3. Последовательность расчета водопроводной насосной станции второго подъема (нс–II)

Насосные станции II-ого подъема могут подавать воду по следующим схемам:

– в сеть с водонапорной башней, расположенной в начале сети;

– в сеть с контррезервуаром (водонапорная башня или напорный резервуар, расположенные в конце сети);

– в сеть без водонапорных сооружений.

В методических указаниях рассматриваются только первые две схемы работы НС–II.

Рекомендуется следующая последовательность расчета.

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

Необходимое для построения графиков почасовое распределение суточного водопотребления приведено в прил. 4.

Для примера на рис. 3.1. приведен ступенчатый график водопотребления по часам суток для значения К_ч = 1,5.

Рис. 3.1. Графики водопотребления и водоподачи

2. По величине максимальной суточной производительности насосной станции и степени неравномерности водопотребления в тече­ние суток намечается режим работы насосов, а именно количество и производительность рабочих насосов.

При определении подачи насосной станции II-ого подъема необходимо на основании технико-экономического сравнения вариантов найти оптимальный режим работы ее, минимальную вместимость аккумулирующей емкости и наименьшую частоту включения насосов. Учитывая то, что объем баков типовых водонапорных башен не превышает 800 м³, равномерный режим работы насосов рекомендуется для систем водоснабжения с подачей не более 10 тыс. м³/сут. При этом объем аккумулирующей емкости может быть 8-15 % от суточной подачи станции. Преимущественно работа насосов на насосной станции II-ого подъема назначается двух- или трехступенчатой.

При двухступенчатой работе насосной станции прежде всего необходимо выбрать производительность и продолжительность работы насосов для каждой ступени. При этом необходимо соблюсти два ус­ловия:

1)

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

t₁ – продолжительность работы насосов 1-ой ступени, ч;

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

t₂ – продолжительность работы насосов 2-ой ступени, ч.

На рис. 3.1. показан один из возможных вариантов двухступенчатой работы насосов.

2) Регулирующая емкость бака водонапорной башни должна быть порядка 3-5% от Q_сут при водопотреблении 15-20 тыс. м³/сут. При меньшем суточном водопотреблении регулирующая емкость может быть более 5% от Q_сут, но не должна превышать 500-800 м³.

В процессе определения количества рабочих насосов и при составлении ориентировочного графика работы насосов необходимо учитывать влияние параллельного включения на подачу насосов.

Так, если представить работу двух однотипных насосов ступенчатой и принять производительность насосной станции в часы 1-ой ступени К₁% Q_сут (рис. 3.1), то производительность одного насоса в часы 2-ой ступени будет составлять К₂ = (0,60 - 0,70) К_I% Q_сут. Если же в часы 1-ой ступени работают три насоса, то при выключении одного из них в часы 2-ой ступени производительность насосной станции будет составлять К₂=(0,75 - 0,80) К_I% от Q_сут.

3. Определяется емкость бака водонапорной башни и резервуаров чистой воды. В водонапорной башне, помимо регулирующего объема, должен храниться запас воды на противопожарные нужды

, м (3.1)

где: W_п – полная емкость бака водонапорной башни, м³;

W_рег – регулирующая емкость бака водонапорной башни, м³;

W_пож – неприкосновенный противопожарный запас воды, м³.

Неприкосновенный противопожарный запас воды рассчитывается на 10-минутную продолжительность тушения одного внутреннего и одного наружного пожаров в населенном пункте при одновременном наибольшем расходе воды на другие нужды

, м³ (3.2)

где: – максимальный хозяйственный расход воды из водоп-

роводной сети, л/с;

– расход воды на тушение одного наружного пожара, л/с;

– расход воды на тушение одного внутреннего пожара, л/с.

Регулирующая емкость бака водонапорной башни W_рег определяется по графикам водопотребления и подачи воды насосами, совмещенными на одном чертеже (рис. 3.1).

Для приведенного примера на рис. 3.1 регулирующая емкость бака водонапорной башни составляет W_рег = 11,4 % от Q_сут, м³. Ее можно значительно уменьшить (до W_рег = 5,9 %), если принять трехс­тупенчатую работу насосов, назначив К₁ = 5,5 %; t₁ = 11 часов; К₂ = 4,4 %; t₂ = 4 часа; К₃ = 2,5 %; t₃ = 9 часов.

Зная емкость бака водонапорной башни, назначают основные его размеры - диаметр D и высоту Н_б, учитывая, что Н_б = (0,7 – 0,8) D.

Вместимость резервуаров чистой воды (РЧВ) определяется по формуле

, м³ (3.3)

где – регулирующий объем, м³.

– неприкосновенный противопожарный запас воды, м³.

– запас воды на промывку фильтровальных сооружений, м³.

Регулирующий объем РЧВ определяется по графику поступления воды в них (равномерно в течение суток) и графику работы насосной станции II-ого подъема, совмещенных на одном чертеже.

Неприкосновенный противопожарный запас воды рассчитывается на 3-х часовую продолжительность пожаротушения из наружных пожарных гидрантов и внутренних пожарных кранов

, м³ (3.4)

Запас воды на промывку фильтровальных сооружений можно ориентировочно принять равным 300-900 м³ для станций с производительностью соответственно 20-100 тыс. м³/сут.

Общее число резервуаров должно быть не менее двух. При выключении одного из них в остальных должно храниться не менее 50% пожарного объема воды.

Далее выбираются типовые железобетонные резервуары и определяются отметки: дна резервуара, верха неприкосновенного противопожарного запаса и верха полного объема воды в РЧВ.

Отметку верхнего уровня воды в РЧВ рекомендуется назначать на 1-1,5 м выше отметки земли на площадке очистных сооружений. Размеры резервуаров даны в прил. 5.

4. Определяется расчетная производительность насосов для трех режимов работы насосной станции:

для 1-го – при подаче воды насосами 1-ой ступени в водонапорную башню, расположенную в начале сети (в сеть с контррезервуаром в час максимального водопотребления) при исправных водоводах и оборудовании.

, м³/ч (3.5)

или

, л/с (3.6)

для 2-го – при подаче воды насосами в сеть во время пожара в часы I ступени

, м³/ч (3.7)

или

, л/с (3.8)

для 3-го – при подаче воды насосами в водонапорную башню (контррезервуар) в часы 1-ой ступени при аварии на водоводе

, м³/ч или , л/с. (3.9)

5. Для каждого режима работы насосной станции определяется расчетный напор, т.е. полный напор, развиваемый насосами, по формуле

, м (3.10)

где: – геометрическая высота подъема воды, м;

– потери напора во всасывающей линии, м;

– потери напора в напорных водоводах, м;

– потери напора в коммуникациях насосной станции, м;

– потери напора в разводящей сети (учитываются только при работе насосных станций, подающих воду в сеть с контррезервуаром и во всех случаях при подаче воды на тушение пожара), м.

Геометрическая высота подъема воды определяется как разность отметок расчетного уровня, на который вода подается в водонапорное сооружение или в сеть, и расчетного уровня воды в резервуаре чистой воды у насосной станции, из которого вода забирается.

Для 1-го и 3-го режимов, при которых вся вода или часть подаваемой воды поступает в бак водонапорной башни, геометрическая высота подъема

, м (3.11)

где: – отметка расчетного (среднего) уровня воды в баке водонапорной башни;

– отметка расчетного (среднего) уровня воды в резервуаре чистой воды у насосной станции.

Для 2-го режима, обусловленного пожаром, геометрическая высота подъема

, м (3.12)

где – отметка уровня (на 10 м выше уровня земли) свободного напора в сети при пожаре у наиболее удаленного от насосной станции пожарного гидранта;

– отметка дна резервуара чистой воды.

Потери напора в системе трубопроводов , , и определяются при гидравлическом расчете этих трубопроводов.

Количество всасывающих линий на насосных станциях первой и второй категории должно быть не менее двух. При выключении одной из них остальные должны обеспечивать пропуск максимального расчетного расхода. Устройство одной всасывающей линии допускается для насосных станций третьей категории. Гидравлический расчет всасывающих линий сводится к подбору диаметра труб и определению потерь напора для каждого режима работы насосной станции. Диаметр всасывающих линий принимается по условиям пропуска расчетного расхода 1-го режима, при этом скорости движения воды должны быть в пределах, указанных в табл. 2.1, а потери напора - не превышать 0,5 м. Для принятого диаметра подсчитывают потери напора во всасывающей линии h_вс при каждом расчетном режиме по формуле (2.3).

Диаметр напорных водоводов принимается по условиям пропуска расчетного расхода 1-го режима по двум параллельным линиям, т.е. по каждой линии – половина расчетного расхода. При этом скорости движения воды в водоводах должны быть в пределах, указанных в табл. 2.1, а потери напора на 1 км длины водовода - около 4-7 м.

Для принятого диаметра подсчитываются потери напора h_н в водоводах при каждом расчетном режиме. Для 1-го и 2-го режимов работы насосной станции при исправных водоводах потери напора подсчитываются по (2.4).

Для надежного обеспечения бесперебойной подачи воды при аварии на напорном водоводе между линиями устраиваются перемычки. Длина ремонтных участков, т.е. расстояние между перемычками, принимается в пределах 0,8-1,2 км.

С учетом этого для 3-го режима работы насосной станции в условиях аварии на водоводе потери напора в водоводах определяются по формуле

, м (3.14)

где – гидравлический уклон при пропуске расчетного расхода по одной линии аварийного участка;

– длина аварийного участка, м;

i_и – гидравлический уклон при пропуске расчетного расхода по двум параллельным линиям исправных участков;

l_и – длина исправных участков , м;

l_н – длина напорных водоводов, м.

Потери напора в коммуникациях насосной станции можно принимать ориентировочно для всех режимов работы h_нс = 1,5-2 м.

Потери напора в разводящей сети h_р, необходимые для определения полного напора насосов НС–II, подающей воду в сеть с контррезервуаром, а также при подаче воды на тушение пожара, определяются при выполнении гидравлического расчета водопроводной сети населенного пункта.

Для 1-го режима работы НС–II потерями h_р являются потери напора в разводящей водопроводной сети при подаче максимального транзитного расхода в бак контррезервуара; для 2-го режима работы потерями h_р являются потери напора в разводящей водопроводной сети при суммарном противопожарно-хозяйственном расходе воды и для 3-го режима работы потерями h_р являются потери напора в разводящей сети при аварийном режиме работы системы водоснабжения.

Значения h_р задаются в исходных данных для выполнения проекта.

Результаты подсчетов расчетной производительности и полного напора насосов для различных режимов работы НС II целесообразно свести в табл. 3.1 предлагаемой формы.

Таблица 3.1.

Расчетные параметры насосной станции

Режим	Расчетная производительность		Расчетные напоры Н1,м	Геометрическая высота подъема Нг, м	Всасывающие линии		Напорные водоводы		Насосные станции hнс, м	Сеть hр1, м
	Q1, м^3/ч	q1, л/с			dвс, мм	hвс, м	dн, мм	hн, м
1 2 3	Q1 Q2 Q3	q1 q2 q3	H1 H2 H3	Hг1 Hг2 Hг3	dвс	hвс1 hвс2 hвс3	dн	hн1 hн2 hн3	1,5 1,5 1,5	hр1 hр2 hр3

6. По расчетным параметрам Q и H подбираются насосы для проектируемой насосной станции. При подборе насосов следует иметь в виду, что основным расчетным режимом является 1-й режим с параметрами Q₁ и H₁. При 1-ом 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 2-ой 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 подачи и напор насосов.

Рекомендуется принимать для насосной станции все одинаковые насосы, используя их параллельную работу в разных условиях, в том числе и в условиях пожара. Это обеспечивает взаимозаменяемость агрегатов и позволяет иметь лишь минимальные мощности в резерве. Для подбора насосов по расчетным параметрам рекомендуется использовать сводные графики характеристик центробежных насосов (прил. 3) и каталоги [4, 5, 6, 7].

7. Производится анализ совместной работы насосов, водоводов и сети, а также определяются действительные параметры работы насосных агрегатов. Для этого необходимо на общий график нанести характеристики насосов при их индивидуальной и параллельной работе и характеристики той системы, на которую работают эти насосы. На графике должны быть все рабочие характеристики насоса (Q-H, Q-N, Q- , Q- или ), характеристики параллельной работы двух, трех и т.д. насосов, характеристика системы, на которую работают насосы во всех трех режимах. Графические характеристики насосов приводятся в литературе [4, 5, 6, 7]

Характеристику параллельной работы насосов строят путем суммирования Q при одинаковых напорах H.

Характеристика системы выражается уравнением

(3.15)

где: Н – потребный напор в системе;

Н_г – геометрическая высота подъема воды;

S – гидравлическое сопротивление трубопроводов системы;

Q – расход воды в системе (подача насосной станции).

Значение S вычисляется как

(3.16)

где: Σh – сумма всех потерь напора в системе, вычисленная ранее для каждого режима работы насосной станции при соответствующих расходах Q.

Зная S и задаваясь различными значениями Q, находят соответствующие им значения Σh и строят графические характеристики системы трубопроводов для 3-х режимов работы насосной станции.

На рис. 3.2. дан пример построения графика совмещенных ха­рактеристик насосов и трубопроводов и определения действительных параметров работы насосной станции. На графике показано, что действительные параметры работы насосной станции (точки 1д, 2д, 3д) удовлетворяют требованиям расчета (точки 1, 2 и 3).

Рис. 3.2. Определение действительных параметров работы насосной станции по совмещенным характеристикам насосов и трубопроводов

При проведении инженерных расчетов для аналитического описания рабочей части характеристики Q-H с заметной кривизной (в большинстве случаев это характерно для водопроводных насосов) рекомендуется использовать уравнение неполной квадратичной параболы [6]

(3.17)

где H_пр – предельный фиктивный напор, развиваемый насосом при нулевой подаче, м,

S_н – сопротивление насоса, для Q в м³/с.

Значения H_пр и S_н для некоторых насосов приведены в приложении 6. Суммарная подача "m" параллельно работающих однотипных насосов определяется по формуле

, м³/с (3.18)

В тех случаях, когда действительные параметры работы насосной станции значительно превышают расчетные (по напору более чем на 4-6 м), следует указать на принятый способ регулирования работы насосов.

При выборе способа регулирования рекомендуется чаще использовать регулируемый электропривод [1, 3], подтверждая это решение технико-экономическими расчетами.

8. Подбирается электродвигатель к насосу. Как правило, за­воды-изготовители поставляют насосы, укомплектованные двигателя­ми. В курсовом проекте следует проверить правильность комплектации двигателя с выбранным насосом. Необходимая мощность электродвигателя определяется по (2.7) и (2.8).

9. Учитывая категорию надежности действия проектируемой насосной станции, определяют по СНиП [1] количество резервных агрегатов.

10. Далее выполняют расчет гидравлического удара и принимают решение о необходимости защиты водоводов от недопустимого повышения напора. Расчеты предлагается выполнять по упрощенным методикам для случаев пуска насосов на открытую задвижку на напорной линии и при внезапной остановке насосов (потере привода). Для определения повышения напора при пуске насосов следует графически решить два уравнения: уравнение Q-H насоса и уравнение системы (водоводов), которое имеет вид

(3.19)

где H₀ – статический напор, т.е. высота, на которую требуется подать воду, считая от оси насоса, м.;

– скорость течения жидкости в водоводе, м/с;

С – скорость распространения волны гидравлического удара, м/с, которая вычисляется по формуле

, (3.20)

где D – наружный диаметр трубы, мм.;

– толщина стенки трубы, мм.;

Е_В – объемный модуль упругости жидкости, МПа;

Е_Т – модуль деформации стенок трубы, МПа.

Для воды Е_В=206·10МПа; для материалов труб значения Е_Т: сталь – Е_Т=206·10³МПа; чугун Е_Т=98·10³МПа; асбестоцемент Е_Т=19,6·10³МПа; полиэтилен ПВП Е_Т=0,9·10³МПа; полиэтилен ПНП Е_Т=0,3·10³МПа; бетон Е_Т=20,6·10³МПа;

Задаваясь несколькими значениями расходов, вычисляют скорость , строят характеристику по уравнению (3.19), находят точку пересечения ее с характеристикой Q-H насоса и напор Н при пуске насоса.

Далее рассчитывается гидравлический удар при внезапной остановке насосов. Прежде всего анализируется возможность образования разрыва сплошности потока в водоводе при остановке течения. Для этого проверяется соотношение

, (3.21)

где Н_вм – максимально возможный вакуум в трубах, м.; теоретически не более 7-8 м.

Если соотношение (3.21) удовлетворяется, то разрыва сплошности потока в водоводе не происходит и максимальный напор определяется по формуле

, м. (3.22)

где Т – время, с; обычно это продолжительность фазы, т.е. , где l – длина водовода., м.

– основание натурального логарифма;

– коэффициент затухания колебаний, определяемый по формуле

, c^-1 (3.23)

здесь h_в – потери напора в водоводе, м.

Если , (3.24),

то возможно образование разрывов сплошности потока в водоводе у насоса;

если , (3.25),

то на всей длине водовода напор снижается до нуля; здесь H_р – рабочий напор в водоводе у насоса, м.

В этом случае максимальный напор в водоводе у насосной станции может быть

, (3.26)

Если полученный напор недопустим, исходя из целостности водовода и арматуры на нем, то рекомендуется проектировать противоударные мероприятия в виде установки клапанов-гасителей, сбрасывающих часть воды; в виде установки воздушно-гидравлической колоны; в виде установки разрывных мембран и др. [1].