Простейшая водонапорная башня. Схема электрическая принципиальная

Не так давно мой друг советовался со мной по вопросу схемы для автоматического контроля уровня воды.
Задача стояла следующая.
В детском оздоровительном лагере, где он работает электриком встала задача починить старую водонапорную башню. При этом имелась сама башня, насос, готовый датчик контроля воды и блок управления в котором были оборваны провода и непонятно было, куда их подключать.

1. Датчик уровня воды, выполненный в виде трехжильного электрического кабеля с проводами разной длины.
2. Блок управления, состоящий из блока питания, выпрямителя и одного реле с парой нормально замкнутых и парой нормально разомкнутых контактов.

Когда он меня озадачил, я сразу же полез в интернет, ведь найти такую простую схему и не напрягать мозги был самый лучший вариант.

И вот тут нас ждал полный ппц. Нет, конечно выпало немало схем на микроконтроллерах и блок-схем водоснабжения, чему я был немало удивлен, что и побудило меня разработать простейшую схему автоматического контроля воды в водонапорной башне.

Этой простой схемой я хочу и поделится с вами. Надеюсь, что кому-то и пригодится мой опыт.

Принцип работы устройства очень прост и не нуждается в комментариях. Вся хитрость в нормально разомкнутых контактах реле Р1. При включении питания при отсутствии воды включается Пускатель, и башня начинает наполняться водой. Когда вода дойдет до среднего контакта статус реле не изменится, поскольку Кр1 разомкнуты и питание на обмотку реле Р1 не поступает. Когда вода дойдет до короткого контакта, реле срабатывает и надо отметить этот момент контакты Кр1 замыкаются и увеличивая ток через обмотку реле надежно притягивают его якорь. В этот момент контакты Кр2 размыкаются и разрывают питание обмотки пускателя. В результате глубинный насос отключается, и уровень воды начинает постепенно понижаться.

Идем дальше. Когда уровень воды опускается ниже короткого контакта ничего не происходит, поскольку обмотка реле запитана через контакты Кр1. Включение насоса произойдет только при понижении уровня воды ниже среднего контакта. После этого весь цикл повторяется сначала.

Самое главное в этой системе – это электрическая безопасность. Все контакты датчика находятся под достаточно высоким напряжением – около 120 вольт. Необходимо исключить гальваническую связь с электросетью для электробезопасности людей, заземлять вторичную обмотку трансформатора в любом случае и использовать высококачественный трансформатор питания.

Измерение и контроль уровня в водонапорной башне

Водонапорная башня — сооружение в системе водоснабжения для регулирования напора и расхода воды в водопроводной сети, создания её запаса и выравнивания графика работы насосных станций.

Водонапорная башня состоит из бака (резервуара) для воды, обычно цилиндрической формы, и опорной конструкции (ствола). Регулирующая роль водонапорной башни заключается в том, что в часы уменьшения водопотребления избыток воды, подаваемой насосной станцией, накапливается в водонапорной башне и расходуется из неё в часы увеличенного водопотребления. Высота водонапорной башни (расстояние от поверхности земли до низа бака) обычно не превышает 25 м, в редких случаях — 30 м; ёмкость бака — от нескольких десятков м³ (для малых водопроводов) до нескольких тысяч м³ (в больших городских и промышленных водопроводах). Опорные конструкции выполняются в основном из стали, железобетона, иногда из кирпича, баки — преимущественно из железобетона и стали. Водонапорные башни оборудуют трубами для подачи и отвода воды, переливными устройствами для предотвращения переполнения бака, а также системой замера уровня воды ( уровнемеры и сигнализаторы уровня) с телепередачей сигналов в диспетчерский пункт. Одной из наиболее распространённых систем водонапорных башен является «Башня Рожновского». Для непрерывного контроля и измерения уровня воды в водонапорной башне, можно применять следующие уровнемеры. Уровнемеры будут непрерывно контролировать уровень воды и с помощью выходного сигнала 4-20 мА передавать его на контроллер АСУТП или на любой вторичный прибор, на котором будет отображаться уровень воды в режиме реального времени. Для отображения данной информации можно использовать щитовой индикатор или видеографический регистратор.

• Диапазон измерения до 23 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 3 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 25 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 10 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 24 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 5 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 20 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 10 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 40 МПа
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 10 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 200 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 10 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Диапазон измерения до 15 метров
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Точность измерения от ± 1 мм

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

Для сигнализации о переполнении или опустошении в водонапорной башне, можно использовать следующие сигнализаторы уровня. Сигнализатор уровня при достижении определенной точки срабатывания, будет замыкать или размыкать реле, которое будет заведено на механизм, который будет отключать или включать подачу воды, или предупреждать звуковым сигналом.

• Длина кабеля до 20 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 50 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Длина контактной части до 3 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 150 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Длина контактной части до 3 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 250 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Длина контактной части до 10 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 235 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Длина контактной части до 3 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 130 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

• Длина контактной части до 3 метров
• Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
• Температура измеряемой среды до 200 С

На картинке ниже приведены основные технические характеристики датчика уровня и его внешний вид.

Водонапорная башня: назначение, виды, элементы и как устроена

ГОСТ 25151-82, устанавливающий термины, определения для систем, оборудования водоснабжения, указывает, что водонапорная башня является напорным резервуаром для хранения воды, установленным на опорной конструкции.

СП 8.13130.2020, регламентирующий противопожарные требования при устройстве источников внешнего водоснабжения, относит водонапорные башни к пожарным резервуарам, то есть к емкостным инженерным сооружениям, предназначенным для хранения запасов воды, которые по исполнению могут быть как металлическими, так и железобетонными конструкциями.

Фото водонапорной башни А.А. Рожновского

СП 31.13330.2012 о водоснабжении, являющийся актуализированной редакцией СНиП 2.04.02-84, также рассматривает водонапорные башни в качестве источника водоснабжения для целей тушения пожаров; уточняя, что в поселках, где проживает до 5 тыс. человек, а расход воды требуется не больше 10 л/с, допустимо прокладывать тупиковые линии водоснабжения при наличии пожарного водоема, водонапорной башни, что расположены в конце таких тупиков.

Но, изначально водопроводные башни создавались, и используются до сих пор не только для целей пожаротушения, а как гидротехнические сооружения для создания запасов воды, автономного регулирования ее расхода, напора в локальной сети водоснабжения небольшого населенного пункта, предприятия, железнодорожной станции.

Следует отметить, что строительство водонапорных башен в наши дни не уникально, как в прошлом, когда построенные из натурального камня, полнотелого кирпича сооружения часто отличались вычурной архитектурной красотой, отнесшей их позднее к достопримечательностям, историческим памятникам.

Для возведения современных водонапорных башен используют типовые проекты, технические условия, например, ТУ 4741-001-76960843-2005 – о стальных унифицированных водонапорных башнях системы Рожновского; ТУ 4741-001-00237819-2006 – о водонапорных башнях Рожновского типов БР-15, БР-25.

История

Для создания запаса воды, ее самотечной подачи в населенные пункты без использования каких-либо насосных механизмов, еще в древности использовали горные озера, искусственные пруды, акведуки.

Века назад появились и первые водонапорные башни – искусственные резервуары, устанавливаемые в крепостях, замках, городах для питьевых, хозяйственных нужд защитников, населения как в мирное время, так и при осаде неприятелем. Именно эти сооружения противник стремился разрушить одними из первых, чтобы лишить обороняющихся запаса воды, в том числе использовавшейся для тушения пожаров, возникающих при осадных действиях.

Второе рождение водонапорные башни получили с изобретением паровоза, строительством разветвленной сети железных дорог, обслуживающего их инженерного станционного хозяйства в Европе, США, России; развитием промышленного производства на новых территориях, не имеющих сетей централизованного водоснабжения.

Именно простейшая конструкция, принцип работы башни сделали ее такой востребованной, актуальной в различных ситуациях:

• Возможность забора воды из любого источника – от реки, ручья до артезианской скважины.
• Установка насоса не очень большой мощности для подъема воды в бак башни на высоту 10-20 м.
• Самотечная подача воды на питьевые, технические или хозяйственные нужды под естественным напором.
• Постоянное пополнение запаса воды, используемой для повышения напора в локальной сети водоснабжения поселка, железнодорожной станции, промышленного производства.
• Использование в критических ситуациях, в том числе при тушении пожара.
• Простейшая автоматика включения заполнения бака, пуска воды.

Из-за комплекса перечисленных преимуществ, унификации комплекта водонапорной башни, которую несложно доставить на новую промышленную площадку, территорию сельскохозяйственного предприятия, строящегося жилого поселка; быстро смонтировать, установив на бетонное фундаментное основание, они востребованы в районах, где централизованное строительство наружных сетей водоснабжения в ближайшие годы не планируется.

Назначение

Водонапорная башня предназначена для следующих целей:

• Заполнения ее бака водой из ближайшего источника, включая подземные водоносные пласты, с помощью насоса/насосной станции.
• Хранения запаса воды.
• Подачи ее под собственным напором в автономную систему водоснабжения на нужды населенного пункта, производственного, сельскохозяйственного объекта.

Вторая функция водонапорной башни, как искусственного источника наружного противопожарного водоснабжения, указана в пункте 4.1 СП 8.13130.2020:

• Для защиты поселений, где жителей меньше 5 тыс.
• Отдельных строительных объектов за их чертой, не обеспеченных наружным водоснабжением.
• Объектов любого назначения, с расходом воды на тушение не выше 10 л/с.
• Зданий малоэтажной застройки площадью, не превышающей нормативную для пожарного отсека по их степени стойкости огню.

Кроме того, водонапорные башни используются в качестве дополнительного источника для заправки пожарных автомашин, когда организовывается подвоз воды к месту пожара. Для этого:

• Снаружи башни на отводящем, подводящем трубопроводе врезают патрубок с соединительной головкой для подключения, заправки пожарной автотехники.
• У водонапорной башни, а также по направлению подъезда к ней, так же как для пожарных гидрантов, водоемов, должны устанавливаться указатели расстояния до них, с использованием светоотражающих материалов.

Видов водонапорных башен несколько, зависящих в основном от материала, использованного для постройки:

• Каменные, кирпичные, редко эксплуатируемые, чаще используемые под размещение музеев, смотровых площадок, предприятий общепита.
• Из железобетонных конструкций, в основном строившиеся в СССР.
• Водонапорные баки, смонтированные на ажурных металлических опорах, созданные по проектам инженера В. Г. Шухова.
• Водонапорные цилиндрические баки, установленные на стальном рамном каркасе произвольной конструкции.
• Стальные баки переменного сечения системы инженера А. А. Рожновского, напоминающие по форме гранату с ручкой.
• Цилиндрические резервуары различных размеров, вплоть до железнодорожных цистерн, установленные на железобетонные, стальные конструкции оснований. Чаще всего это водонапорные баки в составе систем летнего водопровода дачных поселков.

Технические характеристики, устройство и элементы

Их стоит рассмотреть на примере самой распространенной конструкции таких гидротехнических сооружений, изобретенной советским инженером А.А. Рожновским в 1936 году, и настолько удачной, эффективной при использовании, что автор был в 1942 году награжден Сталинской премией.

Основной идеей талантливого изобретателя было использование унифицированного набора конструктивных элементов высотного водонапорного сооружения, в основном выполненных из металла, что позволяло их быструю транспортировку, сборку на месте за небольшой период, особенно по сравнению со строительством подобных сооружений из кирпича, железобетонных конструкций.

Огромными преимуществами нового вида таких инженерных сооружений было отсутствие необходимости в системе обогрева, что весьма важно для большинства регионов страны, а также вновь разработанная схема управления, полностью работающая в автоматическом режиме. Изобретение первоначально предназначалось для заправки паровозов на железнодорожных узлах, станциях, но стало впоследствии востребованным в других отраслях.

В состав башни Рожновского входят следующие элементы:

• Фундаментное основание, выполняемое из готовых строительных блоков или заливкой монолитной плиты.
• Ствол башни, являющийся ее опорной частью, высота которого составляет до 30 м.
• Бак, имеющий типовой размер емкостью 15, 25, 50 или 160 м 3 , служащий для сбора/расхода воды.
• Стальные трубопроводы для заполнения, отвода воды из бака, откуда она под собственным напором, создавая давление, поступает к потребителям.
• Наружная/внутренняя лестница или скобы для обслуживания.
• Смотровой люк в крыше водонапорного бака.
• Насос, источником воды для которого чаще всего служит подземная скважина или водоем.
• Система автоматики – контактные датчики верхнего, нижнего уровней воды в баке, реле включения/отключения электропитания насосов.
• Аварийное устройство перелива воды на случай отказа автоматики.

Схема оборудования водонапорной башни-колонны

1 – напорная труба для подачи воды из колонны в бак; 2 – рабочая переливная труба; 3 – подающе-отводящая труба; 4 – воздушная труба; 5 – бак; 6 – регулирующий объем; 7 – неприкосновенный противопожарный объём; 8 – днище бака; 9 – труба для подачи воды в сеть при тушении пожара; 10 – предохранительная переливная труба; 11 – колонна; 12 – всасывающая труба насоса; 13 – насосная станция подкачки; 14 – труба к водопроводной сети

Согласно СП 8.13130.2020 к техническим параметрам, устройству водонапорных башен предъявляются следующие требования:

• Расчетный объем воды в баке должен обеспечить наружное и внутреннее тушение пожара в обслуживаемом здании в течение 10 мин, с учетом максимального расхода на другие нужды.
• Размещение бака по высоте установки должно производиться на основании гидравлического расчета системы водоснабжения.
• Если водонапорная башня не входит в зону имеющейся молниезащиты обслуживаемого объекта, то требуется оборудование собственных устройств защиты от разряда атмосферного электричества.
• Автоматика должна обеспечивать контроль уровня неприкосновенного объема воды для целей пожаротушения, а также уровень, обеспечивающий работу насосов в безаварийном режиме.
• Степень стойкости к огню водонапорной башни должна быть не ниже II-ой.
• Для изготовления опорных стволов башен допустимо использовать стальные конструкции или местные негорючие материалы и вещества, а для баков – только сталь.
• В районах с жестким климатом допустим подогрев воды в баке при помощи паровых, водяных, электрических нагревательных устройств, греющих кабелей.

При наличии одного источника электроснабжения водонапорной башни в малонаселенных пунктах, на объектах защиты следует предусматривать установку резервного пожарного насоса с двигателем на жидком топливе, обеспеченным автоматическим пуском от аккумуляторной батареи.

Как работает

Водоснабжение жилого поселка

Принцип работы этого гидротехнического высотного сооружения основан на эффекте закона о сообщающихся сосудах:

• С помощью насоса по подающему трубопроводу происходит забор воды из подземной скважины, реки, озера в накопительный бак, смонтированный наверху башни.
• Под собственным напором, обусловленным высотой размещения бака, вода самотеком движется по подающему трубопроводу в автономную/локальную систему снабжения ее потребителей – жилых домов, промышленных, сельскохозяйственных производств. Имеется также возможность с помощью соединительных патрубков с вентилями непосредственной заправки сельскохозяйственной, поливочной, пожарной автотехники.
• При небольшом разборе воды напорный бак постепенно заполняется, и при достижении максимального уровня автоматика по сигналу электроконтактного датчика отключает подачу электропитания на насос.
• При понижении уровня до минимально установленного значения происходит включение насоса.

Простота конструкции, режима работы башни по-прежнему оставляет ее востребованным гидротехническим оборудованием за городской чертой, вне зоны действия централизованных сетей водоснабжения.