Гидравлические сети с насосной станцией

Предел обточки рабочих колес зависит от коэффициента быстроходности или удельное число оборотов ns, называется число оборотов в минуту такого эталонного колеса, перекачивающего воду, которое имея одинаковый КПД с геометрически подобным ему колесом, при затрате мощности 0,736 кВт развивал бы напор 1 м.

где Q – подача насоса, м3/с; Н – напор насоса, м;

N – частота вращения, об/мин.

Полезная мощность определяется работой насоса, совершаемой им при подъеме жидкости в единицу времени на высоту Н, т.е. полезная мощность насоса в кВт

Мощность, потребляемая насосом, практически равна мощности на валу электродвигателя

где I, U – сила тока и напряжение питания электродвигателя насоса,дв – КПД электродвигателя.

Фактическая производительность насоса в л/мин – количество жидкости, подаваемое в единицу времени.

факт t

Теоретическая производительность насоса в л/мин – произведение его рабочего объема на частоты вращения

где Wн – рабочий объем насоса или теоретический, вытесняемый рабочим органом насоса (без учета утечек) за один оборот ротора, см3/об.

Объемный КПД – отношение фактической производительности насоса к теоретической – учитывает величину внешних и внутренних утечек в насосе

Механический КПД – отношение теоретического момента на валу насоса к фактическому моменту, учитывает механические потри энергии на трение в подвижных соединениях насоса

где Nп. н – в кВт, Рн в ат.

11

Эффективный или общий КПД – отношение полезной (эффективной) мощности ко всей потребляемой, учитывает все потери энергии при работе насоса (гидравлический КПД 1)

где Nн – мощность, потребляемая насосом.

С ростом давления нагнетания при неизменной частоте вращения увеличиваются утечки, из-за чего падает производительность и объемный КПД. В то же время улучшается смазка подшипников и уменьшаются механические потри на трение – растет механический КПД.

Кавитационные качества насоса определяют его всасывающую способность [7]. Она оценивается кавитационным коэффициентом быстроходности

где h – критический кавитационный запас, представляющий собой избыточную по отношению к давлению насыщенного пара величину давления на входе, при котором уже наступает кавитация в насосе

Для насосов с Скав 600 кавитационные качества плохие (требуется большой кавитационный запас), от 600 до 1000 – удовлетворительные, более

1000 – хорошие [8,11].

Меры борьбы с кавитацией: предотвращение общего для системы и местного падения давления на входе в насос; уменьшение гидросопротивления лопаток за сет их утончения, шлифовки; ограничение по расходам, числу оборотов и температуре перекачиваемой жидкости.

Чем хуже кавитационные характеристики насоса, тем меньше разность высот между уровнем насоса и уровнем жидкости под ним, с которого насос может всасывать жидкость, т.е. меньше высота всасывания. Для идеального случая высота всасывания 10 м.

Допустимая высота всасывания определяется по формуле

– коэффициент запапса; Н – напор, создаваемый насосом, м;

– коэффициент кавитации, определяемый по формуле С.С. Руднева;

12

n – число оборотов рабочего колеса в мин;

Скав – кавитационный коэффициент быстроходности.

Мощность двигателей для параллельно работающих насосов определяют по мощности, потребляемой насосом при его индивидуальной работе.

1.3 Параллельное и последовательное включение насосов в сеть

Параллельная работа насосов с различными характеристиками возможна только для таких насосов, у которых развиваемые напоры отличаются друг от друга незначительно (подача значения не имеет) [9]. На рис.5 представлена параллельная работа двух одинаковых насосов на сеть.

Рис. 1.5. Параллельная работа двух одинаковых насосов на сеть

При подборе насосов для параллельной работы следует учитывать множество факторов, наиглавнейшим из которых является т.н. равенство напоров. Включаемые по параллельной схеме насосы должны иметь одинаковые напоры и подачу, в противном случае один из агрегатов, имеющий меньшие характеристики, будет вынужден преодолевать сопротивление давления напорного трубопровода, вследствие чего его КПД будет постепенно снижаться и в определенный момент станет равным нолю, т.е. он будет работать "в холостую".

Если необходимо объединить параллельную работу разных по характеристикам насосов, их коммутируют таким образом, чтобы менее мощный насос в момент достижения напора величины, находящейся вне характеристик насоса, отключался. Или путем регулирования уменьшают напорные характеристики более мощного насоса, уравнивая их с рабочим диапазоном менее мощного насоса. Конструктивно схему параллельной работы при расположении насосов в одном помещении на незначительном удалении друг от друга можно выполнить таким образом, что одним приводом-мотором будет передаваться механическая энергия нескольким агрегатам, что является несомненным достоинством данного метода.

13

Последовательным называют такое соединение, при котором жидкость, получившая энергию от насоса, подается во всасывающий патрубок следующего агрегата (рис.1.6). В таких случаях увеличение напора происходит ступенчато, от насоса к насосу. Поэтому насосы, соединенные по такому принципу, делят на агрегаты первой, второй, и т.д. ступеней.

Рис. 1.6. Последовательная работа двух одинаковых насосов на сеть

Если конструктивно возможно, то экономически целесообразнее применение одной ступени трансформации напора, поскольку велики гидравлические потери при транспортировке жидкости от одного насоса к другому, и в результате воздействия гидравлических сил на рабочие элементы второго агрегата его КПД значительно снижается (до 70 %). Исключение составляют т.н. многоступенчатые насосы. В таких насосах преобразование напора жидкости происходит ступенчато в одном корпусе, в которых, как правило, на одной оси укрепляется несколько комплектов рабочих колес. Благодаря такой компоновке гидравлические потери сводятся до минимума.

При последовательном подключении насосов необходимо учитывать прочность корпуса агрегатов второго и последующих уровней, т.к. не все насосы в состоянии выдерживать избыточное давление в течение длительного времени. Кроме того, запорная арматура в таких схемах подвергается гидравлическим ударам, поэтому также требует повышенной прочности. При изготовлении трубопроводов, соединяющих ступени в последовательных схемах, не должны иметь крутых поворотов и как можно меньше соединений.

При последовательном соединении (последовательной работе) один насос подает воду во всасывающий патрубок другого насоса, а последний подает воду в напорный трубопровод.

14

При параллельной работе насосов увеличивается подача, при последовательной – напор, пропорционально числу насосов.

Следует отметить, что последовательная работа нескольких насосов менее выгодна, чем применение одного насоса с требуемым напором.

Насос подбирают по требуемым параметрам – подаче Q и напору Н. В каталогах по сводным графикам исходных технических данных находят точку с исходными Q и Н и соответствующую ей марку насоса и далее уточняют параметры насосной установки по совмещенному графику характеристик принятого насоса и трубопровода [14].

При подборе насоса нужно стремиться к тому, чтобы его напор при оптимальном КПД был равен расчетному напору насосной установки или во всяком случае, чтобы рабочий режим лежал в пределах рекомендуемой области использования насоса. Однако не всегда удается достичь таких условий, так как число выпускаемых типов насосов ограничено. В таких случаях, если бывает недостаточной обточка рабочего колеса или изменение частоты вращения, принимают к установке несколько насосов или идут на некоторые изменения исходных данных.

1.4 Насосные станции

Насосные станции по своему назначению и расположению бывают следующих типов [10]:

–станции I подъема, которые забирают воду непосредственно из источника и подают ее на очистные сооружения или, если очистка воды не требуется, непосредственно в распределительную сеть, водонапорные башни и другие сооружения; такие станции могут быть совмещены с водозаборными сооружениями или отделены от них;

–станции II подъема служат для подачи очищенной воды из резервуаров

враспределительную сеть и водонапорные башни; в отдельных случаях насосные станции II подъема блокируют с очистными сооружениями или совмещают со станцией I подъема;

–повысительные станции, предназначаемые для повышения напора в водопроводной сети;

–циркуляционные станции, устраиваемые для перекачки воды в системах оборотного водоснабжения.

В зависимости от надежности действия насосные станции подразделяют на три категории:

–на станциях I категории надежности не допускается перерыв в работе насосов;

–на станциях II категории надежности допускается перерыв в работе насосов на время, необходимое для включения резервных агрегатов;

–на станциях III категории надежности допускается перерыв в подаче воды на время ликвидации аварии.

15

Для обеспечения требуемой надежности действия насосные станции оборудуются, кроме рабочих агрегатов, резервными, число которых принимают в соответствии с рекомендациями строительных норм и правил.

По расположению насосных агрегатов относительно поверхности земли насосные станции подразделяют на наземные, полузаглубленные и заглубленные.

Подачу насосов (в м3/ч) станции I подъема рассчитывают на подачу среднечасового расхода воды в дни максимального водопотребления по формуле

где – коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды очистной станции (1,03 – 1,1);

Qcyт – максимальный суточный расход, м3; Т – число часов работы насосной станции.

Подача насосной станции II подъема зависит от режима водопотребления. Подача воды насосами для этих станций может быть равномерной в течение суток или ступенчатой, когда в разные часы суток работает разное число насосов в зависимости от водопотребления. В системах оборотного водоснабжения подачу насосов принимают равной среднечасовому расходу воды.

1.5 Принцип размещения насосного оборудования

Насосные станции оборудуются насосными агрегатами, всасывающими и напорными трубопроводами с арматурой, устройствами для заливки насосов, противоударными приборами, контрольно-измерительной аппаратурой и подъ- емно-транспортными средствами. Компоновку оборудования и конструкцию зданий насосной станции принимают в соответствии с рекомендациями строительных норм и правил [12,13].

Для удобства монтажа и эксплуатации на насосных станциях целесообразно применять однотипное оборудование. Насосные агрегаты в зданиях насосных станций могут быть расположены по одной из следующих схем:

–в один ряд перпендикулярно оси станции;

–в один ряд параллельно продольной оси станции;

–в два ряда с параллельным расположением осей в каждом ряду;

–по схеме двухрядного размещения агрегатов в шахматном порядке.

При выборе схемы расположения агрегатов в здании необходимо учиты-

вать конкретные условия проектирования: количество агрегатов и их размеры, заглубление насосной станции, арматуру которой оборудуют всасывающие и напорные трубопроводы (рис.1.7). При этом следует иметь в виду, что при однорядном расположении агрегатов возможно комплексное размещение оборудования. Двухрядное расположение агрегатов имеет преимущество при боль-

16

шом числе разнотипных агрегатов, но при этой схеме увеличивается пролет здания и усложняются коммуникации трубопроводов. Двухрядное шахматное расположение агрегатов целесообразно при большом числе крупных машин.

При определении размеров машинного отделения насосной станции необходимо учитывать, что минимальная ширина проходов должна быть между агрегатами 1…1,2 м; агрегатами и стеной 0,7…1 м; фундаментами агрегатов и распределительным щитом 1,5 м; неподвижными выступающими частями оборудования 0,7 м.

В целях повышения надежности работы станции насосы следует устанавливать под залив при расчетном уровне воды в приемном резервуаре. За расчетный уровень обычно принимается уровень пожарного запаса. При установке насосов с превышением их оси над самым низким уровнем воды необходимо следить, чтобы это превышение было меньше допустимой высоты всасывания насосов на величину потерь напора во всасывающем трубопроводе.

Технические характеристики водопроводных центробежных насосов приведены в таблице 1.1.

Непременным условием правильной работы всасывающих трубопроводов является устранение причин образования в них воздушных мешков. Для этого, при переходе от труб с одного диаметра к трубам другого диаметра на горизонтальных участках трубопровода следует применять только косые переходы с горизонтальной верхней образующей. Для предотвращения попадания воздуха во всасывающий трубопровод входное отверстие трубы должно быть заглублено ниже самого низкого уровня воды в приемном резервуаре на 0,5…1м.

Число всасывающих линий независимо от числа насосов должно быть не меньше двух. Задвижки на всасывающих трубопроводах применяют только у насосов, расположенных под заливом, или при присоединении насосов к общему всасывающему коллектору. Напорные трубопроводы каждого насоса оборудуются задвижкой и обратным клапаном для предотвращения обратного тока воды.

Учет воды, подаваемой насосами, производится расходомерами, основанными на принципе измерения скорости течения воды (турбинные скоростные счетчики) или на принципе измерения перепада давления (сужающие устройства типа диафрагм, сопла Вентури и т. д.). В последнее время для измерения расходов воды широко применяют расходомеры, принцип работы которых основан на использовании электромагнитной индукции [15].

Общие теоретические положения по насосам и насосным станциям, представленные в данном пособии, должны быть полезны студентам при дальнейшем расчете насосной станции, методика и пример которого приведены в следующей главе.

17

Таблица 1.1

Технические характеристики водопроводных центробежных насосов

18

Рис. 1.7. Общий вид насосной станции

19

2 РАСЧЕТ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Цель работы и исходные данные для расчета

Цель работы:

–определение основных оптимальных параметров центробежного насоса (расхода Qопт. , напора Hопт. , КПД опт. , мощности Nопт. , допускаемой величина ва-

куума Hвакдоп.. );

–построение характеристики сети с последующим определением рабочей точки насоса (A) при его работе на сеть;

–определение основных действительных параметров насоса при работе его на заданную сеть и сравнение их с оптимальными параметрами;

–построение суммарной характеристики двух насосов с одинаковыми характеристиками при параллельном их включении в заданную сеть с последующим определением рабочей точки Aпар , суммарного расхода Qпар , напора Hпар ;

–построение суммарной характеристики двух насосов с одинаковыми характеристиками при последовательном их включении в заданную сеть с после-

дующим определением рабочей точки Aпосл. , суммарного расхода Qпосл. , напора

Hпосл. .

Исходные данные:

1)жидкость: техническая вода;

2)длина трубопровода l диаметр d, величина гидростатического напора Hг и температура жидкости T , C приведены в таблице 1(прил. 2);

3)по данным задания и полученному варианту (таблица 2.1) вычерчивается схема установки (рис.2.1).

20