Насосная станция второго подъема

Введение

 

          Задача данного курсового проекта – составление и расчетное обоснование проекта машинного зала здания насосной станции.

          Насосными станциями называют комплексы гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающие забор воды из источника, транспортировку и подъем ее к месту потребления.

          Состав сооружений насосных станций, их взаимное расположение и конструктивное исполнение зависят от множества факторов: назначения, подачи и напоров, природных условий (рельеф местности, колебание уровней воды в верхнем и в нижнем бьефах, объем твердого стока, инженерно-геологические и гидрогеологические условия), наличия местных строительных материалов, технического оснащения строительной организации и др.

          В зависимости от места расположения в общей схеме различают водопроводные насосные станции первого и второго подъёма.

          Станции первого подъема предназначены для подачи воды из источника на очистные сооружения. Если водоподготовка не требуется, то насосная стация первого подает воду в накопительный резервуар.

          Задачей насосной станции второго подъёма является подача воды из резервуаров чистой воды к потребителям. Напор насосной станции должен быть достаточен для преодоления всех гидравлических сопротивлений водоводов и распределительной сети, а также для создания некоторых необходимых напоров у потребителей.

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 1. Подбор насосного оборудования

 

1. . Определение расчетных расходов водопотребления населенного пункта и диапазона подач насосной станции

 

          Потребление воды населенного пункта неравномерно как в течение года, так и в течение суток.

          Среднегодовой суточный расход воды определяется как сумма среднегодовых суточных расходов воды на нужды различных потребителей (м3/сут):

,

где Qсут.ср.н и Qсут.ср.п – среднесуточное потребление на хозяйственно-питьевые нужды населения и производства соответственно.

Qсут.ср. = 3000 (м3/сут) + 300 (м3/сут) = 33000 (м3/сут)

          Расчетные расходы воды в сутки наибольшего и наименьшего водопотребления определяются по формуле (м3/сут):

,

где коэффициенты суточной неравномерности, учитывающие уклад жизни населения, режим работы предприятий, степень благоустройства зданий, изменения водопотребления по сезонам года и дням недели, надлежит принимать Kсут.max=1,1–1,3; Kсут.min=0,7–0,9.

   Qсут.max = 1,3 . 3300 (м3/сут) = 4290 (м3/сут)

Qсут.min = 0,7 . 3300 (м3/сут) = 2310 (м3/сут)

          Расчетные часовые расходы воды определяются по формуле (м3/ч):

          Коэффициенты часовой неравномерности водопотребления Kч определяется по формуле:

где α – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаемый αmax=1,2–1,4; αmin=0,4–0,6; βmin, βmax – коэффициенты, учитывающие число жителей в населенном пункте и принимаются по таблице:

 

 

 

 

 

         Оценить число жителей Nж можно, пользуясь формулой:

,

где qж – удельное водопотребление (принимаем qж=230 л/сут).

 

         Находим по таблице, что при числе жителей 13044 человек  βmin=0,5; βmax=1,2.

         Определим коэффициенты часовой неравномерности водопотребления Kч и расчетные часовые расходы воды:

  Кч.max = 1,4 . 1,2 = 1,68

Кч.min = 0,4 . 0,5 = 0,2

 qч.max = 1,68 . 4290 (м3/сут) / 24 = 300 (м3/ч)

qч.min = 0,2 . 2310 (м3/сут) / 24 = 19,3 (м3/ч)

         Насосная станция должна обеспечить подачу воду в диапазоне от qч.min до qч.max. Тогда Qн.с.min = qч.min = 19,3 (м3/ч).

         Кроме того должен обеспечиваться расчетный противопожарный расход, т.е.

,

где Qп – расход воды на наружное пожаротушение (л/с), определяемый в соответствии с нижеприведенной таблицей в зависимости от количества жителей в населенном пункте и типа зданий (предполагаем застройку населенного пункта зданиями высотой три этажа и выше).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Находим по таблице, что при числе жителей 13044 человек расход воды на наружное пожаротушение Qп = 2 * 15 = 30 (л/с).

         Тогда  Qн.с.max = 300 (м3/ч) + 3,6 . 30 (л/с) = 408 (м3/ч).

         Результаты расчетов сводим в таблицу:

Qсут.ср., м3/сут	Qсут.ср.п, м3/сут	Qсут.ср, м3/сут	Qсут.ma, м3/сут	Qсут.min, м3/сут	Nж, тыс.чел	qч.max, м3/ч	qч.min, м3/ч	Qн.с.min, м3/ч	Qн.с.max, м3/ч
3000	300	3300	4290	2310	13,044	300	19,3	19,3	408

 

 

 

 

 

1.2. Построение  характеристики водопроводной сети  и определение диапазонов напоров  насосной станции

 

          Требуемый напор насосной станции связан с характеристикой водопроводной сети, которая представляет собой зависимость Hв.с = f(Q) и определяется уравнением:

,

где Hг – геометрический напор;

hн.с. = 2…2,5 м – потери напора в коммуникациях насосной станции;

B – гидравлическое сопротивление водопроводной сети;

Q – расход воды в сети.

          Зная из предыдущих расчетов значение подачи насосной станции при максимальном водопотреблении (Qн.с.max = 408 м3/ч), значение требуемого напора при максимальном водопотреблении (Hн.с = 60 м) и геометрический напор (Hг = 37 м), можно определить гидравлическое сопротивление водопроводной сети:

          Зная гидравлическое сопротивление В, рассчитываем характеристику водопроводной сети. Расчет характеристики водопроводной сети Hв.с = f(Q) удобно вести в табличной форме. Причем значения расходов Q должны охватывать весь диапазон подач насосной станции от Qн.с.min = 19,3 м3/ч до Qн.с.max = 408 м3/ч.

          Таблица зависимости Q от Н

Q, м3/ч	0	50	100	150	200	250	300	350	400	450
Hв.с, м	39,0	39,3	40,3	41,8	44,0	46,9	50,3	54,4	59,2	64,5

          На основании этой таблицы строим графическую характеристику водопроводной сети Hв.с.= f(Q):

          По характеристике сети определяем напоры насосной станции при Qн.с.min = 19,3 м3/ч и Qн.с.max = 408 м3/ч, которые соответственно равны Hн.с.min = 39,2 м и Hн.с.max = 60 м.

 

1.3. Вариантный  подбор насосов

 

          Предварительно подбираем несколько вариантов насосов для обеспечения подач в диапазоне от Qн.с.min = 19,3 м3/ч до Qн.с.max = 408 м3/ч и, соответственно, напоров от Hн.с.min = 39,2 м до Hн.с.max = 60 м:

        - для минимального диапазона насос К45/55

         - для максимального диапазона насос К90/85

          Насосная станция системы водоснабжения характеризуются большим диапазоном подачи от Qн.с.min = 19,3 м3/ч до Qн.с.max = 408 м3/ч, который невозможно обеспечить одним насосом. Поэтому насосная станция комплектуется группой насосов, соединенных параллельно. При этом производительность одного насоса определяется приблизительным равенством:

,

где n –количество однотипных рабочих насосов.

Вариант I

          Можем укомплектовать насосную станцию однотипными насосами, которые подбираются по параметру Hн.с.max = 60 м. Следовательно мы будим использовать насосы типа К90/85. Определим их количество:

n = Qн.с.max / Qнасоса = 408 (м3/ч) / 90 (м3/ч) = 4,43 ≈ 4 насоса К90/85

          Этот вариант проще в отношении эксплуатации и технического обслуживания насосов. Однако такой вариант может приводить к необходимости гашения больших избыточных напоров в области минимальных подач, так как насосы подбираются по параметру Hн.с.max = 60 м.

Вариант II

          Другим вариантом подбора насосного оборудования является выбор группы насосов одного типоразмера для обеспечения подач в области средних и максимальных значений, и использования насосов другого типа размера с меньшей производительностью для обеспечения подач в области Qн.с.min = 19,3 м3/ч и соответствующего напора Hн.с.min = 39,2 м. Соответ- ственно:

1 насос К45/55 (минимальные подачи)

4 насоса  К90/85 (средние и максимальные подачи)

          Для каждого выбранного варианта определим табличные и построим графические характеристики H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), которые отражают одиночную и групповую работу насосов. Характеристики насосных агрегатов совмещаются с характеристикой водопроводной сети Hв.с.

          При параллельном соединении насосов их характеристики определяются формулами:

         

        

где Qi, Hi, Ni и ηi – параметры, характеризующие работу одного насоса; Qn, Hn, Nn и ηn – параметры, характеризующие работу группы насосов; 
n – количество рабочих насосов.

Табличные характеристики:

Вариант I

Технические данные насосов К 90/85, соединенных параллельно (n=2900 мин-1, Dв.п.=100 мм)
Кол-во насосов	Q, м3/ч	H, м	N, кВт	η, %
1	0	97,9	10	0
	28,8	100	19	36
	57,6	99	25	55
	86,4	90	31	65
	115	73	38	66
	144	64	37	62
2	0	97,9	20	0
	57,6	100	38	36
	115,2	99	50	55
	172,8	90	62	65
	230	73	76	66
	288	64	74	62
3	0	97,9	30	0
	86,4	100	57	36
	172,8	99	75	55
	259,2	90	93	65
	345	73	114	66
	432	64	111	62
4	0	97,9	40	0
	115,2	100	76	36
	230,4	99	100	55
	345,6	90	124	65
	460	73	152	66
	576	64	148	62

 

 

 

Вариант II

Технические данные насоса К 45/55 (n=2900 мин-1, Dв.п.=75 мм)
Q, м3/ч	H, м	N, кВт	η, %
0	60	4,2	0
14,4	62	7	35
21,6	60	8	44
36	56	10,1	60
50,4	52	11,9	64
64,8	40	13	60

 

Технические данные насосов К 90/85, соединенных параллельно (n=2900 мин-1, Dв.п.=100 мм)
Кол-во насосов	Q, м3/ч	H, м	N, кВт	η, %
1	0	97,9	10	0
	28,8	100	19	36
	57,6	99	25	55
	86,4	90	31	65
	115	73	38	66
	144	64	37	62
2	0	97,9	20	0
	57,6	100	38	36
	115,2	99	50	55
	172,8	90	62	65
	230	73	76	66
	288	64	74	62
3	0	97,9	30	0
	86,4	100	57	36
	172,8	99	75	55
	259,2	90	93	65
	345	73	114	66
	432	64	111	62
4	0	97,9	40	0
	115,2	100	76	36
	230,4	99	100	55
	345,6	90	124	65
	460	73	152	66
	576	64	148	62

 

 

 

Графические характеристики:

Вариант I

 Характеристики насосов и водопроводной сети и анализ их совместной работы:

А – диапазон работы насоса К 90/85 с ПТЧ; Б – 2 насоса К 90/85; В – 3 насоса К 90/85; 
Г – 4 насоса К 90/85.

Вариант II

 

Характеристики насосов и водопроводной сети и анализ их совместной работы:

А – диапазон работы насоса К 45/55 с ПТЧ; Б – насос К 90/85; В – 2 насоса К 90/85; 
Г – 3 насоса К 90/85; Д – 4 насоса К90/85.

На основании анализа совмещенных графических характеристик насосов водопроводной сети были установлены рабочие диапазоны насосных агрегатов. Рабочий диапазон каждого насоса должен находиться в пределах рабочей области его характеристик:

К45/55 – (31-62 м3/ч),

  К90/85 – (65-115 м3/ч).

                                   Рабочие диапазоны:

       Вариант I   Вариант II

А) 19,3 – 115 м3/ч                                       А) 19,3 – 62 м3/ч

Б) 115 – 230 м3/ч                                       Б) 62 – 115 м3/ч

В) 230 – 345 м3/ч                                      В) 115 – 230 м3/ч

Г) 345 – 408 м3/ч                                       Г) 230 – 345 м3/ч

                                                                   Д) 345 – 408 м3/ч 

Избыточные напоры во всем диапазоне от Qн.с.min до Qн.с.max не должны превышать 60 м. Это условие выполняется. При несоответствии одного из параметров рассматривалась бы возможность применения насосов другого типоразмера.

Поскольку начало диапазонов А) первого и второго вариантов  меньше рабочих диапазонов соответствующих насосов, то мы производим комплектацию насосов в этих диапазонах с преобразователем частоты тока (ПЧТ).

          При пересчете характеристики регулируемого насоса допускается использовать приблизительные соотношения

 

 

 

 

 

 

где Q1, H1, N1 и η1 – параметры, характеризующие работу насоса при частоте вращения n1; Q2, H2, N2 и η2 – параметры, характеризующие работу насоса при частоте вращения n2.

          Для расчёта мощность N удобнее использовать следующие преобразования этих формул:

 

 

 

где Н1 и Н2 – соответственно напоры развиваемый насосом и требуемый при определенном расходе Q.

          Для других диапазонов мы используем  дроссельное регулирование. При  этом  методе регулирования характеристики насосов не изменяются,  в том числе и их мощность N, определяются по сводным характеристикам.

          С учётом выше сказанного определяем мощность N насосных агрегатов во всём диапазоне от Qн.с.min = 19,3 м3/ч до Qн.с.max = 408 м3/ч, не забыв о предусмотренных методах регулирования:

 

Вариант	Марка насоса	Кол-во насосов	Рабочий диапазон	Способ регулирования	Qн.с., м3/ч	Н1, м	Н2, м	n1, мин-1	n2, мин-1	N1, кВт	N2 (N), кВт
I	К90/85	1	А	Частотное	19,3	99,7	39,2	2900	1818	16	3,9
					40	100	39,5	2900	1823	21	5,2
					60	98	39,8	2900	1848	25	6,5
					80	92	40	2900	1912	29	8,3
					100	82	40,1	2900	2028	36	12,3
					115	73	40,2	2900	2152	38	15,5
	К90/85	2	Б	Дроссельное	115	-	-	-	-	-	50
					140	-	-	-	-	-	55
					160	-	-	-	-	-	59
					180	-	-	-	-	-	64
					200	-	-	-	-	-	69
					230	-	-	-	-	-	76
	К90/85	3	В	Дроссельное	230	-	-	-	-	-	86
					250	-	-	-	-	-	92
					270	-	-	-	-	-	96
					290	-	-	-	-	-	101
					320	-	-	-	-	-	109
					345	-	-	-	-	-	114
	К90/85	4	Г	Дроссельное	345	-	-	-	-	-	124
					360	-	-	-	-	-	128
					370	-	-	-	-	-	130
					380	-	-	-	-	-	133
					390	-	-	-	-	-	136
					408	-	-	-	-	-	140,5
II	К45/55	1	А	Частотное	19,3	62	39,2	2900	2306	7	3,5
					30	57	39,3	2900	2408	9	5,2
					35	56,5	39,3	2900	2419	10	5,8
					40	55	39,3	2900	2451	10,5	6,3
					50	52	39,6	2900	2531	12	8
					62	40	39,9	2900	2896	13	12,9
	К90/85	1	Б	Дроссельное	62	-	-	-	-	-	26
					70	-	-	-	-	-	27
					80	-	-	-	-	-	29
					90	-	-	-	-	-	32
					100	-	-	-	-	-	34
					115	-	-	-	-	-	38
	К90/85	2	В	Дроссельное	115	-	-	-	-	-	50
					140	-	-	-	-	-	55
					160	-	-	-	-	-	59
					180	-	-	-	-	-	64
					200	-	-	-	-	-	69
					230	-	-	-	-	-	76
	К90/85	3	Г	Дроссельное	230	-	-	-	-	-	86
					250	-	-	-	-	-	92
					270	-	-	-	-	-	96
					290	-	-	-	-	-	101
					320	-	-	-	-	-	109
					345	-	-	-	-	-	114
	К90/85	4	Д	Дроссельное	345	-	-	-	-	-	124
					360	-	-	-	-	-	128
					370	-	-	-	-	-	130
					380	-	-	-	-	-	133
					390	-	-	-	-	-	136
					408	-	-	-	-	-	140,5

 

 

 

 

На отдельном графике построим характеристики N = f(Q) всех рассматриваемых вариантов насосов с учетом их рабочих диапазонов и методов регулирования:

На основании сопоставления характеристик N = f(Q) рассматриваемых вариантов насосов, очевидно, что первый вариант наиболее выгодный с точки зрения потребления электроэнергии (оно меньше). Следовательно выбираем I Вариант, т.е. 4 насоса К90/85.

 

Раздел 2. Проектирование машинного зала здания насосной станции

 

1. Разработка конструктивной схемы и компоновка оборудования

 

Габариты машинного зала насосной станции в основном зависят от числа насосных агрегатов и их расположения. В прямоугольных зданиях агрегаты располагают в 1 или 2 ряда параллельно

 

 

или в 2 ряда в шахматном порядке.

 

 

Для выбранного числа насосных агрегатов (основных и резервных) с учетом схемы их расположения подбирают трубопроводы, запорно-регулирующие и защитно-гидроарматурные соединения и другую арматуру.

Схема размещения запорно-регулирующей арматуры должна обеспечивать возможность переключения основных и резервных насосов, а также отключение всасывающего и нагнетательного трубопроводов каждого насоса, с целью проведения ремонтных и профилактических работ.

Выбор типа насосов и количество рабочих агрегатов подлежит производить на основе расчетов совместной работы насосов, водоводов, сетей, регулирующих емкостей, суточного и часового графика водопотребления, условий пожаротушения и т.д. В машинном зале допускается устанавливать группы насосов различного назначения. Количество рабочих агрегатов 1 группы должно быть не менее 2-х. При установлении группы насосов с разными характеристиками количество резервных агрегатов следует принимать: для насосов большой производительности – таблица ниже; а резервные насосы меньшей производительности хранить на складе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          В разделе 1 определили количество рабочих агрегатов: 4 насоса типа К90/85. Проектируемая насосная станция относится к 1 категории надежности, тогда количество резервных насосов принимаем – 2 насоса типа К90/85. Следовательно, общее количество насосов составит 6 насосов К90/85. Выбираем расположение насосов в 1 ряд параллельно.

 Конструктивная схема машинного зала насосной станции:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет коммуникаций и подбор гидравлической арматуры

 

Выбор соединительно арматуры зависит от диаметров всасывающих и нагнетательный патрубков насосов и диаметра выбранных трубопроводов. Диаметр трубопровода определяется в зависимости от нормальной скорости движения воды и количества труб. Диаметры всасывающих и нагнетательных труб отдельных насосов рассчитываются на пропуск максимального расхода, приходящего на данный насос.

Диаметр труб с учетом соответственного расхода определяется по формуле:

,

где vэк – экономически наивыгодная скорость движения воды в трубопроводах.

Диаметр труб, мм	Скорости движения воды в трубопроводах насосных станций, м/с
	всасывающие	напорные
До 250	0,6 ¾ 1	0,8 ¾ 2
Св. 250 до 800	0,8 ¾ 1,5	1 ¾ 3
Св. 800	1,2 ¾ 2	1,5 ¾ 4

 

Трубы внутри насосной станции принимают стальные с соединением на сварке. Для конкретных участков трубопровода подбирают необходимую запорно-регулирующую, защитную и соединительную арматуру.

Напорные и всасывающие трубопроводы в пределах машинного зала насосной станции размещают в углубленных каналах с водосборными приямками или укладывают на полу машинного зала, обеспечивая уклон пола к приямку. Над трубами устраивают переходы.

Подборка диаметра трубопроводов:

          Позиция 1: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   vэк= 1,1 м/с

          Позиция 2: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   vэк= 1,1 м/с

          Позиция 3: Qн.max = 115 м3/ч = 0,032 м3/с,   vэк= 0,7 м/с

          Позиция 4: Qн.max = 115 м3/ч = 0,032 м3/с,   vэк= 0,9 м/с

          Позиция 5: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   vэк= 1,4 м/с

          Позиция 6: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   vэк= 1,4 м/с

Проверка:

,   

          Полученные  скорости должны попасть в выбранные интервалы.

          Позиция 1: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,  d = 363мм

          Позиция 2: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   d = 363мм

          Позиция 3: Qн.max = 115 м3/ч = 0,032 м3/с,   d = 261мм

          Позиция 4: Qн.max = 115 м3/ч = 0,032 м3/с,   d =210мм

          Позиция 5: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,   d =311мм

          Позиция 6: Qн.с.max = 408 м3/ч = 0,113 м3/с,  d =311мм

          Скорости  попадают  в выбранные  интервалы.

          Подберём гидравлическую арматуру, которая зависит от найденных диаметров Dу. Размеры и позиции арматуры указаны на схеме машинного зала здания насосной станции (формат А1, масштаб 1:25).

 

3. Определение габаритных размеров машинного зала

 

          Размер машинного зала определяется количеством и габаритами насосных агрегатов, а также размещением трубопроводов, запорно-регулирующей и предохранительной арматурой. Определение основных размеров машинного зала в плане сводим к установлению ширины и длины помещения. При проектировании машинного зала в плане соблюдаются необходимые размеры: между насосными агрегатами – 250 мм, между агрегатом и стеной 1000мм.

          Ширина здания (расчётный пролёт) определяется, исходя из габарита насосного агрегата (К90/85), строительной длины арматуры и фасонных частей.

          Стандартный пролёт здания равен 6, 9, 12 и 15 м.

          Определим ширину здания:

В=250м+L1+250мм+dк.вс+250мм+L2+L3+L4+L5+L6+L7+250мм+dк.н+250+L8+250мм,

где Ln – длины(L) и позиции(n) арматуры на схеме машинного зала здания насосной станции (формат А1), dк.вс  и dк.н  – диаметры коллектора.

В=250м+550мм+250мм+363мм+250мм+450мм+200мм+1600мм+250мм+

+500мм +330мм+250мм+311мм+250+500мм+250мм=6554мм(принимаем 6м)

          Длина здания определяется, исходя из количества основных и вспомогательных насосов, их габаритов, а также размеров монтажной площадки. Проход между насосными агрегатами, а также между агрегатами и строительными конструкциями должен быть не менее 1м. Размер монтажной площадки в плане равен монтажному пятну наибольшего насосного агрегата (К90/85).  Длина машинного здания принимается кратной 6 м при каркасном здании и кратной 1,5 м для бескаркасных зданий. В нашем случае здание аркасное, поэтому длину здания принимаем кратной 6 м.

          Определим длину здания:

L=8(проёмы)*1000мм+6(насосы)*663мм(ширина насоса)+(500мм+663мм+ +500мм (монтажная площадка))=9663мм(принимаем 12м)

          Высотное положение ремонтно-машинной площадки должно обеспечивать возможность погрузки-разгрузки оборудования на транспортные средства. Высота машинного зала насосной станции от чистого пола до нижней плоскости конструкции покрытия должна составить: