Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Насосы

Введение.

Краткая характеристика водопроводных насосных станций.

Водопроводная насосная станция – это комплекс сооружений и оборудования, предназначенный для перекачки воды. Здание насосной станции включает следующие помещения:

машинный зал, в котором размещаются насосные агрегаты и другое

вспомогательное оборудование (подъемно-транспортное оборудование, дренажные насосы, вакуум-насосы и т.д.)

трансформаторная подстанция
диспетчерская
кабинет начальника станции
ремонтные мастерские
складские помещения
санузел и т.д.

В состав насосной станции входят рабочие и резервные насосные агрегаты, регулирующая и предохранительная гидравлическая арматура, контрольно-измерительное и сигнализирующее оборудование, электрооборудование и автоматика, подъемно-транспортное и др. вспомогательное оборудование.

По надежности:

I класс – в работе не допускается перерывов;

II класс – допускаются кратковременные перерывы на период запуска резервных насосов;

III класс – допускается перерыв в работе на период ликвидации аварии не более 1 сут.

В зависимости от класса надежности насосной станции определяют количество резервных насосов (СНиП 2.04.02-84, п.7.3, табл. 32).

По расположению в системе водоснабжения насосные станции классифицируются на станции I и II подъема, повысительные и циркуляционные станции. Станции I подъема предназначены для подачи воды из источника на очистные сооружения, станции II подъема – для подачи чистой воды из резервуаров к потребителю. Повысительные насосные станции предназначены для увеличения напора в водопроводной сети (в отдельных районах, высотных зданиях и др.), циркуляционные насосные станции обеспечивают циркуляцию воды в замкнутых системах (оборотное водоснабжение промышленных предприятий, система охлаждения тепловых станций).

В зависимости от положения отметки чистого пола машинного зала относительно поверхности земли насосные станции делятся на:

наземные (отметка пола выше или на одном уровне с поверхностью земли);
полузаглубленные (отметка пола ниже поверхности земли , но значительная часть здания выступает);
заглубленные (здание полностью скрыто под землей).

В плане насосные станции бывают прямоугольные и круглые.

РАЗДЕЛ 1. ПОДБОР НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

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):

(1.1)

где и – среднесуточное потребление на хозяйственно-питьевые нужды населения и производства соответственно (данные из индивидуального задания), т.е.

Расчетные расходы наибольшего и наименьшего водопотребления воды в сутки определяются по формуле (:

(2.1)

где коэффициенты суточной неравномерности, учитывающие уклад жизни населения, режим работы предприятий, степень благоустройства зданий, изменения водопотребления по сезонам года и дням недели, надлежит принимать равными ; .

Следовательно:

Определим расчетные часовые расходы воды по формуле:

(3.1)

где коэффициенты часовой неравномерности водопотребления определяются по формулам:

(4.1)

где – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаемый

; ; – коэффициент, учитывающий число жителей в населенном пункте, принимается по таблице 2, СНиП 2.04.02-84.

Для того, чтобы определить коэффициент , определим число жителей в данном населенном пункте:

(5.1)

где – удельное водопотребление, принимаемое по таблице 1, СНиП 2.04.02-84 (принимаем равным 230 л/сут).

Таким образом, число жителей составит:

Следовательно, , а . Тогда, коэффициенты часовой неравномерности будут иметь следующие значения:

В свою очередь, расчетные часовые расходы:

Насосная станция должна обеспечить подачу воды в диапазоне от до . Тогда

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

где – расход воды на наружное пожаротушение, определяемый в соответствии с п. 2.12 и таблицей 5, СНиП 2.04.02-84, в зависимости от количества жителей в населенном пункте и типа зданий (предполагаем застройку населенного пункта зданиями высотой три этажа и выше).

Подставляя полученные значения в формулу (6.1), получим следующее значение :

Результаты расчетов сводим в таблицу 1.1.

Таблица 1.1
Q_{сут.ср.н}, м³/сут	Q_{сут.ср.п}, м³/сут	Q_сут.ср, м³/сут	Q_сут.max, м³/сут	Q_сут.min, м³/сут	N_ж, тыс.чел	q_ч.max, м³/ч	q_ч.min, м³/ч	Q_н.с.min, м³/ч	Q_н.с.max, м³/ч
2900	290	3190	4147	2233	12,609	290,29	18,608	18,608	344,29

Построение характеристики водопроводной сети и определение диапазонов напоров насосной станции

Требуемый напор насосной станции связан с характеристикой водопроводной сети, которая представляет собой зависимость и определяется следующим уравнением:

(7.1)

где – геометрический напор; – потери напора в коммуникациях насосной станции; – гидравлическое сопротивление водопроводной сети; – расход воды в сети.

Зная из предыдущих расчетов значение подачи насосной станции при максимальном водопотреблении (, значение требуемого напора при максимальном водопотреблении ( и геометрический напор (, из уравнения (7.1) можно определить гидравлическое сопротивление водопроводной сети:

Зная гидравлическое сопротивление , рассчитываем характеристику водопроводной сети по формуле (7.1). Причем значения расходов должны охватывать весь диапазон подач насосной станции от до . Примем значения равными: 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 .

Для удобства запишем полученные расчеты характеристик водопроводной сети в табличной форме. (Таблица 1.2).

Таблица 1.2

, м³/ч	0	50	100	150	200	250	300	350
, м	37	37,42	38,69	40,80	43,76	47,56	52,21	57,70

На основании составленной таблицы 1.2 построим графическую характеристику водопроводной сети (рис.1).

Рис. 1. Характеристика водопроводной сети.

По полученной характеристике сети определяем напоры насосной станции при и , которые соответственно равны и .

Вариантный подбор насосов

Предварительно подбираются несколько вариантов насосов для обеспечения подач в диапазоне от до и, соответственно, напоров от до .

Насосные станции систем водоснабжения характеризуются большим диапазоном подач от до , который, как правило, невозможно обеспечить одним насосом. Поэтому насосные станции комплектуются группой насосов, соединенных параллельно. При этом производительность одного насоса определяется приблизительным равенством:

(8.1)

где – количество однотипных насосов.

Можно укомплектовать насосную станцию однотипными насосами, что упрощает их эксплуатацию и техническое обслуживание. Однако такой вариант может приводить к необходимости гашения больших избыточных напоров в области минимальных подач, т.к. насосы подбираются по параметру . Другим вариантом подбора насосного оборудования является выбор группы насосов одного типоразмера для обеспечения подач в области средних и максимальных значений, и использования насосов другого типоразмера с меньшей производительностью для обеспечения подач в области и соответствующего напора .

Для каждого выбранного варианта определяются табличные и строятся графические характеристики , , , которые отражают одиночную и групповую работу насосов.

При параллельном соединении насосов их характеристики определим по формулам:

(9.1)

(10.1)

(11.1)

(12.1)

где , , , – соответственно подача, напор, мощность, КПД, характеризующие работу одного насоса; , , , – подача, напор, мощность, КПД, характеризующие работу группы насосов;

– количество насосов.

На основании данных о максимальной подаче , получим 2 варианта насосов типа К (КМ):

8 насосов типа К45/55;
4 насоса типа К90/55 и 1 насос типа К45/55.

Основные характеристики насосов типа К45/55 и К90/55 имеют следующий вид:

К45/55				К90/55
Н, м	Q, м³/ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м³/ч	N, кВт	h, %
60	0	4,2	0	60	0	7,5	0
62	14,4	7	35	62	18	11	25
60	21,6	8	44	63	36	13	43
56	36	10,1	60	62	54	16	60
52	50,4	11,9	64	60	72	17	70
40	64,8	13	60	54	90	18	72
				48	108	21	69
				40	126	22	60

Рассчитаем основные характеристики для подобранных вариантов по формулам (9.1) – (12.1). (Таблица 1.3 – I способ; таблица 1.4 – II способ).

Для каждого варианта построим графические характеристики, учитывая полученные в таблицах значения. (Рис.2 – I вариант, рис.3 – II вариант). Характеристики насосных агрегатов совместим с характеристикой водопроводной сети .

На основании анализа совмещенных графических характеристик насосов и водопроводной сети установим рабочие диапазоны насосных агрегатов, при условии, что рабочий диапазон каждого насоса должен находиться в пределах рабочей области его характеристик. (См. рис. 2-3).

Также избыточные напоры во всем диапазоне от до не должны превышать 60 м. При несоответствии одного из параметров рассматривается возможность применения насосов другого типоразмера или комплектации насосов преобразователем частоты тока (ПЧТ).

Для определения рабочих диапазонов примем диапазоны насосных агрегатов К45/55 и К90/55 равными соответственно (31 – 62) м³/ч и (65 – 112) м³/ч.

Таблица 1.3

1 насос К45/55				5 насосов К45/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	4,2	0	60	0	21	0
62	14,4	7	35	62	72	35	35
60	21,6	8	44	60	108	40	44
56	36	10,1	60	56	180	50,5	60
52	50,4	11,9	64	52	252	59,5	64
40	64,8	13	60	40	324	65	60
2 насоса К45/55				6 насосов К45/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	8,4	0	60	0	25,2	0
62	28,8	14	35	62	86,4	42	35
60	43,2	16	44	60	129,6	48	44
56	72	20,2	60	56	216	60,6	60
52	100,8	23,8	64	52	302,4	71,4	64
40	129,6	26	60	40	388,8	78	60
3 насоса К45/55				7 насосов К45/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	12,6	0	60	0	29,4	0
62	43,2	21	35	62	100,8	49	35
60	64,8	24	44	60	151,2	56	44
56	108	30,3	60	56	252	70,7	60
52	151,2	35,7	64	52	352,8	83,3	64
40	194,4	39	60	40	453,6	91	60
4 насоса К45/55				8 насосов К45/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	16,8	0	60	0	33,6	0
62	57,6	28	35	62	115,2	56	35
60	86,4	32	44	60	172,8	64	44
56	144	40,4	60	56	288	80,8	60
52	201,6	47,6	64	52	403,2	95,2	64
40	259,2	52	60	40	518,4	104	60

Таблица 1.4

1 насос К90/55				4 насоса К90/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	7,5	0	60	0	30	0
62	18	11	25	62	72	44	25
63	36	13	43	63	144	52	43
62	54	16	60	62	216	64	60
60	72	17	70	60	288	68	70
54	90	18	72	54	360	72	72
48	108	21	69	48	432	84	69
40	126	22	60	40	504	88	60
2 насоса К90/55				1 насос К45/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %	Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	15	0	60	0	4,2	0
62	36	22	25	62	14,4	7	35
63	72	26	43	60	21,6	8	44
62	108	32	60	56	36	10,1	60
60	144	34	70	52	50,4	11,9	64
54	180	36	72	40	64,8	13	60
48	216	42	69
40	252	44	60
3 насоса К90/55
Н, м	Q, м /ч	N, кВт	h, %
60	0	22,5	0
62	54	33	25
63	108	39	43
62	162	48	60
60	216	51	70
54	270	54	72
48	324	63	69
40	378	66	60

Итак, анализ совместных характеристик по варианту I (рис.2) показывает, что избыточные напоры не превышают 23 м. В интервале подач от 18,608 до 31 м³/ч рабочие характеристики не соответствуют рекомендованным заводом-изготовителем для насоса К45/55. Для решения этой проблемы предусматриваем комплектование одного насоса ПЧТ. Таким образом, окончательно вариант I включает: 1 насос К45/55 с ПЧТ и 7 насосов К45/55.

Анализ совместных характеристик по варианту II (рис.3) показывает, что избыточные напоры не превышают 23 м. В интервале подач от 18,608 до 31 м³/ч рабочие характеристики не соответствуют рекомендованным заводом-изготовителем для насоса К45/55. Для решения этой проблемы предусматриваем комплектование одного насоса ПЧТ. Таким образом, окончательно вариант I включает: 1 насос К45/55 с ПЧТ и 4 насоса К90/55.

Определяем мощность насосных агрегатов во всем диапазоне от Q_н.с.min до Q_н.с.max с учетом предусмотренных методов регулирования (дроссельное или частотное).

При дроссельном методе регулирования характеристики насосов не изменяются, и их мощность определяется по сводным характеристикам. (Рис. 2 – 3).

При перерасчете характеристик регулируемого насоса допускается использование приблизительных соотношений:

(13.1)

(14.1)

(15.1)

(16.1)

(17.1)

где – параметры, характеризующие работу насоса при частоте вращения ; – параметры, характеризующие работу насоса при частоте вращения .

В результате преобразований получаем формулы, необходимые для определения мощность и частоты вращения рабочего колеса регулируемого насоса:

(18.1)

(19.1)

а) ,

б)

в)

Учитывая то, что в первом и втором варианте насос с ПЧТ одной марки, то и значения перерасчетов будут совпадать.

Перерасчет характеристик для насосных агрегатов с ПЧТ, а также с дроссельным регулированием приведен в таблице 1.5 для I способа и в таблице 1.6 – для II способа подбора насосов.

Таблица 1.5

Вариант	Марка насоса	Кол-во насосов	Рабочий диапазон (рис.2-3)	Способ регулирования	Q_н.с., м³/ч	Н₁, м	Н₂, м	n₁, мин^-1	n₂, мин^-1	N₁, кВт	N₂ (N), кВт
Вариант	Марка насоса	Кол-во насосов	Рабочий диапазон (рис.2-3)	Способ регулирования	Q_н.с., м³/ч	Н₁, м	Н₂, м	n₁, мин^-1	n₂, мин^-1	N₁, кВт	N₂ (N), кВт
I	К45/55	1	А	Частотное	18,6	61	37	2900	2259	7	3,3
					40	55	37,5	2900	2395	11	6,2
					62	43,5	38	2900	2710	13	10,6
	К45/55	2	Б	Дроссельное	62	-	-	-	-	-	19
					100	-	-	-	-	-	24
					124	-	-	-	-	-	26
	К45/55	3	В	Дроссельное	124	-	-	-	-	-	33
					150	-	-	-	-	-	35,5
					186	-	-	-	-	-	38,5
	К45/55	4	Г	Дроссельное	186	-	-	-	-	-	46
					200	-	-	-	-	-	47,8
					230	-	-	-	-	-	50
	К45/55	5	Д	Дроссельное	230	-	-	-	-	-	57
					250	-	-	-	-	-	59,5
					275	-	-	-	-	-	61,5
	К45/55	6	Е	Дроссельное	275	-	-	-	-	-	68
					290	-	-	-	-	-	70
					300	-	-	-	-	-	71
	К45/55	7	Ж	Дроссельное	300	-	-	-	-	-	77
					310	-	-	-	-	-	78
					320	-	-	-	-	-	79
	К45/55	8	З	Дроссельное	320	-	-	-	-	-	85
					330	-	-	-	-	-	86
					344,29	-	-	-	-	-	88

Таблица 1.6

Вариант	Марка насоса	Кол-во насосов	Рабочий диапазон (рис.2-3)	Способ регулирования	Q_н.с., м³/ч	Н₁, м	Н₂, м	n₁, мин^-1	n₂, мин^-1	N₁, кВт	N₂ (N), кВт
Вариант	Марка насоса	Кол-во насосов	Рабочий диапазон (рис.2-3)	Способ регулирования	Q_н.с., м³/ч	Н₁, м	Н₂, м	n₁, мин^-1	n₂, мин^-1	N₁, кВт	N₂ (N), кВт
II	1	К45/55	А	Частотное	18,6	61	37	2900	2259	7	3,3
					40	55	37,5	2900	2395	11	6,2
					62	43,5	38	2900	2710	13	10,6
	1	К90/55	Б	Дроссельное	62	-	-	-	-	-	16,5
					100	-	-	-	-	-	20
					112	-	-	-	-	-	21,5
	2	К90/55	В	Дроссельное	112	-	-	-	-	-	32
					150	-	-	-	-	-	34,5
					224	-	-	-	-	-	43
	3	К90/55	Г	Дроссельное	224	-	-	-	-	-	51
					250	-	-	-	-	-	52
					298	-	-	-	-	-	59
	4	К90/55	Д	Дроссельное	298	-	-	-	-	-	68,5
					320	-	-	-	-	-	70
					344,29	-	-	-	-	-	71

После составления таблиц 1.5 – 1.6 на отдельном графике строятся характеристики рассматриваемых вариантов насосов с учетом их рабочих диапазонов и методов регулирования, на основании сопоставления которых устанавливается наиболее экономичный вариант с точки зрения энергоэффективности. (Рис.4).

На полученном графике (рис.4) характеристики пересекаются, поэтому однозначно невозможно отдать предпочтение одному из вариантов. Т.е. необходимо осуществить сопоставление вариантов с учетом вероятного графика водопотребления в данном населенном пункте.

Для проведения анализа для каждого из вариантов определяется зависимость где – время суток. Сначала по графику водопотребления определяются расходы воды в конкретные часы суток, после чего по характеристикам определяем мощность, потребляемую насосами в это время. Суммируя значения мощностей, определим суточное потребление энергии насосами. Данные по потребляемой мощности приведены в таблице 1.7.

Вариант с наименьшим энергопотреблением будет наиболее предпочтительным с точки зрения энергоэффективности. Для окончательного же вариантного выбора насосов должны также учитываться капитальные затраты на строительство насосной станции и затраты на обслуживание оборудования (в данной работе не учитываются).

Таблица 1.7

Q_{сут.ср.н}, м³/сут	Q_{сут.ср.п}, м³/сут	Q_сут.ср, м³/сут	Q_сут.max, м³/сут
2900	290	3190	4147


Часы суток	Часовой расход воды		Потребление электроэнергии, кВт·ч
	%	м³/ч	Вариант I	Вариант II
	%	м³/ч	Вариант I	Вариант II
0-1	1,0	41,5	7,6	7,6
1-2	1,0	41,5	7,6	7,6
2-3	1,0	41,5	7,6	7,6
3-4	1,0	41,5	7,6	7,6
4-5	2,0	82,9	21	18,5
5-6	3,0	124,4	33	33
6-7	5,0	207,4	41,5	48
7-8	6,5	269,6	61	56,0
8-9	6,5	269,6	61	56,0
9-10	5,5	228,1	48	41,5
10-11	4,5	186,6	46,5	39,5
11-12	5,5	228,1	48	41,5
12-13	7,0	290,3	70	58,0
13-14	7,0	290,3	70	58,0
14-15	5,0	207,4	41,5	48,0
15-16	4,5	186,6	46,5	39,5
16-17	5,5	228,1	48	41,5
17-18	6,5	269,6	61	56,0
18-19	6,5	269,6	61	56,0
19-20	5,0	207,4	41,5	48,0
20-21	4,5	186,6	46,5	39,5
21-22	3,0	124,4	33	33
22-23	2,0	82,9	21	18,5
23-24	1,0	41,5	7,6	7,6
Итого:			938	868