Определение расчетных напоров насосов II подъема. Выбор основного насосного оборудования
Режим работы насосной станции и расчетные напоры существенно зависят от наличия и места расположения водонапорной башни на водопроводной сети. Различают следующие системы: с башней в начале сети, безбашенная и с башней в конце сети (с контррезервуаром). Система водопровода указывается в задании на курсовое проектирование.
Система с башней в начале сети (рис. 26). При этой системе расчетной отметкой z для определения статического напора в час максимального водопотребления является максимальная отметка поверхности воды в водонапорной башне. Потребный напор определяется суммой величин:
| (24) |
где 
– статический напор, равный разности отметок подачи и минимального уровня в резервуаре чистой воды 
:
 ;
| (25) |
– потери во всасывающих трубопроводах от резервуаров чистой воды до насосной станции; определяются по формуле (15); 
и 
– потери в насосной станции и в водомере: в первом приближении 
, 
; 
– потери в напорных водоводах, определяемые по формуле (18) при расходе 
.
Рис. 26. Схема к определению напора насосов II подъема
в системе с башней в начале сети
Рис. 27. График работы насосов II подъема в безбашенной
системе водопровода
Безбашенная система. Здесь расчетный напор насосов определяется по той же формуле (26), только в качестве расчетной отметки z принимают пьезометрическую отметку в конце напорных водоводов, определенную гидравлическим расчетом сети для часа максимального водопотребления.
Рис. 28. Схема к определению напора насосов II подъема в системе
с контррезервуаром
Безбашенная система является закрытой, и создаваемый в ней насосами напор будет зависеть от подачи насосов, т.е. от водоразбора. При уменьшении водоразбора напор в сети будет повышаться, при увеличении – снижаться. При расходах меньше максимального в сети возникают избыточные напоры, существенно снижающие КПД насосной установки и увеличивающие энергозатраты на подачу воды.
Максимальные избыточные напоры наблюдаются в безбашенной системе, оборудованной одним насосом. При увеличении числа рабочих насосов средний избыточный напор уменьшается.
На рис. 27 приведен пример работы трех насосов станции II подъема, подающих воду в безбашенную систему. Насосы подбирают так, чтобы режимные точки по возможности не выходили за пределы рабочей зоны. Для этого режимная точка при работе всех насосов в час максимального водоразбора должна находиться в левой части рабочей зоны характеристики.
Система с башней в конце сети (с контррезервуаром). При системе с контррезервуаром (рис. 28) в качестве расчетной отметки z принимают отметку на высоте свободного напора в диктующей точке сети. Напор насосов вычисляют по формуле
 ,
| (26) |
где 
– потери в сети при подаче максимального хозяйственного расхода; остальные обозначения – те же, что и в формуле (24).
В насосных станциях II подъема чаще всего устанавливают насосы типа Д. Число рабочих насосов 
принимают 2–4, исходя из формы графика суточного водопотребления и характеристик выпускаемого насосного оборудования.
Назначив число основных насосов, определяют подачу одного. При этой подаче напор выбранного по сводному графику полей (Q – Н) насоса должен быть (1......1,15)Н, где Н – требуемый напор, определяемый по формулам (24) или (26). В схемах с контррезервуаром для обеспечения режима транзитной подачи воды в башню желательно, чтобы рабочая точка в час максимального водопотребления лежала в правой части рабочей зоны характеристики насоса.
Водопотребление населенного пункта, обеспечиваемое насосными станциями II подъема, постоянно меняется: в течение суток, в течение недели в зависимости от рабочих и выходных дней, в течение года в зависимости от температуры воздуха и периода отпусков, от года к году в зависимости от роста населения и повышения уровня благоустройства жилищ. В связи с этим доводить путем обточки рабочих колес характеристики насосов точно до расчетных расходов и напоров не обязательно, так как время, в течение которого эти расходы будут иметь место, – не продолжительно.
Выбрав типоразмер насоса, делают выкопировку его чертежа и характеристики. По формуле (5) определяют требуемую мощность и выбирают или проверяют пригодность поставляемого с насосом электродвигателя.
По табл. 1 назначают необходимое число резервных насосов.
Подача транзитного расхода в водонапорную башню. В схеме с контррезервуаром максимальный напор насосов может потребоваться не в час максимального водоразбора, а при максимальном транзите воды в башню. Заполнение водонапорной башни желательно производить в часы малого водоразбора при уменьшенной подаче насосной станции. Подачу при транзите 
назначают, учитывая график водопотребления, количество и характеристику насосов, а затем уточняют при построении графика совместной работы насосов и водоводов.
Напор насосов при транзите вычисляется, согласно схеме рис. 27, по формуле
 ,
| (27) |
где 
определяется из условия подачи воды в водонапорную башню: 
, 
– определяется по формуле (18) при расходе 
; 
– потери напора в сети при транзите приводятся в исходных данных или при расчете водопроводной сети.
Следует отметить, что потери и 
различаются не только по определяющим их расходам, но и учитываются на разных участках сети.
Сумму остальных потерь принимают пропорциональной квадрату расходов:
 .
| (28) |
В системах с контррезервуаром строятся две характеристики водоводов и сети: в час максимального водопотребления и при транзите расхода в водонапорную башню. Поскольку суммарные гидравлические потери предполагаются пропорциональными квадратам расходов:
| (29) |
зависимость потерь напора в водоводах от подачи рекомендуется строить следующим образом.
По формуле (26) для расхода 
в час максимального водопотребления рассчитываются полные гидравлические потери 
. Для расходов, составляющих 0,25, 0,5, 0,75 и 1,2 от , соответствующие относительные потери будут равны 0,063, 0,25, 0,56 и 1,44 от потерь при максимальном водопотреблении. В табличной записи (табл. 10) выделяют потери в напорных водоводах 
, в сети 
и сумму остальных потерь 
. Такое разделение удобно для производства расчетов характеристик системы при авариях на водоводах, транзите расхода в башню и при пожаре.
Пример. Подобрать насосы для насосной станции II подъема, работающей на сеть с контррезервуаром. График водопотребления города представлен на рис. 21. Расчетное максимальное суточное водопотребление 50 000 м3/сут. Максимальный статический напор при подаче воды на хозяйственно-питьевые нужды Нст = 27,5 м, максимальный статический напор при подаче воды в контррезервуар 
= 45 м. Из гидравлического расчета сети известно: потери в сети в час максимального водоразбора hc = 4 м, при подаче насосной станцией 2080 м3/ч и транзите в башню 
= 3 м. Напорные водоводы– два стальных трубопровода диаметром 600 мм и длиной 1150 м каждый.
Определяем возможный регулирующий объем башни:
.
Ориентируясь на типовые башни, принимаем W = 750 м3.
Назначаем подачу насосной станции по графику водопотребления (см. рис. 21) так, чтобы регулирующий объем в баке водонапорной башни (площадь графика выше линии ) был равен 750 м3. 
.
Вычисляем потери в водоводах. Расход в одном водоводе
.
По таблицам Шевелева 1000 i = 3,06, = 
Потери напора в напорных водоводах по формуле (18)
.
Приняв 
, 
, 
, по формуле (44) определяем требуемый напор насосов в час максимального водопотребления:
Н = 27,5 + 0,5 + 1,25 + 1,25 + 3,7 + 4 = 38,2 м.
По сводному графику полей насосов типа Д (см. рис. 5) выбираем 3 рабочих насоса Д 800-57-а, каждый с подачей
и напором 38,5 м. Эти насосы еще в пределах рабочей части характеристики при меньших расходах способны развивать напоры от 45 до 52 м, т.е. способны подавать воду в контррезервуар.
Таблица 10
Пример расчета характеристик напорных водоводов
и сети системы с контррезервуаром
| № п/п | Параметры | Отношение 
| ||||||
| 0,25 | 0,5 | 0,75 | 1,2 | 0,79 | ||||
Расход  , 
| ||||||||
 =
= 578
| ||||||||
| Подача к диктующей точке при двух водоводах | ||||||||
| 0,19 | 0,75 | 1,68 | 4,32 | – | |||
| 0,23 | 0,92 | 2,07 | 3,7 | 5,32 | – | ||
| 0,25 | 2,24 | 5,76 | – | ||||
| Нст | 27,5 | 27,5 | 27,5 | 27,5 | 27,5 | 27,5 | – | |
| 27,5 | 28,17 | 30,17 | 33,49 | 38,2 | 42,9 | – | |
| Подача при транзите в башню | ||||||||
| 0,3 | 1,2 | 2,7 | 4,82 | – | |||
| – | |||||||
| 45,72 | 47,87 | 51,45 | 56,52 | – | 52,16 | ||
| Подача к диктующей точке при одном водоводе | ||||||||
| 0,92 | 3,68 | 8,28 | 14,8 | – | – | ||
| 27,5 | 28,86 | 32,93 | 39,7 | 49,3 | – | – |
Для уточнения режима работы насосной станции строим график совместной работы насосов, водоводов и сети. Расчеты сводим в табл. 10. Рассчитываем напоры по схеме, соответствующей подаче к диктующей точке в час максимального водопотребления. Заполняем значение потерь напора в колонке, соответствующей 
. Пропорционально квадрату расходов определяем потери и вычисляем требуемые напоры для других относительных расходов. Строим график Q – Н.
Рис. 29. График работы насосов II подъема в системе
с контррезервуаром
Рассчитываем напоры по схеме подачи воды в контр резервуар. Потери в сети при транзите приводим к расходу :
.
Пропорционально 
определяем потери в сети при транзите для других относительных расходов (строка 6, см. табл. 10). По формуле (27) определяем требуемые напоры при транзите. Потери 
, 
и 
для соответствующих расходов принимаем такими же, как при подаче к диктующей точке в час максимального водопотребления. По расчетным точкам строим график характеристик Q – Н (рис. 29). На график характеристик водоводов и сети наносим характеристики параллельной работы насосов, в том числе резервных. В точках пересечения характеристик насосов и водоводов для обоих режимов определяем подачи, соответствующие I, II и III ступеням работы насосной станции. Значение подачи для каждой ступени указываем на графике почасового водопотребления. Насосная станция может подавать воду в башню от 0 до 5 ч, работая одним насосом, от 0 до 6 и от 23 до 24 ч – двумя, от 23 до 7 и от 14 до 16 – тремя насосами.
На рис. 29 приведен график характеристики одного водовода и сети (аварийная ситуация). При вычислении ординат этого графика для соответствующих относительных подач насосной станции потери в напорных водоводах увеличиваются в 4 раза:
В приведенном примере при аварии на одном из водоводов насосная станция обеспечивает подачу 70 % расчетного расхода.
Расчет режима работы насосной станции при подаче воды на тушение пожара. Подачу расчетного расхода воды на тушение пожара 
следует предусматривать в час максимального водопотребления.
При тушении пожара свободный напор в диктующей точке сети может снижаться до 10 м. В тоже время пропуск увеличенного при пожаре расхода сопровождается увеличением гидравлических сопротивлений в сети. При схеме с водонапорной башней в начале сети, если пьезометрическая линия у башни окажется выше дна башни, при опорожненном баке часть пожарного расхода может поступать во время пожара в башню, а не к месту пожара. Во избежание этого башню приходится отключать (рис. 30).
Рис. 30. Схема отключения водонапорной башни при пожаре
Подача насосной станции при пожаре с отключенной водонапорной башней определяется по формуле
 ,
| (30) |
а без отключения башни – по формуле
 .
| (31) |
Башня в начале сети должна отключаться при условии
 ,
| (32) |
где 
– пьезометрическая отметка в диктующей точке сети при пожаре; 
– гидравлические потери в городской водопроводной сети при пожаре; 
– отметка максимального уровня воды в башне; 
– высота бака башни; обычно принимается 4–6 м. Требуемый напор насосов при пожаре определяют по формуле
 ,
| (33) |
где 
здесь 
– минимальный уровень в резервуаре чистой воды; остальные обозначения – те же, что и в формуле (26), но при подаче пожарного расхода.
Потери в напорных водоводах находят по формуле (18) при расходе 
, а сумму остальных потерь принимают пропорциональной квадрату расходов.
При башне в начале сети принимают
| (34) |
а потери в сети 
– по заданию.
При контррезервуаре
| (35) |
Режим работы насосной станции при пожаротушении следует устанавливать по графику совместной работы насосов и трубопроводов. Характеристика трубопроводов строится путем определения требуемых напоров по формуле (33). Для систем с контррезервуаром приближенно ее можно построить параллельным смещением графика характеристики водоводов при подаче хозяйственно-питьевого расхода к диктующей точке на величину
.
Возможны три варианта режимов работы насосной станции при подаче воды на пожаротушение:
1. Необходимый расход 
подается основными рабочими насосами за счет снижения напоров в сети (рис. 31, а). Снижение статического напора в диктующей точке сети при пожаре ΔН определяют параллельным переносом характеристики трубопроводов.
2. Расход подается включением дополнительных одного-двух насосов того же типоразмера, что и хозяйственные. При этом соответственно увеличивается число насосов в насосной станции. Число резервных насосов принимается в соответствии с нормами [3].
3. Если необходимый напор для пожаротушения больше напора, развиваемого хозяйственными насосами, и невозможно решить задачу включением дополнительных насосов, следует устанавливать пожарные насосы требуемого напора 
с суммарной подачей с (рис. 31, в). При работе пожарных насосов хозяйственные отключают. Для группы пожарных насосов предусматривается один резервный.
Рис. 31. Характеристики работы насосной станции при тушении пожара: а – основными рабочими насосами; б – основными и дополнительными насосами; в – специальными
противопожарными насосами
Для упрощения расчетов при проверке работы насосной станции на режимах: транзита воды в башню и подачи пожарного расхода следует использовать зависимость для параллельно соединенных трубопроводов. Особенности расчета заключаются в том, что в начальной точке кольцевой водопроводной сети поток жидкости разветвляется, а в конечной точке сливается. За конечную точку принимается наиболее невыгодно или высоко расположенный узел (водонапорная башня). Распределение расходов по отдельным ветвям сети происходит пропорционально проводимости или обратно пропорционально сопротивлению каждой линии. Поскольку 
, где 
– сопротивление каждой линии, 
– проводимость линии, согласно уравнению
,
где 
– потери напора в кольцевой водопроводной цепи от начальной точки до конечной расчетной; 
– потери в каждой линии; Q – общий расход, поступающий в кольцевую водопроводную сеть.
Величина Н (потери напора в кольцевой водопроводной сети) определяется после увязки сети на случай максимального водопотребления. Затем находится величина 
– общее сопротивление кольцевой водопроводной сети. Выполняется графическое построение общей характеристики сети (рис. 32).
Рис. 32. Общая характеристика сети
На основании этого графического построения можно сделать выводы:
1. Об обеспеченности подачи пожарного расхода.
2. При недостаточности создаваемого расхода рассмотреть возможность включения резервного расхода.
3. О возможности подачи транзитного расхода.
Аналитический расчет количества переключений водоводов. Как известно, устройством переключения достигается возможность выключения поврежденных участков водоводов при авариях с обеспечением требуемого СНиПом расхода воды при постоянном или изменяющемся напорах. Число переключений в соответствии с допустимым снижением подачи воды определяют из графика совместной работы насосной станции и водоводов в аварийных и нормальных условиях.
Предлагаемые расчеты переключений основываются на соотношении
где Q и Qa – нормальный и аварийный расход;
S и Sa – потери напора ( гидравлические сопротивления) в системе водоводов нормальном и аварийном режимах;
a – коэффициент зависящий от числа переключений.
Для ситуации обеспечения отношения 
количество переключений обычно не указывается, так как оно должно стремится к бесконечности.
На основании теоретических расчетов были выведены формулы, позволяющие рассчитать длину безаварийного участка для различного числа водоводов одинакового и разного диаметров (табл. 11).
Таблица 11
Формулы для определения длины безаварийного участка,
параллельных трубопроводов
| № п/п | Характеристика сети | Длина безаварийного участка- l | Обозначения |
| Два диаметра одинаковые – 2d, d1=d2 | 
| L – общая длина трубопровода, м; H – располагаемый напор для преодоления потерь по длине, м | |
| Три диаметра одинаковые – 3d, d1=d2=d3 | 
| Q – общий расход, м3/с A – удельное сопротивление трубопровода | |
| Четыре диаметра одинаковые – 4d, d1=d2=d3=d4 | 
| Q – общий расход, м3/с; A – удельное сопротивление трубопровода | |
| Два диаметра разные – 2d, d1≠d2, d1<d2 | 
| A1 > A2, А – удельное сопротивление трубопроводов d1и d2,
| |
| Три диаметра – два одинаковые, 3-й разный | 
| d1 > d2 = d3, А –удельное сопротивление трубопроводов d1и d2,
|
Окончание табл. 11
| № п/п | Характеристика сети | Длина безаварийного участка- l | Обозначения |
| Три диаметра разные – 3d, d1 < d2 < d3 | 
| d1 < d2 < d3, А – удельное сопротивление трубопроводов d1, d2 и d3,
|
Определив величину безаварийного участка l, можно рассчитать длину аварийного участка l’=L – l.
Количество участков, на которые необходимо разбить водоводы, 
, а количество переключений равно n–1.
Предлагаемые формулы позволяют достаточно упростить расчет количества участков и переключения водоводов.