Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни
.pdfАзбестоцементні труби застосовують при діаметрах від 100 до 500 мм і тиску в них до 1,5 МПа; збірні залізобетонні труби – при діаметрах від 500 до 1600 мм і тисках до 1,5 МПа. При використанні залізобетонних труб зі стале- вим осереддям тиск може бути збільшеним до 3 МПа. Монолітні залізобе- тонні труби застосовують при тисках до 0,5 МПа і практично при будь-яких діаметрах. Сталеві труби застосовують для будь-яких діаметрів і тисків, а практично через їх дефіцитність лише в тих випадках, коли інші труби не можуть бути використані.
Всі трубопроводи прокладають в ґрунті, крім того сталеві труби можливо прокладати відкрито на опорах.
При проектуванні напірних трубопроводів необхідно враховувати наступ- ні вимоги: трасу вибирають на стійких до зсуву ділянках; по можливості про- кладають трубопровід з безперервним підйомом. Як виключення, дозволя- ються ділянки зі зворотним похилом. Для забезпечення випорожнення напір- них трубопроводів їх прокладають завжди з похилом не менш 0,001 в напря- мі водовипуску; необхідно уникати поворотів трубопроводу в плані і верти- кальній площині.
Після вибору траси напірних трубопроводів призначають число ниток. При довжині трубопроводів до 100 м число ниток дорівнює числу насосів. При довжині трубопроводів 100...300 м об’єднання декількох ниток в одну повинно бути обґрунтовано техніко-економічними розрахунками. При дов- жині трубопроводів більше 300 м об’єднання їх обов’язкове.
Економічний діаметр трубопроводів вибирають на основі техніко- економічних розрахунків.
В необхідних випадках напірні трубопроводи облаштовують засувками для виділення ремонтних ділянок, вантузами для випуску повітря, випусками для спорожнення трубопроводів, компенсаторами, клапанами для впуску- випуску повітря і зворотними клапанами.
8.3. Визначення режимів роботи, розрахункових витрат і напорів насосних станцій меліоративних систем (головних і першого підйому)
Визначення основних параметрів розглянемо на прикладі проектування насосних станцій, які подають воду у відкриті ємності. Кількість насосів Zн визначається з умови найкращого покриття графіка водоспоживання. Розра- хункова подача насоса визначається за залежністю
Qн = Qmax /Zн, |
(8.1) |
де Qmax – максимальна ордината графіка водоспоживання.
Графік водоспоживання насосної станції наведено на рис. 8.1. На цьому ж графіку показують наближену кількість працюючих насосів, які необхідні для покриття графіка. Цю кількість отримують за відношенням Zні ≈ Qі / Qн.
Визначення геодезичних висот підйому води насосної станції
Для прикладу вважаємо, що насосна станція забирає воду з водосховища (або іншого джерела водозабору). Максимальна розрахункова відмітка рівня
199
води в водосховищі для третьої категорії надійності становить
↓НБтах5%=......м, а мінімальна ↓НБтin90%= ↓НБтах5% - ∆Н =....м, де ∆Н – коли- вання рівнів води в водосховищі. Графік зміни рівнів води в водосховищі
50% забезпеченості наведено на рис. 8.2.
Рис. 8.1. Графік водоспоживання насосної станції
Рис 8.2. Графік зміни рівнів води в водосховищі 50% забезпеченості
Загальна довжина трубопроводу L,.м.
Середньозважену висоту підйому води (середньозважений геометричний напір) насосної станції знаходять за залежністю [31, с. 69]
НГ.ср= ∑Qi H Гiti , |
(8.2) |
∑Qiti
де Qi і HГі- подача і геодезична висота підйому НС за періоди роботи ti, які приймають за графіком водоспоживання і відмітках води в верхньому ↓ ВБі і нижньому ↓НБі б’єфах, причому
200
|
|
НГі = ↓ ВБі - ↓НБі. |
|
(8.3) |
|||
Розрахунок проводять у вигляді таблиці 8.1 |
|
|
|
||||
Таблиця 8.1. – Визначення середньозваженої геодезичної висоти підйому |
|||||||
води |
|
|
|
|
|
|
|
Періоди |
Кількість |
Подача |
Відмітки рівнів |
Геодезична |
|
|
|
роботи |
діб в |
НС Qi, |
води, м |
|
висота |
QіHiti |
Qiti |
НС |
періоді ti |
м3/с |
Верхній |
Нижній |
підйому |
||
|
|
|
б’єф |
б’єф |
НГі , м |
|
|
І –ІІ |
|
|
|
|
|
|
|
ІІІ-ІУ |
|
|
|
|
|
|
|
У-УІ |
|
|
|
|
|
|
|
УІІ-УІІІ |
|
|
|
|
|
|
|
ІХ-Х |
|
|
|
|
|
|
|
ХІ-ХІІ |
|
|
|
|
|
|
|
З таблиці 8.1 знаходять мінімальний геометричний напір НГтіп=.....м і ма- ксимальний геометричний напір НГтах=.....м.
Визначення економічно найвигіднішого діаметру напірного трубопро-
воду dен
Визначення dен виконуємо за методикою [31, с. 271].
Найбільш поширеним методом техніко-економічних розрахунків при по- рівнянні різних варіантів інженерних рішень є метод приведених затрат [31, с.250]. Показником найкращого варіанту, який визначають на основі порів- няльної економічної ефективності, є мінімум приведених затрат. Приведені затрати по кожному варіанту складаються з поточних затрат (собівартість або експлуатаційні видатки) і капітальних вкладень, приведених до однієї розмі- рності у відповідності з нормативом порівняльної економічної ефективності Ен, який приймають Ен= 0,08...0,12 в залежності від типу НС:
Зі = Сі + Ен Кі → min, |
(8.4) |
де Зі – значення приведених затрат для і- того варіанта; Сі – поточні виробни- чі витрати (експлуатаційні видатки); Кі – значення капіталовкладень по і- тому варіанту. Перевага віддається варіанту, який має мінімальне значення показника Зі.
При виконанні техніко-економічних розрахунків рекомендують дотриму- ватися таких правил.
1. При порівнянні варіантів рішення інженерних задач, необхідно розгля- дати тільки такі варіанти, які можливо взаємно замінювати, наприклад, такі, які забезпечують подачу заданих об’ємів води в задані місця.
201
2. При співставленні різних варіантів допускається враховувати показни- ки капіталовкладень і річних експлуатаційних видатків лише тих елементів споруд, які змінюються за варіантами.
Оптимальний, тобто економічно найвигідніший діаметр напірного трубо- проводу dен знаходять шляхом техніко-економічного порівняння варіантів [31, с.271;]. Розрахунок виконується для одного погонного метра трубопро- воду і зводиться до знаходження мінімуму приведених затрат за формулою (2.1), маючи на увазі, що зі збільшенням діаметра трубопроводу його вартість К зростає, а вартість втрачаємої електроенергії зменшується. Розрахунок проводять для 5...7 значень діаметра трубопроводу. Діаметри трубопроводу D призначають так, щоб швидкість води для середнього значення діаметра складала 1,5...2,5 м/с. Матеріал трубопроводу приймають за рекомендаціями [31, с.193]: збірні залізобетонні труби – при діаметрах від 500 до 1600 мм і тиску в них до 1,5 МПа; сталеві труби використовують при будь-яких діамет- рах і тисках, але у зв’язку з їх дефіцитністю лише у випадках, коли інші тру- би не можуть бути застосовані.
Розрахунок трубопроводу виконують на середньо кубічну витрату qр.т, яка залежить від ступінчатого графіка водоспоживання і визначається за фо-
рмулою [31, c.274]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q р.т |
= |
|
|
∑(Qi3 |
ti |
) |
|
(8.5) |
3 |
|
|
|
, |
||||
|
|
|
∑ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де Qi, ti – відповідно витрата і тривалість роботи насосної станції в і-тий пері- од графіка водоспоживання.
Швидкість води в трубопроводі знаходять за залежністю
V = |
q р.т |
|
0,785 D2 . |
(8.6) |
Вартість одного погонного метра трубопроводу К і питомий опір трубо- проводу А визначають за таблицями, які відповідають прийнятому матеріалу труб.
Втрати напору на 1 п.м. трубопроводу визначають за залежністю
h |
=1,1 A q2 |
. |
(8.7) |
W |
р.т |
|
|
Кількість втрачаємої електроенергії в кВт год знаходять за формулою
Е = |
9,81 q р.т. hW |
T 24 |
|
|
|
|
, |
(8.8) |
|
ηна |
|
|||
|
|
|
|
де qр.т – розрахункова витрата трубопроводу, м3/с; Т = ∑ ti – тривалість робо- ти насосної станції за рік, діб; ηна - коефіцієнт корисної дії насоса.
Впершому наближенні приймають ηна = 0,8. Вартість втрачаємої електроенергії
а = а0 Е, |
(8.9) |
202 |
|
де а0 – вартість -1 кВт год. електроенергії.
Відрахування на відновлення δ і ремонти b знаходять за залежностями
|
|
δ = δ0 @ K, |
|
(8.10) |
|
|
|
b = b0 @ K, |
|
(8.11) |
|
де δ0 і b0 – приймають відповідно таблиці 5.2. |
|
|
|||
Таблиця 8.2. – Відрахування на відновлення і ремонти |
|
||||
Найменування |
|
|
Одиниці ви- |
Матеріал трубопрово- |
|
Позначення |
|
ду |
|
||
відрахувань |
|
мірювання |
|
||
|
|
сталь |
залізобетон |
||
|
|
|
|
||
Відрахування на |
δ0 |
|
% |
1 |
1 |
відновлення |
|
|
|
|
|
Відрахування на |
b0 |
|
% |
0,87 |
0,54 |
ремонти |
|
|
|
|
|
Річні експлуатаційні витрати |
|
|
|
|
|
|
С = а + δ + b. |
|
(8.12) |
||
Приведені затрати знаходять за формулою (8.4). |
|
|
Розрахунок зводять у таблицю. Для прикладу в таблиці 8.3 приведені ре- зультати розрахунку при qр.т = 8,4 м3/с; Ен = 0,08; ηна = 0,8; і вартості елект- роенергії а0 = 1 коп/кВт год; тривалості роботи НС Т = 183 доби. За даними таблиці мінімальні приведені затрати Зmin = 59,35 грн при діаметрі труб dе.н = 2,1 м. Труби сталеві засипні індивідуального виготовлення. За результатами розрахунків побудовані графіки залежностей К = ƒ(D), С = ƒ(D) і З = ƒ(D),
рис. 8,3.
203
Рис. 8.3 Графіки залежностей К= f(D), C=f(D) i З=f(D)
Таблиця 8.3. - Розрахунок оптимального діаметра трубопроводу.
варіанта |
м |
м/с |
грн |
с2/м6 |
|
год |
грн.. |
грн. |
грн. |
грн. |
грн. |
|
D, |
V, |
К, |
А, |
|
Е, кВт |
а, |
δ, |
b, |
С, |
З, |
|
10-6 |
hW, м |
|||||||||
№ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1,9 |
2,96 |
421,2 |
57,78 |
0,00448 |
2031,2 |
20,31 |
4,21 |
3,66 |
28,18 |
61,88 |
2 |
2,0 |
2,68 |
450,9 |
44,04 |
0,00342 |
1547,2 |
15,472 |
4,51 |
3,92 |
23,90 |
59,97 |
3 |
2,1 |
2,43 |
480,6 |
34,0 |
0,00264 |
1194,3 |
11,943 |
4,81 |
4,18 |
20,90 |
59,35 |
4 |
2,2 |
2,21 |
511,7 |
26,58 |
0,00206 |
931,97 |
9,320 |
5,12 |
4,50 |
18,94 |
59,88 |
5 |
2,3 |
2,05 |
542,7 |
20,99 |
0,00163 |
737,4 |
7,374 |
5,43 |
4,72 |
17,52 |
60,94 |
6 |
2,4 |
1,86 |
572,4 |
16,76 |
0,00130 |
589,92 |
5,889 |
5,72 |
4,98 |
16,60 |
62,39 |
7 |
2,5 |
1,71 |
602,1 |
13,49 |
0,00105 |
475,02 |
4,75 |
6,02 |
5,24 |
16,01 |
64,18 |
8 |
2,6 |
1,58 |
631,8 |
10,96 |
0,00085 |
383,5 |
3,83 |
6,32 |
5,49 |
15,64 |
66,18 |
Визначення розрахункових напорів НС
В процесі функціонування насосних станцій мають місце три розрахун- кових напори:
1) напір в усталеному режимі при максимальній кількості працюючих насосів називається робочим Нр
204
2)мінімальний пусковий напір – напір, з яким насос працює при запов- ненні системи;
3)максимальний пусковий напір – найбільший напір, що виникає в пері- од пуску насосної установки в роботу
В схемах з’єднання насосів і трубопроводів місцеві опори включаються послідовно і характеристика Q-H системи однозначно апроксимується вира- зом
2 |
|
Q2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
тр |
|
|
||||
Hp=HГ+hвод+АLQтр |
+Σζн.тр |
(ω2 |
2g ) |
|
= HГ+SсистQтр |
, |
(8.13) |
|
|
тр |
|
|
|
|
|
де hвод- втрати напору в водозабірних спорудах, у першому наближенні при- ймаються hвод =1,5 м; Qтр- витрата трубопроводу (для блочної схеми Qтр =
Qн), м3/с; Σζн.тр- сума місцевих опорів напірного трубопроводу; Sсист – пито- мий опір системи трубопроводів, с2/м5. Причому
Sсист= hвод/ Qтр2 +АL+ Σζн.тр /(ωтр22g); |
(8.14) |
Знаходять Sсист за формулою (3.2) і Нр за формулою |
|
Нр= HГ.св + SсистQтр2. |
(8.15) |
При виборі насосів необхідно розглядати технічну можливість їх роботи |
|
при екстремальних значеннях геодезичного напору |
|
2 |
(8.16) |
Нртіп = НГтіп +SтртіпQтр |
|
2 |
(8.17) |
Нртах = НГтах +SтртахQтр |
Приймають Sтртіп=Sсист.
При роботі насосів на незаряджений сифонний водовипуск враховують перевищення гребеня сифона над максимальним рівнем води в верхньому б’єфі hсиф. Тоді
Sтртах = Sсист + hсиф/Qтр2. |
(8.18) |
За наведеними формулами визначають коефіцієнти опорів трубопроводу і розрахункові напори Нртіп і Нртах.
Добір гідромеханічного обладнання
Виходячи з отриманих необхідних параметрів насоса добирають не мен- ше двох варіантів обладнання з такою умовою, щоб характеристики трубо- проводу перетинали робочу зону насоса. Для цього, користуючись зведеним графіком областей використання осьових насосів, які наведені в каталогах осьових насосів, добирають відповідні марки насосів за значеннями парамет- рів Qн і Нр, а потім перевіряють їх за значеннями екстремальних напорів. Іно- ді конкуруючим варіантом може бути діагональний насос типу ДПВ. Якщо насоси зазначених типів добрати не вдається, то переходять к розгляду варіа- нтів насосної станції з насосами інших типів.
Аналіз режимів роботи насосів і вибір оптимального варіанту гідромеханічного обладнання
205
Універсальні характеристики осьових і діагональних насосів знаходять за матеріалами відповідних каталогів насосів. На ксерокопиях універсальних характеристик вибраних насосів будують характеристики напірних трубо- проводів. Координати останніх розраховують у вигляді таблиці 8.4
Таблиця 8.4. – Координати характеристик напірного трубопроводу
Qmax, м3/с
Н= HГ.св + SсистQтр2 , м
Н= НГтіп +SтртіпQтр2, м
Н= НГтах +SтртахQтр2, м
Для зниження затрат на експлуатацію НС перевагу необхідно віддавати насосним агрегатам, які мають менший річний середньозважений ККД ηріч, який визначають за формулою
ηріч= |
∑ηіtiQi Hi , |
(8.19) |
|
|
∑t Q H |
i |
|
|
i i |
|
де ηі, Qi ,Hi – відповідно коефіцієнт корисної дії, %; подача, м3/с; напір, м на і- тому режимі роботи насосного агрегату, що відповідає певному періоду гра- фіка водоспоживання; tі – тривалість і-того періоду, діб. Розрахунки викону- ємо для кожного варіанту в табличній формі, таблиці 8.5.
Таблиця 8.5. – Аналіз режимів роботи насоса................, n=....об/хв
Пері- |
Трива- |
|
|
Кількість |
Витрата во- |
|
Геометри- |
|
Різниця |
|
||||||||
оди |
лість пе- |
|
|
працюю- |
доспоживан- |
|
чний напір |
|
геомет- |
|
||||||||
роботи |
ріоду ti, |
|
|
чих насо- |
ня Qi, м3/с |
|
|
НГ, м |
|
|
ричних |
|
||||||
НС |
діб |
|
|
сів Zні, |
|
|
|
|
|
|
|
|
напорів |
|
||||
|
|
|
|
|
шт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆НГі, м |
|
||
І-ІІ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ІІІ-ІУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У-УІ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
УІІ-УІІІ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ІХ-Х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ХІ-ХІІ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продовження таблиці 8.5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Кут |
|
Фактичні |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
|
||||
|
розво- |
|
По- |
|
|
Подача |
|
|
|
|
|
|
|
|
Н |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
і |
|
Періоди |
роту |
|
дача |
|
|
насосної |
|
ККД |
|
i |
|
∆hдоп |
і |
|
||||
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
||||||||||
роботи |
|
|
са |
|
|
Напір |
Qі, м /с |
|
|
|
|
і |
i |
|
|
Q |
|
|
НС |
тей РК |
|
|
|
Ні, м |
|
|
|
|
і |
Q |
|
|
9,81 |
і |
|||
|
лопа |
|
насо- |
|
|
станції |
|
ηі, % |
|
i |
H |
, м |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
t |
|
|
N= η |
|
|
θ, град |
|
Qні, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
206
м3/с
І-ІІ
ІІІ-ІУ
У-УІ
УІІ-УІІІ
ІХ-Х
ХІ-ХІІ
Σ Σ
= =
Вибір розрахункових екстремальних режимів роботи насоса
Для обраного за максимумом ηріч насоса з таблиці 8.5 визначають найгі- рший режим роботи з точки зору розвитку кавітаційних явищ, якому відпові- дає режим з найбільшим значенням потрібного кавітаційного запасу – позна- чимо його ∆hдоп.м=.....м і режим з найбільшою необхідною потужністю дви- гуна насоса Nм=......кВт.
Визначення висотного положення насоса
Уточнюємо втрати напору у водозабірних спорудах, які обладнуються, як правило, грубими решітками і обертальними сітками з лобовим або боковим підведенням води.
Щоб знайти глибину води на вході у всмоктувальну трубу, визначають в першому наближенні відмітку осі насоса за формулами
↓осі = ↓НБтіп+НГВ.доп; |
(8.20) |
НГВ.доп = Нб.м – Нп -∆hдоп – hвод; |
(8.21) |
де НГВ.доп – допустима геометрична висота всмоктування, м;
Нб.м =(рб/ρg)– параметр, який враховує абсолютний мінімальній баромет- ричний (атмосферний) тиск, м;
Нп. = рнас/ρg – параметр, який враховує тиск пароутворення при максима- льно можливій температурі в сітчастій камері, м;
рнас – тиск насиченої водяної пари; ρ - густина рідини, для води ρ = 1000 кг/м3.
Таблиця 8.6. – Значення параметра Нб.м в залежності від висоти над рів- нем моря
|
Висота |
над рів- |
0 |
|
|
500 |
|
|
1000 |
|
|
1500 |
|
2000 |
|
|||||
|
нем моря , м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Нб.м =(рб/ρg) |
|
9,97 |
|
9,41 |
|
|
8,86 |
|
|
8,34 |
|
7,85 |
|
||||||
|
Таблиця 8.7 - Значення параметра Нп при різній температурі води |
|
|
|||||||||||||||||
|
tоC |
|
0 |
5 |
|
10 |
15 |
20 |
|
|
25 |
30 |
|
|
35 |
40 |
45 |
|
||
|
Нп.р = |
|
0,062 |
0,089 |
0,125 |
0,174 |
0,238 |
|
0,323 |
0,432 |
|
0,575 |
0,752 |
0,995 |
|
|||||
|
рнас/ρg м |
|
|
|
|
207
У другому наближенні уточнюють втрати напору у водозабірних спору-
дах.
У випадку блочної насосної станції сумарну величину втрат напору Σhw на водозабірних спорудах знаходять за формулою
Σhw. = ζ Vск2/(2g)+ hp+ hо.с, |
(8.22) |
де ζ- коефіцієнт, який враховує опір потоку у водоприймачі і сітчастій каме- рі: ζ = 0,5...0,7 при лобовому підведенні води до сітки; ζ = 1,0...1,2 при зов- нішньому підведенні води до сітки;Vск – швидкість води в сітчастій камері (перед входом у всмоктувальну трубу).
Vск= Q/(bвт Hск) |
(8.23) |
Як правило, сумарні втрати напору на водозабірних спорудах Σhw=..... м значно менше значення цих втрат hp, яке приймалося у першому наближенні.
Запас у визначенні відмітки осі насоса становить |
|
Hзап =hвод – Σhw. |
(8.24) |
З практики експлуатації насосних станцій допустимий запас приймають 0,5...1,5 м. В усіх випадках занурення ↓осі осьових і діагональних насосів під ↓НБтіп90% приймають не менше 1 м.
8.3. Електричний привод насосів
Для приводу насосів застосовують двигуни електричні, внутрішнього зго- ряння, парові, вітрові і ін. Найбільшого розповсюджені електродвигуни.
Усю систему приведення в дію насоса за допомогою електроенергії нази- вають електроприводом. Цю систему умовно поділяють на три частини: еле- ктродвигун, апаратуру для управління електродвигуном і пристрій для пере- дачі енергії від електродвигуна до насоса (варіатор частоти обертання).
Широке застосування електроприводу в насосних станціях пояснюється його перевагами перед іншими типами приводів: значно скорочується об’єм будівельних робіт, простіші фундаменти, легше автоматизація пуску і зупин- ки двигуна, значно менші експлуатаційні витрати, кращі умови праці при експлуатації, чистіше приміщення, в декілька разів менша маса двигунів на одиницю потужності.
Насосні станції забезпечують електроенергією, як правило, від централі- зованих джерел електроенергії – енергосистем через систему ліній електро- передачі. Насосні станції першої категорії надійності повинні забезпечувати- ся від двох незалежних джерел. На насосних станціях використовують трьохфазні асинхронні і синхронні електродвигуни змінного струму.
208