Насосные станции и насосы

Насосные станции.Напор в водопроводной сети создается насосными станциями и напорно-регулирующими сооружениями.

При проектировании насосной станции требуется рассчитать величину свободного напора водопроводной сети. С этой целью на ее схеме определяют самый отдаленный от источника или наиболее высокорасположенный пункт потребления воды, называемый «диктующей» точкой. Если водопроводная сеть будет в состоянии обеспечить потребителей «диктующей» точки, то и все остальные также будут иметь воду.

Свободный напор H_СВ, Па, можно определить по формуле

, (1.15)

где H_Г – геометрическая высота расположения «диктующей» точки, м; h_СВ – свободный напор, который необходимо обеспечить у водоразборных приборов, м; h – потери напора в трубопроводе от точки соединения его с внешней сетью до точки присоединения водоразборных приборов, м.

Различают насосные станции первого и второго подъема. Станции первого подъема забирают воду из источника и обеспечивают ее подачу в промежуточные сборные резервуары или на очистные сооружения. Станции второго подъема подают воду из промежуточных резервуаров в напорно-регулирующие сооружения (водонапорную башню) или непосредственно в водопроводную сеть.

В зависимости от расположения помещения относительно поверхности земли насосные станции бывают наземные и заглубленные. В зависимости от требований, предъявляемых к надежности систем водоснабжения, насосные станции по допустимой продолжительности перерыва в подаче воды делят на три класса. На крупных животноводческих комплексах строят насосные станции второго класса, для которых допустим перерыв в подаче воды только на время, необходимое для включения в работу резервных агрегатов.

Напорные гидравлические машины, предназначенные для подъема, нагнетания и перемещения жидкостей (или газов), называются насосами. В отличие от них безнапорные водоподъемники служат только для подъема жидкости, не создавая свободного (дополнительного) напора; их также называют водоподъемными установками.

Насосы.По принципу действия насосы делятся на лопастные, объемные и струйные. В лопастных (центробежные, осевые или пропеллерные) жидкость перемещается под действием вращающегося рабочего колеса, снабженного лопастями; к объемным (или насосам вытеснения) относятся поршневые и роторные (винтовые, шестеренчатые, шиберные и др.); струйные (эжекторы) включают подъемники, в которых для подачи жидкости используется энергия другого ее потока.

Применяются водоподъемники следующих типов: воздушные (пневматические насосы замещения и эрлифты), в которых для подъема воды используется энергия сжатого воздуха; водочерпальные (ленточные и шнуровые), основанные на смачивании водой непрерывно движущейся ленты или шнура; гидроударные (гидравлические тараны), использующие энергию гидравлического удара, возникающего в трубе при резком торможении потока воды; инерционные (вибрационные), в которых используются силы инерции, проявляющиеся в столбе жидкости при быстром изменении давления.

Для подачи воды из поверхностных источников, промежуточных резервуаров, а также из шахтных колодцев и буровых скважин при динамическом уровне воды до 6 м ниже поверхности земли применяют центробежные насосы. При динамическом уровне от 6 до 10 м эти насосы устанавливают с заглублением на 4…5 м, а свыше 10 м закладывают буровые скважины и используют водоподъемные установки других типов.

Выбор типа конкретного водоподъемного оборудования производят в соответствии с условиями работы водопроводной сети, что отражается в ее гидравлической характеристике, которая представляет собой совокупность кривых на графике, показанном на рис. 1.8. Они отображают зависимость изменения основных показателей работы водопровода (напор, КПД, затраты мощности) от расхода.

Рисунок 1.8 – Рабочая характеристика центробежного насоса ЗК-9 (а) и совмещение ее с характеристикой трубопровода (б)

Рисунок 1.9 – Схема центробежного насоса: 1 – нагнетательный трубопровод; 2 – рабочее колесо; 3 – лопасть; 4 – приемный клапан; 5 – всасывающая труба; 6 – корпус насоса; 7 – обратный клапан

Рассмотрим рабочий процесс лопастного центробежного насоса консольного типа, схема которого приведена на рисунок 1.9. При вращении колеса 2 вода, залитая в насос перед пуском, увлекается лопастями 3 и под действием центробежной силы устремляется по межлопастным каналам от центра колеса к его периферии, приобретая при этом кинетическую энергию, которая идет на создание напора. Выброшенная из колеса с большой скоростью в расширяющееся русло спирали вода постепенно теряет скорость, создавая при этом напор, возрастающий по мере приближения к нагнетательной полости. Далее она под этим напором поступает через нагнетательный (напорный) трубопровод 1 в водопроводную сеть. При вытеснении воды из рабочего колеса в центре его создается разрежение, вследствие чего она под действием атмосферного давления через приемный клапан 4 поступает из источника в насос. Таким образом, в последнем устанавливается равномерное и непрерывное движение жидкости от источника к напорному трубопроводу. Клапан 7 предотвращает обратный слив воды и защищает насос от гидравлического удара при внезапной остановке.

Особенностью центробежных насосов является тесная взаимосвязь между подачей и напором. С ее увеличением напор насоса уменьшается, а с уменьшением возрастает.

Работа насоса характеризуется следующими основными показателями: подача или расход Q, м³/с, л/с; напор Н, м; затрачиваемая мощность N, кВт; частота вращения рабочего колеса п, с^-1, мин^-1; коэффициент полезного действия (КПД) η.

Полный напор, развиваемый насосом, равен сумме высот всасывания и нагнетания и потерь напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, т.е.

, (1.16)

где z_ВС – геометрическая (геодезическая) высота всасывания, т.е. расстояние по вертикали от уровня воды в источнике до оси рабочего колеса насоса, м; z_НАГ – геометрическая (геодезическая) высота нагнетания, т.е. расстояние по вертикали от оси рабочего колеса насоса до уровня воды в трубе или напорном резервуаре, м; ∆H_ВС, ∆H_НАГ – потери напора соответственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м.

Полезная мощность N_П на валу насоса, затрачиваемая на подъем и перекачку воды, составляет

. (1.17)

где N_ДВ – развиваемая электродвигателем мощность, которая определяется при испытании по показаниям ваттметра, кВт; η_ДВ, η_ПЕР – КПД двигателя и передачи соответственно.

При соединении двигателя непосредственно с валом насоса η_ПЕР = 1,0, а КПД двигателя при его номинальной нагрузке равняется η_ДВ = 0,87…0,90. Значения полного КПД центробежного насоса η_НАС указываются в его паспорте. У разных конструкций они колеблются в пределах η = 0,60…0,92.

Для того, чтобы выбрать наиболее экономичный режим работы насоса, требуется знать взаимосвязь рассмотренных параметров насоса и характер их изменений при переходе от одних условий эксплуатации к другим. Графическое изображение зависимости основных параметров (напора, мощности, КПД) от подачи при постоянной частоте вращения рабочего колеса называется рабочей характеристикой насоса. Рабочая характеристика центробежного насоса марки ЗК-9 (или ЗКМ-9) (см. рис. 1.9, а), полученная по результатам испытаний [11], содержит кривые зависимостей Q – Н, Q – N, Q – η и Q – . Характерные режимы работы насоса отмечены соответствующими точками. Так, начальная точка на кривой Q – H соответствует работе, насоса при закрытой задвижке у начала нагнетательного трубопровода, когда подача Q = 0. Мощность N при этом составляет около 30 % номинальной (она расходуется на механические потери и нагрев воды в насосе). Закрывать задвижку можно лишь на время пуска насоса.

Оптимальный режим работы соответствует точке максимального значения КПД η_max, а конечная точка кривой Q – H – максимальному значению подачи Q. За ее пределами насос может войти в кавитационный режим, при котором жидкость вскипает с выделением из нее паров и газа. Кавитация ведет к нарушению нормальной работы насоса и быстрому износу лопаток. При работе центробежного насоса на водопроводную сеть его подача и напор определяются не только им самим, но также и сопротивлением нагнетательного трубопровода. Зависимость между расходом воды трубопровода и напором, необходимым для его пропуска Q_T – H_Г, называется характеристикой трубопровода (сети). Напор, который должен при этом развивать насос, складывается из геометрической высоты подачи и потерь на трение и преодоление местного сопротивления в линии нагнетания, т.е.

. (1.18)

При постоянстве значений высот всасывания и подачи потери H_наг можно определить по формуле

, (1.19)

где A – постоянная величина, называемая удельным сопротивлением данного трубопровода; k – поправочный коэффициент при скорости движения воды v =1,2 м/с; l – длина трубопровода, м.

Сопоставление рабочей характеристики насоса (см. рис. 1.8, а) с характеристикой трубопровода (см. рис. 1.8, б) было произведено ранее. Геометрическая высота подачи, соответствующая отметке z_НАГ на последнем, показана прямой, параллельной оси абсцисс (постоянная для конкретных условий величина). Точка А пересечения кривой Q – H_Т характеристики сети с кривой подачи Q – Н центробежного насоса определяет условия совместной работы данного насоса ЗК-9 с конкретной водопроводной сетью. Точку А называют рабочей. По ней можно определить все основные параметры насоса при работе на данную водопроводную сеть, отмечаемые на характеристике вертикальной линией, проведенной к оси подач. В частности, ордината точки 1 на кривой Q – η соответствует КПД насоса при работе на сеть. При правильном выборе его эта вертикальная линия пересечет кривую Q – η вблизи максимального значения КПД.

Ордината точки 2 характеризует мощность, затрачиваемую при работе насоса при данной подаче; ордината точки 3 пересечения с кривой Q – показывает допустимую высоту всасывания насоса, при которой еще не возникает кавитация; ордината точки 4 соответствует значению подачи при работе насоса с присоединенной водопроводной сетью. При этом развиваемый насосом полный напор характеризует горизонтальная прямая (пунктир), проведенная от рабочей точки А до оси ординат.

В зависимости от изменений частоты вращения п рабочего колеса различные значения также принимают подача, напор и потребляемая мощность. Значения этих параметров при другой частоте вращения п₁ определяются согласно теории подобия по формулам

; ; . (1.20)

Эти соотношения справедливы при изменениях частоты вращения до ±20 % от номинальной. Насос выбирают такой, режим работы которого был бы оптимальным, т. е. он работал бы при КПД, близких к максимальному.

По значениям создаваемого напора центробежные насосы делятся на малонапорные – до 20 кПа, средненапорные – до 600 кПа и высоконапорные – более 600 кПа (или соответственно 20, 60 и более 60 м). Насосы сельскохозяйственного назначения относятся к группе средненапорных. В зависимости от частоты вращения рабочего колеса центробежные насосы делятся на тихоходные, нормальные и быстроходные. Коэффициентом быстроходности называется такая частота вращения колеса, при которой оно развивает давление 10 кПа при затрате мощности 0,736 кВт. Он обозначается и определяется по формуле

. (1.21)

У тихоходных насосов n_S = 40…80, у нормальных n_S = 80…150 и у быстроходных n_S = 150…350.