Насосы и трубопроводы на станциях
1. Область применения центробежных насосов по высоте всасывания
Высота всасывания центробежного насоса практически не превышает 7—7,5 м, а ось насоса не может быть расположена выше уровня поднимаемой воды более чем на 7,5 м минус потери во всасывающей трубе. Этим определяется область применения горизонтальных центробежных насосов при скважинах. Их можно применять там, где динамический уровень воды не опускается ниже 7 м от оси насоса.
Исправный насос с герметически плотной всасывающей трубой может поднимать воду с глубины 8 м и даже более, но при этом работа его становится уже невыгодной; возможные неплотности трубопровода требуют также понижения всасывания. Зависимость высоты всасывания от температуры воды показана на рис. 102.
Для подведения к насосу горячей воды с температурой от 70° и более требуется уже избыточный напор от 0,5 до 3 м. Под рабочим горизонтом надо понимать тот горизонт, до которого пускается уровень воды в колодцах шахтных и буровых при подаче насосом расчетного количества воды. Если вода забирается из реки, то уровень воды в береговом колодце будет ниже, чем в реке, на потерю напора в самотечной пли сифонной трубе.
Насос для подъема воды из скважины или шахтного колодца может быть установлен не только на поверхности земли, но и ниже поверхности—в подземной камере, однако практически допустимое углубление камеры составляет 5—7 м. При большей глубине камера часто попадает уже в грунтовые воды и устройство ее обходится дорого. При артезианских и грунтовых скважинах нужно учитывать не только существующий в данный момент уровень воды, но необходимо также предусматривать возможность понижения статического уровня в будущем.
При особенно усиленной эксплуатации буровых скважин статический уровень воды обыкновенно начинает понижаться. В практике имеются примеры, когда уровень воды в подмеловых и меловых скважинах за 40 лет эксплуатации понижался на 30—40 м и приходилось переделывать прежние насосные установки, рассчитанные на более высокий уровень воды. В тех случаях, когда уровень воды в подмеловых скважинах находился выше поверхности земли, а в меловых — почти на поверхности, скважины оборудовались горизонтальными насосами, устанавливаемыми обыкновенно в подземных камерах.
При таком расположении насосы всегда были залиты водой не только во время работы, но и во время остановки, так как статический уровень воды стоял выше насоса. Такое расположение очень благоприятно для пуска насоса. Только для небольших насосов возможна предельная высота всасывания — 7—7,5 м. Чем больше насос и чем больше число оборотов, тем меньше должна быть высота всасывания во избежание кавитации (см. разд. I, гл. IV, § 13). Применяемое иногда регулирование работы насоса задвижкой на всасывающей трубе также вызывает кавитацию, так как это равносильно повышению высоты всасывания. Поэтому такой способ регулирования воспрещается.
Наибольшая скорость вращения, допустимая для насоса без появления кавитации и шума, определяется производительностью насоса и высотой всасывания и нагнетания. Высота всасывания указывается в каталогах насосов. При заборе воды из открытых водоемов приходится считаться с колебаниями уровня воды.
Для бесперебойной работы станции насосы следует располагать таким образом, чтобы их оси находились не выше допустимой высоты всасывания, с учетом потерь напора на трение в трубе при наинизшем уровне воды в реке. Поэтому береговые станции обычно строятся в виде глубоких водонепроницаемых камер — бетонных или железобетонных — с надежной изоляцией от воды.
Следует отметить, что самые низкие уровни в реке с течением времени продолжают понижаться вследствие эрозии дна в верхнем и среднем течении реки. Высота всасывания ограничивается не только кавитацией, но и уменьшением расхода при переходе через предельную для данного насоса высоту всасывания. Большой вакуум, созданный чрезмерной высотой всасывания, вызывает просачивание воздуха через сальники задвижек, имеющихся на всасывающих водоводах, а также увеличивает выделение из воды растворенного в ней воздуха.
Опыты показали, что при впуске воздуха в количестве до 1,5% в герметически плотную всасывающую трубу диаметром 100 мм уменьшение расхода насоса было прямо пропорционально объему впущенного воздуха. При впуске большего количества воздуха расход насоса быстро падал и при 4% уменьшился на 40%.
2. Расположение всасывающих воронок во всасывающем колодце
Воронки всасывающих труб должны быть расположены на такой высоте над дном, чтобы не затруднялся подход воды к ним, и в то же время они должны быть расположены возможно ниже, чтобы полнее использовать объем колодца. На основании опыта эксплуатации водозаборных сооружений рекомендуемое наименьшее расстояние раструба от дна равно половине диаметра раструба. А расстояние между осями соседних всасывающих труб должно быть не менее двух диаметров раструбов (рис. 103а). Расстояние от стены до оси всасывающей трубы — не менее D. При таких расстояниях уменьшается возможность образования воздушных вихрей. Однако для их устранения нужно, чтобы концы всасывающих воронок были ниже уровня воды на величину S, указанную для разных скоростей во всасывающих трубах на диаграмме рис 103а.
При более низком расположении уровня воды с воздушными воронками можно успешно бороться посредством плавающих щитков. Рекомендуют также вертикальные звездообразные перегородки вокруг труб. Диаметр воронки всасывающей трубы больше диаметра всасывающей трубы примерно в 1,3 раза.
3. Недопущение воздуха в насос и трубопровод. Вантузы
Выше указывалось, как защитить насос от засасывания воздуха через всасывающую воронку. Воздух может засасываться через щели во всасывающих трубах. Эти щели могут появиться только при небрежной укладке всасывающих водоводов и их легко устранить.
Воздух может проходить через сальники насосов на всасывающей стороне вала, а также через сальники задвижек на всасывающих трубах. Воздухонепроницаемость сальников достигается подводом к ним напорной воды, в этом случае вместо воздуха в сальник засасывается вода. Насосы обычно изготовляются с гидравлическими затворами сальников. Задвижки же при установке их на всасывающих трубах должны специально снабжаться приспособлением для присоединения напорных трубок из водовода к сальнику.
Если эти меры приняты, тогда ни в насос, ни в напорный водовод не будет попадать атмосферный воздух, значит, нет необходимости в установке вантузов на высоких переломных местах напорного водовода. Вместо вантузов в этих местах необходимы воздушные клапаны для выпуска воздуха из водовода во время его наполнения и впуска воздуха во время его опорожнения. Диаметр клапана определяется по объему водовода и намеченному времени его наполнения или опорожнения. При больших скоростях выхода воздуха получается сильный гул.
Исследование пяти напорных водоводов, проведенное В. М. Папиным и В. И. Водолажским (Укрводгео) в Донбассе, показало, что поставленные на них вантузы бездействуют, так как воздуха в трубах нет. Для автоматического впуска больших количеств воздуха во время опорожнения трубы применяются вакуумные вантузы (рис. 1036) или лучше их назвать вакуумными клапанами в отличие от обычных вантузов. При наполнении водовода воздух выходит через вакуумный клапан, открывающийся несколько раз благодаря волновому движению в водоводе и перемешиванию воды с воздухом.
Работники Харьковского и Киевского водопроводов заменили применявшиеся раньше задвижки на переломных возвышенностях вакуумными клапанами собственного изделия. Воздух может засасываться в водовод во время его опорожнения—полного или частичного. При недостаточности водоснабжения верхние участки водопроводной сети могут опорожняться и через неплотности засасывать воздух.
При последующем наполнении сети воздух растворяется в воде. При открытии в это время крана вода сначала течет чистая, затем она становится белой из-за массы пузырьков воздуха, пузырьки быстро выделяются, и вода снова становится прозрачной. Такой процесс происходит в верхних частях водопроводной сети Харькова.
4. Расположение агрегатов в насосной станции
При расположении насосов и двигателей нужно руководствоваться следующими соображениями:
1) Расстояние между насосными агрегатами должно быть таким, чтобы было удобно обслуживать насос и двигатель. В зависимости от размеров агрегатов и трубопроводов при них промежутки между агрегатами могут колебаться примерно от 1 до 4—5 м. Расстояние от стен здания также должно обеспечить свободный доступ к насосу; оно принимается не менее 1,25 м.
2) Вопрос о сборке и разборке машин необходимо вообще продумать при расстановке самих машин, их оборудовании трубами и пр. При старом типе насоса возможна выемка вала с рабочим колесом только в горизонтальном направлении вдоль оси насоса, поэтому около каждого насоса должно быть обеспечено свободное место для выемки вала, иначе при разборке весь насос пришлось бы снимать и переносить на другое место.
В настоящее время находят широкое распространение насосы с разъемным по горизонтальной плоскости корпусом, в которых вал вынимается через верх.
3) Снятые для осмотра и мелкого ремонта роторы электродвигателя обыкновенно ставятся на козлы в здании насосной станции. С этой целью здание станции приходится несколько увеличивать для образования монтажной площадки.
4) В условиях ограниченной площади в подземных штольнях для шахтного водоотлива насосы и двигатели располагают близко к стене, так что доступ к ним обеспечен только с одной стороны. При большом числе насосов их располагают вдоль обеих стен, оставляя проход посередине.
5. Наземные станции
Если станция располагается так, что ее пол находится почти на уровне земли, то нет основания чрезмерно тесно расстанавливать насосы и другое оборудование, так как стоимость постройки здания невелика. Расстояние между агрегатами должно быть не меньше ширины агрегата. Для электродвигателей высокого напряжения расстояния следует брать несколько больше.
Расстояние между агрегатами зависит от расположения трубопроводов; если трубопроводы будут загромождать проходы, придется увеличивать ширину проходов, промежутки между агрегатами и расстояния до стены здания. Один из проходов между агрегатами и стеной следует сделать шире для использования его в качестве монтажной площадки при сборке и ремонте двигателей.
Машины небольшого размера (вакуумнасосы и насосы для откачки воды из здания станции) можно устанавливать непосредственно у стены, так как при таком расположении они допускают удобное обслуживание. Иногда их крепят на стенных кронштейнах. Электрическое оборудование в малых и средних станциях при низком напряжении обычно располагается в машинном зале, где для него отводится особое место.
На больших станциях электрооборудование требует особых помещений, причем трансформаторные камеры ввиду их огнеопасности (взрыва масла) нередко размещают в отдельном здании. Устройство электрооборудования насосных станций излагается в четвертом разделе. При проектировании насосных станций после подбора производительности и числа агрегатов по каталогам приступают к определению габаритов наиболее подходящих насосов и двигателей. Затем контуры агрегатов наносят на чертеж, вычерчивают всасывающие и нагнетательные трубы, после чего окончательно устанавливают размеры здания, которые можно наметить предварительно.
На рис 104 показано расположение насосов с двигателями в один ряд и в два ряда в шахматном порядке. Чем шире здание, тем тяжелее и дороже перекрытие и мостовой кран; поэтому станции обычно имеют продолговатую форму. На рис. 105 представлен план крупной насосной станции. Здесь расположены 22 насоса, составляющие пять отдельных групп: три группы обслуживают три цеха (доменный, мартеновский и газоочистки) и две крайние группы — по четыре насоса — брызгальные бассейны.
В трех средних группах малые агрегаты состоят из насоса с электродвигателем, более крупные агрегаты — из насоса и двух двигателей — электрического и паротурбины, которая служит резервом на случай перерыва тока.
