Расчет оборудования водозабора и магистрального трубопровода

Цели и задачи работы

Цель работы:получить навыки по выбору стационарного оборудования насосных станций и определению режимов работы насоса на внешнюю сеть.

Основные задачи:изучить основные этапы проектирования трубопроводов водоснабжения; освоить методику гидравлического расчета водопроводной сети.

Методика проведения лабораторной работы

Исходные данные (Приложение 1):

- геометрическая высота подъема жидкости, Н, м;

- требуемая подача насосной установки, Q, м³/ч;

- протяженность участков трубопроводов;

- схема трубопровода.

Рис. 1.1. Схема трубопровода

Напор насоса должен обеспечить прохождение жидкости по трубопроводам с учетом потерь по его длине и на местных сопротивлениях. Местными сопротивлениями являются: арматура трубопровода, включающая задвижки, фильтры, клапаны, фасонные части.

Для расчета необходимо учесть длину подводящего трубопровода (участок от водозабора до всасывающего патрубка насоса), а также участки от насосной станции до разветвления.

Выбор насоса

Требуемая расчетная подача насоса (Q_р) должна обеспечивать потребителей водой круглосуточно с учетом запаса в резервных емкостях.

.

Геометрический напор Н_г находится по формуле

,

где Н_α – высота подъема жидкости на наклонном участке трубопровода, м:

,

здесь - длина наклонного участка трубопровода, м;

α – угол наклона трубопровода к горизонту.

По величине требуемой расчетной подачи производится подбор насоса (Приложение 2) на основании стандартного ряд подач: 180, 300, 500, 800 м³/ч.

Насосные камеры оснащаются не менее чем двумя насосами, один из которых в работе, а второй в резерве или в ремонте.

Расчет трубопровода

Оптимальный диаметр трубопровода на участке до разветвления

.

Толщина стенки трубопровода

,

где D- ближайший больший диаметр к оптимальному внутреннему диаметру трубопровода;

Р - давление на насосной станции (6 МПа);

Т - срок эксплуатации трубопровода;

k₁ - коэффициент, зависящий от марки стали трубопровода (в зависимости от марки стали принимается k₁=2,27; k₁=2,52);

-скорость коррозионного износа наружной поверхности трубопровода, = 0,15 мм/год;

- скорость коррозионного износа внутренней поверхности трубопровода, = 0,1 мм/год;

k_с – отрицательный допуск толщины стенки, для обычно требуемой точности k_с = 15%.

Необходимо принять напорный трубопровод на участке до разветвления с определенным внутренним диаметром и толщиной стенки.

1.2.3. Определение потерь напора при перемещении жидкости в трубопроводе

Потери напора слагаются из двух частей: потери по длине участка и потери в местных сопротивлениях :

.

Потери по длине определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

,

где V - скорость движения потока по трубопроводу, м/с.

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления:

.

Потери в местных сопротивлениях определяются по следующей формуле:

,

где - величина сопротивления каждого отдельного элемента трубопровода.

Для расчета местных сопротивлений по схеме трубопровода необходимо учесть арматуру. В подводящем трубопроводе это приемная сетка с клапаном, фильтр и три колена. В напорном трубопроводе учитываются задвижка, тройник, колена, которых по ходу трубопровода может быть разное количество.

По аналогичной методике выполняется расчет подводящего трубопровода. Диаметр подводящего трубопровода принимается равным диаметру всасывающего патрубка насоса либо на один-два типоразмера больше, чем диаметр напорного.

Напор, развиваемый насосом, должен обеспечить преодоление жидкостью сопротивлений трубопровода, подъем жидкости на заданную геометрическую высоту и создание некоторой скорости жидкости на выходе потока из трубопровода:

Данный расчет выполняется для трубопроводов до разветвления и после разветвления по участкам.

Окончательный выбор секционного насоса производится после определения необходимого числа последовательно соединенных рабочих колес:

,

где Н₁ – напор, создаваемый одним рабочим колесом, м.

При выборе типа насоса может иметь место случай, когда насос, удовлетворяющий по подаче, не может развивать необходимый напор. В связи с этим возможны такие решения:

- применять насос с большими подачей и напором;

- применить установку с последовательным соединением насосов.

Возможен также и другой случай, когда насос, развивающий требуемый напор, не обеспечивает необходимую подачу воды. При этом применяют одновременную работу двух насосов, когда насосы включают параллельно на общий трубопровод.

Рабочий режим насоса

Рабочий режим насоса устанавливается по точке пересечения его характеристики и характеристики трубопровода. Характеристика насоса принимается по заводским данным, характеристика трубопровода представляет собой зависимость между подачей и напором, который должен развивать насос для движения жидкости во внешней сети, и строится в соответствии с выражением

,

где R – постоянная сети трубопровода.

Таким образом, устанавливается подача Q_р, напор Н_р и КПД насоса, а также допустимая вакуумметрическая высота всасывания.

КПД внешней сети определяется по следующей формуле:

.

Проверка вакуумметрической высоты всасывания осуществляется по условию

,

где Н_в – вакуумметрическая высота всасывания, представляет собой сумму геометрической высоты всасывания и потерь напора по длине подводящего трубопровода и в местных сопротивлениях.

Если указанное условие не соблюдается, необходимо увеличить диаметр подводящего трубопровода или уменьшить геометрическую высоту всасывания, либо применить работу насоса с подпором.

Мощность двигателя насоса N, кВт, определяется по формуле

,

где Q_р – подача насоса, м³/ч;

ρ – плотность воды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Н_р – напор насоса, м;

η_р – КПД насоса.

По каталогу выбирается ближайший больший по мощности двигатель, причем запас мощности двигателя должен быть равен 10–15 %.

Расход энергии W, кВтч, определяется по формуле

,

где N – мощность двигателя насоса, кВт;

п_ч – число часов работы насоса в сутки, ч;

п_дн – число рабочих дней в году;

η_дв – КПД двигателя;

η_с – КПД электрической сети, η_с = 0,95.

Сделать вывод по работе.

Основные положения примера расчета - в приложении 5.

Приложение 1

Задание к контрольной работе №1

№ варианта (последняя цифра шифра)	Геометрическая высота подъема жидкости, Н, м	Угол наклона трубопровода, α, град.	Требуемая подача насосной установки, Q, м3/ч	Протяженность участков трубопроводов, м
1-2	2-3, 4-3/, 5-3//	2-4, 4-5

Приложение 2