Расчет производительности насосной станции

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный университет цветных

металлов и золота»

Институт горного дела и геологии

Кафедра: Горных машин и комплексов

Группа: ММ 04-2у

Дисциплина: Стационарные машины

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Расчет производительности насосной станции

Руководитель проекта: Герасимова Т. А.

Разработал студент: Альшанский С. А.

Красноярск 2006

ЗАДАНИЕ № 1

ВАРИАНТ № 1

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

Наименование	Размерность	Обозначение	Задано
1. Нормальный водоприток	м3/ч	Qн	100
2. Длины участков трубопроводов	-	-	-
AB	м	AB	5
BC	м	BC	5
CD	м	CD	8,5
EF	м	EF	20
FG	м	FG	120
GH	м	GH	500

СХЕМА

СОДЕРЖАНИЕ

1 Расчет водопроводных сетей

2 Расчетная производительность насосной станции

Расчет сложного (разветвленного) незамкнутого трубопровода (трубопроводной сети)

Различают следующие виды сложного трубопровода:

а) незамкнутый, или, иначе, тупиковый

б) замкнутый, или, иначе, кольцевой

Рассмотрим расчет незамкнутого сложного трубопровода (тупиковой водопроводной сети), питаемого из бака Б, установленного на водонапорной башне (см. чертеж). Такой трубопровод состоит из магистрали (главной линии;1-2-3-4) и ответвлений (линий второго порядка; 2-5 и 3-6).

1) Случай когда высотное положение водонапорного бака не задано.

Для гидравлического расчета рассматриваемой сети труб должны быть заданы:

а) длинны l отдельных труб и начертание сети их на плане местности в горизонталях;

б) расчетные расходы воды, забираемые в отдельных точках сети: q₄, q₅, q_6;

в) расход q', забираемый с 1 м длины того или другого трубопровода

(см. трубопровод 2--5);

г) минимально допустимые отметки горизонта воды в воображаемых пьезометрах, приключенных к концевым точкам сети (точкам4,5,6):??₄^I;?₅^I; ?₆^I. Задавая;?₅^I; ?₆^I , мы тем самым задаем гидродинамические давления в точках 4, 5, 6, а также высоты а, на которые вода в этих точках может подняться («самотеком») над поверхностью земли, если трубопровод, как показано на чертеже, проложен в земле (см., например, точку 4, где отметка поверхности земли обозначена через ?₄^I).

В результате гидравлического расчета можем найти: диаметр труб, а также отметку горизонта воды в водонапорном баке, обеспечивающую подачу заданных расходов воды в заданные точки сети.

Общий ход расчета может быть намечен следующий.

1. Устанавливаем расчетные расходы для отдельных участков сети. Расчетный расход какого-либо участка сети должен равняться сумме расходов, забираемых из сети ниже (по течению) этого участка. Например, расчетный расход для участка 3--4

расчетный расход для участка 1--2

расчетный расход для участка 2--5 согласно формуле будет

2. Выбираем линию трубопроводов, которую следует рассматривать как магистральную. В качестве магистрали намечаем линию наиболее нагруженную расходами, наиболее длинную, характеризуемую наибольшими отметками ? поверхности земли. Если магистраль будет намечена неудачно, то в конце расчета получим некоторую неувязку (см. ниже), причем расчет придется выполнять заново, задавшись новым направлением магистрали.

Расчет магистрали /--2--3--4

1. Задаемся для отдельных участков магистрали так называемой экономической скоростью х_эк (пояснение понятия скорости х_эк см. в следующем пункте); эта скорость может быть принята равной х_эк=1,0 м/с; вообще же говоря, данная скорость должна изменяться с изменением диаметра труб:

D, м.................0,10 0,20 0,25 0,30

х_эк,,м/с.............0,75 0,90 1,10 1,25

2. Установив скорости для отдельных участков магистрали, находим диаметры труб магистрали:

полученное значение D' округляем до ближайшего (большего или меньшего) сортаментного значения D.

3. Зная для каждой трубы ее диаметр D и расход Q, определяем для всех участков магистрали потери напора по формуле:

4. Имея величины h_t для отдельных участков магистрали, строим пьезометрическую линию Р--Р . Построение этой линии начинаем с конца магистрали, зная отметку ?₄^I . Идя от точки п (см. чертеж) против течения и откладывая по вертикали вверх найденные величины (h_l,)_3-4, (h_l,)_2-3, (h_l,)_1-2, получаем искомую линию Р--Р.

Определение отметки горизонта воды в водонапорном баке. Пояснение понятия экономической скорости.

Построив пьезометрическую линию, легко можем написать следующую зависимость, по которой и определяем отметку :

где -- потери напора по длине всей магистрали.

Отметка определяет высоту водонапорной башни Н_Б.

Поясним понятие экономической скорости, о которой говорили выше.

Положим, что мы имеем магистраль, выполненную из труб определенного диаметра. Представим теперь, что этот диаметр постепенно уменьшается. При этом получаем следующее: скорости в магистральных трубах возрастают; потери напора в этих трубах растут; высота водонапорной башни Н_Б увеличивается; увеличивается также и высота Н подъема воды насосами, а следовательно, растет и мощность насосов, равная

где -- коэффициент полезного действия насосов,

Можно утверждать, что с уменьшением диаметра труб магистрали: стоимость самой магистрали будет уменьшаться; стоимость же водонапорной башни и насосной станции будет увеличиваться; также будет увеличиваться и ежегодный расход электрической энергии на насосной станции (в связи с работой более мощных насосов).

При увеличении диаметра труб магистрали получаем обратную картину: стоимость самой магистрали растет, а стоимость башни, и насосной станции (а также электроэнергии) уменьшается.

На основании сказанного был исследован вопрос о том, при каких именно скоростях в магистрали получается наиболее экономичное сооружение; в результате и были установлены величины приведенных выше так называемых экономических скоростей.

Расчет ответвлений

Построив пьезометрическую линию для магистрали, мы тем самым задали напоры в начале каждого ответвления. Например, напор в начале ответвления 3--6 определяется отметкой ; напор в начале ответвления 2--5 отметкой

В связи с этим обстоятельством расчет ответвлений принципиально отличается от расчета магистрали:

а) в случае магистрали напор в начале ее не был задан (отметка не была задана); поэтому при расчете магистрали мы исходили из скорости х_эк ;

б) в случае ответвлений напор в начале их задан; задан также и напор в конце каждого ответвления; поэтому при расчете ответвлений исходим из заданной потери напора для каждого ответвления (разности напоров в начале и в конце ответвления).

Имея в виду сказанное, поступаем следующим образом (см. чертеж, на котором для примера представлен продольный профиль по ответвлению 3--6):

а) определяем потерю напора в ответвлении:

где известна из расчета магистрали;

б) определение потерь напора:

по этой формуле находим К';

в) по соответствующим таблицам, зная К', находим диаметр D'; полученное значение D' округляем до ближайшего большего сортаментного значения D;

г) по найденному значению D определяем модуль К и вычисляем действительные потери напора в ответвлении h_t.

Как видно из чертежа, благодаря округлению D' до большего значения D, потеря напора в ответвлении уменьшилась, причем пьезометрическая линия несколько поднялась; при округлении D' до меньшего сортаментного значения отметка в точке 6 оказалась бы не обеспеченной.

В заключение приведем следующее указание.

Если бы в начале расчета мы выбрали магистраль неудачно, то при расчете того или другого ответвления у нас получилось бы соотношение (см. пример ответвления 3--6 на чертеже): . Такое соотношение показывает, что в конец ответвления 3--6 подать необходимый расход невозможно (соблюдая требования в отношении отметки ). Поэтому при наличии указанного соотношения приходится задаваться новым направлением магистрали, идущим, например, по линии /--2--3--6 на чертеже и снова повторять поясненный выше расчет.

2) Случай, когда высотное положение водонапорного бака задано. Ограничимся р_ас. смотрением только магистральной линии

Положим, что для расчета имеются следующие исходные данные

а) длины труб l₁,l₂, …;

б) расходы воды в отдельных трубах Q₁,Q₂, . . .;

в) потеря напора Z в рассматриваемом трубопроводе.

В результате расчета требуется найти диаметры труб: D₁; D_2;…..

Ход расчета

1 Обозначив через L длину магистрали L=l₁+l₂+l₃+……, вычисляем средний пьезометрический уклон:

2. Находим для каждого участка значение К (в первом приближении):

и т.д.

3. Исходя из найденных К, по таблице, выражающей зависимость К = f (D), определяем:

а) ближайшие меньшие сортаментные значения диаметра труб: D₁ ,D₂, D_3…

б) ближайшие большие сортаментные значения диаметра труб: D₁^II,D₂^II,…

4. Рассматриваем различные комбинации найденных сортаментных диаметров, например:

1-й вариант: D₁ ,D₂, D₃ и т. д ;

2-й вариант: D₁^II,D₂^II и т. д.

Если число отдельных участков магистрали равно n, то число возможных комбинаций : (вариантов) будет 2ⁿ. Из этого числа вариантов по техническим соображениям мы должны отобрать только те из них, которые удовлетворяют условию:

где -- сумма потерь напора для всех участков магистрали.

Очевидно, варианты, характеризуемые условием , неприемлемы, так как в них при заданном Z требуемые расходы Q не будут обеспечиваться.

5. Из числа отобранных вариантов останавливаемся (по экономическим соображениям) на том, для которого масса трубопровода (т. е. величина , где -- масса 1 м трубы данного диаметра) оказывается минимальной. Ясно, что трубопровод, имеющий наименьшую массу, будет иметь также и наименьшую стоимость.

Замечания о расчете сложного замкнутого трубопровода

Поясним основной принцип расчета сложного замкнутого трубопровода (кольцевой водопроводной сети).

Рассмотрим сеть, имеющую только одно кольцо . Если расходы воды забираются в точках 4 и 5 сети, как показано на чертеже, то направление движения воды во всех трубах, кроме трубы 4--5, нам известно заранее.

Положим, что для расчета нам заданы:

а) длины всех труб;

б) отметка горизонта воды в водонапорном баке, расположенном в точке 1;

в) минимальные допустимые отметки горизонта воды в воображаемых пьезометрах, присоединенных к узловым точкам сети 3, 4, 5, 6;

г) расходы q₄ и q₅ забираемые из сети.

Требуется установить диаметры отдельных труб, а также построить пьезометрическую линию для трубопровода.

Первую задачу (определение диаметров труб) решаем путем ряда попыток.

1-я попытка. Задаемся а) диаметрами отдельных труб, б) направлением движения воды в трубе 4--5, например, слева направо, в) распределением расхода q₅ между линиями 4--5 и 6--5, здесь считаем, что расход линии 4--5 равен еq₅, а расход линии 6--5 равен (1-е)q₅ , причем задаемся величиной е.

В рассматриваемом кольце труб имеются два разных потока: один против часовой стрелки (2--3--4), другой -- по часовой стрелке (2--6--5). Задавшись направлением движения воды по линии 4--5 слева направо, мы тем самым назначим встречу двух указанных потоков в точке 5. Точка встречи двух потоков называется точкой водораздела или нулевой точкой.

Чтобы проверить, правильно ли мы задались диаметрами труб, положением точки водораздела и величиной е, поступаем следующим образом.

Мысленно разрезаем наше кольцо по намеченной точке водораздела, причем получаем сеть. Далее по обычным формулам подсчитываем потерю напора для линии 1--2--3--4--5' () и для линии 1--2--6--5¹¹ ().После этого сопоставляем между собой две найденные потери напора. Если

то заключаем, что напоры в точках 5' и 5" будут одинаковыми, что и должно быть, поскольку точки 5' и 5" представляют собой физически одну точку 5 (рис. 5-22, а). Следовательно, получив указанное равенство, можем утверждать, что выше мы задались правильно как диаметрами труб D, так и величиной е. Если указанное равенство не получается, то приходится изменять величины D и е, а иногда и переносить точку водораздела в другую точку сети (в точку 4 на чертеже). При этом обращаемся ко 2-й, 3-й и последующим попыткам, добиваясь того, чтобы приведенное выше равенство было выдержано хотя бы приближенно.

2.1 Расчетная производительность насосной станции

Расчетная производительность насосной станции определяется с учетом необходимости откачки суточных водопритоков за 20 часов в соответствии с требованиями правил безопасности.

По нормальному водопритоку:

(1)

где Q_н- нормальный суточный водоприток

Q_н=100 м³/ч

По максимальному водопритоку:

(2)

где Q_max-максимальный суточный водоприток

Q_max= 2•Q_н=200 м³/ч

2.1.1Определение диаметра трубопроводов нагнетательного става

Расчетный расход воды через трубопровод Q_РТ=Q_Р т.к в данном случае насосы предназначены для откачки нормального притока, не имеют резервного става. Следовательно, оптимальное значение скорости движения воды в трубопроводе:

(3)

Расчетный диаметр трубопровода нагнетательного става:

(4)

где V_э - экономическая скорость движения воды по трубам

Диаметр труб нагнетательного (D_н) и всасывающего (D_в) става выбираем по ГОСТ 8732-78: D_н= 245мм=0,245м; D_в=273мм=0,273м ; толщена стенки труб д=7мм.

Рассчитываем фактическую скорость воды в трубах:

Нагнетательный став:

(5)

Всасывающий став:

(6)

2.1.2 Определение расчетного напора воды насосной станции

По профилю трассы определим длину всасывающего и нагнетательного трубопроводов:

L_В= АВ+BC+CD=5+5+8,5=18,5м

L_н=EF+FG+GH= 20+120+500=740м

Расчетный напор насосной станции:

 (7)

где Н_Г- геодезическая высота подъема жидкости

Н_Г =BC+FG=5+120=125м

л-коэффициент линейных потерь напора

для нагнетательного трубопровода

(8)

для всасывающего трубопровода

(9)

?о_В -сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающем трубопроводе

?о_В=2о_з+о_с+о_к

где о_с-сопротивление приёмной сетки с клапаном диаметром 200мм

о_с=5,2

о_з= 0,3-сопритивление задвижки

о_к=0,6-сопротивление клапана с углом загиба 90⁰

?о_В=5,2+0,3+0,6=6,1

?о_н- сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательном трубопроводе

?о_н =2о_з+ о_кл+ 2о_ТР +3оск

где о_з=0,3-сопротивление задвижки

о_кл=10-сопротивление обратного клапана

о_ТР=1,5-сопротивление тройника

оск=0,6-сопротивление сварного колена под углом 90⁰

?о_н=2•0,3+10+2•1,5+3•0,6=15,4

2.1.3 Выбор насоса

Выбор насоса производим по расчетной производительности и расчетному напору насосной станции: Q_р=120 м³/ч; Н_Р=128,03м.

Выбираем центробежный многоступенчатый насос в горизонтальном исполнении типа ЦНС 300-650.

Техническая характеристика:

n=2590 мин ^-1

i=5-8

Q=200 м³/ч

H=140,2 м

Ю=63 %

Н_В=9,7 м

В соответствие с правилами безопасности при притоке воды в водосборник более 50 м³/ч, водоотливные установки образуют не менее, чем тремя насосными агрегатами.

2.1.4 Расчет характеристики внешней сети

(10)

где R_C - общий коэффициент сопротивления внешней сети, определяется

(11)

Рассчитываем характеристику сети при разных производительностях:

Данные расчета заносим в таблицу:

Таблица 4

Q, м3/ч	HC, м
0	125
10	125,01
20	125,08
30	125,19
40	125,34
50	125,53
60	125,77
70	126,05
80	126,38
90	126,74
100	127,15
110	127,61
120	128,1
130	128,64
140	129,23
150	129,85
160	130,52
170	131,24
180	131,99
190	132,79
200	133,63

В результате графических построений определяем ожидаемый расход Q₀ , напор Н₀ и КПД насоса.

Q₀ =130 м³/ч

Н₀ = 128,64м

Ю=63 %

Проверка рабочего режима насоса на необходимую производительность:

Q₀? Q_р; 130 м³/ч >120 м³/ч что удовлетворяет условию.

Проверка на устойчивость

Н_Г?0,9 Н_з

где Н_з - напор насоса при закрытой задвижки

125?130•0,9=117

Проверка на отсутствие кавитации

(12)

где V_во- фактически ожидаемая скорость по всасывающему трубопроводу

(13)

Устанавливаем концевой выключатель от оси всасывания насоса на глубину 9,8м.

2.1.5 Проверка на прочность трубопровода при аварийных гидравлических ударах.

При прямом и полном гидравлическом ударе максимальное повышение давления:

Дp_max=p•V_н.о (14)

где p-1000 кг/м³ - плотность воды

V_н.о- скорость по нагнетательному трубопроводу

(15)

Дp_max=1000 •0,76=760 Па

Проверка на экономичность:

Ю₀ ? Ю_max

где Ю_max- максимальный КПД насоса по характеристики

Ю_max = 63%

Ю₀ ? 63 •0,9= 56,7%

Проверка на устойчивость:

Н_Г ?0,9 Н_з

125 ?130 •0,9=117

Проверяем на отсутствие кавитации:

(16)

где Н_в.д -допускаема высота всасывания Н_в.д=9,7м

 (17)

Фактическая ожидаемая скорость Vвс :

что удовлетворяет условию

Устанавливаем концевой выключатель от оси всасывания насоса на

глубину 9,64м.

2.2 Определение мощности двигателя насоса

(18)

где p-1000 кг/м³ - плотность воды при t=10⁰

k= 1,10 ч1,15 - коэффициент запаса мощности

Согласно расчетной мощности двигателя насоса выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии АО-101-6:

Техническая характеристика

Мощность N=100 кВт

Скорость вращения n= 1500 об/мин

КПД Ю= 91%

2.3 Годовой расход электроэнергии на водоотлив

(19)

где Q_н и Q_max - нормальный и максимальный суточный водоприток

Н_\он и Ю_он - ожидаемый напор и КПД насоса при откачки нормального водопритока

Н_\ош и Ю_ош- ожидаемый напор и КПД насоса при откачки максимального водопритока

Z_н и Z_ш- количество дней в году с нормальным и максимальным водопритоками

Ю_дв и Ю_с- КПД электродвигателя и электросети

1,05 - коэффициент учитывающий дополнительный расход энергии вспомогательным оборудованием насосной станции

Удельный расход электроэнергии:

(20)