Обеспечение водой промышленных предприятий

Введение.

Обеспечение водой промышленных предприятий является одной из важных народнохозяйственных задач. В подавляющем  большинстве отраслей промышленности вода используется в технологических  процессах производства. Требования к количеству и качеству подаваемой воды определяются характером технологического процесса. Выполнение этих требований системой водоснабжения обеспечивает нормальную работу предприятия и  надлежащее качество выпускаемой продукции. Неудовлетворительное выполнение системой водоснабжения поставленных задач  может привести не только к ухудшению  качества продукции или удорожанию производства, но и в ряде случаев  к порче оборудования и даже к  опасным авариям.

Кроме воды для технологических  нужд, на каждом предприятии требуется  вода для хозяйственно-питьевых нужд рабочих и служащих, а также  для целей пожаротушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)Система водоснабжения: основные понятия и определения.

 

Система водоснабжения промышленного  предприятия представляет собой  комплекс сооружений, оборудования и  трубопроводов, обеспечивающих забор  воды из природного источника, очистку  и ее обработку, транспортирование  и подачу воды потребителям требуемых  расходов и качества.

В системах технического водоснабжения  предусматриваются также сооружения и оборудование, необходимое для  приема отработавшей воды и подготовки ее для повторного использования, а  также станции очистки сточных  вод.

Требования к качеству воды хозяйственно-питьевого назначения и воды, идущей на технические цели (технической воды) различны. Поэтому  на большинстве промышленных предприятий  сооружают отдельную объединенную систему хозяйственно-питьевого  и противопожарного водоснабжения  и отдельную систему технического водоснабжения.

В некоторых случаях, например, на предприятиях пищевой промышленности, где значительная доля воды должна соответствовать требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» создают  единую систему водоснабжения.

А на предприятиях с высокой  пожароопасностью вынуждены создавать отдельные системы противопожарного водоснабжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)Классификация  систем водоснабжения.

 

Системы водоснабжения классифицируются по следующим признакам:

по виду водоисточника – с использованием поверхностных вод; с использованием подземных вод; смешанные;

по способу подъема воды – нагнетательный, в которых вода к потребителям подается насосами; самотечные (гравитационные); комбинированные;

по назначению – технологические, хозяйственно-питьевые, противопожарные, объединенные;

по видам обслуживаемых объектов – городские, промышленные, сельские;

по территориальному охвату водопотребителей – местные (локальные), предусматривающие водоснабжение отдельных объектов (предприятия, фермы, группы зданий), централизованные, обепечивающие водой всех потребителей, расположенных в данном городе, поселке;

по характеру использования  воды – прямоточные, в которых воду после однократного использования выпускают в канализацию, прямоточные с повторным использованием воды, оборотные, в которых воду после использования для технических целей очищают и охлаждают, затем многократно используют на том же объекте;

по надежности – одной из 3^х категорий в зависимости от вида промышленного предприятия и требований бесперебойности подачи воды. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)Схемы и системы водоснабжения промышленных предприятий.

Система водоснабжения включает целый комплекс сооружений и устройств для забора воды из источника водоснабжения, её очистки, хранения, подачи и распределения между потребителями.

 Первая система (рис. 1.1) применяется при наличии мощного  источника, расположенного вблизи  промышленного предприятии (до 4-5 км). Геодезическая (геометрическая) высота подачи при этом не  должна превышать 20-25 м. Отработавшая  вода после очистки сбрасывается  в водоем.

Рис.1.1. Схема прямоточного водоснабжения.

1 – водозабор и насосная  станция; 2 – водопровод; 3 – промышленное  предприятие; 4 – очистные сооружения; 5 – канализация.

 Последовательное водоснабжение  (рис.1.2) предусматривает повторное  использование отработавшей вода  и применяется в целях снижения  количества воды, забираемой из  источника. Так как при последовательном  водоснабжении не предусматривается  очистка отработавшей воды, его  применяют в тех случаях, когда  сточные воды не содержат вредных  химических или механических  примесей, а только нагреваются  в процессе использования. 

 При проектировании  оборотной системы водоснабжения  оборотные циклы группируют по  качеству воды с учетом расположения  её потребителей. В оборотных  циклах водоснабжения обооборотная вода подвергается очистке от взвешенных в ней веществ и охлаждается. Схема системы оборотного водоснабжения показана на рис.1.3.

 Как видно из рисунка,  отработавшая вода подается насосной  станцией на очистные сооружения. Оттуда очищенную воду насосами  направляют к охладителям. После  охлаждения насосная станция  возвращает воду к агрегату, где  она используется на технологические  нужды. 

Рис.1.2. Схема последовательного  водоснабжения.

1 – водозабор и насосная  станция; 2 – водопровод; 3 – производство; 4 – очистные сооружения; 5 – канализация.

Оборотные системы открывают большие  возможности в удешевлении системы  водоснабжения, сокращении потребления  свежей воды и сбросов загрязненных стоков.

Для создания оборотной СПВ используется то обстоятельство, что 70…85% технической  воды в технологических аппаратах  только нагреваются и после охлаждения могут использоваться повторно. В  данных системах можно использовать и ту часть технической воды, которая  загрязняется сравнительно легко удаляемыми примесями. После очистки вода ("15%) повторно используется.

В системе оборотного водоснабжения (рисунок 1.3) насосы НС2 подают воду через водопроводную сеть потребителям. Нагревшаяся и загрязнившаяся у потребителей вода по системе трубопроводов направляется на станцию очистки загрязненных вод (ОЗВ). Прошедшая очистку, но еще теплая вода собирается в резервуаре (РОВ), а из него насосами станции оборотной воды (НОВ) подается на охлаждающие устройства (Гр). Охлажденная в нем вода опять подается потребителям насосами НС2.

1 –    водозаборное сооружение;

2 –    насосная станция 1-го подъема;

3 –    станция очистки природной воды;

4 –    охлаждающая установка;

5 –    насосная станция 2 подъема;

6 –    станция очистки загрязненных вод;

7 –    резервуар очищенной воды;

8 –    насосная станция оборотной воды.

При работе оборотной системы часть  воды теряется: с уносом, испарением и продувкой из охлаждающих устройств; с утечками через неплотности и за счет сброса в канализацию воды загрязняющейся у потребителя примесями, не разрешающими ее повторное использование. Для компенсации этих потерь из природного источника забирается соответствующее количество воды и насосами НС1 направляется на станцию ХВО. Очищенная вода сливается в бассейн охлаждающих устройств. Для поддержания солевого баланса из бассейна ведется непрерывная продувка части воды в канализацию.

Оборотные системы сооружаются как по техническим условиям, экологическим требованиям и экономическим соображениям.

По техническим условиям применения данной системы может оказаться  просто необходимо потому, что дебет  имеющегося природного водоисточника недостаточен для осуществления прямоточного водоснабжения.

Необходимость оборотных систем обуславливается  и экологическими требованиями. Применение оборотных систем позволяет снизить  количество сбросов загрязненной воды в водоемы. Наиболее ценны с экологической  точки зрения оборотные системы  без сброса продувки – бессточные системы. В бессточных (замкнутых) системах водоснабжения на предприятиях вместо свежей воды используется доочищенная до норм качества технической воды смесь промышленных и бытовых сточных вод, предварительно прошедшая биологическую очистку. Биологически очищенные сточные воды, используемые в техническом водоснабжении, должны отвечать техническим, экономическим и санитарно-гигиеническим требованиям. Но и при соблюдении соответствующих норм такая вода не может использоваться в пищевой, мясомолочной и фармацевтической промышленностях.

Из экономических соображений  использование оборотных систем водоснабжения позволяет снизить  затраты на сооружение водозаборных устройств, насосных станций первого  подъема, водоводов, очистных сооружений природной воды и канализационных  линий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) Использование  технической воды в промышленности  

 

Техническая вода на промышленных предприятиях используется по трем направлениям:

1. От 70 до 89% воды, поступающей на технические цели, используется на промышленных предприятиях в качестве хладоагента, охлаждающего продукцию в теплообменных аппаратах, или для защиты отдельных элементов установок и машин от чрезмерного нагрева. Эта вода нагревается, но не загрязняется охлаждающей продукцией.

2. От 5 до 12% технической воды используется  для очищения продукции или  сырья от примесей, а также  в качестве транспортирующей  среды. Эта вода загрязняется  и нагревается, если материалы,  с которыми она контактирует, имеют повышенную температуру.

3. От 10 до 20% технической воды теряется  за счет испарения или входят  в состав произведенной продукции  (пар, сахар, хлеб и т.п.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5)Требования  к качеству технической воды.

По экономическим соображениям, требованиям экологии, а также  ограниченным запасам воды в природных  источниках на промышленных предприятиях рекомендуется сооружать оборотные  системы технического водоснабжения. В оборотных системах технического водоснабжения вода используется многократно.

В зависимости от изменения качества воды в процессе ее использования  оборотное водоснабжение подразделяется на:

1. «чистые циклы» - для воды, которая  при использовании только нагревается;

2. «грязные циклы»- для воды, которая  только загрязняется;

3. «смешанные циклы»- для воды, которая  при использовании одновременно  и нагревается, и загрязняется.

Для промышленных предприятий 1-й группы техническая вода регламентируется предельной температурой используемой воды. Она должна быть 30⁰С, а ее оптимальное значение 15⁰С.

В системах оборотного водоснабжения  карбонатная жесткость воды, используемой как хладоноситель Ca и Mg, не должна превышать Ж_к 2,8…3,0 мг-экв/л, а допустимая концентрация взвеси принимается в зависимости от скорости движения воды в охлаждающих аппаратах. Эти потребители не допускают повышения содержания механических примесей выше 50…100; сульфатов выше 40; сероводорода выше 0,5; масла выше 1…2; кислорода выше 4…6; сухого остатка выше 1000 (мг/кг) мг/л.

Вода, используемая как среда для  отмывания и гидротранспортировки материалов, освобождается только от грубодисперсной смеси. Это относится к потребителям 2-й группы.

Для потребителей 3-й группы вода должна быть химически очищенной и общее  содержание солей в ней не должно превышать 100…2000 мг/кг в зависимости от давления вырабатываемого пара.

Практически все потребители технической  воды не предъявляют особых требований к ее цвету, запаху, привкусу и содержанию бактерий.

Для тушения пожаров и внутренних возгораний используется вода практически  любого качества.

 

 

 

 

 

 

 

6. Источники водоснабжения.  

 

Требования  к источникам воды 

 

Потребность предприятия в воде всех категорий удовлетворяется  из природных источников, которые  должны соответствовать следующим  основным требованиям:

а) обеспечивать бесперебойное получение  необходимого предприятию количества воды с учетом перспективы его  развития;

б) подавать воду такого качества, которое  в наибольшей степени отвечает требованиям  потребителей или позволяет достичь  его за счет простой и экологичной обработки исходной воды;

в) обеспечивать возможность подачи воды потребителям с наименьшей затратой средств;

г) обладать такой мощностью, чтобы  расчетный отбор воды из него не нарушал сложившуюся экологическую  систему.

Правильное решение вопроса  о выборе источника водоснабжения  для конкретного потребителя  требует тщательного изучения и  анализа водных ресурсов района, в  котором расположен потребитель.

Для водоснабжения промпредприятий  используются поверхностные и подземные  воды. Поверхностные источники –  это реки, озера, реже моря; подземные  источники – грунтовые и артезианские воды, и родники. 

 

Качество  воды в источниках 

 

Вода в большинстве рек обладает значительной мутностью, высоким содержанием  органических веществ и бактерий, а часто и значительной цветностью. Наряду с этим речная вода характеризуется  относительно небольшой жесткостью.

Вода озер обычно отличается весьма малым содержанием взвешенных веществ (т.е. малой мутностью). Качество всех поверхностных вод сильно зависит  от атмосферных осадков и таяния снегов, в период паводков их мутность и бактериальная загрязненность возрастает, а жесткость снижается.

Подземные воды, как правило, не содержат взвешенных веществ (т.е. весьма прозрачны), обладают низкой бактериальной загрязненностью, но наряду с этими положительными качествами во многих случаях сильно минерализованы. В зависимости от характера растворенных в них  солей, они могут обладать теми или  иными отрицательными свойствами: повышенной жесткостью, наличием неприятного привкуса и некоторыми другими. 

 

Выбор источника водоснабжения

Вопрос о выборе источника водоснабжения  является одним из главных при  проектировании СПВ, т.к. он определяет наличие в ее составе тех или  иных сооружений, а, следовательно, стоимость  строительства и эксплуатации.

При выборе источника водоснабжения  следует учитывать качество воды и его мощность.

Выбор источника воды определяется главным образом местными природными условиями, поэтому предварительно проводятся топографические, гидрологические, санитарные и другие изыскания.

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения  рекомендуется использовать подземные  источники воды, отказ от которых  требует всестороннего обоснования. СНиП 2.04.02-84^* запрещает использовать подземные воды питьевого качества для нужд, не связанных с хозяйственно-питьевым водоснабжением.

При наличии нескольких источников воды прибегают к технико-экономическому сравнению возможных вариантов.

Для забора воды из природного источника  и частичной очистке ее сооружаются  водозаборные сооружения (ВЗС).

Выбор источника должен производиться  согласно ГОСТ 17.1.1.04-80. 

 

Характеристика  подземных вод 

Подземные воды образуются вследствие просачивания в землю атмосферных и поверхностных вод. Подземные воды могут быть безнапорными и напорными (артезианскими).

Безнапорные воды заполняют водоносные горизонты не полностью и имеют свободную поверхность.

Безнапорные подземные воды первого  от поверхности земли водоносного  горизонта называются грунтовыми. Грунтовые воды характеризуются повышенной загрязненностью, поэтому при их использовании в большинстве случаев необходима очистка.

Напорные (артезианские) воды заполняют водоносные горизонты полностью. Артезианские воды, как привило, характеризуются высоким качеством и в большинстве случаев для хозяйственно-питьевых целей могут использоваться без очистки.

В колодцах или скважинах, вскрывающих  напорные водоносные горизонты, вода поднимается  до некоторой пьезометрической линии. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то наблюдается излив воды.

Уровень воды, устанавливающийся в  колодце при отсутствии забора воды, называется статическим. При безнапорных водах статический уровень совпадает с уровнем подземных вод, в при напорных водах – с пьезометрической линией.

При откачке воды из колодца уровень  ее снижается, причем тем больше, чем  интенсивнее откачка. Такой уровень  называется динамическим.

Безнапорные и напорные воды могут  выходить на поверхность земли в  виде родников. Выход безнапорных  вод называют нисходящим ключом. Ключевая вода отличается высоким качеством  и может использоваться без очистки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7) Насосное оборудование для водоснабжения промышленных предприятий.

 

Развитие  российской экономики в целом  неразрывно связано с развитием  и модернизацией промышленности, созданием новых предприятий  и интенсификацией уже существующих производств. Одним из важнейших  моментов, способствующих этому положительному процессу, является оптимизация водопользования, включающая в себя несколько глобальных составляющих. Пожалуй, наиболее важное из них – это организация водоснабжения  предприятия. Однако эта задача сложна и имеет много составляющих, как  субъективного, так и объективного характера.

Как известно, наша страна занимает первое место в мире по запасам пресной  воды (около 30 тыс. кубометров в расчете  на душу населения). Казалось бы, это  должно способствовать развитию производства, но на деле привело к неразумному, расточительному ее использованию. Потери достигают 20%, а между тем  качество воды постоянно ухудшается из-за загрязнений, немалую долю которых  «поставляет» именно промышленность. По некоторым данным, около 70% рек  и озер России уже не могут являться источниками питьевого водоснабжения  и около 30% месторождений подземных  вод подверглись природному или  антропогенному загрязнению.

Другой  стороной проблемы стали значительные энергопотери, связанные как с плохой организацией производства, так и с износившимся оборудованием. Значительную долю в потерях такого рода играют морально и материально устаревшие насосы, на долю которых приходится до четверти всего энергопотребления предприятия. Между тем, день ото дня растущие тарифы на электроэнергию ложатся тяжким бременем на промышленность, увеличивая себестоимость продукции и уменьшая ее конкурентоспособность.

Третьим аспектом является безопасность. Причем это понятие включает в себя целый  ряд вопросов – начиная от экологической  безопасности  и заканчивая минимизацией потерь от политической и экономической  нестабильности в регионе. Одним  из решений этой проблемы может стать  автономизация водоснабжения и  максимальная автоматизация всех процессов, снижающая возможность воздействия  пресловутого «человеческого фактора».

Стоит также отметить, что современное  высокотехнологичное производство опирается на  высокие стандарты  качества воды, а это накладывает дополнительные требования, как на водоснабжение, так и на неразрывно с ним связанные процессы водоочистки и водоподготовки. Кроме того, сложность технологий вызывает необходимость организации высокоавтоматизированных систем, включающих в себя передовое оборудование, способное обеспечить бесперебойную подачу воды надлежащего качества.

Таким образом, можно сказать, что проблема водоснабжения промышленных предприятий  весьма многогранна и требует  комплексного подхода. Как уже говорилось выше, весомую часть вопроса составляет правильное применение современного насосного  оборудования. Очевидно, что насосы используются на всех участках водоснабжения  производства. Поэтому особые требования предъявляются к эффективности, надежности и экономичности таких агрегатов. 

 

Говоря  более конкретно о водоснабжении  на промышленных предприятиях, следует  коснуться некоторых теоретических  аспектов этого сложного процесса –  таких, как  свойства и качества воды и основные способы водоснабжения.

Безусловно, пресная вода является насущной потребностью любого промышленного производства. При  этом пресной считается вода, имеющая  общую минерализацию не более 1 г/л. Среди прочих  вод, в зависимости  от минерализации (в мг/л), различают  ультрапресные (менее 100 г/л), маломинерализованные (100-200 г/л), среднеминерализованные (200-500 г/л) воды и воды повышенной минерализации (500-1000 г/л). В ряде случаев, если источников пресной воды не существует, приходится использовать системы опреснения, основанные на сложных физико-химических процессах. Следует заметить, что даже пресная  и ультрапресная вода, полученная из природных источников, является достаточно активной с точки зрения коррозионного воздействия на материалы  и оборудование. Степень воздействия, в свою очередь, зависит от химического  состава воды.

Он определяется соотношением концентрации в воде главных ионов (хлориды, карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты). В зависимости от преобладающего вида анионов (25% эквивалента) различают  воды гидрокарбонатного, сульфатного  и хлоридного классов. Помимо ионов, в природной воде находится растворенный кислород в виде молекул O₂.

Именно  концентрация кислорода в сочетании  с ионным составом определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и скорость окислительных процессов, а, следовательно, и коррозионную активность воды.

Помимо высокой химической активности, дополнительным фактором риска для оборудования служат твердые  взвеси, находящиеся в воде. Абразивные частицы способны нарушать целостность  поверхности перекачивающего оборудования, что ведет к возникновению  очагов коррозии. Поэтому к исполнению водоподъемного оборудования должны предъявляться  особенные  требования. Например, использование  в конструкции насоса различных  марок нержавеющей стали, эластомеров, композитных материалов и их комбинаций, оптимально подобранных для конкретного  физико-химического состава перекачиваемой воды.

  Таким образом, вода из природных  источников практически никогда  не может непосредственно применяться  в технологических процессах,  требуя создания специальных систем водоочистки и водоподготовки. Именно эти системы доводят добытую воду до необходимых в производстве кондиций. Методы же водоочистки и водоподготовки во многом зависят от способа водоснабжения.

В общем и целом, все  виды источников воды для промышленного  использования можно разделить  на две группы – подземные воды и поверхностные воды. К последним, с некоторым допущением, можно отнести и централизованное водоснабжение (например, в городских условиях).   Естественно, что водоподъемное оборудование в каждом случае имеет свои особенности.

Говоря о подземных  водах, обычно подразумевают артезианскую скважину, оборудованную фильтром и  скважинным насосом. Стоит отметить, что поскольку скважинный насос  зачастую работает в чрезвычайно  сложных условиях, а его демонтаж для ремонта требует больших  затрат, к выбору этого оборудования стоит подходить с особыми  критериями. Если обобщить опыт эксплуатации современных скважинных насосов, можно  сказать, что в идеале они должны соответствовать следующим требованиям:

- обладать высокой надежностью  и длительным сроком службы;

- обладать высокой коррозионной  и износостойкостью;

- иметь высокий КПД;

- насос должен быть  укомплектован станцией управления  и защиты;

- наличие различных типов  пусковых устройств  для оптимизации работы системы (прямой, комбинированный, плавный пуски или частотный преобразователь);

     Кроме того, желательно, чтобы станции управления  были снабжены устройствами контроля  и передачи данных о параметрах  насоса, скважины и трубопроводов   в систему диспетчеризации, что  позволит контролировать работу  системы с удаленного компьютерного   пульта. Такое решение способствует  автоматизации процесса водоснабжения,  заблаговременному выявлению вероятных  неполадок в системе и делает  возможным построение единой  технологической цепи на предприятии.

     Рассматривая  водозабор из природных поверхностных  источников (реки, озера и т.п.), стоит  отметить, что обычно вода в  них загрязнена больше, чем в  артезианских скважинах и обладает  большей коррозионной активностью.  Это вызвано массой причин  и, не в последнюю очередь,  хозяйственной деятельностью человека. Однако зачастую использование доступных поверхностных источников является более экономически целесообразным, чем бурение скважин. При этом оборудуется насосная станция первого подъема, где монтируются или насосы двухстороннего входа, или, реже, консольные насосы. Для небольших предприятий с малой потребностью в воде возможно использование самовсасывающих насосов.

В целях снижения вероятности коррозии при подборе насоса для конкретной технологической схемы пристальное  внимание необходимо уделить конструкционным  материалам насоса и качеству обработки  его поверхностей.

     Особое внимание  при выборе насосов, работающих  на водозаборе, стоит обратить  на систему уплотнения вала  – в силу большой нагрузки  на узел и, следовательно, повышенного  его износа. Оптимальным представляется выбор насосного оборудования с такими системами торцевых уплотнений, которые позволят увеличить срок службы системы и снизить время- и трудозатраты по их замене. Так, в современных вертикальных многоступенчатых насосах применяются картриджевые торцовые уплотнения, позволяющие заменять их силами обслуживающего персонала без демонтажа и разборки насоса.

     Как уже  говорилось, обычно вода, полученная  непосредственно из источника,  не может быть использована  в производстве без предварительной  очистки и подготовки. Наиболее  простым методом предварительной  очистки является механическая  фильтрация. На первом этапе используются  открытые емкости, заполненные  природным зернистым материалом (песком и т.д.) – так называемые  «скорые фильтры». После удаления  на них крупных примесей предочищенная вода подвергается химической обработке (коагулянтами и флокулянтами)  и обрабатывается в системах стандартной фильтрации. Обеспечение оптимальной работы такой системы состоит в регулярной очистке фильтра. Период между очистками можно увеличить, используя пульсирующий режим работы фильтра. С его помощью появится возможность частично удалять накопившиеся отложения на поверхности. Такой режим можно обеспечить посредством применения частотно-регулируемого насосного оборудования.

    Для деминерализации  и умягчения очищенной воды  применяют различные методы. Одним  из эффективных способов  в  настоящее время являются системы  ионообмена. Один из недостатков метода ионообмена – его цикличность (необходимость промывки колонок по мере их «забивания»). При этом для регенерации смол приходится использовать достаточно агрессивные растворы, что требует применения насосов в специальном исполнении (например, из композитных материалов). Поскольку скорость насыщения смолы зависит от концентрации ионов в очищаемой воде, этот метод не подходит для обессоливания воды с высокой минерализацией.

     В этих случаях  применим метод мембранной фильтрации (на полимерных мембранах). Он  позволяет добиться высоких результатов,  но требует значительных первоначальных  капиталовложений.