Электрическая часть насосных станций

Насосные станции подключаются к линиям электропередач (ЛЭП) с напряжением 6,3-35 кВт. Насосные 1 категории подключаются не менее чем к двум ЛЭП. Двигатели основных насосов обычно присоединяются к ЛЭП через понизительные трансформаторные подстанции.

Для приводов водопроводных насосов применяются в основном асинхронные и реже синхронные двигатели переменного тока. Асинхронные двигатели просты и надежны в эксплуатации, но требуют высокой пусковой мощности (в 3-7 раз больше номинальной). При проектировании насосных станций придерживаются следующих условий выбора типа двигателей: при мощности до 300 кВт применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (напряжение 380 В при мощности до 100 кВт и 6300 В – при большей мощности). Если мощность превышает 300 кВт, устанавливают синхронные двигатели высокого напряжения (6300 и 10 000 В). В приложении 4 даны сведения о насосах с одним из рекомендуемых двигателей. При необходимости самостоятельно подобрать марку двигателя следует сначала рассчитать максимальную потребляемую мощность насоса, кВт

η, (3.6)

где Q, H и η – подача (м³/с), напор (м) и КПД насоса при режиме работы, требующем наибольшей мощности.

Мощность двигателя рассчитывается по формуле:

, (3.7)

где k_з – коэффициент запаса мощности, принимается: при мощности двигателя до 20 кВт k_з =1,25; 21 – 50 кВт – k_з =1,2; 51 – 300 кВт k_з =1,15; более 300 кВт k_з =1,1;η_пер – КПД устройства, передающего вращение от вала двигателя валу насоса, при дисковом муфтовом соединении η_пер =1.

Трансформаторыи масляные выключатели размещают в отдельных помещениях с капитальными стенами и ограниченным доступом обслуживающего персонала и отдельным входом снаружи. Иногда, на крупных насосных станциях, трансформаторы размещают в отдельных зданиях.

Необходимая мощность трансформаторов насосной станции S, кВа, определяется мощностями приводных двигателей насосов, электроприводов других механизмов (задвижек, грузоподьемного оборудования, вспомогательных насосов), электроосветительных и электроотопительных устройств и вычисляется по формуле:

(3.8)

где - коэффициент спроса по мощности, при двух работающих двигателях равный - 1, при трех - 0,9, при четырех - 0,8, при пяти и более - 0,7; - номинальная (паспортная) мощность основных насосов (без резервных); - коэффициент полезного действия электродвигателя, обычно 0,9 - 0,93; cos j - коэффициент мощности электродвигателя, принимаемый в размере 0,8 - 0,92; 10 - 50 - мощность вспомогательного оборудования и приборов.

Количество трансформаторов принимается не менее двух. При выходе одного из них из строя допускается временная перегрузка оставшихся не более чем на 20 - 40% номинальной мощности трансформатора.

Распределительные устройства (РУ) высокого напряжения состоят из ячеек, в которых находится высоковольтная аппаратура: масляные выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы тока и напряжения, сборные шины и реле защиты. Ячейки РУ выполняются в виде шкафов КРУ (комплексное распределительное устройство). Размеры КРУ: 900 мм - по фронту обслуживания; 1660 мм - в глубину; 2380 мм - по высоте. Камеры размещаются с одной стороны - одностороннее обслуживание - и с двух сторон - двустороннее обслуживание. Ширина коридора одностороннего обслуживания не менее 2000 мм, а двустороннего - не менее 2400 мм. Размеры помещения РУ зависят от числа имеющихся в электрической схеме масляных выключателей.

Привод магнитных выключателей, а также оборудование низкого напряжения - щит управления, щит измерения и сигнализации, щиты низкого напряжения для подключения вспомогательного оборудования, располагаются в щитовой. Это помещение с естественным освещением должно иметь выход в машинный зал, размеры его для насосных станций 1 подъема рекомендуется равным 4-5 м², для насосных 2 подъема - 4-6 м².

Варианты компоновки помещений электрической части приведены на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схемы компоновки электрической части в насосных станциях: а), б), в) - различные варианты компоновки; 1 - машинный зал; 2 - щитовое помещение; 3 - камеры трансформаторов; 4 - распределительные устройства

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как определяется число насосов в насосной станции?

2. По каким правилам проектируются всасывающие и напорные трубопроводы в насосной станции?

3. По каким правилам размещают насосы и трубопроводы в насосных станциях?

4. Для чего и как выполняется гидравлический расчет внутристанционных трубопроводов?

5. Какие способы применяются для заливки насосов?

6. Как рассчитывается вакуум-насос?

7. Как выбирается подъемно-транспортное оборудование для насосной станции?

8. Основные конструкции насосных станций.

9. Как рассчитывается мощность приводных двигателей насосов?

10. Перечислите основные элементы электрической части насосной станции и их назначение?

4 НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ ПЕРВОГО ПОДЪЕМА

4.1 Насосные станции первого подъема при заборе воды из подземных источников

Подземные воды, как правило, обладают лучшим и более стабильным качеством, чем поверхностные, надежно защищены от загрязнений, имеют постоянную температуру, поэтому рекомендуются для хозяйственно-питьевого водоснабжения в первую очередь. Подземные воды могут подаваться насосами непосредственно потребителям или на очистные сооружения, откуда доставляются потребителям обычно насосами второго подъема.

График подачи насосной станции, как правило, равномерный круглосуточный. Иногда, при небольшой производительности, насосная станция может работать не полные сутки.

Тип насосной станции первого подьема зависит от конструкции водозаборного сооружения - скважина, шахтный колодец, а также вида водоподъемного оборудования - погружного, трансмиссионного, горизонтального насосов, эрлифта, вакуум-насоса и др. На рисунке 4.1 приведены схемы наиболее распространенных типов водозаборов подземных вод с установленным водоподъемным оборудованием. Расположение насосных станций в плане и по высоте зависит от производительности водозабора, характеристики водоподъемного оборудования, рельефа и гидрологических условий местности.

Проектирование насосной станции ведется в следующей последовательности.

1. На основании данных задания выбирается тип водозаборного сооружения, определяется дебит и количество водозаборных устройств, рассчитываются максимальный и минимальный уровни воды в скважине или колодце. Подробно выполнение этих расчетов изложено в методических указаниях и другой литературе по водозаборным сооружениям.

В курсовом проекте тип водозаборных сооружений, их количество и расчетные уровни воды могут быть заданы.

За расчетную часовую производительность Q_ч водозабора и насосной станции первого подъема (или насосных станций, если их несколько на водозаборе) при равномерном круглосуточном режиме работы принимается среднечасовой расход в сутки максимального водопотребления, м³/ ч,

( 4.1)

где - коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды водозаборных и очистных сооружений, принимается равным 1,04-1,1.

Рис.4.1. Схемы подземных водозаборов, совмещенных с насосными станциями: а) - шахтный или водосборный колодец с трансмиссионным насосом; б) - шахтный или водосборный колодец с горизонтальным насосом; в) - скважина с трансмиссионным насосом; г) - скважина с погружным насосом; д) - скважина с эрлифтом; е) - скважины с единой вакуум-системой и горизонтальным насосом

- максимальная суточная производительность водопровода; Т - продолжительность работы насосной станции в сутки, обычно равная 24 ч.

Расчетная секундная подача водозабора и насосной станции , л/с, находится по формуле

( 4.2)

Производительность насосных станций при нескольких водозаборных сооружениях (например, скважинах), может быть одинаковой или различной, что должно быть учтено при их проектировании.

2. Производится трассировка всасывающих и напорных водоводов, определяется их количество. Всасывающих водоводов должно быть не менее двух. При коротких водоводах, к каждому насосу подводится самостоятельный всасывающий водовод. При большом числе насосов и значительной протяженности водоводов они могут объединяться коллекторами, обычно размещаемыми в насосной станции. При использовании артезианских насосов всасывающих водоводов нет, т.к. насосы устанавливаются под уровень воды.

Для насосных станций первой и второй категорий обеспеченности подачи число напорных водоводов также должно быть не менее двух. Материал труб выбирается по рекомендациям СНиПа [1].

Диаметры труб водоводов следует принимать по величине расчетного секундного расхода, приходящегося на одну нитку, при этом скорости движения воды должны соответствовать приведенным в таблице 3.1. Всасывающие водоводы при аварии на одной из ниток должны обеспечить пропуск по оставшимся ниткам полного расчетного расхода (для насосной станции III категории - 70 % расчетного расхода).

В сборных напорных водоводах для нескольких водозаборов (например, скважин) скорости движения воды принимаются 0,4 - 0,7 м/с для диаметров труб 100 - 400 мм и 0,7 - 1,0 м/с - для диаметров 500 - 1000 мм. При этом линейные тупиковые водоводы проектируются по телескопической схеме с постепенным увеличением диаметров по мере подключения скважин. Максимальное число подключенных к одной нитке скважин определяется из условия, чтобы характеристики насосов не выходили за пределы области оптимальных КПД.

3. Определяется расчетный напор насосов при расчетной подаче по формуле

Н = Z_б - Z_д + h_нс + h_вод + Н_св , (4.3)

где Z_б - отметка максимального уровня воды в сооружении в которое перекачивается вода (башня, резервуар, смеситель) или отметка заданного пьезометрического уровня при подаче воды непосредственно потребителю; Z_д - отметка минимального уровня воды в водозаборном сооружении (обычно отметка проектного динамического уровня); h_нс - потери напора внутри водозаборного сооружения и насосной станции, в первом приближении принимаются равными 1,5 - 2,0 м; h_вод - потери напора в напорных водоводах, определяемые по формуле (2.2); Н_св - запас напора на излив воды из трубопровода, обычно 1,5 м.

Потери напора в местных сопротивлениях могут быть приняты в размере 5 - 10 % от потерь напора по длине. Потери напора по длине трубопровода вычисляются при нормальных условиях работы станции по таблицам Ф.А. Шевелева [4] или формуле (2.3). При нескольких водозаборных сооружениях, расположенных на большом удалении друг от друга и последовательно присоединенных к общему напорному водоводу, следует учитывать изменение расхода на участках водовода. При этом расчетные напоры для насосов, установленных в разных насосных станциях, будут отличаться. Возможно, потребуется установка разных насосов в водозаборные сооружения.

4. По расчетной подаче насосов и требуемому напору производится выбор марки насоса по каталогу [2] или по [3,6]. При этом следует учитывать условия установки насоса в насосной станции. Так, для скважинных водозаборов необходимо выбирать артезианский насос с диаметром корпуса, помещающимся в диаметр эксплуатационной скважины. Максимальная производительность насоса не должна создавать скорость притока воды к фильтру выше предельной V_ф ^макс, м/сут, определяемой по формуле

(4.4)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут.

При шахтном водозаборе число рабочих насосов n_раб следует принимать не менее двух, предполагая их параллельную работу. В этом случае подача каждого насоса, м³/ч, определяется по формуле

. (4.5)

При нескольких возможных вариантах выбора насоса, следует отдавать предпочтение насосам с наибольшим КПД с учетом необходимой регулировки. При отсутствии в комплекте к насосу двигателя, его подбирают по максимальной расчетной мощности на валу и частоте вращения. Мощность двигателя должна на 5 - 15 % превышать расчетную.

5. Для нахождения рабочих точек при различных режимах работы насосной станции строится график совместной работы насосов и напорных водоводов. Для одной насосной станции и одного водовода задача простая. Характеристика водовода Н - Q может быть построена из расчетов по формуле

, м, (4.5)

где Н_г - геометрическая высота подьема воды, м, Н_г = Z_б - Z_д; А - удельное сопротивление трубопровода водовода по формуле 2.3; L - длина водовода, м; n - число ниток водовода.

Задаваясь значениями расходов в интересующем нас интервале, подсчитываем соответствующие значения напоров, по этим координатам строим характеристику водовода в осях H - Q. В выбранном масштабе переносим на график основную характеристику H - Q подобранного насоса. Точка пересечения этих линий является рабочей.

Для нескольких параллельно работающих на один водовод насосных станций (например, нескольких скважин) строится график совместной работы скважинных насосов. Построение такого графика рассмотрим на примере водозабора из трех скважин, имеющих динамический уровень на одной отметке, как это показано на рис. 4.2. Если к водоводу подключены резервные скважины, то выбирается самая невыгодная с точки зрения потерь напора схема транспортирования воды. Как правило, резервными принимаются наиболее близкие к сборному резервуару, на рис.4.2 это скважина Г.

Предварительно для каждого из скважинных насосов строится приведенная характеристика H_п - Q, учитывающая потери напора от насоса до точки присоединения к общему водоводу. Для насоса А это точка 2, для насосов Б и В - точки 2 и 3 соответственно.

Потери напора h_o, м, определяются суммой

, (4.6)

где h_c - потери напора в водоподъемных трубопроводах внутри скважины; h_м - местные потери напора; h_вм - потери напора в водомере; h_l - потери напора по длине трубопровода от насосной станции до точки присоединения к общему водоводу.

Определив потери напора для трех - четырех расходов, уменьшают на эту величину, при тех же значениях расхода, напор насоса, определенный по паспортной характеристике насоса:

, (4.7)

где H_п - приведенный напор насоса, м; H - паспортное значение напора насоса, м.

График H_п-Q является приведенной характеристикой насоса А. Построив приведенные характеристики для насосов А и Б, приступают к построению совместной характеристики этих насосов относительно точки слияния потоков - точки 2.

Рис. 4.2. Совместная работа трех скважинных насосов: а) - высотная схема водозабора; б) - план водозаборных скважин и сборного водовода; в) - характеристики насосов и водовода: 1- паспортная характеристика насоса А; 2 - приведенная характеристика насоса А относительно точки 2; 3 - совместная характеристика насосов А и Б относительно точки 2; 4 - приведенная характеристика насосов А и Б относительно точки 3; 5 - совместная характеристика насосов А, Б и В относительно точки 3; 6 - характеристика водовода Н-Q на участке 3 - 4; Р - рабочая точка трех совместно работающих насосов на общий водовод 1- 4.

Построение ведется по обычной для параллельно работающих насосов методике путем сложения подачи насосов при одинаковых напорах.

Далее строят приведенную характеристику насосов А и Б относительно точки 3 для чего вычитают из напоров совместной характеристики насосов А и Б относительно точки 2 потери напора на участке водовода от точки 2 до точки 3.

Далее строят совместную характеристику насосов А, Б и В относительно точки 3 путем сложения приведенной совместной характеристики насосов Аи Б относительно точки 3 и приведенной характеристики насоса В относительно точки 3. Полученная таким построением приведенная совместная характеристика насосов А, Б и Впри пересечении с характеристикой водовода участка 3 - 4 даст рабочую точку Р.

Напор для характеристики участка водовода между точками 3 и 4 H-Q вычисляют по уравнению (4.3), определив геометрическую высоту подьема, м:

, ( 4.8)

где Z_б - отметка уровня воды в башне или сборном резервуаре; Z_д - отметка динамического уровня воды в скважинах.

Задаваясь произвольными значениями расхода, определяют соответствующий напор H. Строят характеристику водовода H - Q на графике совместной работы насосов и находят рабочую точку Р. Проекция этой точки на приведенные характеристики насосов, как показано на рис. 4.2, даст параметры работы каждого насоса. Например, для насоса А это подача Q₁ и напор Н₁, для насоса Б соответственно подача Q₂ и напор Н₂ и т.д.

Таким же методом можно построить и характеристики совместно работающих насосов в скважинах с разными динамическими горизонтами. В этом случае характеристики насосов строят относительно разных нулевых линий, соответствующих положению динамического горизонта в каждой скважине. При вычислении напора для характеристики водоводов в формулу (4.8) подставляют низшую отметку динамического уровня воды в рассматриваемых скважинах.

6. Определяется число резервных насосов в зависимости от категории станции [1], для скважинных водозаборов резервируются сами скважины, оборудованные насосами. Для шахтного водозабора резервные насосы устанавливают в одной шахте или павильоне над ней.

7. Определяется положение насосов и двигателей в насосной станции. Погружные насосы вместе с двигателями как и трансмиссионные насосы должны быть заглублены под динамический уровень воды на величину подпора по паспорту насоса. Отметка оси горизонтального насоса, если насос установлен не под залив, рассчитывается с учетом вакуумметрической высоты всасывания по формуле (2.6). При установке под залив верх насоса должен быть на 0,3 - 0,5 м ниже наименьшего уровня воды (обычно динамического) в питающем колодце, резервуаре.

Размещение насосов в наземном павильоне производится с соблюдением обычных требований (см. п.3). В заглубленных камерах следует придерживаться компактной планировки, уменьшая расстояние между агрегатами, между ними и стенами до 0,7 м.

8. Подбираются контрольно-измерительные приборы и арматура. На напорной линии устанавливаются расходомеры и противоударные устройства. В качестве расходомеров применяются диафрагмы, сопла Вентури или турбинные водомеры (на трубах диаметром до 200мм). Турбинные расходомеры устанавливаются на обводных линиях в павильоне. Расходомеры размещают на прямолинейном участке, не имеющем местных сопротивлений на длине 5-8 диаметров до и 3-5 диаметров после водомера. На напорной линии устанавливают вантуз для выпуска воздуха, обратный клапан, задвижки, пробно-спускной кран, трубопровод промывной воды с задвижкой, необходимый для сброса воды при пуске и промывке скважины. Управление насосами следует автоматизировать, используя типовые станции управления.

Рис. 4.3. Схема наземного павильона над скважиной: а) - план павильона; б) - разрез павильона; 1 - двигатель трансмиссионного насоса; 2 - вантуз; 3 - труба для сброса промывной воды; 4 - задвижки; 5 - обратный клапан; 6 - водомер; 7- напорный трубопровод; 8 - оголовок скважины; 9 - станция управления; 10 - монтажный люк; 11 - вентиляционная вытяжка

9. Для трансмиссионных насосов применяют, как правило, наземные павильоны, как показано на рис. 4.3. Подземные павильоны над скважинами строятся обычно в сухих грунтах при установке насосов ЭЦВ (рис. 4.4). При оборудовании скважин или других водозаборов подземных вод горизонтальными насосами, павильоны могут быть наземными или заглубленными.

Рис.4.4. Схема подземной насосной станции над скважиной:

1- насосный павильон; 2 – камера расходомеров;

3 – вентиляционная вытяжка; 4 – люк; 5 – скважина;

6 – оголовок; 7 – вантуз; 8 – обводная линия; 9 – расходомер;

10. В качестве подъемно-транспортного средства над павильоном и колодцем применяют передвижные автокраны, треноги и тали. В перекрытиях над насосами предусматривают монтажный люк. В наземных павильонах с горизонтальными насосами могут использоваться подвесные кран-балки и тали по монорельсам (тельферы).

11. Строительные конструкции наземной насосной станции простые: фундаменты ленточные или столбчатые; стены толщиной в полтора - два кирпича; перекрытие из сборных или монолитных железобетонных плит; кровля рубероидная; полы цементные на бетонной подготовке. В наземных павильонах отметка пола принимается выше отметки земли на 15 - 20 см.

Размеры павильона в плане обычно не превышают 3,5 х 4,5 м, при высоте 3,0 - 3,5 м. Вентиляция естественная через вытяжные трубы. Двери устраивают шириной 100 - 120 см при высоте 200 - 240 см, окна в павильонах обычно не предусматривают. Отопление насосной станции - электрическое. Санитарный узел не предусматривается.

Подземные камеры выполняют из монолитного железобетона или сборных плит и колец с надлежащей гидроизоляцией. Днище и оголовок выполняют монолитными, бетонными, перекрытие - из железобетонных плит.