Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Изменение энергозатрат насосов в зависимости от значений фактического внутреннего диаметра трубопроводов из напорных полиэтиленовых труб

О. А. Продоус, генеральный директор ООО «ИНКО-инжиниринг»

Л. Д. Терехов, заместитель генерального директора ООО «ИНКО-инжиниринг»

Дано сравнение гидравлического потенциала трубопроводов из разных полимерных материалов, и показано влияние значений гидравлических характеристик труб на выбор характеристик насосов для напорных трубопроводов. На примере показано снижение энергозатрат насоса на 9,42% при уменьшении потерь напора по длине на 3,49%. Предложено при проектировании трубопроводов из полимерных материалов при выборе характеристик насосов учитывать гидравлический потенциал трубопроводов.

Ключевые слова: гидравлический потенциал, трубы из полимерных материалов, потери напора, характеристики насоса.

Под гидравлическим потенциалом трубопровода любого назначения следует понимать оценочный эксплуатационный критерий, характеризуемый совокупностью значений расхода q, м³/с, при заданном давлении PN, МПа, средней скорости потока жидкости V, м/с, и потерь напора на трение по длине труб i, м/м, конкретного диаметра и вида материала труб [1].

Для подбора насосных агрегатов для конкретного трубопровода необходимо задать рабочую точку — q, заданный расход в м³/с и H — высоту подъема воды в максимально удаленную точку, м, то есть учесть высотную конфигурацию трубопровода. Однако для трубопроводов из полимерных и металлополимерных материалов (полиэтилен, поливинилхлорид, стеклопластик, ВЧШГ с полиуретановым покрытием внутренней и наружной поверхности, стальные электросварные трубы с полимерным покрытием внутренней и наружной поверхности) необходимо также учитывать то обстоятельство, что в них фактические потери напора на сопротивление по длине i_ф зависят от шероховатости внутренних стенок труб, влияющей на величину фактически транспортируемого расхода q_ф [2, 3, 4].

Гидравлический расчет трубопроводов из шести видов труб, выпускаемых из полимерных материалов, выполнен согласно требованиям действующего норматива [5]. Результаты гидравлического расчета труб без учета величины технологических допусков по стандартам на эти трубы сведены в табл. 1.

Для сравнения в табл. 2 приведен гидравлический потенциал трубопроводов с фактическим внутренним диаметром труб  с учетом величин технологических допусков.

Таблица 1

 * Расчет при температуре воды + 10 ՞С. υ = 0,00000131 м²/с.

Таблица 2

* Коэффициент гидравлического сопротивления трения по длине труб, рассчитанный по нормативу [5] при температуре воды t =10 ՞C (υ = 0,00000131 м²/с).

С учетом значений технологических допусков по стандарту фактический внутренний диаметр труб  определяется по формуле [1]:

 м (1)

, м,

где:

d_н — номинальный наружный диаметр труб, м;

Δd — технологический допуск на номинальный наружный диаметр по стандарту, м;

e — толщина стенки трубы по стандарту, м;

Δe­ — технологический допуск на толщину стенки по стандарту, м.

Покажем это на примере. По трубопроводу длиной 1050 п. м транспортируется в наивысшую точку трассы (емкость на отметке 75 м) заданный расход q = 0,300 м³/с. Требуется подобрать характеристики насосного агрегата с минимальными энергозатратами для трубопровода при двух материалах труб из ПНД с учетом и без учета технологических допусков.

Сравнение значений номинальных внутренних диаметров труб  (без допусков, табл. 1) и значений фактических внутренних диаметров  (с учетом допусков, табл. 2) труб из разных полимерных материалов показывает расхождение этих значений. В табл. 3 приведены результаты сравнения этих значений для труб одного и того же диаметра из разных полимеров.

Таблица 3

Значения внутренних диаметров	Материал внутренней поверхности труб
	ПНД	ПВХ	ПВХ-О 500	СП	«Амеркот-391»	ВЧШГПУ
, м	0,5501	0,5892	0,5977	0,6078	0,6190	0,6216
, м	0,5522	0,5914	0,5994	0,6089	0,6220	0,6254
Процент расхождения значений %	0,38	0,37	0,28	0,18	0,48	0,61

Из табл. 3 следует, что процентное расхождение значений 

и

колеблется для труб одного и того же диаметра в диапазоне значений от 0,18 до 0,61%. Такое колебание значений диаметров, естественно, вызовет и колебание значений потерь напора по длине (табл. 1, 2), а также изменение энергозатрат насоса, транспортирующего заданный расход.

Анализ результатов гидравлического расчета удельных потерь напора 1000 i^нтруб без учета допусков отличается от результатов гидравлического расчета труб с учетом допусков 1000 i^ф.

Например, сравнение значений 1000 i (табл. 1, 2, 3)для труб из ПНД показывает, что

мм/м <

мм/м меньше на 3,49%, или в 1,04 раза, а внутренний диаметр без учета допусков для сравниваемых труб отличается в большую сторону

м > 

м на 0,38% за счет влияния суммарных значений величин технологических допусков по стандарту.

Даже за счет небольшого расхождения величин сравниваемых диаметров энергозатраты насоса для заданных условий будут отличаться.

Решение задачи

Для подбора характеристик насосного агрегата для условий поставленной задачи построим график зависимости q = f(H), м³/с, для двух труб одного и того же диаметра 630 мм из ПНД PE100 по ГОСТ 18599-2001 без учета и с учетом технологических допусков по стандарту. Зададим диапазон расходов q = 0,1 ÷ 0,5 м³/с, для которого подсчитаем потери напора по длине по формуле [6]:

 , м, (2)

где:

Н_г — геометрическая высота подъема воды, м;

1,1 — коэффициент, учитывающий влияние местных сопротивлений на величину фактических потерь напора;

λ^ф(н) — фактический (номинальный) коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитанный с учетом влияния (без влияния) технологических допусков;

q — заданный расход, м³/с;

l — длина трубопровода, м;

— фактический (номинальный) внутренний диаметр труб с учетом (без учета) влияния технологических допусков на толщину стенки e и номинальный наружный диаметр d_н, м.

Результаты расчета Н_н для труб из ПНД без учета допусков представлены в табл. 4, а в табл. 5 — результаты расчета Н_ф с учетом допусков по стандарту.

Характеристики труб из ПНД без допусков Таблица 4.

 Характеристики труб из ПНД с допусками Таблица 5.

            Анализ значений величин Н в табл. 4–5 показывает, что наибольший процент расхождения значений потерь напора для труб из ПНД при заданном расходе q = 0,300 м³/с составляет:

 или 9,42 %.

На основе анализа значений потерь напора Н для сравниваемых труб из ПНД построены графики зависимости q = f(H), приведенные на рис. 1, для насосного агрегата «Грундфос» LS 350-250-630В.

Рис. 1. График зависимости q = f(H) для труб из ПНД

Сравним энергозатраты выбранного насоса при его установке на трубопроводе из ПНД-труб без учета и с учетом технологических допусков. Расчетная формула имеет вид [6]:

, кВт, (3)

где: η — КПД насосного агрегата. Для практических расчетов принимают η = 0,7;

 кВт;

 кВт.

Экономия энергозатрат насоса «Грундфос» LS 350-300-580Д при его установке на трубопроводе из труб ПНД без учета допусков будут меньше на

445,49 кВт – 403,53 кВт = 41,96 кВт, или на 9,42%, или в 1,10 раза.

Таким образом, при выборе характеристик насосных агрегатов для напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения из полимерных материалов необходимо всегда учитывать значения гидравлических характеристик труб, которые зависят от следующих показателей:

— шероховатости внутренних стенок труб;

— значений величин технологических допусков на толщину стенок труб e и их номинальный наружный диаметр

— величина фактического внутреннего диаметра

труб зависит от допусков, влияющих на фактические потери напора по длине и, как следствие, на энергозатраты насосных агрегатов, транспортирующих воду на расстояние.

Из графиков на рис. 1 видно, что для условий данной задачи при прочих равных условиях сравнения в зависимости от изменения характеристик гидравлического потенциала трубопровода (

, V_ф, i_ф) изменяются энергозатраты насосного агрегата, N_дв. При расходе q = 0,300 м³/с расхождение в энергозатратах насоса составляет 9,42%.

            На основе анализа представленных данных для конкретного примера следует, что при гидравлическом расчете полиэтиленовых труб по ГОСТ 18599-2001 приоритетно использовать значение номинального внутреннего диаметра

(без технологических допусков), обеспечивающее меньшие потери напора по длине i_н в сравнении со значениями потерь напора i_ф при использовании фактического внутреннего диаметра

(с учетом технологических допусков).

Однако гидравлический расчет с использованием значений номинального внутреннего диаметра труб

является заниженным, не соответствующим реальным характеристикам трубопровода и насоса.

Поэтому при проектировании и выборе характеристик насосного оборудования следует всегда использовать реальное значение фактического внутреннего диаметра труб

, обеспечивающее точность выбора характеристик насосного агрегата с учетом влияния технологических допусков на толщину стенок труб и их номинальный наружный диаметр.

Литература

1. Продоус О. А. Таблицы для гидравлического расчета труб напорных из полиэтилена. Справочное пособие. Издание 3-е — дополненное. СПб.: ООО «Свое издательство», 2017. — 240 с. ил.
2. Продоус О. А., Терехов Л. Д. Сравнительная оценка величин потерь напора для обоснования выбора материала труб из разных полимерных материалов. Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2018/9 (129). — С. 38–42.
3. Продоус О. А. Об энергопотреблении насосов в трубопроводах из полимерных материалов.  Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2017/12 (120). — С. 36–38.
4. Продоус О. А., Терехов Л. Д. Пропускная способность напорных трубопроводов из полимерных материалов. Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2019/5 (137). — С. 52–56.
5. СП 40-102-2000 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2001. http://docs.cntd.ru/document/1200007490
6. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат. 2006. — 360 с. ил.

Скачать PDF версию Статьи «Изменение энергозатрат насосов в зависимости от значений фактического внутреннего диаметра трубопроводов из напорных полиэтиленовых труб»