Водно-энергетические расчеты

Водно-энергетические расчеты заключаются в определении коли­чества поднимаемой за год воды в кубических метрах, тонно-метрах и энергии, затрачиваемой на ее подъем. В этих расчетах выявляются также наиболее экономичные условия работы насосной станции.
Для выполнения водно-энергетических расчетов необходимы следующие исходные данные:
график водоподачи насосной станции с нанесенными на него значениями геодезических высот подъема воды по периодам;
характеристики насосов;
схема соединения насосов и напорных трубопроводов, гидрав-• лические сопротивления по трассе водоподачи и значения КПД •   двигателей.
Фактические значения подачи и напора насосов в общем слу­чае несколько отличаются от расчетных, поскольку положение рабочей точки, являющейся пересечением напорной характерис­тики насоса и характеристики трубопровода, зависящей от зна­чения геодезический высоты подъема Нти потерь напора в трубо­проводе /*т, будет различным для каждого периода графика водо-; подачи. Значение Нтопределяют как разность изменяющихся у уровней воды в водоисточнике и водоприемнике, а потери напо­ра — по расходу воды в трубопроводе, который зависит от числа работающих насосов на трубопровод, а также и от значения Нт.
Таким образом, для каждого периода графика водоподачи рабо­чая точка будет определяться значением Нти числом работающих на трубопровод насосов, зависящим от схемы соединения насосов и трубопроводов (см. рис. 9.1).
Для нахождения рабочей точки более удобно пользоваться не на­порной характеристикой насоса Н— Q, а графическими зависимостя­ми между Яг и расходом Quoтрассе водоподачи, выраженным пода­чей насоса QH. Для получения зависимостей между Нти Qиз ординат характеристики Н— Qвычитают соответствующие потери напора.
Водно-энергетические расчеты выполняют в табличной форме в такой последовательности.Для каждого периода графика водоподачи по кривой зависимос­ти Нтот Q(при различных расходах воды в трубопроводах по не­скольким кривым) определяют рабочую точку (рабочие точки), то есть находят фактические значения подачи (?ф, напора Яф и г|ф н на­соса. По значению (?ф (значениям (?ф) находят фактическую подачу через каждый трубопровод и всей насосной станции (?ф.н.с, а также фактический КПД (насосной установки) r|H y = Лф.нЛдвЛс (Лс —коэф­фициент, учитывающий потери энергии в подводящих линиях электропередачи, обычно принимают 0,98…0,99). Значение (?ф.н.св общем случае несколько отличается от расчетного Qp.H.c> поэтому определяют фактическое время работы насосной станции из усло­вия подачи расчетного объема воды Гф= (?р.н.с^р/(?ф.н.с- Далее по

значениям (2Ф, Щ, г|ну вычисляют фактически потребляемую мощ­ность каждой насосной установки и напорного трубопровода Л^ф = 9,81#фОфяр/Лн.у, затрачиваемую энергию Э = ЛГф7ф, объем поданной за год воды W= (2Ф.Н.СГФ 3600 м3 и в тонно-метрах \уНф,т- и. Здесь яр — число работающих насосов на трубопровод.
Ниже приведен пример водно-энергетического расчета для слу­чая подачи воды четырьмя насосами 80 ВЦ — 2,5/40 по двум напор­ным трубопроводам (пример 3, см. раздел 5.6). График водоподачи с нанесенными на него отметками уровней воды в водоисточнике по­казан на рисунке 4.1 (см. главу 4). Переключение насосов на трубо­проводы неполное (рис. 9.1, схема 2,г); КПД электродвигателей ра­вен 0,92.
В соответствии с расчетной подачей насоса Qp= 2,1 м3/с были определены потери напора по трассе водоподачи для ее двух участ­ков; на первом А расход всегда равен подаче насоса, а на втором Б может быть равен подаче как одного, так и двух насосов (рис. 9.1, схема 2,г). Для участка А общие потери напора включают потери напора в сороудерживающей решетке /*р, потери напора в монтаж­ной вставке hMB, затворе h3, диффузоре /гд, повороте напорной ли­нии hn0B, в соединении с напорным трубопроводом (тройнике) Атр и по длине напорной линии (см. также рис. 5.3 и рис. 5.5) (следует отметить, что потери напора в подводящей линии насоса учтены в напорных характеристиках вертикальных насосов).
В связи с тем что при эксплуатации насосной станции потери напора в решетке вследствие ее засорения непрерывно увеличива­ются, принято максимальное значение hp= 0,2, при достижении которого решетку необходимо очищать. Для определения /zMB, /*3, Ад, ^пову hwпринимают по справочникам соответствующие значения коэффициентов сопротивления: ^м в, £,3> £д, ^пов, ^ Суммарное зна­чение этих коэффициентов для участка диаметром 800 мм, скорость движения воды te котором при Qp= 2,1 м/с составляет 4,14 м/с, равно 0,3. В соответствии с этими значениями суммарные потери напора: К.в + К + К =0>3 ‘ 4Д42/19,62 = 0,26 м.

Потери напора в напорной линии после диффузора диаметром 1000 мм, скорость движения воды в которой равна 2,67 м/с, включа­ют потери напора на поворот /znoB, потери напора в тройнике h^ (со­единение с напорным трубопроводом) и потери напора на трение по длине линии ктдл. Для определения /*пов и h^ приняты коэффи­циенты местных сопротивлений ^пов и 2^,, суммарное значение ко­торых равно 0,6. Соответствующие потери напора /гпов + hw= ^v2/ 2g= 0 • 6 • 2,672/19,62 = 0,22 м. Потери напора по длине напорной линии, длина которой около 10 м, при расходе Qp= 2,1 м3/с равны 0,07 м. Таким образом, общие потери напора на участке А составят 0,2 + 0,26 + 0,22 + 0,07 = 0,75 м. На участке Б потери напора вклю­чают потери на трение по длине напорного трубопровода диамет­ром 1400 мм и длиной 256 м, которые при расходе 2,1 м3/с составят

fk.дЛ = А£(?р=0,000302-25б-2,12=0,34 м (значение А для железобе­тонных монолитных труб принято по справочникам таким же, как и для сборных), и потери напора в водовыпуске с затвором механи­ческого действия /гвв. Потери напора /?вв складываются из потерь на­пора на расширение (диффузор) и потерь напора на затворе (обрат­ном клапане с эксцентрично расположенной осью).

Суммарный коэффициент местных сопротивлений принят £вв = 8. Высокое значение ^вв объясняется тем, что диск затвора (об­ратного клапана) при относительно небольшой скорости движе­ния воды 0,83 м/с находится в не полностью открытом положении [диаметр выходного отверстия принят равным 1800 мм, откуда скорость V = Q/ш = 2,1/(0,7854 ■ 1,82) = 0,83 м/с]. Соответствую­щие потери напора /*вв = 8 • 0,832/19,62 = 0,28 м, поэтому общие потери на участке Б равны 0,34 + 0,28 = 0,62 м. Соответствующие коэффициенты гидравлических сопротивлений участков А и Б

При работе двух насосов на один трубопровод гидравлическое сопротивление участка А будет несколько большим, а участка Б не­сколько меньшим. Это объясняется тем, что коэффициент местно­го сопротивления тройника ^тр будет большим, а водовыпуска — ^вв меньшим, поскольку степень открытия диска затвора увеличива­ется из-за большей скорости потока. Потери напора для части уча­стка А диаметром 800 мм при расходе Qp = 2,1 м3/с остаются теми же (0,26 м); такими же (0,07) будут и потери по длине напорной линии. Местные потери Лпов + h^= 1,6 • 2,672/19,62 = 0,58 м (£ = ^пов + ^тв принято равным 1,6 м). Таким образом, общие поте­ри напора на участке А равны 0,2 + 0,26 + 0,58 + 0,07 = 1,11 м и коэффициент гидравлического сопротивления составит SA= 1,11/ 2,12 = 0,25с2/м5.
Суммарный коэффициент местных сопротивлений водовыпуска при работе двух насосов и скорости движения воды v = 1,66 м/с, со­ответствующей расходу воды 2,1 • 2 = 4,2 м3, принят равным ^вв = 2,5. Тогда потери напора водовыпуска /гвв = 2,5 • 1,662/ 19,62 = 0,35 м лишь ненамного больше, чем при v = 0,83 м/с.
Суммарные потери напора на участке Б при расходе воды (?=4,2м3/с составят 0,34 • 4 + 0,35 = 1,71 м, а общие потери по трассе водоподачи 1,11 + 1,71 = 2,82м.5Б = 1,71/4,22 = 0,097 с2/м5.

В соответствии с полученными значениями коэффициентов сопротивлений SA и SB были вычислены потери напора для по­дач насоса от 0 до 2,5 м3/с, то есть для разных скоростей воды в трубопроводах. Эти потери были вычтены из ординат напор­ной характеристики насоса ВЦ 80 2,5/40 (рис. 9.2), в результате чего были получены характеристики Hr=f(QH) при различном числе насосов, работающих на один трубопровод (см. рис. 9.2, поз. 2, 3).
Расчет проведен для каждой работающей в данном периоде нит­ки напорного трубопровода.

Рис. 9.2. Характеристики центробежного насоса
ВЦ802,5/40 Н- Q (/) и tih - Q (4) и зависимости
от Hr-Q(2)»Hr-2Q(3)

Результаты водно-энергетического расчета сведены в таблицу 9.2. Полученное фактическое время работы насосной станции от­личается от расчетного всего на 3684 — 3672 = 12 ч, то есть на 12-100/3672 = 0,3%.
9.2. Результаты водно-энергетического расчета насосной станции