Розрахунок і побудова допоміжних систем : технічних системи водопостачання та дренажної системи

Зміст

стор.

1. Проектування технологічної частини водопровідної насосної станції

1.1 Призначення водопровідної насосної  станції та її місце розташування

1.2 Вибір режиму роботи насосної  станції

1.2.1 Визначення розрахункової подачі на І та ІІ черги та побудова ступінчатого графіка роботи НС-ІІ.

1.3 Вибір насосних агрегатів,  всмоктуючих та напірних водогонів. Встановлення розрахункового напору

1.4 Аналіз сумісної роботи насосів  і трубопроводів. Побудова характеристики насосів при спільній роботі з мережею

2. Розрахунок і  побудова допоміжних систем : технічних системи водопостачання та дренажної системи

2.1 Вибір допоміжного обладнання

2.2 Обладнання насосів електродвигунами

3. Розробка будівельної частини  насосної станції

3.1 Розробка надземної частини  НС-ІІ

4. Техніко-економічні показники

4.1 Розрахунок ККД насосної станції

4.2 Визначення кошторисної вартістості будівлі та обладнання насосної станції

4.3 Розрахунок собівартості подачі 1 м3 води

4.4 Визначення коефіцієнта економічної  ефективності

5. Список використаної літератури

 

 

 

 

1. Проектування технологічної частини водопровідної насосної станції

1.1 Призначення водопровідної  насосної станції та її місце  розташування

Тип та кількість основних і допоміжних насосів, склад приміщень та набір  допоміжного обладнання, конструктивні особливості та поставлені до насосної станції технологічні вимоги залежать від її призначення.

В залежності від типу перекачуваної  рідини насосні станції поділяються на  водопровідні  та  каналізаційні.

Насосна станція є ланкою системи водопостачання і являє собою доволі складний її вузол, який забезпечує подачу води споживачам в необхідній кількості з потрібним напором.

За своїм призначенням і розташуванням  в загальній схемі водопостачання водопровідні насосні станції поділяються  на станції 1-го підйому,  2-го та наступних підйомів, підвищувальні і циркуляційні.

Насосні станції 2-го підйому подають  воду безпосередньо до водопровідної  мережі, тому подача насосів 2-го підняття визначається в залежності від водоспоживання населеного пункту. Наближуючи режим водоподачі до режиму водоспоживання ми тим самим зменшуємо ємність бака водонапірної башти. У даному випадку НС-ІІ працює за двома ступенями. Система управління станцією автоматизоване. Насосна станція розташована на заході України і збудована на грунтах: пісок, суглинок.

До насосних станцій різних категорій  пред’являються відповідні вимоги за надійністю енергозабезпечення ( так для насосних станцій 1-ї та 2-ї категорій підключення не менше, ніж до двох незалежних ЛЕП), по капітальності споруд, по резерву технологічного обладнання.

Від категорії насосної станції  залежить кількість резервних агрегатів, кількість всмоктуючи та напірних ліній  і розрахункові витрати для них, кількість і розміщення запірної арматури на комунікаціях всередині станції.

Поряд із забезпеченням напору та подачі, передбачених графіком водопостачання чи водовідведення, і задоволенням вимог по безперебійності роботи, при спорудженні і обладнанні насосних станцій необхідно при  найменших витратах на їх будівництво і експлуатацію  забезпечувати комфортні умови для роботи обслуговуючого персоналу, широке використання автоматики і телемеханіки.

 

 

1.2 Вибір режиму роботи  насосної станції

Насосна станція другого  підйому працює нерівномірно на протязі  доби за двоступеневим графіком з економічних та технологічних умов. Невідповідність між графіком роботи НС 1-го підйому та багатоступеневим графіком роботи НС 2-го підняття компенсується наявністю резервуарів чистої води. Вночі, коли подача НС-1 більше подачі НС-2, вони наповнюються, а вдень – РЧВ, навпаки, спорожнюються  (QНС-1 < QНС-2).

 

1.2.1 Визначення розрахункової подачі на І та ІІ черги та побудова ступінчатого графіка роботи НС-ІІ.

Дана насосна станція розрахована  на пропускну здатність 70000 м3/добу – у 1 чергу і на 100000 м3/добу у другу. Коефіцієнт годинної нерівномірностиі становить 1,25 (із завдання).

Робота першого ступеня дорівнює 2 % від загальної, тоді на другу чергу подача насосних агрегатів при роботі за двоступеневим графіком дорівнює:

 % (1),

Загальна подача НС-ІІ для першої та другої черг становить:

Напірний та всмоктуючий трубопроводи виконано із чавунних труб. Кількість  трубопроводів на напірній та на всмоктуючій  лініях приймаємо 2.

Розрахунок погодинної подачі води зводимо до таблиці 1. І отриманими даними будуємо ступінчатий графік водоспоживання та водоподачі.

 

Таблиця 1

Години доби

Відкачка води

%

І черга

ІІ черга

м3/год

л/с

м3/год

л/с

1

2

3

4

5

6

0-1

3,35

2345

651

3350

931

1-2

3,25

2275

632

3250

903

2-3

3,30

2310

642

3300

917

3-4

3,20

2240

622

3200

889

4-5

3,25

2275

632

3250

903

5-6

3,40

2380

661

3400

944

6-7

3,85

2695

749

3850

1069

7-8

4,45

3115

865

4450

1236

8-9

5,20

3640

1011

5200

1444

9-10

5,05

3535

982

5050

1403

10-11

4,85

3395

943

4850

1347

11-12

4,60

3220

894

4600

1278

12-13

4,80

3360

933

4800

1333

13-14

4,55

3185

885

4550

1264

14-15

4,75

3325

924

4750

1319

15-16

4,70

3290

914

4700

1306

16-17

4,65

3255

904

4650

1292

17-18

4,35

3045

846

4350

1208

18-19

4,40

3045

846

4350

1208

19-20

4,30

3080

856

4400

1222

20-21

4,30

3010

836

4300

1194

21-22

4,20

3010

836

4300

1194

22-23

4,75

2940

817

4200

1167

23-24

3,70

3325

924

4750

1319

Всього:

100,00

70000

19444

100000

27778


 

 

1.3 Вибір насосних агрегатів, всмоктуючих та напірних водогонів. Встановлення розрахункового напору

Виходячи з умови економії матеріалів розрахунок трубопроводів будемо вести  для другої черги.

Згідно ДБН 360-92 приймаємо  два водогони. Подача по кожному  водогоні визначається за формулою:

(2),

де nВ= 2 – кількість водогонів.

Q1I=389 л/с=0,389 м3/с;  QР1I=194,5 л/с=0,1945 м3/с;

Q2I=914 л/с=0,914 м3/с;  QР2I=457 л/с=0,457 м3/с;

Q1IІ=555 л/с=0,555 м3/с;  QР1IІ=277,5 л/с=0,2775 м3/с;

Q2IІ=1305 л/с=1,305 м3/с; QР2IІ=652,5 л/с=0,6525 м3/с;

Виходячи з мінімальної незамулюючої швидкості та з того, що один водогін  вразі аварії на іншому повинен пропустити 70 % подачі насосної станції, визначаємо діаметри трубопроводів, при цьому  задаємося швидкістю руху рідини у трубопроводах: vНВ=2,5 м/с – для напірного водогону, vВВ=1,5 м/с – для всмоктуючого водогону. Діаметри трубопроводу розраховуємо для другої зміни за такою формулою:

(3),

м,

м.

Відповідно до ДБН вибираємо чавунні труби, які мають найближчий більший стандартний діаметр: dНВІІ= 600 мм = 0,6 м, dВВІІ= 800 мм = 0,6 м.

Згідно [1] уточнюємо швидкості руху рідини у всмоктуючих та напірних водогонах ( при умові протікання кількості рідини, рівній подачі НС для першої черги):

vНВІ = 0,686 м/с vВВІ = 0,39 м/с

vНВІІ= 1,63 м/с vВВІІ = 1,25 м/с.

Порівнюємо уточнені швидкості  з мінімальними незамулюючими для  визначених стандартних діаметрів  трубопроводів:

Мінімальна незамулююча швидкість  розраховується за формулою (4):

(4),

де R – гідравлічний радіус. R= 0,25*d,

n – показник ступеня. n= 4,5+R/2. 

Розрахунок ведемо у табличній  формі:

Таблиця 2

d

R

n

v

400

0,100

4,505

0,84

600

0,150

4,575

0,94

500

0,125

4,562

0,90

800

0,200

4,600

1,00

700

0,175

4,588

0,97


 

Так, як швидкості у водогонах  для першої черги менше мінімальних  незамулюючих швидкостей, зменшуємо  діаметри трубопроводів:

dНВ= 450 мм vНВІ = 1,23 м/с vНВІІ = 2,85 м/с;

dВВ= 500 мм vВВІ = 1,00 м/с vНВІІ = 2,31 м/с.

 

 

 

В цілому отримані швидкості задовольняють  умовам мінімальної незамулюючої швидкості  та пропускання 70 % подачі НС-1, окрім  швидкостей, отриманих для другої черги під час пропускання 70 % подачі насосної станції. Для зменшення їх значень  при умові крайньої необхідності є можливим конструктивно запроектувати додатковий водогін для другої черги.

Згідно [1] визначаємо втрати напору на водогонах :

(5),

де 1000i – втрати напору на 1 км трубопроводу,

l – довжина трубопроводу. Згідно завдання l=1,2 км,

К – коефіцієнт запасу на місцеві опори. К= 1,05.

 м,

 м.

 м,

 м.

Для вибору необхідного типу насосного  агрегату необхідно знати геодезичний напір. Він показує відносне положення джерела та споживача у вертикальній площині ( рис.1). З його допомогою ми можемо встановити який напір потрібен, щоб підняти рідину на певну висоту. Вираховується він як різниця позначок пункту подачі та джерела:

HГ= zп.под-zджер (6),

де zп.под, zджер – позначки пункту подачі та джерела відповідно. Згідно завдання zп.под= 95,0 м; zджер= 64,0 м.

HГ= 95,0-64,0= 31,0 м.

Виходячи з того, що на даному етапі  розрахунків невідомі не тільки тип  і марка насосів, але й їх кількість; невідомі розміри трубопроводів, по яким рідина підводиться і відводиться від них, ми приймаємо втрати на насосній станції рівній: hНС= 2,5 м, а втрати на лічильнику: hЛ = 1,0 м Тоді напір насосної станції розраховується за такою формулою:

HНС= HГ+hWвс+hWн+hНС+hЛ+1,0 (7),

HНСІ = 31,0+5,74+0,23+2,5+1,0+1,0= 41,47 м,

HНСІІ = 31,0+31,0+1,17+2,5+1,0+1,0= 67,67 м.

Приймаємо кількість насосів, що задіяні  в насосній станції та працюють паралельно, рівній  двом – для першої черги, з подальшою їх заміною – для другої. Тоді подача одного насоса визначається за формулою:

(8),

де nНА – кількість насосних агрегатів.

 л/с,

 л/с.

Враховуючи прийняту кількість  насосів та обчислену подачу одного нагнітача за каталогом знаходимо насос з такими характеристиками:

QНАІ= 389 л/с, HНАІ = 41,47 м;

QНАІІ= 304 л/с, HНАІІ = 67,67 м.

Найбільш підходящий насос марки  Д 1250-65і, з кількістю обертів робочого колеса: n= 1450 об/хв.

Виходячи з умови, що необхідним є наявність двох допоміжних насосних агрегатів, схема компоновки насосів має такий вигляд (рис 1):

1 – напірний колектор;

2 – напірний трубопровід насосу;

3 – всмоктуючій трубопровід  насосу;

4 – засувка на напірному колекторі;

5 – засувка на напірному трубопроводі;

6 – засувка на всмоктуючому  трубопроводі;

7 – зворотний клапан;

8 – насосний агрегат;

9 – всмоктуючий колектор;

10 – всмоктуючий трубопровід насосу;

 

Виходячи з прийнятої кількості  насосних агрегатів та схеми їх компоновки визначаємо уточнені втрати напору у з’єднуючих насоси трубопроводах та на лічильнику.

Спочатку визначаємо витрати  рідини на кожній ділянці вибраного  нами найбільш навантаженого маршруту. Для цього вважаємо, що по колектору проходить вся кількість рідини. А по трубопроводам, які відходять  від кожного насосу, проходить лише частина від загальної витрати, так як всі робочі насосні агрегати однотипні.

Подача насосної станції  складає: QНС= 914,0 л/с; а подача кожного нагнітача: QНАІ= 389 л/с, QНАІІ= 304 л/с,

Діаметри колектору та трубопроводів розраховуються за формулою (9), при цьому задаємося швидкістю руху рідини в них: vН= 2,5 м/с – для напірної лінії, vВ=1,5 м/с – для всмоктуючої лінії.

(9),

м,

м,

м.

Виходячи з того, що внутрішні  трубопроводи станції повинні бути сталевими, відповідно до ДБН вибираємо  труби, які мають  найближчий більший  стандартний діаметр: dНК= 900 мм = 0,9 м – діаметр напірного колектору; dВК= 1100 мм = 1,1 м – діаметр всмоктуючого колектору; dНТ= 600 мм = 0,6 м, dВТ= 800 мм = 0,8 м – діаметр напірного та всмоктуючого трубопроводів відповідно.

За [1] встановлюємо дійсні швидкості  в трубопроводах: vНК2= 1,44 м/с; vВК2= 1,16 м/с;vНТ2= 1,63 м/с, vВТ2= 0,92 м/с. При роботі для першої зміни один водогін не використовується, тому кількість рідини, що проходить в колекторі, дорівнює кількості рідини в трубопроводі. vНК1= 0,61 м/с; vВК1= 0,5 м/с; vНТ1= 1,38 м/с, vВТ1= 0,77 м/с.

Так, як отримані швидкості менші критичних, то зменшуємо діаметри: dНК= 700 мм = 0,7 м – діаметр напірного колектору; dВК= 700 мм = 0,7 м – діаметр всмоктуючого колектору;dНТ= 600 мм = 0,6 м, dВТ= 700 мм = 0,7 м – діаметр напірного та всмоктуючого трубопроводів відповідно.

За [1] встановлюємо дійсні швидкості в трубопроводах: vНК2= 2,37 м/с; vВК2= 2,37 м/с; vНТ2= 1,63 м/с, vВТ2= 1,2 м/с. При роботі для першої зміни один водогін не використовується, тому кількість рідини, що проходить в колекторі, дорівнює кількості рідини в трубопроводі. vНК1= 1,02 м/с; vВК1= 1,02 м/с; vНТ1= 1,39 м/с, vВТ1= 1,02 м/с.

Втрати напору визначаємо лише на місцевих опорах, тому що ділянки  трубопроводів короткі на них  втрати напору по довжині дуже малі і ними можна знехтувати, компенсуючи збільшенням втрат на місцевих опорах.

Розрахунок втрат напору проводимо  за формулою (10):

(10),

де v2/2g – швидкісний напір на трубопроводі,

ξ – значення коефіцієнту місцевого  опору.

Згідно прийнятого найбільш навантаженого  маршруту подачі рідини сумарні втрати напору на місцевих опорах розраховуємо у табличній формі (таблиці 3, 4).

 

 

Таблиця 3 (для  першої зміни)

№

Назва місцевого  опору

Вибрана ділянка

v, м/с

ξ *v2/2g, м

Сумарні втрати, м

Кількість місцевих опорів

ξ

Внутрішній  діаметр d, м

Q, м/с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Всмоктуючий колектор

1

Пл. поворот

1

0,5

0,7

389

1,02

0,03

0,08

2

Засувка

4

0,18

0,7

389

1,02

0,04

3

Трійник на прохід

3

0,1

0,7

389

1,02

0,02

Всмоктуючий трубопровід

5

Трійник на відокремленні 

1

1,5

0,7

389

1,02

0,08

0,09

6

Засувка

1

0,18

0,7

389

1,02

0,01

8

Перехід

1

0,1

0,7

389

1,02

0,01

Напірний  трубопровід

9

Перехід

1

0,1

0,6

389

1,39

0,01

0,34

10

Зв. клапан

1

1,7

0,6

389

1,39

0,17

11

Засувка

1

0,18

0,6

389

1,39

0,02

12

Трійник на злиття потоків

1

1,5

0,6

389

1,39

0,15

Напірний  колектор

14

Засувка

4

0,18

0,7

389

1,02

0,04

0,08

15

Трійник на прохід

3

0,1

0,7

389

1,02

0,02

16

Пл. поворот

1

0,5

0,7

389

1,02

0,03

Загальні  втрати на станції HWМ, м

0,60


 

 

 

Таблиця 4 (для другої зміни)

№

Назва місцевого опору

Вибрана ділянка

v, м/с

ξ *v2/2g, м

Сумарні втрати, м 

Кількість місцевих опорів

ξ

Внутрішній  діаметр d, м

Q, м/с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Всмоктуючий колектор

1

Пл. поворот

1

0,5

0,7

914

2,37

0,14

0,44

2

Засувка

4

0,18

0,7

914

2,37

0,21

3

Трійник на прохід

3

0,1

0,7

914

2,37

0,09

Всмоктуючий трубопровід

5

Трійник на відокремленні

1

1,5

0,7

0,457

1,2

0,11

0,13

6

Засувка

1

0,18

0,7

0,457

1,2

0,01

8

Перехід

1

0,1

0,7

0,457

1,2

0,01

Напірний трубопровід

9

Перехід

1

0,1

0,6

0,457

1,63

0,01

0,47

10

Зв. клапан

1

1,7

0,6

0,457

1,63

0,23

11

Засувка

1

0,18

0,6

0,457

1,63

0,02

12

Трійник на злиття потоків

1

1,5

0,6

0,457

1,63

0,20

Напірний  колектор

14

Засувка

4

0,18

0,7

914

2,37

0,21

0,44

15

Трійник на прохід

3

0,1

0,7

914

2,37

0,09

16

Пл. поворот

1

0,5

0,7

914

2,37

0,14

Загальні втрати на станції HWМ, м

1,47


 

 

Загальні втрати напору на комунікаціях насосної станції складають:

(11),

де hl – втрати напору по довжині. hl= 0,0 м,

2,5 – запас на втрати  напору на місцевих опорах.

Тоді згідно (11) маємо:

 м.

 м.

До найбільш розповсюджених лічильників  рідини відносять звужуючі пристрої: діафрагми, труби Вентурі, сопла  Вентурі. Їх недолік – великі гідравлічні втрати напору. До витратомірів відносяться лічильники індукційного типу, але вони містять електронний реєструючий пристрій, який занадто складний і не надійний в експлуатації. Відомі також лічильники турбінного типу, але вони призначені для невеликих витрат.

Звужуючі пристрої характеризуються відношенням звуження потоку:

(12),

де d та D – діаметри відповідно звужуючого пристрою і підвідного трубопроводу.

Значення  m  приймають такими, щоб втрати напору складали: для діафрагми – 1…2 м, для труб і сопел Вентурі – 0,5…1,5 м.

Встановлювати лічильники рідини необхідно  на прямолінійних ділянках трубопроводу. Найменші відстані до найближчого місцевого опору перед і за витратоміром залежать від виду цих опорів, а також інших факторів.

В даній роботі використана труба  Вентурі ( m= 0,2), втрати на якій обчислюються за формулою (13):

  (13).

При цьому лічильник влаштовано на відстані 100 м у спеціальному вимірювальному колодязі на лінії напірних трубопроводів.

Тоді згідно (13) маємо:

 м.

 м.

 

Рис. 3. Схема труби Вентурі

1 – вхідний циліндр; 5 – горловина;

  2 – фланець; 6 – дифузор;

3 – колектор; 7 – вихідний циліндр.

4 – звужуючий колектор;

На основі перерахованих втрат  напору на внутрішніх трубопроводах  насосній станції та на лічильнику є можливим встановити дійсний напір насосної станції з урахуванням типу та кількості насосних агрегатів, діаметрів труб та схеми компоновки нагнітачів із з’єднуючими трубопроводами.

Згідно формули (7) маємо:

HНСІ = 31,0+5,74+0,23+3,1+0,24+1,0= 41,31 м,

HНСІІ = 31,0+31,0+1,17+3,93+0,47+1,0= 68,57 м. 

1.4 Аналіз сумісної  роботи насосів і трубопроводів.  Побудова характеристики насосів при спільній роботі з мережею

Відомо, що робота одного чи декількох  сумісно працюючих насосів визначається «робочою точкою», тобто точкою перетину напірної характеристики нагнітача ( чи декількох нагнітачів) із характеристикою трубопроводу. Згідно цієї точки визначаються всі робочі параметри насосного агрегату.

Характеристику трубопроводу розраховують за наступною формулою:

H=HГ+SQ2 (14),

де  H – напір насосної станції. H1= 41,31 м; H2= 68,57 м

S – приведений опір трубопроводу;

Q – подача насосної станції. Q1= 389 л/с; Q2= 914 л/с.

Значення приведеного опору  можна визначити з формули (15).

(15).

Звідки:

Оскільки значення приведеного  опору для обчислюваної нами незмінної ( у конструктивному плані) системи  є сталим, то для побудови характеристики трубопроводу розрахуємо її у табличній формі:

Таблиця 5 (для першої зміни)

Q, л/с

43

86

129

172

215

258

301

344

387

430

473

H=HГ+SQ2

31

32

32

33

34

36

37

39

41,2

44

46


Таблиця 6 (для другої зміни)

Q, л/с

102

204

306

408

510

612

714

816

918

1020

1122

H=HГ+SQ2

31

33

35

38

43

48

54

61

68,9

78

88


 

В даній роботі використані паралельно підключені однотипні насосні агрегати, тому їх напірна характеристика будується шляхом збільшення подачі одного насосу на кількість робочих нагнітачів  при одному і тому ж напорі. Робочі параметри кожного насосного агрегату у даному режимі визначаються шляхом проведення горизонталі з «робочої точки» до перетину з напірною характеристикою одного насосу. Отримана точка показує напір нагнітача, а проведені з неї перпендикуляри до перетину зі всіма іншими характеристиками насосу дають точки перетину з характеристиками потужності та ККД. Віднесені на відповідні шкали вони показують значення використаної енергії та економічність роботи насоса, а перетин перпендикуляра з віссю абсцис показує яку подачу розвиває нагнітач при даному режимі.

Характеристики трьох паралельно підключених нагнітачів –  їх сумісна робота з мережею та характеристики одного насосу зображено за допомогою графіків (рис. 4).

З економічної точки зору доцільно вибирати насосні агрегати, які б  при подачі рідини на даний трубопровід працювали в умовах максимального ККД або близького до нього. Тобто роботу нагнітача необхідно організувати так, щоб система насос–трубопровід відповідала розрахунковим параметрам.

В інженерній практиці відомо декілька методів узгодження напірної характеристики насосу з дійсними параметрами мережі – це метод обточування робочого колеса та метод зміни частоти обертання цього ж колеса при незмінній його конструкції.

З графіка сумісної роботи паралельно підключених нагнітачів та мережі видно, що розрахункові параметри нагнітачів співпадають з параметрами при не обточеному робочому колесі. Згідно цього не потрібно змінювати робочі характеристики насосу, а тому крива його напірної характеристики лишається без змін.

 

 

2. Розрахунок і  побудова допоміжних систем : технічних системи водопостачання та дренажної системи

2.1 Вибір допоміжного  обладнання

Крім основного обладнання в  будівлі насосної станції розміщують допоміжне обладнання:

    • вакуум насоси;
    • дренажні насоси;
    • технічні насоси;

Технічні потреби НС задовольняються технічними насосами. Застосовують вихрові самовсмоктуючі насоси продуктивністю 10-30 л/с, що створюють напір порядку 10-20 м.

Вибираємо технічний насос типу ВКС 2/26 з такими характеристиками:

Q=7,2 м3/год;

Н=26 м;

h∆д=5 м;

N=4,6 кВт;

n=1450 об/хв.

У якості дренажної системи водовідведення системи водовідведення, виходячи із умов місцевості застосовують дренажні насоси.

Для монтажу і демонтажу обладнання, арматури і трубопроводів передбачено підйомно-транспортне обладнання, а саме електрична кран-балка вантажопідйомністю 5 т.

 

 

2.2 Обладнання насосів  електродвигунами

В якості приводу насосу використовують двигуни трьохфазного змінного струму: асинхронні та синхронні з коротко замкнутим  і фазним роторами.

При потужності двигуна більше 300 кВт економічно вигідніше використовувати синхронні електродвигуни.

Потужність на валу насоса при відомих  подачі та напорі визначається за формулою:

(19),

де ρ – густина рідини;

g – прискорення вільного падіння,

η – ККД насоса при подачі рідини.

Згідно (16) маємо:

 кВт.

Потужність електропривода приймається  дещо більшою від потужності, яку споживає насос: