4.4. Подбор и совместная работа насосов на сеть

Выбор типа насоса и количества рабочих агрегатов надлежит производить на основании расчетов совместной работы насосов, водоводов, сетей, регулирующих емкостей, суточного и часового графиков водопотребления, условий пожаротушения и других факторов. При этом должны быть выполнены следующие требования:

• развиваемый насосами напор должен быть рассчитан для преодоления гидравлических сопротивлений в сети, подъема и излива воды из самого высокого водозаборного прибора при минимальной величине избыточных напоров;

• суточная подача насосов должна быть равна расчетному расходу воды в сутки наибольшего водопотребления, а максимальная часовая подача меньше или равна максимальному часовому водопотреблению;

• подача расчетных расходов воды должна осуществляться при наивысших КПД;

• насосы в одной группе должны быть однотипными, а количество рабочих агрегатов одной группы должно быть не меньше двух.

При определении режима совместной работы насосов на водопроводную сеть необходимо знать ее характеристику. Характеристикой внешней сети называют графическую или аналитическую зависимость между потерями напора и расходом жидкости в трубопроводе. Полный напор, создаваемый насосом, должен быть достаточным для преодоления гидравлических сопротивлений в сети, подъема и излива воды:

Н = H_г + h_дл + h_м + h_изл, (4.21)

где Н_г - геодезическая высота нагнетания, м;

h_дл - потери напора по длине, м;

h_м - потери напора в местных сопротивлениях;

h_изл- напор, необходимый для излива воды из водозаборных приборов, м.

Если выразить скорость потока как отношение расхода (Q, м³/с) к площади живого сечения (, м²) водовода

, (4.22)

а поперечное сечение трубопровода (, м²) через его диаметр (d, м)

, (4.23)

тогда потери напора на гидравлическое трение по длине труб, определяемые по формуле (4.7), можно представить в следующем виде:

h_дл=A_дл lQ²=S_длQ², 4.24)

а потери напора в местных сетях:

h_м=A_м_мQ²=S_мQ², (4.25)

где А_дл - модуль удельного сопротивления на единицу длины трубопровода, с²/м⁶;

S_дл - полное сопротивление водовода; с²/м⁵;

А_м - модуль удельного местного сопротивления, с²/м⁵.

Таким образом, характеристику внешней сети можно представить в виде следующей зависимости:

H=H_г+SQ², (4.26)

где S - постоянная трубопровода, с²/м⁵.

Графическая характеристика трубопровода имеет вид параболы с вершиной на оси ординат (Q=0), расположенной на расстоянии H_г от оси абсцисс (рис. 4.5). Рассчитать совместную работу насосов и водоводов можно двумя способами: графическим и аналитическим. При первом способе наложением рабочей характеристики насоса Н=f(Q) на характеристику трубопровода находят координаты точки (1) пересечения двух кривых, которыми определяют значения производительности Q_н и напора Н_н, развиваемого насосами.

Если используется аналитический способ, тогда приравнивают правые части выражений (4.18) и (4.26) и находят формулу для определения расчетной производительности насоса:

, (4.27)

где а₁ и b₁ - параметры аналитической характеристики H=f(Q) насоса, вычисляемые по формулам:

a₁=H₁+b₁S₁=H₂+b₁S₂; (4.28)

b₁=(H₁-H₂)/(Q -Q ), (4.29)

где Н₁ и Н₂ - напоры, развиваемые насосом при подаче соответственно Q₁ и Q₂, принимаемые из графиков или таблиц для рекомендуемой области применения данного насоса.

Рис. 4.5. Совместная характеристика насоса и трубопровода

Точка пересечения характеристик насоса с характеристикой трубопровода определяет фактический режим работы насоса при данном трубопроводе. Для работы насоса в нормальном режиме необходимо соблюдать следующие условия:

• характеристики насоса и трубопровода должны пересекаться только в одной точке;

• режим работы насоса должен находиться в рабочей зоне, чему соответствует максимальный КПД насоса;

• геодезическая высота должна быть на 10% меньше, чем напор насоса при закрытой задвижке;

• высота всасывания не должна превышать допустимой.

Подбор насосов с требуемыми характеристиками часто невозможен, так как количество их типоразмеров, выпускаемых промышленностью, ограничено. В этом случае рекомендуется для повышения производительности насосной станции включать насосы в сеть параллельно, а для повышения напора - последовательно. Кроме того, можно регулировать режим работы насосов за счет изменения характеристики самих насосов или системы.

Последовательной работой насосов называется перекачка воды из насоса в насос. Если насосы, расположены на одном уровне, то суммарная характеристика получается в результате суммирования ординат, т.е. сумма величин напора характеристик каждого насоса. Если насосы установлены на разных уровнях, тогда характеристику насоса N₁, установленного на более низком уровне, приводят к точке расположения второго насоса N₂. Для этого из ординат характеристики насоса N₁ вычитают ординаты потерь напора в соединительном трубопроводе и строят приведенную характеристику N₁¹ насоса N₁. Приведенную характеристику суммируют с характеристикой насоса N₂. Имея характеристику трубопровода, определяют точку совместной работы насосной станции и водопроводной сети (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Характеристика последовательной работы насосов

Параллельным соединением насосов называется их совместная работа на общий трубопровод. При параллельном соединении суммарная характеристика строится путем сложения абсцисс, т.е. величин производительности (подачи) при одинаковых величинах напора, развиваемого насосами. Если насосы расположены рядом, тогда строится суммарная характеристика и пересечение ее с характеристикой трубопровода дает точку совместной работы насосов и водопроводной сети (рис. 4.7).

Если насосы удалены друг от друга, то характеристику дальнего насоса N₁ необходимо привести в точку установки насоса N₂. Для этого необходимо учесть потери напора в соединительном трубопроводе и построить его характеристику Н_ав=Н_г+SQ².

Рис. 4.7. Характеристика параллельной работы двух однотипных насосов

Затем из характеристики насоса N₁ вычитают ординаты характеристики этого трубопровода и получают приведенную характеристику N₁¹. Суммируя характеристики N₁¹ и N₂, полу чают общую характеристику параллельно работающих насосов. Режим совместной работы насосов N₁ и N₂ на трубопроводе определяется точкой 1, которой соответствует суммарная производительность Q₁₊₂ насосов при расчетном напоре Н₁₊₂.

Изменения рабочего режима системы водопотребления можно добиться за счет регулирования параметров насосов или самой системы. Характеристика системы может быть изменена вводом дополнительного сопротивления в сеть с помощью задвижки, расположенной на напорной линии насоса. В этом случае характеристика сети пойдет круче и рабочей точкой станет другая точка, в соответствие с которой снизится подача Q, изменяется мощность N_в и КПД насоса.

Путем уменьшения гидравлического сопротивления системы за счет открытия задвижек, отводы воды по обводной линии или через сбросный клапан можно перевести систему в точку, требующую увеличения подачи, изменения мощности и КПД насоса.

И зменение характеристики насосов может быть достигнуто путем:

• поворота лопастей рабочего колеса;

• замены или обточки рабочего колеса;

• регулирование частоты вращения ротора насоса.

Это необходимо, если установлен насос с заведомо большими значениями производительности и напора, а затем вносятся те или иные изменения в конструкцию, те или иные способы регулирования частоты вращения насоса. Например, подача и напор, создаваемые насосом, могут быть уменьшены при незначительном снижении КПД в результате обточки рабочего колеса и уменьшения его диаметра на 10-20%. Новые значения подачи и напора находят по формулам:

• подача Q₂=Q₁(D₂/D₁), (4.30)

• напор H₂=H₁(D₂/D₁)². (4.31)

Изменяя число оборотов насоса, производят пересчет параметров насоса по формулам:

• подача Q₂=Q₁(n₂/n₁), (4.32)

• напор H₂=H₁(n₂/n₁)², (4.33)

• мощность N₂=N₁(n₂/n₁)³, (4.34)

В приведенных формулах приняты следующие обозначения: n₁, n₂ -исходное и новое число оборотов рабочего колеса насоса, Q₁, H₁, N₁, D₁ -соответственно исходные значения подачи, напора, мощности и диаметра рабочего колеса насоса, Q₂, H₂, N₂ и D₂ - соответственно новые значения подачи, напора, мощности и диаметра рабочего колеса насоса. Изменение числа оборотов насоса n может быть достигнуто разными способами, например, использованием для привода насосов двигателей постоянного тока или коллекторных двигателей переменного трехфазного тока, установкой между насосами и двигателями гидро- и электромуфт, а также за счет частотного регулирования электропривода.

n = 60f/p, (4.35)

где f – частота переменного электрического тока, Гц;

р – число пар полюсов электродвигателя.

Практика показывает, что последний способ с помощью частотного регулирования числа оборотов электродвигателя является наиболее удобным и рациональным.