Расчет эксплуатационных параметров насосного оборудования и трубопроводной сети водоснабженческих и мелиоративных насосных станций

Размещено на http://www.allbest.ru/

При работе насосных станций в оптимальном режиме, количество израсходованной энергии зависит от числа часов её эксплуатации и установленной мощности. Энергия тратится, как правило, на подъём воды и дросселирование, которое иногда используют для повышения напора, с целью ввода насоса в оптимальный режим [1].

Долю мощности затраченной как на подъём воды, так и дросселирование определить сложно из-за отсутствия точных данных по гидравлическим параметрам трубопроводной сети. По предварительным расчётам из-за повышения напора на насосных станциях израсходовано на дросселирование до 20 % установленной мощности.

В данной работе рассматривается возможность определения оптимальных величин расхода электроэнергии и фактических рабочих параметров насосов с данной трубопроводной сетью.

Для примера принимается случай эксплуатации разводящей сети и насосной станции с тремя насосными агрегатами D 1250-125 (рисунок 1), расход каждого 330 л/с с напором 125 м, приводится порядок построения кривых потерь напора в трубопроводах сети определение фактических рабочих параметров одного насосного агрегата, подбор диаметра рабочего колеса насоса под необходимые параметры.

Рисунок 1 - Насосная станция с тремя насосными агрегатами

D-1250-125 и соединёнными параллельно и разводящей сетью

1- всасывающие трубопроводы; 2 - напорные распределительные трубопроводы; 3 - напорный магистральный трубопровод; 4,5,6 - напорный сетевой трубопровод; 7 - дальний гидрант; 8 - основные насосные агрегаты.

Рассматриваемая насосная станция по графику подачи может работать одним, двумя и тремя насосными агрегатами (график подачи задаётся).

При построении кривых потерь напора в трубопроводе, необходимых для определения фактических рабочих параметров насосных агрегатов используются следующие приёмы:

1. Вся сеть до расчётного дальнего гидранта 7 разбивается на участки, 1-й - всасывающие трубопроводы, 2-й напорные распределительные трубопроводы, 3-й напорный магистральный трубопровод, 4-й, 5-й, 6-й - участки с изменившимся расходом по сравнению с предыдущим, независимо от количества включенных насосов (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение расхода насосной станции по участкам сети в зависимости от количества включённых насосов

Например, на 4-м участке расход изменился по сравнению с 3-м участком на какую-то величину в связи с работой тупиков. Подача одного насоса обозначена «Q_H»_, суммарный расход в напорных трубопроводах обозначен «Q» диаметры трубопроводов «D_у» рассчитаны по допустимым скоростям, всасывающего V_вс=1,0-1,5 м/с и напорного V_н=2,5-3,0 м/с, длины трубопроводов L, с индексами соответствующими участкам

(таблица 2). Скорость и диаметры трубопроводов рассчитаны для максимальной подачи тремя насосами.

Таблица 2 - Характеристика сети

2. На каждом участке определяется удельное сопротивление Si (таблица 3).

Таблица 3 - Удельные сопротивления участков с2/м5

Величина гидравлического сопротивления трубопровода «» принята равной 0,02, местные потери в расчёте не учитываются

3. Определяется сопротивление расчётной сети Sсети при работающих одном, двух и трёх насосах (табл. 4.6) по зависимости:

где

станция насосный сеть водопроводный

Si - удельное сопротивление участка (таблица 4);

Кi- коэффициент, равный отношению квадрата расхода на участке к квадрату суммарного расхода насосной станции.

Величина Кi на 1-м и на 2-м участках, как правило равна 1, т.к. расходы на данных участках равны расходу насоса.

Для одного насоса

Для двух насосов

Здесь Q1= Q2= QH, Q3= 2QH, , ,

Для трёх насосов

Здесь Q1= Q2= QH, Q3=3QH, , ,

Величины 5 сети приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Сопротивление расчётной сети при одном, двух и трёх

работающих насосах

Из таблицы 4 видно, что в случае когда, в сети на участках расходы распределились, одинаково, независимо от количества включенных насосов, например при работе 1-го насоса на 4-м участке подаётся расход QН/2, т.е. вся подача насосной станции делится пополам, а при работе 2-х насосов на 4-м участке подаётся расход , т.е. так же вся подача насосной станции делится пополам и т.д., то независимо от количества включенных насосов удельные сопротивления всей сети равны между собой, в приведенном примере

4. Определяются потери напора по зависимости hw=SсетиQ2. В данном расчётном случае, кривая потерь напора независимо от количества включённых насосов выглядит так, как показано на рисунке 2 (напорно-расходные характеристики сложены по правилам сложения характеристик параллельно работающих насосов).

При включённом одном насосе и при его расходе QH=0.33 м3/с, суммарные потери напора расчётной сети равны:

При работе двух насосов

При работе трёх насосов

По полученным величинам потерь напора, построена зависимость hw-Q, (см. рисунок 2) и определены фактические параметры одного, двух и трёх насосов по рабочим точкам А1, А2 А3, кроме того для каждой рабочей точки определены потери напора сети, которые раны соответственно 10, 7, 29, 45 и 41, 38 м.

Для определения фактических параметров одного насоса при работе 2-х или 3-х насосов точки А2 и А3, сносятся параллельно оси «Q» на напорно-расходную характеристику одного насоса H-Q. Величины фактических расходов определены по точкам Qфакт=0,38 м3/с и Qфакт=0,32 м3/с.

Фактические параметры 2-х и 3-х работающих насосов определённые по точкам А2 и А3 равны в точке А2, Qфакт=0,78 м3/с, а в точке А3, Qфакт=0,93 м3/с.

Фактические параметры работы одного насосного агрегата при параллельном включении можно определить иначе, не складывая характеристик. В этом случае необходимо построить три кривых зависимости потерь напора от расхода. hw-Q - при работающем одном насосе, 4hw-Q - при двух работающих насосах и 9hw-Q - при трёх работающих насосах (рисунок 3).

Зависимость hw-Q- строится по раннее описанной методике, а в зависимостях 4hw-Q и 9hw-Q потери напора соответственно увеличиваются в 4 и 9 раз.

Полученные рабочие точки А1, А2 А3 также покажут фактические параметры работы одного насоса при работе 1-го, 2-х и 3-х насосов. (0,47; 0,38;0,32 м3/с). Как видно величины данных параметров отличаются от величин, полученных на (рисунок 2) незначительно из-за неточности построения зависимостей. Построение кривых hw-Q, 4hw-Q и 9hw-Q проводят с помощью расчётной зависимости hw=Кi Sсети. В данном случае удельное сопротивление сети Sсети, считается для 1-го, 2-х и 3-х работающих насосов несколько иначе.

В знаменателе коэффициента Кi оставляют постоянную величину равную подачи одного насоса.

1 насос (см. таблицу 4)

2 насоса

Рисунок 2 - Напорно - расходные характеристики параллельно работающих насосов

3 насоса

Имея значения , , можно получить величину потерь напора и строить кривые h_w-Q, 4h_w-Q и 9h_w-Q по которым определяются фактические рабочие параметры одного насоса по зависимостям:

для одного насоса: ;

двух насосов:

трёх насосов:

В вышеприведённых формулах при определении , коэффициент К_i увеличивает величину удельного сопротивления участка S_i, при работе 2-х насосов в 4 раза, а при работе 3-х насосов в 9 раз; по сравнению с величиной удельного сопротивления участков при работе 1-го насоса, в вышеприведённых формулах можно подставлять значения Q в пределах характеристики одного насоса, в рассматриваемом случае от 0 до 0,45 м³/с и получить величины потерь напора сети для 2-х и 3-х работающих насосов.

Предположим, что необходимый расход 1-го насоса Q_зал=0,25 м³/с, а фактически полученный при работе 3-х насосов 0,32 м³/с.

В этом случае при эксплуатации насосных станций необходимо провести обрезку диаметра рабочего колеса с целью подгонки фактически полученного расхода точки А₃ (см. рисунки 3 и 4). Q_факт=0,32 м³/с к заданному, предположим Q_зад=0,25 м³/с.

Правильный подбор диаметра рабочих колёс центробежных насосов с помощью обрезки оказывает существенное влияние на экономный расход электроэнергии на насосных станциях. Для подбора рабочих колёс под сеть используют два варианта [2]:

По первому варианту определяется степень обрезки диаметра колеса в зависимости от коэффициента быстроходности насоса n_s. На основании проведённых несложных расчётов эта величина, для данного типа насоса, составляет от 10 до 15 % и принимается, в первом приближении 11 %. В том случае, когда при обрезанном колесе, по данному варианту наблюдается недостаток в подаче насоса, необходимость в максимальной обрезке колеса отпадает, и насос следует подгонять по второму варианту, суть которого заключается в определении местонахождения точки «D».

На поле H-Q наносится точка с заданными параметрами допустим Q_зад=0,25 м³/с и Н_зад=110м. Определяется коэффициент «m» по зависимости:

Q²=mH, m= Q2/H, .

Имея величину «m» задаваясь величиной «Н» получают величину Q и через точку «С» строят кривую пропорциональности Q²=mH (рисунок 4).

Полученная кривая пересечёт напорно-расходную характеристику Н-Q в точке «D». Имея параметры насоса в точке «D» и «C» по зависимости: определяется диаметр обрезного рабочего колеса D_обр.

мм.

Из вышеприведённого расчёта видно, что для обеспечения потребного расхода необходимо иметь рабочее колесо диаметром 568 мм.

Через точку «С» строится новая характеристика насосного агрегата с обрезанным диаметром рабочего колеса Н^I-Q, сложив новые характеристики насосов при их параллельной работе с обрезанным диаметром рабочего колеса получают кривые Н^II-2Q и Н^III-3Q (рисунок 4) или не складывая, оставляют одну, как показано на рисунке 3. Построив кривые потерь напора в трубопроводе при работе одного, двух и трёх работающих насосов.

Фактические параметры работы насосного агрегата с обрезанным колесом определяются аналогично вышеизложенному. Все полученные величины показаны на рисунке 3. Причём заданный расход одного насоса подгоняется аод фактический, полученный при работе 3-х насосов (самый худший случай эксплуатации). В случае, когда эксплуатируется один или пара насосов в 3-х агрегатной насосной станции, то их параметры далеки от оптимальных и вывод насоса в экономический режим осуществляется самым неэкономичным путём - дросселированием. Этот вопрос до настоящего времени остаётся открытым.

В практике эксплуатации насосных агрегатов иногда случается, когда геометрический напор меняется в большую или меньшую сторону. Вопрос определения фактических параметров работы насосных агрегатов может быть так же решён с одной напорно-расходной характеристикой, построением трёх кривых потерь напора, или с тремя сложенными характеристиками, так как это показано на рисунке 4.

Имея сложенные характеристики Н^I-Q, Н^II-2Q и Н^III-3Q строится кривая потерь напора h_w-Q по вышеизложенной методике. В случае увеличения или уменьшения геометрического напора кривая h_w-Q проводится параллельно построенной.

Предположим, что в сети, при включенном одном насосе расходы по участкам распределились так, как показано на рисунке 1 (таблица 4), а при включенных 2-х или 3-х насосах, расходы распределились иначе

(таблица 5).

В этом случае расчёт удельного коэффициента сопротивления сети показывает, сто при работающем одном насосе , при двух насосах , и при трёх насосах .

Рисунок 3 - Определение фактических параметров работы каждого насоса построением 3-х кривых потерь напора в трубопроводе при работе одного, двух и трех насосов с нормальным и обрезанным диаметром рабочего колеса

Рисунок 4 - Определение фактических параметров работы насоса по сложенным характеристикам нормальным и обрезанным диаметром рабочего колеса

Таблица 5 - Распределение расходов по участкам непропорционально включенному количеству насосов

Таблица 6 - Удельное сопротивление расчётной сети при одном, двух и трёх работающих насосов и при непропорциональном распределении расходов по участкам

Анализ таблицы 6 показывает, что коэффициенты сопротивления сети отличны от коэффициентов сопротивления сети при пропорциональном распределении расходов отличны и между собой , , и , из чего следует, что для определения фактических рабочих параметров одного, двух и трёх работающих насосов в этом случае необходимо построить не одну кривую hw=SсетиQ2, а три кривые, каждая их которых будет соответствовать количеству включенных насосов

, и

В таком случае, когда на одной характеристике строятся три кривых hw-Q, 4hw-Q и 9hw-Q (рисунок 3), для правильного определения фактических параметров насосных агрегатов в насосной станции необходимо построить семь кривых, одну hw-Q, три - 4hw-Q и три 9hw-Q.

В заключении необходимо отметить, что вопрос правильного определения фактических параметров работы насосных агрегатов и особенно вопрос поддержания параметров в оптимальном режиме остаётся открытым из-за отсутствия методики правильного построения кривых потерь напора в трубопроводе. Каждый подобный расчёт является предварительным и должен проверяться в натурных условиях.

Литература

1. Карелин В.Я. Насосы и насосные станции / В.Я. Карелин, А.В. Минаев - М.: Бастет, 2010, - 446 с.

2. Вишневский К.П. Проектирование насосных станций закрытых оросительных систем / К.П. Вишневский, А.В. Подласов - М.: ВО Агропромиздат, 1990, - 45 с.

Размещено на Allbest.ru