2.13.3. Техніко-економічний розрахунок трубопроводів

Питання про найвигідніші швидкості, а отже, про діаметр магістрального трубопроводу вирішується техніко-економічним розрахунком.

Найвигідніший діаметр трубопроводу буде таким, при якому загальні затрати складаються з витрати на експлуатацію трубопроводу і його капіталовкладень.

Основною складовою частиною річних експлуатаційних затрат є вартість енергії , яка витрачається на транспортування рідини; її можна визначити з рівняння:

(2.76)

де  - густина рідини, кг/м³; Q – витрати рідини, м³/год.; Н – напір, м; _н – к.к.д. насосної установки;  - кількість годин на рік роботи насосної установки; m – вартість 1 кВтгод. енергії.

Загальну річну вартість експлуатації трубопроводу отримаємо, додавши до вартості енергії річні витрати на утримання обслуговуючого персоналу і ремонт :

(2.77)

Річні витрати на погашення капіталовкладень визначаються величиною річних амортизаційних відрахувань а, які виражаються у відсотках (приблизно 610 %), за формулою:

(2.78)

де А – загальна вартість прокладки трубопроводу.

Графічна залежність експлуатаційних С_е і амортизаційних С_а витрат від діаметру трубопроводу d представлена на рис. 31.

Ціна, грн.
	Діаметр трубопроводу, м

Рис. 31. Експлуатаційні та амортизаційні витрати в залежності

від діаметру трубопроводу

Підсумовування ординат кривих С_е=f(d) і С_а=f(d) дає криву С=С_е+С_а=f(d). Мінімум цієї кривої і визначає найвигідніший діаметр трубопроводу та область оптимальних діаметрів.

3. Гідравлічні машини

Гідравлічні машини служать для перетворення механічної енергії двигуна в енергію рідини, що переміщається (насоси) або гідравлічної енергії потоку рідини в механічну енергію (гідравлічні двигуни).

До гідравлічних машин відносяться:

• насоси;

• гідродвигуни;

• гідротурбіни, які являють собою один з різновидів гідродвигуна.

Найбільш поширеними гідравлічними машинами є насоси.

3.1. Насоси

Насоси – це гідравлічні машини, які перетворюють механічну енергію двигуна в енергію рідини, що переміщається, підвищуючи її тиск. Різниця тисків рідини в насосі обумовлює переміщення рідини.

За принципом дії розрізняють динамічні та об’ємні насоси.

3.1.1. Основні характеристики насосів

До них відносяться: продуктивність, напір і потужність.

Продуктивність (подача) Q (м³/год.) - об’єм рідини, що подається насосом в нагнітальний трубопровід в одиницю часу.

Напір Н (м) характеризує питому енергію, котра надається насосом одиниці ваги рідини, що перекачується. Напір можна уявити як висоту, на яку може бути піднятий один кілограм рідини за рахунок енергії, яку надає їй насос.

Для визначення напору насосу використовують рівняння Бернуллі. Розглянувши це рівняння для перерізів I-I, і II-II (рис. 24), отримали рівняння для напору насосу:

(3.1)

З (3.1) ми бачимо, що напір насосу дорівнює сумі трьох складових:

• висоти підйому рідини в насосі h_г;

• різниці п’єзометричних напорів (р₂ - р₁),

• загальним втратам напору при русі рідині по трубопроводу (в всмоктувальному та напірному) h_втр.

(3.2)

де h_тер – втрати напору на тертя у всмоктувальному та

нагнітальному трубопроводу, м;

h_м.о. – втрати напору на місцеві опори у всмоктувальному та

нагнітальному трубопроводу, м.

Рис.24. Схема насосної установки:

1, 3 – ємності; 2, 4 – всмоктувальний та нагнітальний трубопроводи; 5 – насос.

Рівняння (3.1) використовують при підборі насосів для технологічних установок.

Якщо тиски у ємностях 1 і 2 (рис. 24) однакові , то рівняння (3.1) набуває вигляду:

(3.3)

При русі рідини по горизонтальних трубопроводах (h_г =0):

(3.4)

В разі рівності тисків в ємностях і горизонтальному трубопроводі:

(3.5)

Висота всмоктування. Вертикальна відстань від рівню води в ємності до центру насосу Н_всм – називається висотою всмоктування; втрати енергії у всмоктувальному трубопроводі h_{втр.всм} називається втратами при всмоктувані.

Всмоктування рідини насосом відбувається під дією різниці тисків у ємності - і на вході в насос .

(3.6)

- швидкість зниження рівню в ємності.

Коли ₁0, тоді:

(3.7)

З (3.7) висота всмоктування насосу зростає зі зростанням р₁ в приймальній ємності і зменшується зі зростанням тиску р_всм, швидкості рідини і втрати напору в усмоктувальному трубопроводі.

Якщо рідина перекачується з відкритої ємності, то р₁р_атм.

Тиск р_вак на вході в насос повинен перевищувати тиск р_н.п. насиченої пари рідини при температурі всмоктуванні, оскільки в іншому випадку рідина в насосі почне кипіти.

(3.8)

При перекачуванні з відкритих водоймищ висота всмоктування не може перевищувати висоту стовпа рідини, що перекачується, яка відповідає атмосферному тискові. При температурі 20⁰C висота всмоктування на рівні моря навіть теоретично не може перевищувати 10 м. Із збільшенням температури внаслідок підвищення тиску висота всмоктування Н_всм зменшується.

При перекачуванні гарячих рідин насос встановлюється нижче рівня приймальної ємності, щоб забезпечити деякий підпір з боку всмоктування, або створюють надлишковий тиск у приймальній ємності. Таким же чином перекачують рідини з великою густиною і в’язкістю.

На припустиму висоту всмоктування впливає також кавітація. ЇЇ сутність: при високих швидкостях обертання робочих коліс відцентрових насосів і при перекачуванні гарячих рідин відбувається інтенсивне пароутворення в рідині, що знаходиться в насосі. Пухирці пари попадають разом з рідиною в область більш високих тисків, де миттєво конденсуються. Рідина заповнює порожнини, в яких знаходилась пара, а це супроводжується гідравлічними ударами, шумом і стуком. Кавітація призводить до швидкого руйнування насосів в результаті гідравлічних ударів і посиленої корозії в період пароутворення.

Максимальна практична висота всмоктування при перекачування води у залежності від температури складає:

t0 C	10	20	30	40	50	60	65
	6	5	4	3	2	1	0

Потужність.

Корисна потужність витрачається на надання рідині енергії.

(3.10)

Потужність на валу більша за у зв’язку зі втратами в насосі, які враховуються за допомогою коефіцієнту корисної дії насосу :

(3.11)

Величина η_н характеризує досконалість конструкції та економічність експлуатації насосу; вона відображає відносні (у порівнянні з N_к) втрати потужності в насосі і є добутком трьох величин:

(3.12)

У рівнянні (3.12) - коефіцієнт подачі, або об’ємний к.к.д (Q, Q_теор – дійсна та теоретична продуктивності насосу), враховує втрати продуктивності насосу (через зазори, сальники і т.ін.). Гідравлічний к.к.д. (Н, Н_теор – дійсний та теоретичний напір), враховує втрати напору при русі рідини через насос. Механічний к.к.д. η_мех характеризує втрати потужності на механічне тертя в насосі.

Значення η_н залежить від продуктивності насосу, його конструкції і степені зношення: - для відцентрових, - для відцентрових великої потужності, - для поршневих.

При виборі електродвигуна для насосу слід враховувати втрати потужності внаслідок механічних втрат в передачі від електродвигуна до насосу і у самому електродвигуні. Їх враховують за допомогою к.к.д. передачі η_пер та к.к.д. двигуна η_дв. Тоді потужність, що споживається двигуном :

(3.15)

де - має назву к.к.д. насосної установки.

Установочна потужність двигуна N_уст розраховується за величиною N_дв з урахуванням можливих перевантажень в момент пуску насосу, які виникають у зв’язку з необхідністю подолання інерції маси рідини, що покоїться.

(3.16)

де  - коефіцієнт запасу потужності. Він залежить від потужності двигуна N_дв:

, кВт	1	1-5	5-50	50
	21,5	1,51,2	1,21,15	1,1