Насосная станция

Кафедра Гидротехническое и энергетическое строительство»

Курсовой проект
«Насосная станция»
Выполнил
Руководитель
Минск 2008

Содержание
Введение
1. Обоснование схемы гидроузла машинного водоподъема
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

Введение
Задача 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 водоподъема
Компоновка 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 агрегатов

2.1 Определение расчетного напора
Расчетный 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

Σ
72852,2
1971,27

Отметки уровня воды в верхнем бьефе рассчитывают по глубине наполнения машинного канала в зависимости от пропускаемого расхода по кривой связи .

Рисунок 2.1.
График связи h=f(Q) для машинного канала

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 агрегатов
Расчетная 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 электродвигателей

3.1 Выбор основного насоса

Рисунок 3.1. Сводный график рабочих полей насосов типа В
Выбор 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-6,3/40

Имея 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 электродвигателя
Требуемая 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).
ηн — 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 трубопроводов

4.1 Проектирование всасывающих трубопроводов
При 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 подводом
Форма и размеры таких труб устанавливаются заводом изготовителем и зависят от диаметра входного патрубка.

4.2 Проектирование напорных трубопроводов

4.2.1 Внутристанционные напорные трубопроводы
Напорные 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 трубопроводы
Напорные 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 насосами
Для определенного определяется диаметр напорного водовода
(4.4)

5. Составление графической характеристики совместной работы насосов и трубопроводов
Порядок 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.

Q, м3/с
0
1
2
3
4
5
6

0
0,044
0,176
0,396
0,704
1,1
1,584

Строится характеристика напорного трубопровода Q — Нтр1,2
(5.6)
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+ΔН — 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 оборудования
Вспомогательное 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 устройства
Устраиваются 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. Затворы
Основные 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 оборудование
Это 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 система
Дренажно-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 водоснабжения
Предназначена 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 хозяйство
Система 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 параметры

7.1. Выбор типа здания станции
Так 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 агрегатов
Отметка 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 станции

7.3.1 Определение высоты подземной части здания
Высота 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 станции
Насосные 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 станции
Верхнее 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 сооружения
Водозаборное 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 типа

Литература
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.

«