z = (qн – qп) qп /Wрег qн, вкл/ч (4)

Математическая зависимость частоты включений от расхода водопотребления (4) есть кривая второго порядка с максимумом при qп = 0,5qн. Тогда

Zтах = 0,25qн/Wрег, вкл/ч (5)

Зная предельную величину Zтах и производительность насоса можно определить минимальный регулируемый объем и по нему минимальную величину перепада между нижним и верхним уровнями. При этом запас воды в баке башни будет максимально возможным.

По формуле (5) для предельной величины Zтах = 3 и площади бака S = 7,065 м² можно рассчитать для ряда производительностей применяемых насосов минимальную величину перепада между уровнями.

Подача насоса, qн	м³/ч	2	6,3	10	16	25	40	63
Регулируемый объем, Wрег	м3	0,17	0,55	0,83	1,33	2,08	3,33	5,25
Высота регулируемого объема, h	м	0,02	0,07	0,12	0,19	0,3	0,48	0,75

Из таблицы видно, что приемлемым для всех рассчитанных вариантов будет регулируемый объем Wрег = 5,25 м³, который обеспечивается датчиком с межконтактным расстоянием 0,75 метра. (Гришин А.П. Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Автоматическое управление при работе на башню/Автоматизация и производство, № 10, 1996, с.6.)

Такой датчик является универсальным. Однако если применять свой датчик с перепадом высот для каждого конкретного насоса, регулируемый объем по мере уменьшения их подач также будет уменьшаться, увеличивая запас воды.

Заведующий лабораторией водоснабжения
Всероссийского НИИ электрификации сельского
хозяйства, канд. тех. наук Гришин А.П.