Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Проектирование насосной станции водоснабжения начинается с определения двух ключевых параметров: расчётной подачи Q (м3/ч) и требуемого напора H (м вод. ст.). На основании этих величин подбирают тип и марку насосного агрегата, определяют количество рабочих и резервных насосов, рассчитывают объём гидроаккумулятора и проектируют обвязку трубопроводов. Расчёт ведётся в соответствии с действующим СП 31.13330.2021 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" (с Изменением №1) и СП 30.13330.2020 "Внутренний водопровод и канализация зданий".
Насосная станция водоснабжения -- комплекс инженерного оборудования, предназначенный для подъёма воды из источника (скважины, водозабора, резервуара) и подачи её в водопроводную сеть под требуемым давлением. По функциональному назначению насосные станции подразделяют на следующие типы:
Насосные станции I подъёма -- забирают воду из источника (поверхностного или подземного) и подают на очистные сооружения или непосредственно в сеть. Подача определяется суточной потребностью с учётом неравномерности водопотребления и режима работы очистных сооружений.
Насосные станции II подъёма -- подают очищенную воду из резервуаров чистой воды (РЧВ) в распределительную сеть. Режим работы задаётся ступенчатым графиком подачи, максимально приближённым к графику водопотребления.
Повысительные (подкачивающие) насосные станции -- устанавливаются на сети для повышения давления в отдельных зонах или зданиях, расположенных на повышенных отметках.
Расчётный суточный расход воды населённого пункта определяют по нормам водопотребления согласно таблице 1 СП 31.13330.2021. Норма зависит от степени благоустройства застройки:
Расчётный суточный расход определяется по формуле:
Qсут = qж · N / 1000, м3/сут
где qж -- норма водопотребления, л/(чел·сут); N -- расчётное число жителей.
Для определения подачи насосов необходимо знать максимальный часовой расход. Его вычисляют через коэффициент часовой неравномерности:
Qч,max = Kч,max · Qсут,max / 24, м3/ч
Коэффициент часовой неравномерности:
Kч,max = αmax · βmax
где αmax -- коэффициент, зависящий от степени благоустройства (1,2-1,4); βmax -- коэффициент, зависящий от числа жителей (по таблице 2 СП 31.13330.2021).
Коэффициент суточной неравномерности: Kсут,max = 1,1-1,3 (принимается по п. 5.1 СП 31).
Подача насосной станции II подъёма определяется часовым графиком водопотребления и режимом работы станции. При равномерной работе станции в течение суток подача каждого рабочего насоса равна:
Qнас = Qсут,max / (T · nр), м3/ч
где T -- продолжительность работы станции, ч/сут (обычно 24 ч для станций I и II категории); nр -- число рабочих насосов.
Требуемый напор насоса определяется как сумма составляющих, обеспечивающих подъём воды на заданную высоту, преодоление сопротивления трубопроводов и создание необходимого давления у потребителя.
H = Hгеод + Σhпот + Hсв
где: Hгеод -- геодезическая высота подъёма воды, м (разность отметок диктующей точки и уровня воды в источнике); Σhпот -- суммарные потери напора во всасывающем и напорном трубопроводах, м; Hсв -- свободный (требуемый) напор в диктующей точке, м.
Геодезическая высота равна разности отметок расчётной (диктующей) точки сети и наинизшего уровня воды в источнике:
Hгеод = Zдикт - Zист, м
где Zдикт -- отметка диктующей точки (пол верхнего этажа или ось водоразбора); Zист -- отметка минимального уровня воды в источнике (динамический уровень в скважине или минимальный уровень в резервуаре).
Свободный напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода определяется по п. 5.11 СП 31.13330.2021:
Потери напора по длине трубопровода определяются по формуле Дарси-Вейсбаха или с использованием таблиц Шевелева:
hl = i · L
где i -- удельные потери напора (гидравлический уклон), м/м; L -- длина трубопровода, м.
Удельные потери напора: i = λ · v2 / (2g · d)
где λ -- коэффициент гидравлического трения (зависит от числа Рейнольдса и шероховатости); v -- скорость течения, м/с; d -- внутренний диаметр трубы, м; g = 9,81 м/с2.
Рекомендуемые скорости течения воды в трубопроводах насосных станций:
Потери в местных сопротивлениях (колена, задвижки, тройники, обратные клапаны и т.д.) определяют по формуле:
hм = Σζ · v2 / (2g)
где ζ -- коэффициент местного сопротивления (для задвижки ζ ≈ 0,1-0,5; для обратного клапана ζ ≈ 1,7-3,5; для колена 90° ζ ≈ 0,5-1,1).
При предварительных расчётах потери в местных сопротивлениях допускается принимать в размере 10-20% от потерь по длине: hм = (0,1-0,2) · hl
Σhпот = hl,вс + hм,вс + hl,нап + hм,нап + hсеть
где индексы "вс" -- всасывающая линия; "нап" -- напорная линия; hсеть -- потери в водопроводной сети до диктующей точки.
Рабочая точка -- точка пересечения напорной характеристики насоса H = f(Q) с характеристикой сети Hсети = f(Q). Характеристика сети описывается параболой:
Hсети = Hст + S · Q2
где Hст = Hгеод + Hсв -- статическая составляющая напора (не зависит от расхода); S -- сопротивление сети, определяемое из условия: при Q = Qрасч потери Σhпот = S · Qрасч2.
При подборе насоса необходимо обеспечить следующие условия:
-- Рабочая точка должна находиться в рабочей зоне Q-H характеристики насоса (в пределах 0,8-1,2 от номинальной подачи). -- КПД в рабочей точке должен быть близок к максимальному (не менее 0,9 от максимального КПД). -- Допустимая высота всасывания (кавитационный запас NPSH) должна быть обеспечена с запасом не менее 0,5 м.
При параллельной работе нескольких насосов суммарная подача увеличивается, но не пропорционально числу агрегатов (из-за роста потерь напора в сети). Суммарную характеристику получают графическим сложением подач при одинаковых напорах. Для двух одинаковых насосов при параллельной работе суммарная подача составляет обычно 1,6-1,8 от подачи одного насоса (а не 2,0).
N = ρ · g · Q · H / (1000 · η), кВт
где ρ = 1000 кг/м3 -- плотность воды; g = 9,81 м/с2; Q -- подача, м3/с; H -- напор, м; η -- КПД насоса (0,5-0,85 для центробежных).
Мощность электродвигателя с запасом: Nдв = kз · N
Коэффициент запаса kз = 1,1-1,25 (для насосов мощностью до 50 кВт kз = 1,15-1,25; свыше 50 кВт kз = 1,1-1,15).
Гидроаккумулятор (мембранный напорный бак) применяется в системах водоснабжения для снижения частоты включений насоса, компенсации небольших расходов без запуска насоса и защиты от гидроударов. Расчёт объёма основан на обеспечении допустимого числа включений насоса в час.
Vt = 16,5 · Qmax · (Pвыкл + 1) · (Pвкл + 1) / (n · (Pвыкл - Pвкл) · (P0 + 1))
где: Vt -- полный объём гидроаккумулятора, л; Qmax -- максимальная подача насоса, л/мин; Pвыкл -- давление отключения насоса (избыточное), бар; Pвкл -- давление включения насоса (избыточное), бар; P0 -- начальное давление воздуха в гидроаккумуляторе (избыточное), бар; n -- допустимое число включений насоса в час (рекомендуется 6-10 для бытовых, 4-6 для промышленных систем).
Начальное давление воздуха в гидроаккумуляторе P0 принимают на 0,2-0,5 бар ниже давления включения насоса Pвкл (или на 10% ниже):
P0 = Pвкл - (0,2 ... 0,5), бар
или P0 = 0,9 · Pвкл
Категория насосной станции определяет требования к резервированию оборудования, электроснабжению и количеству напорных трубопроводов. Категории устанавливаются по п. 10.1 и п. 7.4 СП 31.13330.2021.
Количество резервных насосных агрегатов принимается по таблице 24 СП 31.13330.2021:
Для установленной категории насосной станции принимают такую же категорию надёжности электроснабжения по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ). Насосные станции I категории должны иметь два независимых источника электроснабжения.
Дано: насосная станция II подъёма для посёлка. Число жителей: N = 2 000 чел. Степень благоустройства: застройка с ваннами и местными водонагревателями, qж = 200 л/(чел·сут). Этажность диктующего здания: 5 этажей. Отметка РЧВ (уровень воды): Zрчв = 100,0 м. Отметка диктующей точки: Zдикт = 115,0 м (пол 1-го этажа). Водовод: 2 нитки, PE100 SDR17 d160 (dвн ≈ 141 мм), L = 1 200 м каждая. Потери в сети до диктующей точки: hсеть = 8 м (определены гидравлическим расчётом сети).
Средний суточный расход: Qсут,ср = 200 · 2 000 / 1000 = 400 м3/сут
Максимальный суточный расход (Kсут,max = 1,2): Qсут,max = 1,2 · 400 = 480 м3/сут
Коэффициент часовой неравномерности: αmax = 1,3; βmax = 1,8 (для 2 тыс. чел.)
Kч,max = 1,3 · 1,8 = 2,34
Максимальный часовой расход: Qч,max = 2,34 · 480 / 24 = 46,8 м3/ч
Геодезическая высота: Hгеод = Zдикт - Zрчв = 115,0 - 100,0 = 15,0 м
Свободный напор для 5-этажного здания: Hсв = 10 + 4 · (5 - 1) = 26 м
Потери напора в водоводе (2 нитки dвн = 141 мм, по каждой Q/2 = 23,4 м3/ч = 6,5 л/с):
Скорость: v = 4 · 0,0065 / (π · 0,1412) = 0,026 / 0,01562 = 1,66 м/с
Удельные потери для PE100 dвн = 141 мм при v = 1,66 м/с: i ≈ 0,016 м/м
hl = 0,016 · 1 200 = 19,2 м
Потери в местных сопротивлениях (15%): hм = 0,15 · 19,2 = 2,9 м
Потери на всасывающей линии (от РЧВ): hвс ≈ 1,5 м
Потери в сети: hсеть = 8,0 м
Σhпот = 19,2 + 2,9 + 1,5 + 8,0 = 31,6 м
H = 15,0 + 31,6 + 26,0 = 72,6 м
С запасом 5%: H ≈ 76 м
Требуемые параметры: Q = 46,8 м3/ч; H = 76 м.
Принимаем 2 рабочих насоса (каждый обеспечивает 50% подачи): Q1нас = 23,4 м3/ч при H = 76 м.
Категория станции -- II (населённый пункт до 5 тыс. чел.). По таблице 24 СП 31 для 2 рабочих насосов требуется 1 резервный. Итого устанавливаем 3 насосных агрегата (2 раб. + 1 рез.).
По каталогу подбираем центробежный многоступенчатый насос с параметрами: Qном = 25 м3/ч, Hном = 78 м, η = 0,72, Nдв = 11 кВт.
Проверка КПД: рабочая точка (23,4 м3/ч; 76 м) попадает в зону η ≥ 0,70 -- условие выполняется.
N = ρ · g · Q · H / (1000 · η) = 1000 · 9,81 · (23,4/3600) · 76 / (1000 · 0,72)
= 1000 · 9,81 · 0,0065 · 76 / 720 = 4 846 / 720 = 6,73 кВт
Nдв = 1,2 · 6,73 = 8,07 кВт. Принимаем двигатель 11 кВт -- соответствует выбранному насосу.
Типовая компоновка насосной станции II подъёма включает следующие элементы:
Всасывающая линия: трубопроводы от РЧВ до насосов. Количество всасывающих линий -- не менее двух для станций I и II категории. Каждая линия должна быть рассчитана на пропуск полного расхода при отключении одной из них. На всасывающих линиях устанавливают задвижки.
Насосные агрегаты: рабочие и резервные насосы на общей раме с электродвигателями. Между насосом и трубопроводами устанавливают гибкие вставки (компенсаторы) для снижения вибрации.
Напорная линия: от каждого насоса через обратный клапан и задвижку в общий напорный коллектор. Обратный клапан предотвращает обратный ток воды при остановке насоса.
Запорно-регулирующая арматура: задвижки (затворы) на всасывающих и напорных патрубках каждого насоса, обратные клапаны на напорных патрубках, манометры, расходомеры.
Дренажная система: сбор утечек и дренажных вод с откачкой в канализацию или на рельеф.
Согласно разделу 10 СП 31.13330.2021, при размещении насосных агрегатов следует обеспечивать: ширину проходов между выступающими частями оборудования -- не менее 1,0 м; ширину прохода между насосами при числе агрегатов не более трёх -- не менее 1,0 м, при большем числе -- не менее 1,2 м. Для насосов массой более 200 кг предусматривают грузоподъёмное оборудование.
1. Занижение потерь напора. При предварительном расчёте часто недооценивают потери в местных сопротивлениях и арматуре. Реальные потери в обвязке насосной станции (задвижки, обратные клапаны, тройники, повороты) могут достигать 3-5 м, что существенно при невысоких общих напорах.
2. Неправильный выбор рабочей зоны. Эксплуатация насоса далеко от зоны максимального КПД ведёт к повышенному энергопотреблению, вибрации, кавитации и преждевременному износу.
3. Пренебрежение кавитационным запасом. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания должна быть проверена с учётом температуры воды, атмосферного давления и потерь во всасывающей линии.
4. Недостаточный объём гидроаккумулятора. Малый объём бака приводит к частым включениям насоса (более 20 раз в час), что резко сокращает ресурс электродвигателя и пусковой аппаратуры.
5. Отсутствие защит. Насосная станция должна быть оснащена защитой от "сухого хода", от перегрузки электродвигателя, от гидроудара (плавный пуск/останов или обратные клапаны с демпфированием).
6. Неучёт динамического уровня скважины. При расчёте Hгеод для скважинных насосов необходимо принимать динамический (пониженный при откачке) уровень воды, а не статический.
Подачу насоса определяют через максимальный часовой расход, который вычисляется умножением среднего часового расхода на коэффициент часовой неравномерности Kч,max. Средний часовой расход равен Qсут,max/24. Коэффициент Kч,max = αmax · βmax зависит от числа жителей и степени благоустройства (таблицы 1 и 2 СП 31.13330.2021). Для небольших посёлков Kч,max может достигать 3,0-4,0, для крупных городов -- 1,3-1,5.
Требуемый напор H = Hгеод + Σhпот + Hсв, где Hгеод -- разность геодезических отметок диктующей точки и уровня воды в источнике; Σhпот -- суммарные потери напора во всасывающей линии, напорном трубопроводе и распределительной сети; Hсв -- свободный (требуемый) напор у потребителя. Для жилой застройки Hсв = 10 м для одного этажа плюс 4 м на каждый последующий этаж.
Для насоса подачей 2 м3/ч (33 л/мин) при стандартных настройках давления (Pвкл = 1,5 бар, Pвыкл = 3,0 бар, P0 = 1,3 бар) и допустимой частоте включений n = 10 раз/ч по расчётной формуле получается объём около 40-50 л. На практике для такой системы рекомендуется гидроаккумулятор 50-80 л, что обеспечивает комфортную работу и достаточный запас воды между включениями.
Согласно таблице 24 СП 31.13330.2021, для насосной станции II категории при 1-3 рабочих насосах требуется 1 резервный агрегат; при 4-6 рабочих -- 2 резервных; при 7-9 рабочих -- 2 резервных. Резервные насосы должны быть того же типоразмера, что и рабочие, и находиться в постоянной готовности к автоматическому включению.
При работе насоса в зоне низких расходов (левее рабочей зоны) возникает рециркуляция жидкости в рабочем колесе, что приводит к повышенной вибрации, нагреву и кавитации. При работе в зоне высоких расходов (правее рабочей зоны) напор падает, возрастает осевая нагрузка на подшипники, снижается КПД и может возникнуть кавитация из-за недостаточного кавитационного запаса NPSH. Оба режима значительно сокращают ресурс насоса.
Давление предварительной зарядки воздуха в гидроаккумуляторе устанавливают на 0,2-0,5 бар ниже давления включения насоса (или на 10% ниже). Например, если насос включается при 1,5 бар, давление воздуха должно быть 1,2-1,3 бар. Измерение и настройку давления следует производить при отсутствии воды в баке (система отключена, давление сброшено). Давление воздуха рекомендуется проверять каждые 6 месяцев.
При предварительных расчётах потери напора по длине можно оценить по рекомендуемой скорости течения. Для напорных трубопроводов при скорости 1,0-1,5 м/с удельные потери составляют ориентировочно 5-10 м на 1 км для стальных труб и 3-7 м на 1 км для полимерных. Потери в местных сопротивлениях принимают 10-20% от потерь по длине. Для точного расчёта следует использовать таблицы Шевелева или формулу Дарси-Вейсбаха с учётом конкретного материала и диаметра трубы.
Применение частотного преобразователя (ЧРП) не является нормативно обязательным, но рекомендуется для насосных станций с переменным расходом. ЧРП позволяет плавно регулировать подачу и напор, снижает пусковые токи, уменьшает гидроудары и существенно экономит электроэнергию при частичных нагрузках. При использовании ЧРП можно уменьшить объём гидроаккумулятора или отказаться от него, так как насос работает постоянно с переменной частотой вращения.
Теоретически максимальная высота всасывания определяется атмосферным давлением (~10,3 м вод. ст. на уровне моря). На практике она ограничена необходимостью обеспечения кавитационного запаса и составляет 5-7 м для большинства центробежных насосов (без учёта потерь во всасывающей линии). С учётом потерь реальная геометрическая высота всасывания обычно не превышает 3-5 м. При большей глубине источника применяют погружные (скважинные) насосы или насосы с затопленным всасом.
Диаметр всасывающего трубопровода принимают не менее диаметра всасывающего патрубка насоса (раздел 10 СП 31.13330.2021). Рекомендуемая скорость во всасывающей линии -- 0,7-1,5 м/с. Диаметр напорного трубопровода определяют из условия экономической скорости 1,0-3,0 м/с. Диаметр вычисляют по формуле: d = √(4Q / (π · v)), где Q -- расход (м3/с), v -- допустимая скорость (м/с). Полученное значение округляют до ближайшего стандартного диаметра.
Отказ от ответственности. Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Представленная информация не заменяет проектную документацию, выполненную квалифицированными специалистами. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия использования данных материалов при проектировании реальных инженерных объектов. Все проектные решения должны приниматься лицензированными инженерами на основании действующих нормативных документов с учётом конкретных условий объекта.
1. СП 31.13330.2021 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения (с Изменением №1). 2. СП 30.13330.2020 Внутренний водопровод и канализация зданий и сооружений (с Изменениями). 3. СП 8.13130.2020 Системы противопожарной защиты. Наружное противопожарное водоснабжение. 4. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчёта водопроводных труб. -- М.: Стройиздат. 5. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. -- М.: Стройиздат. 6. Grundfos. Pump Handbook. -- Grundfos Management A/S. 7. ГОСТ ISO 9906-2015 Насосы динамические. Гидравлические испытания. Классы точности 1, 2 и 3. 8. ANSI/HI 9.6.7 Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Pump Performance. -- Hydraulic Institute. 9. EN ISO 5199 Technical specifications for centrifugal pumps. Class II. -- CEN/ISO. 10. Wilo SE. Руководство по проектированию насосных систем водоснабжения.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.