Розрахунок експлуатаційних параметрів насосного обладнання та трубопровідної мережі водопостачальних та меліоративних насосних станцій

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.

№. участка.	Подача, м3/с.
	Один насос.	Два насоса.	Три насоса.
	QH=0.33.	QH=0.33.	QH=0.33.
	QH=0.33.	QH=0.33.	QH=0.33.
	QH=0.33.	Q= 2QH=0.66.	Q= 3QH=0.99.
	Q= QH/2=0.165.	Q/2=2QH/2=0.33.
	Q= QH/3=0.110.	Q/3=2QH/3=0.22.
	Q= QH/4=0.82 165.

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.

Уч-ки.	Подача м3/ч при включенных трёх насосах.	Длина, м.	Скорость м/с.	Диаметр труб-да, мм (округл. до стандартного).
	Обозна; чение.	величина.	Обозна; чение.	величина.
	QH.	0,33.	L1.		1.0.
	QH.	0,33.	L2.		2.7.
	Q.	0,99.	L3.		2.6.
	Q/2.	0,49.	L4.		2.5.
	Q/3.	0,33.	L5.		2.7.
	Q/4.	0,24.	L6.		2.5.

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

Таблица 3 — Удельные сопротивления участков с2/м5.

Участки.	Диаметр, м.	Площадь поперечного сечения, м2.	Длина, м.	Удельное сопротивление.
	0,65.	0,33.		1,15.
	0,40.	0,125.		8,15.
	0,70.	0,38.		8,06.
	0,50.	0,19.		56,47.
	0,40.	0,12.		88,48.
	0,35.	0,09.		179,47.

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);

Кiкоэффициент, 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.

Количество работающих насосов.	Участки.	Подача. Qi, м3/с.	Кi.	Sсети, с2/м5.	Потери напора, при подаче 0,330; 0,660; 0,990 м. hw=SсетиQ2.
Один насос.		0,33.		52,3.	0,33 (5,69)
		0,33.
		0,33.
		0,16.	0,25.
		0,11.	0,11.
		0,082.	0,061.
Два насоса.		0,33.		52,3.	0,66 л/с (22,8)
		0,33.
		0,66.
		0,33.	0,25.
		0,22.	0,11.
		0,16.	0,062.
Три насоса.		0,33.		52,3.	0,99 л/с (51,29)
		0,33.
		0,99.
		0,49.	0,25.
		0,33.	0,11.
		0,24.	0,062.

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-Qстроится 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 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.

№ участка.
Расход, л/с. 1 насос.	Q1=QH=. =330.	Q2=QH=. =330.	Q2=QH=. =330.	Q4=QH/2=. =105.	Q5=QH/3=. =110.	Q6=QH/4=. =82.5.
Расход, л/с. 2 насоса.	Q1=QH=. =330.	Q2=QH=. =330.	Q3=2QH=. =660.	Q4=2QH/3=. =220.	Q5=2QH/4=. =165.	Q6=2QH/4=. =165.
Расход, л/с. 3 насоса.	Q1=QH=. =330.	Q1=QH=. =330.	Q3=3QH=. =990.	Q4=3QH/3=. =330.	Q5=3QH/4=. =247.5.	Q6=3QH/6=. =165.

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

Кол-во насосов.	Участки.	Q,. л/с.	Кi.	Sсети.	Потери напора при расходе 330, 660 и 990 л/с. hw=SсетиQ2.
Один насос.				48,42.	5,27.
			0,25.
			0,11.
		82,5.	0,061.
Два. насоса.				37,49.	16,33.
			0,11.
			0,062.
			0,062.
Три насоса.				48,89.	47,91.
			0,11.
		247,5.	0,062.
			0,027.

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.

• 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.