Насосы и насосные станции

ВВЕДЕНИЕ

 

Насосные станции систем водоснабжения представляют собой комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоподачу в соответствии с нуждами потребителя. Состав сооружений, их конструктивные особенности, тип и число вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов комплексного использования водных ресурсов и охраны природы с учетом назначения насосной станции и предъявляемых к ней технологических требований.

Насосные станции I подъема забирают воду из источника водоснабжения и подают ее на очистные сооружения или, если не требуется очистки воды, непосредственно в резервуары, распределительную сеть, водонапорную башню

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ОСНОВНОГО ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

 

 

Основное гидромеханическое оборудование насосной станции обеспечивает бесперебойную подачу воды потребителю или отвод ее с осушаемой территории в соответствии с заданным графиком водоподачи или водоотвода.

Рисунок 1. Схема расположения основного  гидромеханического оборудования

 

1 – водоисточник;

2 – самотечный трубопровод;

3 – водозаборное сооружение;

4 – всасывающий агрегат;

5 – здание насосной станции;

6 – насос;

7 – напорный трубопровод;

8 – водоприемник.

1.  Определение расчетной подачи и числа рабочих насосов

 

 Исходя из имеющегося оборудования, назначаем 2 основных насоса и 1 резервный. Расчетная подача одного насоса определяется по формуле:

                                         Q₁=Q_нК_ф                                                                                   (1.1)

где К_ф – коэффициент форсирования, К_ф=1,0

      Q_н – расчетная максимальная подача одного насоса, м³/с, определяемая по формуле:

                                       Q_н= Q_max/2                                             (1.2)

где Q_max - максимальное суточное водопотребление, 

       Q_max=15000м³/сут.=1,74 м³/с.

                              Q_н=1,74/2=0,87 м³/с.

Расчетная подача одного насоса по формуле (1.1):

                              Q₁=0,87·1,0=0,87 м³/с.

 

2.  Определение расчетного напора насоса

 

Расчет напора насоса определяется по условиям движения воды во внешней сети (всасывающей и напорной линиях):

                            Н_н=Н_г+Σh+Н_св                                               (1.3)

где Н_г – геометрический напор (полная высота подъема жидкости);

      Σh – суммарные потери напора на трассе водоподачи;

      Н_св – свободный напор.

Геометрический напор Н_г вычисляется по формуле:

                             Н_г = h_см - h_min ,                                              (1.4)

где h_см – отметка уровня в сместителе; h_см = 81 м;

         h_min -  минимальная отметка уровня в водоприемном сеточном

                колодце, h_min = 68 м.

                             Н_г = 81 – 68 = 13 м.

Свободный напор определяется по формуле:

                            Н_св = Р/(ρ∙g),                                                 (1.5)

где Р – атмосферное давление, Р =4∙10⁵ Па.

                            Н_св = 4∙10⁵ /(1000∙10) = 40м.

Суммарные потери напора определяются по формуле:

                            Σh = h_встр + h_н.тр + h_дл,                                   (1.6)

где h_встр – местные потери во всасывающем трубопроводе, м;

       h_н.тр – местные потери в напорном трубопроводе, м;

          h_дл  - потери по длине, м.

Местные потери во всасывающем трубопроводе определяются по формуле:

                            h_встр = (υ²_вс.тр/2g) ∙ (ζ_пр.с.+ ζ_к + ζ _суж.),               (1.7)

где υ_вс.тр – скорость воды во всасывающем трубопроводе, равна 1,7 м/с;

      ζ_пр.с. – коэффициент местного сопротивления для приемной сетки с обратным клапаном, равен 2,5 по /4/;

      ζ_к – коэффициент местного сопротивления для колена, равен 1,8;

      ζ _суж – коэффициент местного сопротивления для патрубка,

                 равен  1,2.

                           h_встр = (1,7² /2∙10) ∙ (2,5_.+ 1,8 + 1,2) = 0,8 м.

Местные потери в напорном трубопроводе определим по формуле:

                          h_нтр = (υ²_н.тр/2g) ∙ (2∙ζ_задв.+ 2∙ζ_тр + ζ_к.),                (1.8)

где υ_н.тр – скорость движения воды в напорном трубопроводе,

      равная 2,7м/с;

      ζ – коэффициент  местного сопротивления, 

            для задвижки, равен 6;

            для тройника, равен 1,5.

                          h_нтр = (2,7² /2∙10) ∙ (2∙6_.+ 2∙1,5 + 1,8) = 6,1м.

Гидравлические потери по длине  трубопровода определяются по гидравлическому уклону, с использованием таблиц Ф.А.Шевелева  /10/ и вычисляются по формуле:

                                 h_дл = 1000i ∙ l_тр ,                                        (1.9)

где 1000i = 0,005                                                                     /10/;

      l_тр – длина напорных водоводов; l_тр =1200 м.

                                h_дл = 0,005 ∙ 1200 =6 м.

Суммарные потери напора определим  согласно формуле (1.6):

                                 Σh =  0,8 + 6,1 + 6 = 12,9м.

Теперь, по формуле (1.3) определим требуемый  напор насоса:

                               Н₁=13+12,9+40=65,9 м

 

Диаметр всасывающего трубопровода d определяется расчетом из уравнения расхода:

                                        Q=Sυ,                                              (1.10)

 где   υ – скорость движения воды в трубопроводе, υ=1,7 м/с – для                         

               всасывающего трубопровода; υ=2,7м/с –для напорного

               трубопровода;

         S – площадь сечения трубопровода, определяемая по формуле:

                                       S=πd²/4,                                            (1.11)

Отсюда,

                                      d= √4Q/πυ,                                        (1.12)

По формуле (1.12) определим аналогично диаметр всасывающего напорного трубопроводов:

d_вс=√4∙0,87/ 3,14∙1,7=0,65 м=650 мм;

d_н.=√4∙0,87/ 3,14∙2,7=0,41 м=410 мм;

 

 

 

 

 

 

 

3.  Выбор типа и марки насоса

 

      Насосы выбирают по каталогам насосного оборудования

Выбор типа и марки насоса осуществляется в зависимости от его назначений, рода протекающей жидкости, на основании требуемых подачи и напора, установленных гидравлическим расчетом в разделе 1.2 и 1.3.

Q₁ = 0,87 м³/с = 87 л/с; Н₁ = 65,9 м = 66 м.

По графику сводных полей  Q – Н насосов типа Д /3/ выбираем насос марки Д 320 - 50, с частотой вращения 1450 об./мин. Характеристика насоса представлена на графике (рисунок 2). Определяем требуемую расчетную точку А, через которую стоим график Н=Н_А∙(Q_Х/ Q_А)², где Н_А =66 м,

Q_А= 87л/с; 0≤ Q_Х ≤1,2Q_А

Таблица 1.1 Координаты для построения кривой Н=Н_А∙(Q_Х/ Q_А)²

Qx, л/с	H, м
0	0
25	38
50	76
75	114
100	152
125	190

 

Пересечение графика Н=Н_А∙(Q_Х/ Q_А)²

и характеристики D=405 мм нормального диаметра колеса дает нам точку В. Координаты точки В:

Q_B=37,5 л/с; Н_В=60 м.

Так как напор подобранного насоса не соответствует расчетному напору (расчетная точка А приходится выше кривой Н), то необходима точка рабочего колеса.

                       Диаметр срезанного рабочего колеса определим по формуле:

                                     D_срез.= Q_АD_норм /Q_В. ,                           (1.12)  

где Q_А =87 л/с;

      D_норм. – нормальный диаметр колеса, D_норм=405 мм;

      Q_В – подача насоса, соответствующая нормальному диаметру колеса,

      Q_В=37,5 л/с;

D_срез.87∙405/37,5=940 мм.

Определим координаты характеристики, которая должна пройти через точку  А. Для этого найдем несколько  точек, используя зависимость:

                                  Q₁/D_В = Q_X ^ۥ/D_срез.;    

                                    Н₁/D_В = (Н_X ^ۥ/D_срез.)²,                                       (1.13)

где Q_X ^ۥ - абсцисса точки Xۥ

       Н_X´  - ордината точки Xۥ.

Отсюда:                     Q_X´=Q_i∙ D_срез/D_В;                                    (1.14)

                               Н_X´=Н_i∙( D_срез/D_В)²,

где  Q_i и Н_i - координаты точек характеристики D=410мм, возьмем из таблицы 1.2:

 

Таблица 1.2 Координаты точек характеристики D=410мм.

 

Q₁´=0∙482/510=0 л/с;

Н₁´=97∙(482/510)²=86,6 м;

Q₂´=165∙482/510=155,9 л/с;

Н₂´=93∙(482/510)²=83 м;

Q₃´=330∙482/510=311,9 л/с;

Н₃´=86∙(482/510)²=76,8 м;

Q₄´=440∙482/510=415,8 л/с;

Н₄´=78∙(482/510)²=69,7 м.

Q₅´=495∙482/510=467,8 л/с;

Н₅´=70∙(482/510)²=62,5 м.

 

 

1.4 Определение мощности на привод  насоса.

Мощность на валу насоса:

                                       N= γQH/η,                                           (1.15)

где γ – удельный вес воды, γ=ρg=10⁴;

       η – полный  к.п.д. насоса, η=0,87

       Q – подача 1 насоса, Q=0,87 м³/с;

       H – напор насоса, соответствующий нормальному диаметру колеса, 

              H=66 м.

 

N=10000∙0,87∙66/0,87=660 кВт;

Мощность на валу приведенного двигателя:

  N_дв.= kH/η_пер.,              (1.16)

где k – коэффициент запаса мощности (на перегрузку), при N=660 кВт      

          k=1,15;

       η_пер – к.п.д. передачи, для механической муфты по /2/ η_пер=0,98.

 

N_дв.= 1,15∙66/0,98=77,45  кВт.   

По найденной величине N_дв из /4/ выбираем синхронный электродвигатель высокого напряжения типа А2-450М-4.

2 АНАЛИЗ РАБОТЫ НАСОСОВ НА  ВНЕШНЮЮ СЕТЬ

 

Анализ проводится с целью определения рабочих параметров насосов.

Применяется графо-аналитический  способ. На миллиметровой бумаге в принятом масштабе в координатах Н–Q выполняем построение характеристики насоса (индивидуальной и суммарных) и внешней сети (рисунок 3).

                              

2.1 Определение режимной точки

Для построения суммарных характеристик  насосов требуется определить положение  режимной точки Р. Положение этой точки определяется пересечением графиков Н=Н_А∙(Q_Х/ n ∙Q_А)²и Н=f(Н_обт.–2Q_обт.), где n – количество насосов, n=3; 0≤ Q_Х ≤1,5 Q_А.

График Н=Н_А∙(Q_Х/ 2Q_A)² строится от начала координат на расстоянии, равном Н_св+Н_г=13+40=53м.

Таблица 2.1 Координаты для построения кривой Н=Н_А∙(Q_Х/2 Q_А)²

QХ,л/с	110	220	330	440	550	660
Н, м	1,36	5,4	12,25	21,78	34,0	49

 

 

Положение режимной точки Р определяется координатами:

Q_Р=490л/с; Н_Р=80м, следовательно, при работе одновременно двух насосов будет обеспечиваться подача, равная 490 л/с, и напор, равный 80м, при этом к.п.д. насосов уменьшится до 79%.

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗДАНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ.

3.1Обоснование типа здания.

Тип здания насосной станции принимается  в соответствии с допустимой геометрической высотой всасывания выбранного насоса и колебаниями уровня воды в  источнике.

1. Определим допустимую геометрическую  высоту всасывания:

Н_вс=(Р_а-Р_n)/γ- Δh_доп-∑h_вс,             (3.1)

где Р_а – атмосферное давление, Р_а=10⁵Па;

      Р_n – давление насыщенных паров жидкости при температуре 20^оС, 

      Р_n=2335Па;

      Δh_доп – допустимый гравитационный запас, определяем  по характеристике всасывающей способности насоса Δh_доп=f(Q) для самого невыгодного случая, Δh_доп=7м;

       ∑h_вс – потери напора во всасывающем трубопроводе, ∑h_вс=0,8м;

       γ =10⁴ .

    Допустимая геометрическая  высота всасывания:

Н_вс=(100000-2335)/10000-7-0,8=2м.

2. Найдем отметку оси насоса:

▼_о.н= ▼_min+Н_вс,                  (3.2)

где ▼_min – отметка минимального уровня в источнике, ▼_min=65м.

                                  ▼_о.н.=65+3=68м.

3. Вычислим отметку пола здания:

▼_п.з.= ▼_о.н – р -h_ф,              (3.3)

где р – расстояние от оси насоса до лап, р=0,6м;

      h_ф – высота фундамента, h_ф=0,4м.

                                  ▼_п.з.=68-0,6-0,4=67м.

Так как ▼_min <▼_п.з <▼_max, т.е. 65 <67<70, то тип здания принимаем полузаглубленный.

 

3.2 Компоновка оборудования и  определение размеров здания.

Размеры машинного зала в плане  определяются с учетом количества, габаритных размеров и размещения насосных агрегатов, внутристанционных труб с арматурой и фасонными частями, проходов между оборудованием и стенами, расположения и размеров монтажной площадки.

При компоновке оборудования следует  использовать типовые решения, обеспечивающие рациональное использование площади  здания. Размеры насосных агрегатов  принимаем по установочным чертежам:

• длина насосного агрегата: 3269мм;
• ширина насосного агрегата: 1645мм;
• высота насосного агрегата: 1075мм.

 Размеры фасонных частей и арматуры из справочной литературы /4/. Проходы между оборудованием и стенами должны быть не менее: между агрегатами – 1м, между агрегатами и стеной – 1м. Монтажные расстояния от стен здания до фланцев предусматриваются не менее 0,4м.

Ширина машинного зала должна быть достаточной для размещения насоса, задвижки, обратного клапана, монтажной  вставки, конфузора, диффузора и принимается по условию использования стандартной балки перекрытия, равной 6м.

В здании насосной станции кроме  машинного зала следует предусматривать  вспомогательные помещения: для  размещения электротехнического оборудования (силовых трансформаторов, распределительных устройств, щитов управления), обслуживающего персонала. Обычно помещения для трансформаторов и распределительных устройств оборудуют в одном помещении с машинным залом, а в заглубленных станциях – над машинным залом или в пристрое. Щитовое помещение может быть отдельным, однако в небольших насосных станциях щиты управления монтируют непосредственно в машинном зале с соблюдением определенных требований.

Высота здания включает высоту подземной  части и верхнего строения.

Высота заглубления подземной части:

Н_п.ч.= ▼_н.с.-_.▼_п.з.+Z,            (3.4)

где    ▼_н.с  - отметка земли у здания насосной станции;

           Z - превышение верха подземной части над землей;

Н_п.ч.=73-67+0,15=6,15м.

Высота верхнего строения принимается  в зависимости от принятого грузоподъемного оборудования. Расстояние между низом перемещаемого груза и верхом установленного оборудования должно быть не менее 0,5м, а общая высота машинного зала принимается не менее 3м.

Н_{верх.стр..}=4,0м

Окончательные размеры здания насосной станции увязываются с унифицированными размерами строительных конструкций.

Определим длину здания L, ширину здания В, высоту здания Н:

L=3269∙3+2∙1000+3500+1000+846,5∙2=18000мм;

В=1645+3250+1105=6000мм;

Н= Н_п.ч.+ Н_{верх.стр..}=6,15+4,0=10,15м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

4.1 Вакуум-насосы

Для заливки основных насосов применяют  водокольцевые насосы типа ВК, ВВН, КВН. Обычно предусматриваются два  вакуумных насоса: рабочий и резервный. Работают они совместно с циркуляционным резервуаром (вакуум-котлом), который поддерживает насос в залитом состоянии.

Расчетом определяют производительность вакуум-насоса и объем вакуум-котла.

Подача вакуум-насоса (в м³/мин):

Q_В=К∙Н_ат(W_тр+W_н)/t(Н_ат-Н_вс),        (4.1)

где   К - коэффициент запаса; рекомендуется К=1,05-1.1;

        W_тр   - объем воздуха во всасывающем трубопроводе основного

              насоса, м³, определяется по формуле:

W_тр = πd²/4∙l,                                (4.2)  

                              W_тр =(3,14∙0,55²/4)∙25=5,9м³;

         W_н - объем воздуха в корпусе насоса, м³; принимают W_н=0,1-0,2м³;

         Н_ат  - напор, соответствующий нормальному атмосферному

              давлению, Н_ат=10 м;

         Н_вс - геометрическая высота всасывания насоса, Н_вс=2 м;

          t - время, необходимое для заполнения насоса водой, мин;

              принимают t =2мин для пожарных насосов и t =3-5мин для           

              насосов другого назначения.

Q_В=1,1∙10(5,9+0,1)/4∙60(10-2)=0,034м³/с.

По найденной величине  из каталога или справочной литературе выбирается стандартный вакуум-насос.

Объем вакуум-котла определяется из условия обеспечения не более 4-х включений вакуум-котла за час:

W_в.к=900Q_n(1- Q_n/ Q_в),         (4.3)

где    Q_n   - подсос воздуха, л/с, Q_n=0,056 л/с;

          Q_в - подача вакуум-насоса, Q_в=20 л/с.

 Величину подсоса воздуха через неплотности соединений принимаем в зависимости от диаметра всасывающего патрубка заливаемого насоса.

 

W_в.к=900∙0,056∙(1-0,056/34)=50,32л/с=0,05м³/с.

 

4.2 Дренажные насосы

 

Для откачки скапливающейся в машинном зале воды обычно используют самовсасывающие насосы небольшой производительности, например, вихревые насосы типа ВКС.

Расчетом определяются подача насоса и объем колодца, в котором  он устанавливается.

Подача дренажного насоса:

Q_дн=1,7(∑q₁+q₂),               (4.4)

где ∑q₁  - суммарные утечки через сальник; принимают по 0,05-0,1л/с на   

             одно уплотнение;

        q₂ - фильтрационный расход через стены и пол здания.

При ориентировочных расчетах  q₂  можно вычислить следующим образом:

q₂=1,5+0,001W,               (4.5)

где    W  - объем части машинного зала, расположенный ниже

             максимального уровня грунтовых  вод, м³.

W=L∙В∙(▼_зд.-▼_п.з),         (4.6)

где L – длина здания, L=18м;

      В – ширина  здания, В=6м;

       ▼_зд – отметка здания, ▼_зд=▼_max+3=70+3=73м.

W=18∙6∙(73-67)=648м³.

Фильтрационный расход через стены  и пол здания найдем по формуле (4.5):

q₂=1,5+0,001∙648=2,15 л/с;

Подача дренажного насоса:

Q_дн=1,7(0,08+2,15)=3,8 л/с.

 

Согласно рекомендациям подача дренажного насоса может быть принята 1л/с для насосной станции малой мощности, 3,5-6л/с – средней мощности, 8-10л/с – большой мощности.

Объем колодца принимают равным подаче дренажного насоса в течение 10-15минут:

W_к=15∙60∙3,8=3,42м³/с.

 

4.3 Подъемно-транспортное оборудование

 

Для монтажа и демонтажа основного  и вспомогательного оборудования в  насосной станции предусматривают  грузоподъемное устройство. Его тип  выбирается с учетом размеров сооружения, компоновки технологического оборудования, размеров и наибольшей массы поднимаемого груза. Во внимание принимают также степень загрузки и периодичность работы грузоподъемного устройства, безопасность подъемно-транспортных операций.

Следует иметь в виду, что грузоподъемность механизма должна быть на 10% больше массы наиболее тяжелой монтажной единицы.

Грузоподъемное оборудование с  ручным приводом используется при массе  узлов: кошка и таль по монорельсу – не более 1000кг, подвесная кран-балка  – не более 5000кг.

 

                       

 

 

4.4 Контрольно-измерительные приборы.

 

   Контрольно-измерительные приборы и системы автоматизации (КИП и А) включают в себя устройства контроля за состоянием основных агрегатов и другого оборудования (измерение мощности, давления, расхода, температуры различных частей, подачи смазки, охлаждающей воды и т. д.), сосредоточенные в специальных щитах и при отклонениях режима сверх допустимых значений дающие сигнал, а при необходимости и импульс на автоматическую установку агрегата.

Уровнемеры (поплавковые, электроконтактные и акустические) предназначены для измерения уровней воды и масла в открытых водоемах и резервуарах. Для дистанционного  измерения уровней воды в открытых водоемах при их больших колебаниях (до 20м) применяют датчик ДСУ-1М.

Уровни воды в корпусах насосов, вакуум-котлах, колодцах дренажа и откачки, скважинах контролируют с помощью регулятора-сигнализатора уровня ЭРСУ-3.

Расходомеры используют для измерения мгновенных расходов и количества перекачиваемой воды. Наиболее распространены на насосных станциях водосчетчики, преобразователи расхода, парциальный, ультразвуковой и электромагнитный расходомеры.

Сигнализаторы протока используют для определения наличия протока (движения) жидкости в трубопроводах. К ним относят реле РП и РКПЖ.

В систему КИП и А входят также  органы управления, обеспечивающие возможность комплексной автоматизации насосной станции, работающей с минимальным количеством дежурного персонала или без него. На крупных станциях все наиболее важные органы управления и контроля выводятся на центральный пульт управления ЦПУ, из которого осуществляется управление агрегатами станции.