Насосные стации первого подъема.

Название этих станций определяется их предназначением - они поднимают неочищенную (сырую) воду из водозаборных сооружений и подают её на очистные сооружения водопровода.

Схемы насосных станций могут быть различными – в зависимости от производительности, геологических и гидрогеологических условий, типа водозаборных сооружений [1]. В разных схемах насосы могут быть установлены либо ниже уровня воды в водозаборном сооружении (установка «под залив») рис.1а, с насосами погружного типа, рис.1б, либо выше уровня воды, рис.1в, это так называемая установка с положительной высотой всасывания.

Рис. 1.

Схему (рис.1в) применяют для водопроводов второй или третьей категории надежности (при числе жителей в населенном пункте менее 50 тыс. человек).

Насосные станции первого подъема, как правило, работают в течение суток равномерно, так же равномерно работают очистные сооружения водопровода. Поэтому производительность насосной станции рассчитывают на равномерную подачу максимального суточного расхода Q_{сут.макс}.; кроме того, насосы первого подъема должны в течение T=24 часов восстановить пожарный запас воды в резервуарах чистой воды на водопроводных очистных сооружениях. Коэффициент 1,05 учитывает увеличение подачи на собственные нужды водопроводных очистных сооружений.

Расчетная подача станции , м3/час.

Q_{час.расч}.=1,05 Q_{сут.макс} /24 +1,05 W_пож / 24,

где W_пож-объем пожарного запаса,

W_пож=q_пож · 3 · 3600/1000, м³, q_пож – пожарный расход, л/с (пожар тушится в течение 3х часов).

При выходе из строя какого-либо элементов водопроводных сооружений должна быть обеспечена подача 70% расчетного расхода Q_{аварийн}=0,7 · Q _расч.

Расчет всасывающих трубопроводов.

Во всасывающем трубопроводе необходимо обеспечить небольшие потери напора во избежание возможности возникновения кавитационного режима. Поэтому диаметры рассчитывают из условия небольшой скорости 0,8…1,2 м/с, (при Q/2 >0,5 м³/с V=1…1,5 м/с). Всасывающих труб, как правило, две, поэтому принимают расход половинный Q/2 ,м³/с .Диаметр , м:

D_вс=(Q/2*4/(3,14*(0,8…1,2))^0,5.

Подбирается стандартный диаметр D_ст , в расчеты подставляется внутренний диаметр трубы.

При расчете потерь напора, рассматривают случай выхода из строя одной трубы, тогда весь расход пойдет по одной трубе.

Скорость: V=4Q_расч/(3,14 D_ст²), ( Q_расч- м³/с)

Потери напора на местные сопротивления:

Вход в трубу ζ=0,2; поворот 90° (колено) ζ=0,5; затвор ζ=0,5; переход с большего диаметра на меньший при входе в насос ζ=0,2;

h_м,вс=Σζ ٠V²/2g.

Потери по длине всасывающего трубопровода :

Коэффициент сопротивления λ (при скорости V>1,2 м/сек) для стальной (чугунной) трубы:

λ= 0,021 /D_ст^0,3. Если V<=1,2 м/с то λ=0,0179((1+0,867/V)/D_cт)^0.3 . Для пластмассовой трубы λ=0,01344 (1/V)^0,226/D_ст^0,226, для труб из других материалов λ=А₁ (А₀ +С/V)^m/D^m, значения А₁,А₀,С, m – см. [1], прил. 10.

Потери по длине h_дл=λ∙ V² L/(2g∙D_ст), где L –длина, м.

Итого h_вс= h_вс.м +h _дл.

Расчет напорных трубопроводов.

Принимаем 2 трубы, по каждой идет половинный расход.

Экономичный диаметр, м :

D_эк=(λ٠Ц_эл٠ (Q/2)³ /(9,48٠ 10^-6٠ δ٠ ρ_м ٠Ц_м))^0,167, (Q - м³/с),

где λ – принимаем в первом приближении 0,025; для пластмассовых труб λ-0,02; Ц_эл - цена электроэнергии, р/кВт·ч; – толщина стенки трубы, м; принимаем в первом приближении 0,008 м; а для полиэтилена 0,015 м;

Ц_м - цена материала труб, тыc.р/тонну;

Таблица 1

Трубы стальные, ρм=7800 ,кг/м3; Цм=36 тыс.р/т			Трубы полиэтиленовые ρм=1000, кг/м3; Цм=78 тыс.р/т			Трубы чугунные, ρм=7800 ,кг/м3; Цм=36 тыс.р/т
DУсловн, мм	Dвнутр м	δ , м	Dнаружн, мм	Dвнутр м	δ , м	DУсловн, мм	Dвнутр м	δ , м
100	0,107	0,0035	140	0,1194	0,0103	100	0,103	0,0075
150	0,151	0,004	160	0,1364	0,0118	125	0,128	0,008
200	0,208	0,0055	180	0,1534	0,0133	150	0,153	0,0085
250	0,261	0,006	200	0,1706	0,0147	200	0,203	0,010
300	0,311	0,007	250	0,2132	0,0184	250	0,254	0,010
350	0,361	0,008	315	0,2686	0,0232	300	0,304	0,011
400	0,410	0,008	400	0,3612	0,0294	350	0,354	0,012
450	0,458	0,008	500	0,4264	0,0348	400	0,404	0,0125
500	0,514	0,008	630	0,5374	0,0463	500	0,503	0,0145
600	0,612	0,009	710	0,606	0,052	600	0,603	0,016
700	0,702	0,009	800	0,682	0,059	700	0,703	0,0175
800	0,802	0,009	1000	0,9236	0,0582	800	0,803	0,020
900	0,902	0,009				900	0,903	0,021

ρ_м – объемный вес материала трубы, кг/м³.

Величины δ и λ уточняются, пересчитывается D_эк.

Выбирается близкий по значению стандартный диаметр.

Потери напора в напорных линиях

Принимаем сумму коэффициентов местных сопротивлений Σζ=2,5. Полный напор насосов Н_полн=Н_геом + h_вс + h_н +2,5 м, где 2,5 м – ориентировочно потери напора внутри насосной станции.

Определение числа рабочих насосов. Выбор насосных агрегатов.

Число рабочих насосов должно быть не менее 2-х. Резервных насосов – 2 для станций 1-й категории, 1- для второй категории. Насос подбирается по величине полного напора H_полн и по расходу Q/n, где n – количество рабочих насосов. Если есть несколько вариантов, выбирается насос с наибольшим коэффициентом полезного действия. С помощью программы EXEL выражают Q - H характеристику в виде H=AQ² +BQ +C; для n насосов, при их параллельном включении, характеристика H=AQ²/n² +BQ/n +C.

Устройство перемычек на водоводах. Определение числа перемычек.

В случае аварии на одном из водоводов другой водовод должен обеспечить аварийный расход. Если его пропускная способность недостаточная, устраивают одну или несколько перемычек между водоводами, чтобы можно было отключить только часть аварийного трубопровода.

Количество перемычек m=(S₁ Q²_{аварийн} – h^’) /(h^’ – 0,25 S₁ Q²_{аварийн}), где S₁ – сопротивление одного водовода; h^’ =AQ² _{аварийн}/n² +BQ _{аварийн} /n +C – H_геом: n – количество рабочих насосов.

Пример.

Расчетный расход Q_расч= 1122 м³/ч (0,3117 м³/с) , полный напор 51 м. Аварийный расход 785,5 м³/ч (0,218 м³/с). Геометрическая высота подъема Н_г=28м, (рис.2). Трубы стальные, с внутренним пластмассовым покрытием, стоимость 40 руб/кг. Длина всасывающих труб – 20 м, напорных – 12000м. Цена электроэнергии 2,5 руб/кВт-ч.

Рис.2

Диаметр всасывающих труб (2 трубы)

м

Принимаем стандартный диаметр D_ст=0,450 м. При пропуске полного расхода по одной трубе скорость

V=0,3117٠4/(3,14٠0,450²)=1,96 м/с.

Коэффициент сопротивления

λ=0,011( 1+3,51/1,96)^0,19 /0,450^0,19=0,0156.

Потери напора по длине h_дл=0,0156٠1,96² ٠20/ (0,450٠2٠9,81)=0,14 м.

Потери на местные сопротивления h_вс,м=1,4٠1,96²/19,62=0,27 м. Итого h_вс =0,14+0,27=0,41 м.

Экономичный диаметр напорных трубопроводов

D_эк=[0,02٠ (0,3117/2)³ ٠2,5٠ 10⁶ /(9,48٠ 0,01٠ 7800٠ 40)]^0,167 = 0,430 м. Принимаем диаметр напорного трубопровода D =0,450 м. Скорость V=0,3117/2*4/(3,14*0,450²)=0,98 м/с.

Коэффициент сопротивления λ=0,011( 1+3,51/0,98)^0,19 /0,450^0,19=0,0171. Потери напора

h_н =16٠ (0,0171٠ 12000/0,450+2,5)٠ 0,1559² /(0,450⁴ ٠3,14² ٠19,62)=22,48 м. Полный напор Н_полн= 28+22,48+0,41+2,5=53,35 м.

По каталогу насосов подбирают подходящие насосы

Подача | 2 насоса | 3 насоса

насосов, м³/ч | Q₁=1122/2=561 м³/ч | Q₁=1122 /3=374 м³/ч

Напор, 53,35 м | Д 500-65, n=1450 об/мин | Д 500-65, n=1450 об/мин

Принимаем к установке 2 рабочих насоса с диаметром рабочего колеса 465 мм

м

Рис.3

Так как рабочая точка лежит выше характеристики с диаметром колеса 432мм, принимаем рабочее колесо 465 мм.

С помощью программы EXEL находим уравнения Q-H характеристик насосов. Для нахождения уравнения характеристики принимаем следующие точки : Расход, м³/ч 300 475 550 600 Напор, м 70,5 65 60 57

Уравнение 1-го насоса Н = - 0,00007٠Q² +0,0128٠Q +74,759.

Уравнение 2-х насосов H =-0,0000175٠Q² +0,0064٠Q +74,759

Сопротивление системы трубопроводов

S₂ =( H_полн – H_геом ) /Q² =( 53,55 - 28) / 1122² = 0.0000203 ч²/м⁵

Характеристики трубопроводов:

Н=0,0000203٠ Q² + 28.

Таблица 2

Расход, Q мз/ч	1 насос	2 насоса	1 трубопр.	2 трубопр.	Н геометр.	Н аварийн.
300	72,299	75,104	34,426	29,611	28	32,016
400	68,679	74,519	39,424	30,864	28	35,140
500	63,659	73,584	45,85	32,475	28	39,156
600	57,239	72,299	53,704	34,444	28	44,065
700	49,419	70,664	62,986	36,771	28	49,866
800	40,199	68,679	73,696	39,456	28	56,560
900		66,344		42,499	28	64,146
1000		63,659		45,9	28	72,625
1100		60,624		49,659	28
1200		57,239		53,776	28
1300		53,504		58,251	28

Рис.4.

Устройство перемычек на напорном водоводе

Как видно из графика, при отключении (в случае аварии) одного трубопровода, аварийный расход Q_ав=785,5 м³/ч не обеспечивается. Необходимо устройство перемычек. Количество перемычек

m=(S₁ ٠Q_ав² - h^’) / (h^’ – 0,25 S₁ ٠Q_ав² )= =(0,0000714٠ 785,5² – 41,0) / (41,0 – 0,25٠ 0,0000714٠ 785,5² )=0,102, где h^’ равно напору 2 – х насосов при подаче аварийного расхода минус Н_геом: h^’ = - 0,0000175٠ 785,5² + 0,0064٠ 785,5 +74,759 – 28 =41,0 м. Принимаем 1 перемычку.

Характеристика трубопроводной системы при отключении одного участка трубопровода, при одной перемычке (m=1) H=S₁٠ Q² /(m+1) +0,25٠m٠S₁٠Q² /(m+1) + H_геом=S₁٠Q²٠0,625+H_геом.

Строим характеристику Н=0,625٠ 0,0000714٠ Q² + 28 и результаты отражаем в таблице 1 и на чертеже (рис.3).

Определение допустимой высоты всасывания насосов. Определение максимально допустимой отметки оси насосов

Допустимая высота всасывания Н_доп =(р_ат – р_нас) / (ρ٠g) – h_вс - Δh_к , где р_ат = 101325 е ^{– А} , А=1,2 g Z / 101325; Z – отметка земли; p_нас – давление насыщенных паров воды, (табл. 2): Таблица 2

Температура, °С	0	10	20	40	60	80	100
рнас , Па	590	1180	2350	7360	19910	47380	101325

h_вс - потери напора во всасывающей линии ; Δh_к – кавитационный запас, берется из характеристики насоса.

В примере: А=1, 2 ٠ 9,81٠ 1212 / 101325 = 0,1408; р_ат = 101325٠ 2,72 ^{– 0,1408} = 88017 Па; температура 20°; р_нас = 2350 Па; h_вс =1,63 м; Δh_к =5,6 м; Н_доп =(88017 – 2350)/(1000 9,81) – 0,41 – 5,6 = 2,72 м. Максимальная отметка оси насоса 1220 + 2,72 = 1222,72 м.

Насосные станции 2-го подъема

Насосные станции подают воду из резервуаров чистой воды непосредственно в населенный пункт. Резервуары расположены, как правило, на площадке очистных сооружений водопровода.

Расходы воды

При известном суточном расходе в сутки наибольшего водопотребления Q_сут определяют среднечасовой расход Q_ср.час =Q_сут / 24 м³/ч и максимальный часовой Q_{макс.час} = Q_ср.час ٠К_{час.макс} где К_{час.макс} - максимальный часовой коэффициент неравномерности. В зависимости от этого коэффициента принимается распределение потребления воды по часам суток (табл.3).

Таблица 3