Расчет водопроводной насосной станции

Расчет водопроводной насосной станции

Содержание

Введение

1.     Технологическая схема

2.      Расчет водопроводной насосной станции первого подъема (НС1)

.        Расчет водопроводной насосной станции второго подъема (НС2)

.        Проектирование НС2

4.1   Определение типа станции

4.2    Установка насоса и определение размеров фундамента

.3      Трассировка внутристанционных трубопроводов и размещение основного оборудования

.4      Подбор вспомогательного оборудования

.5      Контрольно-измерительные приборы

.6      Разработка строительной части и определение основных размеров здания насосной станции

5.     Определение технико-экономических показателей насосной станции

Список литературы

Введение

Насосные станции систем водоснабжения представляют собой сложный комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоподачу в соответствии с нуждами потребителя. По своему назначению и расположению в общей схеме водоснабжения насосные станции подразделяются на станции I подъема и II подъема. Существует 3 категории надежности насосных станций. По заданию в данной работе категория надежности первая, снижение подачи не должно превышать 30%, длительность снижения подачи - не дольше двух суток, перерыв подачи воды или его снижение ниже этого предела допускается на время выключения поврежденных и включения резервных элементов системы, но не более чем на 10 минут.

По требуемому расходу и значениям экономичных скоростей определяются диаметры напорных и всасывающих трубопроводов. Количество трубопроводов всех назначений на насосных станциях первой и второй категорий надежности должно быть не менее двух. В данной работе принимаем диаметры трубопроводов: 450 мм для напорных трубопроводов на НС1 и 700мм для всасывающих и 450мм для напорных трубопроводов на НС2.

От категории насосной станции зависит число резервных агрегатов (для первой категории принимается два насосных агрегата при числе рабочих агрегатов одной группы насосов менее шести), число всасывающих и напорных линий на них и расчетные расходы для них, количество и размещение запорной арматуры на внутристанционных коммуникациях.

Размеры основного помещения станции - машинного зала - определяются габаритами насосных агрегатов, их числом и коммуникаций с учетом рекомендуемых расстояний между стенами здания и элементами оборудования. Размеры вспомогательных помещений должны быть оптимальными.

По расположению машинного зала относительно поверхности земли насосная станция является незаглубленной. По расположению насосов относительно уровня воды в приемном резервуаре, станция второго подъема устанавливается не под залив.

1. Технологическая схема

Рис. 1

Рис. 2

2. Расчет водопроводной насосной станции первого подъема (НС1)

Насосная станция I подъема подает воду из источника водоснабжения на очистные сооружения и работает либо круглосуточно, либо одну- две смены в сутки.

Последовательность расчета НС I подъема.

Прежде всего, на основании данных задания определяется часовая производительность насосов Q_ч и расчетный секундный расход q, необходимый для гидравлического расчета самотечных, всасывающих и напорных трубопроводов.

Станцию I подъема рассчитывают на подачу среднего часового расхода воды в дни максимального водопотребления с учетом расхода воды на собственные нужды очистных сооружений.

НС рассчитывают на 3 случая работы.

. Работа НС при исправном оборудовании в нормальных условиях:

 (1)

 (2)

где  - максимальная суточная производительность НС, м³/сут;

α - коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды очистных сооружений, принимается равным 1,04 ÷ 1,1;

Т - продолжительность работы НС, обычно Т = 24ч.

. Работа НС при пожаре:

 (3)

где q_пож - расход воды на пожаротушение, л/с.

. Работа НС при аварии на одном из напорных трубопроводов:

В случае отключения одной из напорных линий, должна быть обеспечена подача воды на хозяйственно-питьевые нужды в объеме не менее 70% расчетной потребности. При этом необходимо учитывать возможность использования запасных емкостей и резервных насосных агрегатов. Т.к. НС1 находится в непосредственной близости от очистных сооружений (ℓ_Н.НС1 = 900 м), то при аварии на напорных водоводах из работы выключается полностью одна линия.

 (4)

По величине расчетного расхода q и значению экономичной скорости определяется диаметр всасывающего трубопровода. Количество напорных трубопроводов на насосных станциях первой и второй категорий надежности независимо от числа групп насосов должно быть не менее двух, поэтому диаметр определяется по значению q/2 и соответствующей экономичной скорости. В случае аварии скорость на напорной линии определяется по значению q₃, т.к. остается только один исправный трубопровод.

Для выбора диаметров труб и при их гидравлическом расчете используются таблицы Шевелева.

Таблица 1

Принимаем трубы новые, чугунные, d_н = 450 мм.

При q₁=190,97л/с: V= 1, 19485, 1000i=4,33395

При q₂=191,72л/с: V= 1, 1986, 1000i=4,3602

Таблица 2

При q₃=267,36л/с: V= 1, 6632, 1000i=8,31

В напорных трубопроводах потери напора определяются по формуле:

 (5)

где i - гидравлический уклон,

l - длина трубопровода.

Гидравлический уклон вычисляется по формуле:

 (6)

где А - удельное сопротивление трубопровода,

К - поправочный коэффициент.

В соответствии с (6) формула (5) принимает вид:

 (7)

Определяется значение напора насосов. Напор насосов на НС I подъема Н при подаче воды на очистные сооружения определяется по формуле:

 (8)

где Z_ос - максимальный уровень воды в приемном резервуаре, м;

Z_гнв - отметка горизонта низких вод в реке, м;

h_н - потери напора в напорном трубопроводе, м;

,5 - запас напора на излив воды из трубопровода, м.

Подставив (7) в (8), получим:

 (9)

Т.к. удельное сопротивление зависит только от расчетного диаметра, то оно будет постоянным: при d=450мм: А_Н=0,1134

Поправочный коэффициент К, на который при v ≠ 1 м/с следует умножить значение А, находим по выражениям:

для новых стальных труб:

 (10)

Для новых чугунных труб:

 (11)

Меняя Q от нуля до значений Q_ч1, Q_ч2 и Q_ч3, определяем скорости для напорных трубопроводов. Подставляя значения скоростей в формулы (10) и (11), получаем K_н. По формуле (9) Определяем Н_тр. Результаты заносим в таблицу:

Таблица 3 при нормальной работе станции:

Таблица 4 при пожаре

Таблица 5 при аварии:

По данным таблиц строятся характеристики Q-H_тр1 , Q-H_тр2 и Q-H_тр3:

Рис. 3 Характеристики Q-Hтр

Т.к. производительность станции по заданию 30000 м³/сут, то целесообразно установить 2 рабочих агрегата. Их работа параллельна, следовательно, выбор марки насоса из каталога производится по Q/2 и H.

Для подбора насосов по расчетным параметрам используются сводные графики характеристик центробежных насосов.

По полученным данным подбираем насос: 1Д200-90 (n=2900 об/мин).

Это насос двустороннего входа типа Д, обладает достаточно высоким КПД и хорошей всасывающей способностью. Насосы типа Д - центробежные, горизонтальные, одноступенчатые с двусторонним полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу и спиральным отводом. Корпус насоса имеет разъем в горизонтальной плоскости. Всасывающий и напорный патрубки выполнены в нижней части корпуса, что позволяет проводить разборку насоса для замены деталей ротора без отсоединения трубопровода и демонтажа двигателя. Ротор насоса приводится во вращение электродвигателем через упругую втулочно-пальцевую муфту. Опорами ротора служат радиальные или радиально-упорные подшипники. Рабочее колесо двустороннего входа, что позволяет в основном, уравновесить осевые силы. Для предотвращения протечек по валу применяются двойные сальниковые уплотнения.

Перекачиваемая жидкость: вода и жидкости аналогичные по химической активности, температурой до 85°С, вязкостью до 36сСт. Допускается содержание твердых включений не более 0,05% по массе, размером до 0,2мм и микротвердостью не более 6,5 гПа (650 кгс/мм²).

Рис. 4 Характеристика насоса 1Д200-90

Совмещая полученную характеристику Q-H_тр и характеристику насоса 1Д200-90, видим, что требуется срезка рабочего колеса. При срезке рабочего колеса Q изменяется по следующей формуле:

 (12)

Найдем диаметр рабочего колеса:

Рис. 5

Таблица 6 Параметры насоса 1Д200-90 (со срезанным рабочим колесом):

Подбираем электродвигатель к насосу.

Подбор электродвигателя производится по мощности на валу Nв, числу оборотов n, типу насоса. Мощность двигателя должна превышать мощность на валу насоса на величину коэффициента запаса Кз.

, кВт

Величину Кз принимаем в зависимости от мощности на валу, определяемой по графику.

, К_з=1,13

Подбираем двигатель А250М2У3.Т2 мощностью 90 кВт и массой 490 кг.

Габаритный чертеж насоса 1Д200-90 - см. Приложение.

Исходя из категории надежности насосной станции первого подъема, устанавливаем два основных и два резервных насоса той же марки.

3. Расчет водопроводной насосной станции второго подъема (НС2)

НС2 подает воду в бак водонапорной башни, расположенной в начале сети.

Режим работы зависит от графика водопотребления. Объем и режим водопотребления меняется непрерывно в зависимости от случайных событий и характеризуется значительной неравномерностью.

При определении подачи НС2 необходимо найти оптимальный вариант режима работы, минимальную вместимость емкости бака и наименьшую частоту включения насосного агрегата.

Работу НС принимаем двухступенчатой.

Последовательность расчета:

. По заданному коэффициенту часовой неравномерности водопотребления К_ч строится ступенчатый график суточного водопотребления.

. При двухступенчатой работе необходимо выбрать производительность и продолжительность работы насосов для каждой ступени. При этом необходимо соблюдать два условия.

Q₁t₁+Q₂t₂=Q_сут, (13)

где Q₁ - часовая производительность насосов 1 ступени, м³/ч;

t₁- продолжительность работы насосов 1 ступени, ч;

Q₂- часовая производительность насосов 2 ступени, м³/ч;

t₂- продолжительность работы насосов 2 ступени, ч.

). Регулирующая емкость бака водонапорной башни должна быть порядка 3-5% от Q_сут при водопотреблении 20-25 м³/сут. При меньшем суточном водопотреблении регулирующая емкость может быть более 5% от Q_сут, но не должна превышать 500-800м³.

Если представить работу двух однотипных насосов ступенчатой и принять производительность НС в часы 1 ступени К_I% Q_сут, то производительность одного насоса в часы 2 ступени будет составлять К_II=(0,58-0,63) К_I% Q_сут.

Найдем К_I и K_II.

Примем К_I =5,5, а K_II=3,3.

Определим продолжительность работы I и II ступеней.

Пусть t₁=14ч, а t₂=7ч.

Получим: 5,5*14+3,3*7=100,1

,5*14+ K_II*7=100

Окончательно получаем K_II=3,29% Q_сут.

Изобразим ступенчатый график водопотребления по часам суток для К_ч=1,5 и покажем на нем две ступени, распределим почасовую работу станции и внесем данные в таблицу.

Рис. 6 График водопотребления

Таблица 7 Водопотребления.

. Регулирующая емкость бака водонапорной башни W_p определяется по графикам водопотребления и подачи воды насосами, совмещенными на одном чертеже.

W_р= (6,25-5,5)*4=3%Q_сут.

W_р=3*30000/100=900м³.

. Определяем расчетную производительность насосов для трех режимов работы.

) при подаче воды насосами I ступени в водонапорную башню, расположенную в начале сети при исправных водоводах и оборудовании:

 (14)

2) при подаче воды насосами в сеть во время пожара в часы I ступени:

 (15)

3) при подаче воды насосами в водонапорную башню в часы I ступени при аварии на водоводе:

 (16)

5. По величине расчетного расхода q и значению экономичной скорости определяется диаметр всасывающего трубопровода. Количество напорных трубопроводов на насосных станциях первой и второй категорий надежности независимо от числа групп насосов должно быть не менее двух, поэтому диаметр определяется по значению q/2 и соответствующей экономичной скорости.

Для выбора диаметров труб и при их гидравлическом расчете используются таблицы Шевелева.

По данным таблиц Шевелева принимаем:

d_вс= 700 мм,

d_н = 450 мм,

где d_вс и d_н - условные проходы всасывающих и напорных трубопроводов соответственно.

Скорости также определяются по таблицам Шевелева:

)        при нормальной работе станции:

v_вс1 = 1,195 м/с,

v_н1 = 1,4525 м/с.

)        при пожаре:

v_вс2 = 1,212 м/с,

v_н2 = 1,4925 м/с.

)        при аварии:

v_вс3 = 0,832 м/с,

v_н3ав = 2,034 м/с,

v_н3неав = 1,021 м/с.

. Для каждого режима работы насосной станции определяется расчетный напор насосов, т.е. полная высота подъема воды насосами, по формуле:

 (17)

где H_г - геометрическая высота подъема, м;

h_вс - потери напора во всасывающей линии, м;

h_н - потери напора в напорной линии, м;

h_нс - потери напора в коммуникациях насосной станции, м.

Потери напора во всасывающей линии определяются по формуле:

 (18)

Согласно (7) и (18), формула (17) принимает вид:

 (19)

Т.к. удельное сопротивление зависит только от расчетного диаметра, то оно будет постоянным: при d=450мм для чугунных труб А_Н=0,1134, при d=700мм для всасывающих труб А_вс=0,009119.

Поправочный коэффициент К, на который при v ≠ 1 м/с следует умножить значение А, находим по формулам (10) и (11).

Найдем значения расчетных напоров для трех случаев:

)        при нормальной работе станции:

H_тр1 = H_г1 + h_вс1 + h_н1 + h_нс1, м,

где Н_г1 = Z_ру.вб - Z_ру.рчв, м;

Z_ру.вб - отметка расчетного уровня воды в водонапорной башне, м;

Z_ру.рчв - отметка расчетного уровня воды в РЧВ, м.

2)      при пожаре:

H_тр2 = H_г2 + h_вс2 + h_н2 + h_нс2 + h_пож, м,

где H_г2 = Z_.пож. - Z_д.рчв, м;

Z_пож=Z_зпож+h_{своб.пож}=130+10=140м

Z_з.пож. - отметка земли в точке пожара, м;

Z_д.рчв - отметка дна резервуара чистой воды, м;

h_пож - потери напора в разводящей сети населенного пункта при пожаре, м.

3)      при аварии:

H_тр3 = H_г3 + h_вс3 + h_н3 + h_нс3, м.

Т. к. напорный водовод слишком длинный (ℓ_Н.НС2 = 2380м), то необходимо установить перемычки. Разобьем напорный трубопровод на аварийные и неаварийные участки длинами 740м, 900м, 740м.

где ℓ_{н. ав} - длина аварийного участка, м;

ℓ_{н. неав} - длина неаварийного участка, м.

Н_Г3=Н_Г1=67м

7. Меняя Q от нуля до значений Q_ч1, Q_ч2 и Q_ч3, определяем скорости для всасывающих и напорных трубопроводов. Подставляя значения скоростей в формулы (10) и (11), получаем К_вс и K_н. По формуле (19) Определяем Н_тр.

Результаты заносим в таблицу:

Таблица 8 при нормальной работе станции:

Таблица 9 при пожаре:

Таблица 10 при аварии:

По данным таблиц строятся характеристики Q-H_тр1 , Q-H_тр2 и Q-H_тр3:

Рис. 7 Характеристики Q-Hтр

. Т.к. работа насосной станции второго подъема двухступенчатая, то на ней параллельно будут работать два одинаковых насоса. По расчетным параметрам Q/2 и Н подбираются насосы для проектируемой насосной станции. Основным расчетным режимом является 1-й. При первом режиме насосная станция потребляет наибольшее количество электроэнергии, поэтому необходимо так подобрать насосы, чтобы они работали при этом режиме по возможности с наибольшим КПД. Следует стремиться также, чтобы при работе насосов II ступени КПД у них был в пределах рабочей зоны характеристики насоса. Работа насосов при подаче воды для тушения пожара и при аварийном режиме считается допустимой и при низких значениях КПД, но при условии, что обеспечиваются потребные производительности и напор насосов.

Для подбора насосов по расчетным параметрам используются сводные графики характеристик центробежных насосов.

По полученным данным подбираем насос: 12Д-6 (n = 1450 об/мин).

Совмещаем полученную характеристику Q-H_тр и характеристику насоса 12Д-6.

Рис. 8

Таблица 11 Параметры насоса 12Д-6

Подбор электродвигателя к насосу.

Подбор электродвигателя производится по мощности на валу Nв, числу оборотов n, типу насоса. Мощность двигателя должна превышать мощность на валу насоса на величину коэффициента запаса Кз.

, кВт (20)

Величину Кз принимаем в зависимости от мощности на валу, определяемой по графику.

, Кз=1,05

Подбираем двигатель 5АН355-А4 У3.Т3 мощностью 315 кВт и массой 1290 кг.

Габаритный чертеж насоса 12Д-6 - см. Приложение.

Исходя из категории надежности насосной станции второго подъема, устанавливаем два основных и два резервных насоса той же марки.

4. Проектирование насосной станции

Проектирование включает следующие разделы:

определение типа станции (заглубленная или незаглубленная);

установка насосного агрегата и определение размеров фундамента;

компоновка машинного зала с трассированием внутристанционных трубопроводов и размещением основного насосно-силового оборудования;

выбор арматуры и вспомогательного оборудования, определение размеров машинного зала и станции в целом, разработка графической части (планы, разрезы с указанием оборудования, трубопроводов, их спецификация).

.1 Определение типа станции

Заглубление машинного зала относительно поверхности земли зависит от расположения оси насоса или от типа грунта. По заданию залегающий грунт у насосной станции II подъема скальный, следовательно, машинный зал проектируем незаглубленным.

В тех случаях, когда установка насосов выполняется не под заливом, отметка их оси Z_он определяется по формуле:

 (21)

Где Z_д.рчв - отметка дна резервуара чистой воды;

- допустимая геометрическая высота всасывания насоса, определяемая по формуле:

 (22)

где  - допустимая вакуумметрическая высота всасывания насоса при наибольшей его действительной производительности, определяемая по совмещенному графику характеристик насосов и трубопроводов;

h_вс - потери напора во всасывающей линии при пропуске наибольшего действительного расхода по трубопроводу;

- скорость движения воды во всасывающем патрубке насоса.

Z_OH=79+5,2-0,543-0,061=83,596м

.2 Установка насоса и определение размеров фундамента

Насос и электродвигатель устанавливают на плите заводского изготовления или на раме, изготовленной на месте монтажа из стали швеллерного профиля. Ширину и длину фундамента под насосный агрегат принимают на 0,15-0,20 м больше ширины и длины плиты или рамы.

Высоту фундамента над уровнем чистого пола, исходя из удобств монтажа всасывающих и напорных трубопроводов, в пределах 0,2-0,5 м.

В современных каталогах насосов указаны наиболее оптимальные размеры плит фундаментов под насосные агрегаты.

Плита для НА 12Д-6 имеет габариты 2680х945 мм.

.3 Трассировка внутристанционных трубопроводов и размещение основного оборудования