Водозаборные сооружения для отбора воды из поверхностных и подземных источников

Промывка сеток может осуществляться ножевым спрыском. Смытые с сетки загрязнения поступают сначала в резервный бункер, находящийся за пределами здания водозаборного колодца, а оттуда - за пределы территории водозаборного сооружения, в водоисточник, ниже по течению.

Устройства для промывки вращающихся сеток представлены на рисунке 5.5 методических указаний.

Расход воды на промывку сетки определяется исходя из необходимости смыва извлекаемых из воды взвешенных наносов в сутки массой m₃ (определяется по формуле 5.3.27), как уже говорилось выше, в паводковый период по формуле:

, м³, (5.4.8)

где 60 - переводной коэффициент; Q_пр - расход, необходимый для промывки вращающейся сетки, (см. формулу 5.3.27), м³/ч; t_пр- время промывки вращающихся сеток, с; n_пр- количество промывных устройств, расположенных по ширине сетки через 0,5м друг от друга; м - коэффициент расхода промывного сопла; м= 0,625; щ_пр- площадь выходного сечения сопла, м², применяются сопла площадью (1- 5)10⁴ м², в зависимости от ширины сеток; H_н- напор рабочего насоса, если выбранный насос нельзя использовать для промывки сетки, то напор вновь подобранного насоса, определим по [25], м.

5.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТМЕТОК УРОВНЕЙ ВОДЫ И ОТДЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВОДОПРИЁМНОЙ И ВСАСЫВАЮЩЕЙ КАМЕРАХ БЕРЕГОВЫХ КОЛОДЦЕВ И ВОДОЗАБОРОВ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗМЕРОВ

Расчетные отметки уровней воды в водоприемной и всасывающей камерах береговых колодцев или водозаборов, в которые вода поступает либо по самотечным или сифонным водоводам для русловых водозаборов, либо непосредственно, через водоприемные отверстия (окна) этих сооружений, определяются для двух режимов работы водозаборных сооружений, с учетом всех потерь напоров на соответствующих элементах этих сооружений по линии, водоприемный оголовок - всасывающая камера, (см. приложение III).

Отметки уровней воды в водоприемной камере определяются для двух уровней воды в источнике, минимальном и максимальном, по формулам:

- при низких уровнях:

, м; (5.5.1)

- при высоких уровнях:

, м, (5.5.2)

где Z_min.р - минимальный расчетный уровень воды в источнике, принимается, в зависимости от категории надежности водоподачи: для I категории Z_min.р= 97% обеспеченности, II - 95%, III - 90%, м; Z_max.р - максимальный расчетный уровень в источнике, также принимается в зависимости от категории надежности водоподачи: для I категории - 1%, для II - 3% и для III - - 5%, м; ?h - сумма потерь напора по линии водоприемный оголовок - водоприемная камера берегового колодца или берегового водозабора и состоящая из линейных потерь и потерь напора на местные сопротивления, м, определяется по формуле:

, м, (5.5.3)

где ?h_м - сумма потерь напора на местные сопротивления, м; ?ж_м - сумма коэффициентов местных сопротивлений, состоящая из коэффициентов сопротивлений: на мусорозащитной решетке ж_р, на входе в трубопровод самотечной линии ж_вх, на выходе из нее ж_вых, на повороте ж_пов, на фильтрующих элементах, находящихся в водоприемном оголовке ж_ф (см. приложение XI); х - скорость движения потока в трубопроводе (самотечной или сифонной линии), м/с; h_?- гидравлические потери напора по длине трубопровода (линейные потери), м, и определяется по формулам:

; или , м, (5.5.4)

где ? - длина рассматриваемого трубопровода, м; Q- расход воды проходящей через водовод, м³/ч; л,k - коэффициенты потерь напора (см. приложение XI).

Потери напора по длине трубопровода можно определить исходя из данных таблиц для гидравлического расчета водопроводных труб Ф.А.Шевелева, в зависимости от принятого диаметра рассматриваемого трубопровода и расхода воды проходящей через него.

Потери напора на сороудерживающих решетках определяются при нормальном режиме работы водозаборного сооружения и минимальном уровне воды в источнике для случая, что решетки чистые и для случая, что они загрязненные и при аварийном режиме работы и максимальном уровне воды в источнике водоснабжения для чистых решеток.

Потери напора в грубых сороудерживающих решетках определяются по формулам:

- для нормального режима работы и чистой решетки:

м, (5.5.5)

где Q_сн - расход воды проходящей через одну секцию при нормальном режиме работы водозаборного сооружения (см. расчетную формулу 5.2.1), м³/ч; ж_ч.р - коэффициент сопротивления чистой решетки определяется:

- для решетки выполненной из листовой стали сечением D в:

(5.5.6)

где в - высота сечения решетки, мм;

- для решетки выполненной из арматуры сечением D:

(5.5.7)

- для нормального режима и загрязненной решетки:

м, (5.5.8)

где ж_з.р - коэффициент сопротивления для загрязненной решетки:

, (5.5.9)

где k_з - коэффициент, учитывающий максимальное загрязнение решетки и принимается равным 1,5.

Потери напора в чистой решетке при форсированном режиме работы водозаборного сооружения определяются по формуле:

м, (5.5.10)

где n_с - количество секций в компоновочной схеме водозаборного сооружения;Q_ф - форсированный расход воды проходящей через одну или несколько секций при одной выключенной, м³/ч.

Тогда расчетные отметки уровня воды в водоприемной камере при нормальном режиме работы водозаборного сооружение составят:

- для чистой решетки:

м; (5.5.11)

- для загрязненной решетки:

м. (5.5.12)

При форсированном режиме работы сооружения с чистой решеткой отметка уровня воды в водоприемной камере составит:

м. (5.5.13)

Во всасывающем отделении отметки уровней воды будут меньше чем в приемном на величину потерь напора в фильтровальной сетке, находящейся в перепускном отверстии (окне). Для упрощенного варианта определения отметки уровня воды во всасывающей камере потери напора в сетке для нормального режима принимаем равными 0,1м, для аварийного 0,115 - 0,2 м.

Но потери напора на фильтровальных сетках, как и на решетках, определяются при нормальном режиме работы для чистых и загрязненных, а при аварийном режиме работы для чистых решеток определяются по формулам:

- при нормальном режиме и чистой сетке:

м, (5.5.14)

где k_у.с - коэффициент увеличения сопротивления сетки за счет вертикального перемещения ее в потоке и определяется по формуле:

, (5.5.15) где х_верт - скорость вертикального перемещения сетки перпендикулярно потоку, м/с, принимается в зависимости от насыщенности воды источника взвешенными частицами от 0,05 до 0,10 м/с. х_вт.с- скорость потока в ячеях фильтровальной сетки, для вращающихся сеток, не являющимся рыбозаградительными х_вт.с = 0,8 - 1,2 м/с; - коэффициент сопротивления сетки (см. табл.17 приложения XI);Q_с.н - расход воды проходящей через одну секцию при нормальном режиме работы станции, м³/ч;

- при нормальном режиме и загрязненной сетке:

м, (5.5.16)

где k₃ - коэффициент, учитывающий максимальное загрязнение сетки, принимается равным от 1,1 до 1,5.

Потери напора в чистой вращающейся сетке при аварийном режиме работы водозаборного сооружения можно определить по формуле:

м, (5.5.17)

где n_c - количество секций; Q_ф- расход воды при форсированном режиме работы водозаборного сооружения м³/ч.

Потери напора на плоских фильтровальных сетках определяются аналогичным способом, но только без учета коэффициента увеличения сопротивления сетки за счет вертикального перемещение k_у.с.

Отметки уровней воды во всасывающей камере при нормальном режиме работы составят:

- для чистой сетки:

м; (5.5.18)

- для загрязненной сетки:

м. (5.5.19)

При аварийном режиме работы сооружения и чистой сетке отметка уровня воды во всасывающей камере составит:

: м. (5.5.20)

Отметки отдельных конструкций и оборудования в водоприемном колодце руслового водозабора или берегового водозаборного сооружения принимаются, как правило, конструктивно.

Отметка выхода оси самотечной линии в водозаборный колодец руслового водозабора при прокладке ее с уклоном i > 0 (для повышения эффективности ее промывки прямым способом) определяется по формуле:

м, (5.5.21)

Где Z_д.р - отметка дна реки в месте установки водоприемного оголовка, м; i- уклон заложения самотечной линии, принимается равным i > 0, с целью улучшения прямой промывки трубопровода.

Отметка дна водоприемной камеры колодца с выходом в него самотечной линии определяется:

м, (5.5.22)

где 0,5 - 1,0 запас высоты в камере для осаждающихся взвесей, м.

Дно водоприемных камер береговых колодцев или водозаборов, как правило, выполняется с углублением к центру, заканчивающимся приямком, называемым осадочным. Это делается с целью более полного удаления осадка из колодца либо гидроэлеватором, либо песковым насосом.

Отметка дна приямка назначается на 0,2 - 0,3м ниже дна водоприемной камеры с учетом наклонности пола (пол к приямку назначается с уклоном в пределах 0,001- 0,005) и составит:

м, (5.5.23)

Где ?_в.к - расстояние от стенки водоприемного отделения колодца водозабора до приямка, м.

Длина водоприемной камеры ?_в.к принимается равной от 1,5м в малых водоприемниках, до 3^х метров - в больших водоприемных колодцах (см. рис.5.6).

Ширина водоприемной камеры в_вх, поступление воды в которую осуществляется через входные (водоприемные) окна, принимается не менее ширины входных отверстий с запасом до 0,5м с каждой стороны. Ширина камер, в которые вода поступает через самотечные линии, назначается конструктивно. В любом случае, размеры водоприемной камеры должны обеспечить вместимость объема воды, как впрочем, и для всасывающей камеры, для отбора воды 100 секундным расходом - для малых водозаборных сооружений и 30- - 35 м³/с - для крупных сооружений.

Отметка дна водоприемной камеры берегового колодца, имеющего входные отверстия, или водозабора конструктивно принимается ниже отметки дна русла в районе их расположения на 0,5 - 1,0м с целью предотвращения размыва грунта у основания сооружения и увеличения его устойчивости и определяется по формуле:

м. (5.5.24)

Отметка порога входного окна (см. рис.5.1) принимается на 0,5м выше отметки дна реки и находится по формулам для зимних и летних условий и назначается для худшего варианта:

- для зимних условий:

м; (5.5.25)

- для летних условий:

м, (5.5.26)

Отметка дна всасывающей камеры принимается несколько выше отметки дна водоприемной камеры и находится на глубине, ниже отметки порога перепускного отверстия, расположенного в стенке разделяющей водоприемную и всасывающую камеры на 0,5 - 0,7м и определяется по формуле:

м, (5.5.27)

где Z'_пор - отметка порога перепускного окна и находится:

м, (5.5.28)

где 0,3 - заглубление верха перепускного окна под уровень воды, м.

Размеры всасывающей камеры назначаются из условия недопущения образования воронок, способствующих засасыванию воздуха и наносов во всасывающие трубопроводы.

Длина всасывающей камеры ?_вс.к принимается в пределах 1,5 - 4,0м, в зависимости от диаметра всасывающего трубопровода D_y или его раструба диаметром D_вх используемого для уменьшения скорости потока на входе в трубу, с целью предотвращения захвата наносов и определяемого по формуле:

м, (5.5.29)

тогда ширина камеры В_вс.к принимается не менее:

м. (5.5.30)

При наличии двух или более труб в одной камере, расстояние между ними во избежание взаимного влияния, должно быть не меньше (1,5 - 2,0)D_вх.

Расстояние от трубопровода до стенки камеры C - не менее (0,7 - - 51,0)D_вх (см. рис.1 приложение IV).

Заглубление всасывающей трубы под уровень воды в камере следует принимать по М.М.Флоринскому не менее 2D_вх, но и не менее 0,4 - - 0,6м для трубопроводов малого диаметра.

Типоразмеры воронок приведены в приложении IV и на рисунках 1.6 и 1.7.

Отметка дна пола надземной части водоприемного колодца определяется:

м, (5.5.31)

где h₃ - расстояние от максимального уровня воды в водоприемной камере_. до нижней кромки железобетонного перекрытия, м; t - толщина железобетонного перекрытия, отделяющего подземную часть сооружения от наземной, м;

Эта отметка должна находиться выше максимального расчетного уровня воды в источнике не менее чем на 0,5м.

Отметка верхней кромки рабочей части полотна вращающейся сетки должна быть ниже наименьшего уровня воды в водоприемной камере на величину:

м. (5.5.32)

Отметка нижней кромки рабочей части полотна вращающейся сетки:

м, (5.5.33)

где h₃, Щ_c и B^c - определены в выше приведенных расчетах.

Отметки осей верхней и нижней звездочек, вращающих сетку, определяются по формулам:

, м (5.5.34)

И

, м. (5.5.35)

Отметка дна всасывающего отделения водозабора с вращающейся сеткой определяется по формуле:

, м, (5.5.36)

где 0,5 - высота фундаментапорога, на котором установлена вращающаяся сетка, м (см. рис.5.5)

5.6 РАСЧЕТ ВСАСЫВАЮЩИХ И НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ

Для подачи воды применяются трубы асбестоцементные, железобетонные, пластмассовые, чугунные, стальные и др.

Выбор материала и класса прочности труб для водоводов и водопроводных сетей следует производить по технико - экономическим соображениям, на основании статического расчета с учетом санитарных условий, агрессивности грунта и транспортируемой воды, а также особенностей работы трубопроводов. Для напорных водоводов и сетей, как правило, применяются стальные, чугунные и неметаллические трубы (см. приложение XII).

Расчетные расходы всасывающих и напорных водоводов определяются из условия одинакового распределения подаваемой воды по трубопроводам:

- на всасывающем трубопроводе:

м³/с; (5.6.1)

- на напорном трубопроводе:

м³/с, (5.6.2)

где Q_н.с - расход воды насосной станции состоящего: из расхода воды поступающей потребителю, расхода воды на собственные нужды насосной станции и на нужды очистных сооружений, м³/с; n_вс.л и n_н.л - соответственно число всасывающих и напорных линий.

При расчетах число напорных линий, согласно СНиП 2.04 - 84,следует принимать не менее двух, а число всасывающих линий соответствует числу рабочих насосов. Для всасывающих трубопроводов рекомендуется применять стальные трубы. Трубы для напорных линий следует использовать стальные при давлении 12 кг/см² и чугунные или железобетонные, при меньших значениях давления.

Диаметры трубопроводов определяются:

- для всасывающего:

, м; (5.6.3)

- для напорного:

,м; (5.6.4)

где х_вс.л и х_н.л - скорости потока во всасывающих и напорных водоводах, м/с, для расчетов рекомендуется принимать скорость во всасывающем трубопроводе равную х_вс.л = 1 м/с, на напорном - х_н.л = 2 м/с.

Расчетные диаметры труб измеряются в метрах и окончательный их выбор до ближайшего значения в большую сторону производится в соответствии с номенклатурой выпускаемых труб по таблицам Ф.А.Шевелева.

5.7ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО НАПОРА НАСОСОВ

Требуемый напор насосов станции первого подъема определяют в соответствии с принятой схемой ее подачи, т.е. подача воды осуществляется в смеситель очистных сооружений, рис.5.7.

Полная высота подъема определяется по формуле:

, м; (5.7.1)

где 1,0 -запас напора, м; h_wвс.л - потери напора во всасывающем трубопроводе, м; h_wн.л - потери напора в напорных коммуникациях и в водоводе от насосной станции до очистных сооружений, м;_.Н_Г - геометрическая высота подъема воды, м.

Потери напора в трубопроводах определяются по формулам:

- на всасывающем трубопроводе:

, м; (5.7.2)

- в напорном трубопроводе:

, м, (5.7.3)

где L_вс.л и L_н.л - длина всасывающего и напорного водоводов, м, принимаются путем измерения их длины на генплане или берется из задания; S_0вс.л и S_0н.л - удельные сопротивления труб принятых для найденных значений диаметров, с²/м⁵; Q_вс.л и Q_н.л - соответственно, расходы воды на всасывающем и напорном водоводах, м³/с;_. k_к.вс.л и k_к.н.л - потери напора в коммуникациях внутри насосной станции на всасывающей и напорной линиях. Для напорной линии - k_к.н.л = 2,0м, для всасывающей -.k_к.вс.л = 1,5м.

Геометрическая высота подъема определяется как разность отметок воды в напорном баке (накопителе) воды очистных сооружений при полном его заполнении и самого низкого уровня воды во всасывающей камере берегового колодца, по формулам:

, м; (5.7.4)

или, если насос находится под заливом, т.е. ось насоса находится выше уровня (минимального) во всасывающей камере по формуле:

, м. (5.7.5)

Если насос находится под напором, когда ось насоса расположена ниже уровня воды во всасывающей камере по формуле:

, м, (5.7.6)

где Z_{р.min..вс.л} - отметка наинизшего уровня воды в источнике, откуда она забирается насосами, в нашем случае, наинизшая отметка уровня воды во всасывающей камере при , м; H_гв - геометрическая высота всасывания, м; H_гн- геометрическая высота нагнетания, м; Z_см - отметка уровня воды в сооружениях, куда она поступает, в нашем случае, в смеситель очистной станции, для предварительных расчетов, высоту расположения можно принять 4-- 6 м над поверхностью земли (при окончательных расчетах эту высоту устанавливают в соответствии с проектом очистной станции), м.

Геометрическая высота всасывания и высота нагнетания (см. рис.5.8) определяется:

, м; (5.7.7)

, м, (5.7.8)

где Z_он - отметка оси насоса станции, м; - наинизшая отметка уровня воды во всасывающей камере, м, (см. формулу 5.5.19)

Наинизшая отметка оси насоса определяется при минимальном уровне воды во всасывающей камере по формуле:

м, (5.7.9)

где Р_а/сg = H_а - атмосферное давление в местности, где устанавливается насос и выражается в м. вод. ст.(см. приложение XIII табл.1); h_t - упругость насыщенных паров воды в насосе, забираемой из источника температурой t⁰С (см. приложение XIII табл.2 ) или как его еще называют напор соответствующей давлению насыщенных паров; - кавитационный запас насоса, м, принимается по рабочим характеристикам подобранного в результате расчетов. Если такового нет, то для определения величины кавитационного запаса может быть использована формула С.С.Руднева:

, м, (5.7.10)

где n - число оборотов рабочего колеса насоса, об/мин; Q_н - производительность принятого по расчетам насоса, м³/ч; C_к - коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей насоса, принимается равным 900 - 100.

Нахождение отметки оси насоса определяет степень заглубления здания насосной станции, что сказывается на экономических показателях при строительстве водозаборных сооружений.

Если в каталоге насосов или в паспорте насосов указаны вакуумметрическая высота (), приведенная к атмосферному давлению (101кПа) и температуре 20⁰, то для определения оси насоса можно использовать формулу:

м, (5.7.11)

где - допускаемая вакуумметрическая высота всасывания, м. вод. ст. и определяется по формулам:

- для насоса находящегося под напором:

м; (5.7.12)

- для насоса находящегося выше уровня воды в резервуаре:

м. (5.7.13)

Для уточнения компоновочной схемы водозаборного сооружения, выполненного (выбранного) студентом, по расположению насосной стации либо по раздельному, либо по комбинированному типу, необходимо определить отметки оси насоса, а отсюда, и заглубление, в целом, насосной станции (машинного зала).

Отметка оси насоса может быть определена и по другой формуле:

для раздельного расположения насосной станции и водоприемного колодца:

, м, (5.7.14)

где H_гв - максимальная высота всасывания насосом, м, определяется по формуле:

, м, (5.7.15)

где 10 - максимально допустимая величина подъема воды на всасывающей линии, равная абсолютному вакууму, м.

Для упрощения расчетов по нахождению оси насосов, величину давления насыщенных паров h_t зависящей от температуры перекачиваемой жидкости, можно принять равным 0,12м для воды забираемой из водоисточника водоснабжения температурой 10⁰С. Но эту величину необходимо рассчитывать на максимальное и минимальное значения температуры воды, т.к. водозабор работает в годовом режиме забора воды.

Для повышения надежности, а также с целью упрощения запуска насосных агрегатов, корпус насоса лучше расположить под заливом от расчетного уровня во всасывающей камере. Тогда отметка оси насоса в этом случае не должен превышать:

, м, (5.7.16)

где Б - расстояние от оси насоса до верха корпуса, которое принимается в соответствии с габаритными размерами выбранного насоса, м; 0,2 - некоторый запас в м.

Отметка оси насоса принимается наименьше, из вычисленных.

Отметка фундамента под насос определяется по формуле:

, м, (5.7.17)

где а - расстояние от оси насоса до подошвы лап, м.

Отметка пола машинного зала насосной станции составит:

, м. (5.7.18)

где h_ф - возвышение фундамента над полом, принимается равным 0,2ч0,25м.

Глубина заложения фундамента должна быть не менее 50 - 70см. Ширину и длину фундамента принимают на 10 - 15см больше ширины и длины монтажной плиты или рамы, на которых монтируется насос и приводной двигатель.

5.8 ПОДБОР МАРКИ НАСОСОВ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Подбор марки насосов производят по требуемым подаче и напору ,вычисленным в п.5.1 и 5.7. По сводному графику рабочих зон насосов (см. приложение XIV) подбирается марка насоса. Окончательный выбор проводят по рабочим характеристикам насосов в Каталоге.

Для выбранного насоса рабочая точка (Q_н,H_н) должна наиболее близко приближаться к графику Q - H его характеристики в интервале высоких значений КПД, по сравнению с другими насосами.

Если требуемый напор, отличается от напора выбранного насоса не более 2м, то этот избыток может быть отнесен к резервному запасу. Если напор, развиваемый выбранным нами насосом, значительно превышает расчетный, то следует произвести изменения его рабочей характеристики либо путем изменения частоты вращения рабочего колеса, либо путем срезки рабочего колеса так, чтобы характеристика насоса со срезанным колесом прошла через расчетную точку. Расчеты по изменению характеристики насоса можно выполнить по 29.

Полезная мощность насоса определяется по формуле:

, кВт, (5.8.1)

где - плотность перекачиваемой насосом жидкости, кг/м³, для воды, = 1000кг/м³; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; Q_н - расход воды, перекачиваемой одним насосом, м³/с H_н - напор, который необходимо развить насосом для перекачивания воды расходом , м.

Потребляемая мощность насоса определяется по формуле:

, кВт, (5.8.2)

где з_н - коэффициент полезного действия насоса, учитывающий все потери, связанные с передачей насосом энергии перекачиваемой жидкости и состоящих из основных видов потерь - гидравлических, объемных и механических, которые оцениваются в свою очередь, соответствующими коэффициентами полезного действия. КПД насоса определяется по формуле:

, (5.8.3)

где з_г, з_об, з_мех - коэффициенты полезного действия, соответственно гидравлический, объемный и механический, %. У современных насосов, з_г= = 0,9 - 0,95,з_об = 0,95 - 0,98 и з_мех = 0,9 - 0,97.

Коэффициент полезного действия насоса, как видно из приведенных выше формул, определяется степенью совершенства его конструкции, как в гидравлическом, так и в механическом отношении. Значение з для каждого насоса меняется в зависимости от режима работы. Максимальные значения КПД у серийно выпускаемых крупных насосов достигает 0,9 - 0,95, малых - - 0,6 - 0,75. В формулу 5.8.2, значение КПД насоса может быть еще взято из сводных графиков выбранного насоса для вычисленной (требуемой) пода че Q_н.

По полученному значению потребной мощности насоса определяется мощность двигателя, необходимая для привода насоса, по формуле:

, кВт, (5.8.4)

где k - коэффициент запаса, учитывающий возможные перегрузки двигателя.

Значение коэффициента запаса k выбирается в зависимости от мощности насоса на валу, равной значению потребной мощности насоса и принимается: до 20 кВт - 1,25; 20 - 50 кВт - 1,2; 50 - 300 кВт - 1,15 и более 300 кВт, k принимается равным 1.1.

Подбор марки электродвигателя осуществляется по вычисленной мощности электродвигателя, необходимой для привода насоса по Каталогу[24].

В зависимости от мощности двигателя следует принимать: до 250 кВт- - низковольтные, асинхронные с короткозамкнутым ротором; при N= 300 - - 1000 кВ - высоковольтные, асинхронные с короткозамкнутым ротором и свыше 600 кВ - высоковольтные, синхронные.

Нагрузка выбранного нами двигателя для привода насоса соответствующей марки, определяется по формуле:

, (5.8.5)

где Nном - номинальная мощность выбранного двигателя, кВт.

Чем выше процентная нагрузка выбранного двигателя, тем больше эффективность его работы, а значит, меньше себестоимость одного кубометра перекачиваемой насосной станцией воды.

Результаты расчетов, по выбору насосов и электродвигателей к ним, следует оформить в виде таблицы (см.табл. 5.8.1).

После подбора электродвигателя необходимо выписать габаритные (монтажные) и установочные разеры насосного агрегата в сборке в виде таблицы.

5.9 КОМПОНОВКА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЕЕ РАЗМЕРОВ

Расположение насосных агрегатов, трубопроводного оборудования и запорной арматуры в здании насосной станции, выполняется с учетом обеспечения надежности действия оборудования, удобства и безопасности его обслуживания. Компоновка оборудования выполняется также исходя из минимальной протяженности внутристанционных коммуникаций и с учетом возможного расширения в будущем, полностью определяется типом, размерами и числом основных насосов, а также формой машинного зала в плане.

Машинные залы в плане имеют прямоугольную и круглую формы.

Компоновочные варианты машинных залов прямоугольной формыприведены в приложении ХV рис.1.

Круглые, в плане машинные залы, типичны для заглубленных насосных станций совмещенных с водоприёмным колодцем, в которых кольцевое расположение насосов является более целесообразным компоновочным решением. Такой тип станций применяется для малых и средних водозаборных сооружений.

Компоновочные варианты машинных залов круглого в плане сечения представлены в приложении XV рис.2.

Размеры машинного здания станции в плане определяются, в конечном счете, после выбора схемы расположения насосных агрегатов и компоновки внутристанционных трубопроводов, с учётом рекомендуемых расстояний между стенками здания и элементами оборудования.

На рисунке 3 приложения XV приведены схемы к определению размеров машинного зала насосной станции прямоугольной формы (а,б) и круглого сечения (в), а на рисунках 4 - 6, схемы и эскизы арматуры и фасонных частей, используемых в технологических разработках насосных станций. В таблицах 1 - 2, их типоразмеры.

Определение размеров машинного зала насосной станции круглого сечения и использование фасонных частей и арматуры аналогично станциям прямоугольного сечения.

Расположение оборудования, в плане, машинного зала следует проводить с учетом минимальных допустимых расстояний между агрегатами, арматурой и строительными конструкциями, которые составляют: между агрегатами с низковольтными электродвигателями - 1,0м, с высоковольтными - - 1,5м; между агрегатами и стенами - 1,0м; между агрегатами и распределительными щитами - 2,0м; между неподвижными выступающими частями - - 0,7м; между осями насосных агрегатов, установленных в шахматном порядке - 1,3м; между насосом и задвижкой - 0,7м; между задвижкой и запорным клапаном (затвором) - 0,6м; между задвижкой и коллектором - не менее 1,0м; между коллектором и стеной - не менее 1,0м.

Габаритные размеры агрегатов и оборудования учитываются при определении размеров машинного зала и берутся из Каталога и из таблиц приложения XV.

Схемы к определению высоты подземного и верхнего строений насосных станций приведены на рисунке 5.9.

Высота подземной части здания насосной станции заглубленного типа совмещенной с водозаборным сооружением (рис.5.9а), зависит главным образом от расположения рабочего колеса насоса по отношению к минимальному уровню воды в источнике или водоприёмной камере, определяемого в свою очередь, допустимой геометрической высотой всасывания или требуемым подпором. В общем случае она может быть определена по формуле:

, м, (5.9.1)

где h_ф - толщина фундаментной плиты, определяется статическим расчётом, обычно принимается равной 0,8 - 1,5 м; h_нас - высота насоса от верха фундаментной плиты до оси рабочего колеса, м; H_гв - максимальная (допустимая) геометрическая высота всасывания, м (знак плюс принимается при установке насоса с подпором); h₁ - максимальная амплитуда колебаний уровней воды в источнике (водоприёмной камере), м; h₂ - необходимое превышение отметки пола верхнего строения над максимальным уровнем воды в источнике или водоприёмной камере, м.

Следует иметь в виду, что мощные электродвигатели вертикальных насосов типов В, О и ОП, для предотвращения их затопления при авариях, всегда устанавливаются выше максимального уровня воды в источнике или водоприёмной камере, что приводит, зачастую, к необходимости сооружения подземной части машинного зала большой высоты.

Для заглубленных насосных зданий, совмещенных с водозаборным колодцем и оснащенных грузоподъемными механизмами, высота подземной части определится по формуле:

, м, (5.9.2)

где h_в.н - высота отоси насоса до верха крышки корпуса, м; h_стр - высота строповки груза, м, принимаемая 0,5 -1,0м; h_гр - высота груза, м; h₃ - минимальная высота от зева крюка до низа монорельса, м, принимается равной 0,5 - 1,0м; h₄ - высота монорельса балки, м; h₅ - высота подкранового пути, м; 0,5 - запас высоты между грузом и находящимся под ним, насосного оборудования.

Подземную часть здания насосной станции, совмещенной с водозаборным колодцем или расположенной раздельно от водоприёмного колодца, выполняют из сборного железобетона со строительным шагом по высоте 0,6м (ж/б плиты или кольцо).

Основание здания и пол машинного зала может представлять собой слой подготовки из гравия или щебня толщиной 0,1м, сверху которого уложен слой бетона марки 60 толщиной 0,8 - 1,0м и слой асфальта толщиной 3см, армированного сеткой из проволоки диаметром 5мм с шагом 20см.

Наружную поверхность стен подземной части покрывают битумной гидроизоляцией на 0,5м выше уровня грунтовых вод.

Высота верхнего строения, не оборудованного подъемными механизмами, в зданиях насосных станций должна быть не менее трёх метров.

В зданиях станций, оборудованных стационарными грузоподъёмными механизмами, высоту строения определяют расчётом.

Помещение, оборудованное подвесной кран-балкой (рис.5.9б) должно иметь высоту:

, м, (5.9.3)

где h₇ - высота монорельса кран-балки, м; - минимальная высота от крюка до низа монорельса, м; h_стр - высота строповки груза (принимается равной 0,5 - 1,0 м); h_гр - высота груза, м; 0,5 - минимальная высота от груза до пола или до установленного оборудования, м;h_обор - высота оборудования, м, если груз необходимо перемещать над установленным оборудованием; h₃- высота балки, с учетом крепления ее к перекрытию, м.

Верхнее строение насосной станции, оборудованной мостовым краном, должно иметь высоту:

, м, (5.9.4)

где h₇ - высота крана над головкой подкранового рельса, м; h₄ - минимальная высота от крюка крана до головки рельса, м; 0,1 - минимальное расстояние по высоте от низа перекрытия до верха балки или грузовой тележки, м.

Если груз (насос, электродвигатель и т.д.) доставляется непосредственно на монтажную площадку насосной станции, то для возможности его погрузки или выгрузки, высота верха строения подсчитанная по формулам (5.9.3) и (5.9.4), должна быть увеличена на высоту от пола до грузовой платформы, т.е.:

, м. (5.9.5)

Верхнее строение насосной станции, как правило, представляет собой обычное промышленное здание, которое может иметь каркасную или бескаркасную конструкции, в зависимости от веса монтажного оборудования и объема подачи НС (рис.5.10).

При весе самой тяжёлой детали до 5000кг применяют бескаркасную конструкцию, и здание выкладывают из кирпича с толщиной стен в 1,5 - 2,0 кирпича.

Продольные пути кран-балки подвешивают к балкам перекрытия.

Кровлю здания формируют железобетонные плиты толщиной 300см, опирающейся на балки перекрытия. Кровля утепляется слоем шлака или керамзита. Рулонное покрытие укладывается на цементную корку толщиной 2 - 3см сверху из керамзито - шлакового слоя.

Окончательные размеры машинного зала насосной станции, как в плане, так и по высоте, обязательно увязываются с унифицированными размерами конструкции производственных помещений предусмотренными СНиП.

Подробное описание размеров здания насосной станции приведены в [26, 29].

Диаметры водоприёмного колодца руслового или берегового водозаборов малой и средней производительности назначаются из условия нормального размещения в них основного или вспомогательного оборудования с обеспечением необходимых режимов работы, рационального расходования строительных материалов, а также технологических возможностей выполнения всех строительно - монтажных работ, и должны быть кратным 1,5м.

Толщина стенок колодцев по высоте имеет переменное сечение (телескопическое), принимается равной 800 - 1000см до половины здания снизу, 600 - 800см выше до подземной части и 0,3м - надземная часть сооружения.

Толщина стенок отдельно стоящих насосных станций, как правило, имеющих прямоугольную форму, в подземной части составляют 0,3м, надземной - 0,25м.

Высота заглубления насосной станции зависит от заглубления оси насоса.

5.10 ВЫБОР ГРУЗОПОДЪЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Как уже излагалось выше, грузоподъёмное оборудование подбирается с учётом веса перемещаемого или поднимаемого груза на поверхность водозаборного сооружения, и от габаритов сооружения, где это оборудование находится.

Грузоподъёмность механизмов, работающих на поднятие таких элементов водозаборного сооружения, как сороудерживающих решеток, фильтровальных сеток, фильтров и щитов-затворов вычисляются не только для определения силы тяжести поднимаемого элемента, но и силы трения в пазах, в которых они устанавливаются, по формуле:

, Н, (5.10.1)

где m - масса поднимаемого груза, кг; f_тр.- коэффициент трения рамки поднимаемого элемента в пазах, при трении стали по стали f_тр = 0,3, при трении стали по бетону f_тр = 0,5; Дh - перепад уровней воды у извлекаемого из воды элемента, м; Ш - коэффициент, учитывающий обтекание потоком стержней решетки или проволоки сетки, принимаемый в пределах 0,07- 0,6; х - скорость потока на подходе к поднимаемому на поверхность элементу, м/с; Щ_э - площадь поднимаемого элемента, м²; k_зап - коэффициент запаса рав ный, 1,5.

Для монтажа и демонтажа негромоздкого насосного оборудования, задвижек, обратных клапанов и т.д. применяют, тали и кран-балки. Они обеспечивают перемещение грузов, как по вертикали, так и в горизонтальной плоскости. Грузоподъёмность этих устройств определяется по массе наибольшей монтажной единицы.

При выборе типа грузоподъёмных устройств учитывают возможность их использования для съема монтажных единиц с транспортного средства и доставки к месту установки. С этой целью в перекрытиях водозаборных сооружений устраивают систему монтажных люков, а в стенах - дверные проёмы для подачи в здание водозабора монтируемых элементов автомобильным или другим видом транспорта. Для этого, на водозаборах небольшой производительности, предусматривают возможность вывода грузоподъемных устройств за пределы здания водозабора.

Тип грузоподъемного оборудования, с учетом унифицированных наземных частей машинного зала, можно подобрать по приложению VI.

5.11 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ВЫБОРОМ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ СЛУЖЕБНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Расчётная мощность силового трансформатора обеспечивающего энергий силовые установки (насосные агрегаты) определяется по формуле:

, кВ·А, (5.11.1)

где k_с - коэффициент спроса, величина которого берётся в пределах 0,6 - - 0,95, в зависимости от числа рабочих агрегатов станции, ее назначения и режима работы; N_ном - номинальная мощность приводного электродвигателя насоса или вспомогательного механизма присоединенного к трансформатору, кВт (при подсчёте суммарной мощности электродвигатели резервные агрегаты не учитываются); з_дв - коэффициент полезного действия соответствующего электродвигателя; сosц - коэффициент мощности, значения которого в зависимости от типоразмера электродвигателя, меняется от 0,8 до 0,92.

Если осветительная сеть запитана от силового трансформатора (что может допускаться лишь в случае небольших насосных станций), то к мощности N_с.тр необходимо прибавить суммарную мощность осветительных нагрузок.

Мощность, расходуемая на электрическое освещении, определяется из расчёта: для помещений 10 - 15 Вт/м², для территории станции - 0,6 Вт/м².

Подбор трансформаторов проводится по каталогу, марки ТА, следующих размеров: 40,63,100,160,400,630 и 1000 кВА.

Количество трансформаторов для насосной станции первой категории надежности принимается равным не менее двух, для второй или третьей категории - один.

Размеры камер трансформаторов принимаются с учетом минимально допустимых расстояний: перед дверями - 0,8м, до стены - 0,6м, до потол ка - 1,0м.

Необходимое количество шкафов (КРУ) определяется по числу установленных насосных агрегатов и дополнительно 1 - 2 шкафа на перспективу.

Размер шкафа (КРУ) составляет 1000 Ч 1000 Ч 3085мм.

Размеры помещения КРУ определяются габаритами шкафов, допустимыми расстояниями между шкафами и элементами здания, обеспечивающими удобство монтажа и безопасность обслуживания. Ширина коридора одностороннего обслуживания: для оборудования напряжением 1 - 3 кВ - - 120см, для оборудования напряжением 6кВ - 150см, для оборудования напряжением 10 кВ - 200см. Высота прохода не менее 190см. Расстояние от наинизшей точки провода воздушных вводов в распределительное устройство до земли - 450см.

Количество панелей, на которых устанавливается как высоковольтная, так и низковольтная аппаратура и оборудование определятся из расчета на каждый ввод от силового трансформатора - 2 панели и одна панель на 2 - 3 низковольтных токоприемника.

Размер каждой панели составляет 900 Ч 500 Ч 2100мм.

Управление работой основного оборудования, как указывалось выше, осуществляется с помощью двух автоматических станций СУНО, размер каждой из которых, составляет 600 Ч 500 Ч 1250 мм.

Управление и контроль за работой оборудования насосной станции осуществляется с диспетчерского пульта- щита, состоящего из свободно стоящих панелей размерами 800 Ч 500 Ч 2360мм, расположенных удобно для обзора приборов и работы за ними, в форме полукруга или Побразной формы. На панелях располагаются контрольно - измерительная аппаратура, ключи и кнопки управления, приборы аварийной и предупредительной сигнализации.

Количество панелей принимается равным двум на каждый основной насосный агрегат.

За щитом предусмотрены проходы шириной не менее 1,0м, перед щитом предусматривается площадка, шириной не менее 1,8м.

По принятому количеству щитов и необходимых технологических разрывов между ними и стенками помещения определяют размер помещения диспетчерской. Помещение диспетчерской должно быть расположено так, чтобы оно примыкало к машинному залу и имело застекленное окно для возможности визуального наблюдения за работой оборудования и ситуацией в машинном зале.

Информация для расчетов энергообеспечивающего оборудования приведены в приложении VII.

Компоновочные схемы установки основного и вспомогательного энергообеспечивающего оборудования должны прилагаться к пояснительной записке на чертёжной бумаге формата А 4.

Расчёты электрической нагрузки насосной станции приводятся в табличной форме (см. табл. 5.11.1).

Подробное описание и расчеты по выбору энергообеспечивающего оборудования приведены в [29].

Размещение энергообеспечивающего оборудования, складирование зап.частей, а так же проведение ремонтных работ этого же оборудования, насосных агрегатов, запорной арматуры и фасонных частей осуществляется на монтажной площадке, или в мастерской, расположенных в здании,либо в помещениях, примыкающих к зданию насосной станции.

Монтажная площадка, служащая для ремонта насосов и электродвигателей, как правило, размещается в торцевой части здания НС и длина ее соответственно, принимается равной ширине здания насосной станции. Ширина площадки должна соответствовать размеру транспортного средства доставляющего оборудование, плюс по 0,7м с каждой стороны на служебный (технологический) проход. В этой же части здания устраиваются ворота с размерами необходимыми для въезда транспорта доставки оборудования. Ворота для зимних условий должны быть утеплены.

Площади помещений кладовой и мастерской соответственно равны 6 - 9м² и 20 - 24м².

В здании насосной станции предусматриваются также помещения дежурного персонала и ремонтной бригады площадью 16 - 20м² и санузел (унитаз и раковина).

По результатам расчетов, проведенных в пунктах 5.1 - 5.11, определяются плановые и высотные размеры водозаборного сооружения и насосной станции с представлением в пояснительной записке КП соответствующих их чертежей в плане и разрезах.

Примеры общей компоновки водозаборного сооружения и насосной

Станции, приведены на рисунках 7 и 8 приложения XV.

Таблица 5.11.1

Наименование приёмников электроэнергии	Количество	Установленная мощность	Коэффициент спроса, kc	Потребная мощность, N, кВт
высоковольтные электродвигатели	всего	в т. ч. рабочих	всего	в т. ч. рабочих
итого
низковольтные электродвигатели (включать все электродвигатели, используемые в насосной станции)
итого
освещение: 1. зданий 2. территории
итого
итого

5.12 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ И ВСПЛЫВАНИЕ

Затопленные водоприемные оголовки водозаборных сооружений (рис.5.12) подвергаются воздействию таких сил как сил тяжести (G), взвешивающих сил (Р) и сил гидродинамического давления воды (F). Эти силы находятся в состоянии статической устойчивости только тогда, когда коэффициенты устойчивости на сдвиг К_сдв и опрокидывания К_опр не меньше допустимых, а дно русла водоисточника, в месте расположения водоприемных оголовков не размываются. Допустимые коэффициенты определяются по формулам:

(5.12.1)

(5.12.2)

(5.12.3)

где ѓ - коэффициент трения подошвы оголовка по его основанию, принимается равным 0,5 при трении бетона по бетону или скальному грунту; 0,6 - по каменной наброске; 0,45 - по песку; 0,35 - по супеси, 0,25 - по суглинку; 0,2-- по глине; при трении ряжей по каменной наброске он принимается равным 0,6, а по песку - 0,4; x_G,у_F,x_P - плечи сил, действующих на оголовок сооружения относительно точки его опрокидывания; м; [К_сдв], [К_опр] - допустимые коэффициенты статической устойчивости оголовков соответственно на сдвиг и опрокидывание, принимаемые равными 1,1- 1,4; х_р - фактическая скорость придонного течения потока в зоне расположения оголовка с учетом стеснения им сечения водотока, м/с; х_доп - допустимая при данном состоянии дна водотока скорость неразмывающего потока, м/с.

Плечо y_F силы F относительно точки О принимается, исходя из условия неравномерности распределения скорости потока по вертикали, равным:

, м. (5.12.4)

где h_ф - заглубление фундамента оголовка относительно дна реки, м; h - высота оголовка в потоке над дном реки, м.

Значение допустимой неразмывающей скорости потока для грунтов, слагающих русло реки, можно принять по таблицам приложения VIII.

Сила тяжести, действующая на грунт от веса сооружения, находится по формуле:

H, (5.12.5)

где g - ускорение свободного падения, м/с², m - масса сооружения, состоящего из отдельных элементов, кг; с_i - плотность материалов, из которых выполнено сооружение, ; V_i - объем его отдельных элементов,.

Значения объемных весов, углов внутреннего трения и пористость некоторых материалов приведены в таблицах 1- 9 приложения XVI.

Сила взвешивания оголовка, расположенного на хорошо проницаемых грунтах определяется по формуле:

(5.12.6)

где с_в - плотность воды, ; V = ?V_i - общий объем оголовка, .

Если же основание оголовка с ограниченной проницаемостью, то сила взвешивания определяется по формуле:

?, H, (5.12.7)

где k_вз - коэффициент взвешивания, принимаемый равным 0,8 - 0,95 для мелких и средних песков; 0,7- 0,8 - для глин; 0,85 - 0,90 - для суглинков и супесей; 0,75 - 1,0 - для сильно трещиноватых скальных пород и 0,35 - для неразрушенных скальных пород; ?_ос - площадь основания оголовка, м².

Сила гидродинамического воздействия потока на оголовок определяется по формуле:

H, (5.12.8)

где c_f - коэффициент лобового сопротивления оголовка потоку (см. приложение XI рис.1); щ - площадь поперечного сечения той части оголовка, которая воспринимает гидродинамическое давление потока (расположенная над плоскостью дна источника перпендикулярно к потоку, часть его вертикального сечения); х - скорость набегания потока на оголовок, принимаемая равной расчетной скорости течения воды в источнике, м/с.

Устойчивость русел водотока в месте расположения оголовка проверяется по условию (5.12.3). При этом х_доп определяется по одной из нижеприведенных формул:

- для спокойных потоков она находится по формуле:

, м/с, (5.12.9)

- для неспокойных потоков, протекающих по руслам, сложенным несвязными грунтами, можно определить по предложению И. В. Мирцхулавы по формуле:

, м/с; (5.12.10)

- для потоков, протекающих по руслам со связными грунтами, по формуле:

, м/с, (5.12.11)

где х_доп - скорость придонного потока после создания сооружения, м/с; d₁₀ - наибольший диаметр отложений на дне (каменного крепления) с содержанием смеси не более 10 %, м; Н - глубина потока у сооружения, м; d - средний диаметр отложений на дне потока или каменного крепления ложа, м (в формулах 5.12.9 и 5.12.10 в мм); с_р- мутность руслоформирующих фракций, кг/; u - коэффициент качества воды источника, принимаемый равным 1.0 - для чистых потоков и 1.4 - для потоков с наносами в коллоидном состоянии; с₀ - плотность донных отложений (каменной отмостки), м/; n - коэффициент перегрузки потока, с - прочность на разрыв грунтов природного сложения; k - коэффициент, характеризующий вероятность отклонения показателя сцепления грунта от среднего значения, k = 0,05 - - 0,75 (принимается обычно равным 0,5).

Коэффициент перегрузки потока можно определить по формуле:

. (5.12.12)

Прочность с на разрыв грунтов определяется по формуле:

(5.12.13)

Если фактическая скорость придонного потока х_ф у сооружения больше найденной по формулам (5.12.85.12.10), вокруг него требуется специальное закрепление грунта (устойчивых щебеночных отсыпок, каменных отмосток и т.п.). Его неразмываемость проверяется с помощью выше приведенных расчетных формул.

Водозаборные сооружения, днища которых расположены ниже возможного уровня воды в источнике, при опорожнении могут всплыть.

Расчет на устойчивость к всплытию выполняется для случая, когда уровень воды в источнике достигает максимальной отметки, а все рабочие секции водозабора или часть их полностью опорожняются для производства в них монтажно - демонтажных и ремонтных работ, или выполнения профилактических осмотров и обследований. При этом надо учитывать, что наносное отделение водозаборного сооружения всегда свободно от воды.

Водозабор (рис.5.13) или его отдельные элементы считаются устойчивыми к всплытию, если соблюдается условие

(5.12.14)

Или

??_мf_м+

?, (5.12.15)

где G_с и G_о - сила тяжести соответственно строительных конструкций и оборудования водозаборного сооружения, (см. приложения XII,XV,XVI) Н; F_w - взвешивающая сила, Н; H_с и H_м - высота слоя соответственно сухих и мокрых грунтов воздействующих на стенки водозабора, м; y_c и y_м - удельный вес этих грунтов,H/м³; ?_С и ?_м - площадь внешних поверхностей подземной части водозабора, находящихся соответственно в зоне сухих и мокрых грунтов,Н/м²; f_с и f_м - коэффициенты трения сооружения о грунты; К_вспл - коэффициент запаса устойчивости к всплытию, принимаемый равным 1.1 - 1.4; V_в - объем затопляемой части сооружения по внешнему контуру (объем части сооружения, находящейся ниже расчетного максимального уровня воды в источнике), Ш_с и Ш_м - коэффициенты, учитывающие способность сухих и мокрых грунтов передавать давление на ограничивающие их стенки и определяются по формуле:

ц), (5.12.16)

где ц - угол внутреннего трения грунта, ц = 26 - 32.

При расчете сооружений на всплытие принимают, что опорожнение камер эксплуатируемого водозабора от воды осуществляется поочередно, только в одной из его секций.

Монтажные работы при открытом способе строительства водозабора производятся в незатопленном сооружении, когда оно находится за строительными перемычками. В этом случае в проверке водозабора на всплытие нет необходимости.