I ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО СИСТЕМИ ВОДОПОСТАЧАННЯ НАСЕЛЕНИХ ПУНКТІВ. НАСОСИ І НАСОСНІ СТАНЦІЇ
Потужність і параметри регульованого електроприводу системи водопостачання визначаються параметрами системи. Система водопостачання в загальному випадку – це комплекс споруд і пристроїв: споруда і пристрій для відбору води з джерела, насосна установка, трансформаторна підстанція або розподільчий щит, напорний трубопровід, очисні споруди, резервуар чистої води і водорозбірна мережа. В окремих випадках деякі з цих споруд непотрібні, наприклад, при відборі води з артезіанських свердловин не потрібні очисні споруди.
Параметри системи водопостачання залежать від багатьох факторів, але основними з них є джерело води, об’єм водоспоживання і рельєф місцевості джерела і споживання. Всі джерела води, які використовують для водопостачання можна поділити на дві групи: поверхневі – ріки, озера, моря і підземні – артезіанські і грунтові води. Вибір джерела водопостачання є надзвичайно важливою задачею. ЇЇ вірне вирішення дає гарантію на отримання необхідних об’ємів води протягом тривалого проміжку часу, на надійність і безперервність роботи системи водопостачання.
В сучасних умовах природні водні ресурси України не можна вважати необмеженими. Інтенсивна господарська діяльність і розвиток промисловості настільки погіршили екологічний стан малих і середніх річок України, що зробили їх непридатними для водоспоживання. В цих умовах актуальною стає задача ширшого використання підземних артезіанських вод. Даний курсовий проект направлений на вирішення однієї з задач цієї галузі – створення типового регульованого електроприводу для серії свердловинних насосів типу ЕЦВ потужністю від 1,1 кВт до 130 кВт.
Електропривід “прив’язаний” до найпростішої автономної системи водопостачання, яка складається з підземного джерела, свердловинного відцентрового насоса, конструктивно з’єднаного з електродвигуном, напірного трубопроводу і водонапірної башти з резервуаром відповідного об’єму.
Об’єм водоспоживання визначається видом населеного пункту – ферма, село, селище, місто. Якщо місто, то наскільки індустріалізоване, який характер забудови – малоповерхова чи багатоповерхова, норми питомого водоспоживання, норми протипожежного резерву. Наприклад, для населених пунктів, де водокористування передбачено з водорозбірних колонок, питома середньодобова витрата води на 1-го мешканця приймається рівною 30-50 л. Для великих міст, забудованих будинками з внутрішнім водогоном і гарячим централізованим опаленням добова норма водоспоживання складає 230 – 350 л. Враховують також витрати води на промислові і побутові потреби промислових і комунальних підприємств і на гасіння пожеж. Для проектування системи водопостачання необхідно знати не тільки норми водоспоживання, але й графіки погодинного споживання протягом доби і помісячного споживання протягом року. Врахування нерівномірності добового споживання дозволяє зменшити кількість одночасно працюючих насосів, впровадити програмне регулювання подачі. Діючими нормативними документами встановлені коефіцієнти добової нерівномірності подачі 
. На рис.1.1 зображена добова діаграма водоспоживання реального міста.
Рисунок 1.1 – Типова добова діаграма водоспоживання середнього за чисельністю населеного пункту з промисловими і комунальними підприємствами
Типовим для добової діаграми водоспоживання будь-якого міста є те що з неї видно інтервали часу найбільшого і найменшого споживання, а значить і години найбільшої і найменшої подачі води у водорозбірну мережу. Це дає можливість розрахувати потужність насосних установок і межі регулювання
подачі. Якщо орієнтуватись на діаграму рис.1.1, мінімум водоспоживання дорівнює 0,42 максимального. Логічно в проекті прийняти діапазон регулювання подачі від 1,0Qном до 0,42 Qном.
Даний курсовий проект не прив’язаний до систем водопостачання конкретних населених пунктів. Він орієнтований на найпростішу автономну систему з водопостачанням від свердловини. Найпростіша система водопостачання складається з джерела, насосної установки, башти з резервуаром (баком), напірного трубопровода, який з’єднує насос з резервуаром і водорозподільної мережі (на схемі не показана).
Об’єктом керування в системі водопостачання є насос. В системах водопостачання застосовують відцентрові насоси. У відцентрових насосах рідина переміщується під дією відцентрової сили, створюваної робочим колесом, яке приводиться в обертовий рух електродвигуном. Є два види свердловинних відцентрових насосів – насоси з електродвигуном над свердловиною і насоси з погружним (глибинним) електродвигуном. Даний курсовий проект орієнтований на насоси типу ЕЦВ з погружним асинхронним електродвигуном. Загальний вигляд насоса ЕЦВ зображено на рис. 2.1. Насоси ЕЦВ мають наступні технічні характеристики:
· діаметри: 4’’ , 5 ‘’, 6’’, 8’’,10’’, 12’’;
· діапазон подач: 1,5…270 м3/год;
· діапазон напорів: до 400 м;
· електродвигун ПЕДВ, потужність 1,1…130 кВт.
Структура умовного позначення типорозмірів насоса ЕЦВ
ЕЦВ X – XX – XXX:X - внутрішній діаметр обсадної труби свердловини в дюймах (4 мм);XX – номінальна подача в м3/ год; XXX – номінальний напір в м. (наприклад, ЕЦВ 4 – 2,5 – 100).
2 ВІДЦЕНТРОВИЙ НАСОС ЯК ОБ’ЄКТ КЕРУВАННЯ
2.1 Основні поняття і визначення
Насосами називають машини, призначені для створення потоку рідини для її переміщення. Всі насоси поділяють на дві основні групи: динамічні і об’ємні. У динамічних насосах рідина під дією гідродинамічних сил переміщується у камері, постійно з’єднаній зі входом і виходом насосу. До динамічних насосів належать відцентрові насоси, які є основними в системах водопостачання, водяного опалення і каналізації. Насос, конструктивно об’єднаний з двигуном на одній рамі називають насосним агрегатом, а насосний агрегат, оснащений комплектом електрообладнання, яке забезпечує роботу насоса, називають насосною установкою. Основними показниками роботи насоса є подача і напір. Подача(об’ємна) – це об’єм рідини, що подається насосом за одиницю часу. В системі SI - 
, у практиці 
або 
для малих насосів. Напір – це тиск рідини під яким вона переміщається в водоводі. Одиниця напору в в системі SI – Па (Паскаль), у практиці – метр водяного стовпа. 10 м в. ст.= 
. Повну інформацію про показники насоса дає характеристика насоса – графіки залежності напору, потужності, ККД від подачі при номінальній частоті обертання робочого колеса, номінальній в’язкості і густині води на вході в насос.
За державним стандартом маркування серійних насосів здійснюється за таким принципом: на першому місці стоїть літера або 2-3 літери, які означають марку (тип) насоса. Далі через тире або косу риску стоять два числа – подача і напір. Наприклад, консольний відцентровий насос з подачею 125 м3 /год і напором 30 м замаркований так: К 125 – 30 або К 125/30. Відцентрові насоси з двостороннім входом маркуються літерою Д, відцентрові вертикальні насоси – літерою В. Наприклад, свердловинний насос з погружним двигуном має позначення ЭЦВ з трьома числами – ЭЦВ 4-2,5-100. Перша цифра показує діаметр обсадної труби скважини в дюймах, наступні два числа – подачу і напір відповідно.
2.2 Подача, напір і потужність відцентрових насосів
Рисунок 2.1 – Загальний вигляд насосної установки з горизонтальним насосом: «0 – 0» – поверхня води на відборі; М – манометр; В – вакуумметр.
Напір, який повинен створювати насос визначають за формулою
,
де 
- геометрична висота всмоктування,
- геометрична висота нагнітання,
-втрати в трубі всмоктування,
-втрати в трубі нагнітання.
Корисна потужність насоса – потужність яка передається переміщуваній рідині
, Вт
де 
- тиск (напір) в Па,
Q в м3/с.
Якщо користуватися прийятими у практиці одиницями подачі в м3/год, напору в м, то формула прийме вигляд
кВт
Потужність, яку споживає насос від двигуна, дорівнює
ККД насоса 
враховує гідравлічні, об’ємні і механічні втрати потужності. Гідравлічні втрати – це втрати на подолання гідравлічного опору при руху рідини від входу до виходу з насосу, об’ємні втрати – це втрати від перетікання частини рідини з області високого тиску в область зниженого тиску та від протікання через сальники, механічні втрати складаються з втрат на тертя. ККД серійних насосів тримається на рівні 0,6…0, 92. ККД насосного агрегату, тобто насоса з’єднаного з двигуном, дорівнює
,
Потужність двигуна для насоса завжди більша потужності насоса. Коефіцієнт запасу залежить від потужності насоса. Рекомендують вибирати такі значення Кзап
Характеристика насоса
Характеристикою насоса називають графічне зображення залежності його основних показників (напору, потужності, ККД і допустимої висоти всмоктування) від подачі при незмінних значеннях частоти обертання, густини і в’язкості рідини. Розрізняють теоретичні і експериментальні характеристики насосів. Теоретичні характеристики насоса отримують, користуючись основними рівняннями теорії насосів. Але через те, що на роботу насоса впливає
багато різних факторів, вплив яких неможливо врахувати, теоретичні характеристики є неточними і ними практично не користуються.
Істинні залежності параметрів насоса визначають експериментально шляхом проведення заводських випробувань на стенді. Отримані в результаті цих випробувань значення параметрів 
і 
наносять на графік і отримують криві, зображені на рис. 2.2.
Рисунок 2.2 – Загальний вигляд характеристики насоса
На характеристиках насоса є кілька характерних точок. Початкова точка на вісі ординат 
відповідає роботі насоса при закритій засувці на напорному патрубку (
). У цьому режимі насос створює напор і споживає потужність 
. Споживана потужність (30% від номінальної) витрачається на механічні втрати і нагрівання води в насосі. Робота насоса в цьому режимі можлива лише на короткому проміжку часу (кілька хвилин). Точка оптимального режиму – m відповідає максимальному значенню ККД. Робоча зона характеристики лежить по обидва боки від неї, між точками а і б. Кінцева точка характеристики 
відповідає тому значенню подачі, після якого насос входить в режим кавітації. Цей режим є руйнівним неробочим, тому ми його не роглядаєм. Нормальна робота відцентрового насоса забезпечується в режимі, в якому абсолютний тиск в усіх частинах його внутрішньої полості перевищує тиск насиченої пари рідини.
На заводських характеристиках насосів зображають ще одну криву 
залежності допустимої висоти всмоктування від подачі. Цю криву використовують при проектуванні насосної установки.
Основною кривою, яка потрібна для вибору насоса при проектуванні є залежність . Характеристика насоса суттєво залежить від діаметра робочого колеса. Заводи поставляють насоси з колесами одного з трьох розмірів: необрізаними, обрізаними і максимально обрізаними. Це дає можливість розширити робочу зону насоса, як показано на рис. 2.3. – необрізаному колесу відповідає верхня крива, обрізаному – крива а – а, максимально обрізаному б – б.
Рисунок 2.3 – Робоча область характеристик відцентрового насоса
Наведені характеристики отримують при максимально допустимій частоті обертання насоса. Для того щоб по характеристиці при частоті обертання n побудувати характеристики при інших частотах використовують формули закону подібності.
2.4 Характеристика системи і робочий режим насоса
Насос працює на систему. Найпростішою системою є трубопровід, який з’єднує насос з баком. Як відомо з (2.3), напір, створюваний насосом, складається з геометричної висоти підйому рідини і суми гідравлічних втрат.
Рисунок 2.4 – Суміщені характеристики насоса і найпростішої системи
Сума гідравлічних втрат 
залежить від діаметра трубопроводу і його довжини, шорсткості його внутрішньої поверхні, кількості фланцевих переходів і згинів та витрати перекачуваної рідини. Наближено її можна оцінити за формулою
, (2.6)
де А – питомий опір по довжині труб;
l – довжина трубопроводу;
АМ – місцевий питомий опір;
- сума коефіцієнтів місцевих опорів.
Точнішу характеристику системи можна побудувати експериментально на реальній системі. ЇЇ будують наступним способом.
На графіку рис. 2.4 проводять пряму 
, паралельну осі абсцис на відстані від неї 
, вибирають кілька значень подачі 
обчислюють відповідні їм значення 
, відкладають ці значення вгору від прямої PD у відповідних точках подачі і з’єднують ці точки плавною кривою. Величину називають статичною складовою характеристики системи, а величину - динамічною. Схема включення насоса на рис.2. 4 передбачає тільки один режим роботи – в точці А його характеристики. У практиці таку схему застосовують
рідко, бо вона є неекономічною.
Рисунок 2.5 – Суміщені характеристики насоса і системи
Частіше застосовують включення насоса за схемою рис. 2.5 а). За цією схемою режим роботи насоса при наповненні бака буде змінюватися від т. А1 до т. А2. Різниця в подачі насоса буде суттєвою при великій висоті бака і невеликому геометричному підйомі. Для такої схеми характеристику системи будують за розрахунковими рівнями води в резервуарі.
У розглянутих схемах насос працює при постійному рівні води в джерелі. Якщо насос працює з підпором або при змінному рівні у резервуарі, то суміщену характеристику насоса і системи будують за схемою включення, зображеною на рис. 2.5 б). При цьому приймають самий невигідний режим – найнижчий рівень води в резервуарі і найвищий в напірному бак. При всіх випадках насос буде працювати з більшою подачею.
Керування насосним агрегатом
Керування насосним агрегатом полягає у виконанні наступних операцій:
- перевірка заповнення насоса рідиною;
- пуск насоса і виведення на робочий режим;
- регулювання подачі;
- зупинка насоса.
Перед пуском насос потрібно заповнити рідиною. Спосіб заповнення насоса обирається при його установці. Якщо насос розміщений вище горизонта рідини (як у свердловині), то його впускний трубопровід занурений у рідину і камера насоса залишається заповненою і після зупинки насоса. В інших випадках для автоматичної заливки насоса при його установці вище насоса встановлюють бак-акумулятор невеликої ємності, з’єднаний зі всмоктуючим трубопроводом. Але в усіх випадках перед пуском електродвигуна заповнення насоса необхідно перевірити.
Пуск насоса можна здійснити одним з трьох способів:
- при закритій напірній засувці;
- з одночасним відкриттям засувки і пуском електродвигуна;
- при відкритій напірній засувці.
Перший спосіб характеризується малим початковим пусковим моментом (5 – 20% на початку пуску і 35 – 50% при кінці) і плавним зростанням тиску в напірному трубопроводі, що виключає гідравлічний удар в системі.
Другий спосіб – це або перший, або третій, залежно від тривалості пуску насоса і відкриття засувки. Третій спосіб – пуск при відкритій засувці зручний, якщо насос розміщений нижче горизонта води у відбірному резервуарі (свердловині) і наявності зворотного клапана на напірному трубопроводі. Цей спосіб є найкращим для нашого випадку.
Зупинка насоса здійснюють наступним чином. Спочатку повільно закривають засувку, а потім вимикають живлення двигуна. Повільне закриття засувки запобігає гідравлічному удару, а закриття засувки до зупинки насоса запобігає роботі насоса в режимі гідравлічної турбіни,який є аварійним.
2.6 Регулювання подачі відцентрових насосів
Застосовують два способи регулювання подачі відцентрових насосів – зміною характеристики системи і зміною частоти обертання робочого колеса. Змінювати характеристику системи можна засувками або кранами на напорній чи всмоктуючий трубі, перепуском частини рідини з напорної труби у всмоктуючу і впуском повітря у всмоктуючий патрубок насоса. Цими способами можна збільшуючи опір системи зменшувати подачу, що явно неекономічно.
Розглянемо регулювання за цим способом задопомогою рис. 2.6.
Рисунок 2.6 – Характеристика дросельного регулювання насоса
Крива - характеристика насоса; крива 
- характеристика системи до дроселювання; крива 
- характеристика насоса;
крива 
- характеристика системи після дроселювання.
До регулювання робочий режим насоса характеризувався точкою А на кривій . Для зменшення подачі насоса прикривають засувку на його напірному патрубку. Подача зменшилась від 
до 
, а напір збільшився на різницю ординат точок 
. Ця різниця напорів є тим лишнім напором, який згашується опором засувки і на згашення якого витрачається додаткова енергія. При прикритій засувці характеристика системи змінюється, характеристика насоса також змінюється, а робочий режим насоса зміщується в область менших значень ККД.
Сучасним енергозберігаючим способом регулювання подачі відцентрових насосів є регулювання частотою обертання робочого колеса насоса. При регулюванні зміною частоти характеристика системи не змінюється. Частоту обертання двигуна підбирають так, щоб робоча точка на характеристиці насоса при потрібній подачі знаходилась в зоні максимального ККД, як на рис.2.7.
Рисунок 2.7 – Природна і регулювальна характеристики насоса при регулюванні частотою обертання
Аналіз, проведений авторами [2] показує, що при регулюванні подачі відцентрових насосів засувками в діапазоні 
втрати потужності асинхронного електродвигуна досягають 66% номінальної потужності.
