طراحی کردن هیدرولیکی ایستگاه های پمپاژدر شبکه های آبیاری
فهرست مطالب
مقدمه
پمپ
انواع سیستم های پمپاژ
تعیین ظرفیت سیستم های پمپاژ
اجزای سیستم های پمپاژ
انواع پمپها
انتخاب پمپ
افت انرژی در سیستم های پمپاژ
برآورد ارتفاع کل پمپاژ
توان مصرفی سیستمهای پمپاژ
نیروی محرکه پمپها
ارتفاع مکش خالص مثبت
لوله مکش
اتصالات لوله مکش
لوله رانش
اتصالات لوله رانش
مقدمه
ایستگاه های پمپاژ آبیاری و زهکشی به منظور آبگیری از منبع تامین آب ، انتقال آب کانال به تراز بالاتر یا تخلیه جریان زهکش ها ساخته می شود . طراحی ایستگاه های پمپاژ باید به صورتی باشد که بهره برداری از آن به راحتی و با حداقل هزینه های بهره برداری و نگهداری امکان پذیر گردد . انواع ایستگاه های پمپاژ که در پروژه های آبیاری و زهکشی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از پمپاز از رودخانه ، پمپاژ از مخزن های ذخیره آب ، پمپاژاز کانال آبیاری و پمپاژ از زهکش ها
پمپ
به دستگاهی گفته می شود که انرﮊی مکانیکی را از یک منبع خارجی اخذ و به سیال مایعی که از آن عبور می کند، انتقال می دهد. در نتیجه انرﮊی سیال پس از خروج از این دستگاه (پمپ) افزایش می یابد. در پمپ ها تغییرات انرﮊی سیال همواره به صورت تغییر فشار سیال مشاهده می گردد. از پمپها برای انتقال سیال به یک ارتفاع معین و یا جا به جایی آن در یک سیستم لوله کشی و یا هیدرولیک استفاده می نمایند. به عبارت کلی تر از پمپ برای انتقال سیال از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده می کنند.
تقسیم بندی پمپ ها
تقسیم بندی پمپ ها براساس عوامل مختلفی صورت مگیرد. این تقسیم بندی می تواند بر اساس موارد ذیل انجام پذیرد:
الف: برمبنای مصرف ( شرب، صنعت، کشاورزی، زهکشی )
ساختمان داخلی و نحوه انتقال انرژی به سیال و نوع سیال عبوری
متداول ترین نحوه تقسیم بندی پمپ ها بر مبنای نحوه انتقال انرژی به سیال است که بطور کلی در دو تقسیم بندی داریم.
Dynamic pumps -1 – پمپ های دینامیکی
پمپ هایی هستند که انتقال انرژی از آنها به صورت دائمی صورت می گیرد. دراین پمپ ها عمدتا افزایش انرژی سیال با تغییر انرژی جنبشی به انرژی فشاری صورت میگیرد .
Displacement pumps -2 – پمپ های جابجایی
پمپ هایی هستند که انتقال انرژی از آنها به سیال بطور متناوب صورت می گیرد .
موارد کاربرد پمپ ها:
پمپ ها اغلب برای منظورهای متفاوتی ساخته می شوند که عبارتند از:
الف- انتقال آب: محل مصرف آب همیشه در محل منبع آن نمی باشد در این صورت لازم است آب به مراکز مسکونی، صنعتی و یا کشاورزی منتقل گردد. مثلا پمپاژ آب از چاه های عمیق و نیمه عمیق، پمپاژ آب از رودخانه به اراضی اطراف و یا آبرسانی به مسافت های دور.
ب- آبیاری اراضی: در سیستم های آبیاری تحت فشار که می بایست آب در شبکه ای از لوله ها با فشار معین حرکت کرده و بصورت قطرات ریز و یکنواخت در شعاع مناسب در اطراف آب پاش ها و یا قطره چکان ها ریزش نماید لازم است این فشار توسط پمپ یا منبع هوایی تامین گردد.
پ- زهکشی اراضی:
زمین هایی که در اثر آب اضافی، کشت و کار در آن ها غیر ممکن شده است به روش های مختلفی زهکشی می شوند. چنانچه خروج طبیعی آب ممکن نباشد با استفاده از پمپ این عمل امکان پذیر می شود.
ت- به گردش در آوردن مایعات: به گردش در آوردن مایعات مختلف در صنایع شیمیایی و تصفیه نفت و همچنین به گردش در آوردن آب به منظور گرم کردن و خنک کردن.
انواع سیستم پمپاژ
ا-پمپاژ از رودخانه
پمپاژ از رودخانه
محل مناسب آبگیر ایستگاه پمپاژ در قوس رودخانه
انواع سیستم پمپاژ
ظرفیت سیستم پمپاژ
اجزای سیستم پمپاژ
1- دهانه آبگیر
اجزای سیستم پمپاژ
حوضچه مکش جهت فراهم آوردن شرایط مناسب آبگیری لوله های مکش احداث می شود.
در یک حوضچه مکش بسته به تعداد پمپ های مستقر در ایستگاه پمپاژ، ممکن است یک یا چند لوله مکش وجود داشته باشد.
موارد مختلفی که در طراحی این حوضچه ها باید مدنظر قرار گیرد عبارتند از:
الف- رقوم کف حوضچه
ب- رقوم حداقل سطح آب در حوضچه مکش
ج- ابعاد حوضچه
د- آشغالگیر حوضچه
ه- رسوبگیری
و- تمهیدات لازم جهت جلوگیری از تلاطم و گرداب
ز- ورودی حوضچه مکش
ح- سرریز
ط- تخلیه و شستشو و تمهیدات بهره برداری
2- حوضچه مکش(Sump)
اجزای سیستم پمپاژ
حوضچه های مکش غالباً از جنس سنگ چین، آجرچین یا بتن مسلح ساخته می شود.
چنانچه عمق حوضچه زیاد باشد و یا ابعاد آن بزرگ باشد باید از بتن مسلح استفاده شود تا در اثر نیروهای وارده از طرف خاک یا آب تخریب نگردد.
ولی چنانچه عمق و ابعاد آن کوچک باشد و مصالح سنگی نیز در دسترس باشد از سنگ چین و در غیر اینصورت از آجرچینی استفاده می شود.
2- حوضچه مکش(Sump)
اجزای سیستم پمپاژ
تیپ های مختلف حوضچه مکش ایستگاه پمپاژ
اجزای سیستم پمپاژ
تیپ های مختلف حوضچه مکش ایستگاه پمپاژ
اجزای سیستم پمپاژ
پلان مشخصات هیدرولیکی حوضچه مکش
اجزای سیستم پمپاژ
مقطع مشخصات هیدرولیکی حوضچه مکش
اجزای سیستم پمپاژ
شماتیکی از حوضچه مکش
اجزای سیستم پمپاژ
3- تیرک های آب بند(Stoplogs)
اجزای سیستم پمپاژ
در حوضچه هایی که محل تامین آب در آنها، آبهای سطحی همچون رودخانه ها، کانالها، دریاچه ها و … هستند، ممکن است مواد زائدی مانند تنه و شاخه درختان، آشغال و … به همراه آب وارد حوضچه شود که ممکن است مسائل مختلفی را برای لوله ها و تجهیزات نصب شده در حوضچه ایجاد نموده و پمپاژ آب را دچار مشکل سازد.
برای جلوگیری از این مسئله، نصب آشغالگیر در حوضچه ضروری می باشد.
بطور معمول باید آشغالگیر را در عریض ترین مقطع ورودی به حوضچه مکش احداث نمود تا ضمن داشتن بیشترین سطح مقطع، تاثیری بر روی جریان ورودی به لوله(های) مکش نداشته باشد.
به همین منظور حداقل فاصله آشغالگیر تا مرکز لوله مکش 5/2 برابر قطر لوله مکش توصیه می شود.
برای مواد زائد ریزتر در صورت وجود، نصب توری در ابتدای لوله مکش توصیه می شود.
4- آشغالگیر(Trash Rack)
اجزای سیستم پمپاژ
فاصله موانع آشغالگیر برای قطرهای مختلف لوله مکش
فاصله موانع آشغالگیر برای قطرهای مختلف لوله مکش
اجزای سیستم پمپاژ
انواع پمپها
انواع پمپها
انتخاب پمپ
مهمترین بخش در طراحی ایستگاه پمپاژ، انتخاب پمپ(های) مناسب می باشد.
در انتخاب پمپ باید نوع پمپ، کارخانه سازنده، مدل پمپ، قطر تراش پروانه، تعداد طبقات پمپ و تعداد پمپ تعیین گردد.
پمپ مناسب طرح بسته به دبی و فشار مورد نیاز و شرایط پمپاژ انتخاب می گردد.
در انتخاب پمپ باید مناسب بودن پمپ با توجه به کیفیت آب مورد توجه باشد.
پمپ های گریز از مرکز فشار قوی معمولاً در مقابل ذرات ماسه ای حساس تر هستند و بنابراین باید تمهیدات لازم برای کاهش و به حداقل رساندن ورود ذرات ماسه ای به داخل این پمپ ها به عمل آید.
انتخاب پمپ بطور کلی براساس دبی و فشار مورد نیاز پمپاژ صورت می گیرد.
بدین ترتیب که دبی طراحی بر روی منحنی مشخصه پمپ که از طرف کارخانجات سازنده ارائه می شود برده شده و با توجه به ارتفاع کل مورد نیاز، پمپ مورد نظر انتخاب می گردد.
فشار مورد نیاز به دو جزء تقسیم می شود که عبارتند از فشار استاتیک و فشار دینامیک.
فشار استاتیک سیستم مستقل از مقدار دبی بوده و عبارت است از اختلاف سطح استاتیکی آب و نقطه ای که آب از لوله خارج می شود.
فشار دینامیک تابع مقدار دبی بوده و عبارت است از افت سطح آب، افت ناشی از اصطکاک در لوله ها و اتصالات، بار سرعت و فشار در محل خروج آب.
بطور معمول به فشار مورد نیاز(محاسباتی) سیستم، 10 تا 20 درصد افزوده می گردد تا موارد ذیل در طراحی منظور شده باشد:
نکات انتخاب پمپ
در انتخاب پمپ ها رعایت موارد زیر مناسب است:
فشار تولیدی پمپ در دبی طراحی باید برابر فشار مورد نیاز و یا کمی بیشتر باشد.
حتی الامکان از پمپ هایی که نیاز به تراش پروانه دارند، کمتر استفاده شود.
در انتخاب پمپ باید راندمان کارکرد پمپ مورد توجه باشد و سعی شود راندمان نزدیک به راندمان حداکثر پمپ باشد.
دبی انتخابی در سمت راست حداکثر راندمان باشد.
افت انرژی در ایستگاه پمپاژ
افت انرژی در ایستگاه پمپاژ
برآورد ارتفاع کل پمپاژ
توان مصرفی سیستم پمپاژ
نیروی محرکه پمپها
موتورهای تک فاز برای مواردی که توان کلی مورد نیاز کم باشد(تا Kw5) قابل استفاده می باشند ولی موتورهای سه فاز برای مواردی که توا ن های بیشتری مورد نیاز باشد(Kw5 به بالا) قابل استفاده می باشند.
موتورهای الکتریکی جریان متناوب(آسنکرون) از لحاظ خصوصیات راه اندازی به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
الف- موتورهای آسنکرون با روتور سیم پیچی شده
در این نوع موتورها شدت جریان روتور با استفاده از رئوستا کنترل می شود و در حین راه اندازی امکان ایجاد گشتاور متناسب با دور وجود دارد.
ب- موتورهای آسنکرون با روتور قفس سنجابی
در این نوع موتورها گشتاور بستگی به طرح اولیه روتور دارد و باید با گشتاور پمپ مطابقت داشته باشد.
متداولترین نوع الکتروموتورهای مورد استفاده در ایستگاه های پمپاژ، موتورهای آسنکرون با روتور قفس سنجابی می باشد و با توجه به عدم قابلیت کنترل گشتاور در این نوع موتورها اتصال آنها به شبکه برق سه فاز باید به روش خاصی انجام پذیرد.
نیروی محرکه پمپها
از امتیازات موتورهای روتور قفس سنجابی می توان به هزینه کم، سادگی بهره برداری و نیاز به لوازم یدکی کم، حجم کوچکتر و وزن کمتر نسبت به موتورهای نوع روتور سیم پیچی اشاره نمود.
در انتخاب الکتروموتورها، توان مصرفی توسط پمپ ها در هریک از ایستگاه های پمپاژ مورد توجه قرار گرفته و براساس آنها، توان اسمی الکتروموتورها انتخاب شده است.
به طور کلی توان خروجی الکتروموتورها همواره باید چند درصد از توان مصرفی پمپ ها بیشتر باشد.
این درصد اضافه توان، به جلوگیری از آسیب دیدن الکتروموتور و افزایش عمر آن کمک می کند.
ارتفاع مکش خالص مثبت
ارتفاع مکش خالص مثبت
ارتفاع مکش خالص مثبت
ارتفاع مکش خالص مثبت
کار کردن پمپ ها در شرایطی که (NPSH)avl کوچکتر از NPSHreq باشد سبب آسیب دیدن پمپ می شود.
لذا برای جلوگیری از این امر باید کنترل و مراقبتهای لازم صورت گیرد. در طراحی، حداقل رقوم سطح آب برای جلوگیری از کاویتاسیون تعیین می شود.
چنانچه بدلایلی سطح آب پایین تر قرار گیرد و یا افزایش افت در مسیر مکش بدلیل گرفتگی صافی لوله مکش یا موارد دیگر اتفاق افتد احتمال وقوع کاویتاسیون وجود دارد.
ارتفاع مکش مثبت خالص مورد نیاز(NPSH)r توسط کارخانه سازنده پمپ در اختیار مصرف کننده قرار می گیرد.
مقدار (NPSH)r با افزایش دبی افزایش می یابد.
لوله مکش
انتقال آب از منبع مکش تا دهانه مکش پمپ توسط لوله مکش صورت می گیرد و طراحی آن شامل تعیین قطر لوله، اتصالات، طول، جنس و آرایش لوله مکش می باشد.
در طراحی لوله مکش باید دقت کافی مبذول گردد تا شرایط مناسب برای مکش فراهم آید. این شرایط عبارتند از:
جلوگیری از ورود هوا به پمپ با داشتن استغراق کافی روی لوله مکش
جلوگیری از ایجاد کاویتاسیون و خوردگی در اثر عدم رعایت میزان NPSH مناسب
جلوگیری از محبوس شدن هوا در لوله مکش
جلوگیری از ایجاد تلاطم و بی نظمی جریان در ورودی پمپ
لوله مکش
قطر لوله مکش نباید کمتر از قطر مجرای مکش پمپ باشد.
حتی الامکان قطر لوله مکش باید یک یا دو سایز بزرگتر از قطر مجرای مکش پمپ انتخاب گردد. با این کار افت اصطکاک در لوله مکش پمپ کاهش می یابد.
در محل اتصال لوله مکش به دهانه مکش پمپ ها بهتر است از تبدیل های خارج از مرکز استفاده شود و لوله مکش باید شیب حداقل 2 درصد به طرف منبع مکش داشته باشد.
حداقل سطح آب در منبع مکش که باید بالای انتهای لوله مکش قرار گیرد نباید کمتر از ارتفاع ناشی از سرعت ورود مایع به داخل لوله مکش باشد. در غیر اینصورت گرداب تولید شده و هوا وارد پمپ می شود.
سرعت مجاز آب در داخل لوله های مکش حداکثر 5/1 متر بر ثانیه است.
اتصالات لوله مکش
در صورتی که آب مواد زائد به همراه داشته باشد، باید در محل ورودی آب به لوله مکش از یک صافی نیز استفاده شود. وجود صافی(Strainer) در محل ورودی به لوله مکش، از ورود مواد زائد به داخل لوله جلوگیری می کند.
تبدیل ها:
با توجه به بزرگتر بودن قطر لوله مکش از دهانه مکش پمپ، معمولاً از یک تبدیل استفاده می شود. در این حالت اگر از تبدیل هم مرکز استفاده شود، احتمال تجمع هوا وجود دارد ولی در صورتی که از تبدیل خارج از مرکز استفاده شود، احتمال تجمع هوا وجود نخواهد داشت.
اتصالات لوله مکش
زانوها:
بدلیل اینکه افت در زانوهای با طول کوتاه بیشتر از افت در زانویی های با طول بلند است، توصیه می شود در محل هایی از لوله مکش که نیاز به نصب زانو می باشد، از زانویی با طول بلند استفاده شود.
شیر قطع و وصل کشویی:
در ایستگاههای پمپاژی که محور پمپ پایین تر از رقوم سطح آب در حوضچه مکش می باشد(مکش مثبت)، باید یک شیر قطع و وصل کشویی در روی لوله مکش و قبل از پمپ در نظر گرفت تا از جریان آب هنگام تعمیر و در مواقع خارج از فصل آبیاری جلوگیری شود.
اتصالات قابل پیاده کردن
هنگامی که پمپ ها و یا بعضی از اتصالات دیگر در خطوط لوله نیاز به تعمیر و یا تعویض داشته باشد، جهت سهولت در باز و بسته کردن تاسیسات، از اتصالات قابل پیاده کردن استفاده می شود.
لوله رانش پمپ
قطر مناسب لوله رانش قطری است که با حداقل هزینه دبی خروجی پمپ را با توجه به سرعت مجاز از خود عبور دهد.
قطر لوله رانش براساس حداکثر سرعت مجاز انتخاب می شود که در این رابطه مبنای حداکثر سرعت، 5/2 متر بر ثانیه است.
قطر محاسبه شده با قطرهای استاندارد موجود در بازار مقایسه شده و اولین قطر بزرگتر از آن انتخاب می شود.
در آرایش لوله(های) رانش باید فضای لازم برای نصب اتصالات درنظرگرفته شود. بطور نمونه سعی می شود فاصله ای بین شیرآلات تا کلکتور وجود داشته باشد تا نصب به آسانی صورت گیرد.
اتصالات مورد نیاز روی لوله رانش
تبدیل:
در صورتی که قطر محاسبه شده برای لوله رانش بزرگتر از قطر دهانه رانش پمپ باشد، باید از تبدیل استفاده نمود.
تبدیل باید مستقیماً و بدون واسطه به دهانه رانش پمپ متصل شود. این تبدیل ها از نوع افزاینده و هم مرکز می باشند.
شیرهای یکطرفه:
حالت تنظیم جریان در شیر یکطرفه به گونه ای است که از جریان معکوس جلوگیری می کند.
هدف از استفاده از شیر یکطرفه در لوله رانش، جلوگیری از برگشت آب هنگام خاموش شدن پمپ و آسیب رسیدن به پروانه و پمپ در اثر ضربه قوچ می باشد.
محل نصب شیر یکطرفه قبل از شیر تنظیم و بعد از اتصال قابل پیاده کردن می باشد.
اتصالات مورد نیاز روی لوله رانش
شیر یکطرفه باید به آسانی در برابر جریان رو به جلو باز شود و افت هد کمی در حالت تمام باز داشته باشد. همچنین بسته شدن شیر یکطرفه در برابر جریان معکوس نباید ضربه قوچ نامناسبی ایجاد کند.
در انتخاب شیر یکطرفه توجه به دو عامل، یکی کم بودن افت هد شیر در برابر جریان رو به جلو و دیگری کنترل ضربه قوچ ناشی از بسته شدن شیر ضروری است.
در مواردی که جریان با سرعت زیاد برگشت می کند، استفاده از شیرهای یکطرفه ساده توصیه نمی شود و بهتر است از شیرهای یکطرفه با اهرم خارجی استفاده نمود. برای جلوگیری از ضربه قوچ شدید، سرعت بسته شدن شیر باید به اندازه ای باشد که قبل از آنکه سرعت جریان معکوس قابل توجه گردد، شیر بسته شود.
اتصالات مورد نیاز روی لوله رانش
شیر کشویی:
شیر کشویی در لوله رانش به منظورهای متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از:
الف)در هنگام راه اندازی پمپ توصیه می شود ابتدا الکتروموتور و پمپ به دور نهایی رسیده و سپس جریان وارد خط لوله شود.
ب) در ایستگاه های پمپاژ با پمپ های موازی برای اینکه هنگام تعمیر یک پمپ، لازم به خاموش کردن سایر پمپ ها نباشد، باید از برگشت آب از سایر پمپ ها به پمپ مورد تعمیر جلوگیری شود. این کار با بستن شیر فلکه رانش انجام می پذیرد.
زانوها:
چنانچه در مسیر لوله رانش نیاز به زانو باشد، از زانوی با طول بلند استفاده شود.
منبع طراحی هیدرولیکی ایستگاه های پمپاژ در شبکه های آبیاری
Hydraulic Design of Irrigation Pump Stations