Рекомендации по подбору глубинных скважинных насосов типа ЭЦВ, CIRIS, FRS и гидроаккумуляторов

Информация, содержащаяся в данной статье, позволит эффективно эксплуатировать скважинные насосы, значительно сократить количество выходов из строя, а также избежать наиболее характерных ошибок при выборе, монтаже и эксплуатации насосных агрегатов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСОВ
Система водоснабжения состоит из множества элементов, среди которых выделяют насос, трубопровод, запорно-регулирующую арматуру, резервуары и баки. От согласованности работы этих основных элементов зависит эффективность и надёжность работы системы водоснабжения в целом. 

       Основными характеристиками насоса, представляющими его рабочие параметры, являются:
• напорная характеристика насоса (Q-H характеристика) – зависимость напора насоса от его подачи;
• зависимость потребляемой мощности от подачи (Q-P характеристика). Для многоступенчатых насосов данная характеристика может быть указана как для насоса в целом, так и для одной ступени;
• зависимость КПД от подачи (Q- характеристика) – показывает коэффициент полезного действия ступени с учётом потерь в обратном клапане и на входе в насос.




ХАРАКТЕРИСТИКА СЕТИ И РАБОЧАЯ ТОЧКА НАСОСА
Характеристика сети показывает зависимость её гидравлического сопротивления от расхода жидкости с учётом статической составляющей – высоты подъёма и давления до и после насоса. Понятие сети включает в себя совокупность резервуаров, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, фильтров, через которые проходит жидкость до насоса и от насоса до потребителя. Каждый из этих элементов обладает своими гидравлическими характеристиками, вместе представляющими собой общую характеристику сети.

Эффективность насосного оборудования в первую очередь определяется его правильным подбором, проведенным с учётом всех особенностей технологического процесса. Поэтому основой энергоэффективного использования насосного оборудования является согласование характеристик насоса и сети, то есть обеспечение работы насоса в режиме, при котором рабочая точка находится в рабочей области характеристики насоса.

Одним из основных требований при подборе насоса является обеспечение его работы в рабочем диапазоне (рабочей области), лежащем в пределах 70 - 120 % от номинальной подачи. Нахождение рабочей точки в данной области обеспечивает работу насоса с максимальным КПД. Выполнение этого требования позволяет эксплуатировать насосы с высокой эффективностью и надёжностью.


ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПОДБОРА НАСОСОВ

Исходными данными для выбора насоса являются требуемые значения подачи и напора, а также сведения, приведенные в паспорте скважины или полученные в результате замеров:
1. Диаметр обсадной колонны труб скважины;
2. Статический уровень воды в скважине;
3. Дебет скважины;
4. Динамический уровень воды в скважине, соответствующий дебету скважины;
5. Глубина установки фильтровальной колонны;
6. Химический состав воды и содержание механических примесей.


Этап 1. Определение диаметра насоса
Диаметр насоса должен соответствовать внутреннему диаметру скважины с сохранением определенного зазора между корпусом насоса и обсадной трубой



Этап 2. Определение производительности насоса

Электронасос для скважины необходимо подбирать таким образом, чтобы дебет скважины превышал номинальную подачу насоса не менее чем на 25%



Этап 3. Определение требуемого напора насоса
Параметры, при которых будет работать насос, то есть его рабочая точка, определяются параметрами сети (системы водоснабжения):

Характеристика сети складывается из двух составляющих: статической и динамической. Статическая составляющая в зависимости от схемы установки определяется геометрической высотой подъёма воды относительно динамического уровня скважины и геометрической высотой приемного резервуара. В случае, когда насос работает на пневмогидравлический бак или сборный водовод, необходимо учитывать противодавление в системе. В этом случае статическая составляющая характеристики сети рассчитывается по следующим формулам:

где
H_дин - динамический уровень скважины, м
H_гео - высота от устья скважины до максимального уровня воды в напорной ёмкости или до самой высокой точки трубопровода при свободном изливе, м
p_бака - давление в баке, Па (1 кгс/см² ≈ 98,067кПа)
p – плотность воды, 998 кг/м³
g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с²
Для бака, находящегося под атмосферным давлением р_бака= 0.

Динамический уровень скважины определяется по формуле:

где
S – понижение уровня по графику удельного дебета, м
H_ст – статический уровень скважины, м

Динамическая составляющая характеристики сети определяется потерями напора в трубопроводе и имеет вид квадратичной зависимости:

где
k – коэффициент, зависящий от потерь по длине трубопровода и местных сопротивлений (задвижки, колена, клапаны, переходники и т.п.). На графике данная зависимость изображается в виде параболы.

Потери напора h_дин определяются по формуле:

где
h₁₀₀ – потери по длине трубопровода на 100 м трубы, м
L_факт – фактическая длина трубы, м
Δh – величина местных потерь, м

Величина местных потерь в зависимости от расхода приводится в справочниках и эксплуатационной документации на запорнорегулирующую арматуру. Величины потерь напора по длине трубопроводов различного диаметра на 100 м длины (h₁₀₀) из различных материалов также содержатся в справочниках.

В таблицах ниже приведены данные о потерях и скоростях движения воды в трубопроводах из наиболее распространенных материалов:

Величина потерь напора по длине для стальных трубопроводов
Верхние значения - скорость потока жидкости в м/сек, нижние значения - потери напора в метрах на 100 м прямой трубы.


Величина потерь напора по длине для пластмассовых трубопроводов
Верхние значения - скорость потока жидкости в м/сек, нижние значения - потери напора в метрах на 100 м прямой трубы.



При невозможности определить потери по длине для сетей простой конфигурации (например, насос – резервуар) требуемый напор насоса можно взять на 5% больше суммы динамического уровня воды в скважине и высоты подъёма воды над уровнем отметки устья скважины.

Таким образом, определив значения всех составляющих характеристики сети для различных значений подачи насоса, можно построить напорную характеристику системы:

Зная требуемый напор, в соответствии с этапами 1-3 можно определить модель насоса, соответствующую параметрам системы.


ПОДБОР ГИДРАВЛИЧЕСКОГО АККУМУЛЯТОРА
Установка гидроаккумулятора (расширительного бака) во многих случаях предотвращает слишком частые включения насоса в процессе его эксплуатации и снижает воздействие гидроударов. Тем самым оптимизируется энергопотребление насоса, снижается его износ, повышается стабильность напора.

Существуют различные методики подбора гидроаккумулятора. Многие производители гидроаккумуляторов предлагают свои программы подбора оборудования. Один из методов подбора гидравлического аккумулятора приведён в СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

Подбор гидроаккумулятора – это сложная задача, требующая учёта множества факторов, таких как:
• неравномерность потребления воды;
• неравномерность подачи воды насосами;
• величина регулирующего объёма относительно объёма бака;
• допустимое число включений насосной установки в час.

Ниже приведена методика подбора объёма гидроаккумулятора, в основу которой положен международный метод расчёта UNI 9182.

Основными параметрами для выбора оптимального объёма гидроаккумулятора являются:
• максимальная подача насоса;
• рекомендуемая частота включений-отключений в час используемого в системе насоса;
• настройка реле давления, т.е. значения давлений включения и отключения насоса;
• начальное давление в воздушной полости гидроаккумулятора должно быть меньше давления включения насоса минимум на 0,5 атм. (1 атм. ≈ 1кгс/см² ).

В данной методике значения давлений берутся в абсолютных величинах, поэтому к значениям, измеряемым манометрами избыточного давления, прибавляется 1 атм.

Оптимальный объём гидроаккумулятора равен:


где
V_ГА – объём гидроаккумулятора, л
a - частота включений - отключений в час используемого в системе насоса
Q_max – максимальная подача насоса, л/мин
P_вкл – давление включения насоса, атм
P_откл – давление отключения насоса, атм
P_мемб – начальное давление в воздушной полости гидроаккумулятора, атм

Вычисленная величина оптимального объёма гидроаккумулятора округляется в большую сторону до ближайшего по объёму типоразмера прибора. 



ПРИМЕРЫ ПОДБОРА НАСОСОВ

Пример №1

Исходные данные:
Вода подаётся из скважины в водонапорную башню, находящуюся на отметке +20 м выше скважины. Требуемая подача: 40 м³/час  Высота от поверхности земли до верхнего уровня воды в баке: 15 м. Башня находится на расстоянии 100 м от скважины. Статический уровень скважины: 30 м. По графику удельного дебета при подаче 40 м³/час понижение уровня S составляет 10 м. Материал труб: сталь.

Расчёт характеристики системы:
Динамический уровень будет находиться на глубине Н_дин = Н_стат + S = 30 + 10 = 40 м. Исходя из рекомендуемого значения скорости жидкости в трубопроводе 1,5-3 м/с, по таблице выбираем диаметр трубопровода Ду80. На оголовке скважины установлено колено и задвижка. При Q = 40 м³/час и диаметре трубы Ду80 скорость потока составит ≈ 2,1м/с. В соответствии с таблицей, потери напора в водоподъёмной стальной трубе Ду80 составляют 8,2 м на каждые 100 м длины. 

Общая длина трубопроводов с учётом горизонтального и вертикального участков составит 40+100=140 м. Таким образом, потери на трение по длине:
h_трен = 8,2 • 140/100 = 11,5 м

Определенная по справочнику величина местных потерь (Δh) составляет: задвижки Ду80 – 0,09 м, отвода (колена) Ду80 – 0,07 м, следовательно: h_дин = 8,2 • 140/100 + 0,09 + (3 • 0,07) = 11,8 м

Величина статического напора составит:

h_ст = 40 + (20 + 15) + 0(т.к. емкость под атмосферным давлением) = 75 м

Общий требуемый напор системы составит:

H_сист = 11,8 + 75 = 86,8 м

В каталоге подбираем серию насосов, КПД которых при данном расходе будет максимальным. На напорной характеристике находим рабочую точку и ближайшую к ней кривую соответствующего насоса.
Для нашего случая подойдет насос CRS 8-40/6. При подаче 40 м³/час насос обеспечивает напор 90 м.



Пример №2

Исходные данные: 
Вода подаётся из скважины в гидроаккумулятор. Требуемая подача: 8 м³/час.  Статический уровень скважины: 40 м. По графику удельного дебета при подаче 8 м³/час понижение уровня S составляет 5 м. 
Реле давления должно обеспечивать:
• давление, при котором включается насос P_вкл = 1,8 кгс/см²
• давление в баке, при котором насос отключается P_выкл = 4,5 кгс/см²
• максимальное давление газа P_мембр = 1,5 кгс/см²
• максимальное количество пусков в час a = 6

Подбор гидроаккумулятора:
По методу расчёта гидроаккумуляторов UNI 9182 по уровням давлений и количествам пусков в час:


получаем ближайший по объёму типоразмер гидроаккумулятора – 1000 л.

Расчёт характеристики системы:
Динамический уровень будет находиться на глубине Н_дин = Н_стат + S = 40 + 5 = 45 м. Исходя из рекомендуемого значения скорости жидкости в трубопроводе 1,5-3 м/с, по таблице выбираем диаметр трубопровода. На оголовке скважины установлено колено и задвижка.
Ввиду того, что у пластмассового трубопровода гидравлическое сопротивление ниже, чем у стального, то можно выбрать пластмассовый трубопровод меньшего диаметра, даже если диаметр трубопровода будет меньше диаметра напорного патрубка насоса. 
Исходя из рекомендуемого значения скорости жидкости в трубопроводе 1,5-3 м/с, по таблице выбираем диаметр пластмассового трубопровода Ø 40,8 мм. При Q = 8 м³/час и внутреннем диаметре трубы Ø 40,8 мм скорость потока составит ≈ 1,7 м/с. В соответствии с таблицей, потери напора в пластмассовом трубопроводе составляют 8,87 м на каждые 100 м длины. Длина трубопровода составляет 45 м. Местные потери пренебрежимо малы по сравнению с потерями по длине на вертикальном участке, а также по сравнению с высотой подъёма и давлением в гидроаккумуляторе

В случае отсутствия других неучтённых потерь требуется насос напором 94,9 м.

Как и в предыдущем примере, в каталоге подбираем серию насосов, КПД которых при данном расходе будет максимальным. На напорной характеристике находим рабочую точку и ближайшую к ней кривую соответствующего насоса. Для нашего случая выбираем насос CRS 6-10/8-4. При подаче 8 м³/час он обеспечивает напор 96 м.