Методика расчета водонапорного сооружения

Потребление воды на ферме на протяжении суток происходит неравномерно: то заметно растет, то значительно уменьшается. Для согласования работы насосных станций с неравномерным режимом расходов воды в системе водоснабжения предусмотрены специальные водонапорные сооружения. Они создают необходимый запас воды и этим поддерживают постоянный режим работы водоразборных устройств в период остановки насоса, при устранении аварий, тушении пожара и тому подобное. Самыми современными водонапорными сооружениями для животноводческих предприятий являются цельнометаллические сборно-блочные башни. Они отличаются простотой конструкции и эксплуатации, надежные в работе. Общую вместимость резервуара водонапорной башни V рассчитывают по формуле:

, (13)

где: V_р - рабочий или регулирующий объем резервуара, м³; Vз - объем для накопления необходимых (аварийных, противопожарных) запасов воды, м³; V_п - пассивный неиспользуемый объем резервуара, м³.

Последняя составляющая уравнения (14) включает верхнюю часть объема резервуара, который не заполняется водой V_пв, а также нижнюю часть, которая исполняет роль отстойника V_п:

(14)

Верхняя пассивная часть V_пв обусловлена тем, что резервуар нельзя заполнять до краев. Максимальная высота заполнения бака на 0,2÷0,3 м ниже верхнего обреза его стенок, глубина отстойной части бака - 0,15÷0,2 м. То есть пассивный объем бака предопределяется конструктивными рассуждениями.

Таким образом, расчет вместимости водонапорного сооружения практически сводится к определению величины рабочего объема и объема для создания и хранения необходимого запаса воды. Для хранения противопожарного запаса воды нужно иметь достаточно значительную вместимость резервуаров, поэтому в сельском хозяйстве для этого часто используют естественные или искусственные водоемы, а также подземные или наземные безнапорные резервуары, из которых воду забирают пожарными насосами.

Регулировочная вместимость бака зависит от величины максимальной суточной потребности воды, характера ее расходования в разные часы суток и режима работы насосной станции. Определить ее можно так:

- составить таблицы расходов воды и подачи ее насосами;

- разработать совмещенный суточный график потребления воды и подачи ее насосами;

- построить интегральные кривые расходов и подачи воды;

- приближенно расчетным путем в зависимости от среднесуточной потребности воды:

(15)

Применение интегрального метода позволяет установить оптимальное время работы насосной станции, которое существенно влияет на уменьшение регулировочного объема бака и стоимости водонапорного сооружения.

На интегральном графике (рис. 4) приведено суммарное потребление воды от начала суток до каждого следующего ее часа, а также интегральные кривые подачи воды насосной станцией. Анализируя разные варианты начала включения и длительности работы насоса на протяжении суток, выбирают наилучший из них.

 

 

Рис.4. Интегральный график использования (1) и варианты подачи воды в резервуар при работе насосной станции на протяжении 16 (2) и 12 (3) час в сутки

Так, в соответствии с графиком потребления воды при 16-часовой длительности работы насосной станции минимальная вместимость Кр будет при начале работы станции - в 7-7.30 час и будет составлять:

Vр = Vрп + Vрк = 0,19 Qсут, (16)

где: Vрп, Vрк - регулировочные запасы, которые обеспечивают потребление воды соответственно от начала суток до включения насосной станции, а также после остановки ее до конца суток, м³.

В вариантах начала работы насосной станции в 6; 5 или 4 час, этот запас должен быть соответственно 0,23; 0,26 и 0,27 от суточного, расхода воды.

Чтобы обеспечить запас воды, который исключил бы возможность полного опорожнения резервуара бака в пиковые часы, выбранную регулировочную вместимость необходимо увеличить на 2-3 %.

При автоматизированном управлении работой насосной станции при соблюдении условия, что производительность насоса превышает максимальное потребление воды на протяжении часа (Qн>Qчас. mах.), регулировочная вместимость бака определяется по выражению:

, (17)

где: z - частота включений насоса на протяжении часа.

В этом случае путем увеличения частоты включений насоса можно существенно уменьшить регулировочный объем воды, за счет чего при той же общей вместимости водонапорного сооружения растет запас воды. Максимальная частота включений насосной станции составляет:

, (18)

из экономических соображений она не должна быть больше 2-3 раз в час.

Аварийный запас воды Vав принимают из расчета вынужденной остановки насосной станции для устранения возможных неполадок на протяжении двух часов:

 

Vав = 2 Qчас. мах. (19)

 

В водонапорной башне рекомендуется иметь противопожарный запас воды Vпож (в расчете на 10 мин гашения пожара при затрате воды 10 л/с) до 6 м³.

Тогда,

Vз = Vав + Vпож. (20)

 

Расчетный общий объем резервуара водонапорного сооружения округляют к ближайшему по стандарту (прил. 2) и выбирают необходимую марку башни.

Высота водонапорной башни должна быть такой, чтобы обеспечить подачу воды к самому отдаленному от нее и наиболее высоко размещенному пункту потребления воды, который называют диктующей точкой. К тому же, в этой точке нужно поддерживать достаточный свободный напор НВ. _. В соответствии с действующими нормами и правилами (СНиП) минимальный свободный напор при одноэтажной застройке помещений принимают равным 10 м, двухэтажной - 12, при многоэтажной на каждый этаж добавляют по 4 м. Тогда необходимая высота водонапорной башни НБ будет составлять:

(21)

где: Н_В - свободный напор самого отдаленного и наиболее высоко расположенного потребителя, м; h - общие потери давления в трубопроводе на участке от башни к диктующей точке, м; (h_д - h_б) - разница геодезических отметок земли в месте размещения диктующей точки и башни, м.

Безбашенная система водоснабжения с пневматическими автоматизированными насосными установками имеет недостаток, связанный с практическим отсутствием аварийного запаса воды. Необходимый регулировочный объем воды в воздушно-водяной ёмкости рассчитывают по формуле (17). При этом допустимая частота включений насосной станции может быть увеличена до 8-12 в час.

Полную вместимость гидропневматического бака автоматической безбашенной водокачки вычисляют по формуле:

, (22)

где: β - коэффициент запаса вместимости бака, β = 1,1-1,3; μ - отношение абсолютных значений минимального давления к максимальному.

Для систем с полным напором до 75 м μ = 0,75, при напоре свыше 75 м μ = 0,6.

Максимальное давление Р_max в гидропневматическом баке, при котором выключается насос, равняется:

, (23)

где: Рк - давление в баке, при котором включается насосная станция. По объему гидропневматического бака и необходимом максимальном давлении в нем выбирают марку автоматической безбашенной установки (прил. 2).