2. Определение расчетных напора и подачи насосов и выбор числа насосных агрегатов
2.1 Определение расчетного напора
2.2 Определение расчетной подачи и числа устанавливаемых агрегатов
3. Выбор насосов и приводных электродвигателей
3.1 Выбор основного насоса
3.2 Выбор электродвигателя
4. Проектирование всасывающих и напорных трубопроводов
4.1 Проектирование всасывающих трубопроводов
4.2 Проектирование напорных трубопроводов
4.2.1 Внутристанционные напорные трубопроводы
4.2.2 Внешние напорные трубопроводы
5. Составление графической характеристики совместной работы насосов и трубопроводов
6. Подбор вспомогательного оборудования
6.1. Сороудерживающие устройства
6.2. Затворы
6.3. Подъемно-транспортное оборудование
6.4. Дренажно-осушительная система
6.5. Система технического водоснабжения
6.6. Система маслоснабжения и пневматическое хозяйство
7. Конструктивно-компоновочные решения зданий насосной станции, водозаборных сооружений и их параметры
7.1. Выбор типа здания станции
7.2. Определение высотного положения основных насосных агрегатов
7.3. Определение основных размеров здания насосной станции
7.3.1 Определение высоты подземной части здания
7.3.2 Плановая компоновка и размеры насосного помещения здания станции
7.3.3 Верхнее строение здания станции
7.4 Проектирование водозаборного сооружения
Литература
ВведениеЗадача данного курсового проекта - составление и расчетное обоснование проекта насосной станции.Насосными станциями называют комплексы гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающие забор воды из источника, транспортировку и подъем ее к месту потребления.Состав сооружений насосных станций, их взаимное расположение и конструктивное исполнение зависят от множества факторов: назначения, подачи и напоров, природных условий (рельеф местности, колебание уровней воды в верхнем и в нижнем бьефах, объем твердого стока, инженерно-геологические и гидрогеологические условия), наличия местных строительных материалов, технического оснащения строительной организации и др.1. Обоснование схемы гидроузла машинного водоподъемаКомпоновка сооружений насосной станции при минимальной стоимости и площади застройки должна обеспечивать наиболее благоприятные условия их эксплуатации.В состав насосной станции входят следующие сооружения: подводящий канал, здание насосной станции блочного типа (совмещенное с водозаборным сооружением открытого типа) и машинный канал. Водозаборное сооружение - берегового типа.Проектируемая насосная станция предназначена для орошения (работающая на машинный канал). Максимальная подача станции - 14,7 м3/с.Грунт основания в районе строительства - супесь.Береговой водозабор, совмещенный со зданием насосной станции, применяется в крупных водозаборах (Q >10м3/с) и при использовании насосов устанавливаемых под залив. Здание станции располагается на некотором удалении от берега в конце подводящего канала.2. Определение расчетных напора и подачи насосов и выбор числа насосных агрегатов2.1 Определение расчетного напораРасчетный напор насоса: (2.1)Геодезическая высота подъема - при значительных колебаниях уровней воды в бьефах используется средневзвешенная геодезическая высота подъема (2.2)Расчеты по определению средневзвешенной геодезической высоты подъема удобно вести в табличной форме.Таблица 2.1 Определение средневзвешенной геодезической высоты подъема.
Период работы насосной станции
Число суток в периоде
ti, сут.
Расход НС
QI, м3/с
Отметка уровня воды, м
Геодезический напор
Hгi, м
QiHгiti
Qiti
ВБ
НБ
4
30
4,85
240,95
206
34,95
5086,27
145,53
5
31
10,29
241,56
206
35,56
11343,28
318,99
6
30
10,29
241,56
204,8
36,76
11347,81
308,7
7
31
14,7
241,98
204
37,88
17261,92
455,7
8
31
14,7
241,98
203,8
38,08
17353,06
455,7
9
30
9,555
241,49
205
36,49
10459,86
286,65
У
72852,2
1971,27
Отметки уровня воды в верхнем бьефе рассчитывают по глубине наполнения машинного канала в зависимости от пропускаемого расхода по кривой связи . Потери напора в трубопроводах складываются из потерь по длине и потерь на местные сопротивления . Потерями предварительно задаются на основе существующего опыта проектирования. Местные потери напора , потерями напора по длине всасывающего трубопровода можно пренебречь, а в напорном трубопроводе они вычисляются по формуле:
(2.3)
i=3м/км - удельное сопротивление по длине трубопровода, l=0,29км - длина напорного трубопровода., - запас напора.
2.2 Определение расчетной подачи и числа устанавливаемых агрегатовРасчетная подача насоса определяется максимальной подачей насосной станции и принятым числом насосных агрегатов. (2.4)Число рабочих насосных агрегатов определяется как отношение максимального и минимального расходов из графика водопотребления. (2.5) Резервные насосы предназначены для замены основных в случае выхода их из строя. На насосных станциях II категории надежности водоподачи устанавливается 1 резервный насосный агрегат при числе основных 1 - 8.Число установленных агрегатов: (2.6) - число рабочих агрегатов; - число резервных агрегатов;3. Выбор насосов и приводных электродвигателей3.1 Выбор основного насосаРисунок 3.1. Сводный график рабочих полей насосов типа ВВыбор основного насоса ведется по расчетному напору и расчетному расходу по сводным графикам полей насосов соответствующих типов. На сводный график наносится точка А с расчетными координатами Нр=40,33 м. и Qр=4,9 м3/с. Точка А попала в зону насоса марки 1200В - 6,3/40 n=375 об/мин. Рисунок 3.2. Рабочая характеристика насоса 1200В-6,3/40Имея тип и марку насоса, по каталогу находят рабочую характеристику насоса. На характеристику насоса наносят точку В с координатами Нр=40,33 м. и Qр=4,9 м3/с, которая при правильно подобранном насосе должна находиться на кривой H - Q или несколько ниже нее в пределах рабочей области. Если величины расчетного напора Нр=40,33 м и напора Н=43 м, снятого с кривой H - Q при расчетном расходе Qр=4,9 м3/с, отличаются не более чем на 5 - 10%, насос считается подобранным. 3.2 Выбор электродвигателяТребуемая мощность электродвигателя определяется по максимально возможной подаче насоса Qн=4,9 м3/с, и соответствующему ей напору Нн=40,33 м. (3.1)К - коэффициент запаса, учитывающий возможность перегрузки двигателя (в первом приближении К=1).зн - КПД насоса в долях единицы, снимаемый с характеристики насоса для Qн.Таблица 3.1 Зависимость коэффициента запаса от мощности двигателя.
Мощность двигателя, кВТ
до 20
21 - 50
51 - 300
более 300
Коэффициент запаса К
1,25
1,2
1,15
1,1
Рисунок 3.3. Схема насосного агрегата
По расчетной мощности двигателя и частоте вращения по каталогу подбирается марка электродвигателя: ВСДН-17-49-16.
4. Проектирование всасывающих и напорных трубопроводов4.1 Проектирование всасывающих трубопроводовПри использовании на насосной станции мощных (Q > 2 м3/с) вертикальных центробежных насосов подвод воды к ним осуществляется с помощью изогнутых всасывающих труб с давлением в них всегда выше атмосферного. Они выполняются в монолитном железобетоне в зданиях блочного типа. Число всасывающих труб равно числу установленных насосных агрегатов.Рисунок 4.1. Всасывающая труба насоса с коленчатым подводомФорма и размеры таких труб устанавливаются заводом изготовителем и зависят от диаметра входного патрубка.4.2 Проектирование напорных трубопроводов4.2.1 Внутристанционные напорные трубопроводыНапорные трубопроводы в пределах здания станции служат для подачи воды от насосов к внешним напорным водоводам и включают в себя напорные линии насосов и соединительные трубопроводы. Для обеспечения отключения насосов от внешнего напорного трубопровода они оборудуются дисковыми затворами.Диаметры напорных линий Dн внутри здания станции назначают по скоростям движения воды в них: при Dн > 800мм Vн = 1,8…3,0 м/с. (4.1)Так как значение Dн больше диаметра напорного патрубка насоса dн =1,32м, переходы выполняют в виде диффузоров длиной (4.2)4.2.2 Внешние напорные трубопроводыНапорные трубопроводы служат для транспортировки воды к водовыпускным сооружениям. Трубопровод состоит из двух ниток, расстояние в свету между ними 2м для исключения подмыва при аварии.Так как на насосной станции установлены насосы с идентичными характеристиками, график водоподачи ступенчатый и количество насосов подключенных к каждой нитке одинаковое расчетный расход этой нитки: (4.3) - условный постоянный расход, который проходя по напорным трубопроводам, вызывает такие потери энергии, какие вызвал бы фактический переменный расход, проходя по тем же трубопроводам за тот же период времени; n - число ниток напорного трубопровода; t - продолжительность периода, сут.Для графика водоподачи и схемы соединения напорных трубопроводов с насосами, приведенных на рисунке эта формула будет иметь вид:Рисунок 4.2. Схема соединения напорных трубопроводов с насосамиДля определенного определяется диаметр напорного водовода: (4.4)5. Составление графической характеристики совместной работы насосов и трубопроводовПорядок построения графической характеристики системы "насосы - трубопроводы" при параллельной работе следующий:Составляется схема соединений внутри насосной станции.Рисунок 5.1. Технологическая схема насосной станции: 1 - вход в трубу плавный; 2 - переход сужающийся; 3 - колено; 4 - переход сужающийся; 5 - переход расширяющийся; 6 - задвижка; 7 - труба 8 - колено; 9 - тройник; 10 - напорные водоводы.Определяются внутристанционные потери по формуле: (5.1)Где - потери напора по длине всасывающего и напорного внутристанционного трубопроводов соответственно, которыми можно пренебречь; - потери напора в местных сопротивлениях соответственно во всасывающем и в напорном внутристанционном трубопроводах.Для технологической схемы насосной станции с насосами типа "В" и коленчатым подводом потери напора в местных сопротивлениях во всасывающем трубопроводе включают: потери на входе в трубу 1, в переходе сужающемся 2, 4, в колене 3. (5.2) - скорости соответственно на входе в трубу, в колене и в переходе сужающемся, м/с: Потери напора в местных сопротивлениях в напорном внутристанционном трубопроводе определяются с учетом потерь напора в переходе расширяющемся 5, в дисковом затворе 6, колене 8 и тройнике присоединения к магистрали 9: (5.3) - скорости соответственно в переходе расширяющемся, в дисковом затворе, в колене и в ответвлении тройника, м/с. Определяется удельное сопротивление внутристанционной линии: (5.4)Строится кривая внутристанционных потерь Q - Нвн. ст: (5.5)Определение координат кривой внутристанционных потерь удобно вести в табличной форме:Таблица 5.1. Определение координат кривой внутристанционных потерь.
к - коэффициент, учитывающий местные потери в напорном водоводе, равен 1,1; S0=0,0001437 с2/м5 - удельное сопротивление водовода (зависит от его диаметра); l = 290 м - длина водовода.
Определение координат кривой характеристики сопротивления одного напорного водовода удобно вести в табличной форме:
Таблица 5.2. Определение координат кривой характеристики сопротивления одного напорного водовода.
Q, м3/с
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0
0,04
0,18
0,41
0,73
1,14
1,65
2,24
2,93
3,71
4,58
5,54
6,60
7,74
8,98
10,3
Для построения этой кривой откладывается определенная ранее средневзвешенная геодезическая высота подъема (Нгср+ДН - для станций работающих на излив) и проводится линия параллельная оси абсцисс.
Суммарная характеристика обоих водоводов строится путем сложения расходов в водоводах при постоянном напоре.
Наносится паспортная характеристика насоса Q - Н1,2,3, строятся характеристики двух и трех параллельно работающих насосов Q - Н1+2 и Q - Н1+2+3.
Отложив на шкале расходов заданную производительность насосной станции Qнст и поднявшись до пересечения с кривой Q - Нтр1+2 - получим точку А с координатами (Qнст; Н1). Н1 - напор необходимый в начале водовода при расчетной производительности Qнст.
Далее строится точка В с координатами (Qн; Н1). Qн - подача одного насоса.
В точке В к напору Н1 прибавляется величина внутристанционных потерь, соответствующих расходу одного насоса. Получается точка С, соответствующая значению полного напора насоса при максимальной производительности насосной станции.
Так как точка С не попадает на паспортную характеристику насоса, то производится обточка рабочего колеса насоса.
Изменение положения характеристики насоса обточкой рабочего колеса производится в следующей последовательности:
Строится парабола подобных режимов: k - параметр параболы, который находится из условия прохождения ее через точку С т.е.
(5.7)
Находятся параметры точки Е пересечения параболы с паспортной характеристикой насоса при нормальном диаметре рабочего колеса (QЕ; НЕ).
Таблица 5.3. Координаты параболы подобных режимов.
Q, м3/с
0
1
2
3
4
5
6
H, м
0
1,72
6,88
15,48
27,52
43
61,92
Определяется коэффициент быстроходности насоса
(5.8)
Qн, Нн - расход и напор насоса при максимальном КПД.
Определяется диаметр рабочего колеса:
(5.9)
Процент обточки
(5.10)
при ns=199,83
Через точку С строим характеристику насоса с обточенным рабочим колесом.
(5.11) (5.12)
Таблица 5.4. Результаты пересчета характеристики насоса при обточке рабочего колеса.
Точки
Параметры насоса
При D =1610 мм
При Dобт =1578 мм
Q, м3/с
Н, м
Q, м3/с
Н, м
0
0,5
50
0,4900621
48,032175
1
1
48
0,9801242
46,110888
2
2
46
1,9602484
44,189601
3
3
45,5
2,9403727
43,709279
4
4
44,7
3,9204969
42,940764
5
5
43
4,9006211
41,30767
6
6
41
5,8807453
39,386383
Строится приведенная характеристика насоса, проходящая через точку В. Для этого от ординат кривой Qобт - Нобт 1,2,3 отнимаются потери hвн. ст.
Строятся приведенные кривые совместной работы параллельно включенных насосов.
Определяются величины подач и напоров при индивидуальной и параллельной работе насосов на один и два водовода.
Таблица 5.2. Величины подач и напоров при индивидуальной и параллельной работе насосов на один и два водовода.
№
Режим работы
Н, м
Q, м3/с
1
Индивидуальная работа на один водовод
39,3
5,4
2
Индивидуальная работа на два водовода
38,4
5,8
3
Параллельная работа двух насосов на один водовод
41,5
8,75
4
Параллельная работа трех насосов на один водовод
42,8
10,2
5
Параллельная работа двух насосов на два водовода
39,3
10,75
6
Параллельная работа трех насосов на два водовода
40,4
14,7
6. Подбор вспомогательного оборудованияВспомогательное оборудование включает в себя механическое оборудование и обслуживающие станцию системы и хозяйства: дренажно-осушительная система; системы технического водоснабжения и маслоснабжения; пневматическое хозяйство.6.1. Сороудерживающие устройстваУстраиваются в виде поверхностных съемных вертикальных сороудерживающих решеток на всех водоприемных отверстиях основных насосов. Служат для предотвращения попадания в водоприемные отверстия сора и плавающих тел, а в отдельных случаях и рыбы.Решетки систематически очищаются с помощью специальных решеткоочистительных устройств.6.2. ЗатворыОсновные или рабочие затворы - служат для оперативного регулирования расходов и уровней воды, поднимаются и опускаются в текущей воде, т.е. под напором.Ремонтные затворы - используются для временного перекрытия входных отверстий при ремонтах и осмотрах основных затворов, а также насосов и другого оборудования станции в целом.6.3. Подъемно-транспортное оборудованиеЭто оборудование необходимо для монтажа, ремонта и демонтажа насосных агрегатов, другого оборудования станции.Его грузоподъемность определяется массой наиболее тяжелой монтажной единицы умноженной на коэффициент запаса к=1,1…1,15. Масса деталей принимается в пределах до 60% от общей массы насоса или приводного электродвигателя.Насос марки 1200В - 6,3/40 имеет массу 35 тонн, значит масса самой тяжелой детали составляет 21 тонну.По каталогу подбирается мостовой электрический кран грузоподъемностью 30 тонн.6.4. Дренажно-осушительная системаДренажно-осушительная система необходима для удаления дренажной воды из подземной части здания и для откачивания воды из проточных трактов станции.Дренажно-осушительная система включает в себя дренажные насосные установки для откачки профильтровавшейся воды в помещение агрегатной части здания станции и систему осушения или опорожнения станции.Для насосных станций с подачей свыше 10 м3/с подача дренажных насосов назначается Qд=10л/с.Суммарная подача насосов системы опорожнения (6.1)W=35 м3 - суммарный объем воды, находящийся во всасывающей трубе и в камере осушаемого насоса при максимальном УНБ; t=5 ч - время откачки; q=1 л/с=3,6 м3/ч.Так как удаление дренажной воды из подземных помещений ведется периодически, в дренажно-осушительной системе устраиваются только два рабочих насоса.6.5. Система технического водоснабженияПредназначена для подачи технически чистой воды к устройствам насосных агрегатов, к сальниковым уплотнениям. Источник водопитания - нижний бьеф.Подача на каждый насосный агрегат - 1 л/с, при напоре - 50 м.В системе технического водоснабжения используют центробежные насосы консольного типа "К" - один рабочий и один резервный.6.6. Система маслоснабжения и пневматическое хозяйствоСистема маслоснабжения необходима для обеспечения маслами масляных ванн и подшипников электродвигателей, насосов, трансформаторов и других маслонаполненных электроаппаратов. Насосы подбираются из условия заполнения емкости вместимостью до 20 тонн за 2 часа, а больших емкостей не более чем за 4 часа.Пневматическое хозяйство служит для обеспечения сжатым воздухом станции, т.е. для питания устройств очистки сороудерживающих решеток и обдувки обмоток электродвигателей, котлов маслонапорных установок, торможения агрегатов, а также для снабжения аппаратуры контроля, пневмоинструментов.7. Конструктивно-компоновочные решения зданий насосной станции, водозаборных сооружений и их параметры7.1. Выбор типа здания станцииТак как забор воды ведется из реки с большим колебанием уровня воды в ней 2,2 м, большой отрицательной высоты всасывания насоса и подачей более 2м3/с, принимается заглубленное здание станции блочного типа.7.2. Определение высотного положения основных насосных агрегатовОтметка оси насосов определяется алгебраической суммой расчетного (минимального) уровня воды в источнике и значения допустимой геометрической высоты всасывания насоса :ОН=УВmin+Нвсдоп, м. (7.1), (7.2)Напор воды соответствующий атмосферному давлению на уровне установки насоса: (7.3) - упругость насыщенных паров жидкости, =0,24м при t=20оС; =15,5м - допустимый кавитационный запас, снимается с характеристики насоса; =0,144м - потери напора во всасывающей линии.ОН=203,8 - 5,8 = 198м.7.3. Определение основных размеров здания насосной станции7.3.1 Определение высоты подземной части зданияВысота подземной части здания насосной станции заглубленного типа определяется по формуле: (7.4)=0,1Нст=1,1м - толщина фундаментной плиты;ФП=ОН-hн=198 - 2,75 = 195,25 (7.5) - отметка верха фундаментной плиты;hн=2,75 - превышение оси рабочего колеса насоса над верхом фундаментной плиты; (7.6) - максимально возможный напор воды на конструкцию в расчетном сечении; - допустимая геометрическая высота всасывания; (7.7) - амплитуда колебаний уровня воды в водоисточнике; - конструктивный запас.7.3.2 Плановая компоновка и размеры насосного помещения здания станцииНасосные агрегаты располагаются в один ряд вдоль водоприемного фронта.Ширина агрегатного блока принимается равной: (7.8) - толщина стены насосного помещения станции;а1=1,52м - монтажный проход;bНА=3,78м - поперечный размер насосного агрегата;lком=6м - длина участка внутристанционных коммуникаций;а2=0,5м - монтажное удаление коммуникаций от стены помещения.Расстояние между осями агрегатов, т.е. длина агрегатного блока определяется условиями размещения насосных агрегатов и обеспечением монтажно-эксплуатационных проходов: (7.9)lНА=4,026м - габарит насосного агрегата в продольном направлении;а3=1,474м - монтажный проход между агрегатами.Длина всего здания станции определяется проходами между торцевыми стенками и агрегатами, продольным размером самих агрегатов, их числом, расстоянием между ними, а также длиной монтажной площадки: (7.10) - длина монтажной площадки;а4=1м - проход между торцом оборудования и стеной;n - число основных агрегатов.7.3.3 Верхнее строение здания станцииВерхнее строение служит для размещения подъемно-транспортного оборудования, электродвигателей насосных агрегатов. Эта часть здания состоит из электромашзала с монтажной площадкой и примыкающих к нему пристроек для электротехнического оборудования, а также служебных, административных и бытовых помещений.Конструктивно верхнее строение оформляется в виде промышленного здания каркасного типа. Оно состоит из сборных железобетонных элементов - системы колонн, ферм и ригелей покрытия, подкрановых балок на консолях.Стены каркасных строений не несущие и выполняются из сборных стеновых панелей из легких бетонов толщиной 200 мм.Верхнее строение насосной станции, оборудованной мостовым краном, имеет высоту: (7.11)hкр=3,15м - габарит кранового оборудования; hст=1м - высота строповки груза; 0,1 - минимальное расстояние от низа перекрытия до верха балки крана; hгр=3,5м - высота самой крупной транспортируемой детали; 0,5 - минимальный запас высоты от груза до установленного оборудования; hоб=3,5м - высота установленного оборудования.Определенную высоту здания насосной станции (расстояние от уровня чистого пола до низа несущих конструкций покрытия на опоре) округляют до стандартного значения . Пролет верхнего строения или ширина машзала также округляется до стандартного значения В=15м. Длина верхнего строения также, как и насосного помещения принимается кратной 6м . Шаг колонн - 6м.7.4 Проектирование водозаборного сооруженияВодозаборное сооружение открытого типа представляет собой открытые сверху камеры, разделенные бычками, между которыми устанавливаются затворы и сороудерживающие решетки. Ширину камеры принимают равной: (7.12)Длина камеры назначается конструктивно исходя их условия размещения служебных мостиков, сороудерживающих решеток, основных и ремонтных затворов . Коэффициент секундного водообмена: > 15сек. (7.13)Глубина воды в камере при минимальном уровне воды 8,55м.Служебные мостики устраиваются выше максимального уровня воды на 1м. Общая длина водоприемного фронта: (7.14) - толщина быка;n - число камер.Насосная станция оборудуется затворами пролетом 4,5м и высотой 11м, ширина паза 0,6м, глубина паза 0,3 м.Сопряжение каналов с береговыми сооружениями станции обеспечивает аванкамера в виде симметрично расширяющейся (центральный угол конусности 35о) и заглубляющейся концевой части канала (уклон дна i=0,4). Дно аванкамеры в плане представляет собой трапецию, меньшее основание которой b=6м, большее Вф=21м.Рисунок 7.1. Водозаборное сооружение открытого типаЛитература
1. Учебно-методическое пособие к курсовому проекту "Насосная станция" по дисциплине "Насосные станции" для студентов специальности Т. 19.04 - "Водохозяйственное строительство". Минск 2000
2. Насосы и насосные станции: Учебник / Под ред. В.Ф. Чебаевского. - М.: Агропромиздат, 1989. -416с.
3. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок: Учеб. Пособие / Под ред. В.Ф. Чебаевского. -3-е изд., перераб. и доп. -М.: Колос, 1982. -320 с.