ZAOPATRZENIE W WODĘ

Temat: Projekt pompowni wody czystej
II stopnia z otwartym zbiornikiem wody dolnej.

I. OPIS TECHNICZNY

1. Cel projektu

Celem opracowania jest projekt pompowni wody czystej II stopnia z otwartym zbiornikiem wody dolnej.

Pompownia ma wydajność 540 [dm³/s] przy ciągłej pracy 4 pomp. Ze względu na drugą klasę niezawodności pompowni wyposażona ona została w 1 pompę rezerwową. Pompownia pracuje ze stałą wydajnością w ciągu doby. Geometryczna wysokość ssania wynosi 5,1 [mH₂O], natomiast geometryczna wysokość tłoczenia przyjmuje wartość 26,0 [mH₂O]. W pompowni stosujemy rury stalowe lub żeliwne o współczynniku chropowatości k równym 0,17 [mm]. Rurociąg tranzytowy ma długość 1200 [m]. Temperatura pompowanej cieczy wynosi 15˚C.

2. Rozwiązania technologiczne

W pompowni pompy połączono w sposób równoległy. Wszystkie pompy za pośrednictwem przewodów ssawnych pobierają wodę z jednej, wspólnej komory czerpalnej (zbiornik wody dolnej) o następujących wymiarach części użytecznej: H =1,7 [m], L = 10,0 [m], B =2,5 [m]. Następnie woda poprzez rurociągi tłoczne przepływa do rurociągu tranzytowego. Dodatkowo w pompowni zainstalowano pompę próżniową, służącą do odpowietrzania i zalewania pomp. W celu zabezpieczenia się przed uderzeniem hydraulicznym w pompowni zainstalowano również zbiorniki wodno-powietrzne.

3. Armatura i wyposażenie

Armatura:

• Rurociągi ssawne Ø 400 [mm] z wlotem z koszem ssawnym z zaworem stopowym zapobiegającym powrotowi wody do komory oraz konfuzorem 400/300. Rurociągi ssawne wykonane są ze stali i łączone z koszami kołnierzowo. Prędkość przepływu w rurociągach ssawnych v_s=1,03 [m/s]. Długość rurociągu ssawnego wynosi 10,0 [m].

- Rurociągi tłoczne wychodzące z pomp mają średnice Ø 300 [mm] i prędkości przepływu 2,7 [m/s]. Wykonane są ze stali i łączone kołnierzowo. Każdy z tych rurociągów wyposażony jest w dyfuzor ,wodomierz śrubowy,zasuwę i zawór zwrotny

- Rurociąg tłoczny na odcinkach 2'-3, 2'-4 ma średnicę równą Ø 400 [mm]i prędkość 2,1 [m/s]. Odcinek ten wyposażony został w trójnik zbieżny oraz i dyfuzor 400/500.

- Rurociąg tłoczny na odcinku 3-4 ma średnicę równą Ø 500 [mm]i prędkość 2,06 [m/s]. Odcinek ten wyposażony został w trójnik zbieżny, dyfuzor 500/550 i zasuwę.

1. - Rurociąg tranzytowy o średnicy Ø 600 [mm] i prędkości v_tr=1,57 [m/s]. Na rurociągu znajdują się: wodomierz śrubowy Dn=550 [mm], zasuwę i zawór zwrotny oraz w konfuzor 550/350 i dyfuzor.

Wyposażenie pompowni:

• suwnica dwutorowa,

• pompy wirowe ,

• pompa próżniowa z kanałami bocznymi VSE,

• zbiornik wodno powietrzny firmy BEPIS,

• sprężarka powietrza Air - Com typ LFX2.0

2. Schemat pompowni.

Ze względu na ilość pomp roboczych wynosząca 4 pompy oraz II klasę niezawodności pompowni liczba pomp rezerwowych wynosi 1.

Rys.1

3. Obliczenie wydajności pojedynczej pompy.

Nominalna wydajność pompowni:

Q_n = 540 [dm³/s] = 32400 [dm3/ min] = 0,540 [m³/s] = 1944 [m³/h]

W pompowni znajduje się cztery pompy robocze (n = 4).

Ze względu na II klasę niezawodności przyjęto jedną pompę rezerwową n_r = 1

Wydajność pojedynczej pompy.

[dm³/s] = 486 [m³/h]

4. Obliczenie średnic rurociągów.

d - średnica rurociągu [m]

Q - przepływ w rurociągu (wydajność pompy) [m³/s]

v - prędkość przepływu wody w rurociągu [m/s]

4.1. Obliczenie średnic rurociągów na poszczególnych odcinkach.

a) średnica rurociągu ssawnego 0-1, 0-1'

Q = Q_P1 = Q_p = 0,135 [m³/s]

v = 1,0 ÷ 1,5 [m/s]

[m]

przyjęto d = 0,4 [m]

[m/s]

b) średnica rurociągu tłocznego 1-2, 1'-2',1'-3, 2-2'

Q = Q_P1 = Q_p = 0,135 [m³/s]

przyjęto d = 0,3[m]

v_rz= 4*0,135 / 3,14*0,25²= 2,7[m/s]

c) średnica rurociągu tłocznego 2'-3, 2'-4

Q = 2*Q_p = 2∙0,135 = 0,27 [m³/s] (2*Qnom/4)

przyjęto d = 0,40 [m]

v_rz= 2,1[m/s]

d) średnica rurociągu tłocznego 3-4

Q = 3*Q_p = 0,405 [m³/s] (3*Qnom/4)

przyjęto d = 0,50 [m]

v_rz= 2,06[m/s]

e) średnica rurociągu tranzytowego 3-5

Q = Q_n = 0,540 [m³/s]

przyjęto d = 0,6 [m]

v_rz= 2,12[m/s]

5. Wstępny dobór pompy.

Wysokość podnoszenia pompy:

H_p - wysokość podnoszenia pompy [mH₂O]

H_gs - geometryczna wysokość ssania = 5,1 [mH₂O]

H_gt - geometryczna wysokość tłoczenia = 26,0 [mH₂O]

Δh_p - straty ciśnienia w pompie 1
3 [mH₂O]

przyjęto: 1,5 [mH₂O]

h_tr - straty ciśnienia na rurociągu tranzytowym

l -długość rurociągu tranzytowego 1=1200 [m]

d - średnica rurociągu tranzytowego d = 500 [mm]

k - współczynnik chropowatości względnej k = 0,17 [mm]

(rury stalowe spawane)

= 2,8 *10^-4

ν(15°C) = 1,156 ∙ 10^-6

v_n = 1,9 [m/s]

= 0,018

[mH₂O]

Rzeczywista wysokość strat ciśnienia na rurociągu tranzytowym

[mH₂O]

Hp = 5,1 + 26 + 1,5 + 7,128 = 39,7 [mH₂O]

Dobrano pompę warszawskiej fabryki pomp: Dobrano pompę typ 15FY50 o wydajności 500[m³/h] i wysokości podnoszenia 50 m

o parametrach nominalna wysokość podnoszenia Hp = 50 [mH₂O]

wydajność Qp = 500 [m³/h] = 8333,3 [dm³/min]

prędkość obrotowa wirnika n = 2900 [obr/min]

zakres znamionowych mocy silnika Ps = 30 [kW]

Obliczenie zapotrzebowania mocy na wale pompy:

gdzie:

Q_p - wydajność pompy = 135 dm³/s = 0,135 [m³/s]

H - wysokość podnoszenia = 39,7 [m]

γ_w - ciężar właściwy wody = 1000 [kG/m³]

η_p - sprawność pompy przy danej wydajności = 80 %

7. Obliczenie wymiarów zbiornika dolnego komory czerpalnej i konfuzora.

Rys.2

Objętość zbiornika czerpalnego:

V_u = Q_n * t gdzie:

t= 10-15 [min ]- przyjęto t= 12 [min]

Q_n= 540 [dm³/s] - całkowita wydajność pompowni

V_u = 540[dm³/s] * 720 [s]= 388800 [dm³] = 388,8 [m³]

V_o - objętość , którą musimy zagwarantować przez cały czas

V_c= V_o + V_u [m³]

Rys. 3

h₀ ≥ 2 * Ds.

h₀ ≥ 0,5
0,8 [m]

D_s = = (1,3
1,5)*d_s d_s = 0,4
[
m]- śre
dnica rurocią
gu ssawnego

D_s = 1,4 * 0,4 = 0,
6[m]

h₀= 2* 0,56 = 1,2

h≥ 0,8*d_s

h≥ 0,5

h≥0,8*0,4=0,32 przyjęto h=0,5

h_k≥D_s przyjęto h_k = 0,7 m

rys. 4

l≥ (1,5
2,0)* D_s

l= 1,7 * 0,56 = 0,95 ≈1 [m]

przyjęto l= 1,5 [m]

l_o ≥ (0,75
1)* Ds.

l_o = 0,8* 0,56 =0,5 [m]

przyjęto l_o = 1 m

• Obliczenie objętości zbiornika czerpalnego V_o

* wysokość zbiornika H = h +h_o = 0,5 + 1,12 = 1,62

V_o = 0,1* 388,8=38,8 [m³]

V_c= V_o + V_u [m³]

V_c = 388,8+ 38,8 = 427,6 [m³]

Przyjęto następujące wymiary dla V_u:

H = 8,0 [m]

L = 10 [m]

B = 5,0 [m]

Przyjęto następujące wymiary dla V_o:

H = 1,7 [m]

L = 10 [m]

B = 2,50 [m]

Rzeczywista objętość komory V_rz = 400+42,5 = 442,5 [m³]
443 [m³ ]

8. Obliczenie urządzeń do tłumienia uderzeń hydraulicznych.

8.1. Obliczenie bezpiecznej długości rurociągu tranzytowego,

[m]

a =

gdzie: a_o - prędkość rozchodzenia się faki uderzeniowej

d- średnica rurociągu tranzytowego
Ø = 0,6 [m]

E_W - moduł sprężystości wody = 20,3*10⁸[N/m²]

E_V- moduł sprężystości stali = 2000* 10⁸[N/m²]

- grubość ścianki = 0,008 [m]

- gęstość wody = 1000 [kg/m³]

a=
= 760,89 [m/s]

[m] gdzie: a= 760.89 [m/s]

v_n - prędkość przed uderzeniem hydr. w ruchu ustalonym na rurociągu tranzytowym

v_n = 1,9 [m/s]

= 0,018

d = 0,6 [m]

L_B =

L_tr < L_B 1200[m] < 13348 [m]

Wobec czego należy zaprojektować zbiornik wodno - powietrzny.

8.2. Obliczenie objętości zbiornika wodno - powietrznego.

= H_r + 10

H_r = H_gt +
h_str = 26 + 6,48 = 32,48 [mH₂O]

= 32,48 + 10 = 42,48 [mH₂O] → p₀ = 42,5,0·9,81 = 416,9 [kN/m²]

= H_min + 10

H_min = H_gt -
h_str = 26 - 6,48 = 19,52 [mH₂O]

= 19,52 + 10 = 29,52 [mH₂O] → p_min = 30,0·9,81 = 294,3 [kN/m²]

F=
→ F=

= 0,3 [m²]

[m³]

[m³]

Aby przeciwdziałać uderzeniu hydraulicznemu zastosowano pięć zbiorników wodno- powietrznych firmy „BEPIS”o następujących parametrach:

• pojemność V=15 m³

• wysokość H=5730 mm

średnica D = 2000 mm

9. Obliczenie sprężarki do zbiornika wodno - powietrznego.

H_r = H_gt +
h_str = 26 + 6,5= 32,5 [mH₂O] = 3,14 [atm]

p_r = 32,5 [mH₂O]

R = H_r - l = 3,14 - 1 = 2,14 [atm]

V = R ∙ v_n = 2,14 ∙ 1,9 = 4,06 m³

Teoretyczna wydajność sprężarki

V' = V/t

t = 0,5 h

V' = 4,06 / 0,5 = 8,1 [m³/h]

Rzeczywista wydajność sprężarki

V_rz = V' ∙ η

η = 0,65

V_rz = 8,1 ∙ 0,65 = 5,3 [m³/h]

Przyjęto sprężarkę AB6/1-220-40

V = 6 m³/h

p_t= 1,0 MPa

prędkość obrotowa 1450 obr/min

10. Obliczenie wydajności pompy próżniowej.

[m³/h]

V_rzp - rzeczywista objętość powietrza jaką pompa musi usunąć

t - czas pracy pompy próżniowej

t = 3 - 5 min przyjęto t = 4 [min]

c = 1,1 ÷ 1,3 przyjęto c = 1,2

V_th = V_z ∙ (1-ln p_k) p_k = 0,5 atm

V_z - objętość rurociągu i pompy

V_z = (V_r + V_p) ∙ n

n = 4

V_p = l [m³]

Objętość rurociągu V_r:

Objętość odcinka d = 400 [mm] , l = 5,0 [m]

V₁= 0,628 [m³]

Objętość kolana d = 400 [mm], l = 0,5 m

V₂ = 0,063 [m³]

Objętość kofuzora 400/300 l = 0,5

V₃ = 0,04 [m³]

V_r = 0,628 + 0,063 + 0,04 = 0,73 [m³]

V_z = (0,73 + 1) ∙ 4 = 6,92 [m³]

V_th = 6,92 (1 - ln 0,5) = 8,67 [m³]

V_rzp = 1,2 ∙ 8,67 = 11,7 [m³]

[m³/h] = 3,2 [m³/min]

Dobrano pompę próżniową VSE

Q_p = 5,0 m³/min

p = 85 %

11. Obliczenie strat w pompowni, sprawdzenie warunku antykawitacyjnego

1. Straty lokalne na rurociągu ssawnym

v = 1,0 m/s

- wlot o ściętych krawędziach  = 0,25 →
0,014 [m H₂O]

- kolano 90°  = 0,17 →
0,009 [m H₂O]

- konfuzor 400/300  = 0,34 →
0,018 [m H₂O]

- zawór  = 0,24 →
0,013 [m H₂O]

 h = 0,054 [m H₂O]

11.2 . Straty na długości na rurociągu ssawnym

v = 1,0 [m/s]

d = 400 [mm]

l =10,0 [m]

k = 0,15

λ = 0,0245

11.3. Warunek konstrukcyjny

gdzie:

p_d - ciśnienie bezwzględne na wlocie do kosza ssawnego [m H₂O]

p_v - ciśnienie parowania cieczy w danej temperaturze [m H₂O]

V_d - prędkość wlotowa na ssaniu [m/s]

h_s - straty na rurociągu ssawnym [m H₂O]

H_gs - geometryczna wysokość ssania [m H₂O]

γ - ciężar właściwy wody [kG/m³]

p_d / γ   [m H₂O]

p_v / γ  , [m H₂O]

[m H₂O]

h_dk = 4,8> h_żk = 0,92 m H₂O

h_dk - dyspozycyjny zapas antykawitacyjny

h_żk - żądany zakres zapasu antykawitacyjnego

Dopuszczalna nadwyżka antykawitacyjna jest większa od żądanego zapasu.

12. Obliczenie strat hydraulicznych na poszczególnych odcinkach

Straty na poszczególnych odcinkach będziemy obliczać z następującego wzoru:

wykonując odpowiednie podstawienie:
,
otrzymujemy:

Wartość  obliczamy z wzoru:

dla v/ ≥ ,⋅^

dla v/  ,⋅^

Straty na rurociągach ssawnych:

V=1,1m/s

d= 300 mm

l=10 m

k=0,17 mm

= 0,020

Q=0,135 m³/s

kosz ssawny ξ = 3,1

kolano 90° d = 300 mm ξ = 0,12

konfuzor 300/200 ξ = 6,2

∑ξ = 9,42

s_k= 10,21 s²/m⁵ , c=0,681 s²/m⁷

Δh=(0,681∙10+10,26∙9,42) ∙Q²

Q	h
0,0728	0,54832
0,0788	0,64242
0,0838	0,72654
0,0888	0,81582
0,0938	0,91028
0,0988	1,00991

Straty na rurociągu tłocznym 1-2

V=2,7 m/s

d= 300 mm

l=8,5 m

k=0,17 mm

= 0,019

Re=439686,9

Q=0,135 m³/s

dyfuzor 200/300 ξ = 0,09

wodomierz śrubowy d = 300 ξ = 0,42

zasuwa d = 300 ξ = 0,32

zawór zwrotny d = 300 ξ = 2,1

2 x kolanko 90° d = 300 ξ = 2 ∙ 0,136 = 0,272

∑ξ = 3,2

s_k= 21,05 s²/m⁵ , c= 1,609 s²/m⁷

Δh=(1,609∙8,5+21,05∙3,2) ∙Q²

Q	h
0,0728	0,42948
0,0788	0,50319
0,0838	0,56907
0,0888	0,63901
0,0938	0,71299
0,0988	0,79103

Straty na rurociągu tłocznym 2-2'

V=2,7 m/s

d= 300 mm

l=2 m

k=0,17 mm

Re= 439686,9

= 0,019

Q=0,135 m³/s

kolanko 90° d = 300 ξ = 1,95

dyfuzor 300/400 ξ = 0,079

∑ξ = 2,03

s_k= 21,05 s²/m⁵ , c= 1,609 s²/m⁷

Δh=(1,609∙2+21,05∙2,03) ∙Q²

Q	h
0,0728	0,2447
0,0788	0,2868
0,0838	0,3243
0,0888	0,3642
0,0938	0,4063
0,0988	0,4508

Rurociąg tłoczny 2'-3

V= 2,1m/s

d= 400 mm

l= 2 m

k=0,17 mm

Re= 548803

= 0,017

Q=0,27 m³/s

trójnik zbieżny ξ = 0,46

dyfuzor 400/500 ξ = 0,09

∑ξ = 0,55

s_k= 3,23 s²/m⁵ , c= 0,137 s²/m⁷

Δh=(0,137∙2+3,23∙0,55) ∙Q²

Q	h
0,1376	0,03882
0,1476	0,04467
0,1576	0,05093
0,1776	0,06468
0,1876	0,07216
0,2076	0,08837

Rurociąg tłoczny 3 - 4

V= 2,06m/s

d= 500 mm

l= 2 m

k=0,17 mm

Re= 658379,4

= 0,015

Q=0,2814 m³/s

trójnik zbieżny ξ = 0,6

dyfuzor 500/550 ξ = 1,5

zasuwa ξ=0,15

∑ξ = 2,25

s_k= 1,32 s²/m⁵ , c= 0,04 s²/m⁷

Δh=(0,04∙2+1,32∙2,25) ∙Q²

Q	h
0,2214	0,1498
0,2414	0,1781
0,2514	0,1932
0,2714	0,2252
0,2814	0,2421
0,3014	0,2777

- rurociąg tranzytowy

przyjmuje się iż straty lokalne stanowią 5 % strat na długości

12. Obliczenie strat na rurociągu tranzytowym

Na rurociągu tranzytowym przyjmujemy straty
= 0 z długości rurociągu zwiększamy o 5%.

d= 600 mm

l= 1200 m

Re= 795119,7

= 0,014

Q=0,540 m³/s

k/d=0,0002

F=0,28 m²

konfuzor 600/350
= 0,16

wodomierz śrubowy d = 350
= 0,52

dyfuzor 350/600
= 1,3

zawór zwrotny d = 600
= 2,6

zasuwa d = 600
= 0,15

= 4,73

v=Q/F

[mH₂O]

Q	V	Re			h
[m^3/s]	[m/s]						[mH20]
0,008	0,029	17095	0,016		0,0013
0,01	0,036	21369	0,016		0,0021
0,022	0,079	47012	0,016		0,0101
0,03	0,107	64107	0,015		0,0176
0,034	0,121	72655	0,015		0,0225
0,038	0,136	81202	0,015		0,0282
0,044	0,157	94024	0,015		0,0378
0,055	0,196	117530	0,015		0,0590
0,066	0,236	141036	0,015		0,0850
0,077	0,275	164541	0,015		0,1156
0,088	0,314	188047	0,015		0,1510
0,1	0,357	213690	0,015		0,1950
0,111	0,396	237196	0,015		0,2403
0,121	0,432	258565	0,015		0,2855
0,131	0,468	279934	0,015		0,3347
0,141	0,504	301303	0,015		0,3877
0,151	0,539	322672	0,015		0,4447
0,161	0,575	344041	0,015		0,5055
0,171	0,611	365410	0,015		0,5703
0,191	0,682	408148	0,015		0,7115
0,2	0,714	427380	0,015		0,7801
0,212	0,757	453023	0,015		0,8766
0,222	0,793	474392	0,015		0,9612
0,232	0,829	495761	0,015		1,0497
0,242	0,864	517130	0,015		1,1422
0,252	0,900	538499	0,015		1,2385
0,262	0,936	559868	0,015		1,3388
0,292	1,043	623975	0,015		1,6629
0,302	1,079	645344	0,015		1,7788
0,31	1,107	662439	0,014		1,7493
0,318	1,136	679535	0,014		1,8408
0,326	1,164	696630	0,014		1,9345
0,334	1,193	713725	0,014		2,0307

13. Regulacja pomp

13.1. Charakterystyka pompy

13.2. Wyznaczenie charakterystyki rurociągu tranzytowego

13.3. Punkt pracy

Z wykresu odczytano punkt pracy układu: Q_p = 0,23 m³/s, H_p = 55 m

13.4. Wyznaczenie krzywej jednostkowego wyróżnika szybkobieżności

Ⴎ
Ⴎ
12

Ⴎ

Punkt przecięcia się charakterystyki rurociągu z krzywią wyróżnika szybkobieżności:

1200თQ² = 64 - 172,89თQ² Ⴎ Q = 0,221 m³/s

Prędkość po regulacji:

Ⴎ n' = 2837 obr/min

Ponieważ prędkość obrotowa pompy po regulacji zmieniła się w niewielkim zakresie, z 2900 obr/min do 2837 obr/min nie przeprowadzamy regulacji pomp.

14. Obliczenie mocy pompy.

Obliczenie zapotrzebowania mocy na wale pomp

Q_p — wydajność pompy

H - wysokość podnoszenia

- ciężar właściwy wody

- sprawność pompy

Wymagana moc:

N_S = k ∙ N_W

k = 1,05 - 1,05 - współczynnik bezpieczeństwa przyjmujemy 1,05

N_S = 1,05 ∙132 = 138,6[kW]

15. Obliczenie współczynnika szybkobieżności

Ⴎ

16. Obliczenie średniorocznego kosztu pompowania

16.1. Obliczenie energii zużytej przez pompę w ciągu roku

kWh

16.2. Obliczenie kosztów pompowania

K_p = n ∙ E_i ∙ c

n - liczba pomp roboczych n = 4

c - cena l kW energii c = 0,27 [zł/kWh]

K_p = 4 ∙ 1214136 ∙ 0,27 = 1311267 [ zł/rok]

III. RYSUNKI

Rys nr 1 - Pompownia - rzut z góry

Rys nr 2 - Pompownia - przekrój A-A

Rys nr 3 - Pompownia - przekrój B-B

Rys nr 4 - Składanie charakterystyk pomp i rurociągów

5

4

3

2

1

l

h

h_o

i =0,5%

V_o

V_u

h_o

D_s

d_s

B

H

l_o

l

L

V_u

V_o

l_o

---