Проектирование водопроводный насосных станций 

1. Определение мощности насоса и двигателя 

При проектировании данными для расчета насосов являются секундная подача воды насосом Q и напор Н. Последний состоит из:

1) высоты всасывания, считаемой от уровня поднимаемой воды до оси насоса;

2) высоты нагнетания — от оси насоса до верхней точки подъема воды;

3) высоты, необходимой для преодоления всех сопротивлений в нагнетательном и во всасывающем водоводах. 

Высота всасывания вместе со всеми потерями во всасывающей трубе показывается вакуумметром, а высота нагнетания также со всеми потерями в нагнетательном водоводе — манометром. Полный напор выразится разностью показаний вакуумметра и манометра, причем показания вакуумметра берутся со знаком минус, так как атмосферное давление принимается за нуль и счет идет вверх и вниз; следовательно, в действительности получается сумма высот всасывания и нагнетания, которая называется манометрической высотой подъема. 

Сюда надо прибавить расстояние между вакуумметром и манометром. Таким образом, полезная работа насоса выразится произведением веса поднимаемой воды Q на общую высоту, т. е. манометрический напор Н: .  

Отношение полезной работы Nв насоса к работе, передаваемой валу насоса NB, называется к. п. д. насоса: . Для центробежных горизонтальных насосов колебания к. п. д. нужно считать от 50 до 93% в зависимости от мощности и в меньшей мере от конструкции насоса. 

Двигатель также имеет свой к. п. д. Коэффициент полезного действия малых электродвигателей — 0,85, больших — до 0,97. Если двигатель соединен с насосом не непосредственно через эластичную муфту, а при помощи ременной передачи или редуктора, то необходимо ввести еще и к. п. д. ременной передачи или редуктора. Мощность в киловаттах, поглощаемая двигателем, выражается формулой  где  - к.п.д двигателя.  - к. п. д. ременной передачи; К — коэффициент запаса. 

Во многих руководствах рекомендуется принимать коэффициент запаса равным от 5 до 100%. В каталоге насосов Жданова предельная величина К снижена до 30%. Для малых агрегатов принимаются большие значения К. Вопрос о коэффициенте запаса должен быть в корне пересмотрен. Излишний запас вреден, так как он вызывает недогрузку электродвигателя, понижает cos , а следовательно, и к. п. д. двигателя. 

Чтобы получить общий к. п. д., надо перемножить к. п. д. двигателя, насоса и передачи. При многоступенчатых насосах для получения к. п. д. всех ступеней не нужно перемножать к. п. д. отдельных ступеней. Перемножение коэффициентов необходимо, когда одна и та же работа выполняется несколькими машинами (насосом, мотором и т. д.). Если же, как в многоступенчатом насосе, одно колесо выполняет только часть работы, поднимая воду на некоторую долю общей высоты, другое колесо выполняет вторую, такую же долю работы, третье — третью и т. д.; общий к. п. д. равен к. п. д. одного колеса, так как к. п. д. всех колес одинаковы. 

Если имеется две установки для подъема воды с разными к. п. д., например, эрлифты и центробежные насосы, тогда общий к. п. д. определяется обычным способом; делением полезной работы на затраченную, энергию. Предположим, что количество воды Q поднимается сначала эрлифтами с к. п. д. 20% на 0,3 H общей высоты подъема, а затем центробежные насосы с к. п. д. 75% поднимают воду еще на 0,7 H: тогда полезная работа будет QH, а затраченная . Следовательно, общий к. п.д. равен . 

2. Коэффициент полезного действия станции 

Насосный агрегат работает на станции часто не в тех условиях, которые для него наиболее благоприятны. Скважина при возможном для данной установки понижении уровня подает определенное количество воды. Насосы приходится подбирать по каталогам завода, и, конечно, точное совпадение между данными каталога и действительным дебитом скважины может произойти только случайно: вообще приходится выбирать ближайшую подходящую подачу насоса. То же самое и с напором. 

Таким образом, уже с самого начала условия работы агрегата не вполне соответствуют выгоднейшим нагрузкам. С течением времени скважина часто уменьшает дебит; чтобы насос не срывало, приходится искусственно уменьшать подачу насоса, прикрывая напорную задвижку. Следовательно, работа насоса ставится в еще более невыгодные условия. Все это приводит к тому, что к. п. д. работающей установки падает значительно ниже нормального к. п. д. агрегата. 

На станциях второго подъема, подающих воду в городскую сеть, необходимость приспособляться к каталогам завода при подборе насоса и двигателя имеет меньшее значение, так как здесь сортамент разнообразнее; большие насосы иногда изготовляются по особому заказу в соответствии с требуемыми условиями. 

При наличии напорных резервуаров регулирование подачи станции осуществляется изменением числа часов работы насосов. Кроме того, насосы, подающие воду к городу или заводу, по размерам значительно больше насосов, установленных на отдельных скважинах. Вследствие этого к. п. д. станции второго подъема выше. Электродвигатель не изменяет своего к. п. д. с течением времени, в то время как к. п. д. насоса по мере износа понижается. 

Вследствие износа уплотняющих колец увеличивается циркуляция воды из напорного пространства во всасывающее. Снаружи это незаметно, но у насосов первого подъема, подающих неочищенную воду, истирание уплотняющих колец может повести к понижению к. п. д. до 8 — 10 % за один год. 

Напор, создаваемый насосом, при этом сохраняется, уменьшается только расход; поэтому необходимо раза два в год проверять производительность насоса; более целесообразно снабжать каждый насос водомером. Показания водомера сейчас же укажут на износ колец, которые необходимо быстро сменить, чтобы устранить бесполезную потерю энергии. 

3. Экономичность работы насосных агрегатов 

В целях экономии электроэнергии надо ежегодно проверять к. п. д. насосов с электродвигателями. Насосы новых типов имеют более высокие к. п. д., чем насосы старых конструкций, поэтому для экономии энергии замена старых насосов новыми зачастую необходима. В табл. 15 указаны современные к. п. д. насосов вместе с двигателями для насосов разной производительности, а также стоимость энергии за год при 75-процентном использовании годовых 8760 час. 

Ежегодный расход на электроэнергию раз в 30—40 превосходит стоимость насоса. Из этого следует, что нужно устанавливать насосы с самым высоким к. п. д. В табл. 15 указаны к. п. д. насосного агрегата. Коэффициенты полезного действия собственно насосов приводятся в каталогах в виде кривых, а к. п. д. электродвигателей представлены в табл. 16 и 17. 

4. Выбор мощности и числа насосов, сеть без напорного резервуара 

При определении числа и мощности насосов рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:

1) Мощность рабочих насосов должна быть достаточна для подачи наибольших расходов воды. В резерве должно быть не менее двух насосов. Если резерв ограничить одним насосом, тогда при ремонте любого насоса станция осталась бы без резерва и в случае аварии в это время бесперебойность водоснабжения была бы нарушена.

2) Насосы должны работать в области наивысших к. п. д., т. е. с наименьшей затратой энергии.

3) Для удобства установки и особенно эксплуатации была бы желательна однотипность насосов, которая упрощает обслуживание, позволяет иметь одинаковые запасные части и т. д. Однако требование экономной работы вызывает необходимость отказаться от однотипности.

4) Кривые к. п. д. обыкновенных водопроводных насосов марок 6НДв или 6НДс до 20НДс показывают, что в пределах 15% в одну и другую сторону от расчетного расхода к. п. д. понижается всего лишь на 2—3%. На эти пределы расхода и следует рассчитывать работу насосов.

5) Более крупные насосы имеют более высокий к. п. д. По каталогу насосов Жданова насос 5НДв (200 мУчас) имеет к. п. д. 72%, насос 8НДв (600 м3/час)— 82%, а насос 12НДс (1000 м3/час)—90%. Не следует поэтому чрезмерно стремиться к установке большого числа насосов малой производительности. У больших насосов (1000 м3/час и более) к. п. д. составляет 90—92%, и тогда при комбинированной работе больших и малых насосов общий к. п. д. почти не понижается.

6) Насосы должны работать в указанных пределах при расходах, длящихся долгое время. Кратковременные расходы могут подаваться с более низким к. п. д. без большого ущерба для общего к. п. д. станции. 

Предположим, что станция оборудована двумя рабочими насосами на средний суточный расход Q. Один насос будет экономно работать в пределах 0,85—1,15 Q, а два насоса при совместной подаче 1,8 Q — в пределах 1,53—2,07Q. Все же остальные расходы будут подаваться при более низких к. п. д. Следовательно, для повышения к. п. д. необходимо подобрать другие насосы с расчетной производительностью 0,5 Q, 0,7 Q, 0,95 Q, 1,3 Q, и 1,77 Q.

Таким образом, для экономной работы станции нужны 5 рабочих насосов и 2 запасных, примерно на 1,3 Q, и 1,77 Q или же два на 1,77 Q. При таком подборе насосы будут работать экономно при всяких расходах в пределах 0,42—2,04 Q. Редко встречающийся расход 2,25 Q подается при пониженном напоре и пониженном к. п. д. 

Низкие к. п. д. вызываются не только тем, что большинство расходов находится вне пределов экономной работы данных насосов, но так же и несоответствием их напоров требованиям экономичности. При малых расходах нужны малые напоры на преодоление потерь от трения, при больших расходах эти потери возрастают пропорционально квадратам расходов. Таким образом, для экономной работы насосы должны быть приспособлены не только к разным расходам, но и к разным напорам, т. е. для экономной работы станции должны быть подобраны разнотипные насосы. 

Параболическая кривая аб (рис. 99) представляет характеристику водопроводной сети, на которую работает станция. Все насосы должны создавать одинаковый расчетный напор, изображаемый линией аб. Меньший насос, подающий 0,5 Q, имеет характеристику де, пересекающую характеристику сети в точке е. 

Следующий насос, рассчитанный на подачу 0,7 Q, должен иметь больший начальный напор Ож, чтобы его характеристика жз пересекла линию аб в требуемой точке з. Третий насос, рассчитанный на подачу расхода 0,95 Q, должен иметь еще больший напор, чтобы кривая его характеристики ик пересекла линию аб в точке к, соответствующей абсциссе Q и т. д. 

Большое количество насосов требует и больших расходов на устройство здания насосной станции и оборудование. Но все эти расходы малы по сравнению с годовыми расходами на электроэнергию, указанными выше. Экономия в несколько процентов на годовых расходах энергии в 1—2 года окупит дополнительные капиталовложения на увеличенные размеры станции и увеличенное число насосов. 

Для экономичной работы насосов в приведенных случаях кривые характеристики QH насосов должны быть пологими. При проектировании городского водоснабжения на 15—20 лет вперед необходимо учитывать, что установка насосов может производиться не сразу, а по мере надобности. 

Сокращение количества насосов не только на первый период, а и на все расчетное время возможно и по другой причине: в городах расходы в ночное время обычно резко отличаются от расходов в дневное время. Если расходы в ночное время равны 0,4 Q — 0,5 Q, где Q — средний расход, то дневные расходы обычно составляют от 1 до 1,4 Q. Промежуточные расходы сравнительно кратковременны, поэтому работать могут два насоса: один на 0,5 Q, и другой — на 1,2 Q. 

Таким образом, длительные расходы будут обеспечены высокими к. п. д. В дни максимальных расходов потребуется еще один насос на 1,75 Q. При других коэффициентах неравномерности мощность рабочих насосов несколько изменяется, но способ подбора остается тем же. 

5. Количество одновременно работающих на станции насосов 

Совместная работа двух насосов экономически невыгодна. Для средних и малых насосов она невыгодна уже потому, что большие насосы имеют более высокие к. п. д., чем меньшие. Кроме того, количество воды, которую подадут два насоса, работая совместно на один водовод или сеть, будет меньше, чем сумма их отдельных подач. Это уменьшение подачи будет тем больше, чем более полога характеристика насосов. 

Так, например, при уменьшении подачи одного насоса до 60% его к. п. д. упадет процентов на 15, а при понижении подачи до 75%, но при насосах с более крутыми характеристиками QH, к. п. д. снизится процентов на 10. Таково будет понижение к. п. д. при работе двух насосов по сравнению с одним насосом, подающим тот же расход; это одинаково применимо и к малым, и к большим насосам. Если же водовод или сеть рассчитаны на подачу обоими насосами их расходов при наивысших к. п. д., то при одиночной работе насос будет иметь перегрузку и пониженный к. п. д. 

При совместной работе насосы должны иметь более высокие напоры, чем при одиночной работе. Это также приведет к потерям энергии. На станциях, обслуживающих металлургические печи, необходима работа двух насосов, чтобы в случае вынужденной остановки одного насоса другой продолжал работать. Здесь остановка подачи воды недопустима ни на одну минуту. Работа одного насоса допустима только при наличии напорной башни. Для градирен и брызгальных бассейнов вполне возможна и выгодна работа одного насоса. 

Переключение насосов на станции производится по показаниям манометра. Понижение напора свидетельствует о том, что увеличился расход в сети, и, если оно достигнет определенной величины, необходимо включить больший насос и выключить работающий. Повышение давления, наоборот, указывает на сокращение водопотребления и по достижении установленного предела давления меньший насос включается, а больший — выключается. Эти операции могут производиться как вручную, так и автоматически.