Раздел четвертый

Теоретические основы проектирования и эксплуатации насосных станций

Проектирование насосных станций (НС) состоит из решения целого ряда разноплановых задач, не всегда основывается на подборе соответствующих их насосов.

Основными технологическими задачами при эксплуатации насосных станций являются задачи по выбору действующих и экономичных способов регулирования режимов работы станций, по оптимизации гидравлических систем, состоящих из НС и трубопроводов, на которые станции работают, предотвращению в насосах негативных по своим последствиям кавитационных явлений.

Все отмеченные задачи являются по своей сути задачами технологическими. Решение их на инженерном уровне требует обязательного рассмотрения совместной работы насосов и трубопроводов как элементов единой системы.

Простейшей системой такого рода является образование состоящее из одного насоса и одного трубопровода.

12. Совместная работа насоса и трубопровода. Подбор насосов и приводящих их двигателей.

Допустим, имеем гидравлическую систему, изображенную на рис.12.1.а, где: 1 – насос, 2 – трубопровод. Требуется определить режим работы данной системы, то есть ее производительность Q и действующий в ней напор Н.

Наиболее наглядно режим работы подобной системы представляется при совместном рассмотрении H-Q характеристик насоса и трубопровода. Схема такого рассмотрения раскрывается при выяснении физической сути H-Q характеристик насоса и трубопровода. Она состоит в следующем:

• H-Q характеристика насоса показывает зависимость развиваемого насосом напора от подачи насоса;

• H-Q характеристика трубопровода отражает зависимость потерь напора в трубопроводе от его производительности.

При совместном рассмотрении H-Q характеристик насоса и трубопровода на одном координатном поле (рис.12.1) данные характеристики пересекаются в точке М, которая называется рабочей точкой.

Точка М одновременно принадлежит характеристике насоса и характеристике трубопровода и таким образом отражает гидродинамическое единство насоса и трубопровода, которое состоит в том, что производительности насоса и трубопровода равны и соответствуют Q, а напор, развиваемый насосом, равен потерям напора в трубопроводе, которые равны Н*.

Поскольку точка М лежит на характеристике насоса, то ее координаты (согласно ранее приведенному физическому смыслу H-Q характеристики насоса) показывают подачу и напор, развиваемые насосом (Q* и Н* соответственно) при работе его на некоторый вполне определенный трубопровод 2 с конкретной характеристикой 2.

С другой стороны, точка М принадлежит и характеристике трубопровода. Поэтому ее координаты одновременно показывают (согласно физическому смыслу H-Q характеристики трубопровода) пропускную способность (Q*) и потери напора в трубопроводе (Н*) при работе на него вполне определенного насоса 1 с конкретной характеристикой 1.

Очевидно, что если внести рассматриваемых насоса 1 и трубопровода 2 с их конкретными H-Q характеристиками будут другие (или будут заменен один из них), то точка М изменит свое местоположение на координатном поле в соответствии с новыми 1 и 2 (либо одна из них). И насос, и трубопровод будут работать с другими значениями.

Таким образом, координаты рабочей точки М показывают режим работы системы "насос- трубопровод" – некоторую производительность системы Q* и искомый напор Н*, действующий в системе. Одновременно координаты рабочей точки простейшей системы, которая рассматривается в данном разделе, показывает режим работы насоса и трубопровода, то есть их Q и Н.

При разработке гидравлических систем, в особенности при проектировании систем трубопроводного транспорта нефти или продуктов ее переработки, всегда известны начальная и конечные точки систем (то есть протяженность трубопроводов), объемы жидкости, предназначенные для перекачки (а значит и диаметры трубопроводов) и физические характеристики перекачиваемой жидкости. В итоге становятся известными все параметры, входящие в уравнение Дарси-Вейсбаха или в уравнение Лейбензона, которые аналитически описывают H-Q характеристику трубопровода. В результате, при разработке гидравлических систем H-Q характеристика трубопровода становится известной уже на одном из первых этапов разработки. Для придания проектируемой системе требуемых от нее Q и Н остается подобрать такой насос, H-Q характеристика которого пересечет аналогичную кривую трубопровода в точке с требуемыми от системы Q и Н.

В самом общем случае подбор насосов производится несколько сложнее в отличие от того, как об этом упоминалось выше. Он осуществляется в несколько этапов.

П ервоначально подбирается необходимый тип насоса (поршневой, центробежный и т.п.). При выборе типа насоса руководствуются такими физическими характеристиками перекачиваемой жидкости как вязкость и плотность, а также требуемой от насоса производительности (рис.12.2)

Следующий этап подбора насосов – определение варианта конструктивного исполнения выбранного типа насоса. Конструктивное исполнение определяется условиями работы насоса и главным образом физико-химическими особенностями перекачиваемой жидкости. На данном этапе подбираются насосы – для воды, для бензина, для нефтепродуктов, для кислоты и т.д.

После определения необходимого типа и требуемого конструктивного исполнения насоса производится выбор конкретной марки насоса соответствующего типа и исполнения. К рассмотрению принимаются те марки, H-Q характеристика которых пересекают уже известную H-Q характеристику трубопровода в точке с требуемым от системы значением Q. Если данному условию отвечает несколько марок насосов, окончательно принимается та из них, у которой наблюдается больший к.п.д. при требуемой Q разрабатываемой системы производительности. При этом производительность насоса обязательно должна лежать в рабочей зоне насоса, которая при прочих равных условиях должна быть как можно шире.

Рабочей зоной насоса называется область подач насоса, в которой заводом-изготовителем данной гидравлической машины регламентируется эксплуатировать насос.

Р абочая зона насоса указывается на характеристике насоса одним из следующих способов:

N-Q

Рис.12.3. Варианты выделения рабочей зоны насосов на характеристиках насосных агрегатов

Как видно из рис.12.3 при вариантах а) и в) указываются обе границы рабочей зоны. При этом в варианте в) рабочая зона выделяется специальными значками в виде вертикальных волнистых линий.

В вариантах б) и г) указывается не только рабочая зона, но и рабочая область насоса с приведением на характеристиках двух примерных кривых H-Q эквивалентных друг другу. Верхняя кривая H-Q соответствует наименьшему значению рабочего колеса насоса, нижняя – обточенному (до максимально допустимой степени) рабочему колесу насоса. Наименьшая прямая, соединяющая верхние и нижние H-Q характеристики - границы рабочей зоны насосов при различных диаметрах их рабочих колес.

Нередко рабочие зоны насосов на характеристиках не указываются. В этом случае они с достаточной для практики точностью могут быть назначены самостоятельно. Самый простой способ определения рабочей зоны насосов состоит в нахождении оптимальной производительности насоса, соответствующей максимальному значению к.п.д. насоса, и в отступлении от нее в область меньших и больших подач на 20%. Найденные таким образом производительности будут являться левой и правой границами рабочей зоны насоса.

Более взвешенным является другой способ самостоятельного определения рабочей зоны насоса. По нему находят максимальное значение к.п.д. насоса и от него отступают вниз на 2-5%. Затем через полученную точку проводят горизонталь до пересечения ее с кривой -Q являются границами рабочей зоны насоса.

После подбора насосов производится выбор приводящих их двигателей, который выполняется по требуемой мощности и частоте оборотов двигателя. Необходимая мощность двигателя рассчитывается по формуле, приведенной в разделе 7; частота оборотов вала двигателя должна соответствовать частоте оборотов вала насоса, то есть должна равняться ей или быть в достаточной мере близка.