Przewodnik po doborze pompy głębinowej: Jak obliczyć przepływ i całkowitą wysokość podnoszenia

Pompa do głębokich studni nie powinna być dobierana wyłącznie na podstawie głębokości studni, średnicy rury tłocznej ani mocy silnika. Prawidłowa pompa musi dostarczać wymagany przepływ przy rzeczywistej całkowitej wysokości podnoszenia (TDH) systemu. Te dwie wartości razem tworzą punkt pracy pompy: przepływ przy określonej wysokości podnoszenia.

Jeśli zapotrzebowanie na przepływ zostanie niedoszacowane, system może nie zaspokoić potrzeb w zakresie nawadniania, zaopatrzenia w wodę lub procesów. Jeśli wysokość podnoszenia zostanie obliczona nieprawidłowo, pompa może dostarczać zbyt mało wody, pracować daleko od swojego zakresu wydajności, przeciążać silnik, nadmiernie cyklicznie pracować lub powodować, że studnia będzie pracować poniżej bezpiecznego poziomu pompowania. Niezawodne wymiarowanie zaczyna się zatem od danych terenowych, a nie od numeru modelu.

Niniejszy przewodnik wyjaśnia, jak obliczyć wymagany przepływ i TDH dla pompy do głębokich studni lub odwiertów, jak unikać powszechnych błędów i jak wykorzystać wynikowy punkt pracy na krzywej charakterystyki producenta.

Aby dobrać zanurzalną pompę do głębokich studni, określ przepływ wymagany przez zastosowanie i oblicz TDH w oczekiwanych warunkach pracy. W najbardziej użytecznej formie obliczenie wygląda następująco:

W przypadku otwartego odprowadzenia do zbiornika odpowietrzonego, wymagane ciśnienie na wylocie może wynosić zero. W przypadku ciśnieniowej linii nawadniającej, zbiornika ciśnieniowego lub przyłącza procesowego, wymagane ciśnienie resztkowe musi zostać przeliczone na metry lub stopy słupa wody i dodane do TDH.

Ostateczna pompa jest wybierana z jej krzywej charakterystyki Q-H w obliczonym punkcie pracy. Nie wybieraj pompy tylko dlatego, że jej maksymalna wysokość podnoszenia lub maksymalny przepływ wydają się przekraczać wymagania; te dwie maksymalne wartości występują w różnych punktach pracy.

Przepływ to objętość wody, która musi być dostarczona na jednostkę czasu. Jest on powszechnie wyrażany w m3/h, L/s lub US GPM. Prawidłowy przepływ projektowy pochodzi z zastosowania, a nie z średnicy wylotu pompy.

Typowe punkty wyjścia obejmują:

• Nawadnianie rolnicze: zapotrzebowanie roślin na wodę, obszar nawadniany, wielkość strefy nawadniania, wskaźnik aplikacji i dostępne godziny pompowania.
• Zaopatrzenie komunalne lub gminne: średnie zapotrzebowanie, zapotrzebowanie szczytowe godzinowe, objętość magazynowania i dopuszczalna wydajność studni.
• Przesył wody przemysłowej: zużycie procesowe, objętość partii, harmonogram pracy i wymóg redundancji.
• Hodowla zwierząt i akwakultura: dzienne zużycie, szczytowe zużycie, wymóg cyrkulacji lub wymiany wody.
• Napełnianie zbiornika: użyteczna objętość zbiornika podzielona przez dopuszczalny czas napełniania.

Przykład: zbiornik o pojemności 400 m3 musi być napełniony w ciągu pięciu godzin. Pomijając na razie pojemność rezerwową:

Przepływ projektowy musi być również zgodny ze zrównoważoną wydajnością studni. Pompa, która usuwa wodę szybciej, niż może odzyskać warstwa wodonośna i studnia, może spowodować nadmierne obniżenie poziomu wody, zawirowania powietrza, niestabilny przepływ, pracę na sucho, produkcję piasku lub uszkodzenie studni. Gdy zapotrzebowanie przekracza bezpieczną wydajność studni, zwiększenie magazynowania lub wydłużenie czasu pompowania jest często bezpieczniejsze niż instalacja większej pompy.

Trzy głębokości są często mylone podczas doboru pompy do głębokich studni:

• Statyczny poziom wody: odległość od punktu odniesienia na głowicy studni do powierzchni wody, gdy studnia się ustabilizowała i pompa nie pracuje.
• Poziom wody podczas pompowania, zwany również dynamicznym poziomem wody: poziom wody podczas pompowania z prędkością zbliżoną do przepływu projektowego.
• Głębokość posadowienia pompy: fizyczna głębokość, na której zainstalowany jest wlot pompy lub zespół pompy.

Dla pionowego podnoszenia w ramach TDH, użyj poziomu wody podczas pompowania oczekiwanego przy przepływie projektowym. Nie używaj automatycznie całkowitej głębokości studni ani głębokości posadowienia pompy. Pompa może być zainstalowana poniżej poziomu wody podczas pompowania w celu utrzymania zanurzenia i chłodzenia silnika, ale woda poniżej poziomu pompowania jest już pod ciśnieniem po obu stronach pompy i nie tworzy równego dodatkowego podnoszenia statycznego.

Praktyczny projekt powinien uwzględniać najniższy oczekiwany poziom wody podczas pompowania, w tym sezonowe obniżenie poziomu wód gruntowych, długoterminowe obniżenie poziomu i zakłócenia z pobliskich studni. Posadowienie pompy musi pozostać wystarczająco głęboko dla bezpiecznego zanurzenia, ale z poszanowaniem konstrukcji studni, stref osadów, wymagań dotyczących chłodzenia silnika i ograniczeń kablowych.

Pionowe podnoszenie to różnica wysokości między poziomem wody podczas pompowania a ostateczną wysokością odprowadzenia. Zawsze mierz wysokości od tej samej płaszczyzny odniesienia.

Jeśli poziom wody podczas pompowania wynosi 60 m poniżej gruntu, a woda wpływa do zbiornika odpowietrzonego 12 m nad gruntem:

Jeśli punkt odprowadzenia znajduje się poniżej głowicy studni, użyj rzeczywistej różnicy wysokości zamiast mechanicznego dodawania odległości. Obliczenie powinno opisywać zmianę energii między powierzchnią wody źródłowej w warunkach pompowania a punktem dostawy.

Straty tarcia to wysokość podnoszenia zużywana podczas przepływu wody przez rurę pionową, rurociąg poziomy i kształtki. Zmieniają się one w zależności od przepływu, wewnętrznej średnicy rury, długości rury, chropowatości, wieku i liczby zaworów i kształtek. Mała rura może kosztować mniej początkowo, ale może znacznie zwiększyć wysokość podnoszenia i zużycie energii w całym okresie eksploatacji systemu.

W przypadku systemów wodnych inżynierowie powszechnie obliczają straty na prostych rurach za pomocą równania Hazena-Williamsa lub równania Darcy'ego-Weisbacha. Użyj rzeczywistej średnicy wewnętrznej, a nie tylko nominalnej średnicy rury, i oblicz straty przy przepływie projektowym. Następnie uwzględnij straty drobne od elementów takich jak kolanka, trójniki, redukcje, zawory zwrotne, zawory odcinające, przepływomierze, filtry oraz warunki wejścia lub wyjścia.

Praktyczny przepływ pracy:

1. Wymień każdą sekcję rury według materiału, średnicy wewnętrznej i długości.
2. Oblicz prędkość i straty tarcia w każdej sekcji przy przepływie projektowym.
3. Dodaj równoważną długość lub współczynniki strat dla kształtek i zaworów.
4. Uwzględnij straty przez filtry, wymienniki ciepła lub inne urządzenia na podstawie danych dostawcy.
5. Dodaj straty, aby uzyskać całkowitą stratę tarcia systemu przy przepływie roboczym.

Straty tarcia gwałtownie rosną wraz ze wzrostem przepływu. Jeśli zapotrzebowanie projektu się zmienia, przelicz straty zamiast skalować je liniowo. Sprawdź również prędkość wody: niedowymiarowana rura może powodować wysokie tarcie, uderzenie hydrauliczne i nadmierne koszty eksploatacji, podczas gdy niepotrzebnie duża rura zwiększa koszty kapitałowe.

Jeśli punkt dostawy musi utrzymać ciśnienie, przelicz to ciśnienie na wysokość podnoszenia wody i dodaj je do TDH. Dla czystej wody w temperaturze otoczenia:

• 1 bar to około 10,2 m słupa wody.
• 1 psi to około 2,31 stopy słupa wody.
• 1 m słupa wody to około 9,81 kPa.

Na przykład, wymagane ciśnienie wylotowe 3 bar to:

Użyj ciśnienia manometrycznego wymaganego w punkcie dostawy. Nie dodawaj ciśnienia atmosferycznego do systemu otwartego. Jeśli pompowana ciecz ma gęstość znacznie różniącą się od wody, przeliczenie ciśnienia na wysokość podnoszenia musi uwzględniać ciężar właściwy cieczy.

Niektóre uproszczone obliczenia wymiarowania łączą wszystkie straty dynamiczne w jedno dopuszczenie na tarcie. Dla bardziej uzasadnionego wyniku, zidentyfikuj straty, które są znane oddzielnie. Zawory zwrotne, filtry, zawory regulacyjne, wodomierze i urządzenia do uzdatniania mogą powodować znaczące straty wysokości podnoszenia, zwłaszcza przy wysokich przepływach lub gdy są zanieczyszczone.

Użyj danych producenta dotyczących spadku ciśnienia, gdy są dostępne. Unikaj stosowania arbitralnego procentu do każdego projektu: krótka linia czystej wody o dużej średnicy i długa linia z wieloma kształtkami nie powinny otrzymywać tego samego dopuszczenia. Umiarkowany margines projektowy może być odpowiedni dla niepewności, ale nadmierne zawyżenie wysokości podnoszenia o duży procent może przesunąć punkt pracy z dala od regionu najlepszej wydajności.

Załóżmy, że projekt zaopatrzenia w wodę z głębokiej studni ma następujące warunki pracy:

• Wymagany przepływ: 80 m3/h.
• Poziom wody podczas pompowania: 60 m poniżej poziomu odniesienia głowicy studni.
• Wlot do zbiornika: 12 m nad poziomem odniesienia głowicy studni.
• Obliczone straty na rurze i kształtkach przy 80 m3/h: 8 m.
• Wymagane ciśnienie resztkowe na przyłączu zbiornika: 3 bar, co odpowiada 30,6 m słupa wody.
• Dodatkowe straty na wyposażeniu: 2 m.

Najpierw oblicz pionowe podnoszenie:

Następnie oblicz TDH:

Wymagany punkt pracy to zatem około 80 m3/h przy 113 m TDH. Jest to punkt, który musi być zlokalizowany na krzywej charakterystyki pompy. Obliczenie nie oznacza, że pompa oznaczona maksymalną wysokością podnoszenia 113 m dostarczy 80 m3/h. Model musi wytwarzać obie wartości w tym samym punkcie pracy.

Krzywa pompy pokazuje, jak wysokość podnoszenia zmienia się wraz z przepływem dla konkretnego modelu, prędkości, konfiguracji wirnika i liczby stopni. Rzeczywisty punkt pracy występuje tam, gdzie krzywa pompy przecina się z krzywą systemu.

Podczas przeglądu kandydującego modelu:

• Zlokalizuj 80 m3/h na poziomej osi przepływu i około 113 m na pionowej osi wysokości podnoszenia.
• Potwierdź, że krzywa modelu przechodzi przez ten punkt lub jest blisko niego w zalecanym przez producenta zakresie pracy.
• Preferuj pracę w pobliżu wydajnego i stabilnego regionu modelu, a nie przy wysokości podnoszenia przy zerowym przepływie lub na skrajnym prawym końcu krzywej.
• Sprawdź pobieraną moc w punkcie pracy i wybierz silnik z wymaganym marginesem bezpieczeństwa zgodnie z obowiązującą normą i warunkami terenowymi.
• Zweryfikuj wydajność, minimalny przepływ, maksymalny dopuszczalny przepływ, liczbę stopni, średnicę wylotu i wydajność nieprzeciążającą, gdzie ma to zastosowanie.
• Przejrzyj system przy minimalnym i maksymalnym oczekiwanym poziomie wody. Niższy poziom wody zwiększa wymaganą wysokość podnoszenia; wyższy poziom wody może przesunąć pompę do punktu pracy o wyższym przepływie i może zwiększyć obciążenie silnika.

Praca ze zmienną częstotliwością może zapewnić elastyczność sterowania, ale silnik, kabel, chłodzenie, minimalna prędkość, ochrona przed harmonicznymi i zakres pracy pompy muszą być sprawdzone. VFD nie poprawia fundamentalnie nieodpowiedniego wyboru hydraulicznego.

Głębokość posadowienia pompy jest decyzją instalacyjną, a nie substytutem TDH. Umieść pompę poniżej najniższego oczekiwanego poziomu wody podczas pompowania z odpowiednim zanurzeniem, aby zapobiec wirowaniu, wnikaniu powietrza i utracie chłodzenia. Jednocześnie unikaj umieszczania pompy w strefie produkcji osadów lub zbyt blisko dna studni.

Wymagane zanurzenie zależy od konstrukcji pompy, przepływu, średnicy studni, prędkości wlotowej i wymagań producenta. Silniki zanurzalne polegają na przepływie wody obok silnika w celu chłodzenia; w studni o dużej średnicy, otwartym zbiorniku lub nietypowej instalacji może być wymagany płaszcz wymuszający przepływ. Potwierdź prędkość chłodzenia i instrukcje instalacji dla wybranego silnika.

Hydrauliczny punkt pracy zawęża dostępne modele, ale ostateczna rodzina produktów zależy również od średnicy studni, jakości wody, materiału, napięcia i warunków instalacji.

• Seria QJ: przeznaczona do podnoszenia wody z głębokich studni lub odwiertów i dostępna w konfiguracjach dla różnych źródeł wody i materiałów. Jest to główny punkt wyjścia dla projektowanych zastosowań w głębokich studniach, w tym projektów o wyższym przepływie i wyższej wysokości podnoszenia.
• Seria SP: zakresy pomp zanurzalnych do odwiertów 4-calowych, 6-calowych, 8-calowych i 10-calowych pozwalają na wybór według średnicy odwiertu i punktu pracy. Katalog zawiera wiele kombinacji stopni, więc przepływ i wysokość podnoszenia muszą być sprawdzane na krzywej poszczególnych modeli, a nie wywnioskowane ze średnicy pompy.
• Seria QS: nadaje się do mniejszych lub innych zastosowań związanych z transferem wody zanurzalnej, gdzie wymagania hydrauliczne i układ instalacji odpowiadają serii. Potwierdź, że konkretny model, warunki chłodzenia i geometria studni są odpowiednie przed użyciem go jako wyboru dla odwiertu.

W przypadku wody korozyjnej lub zmineralizowanej, wybór materiału jest częścią wymiarowania pompy, ponieważ korozja i zużycie wpływają na niezawodność. Dostępne konfiguracje mogą obejmować żeliwo, gatunki stali nierdzewnej lub inne stopy w zależności od serii i medium. Analiza wody powinna być przeanalizowana przed wyborem materiałów mokrych części.

Głębokość studni nie równa się wysokości podnoszenia. Użyj poziomu wody podczas pompowania, wysokości odprowadzenia, tarcia i wymaganego ciśnienia. Głębokość posadowienia pompy jest sprawdzana oddzielnie pod kątem zanurzenia i bezpieczeństwa instalacji.

Poziom wody spada podczas pompowania. Użycie ustabilizowanego poziomu statycznego może niedoszacować podnoszenie i spowodować niewystarczający przepływ podczas pracy pompy.

Długie rurociągi, małe średnice wewnętrzne, zawory i filtry mogą dodawać znaczącą wysokość podnoszenia. Oblicz te straty przy przepływie projektowym.

Maksymalna wysokość podnoszenia jest zazwyczaj przy zerowym przepływie, a maksymalny przepływ występuje przy znacznie niższej wysokości podnoszenia. Sama moc silnika nie identyfikuje punktu pracy hydraulicznej. Zawsze używaj krzywej Q-H.

Duży niezweryfikowany margines może spowodować nadwymiarowanie pompy, zwiększyć prędkość i zużycie energii oraz przesunąć pracę poza preferowany zakres. Niepewność należy rozwiązywać poprzez realistyczne scenariusze pracy i przegląd krzywych.

Aby uzyskać technicznie użyteczną rekomendację pompy i wycenę, należy podać:

• Wymagany przepływ i czy jest on ciągły, szczytowy czy zmienny.
• Statyczny poziom wody i poziom wody podczas pompowania przy podanym przepływie testowym.
• Głębokość studni, średnica wewnętrzna rury osłonowej i ograniczenia dotyczące posadowienia pompy.
• Wysokość odprowadzenia i wymagane ciśnienie resztkowe w punkcie dostawy.
• Materiał rury pionowej i rurociągu, średnica wewnętrzna, długość i kształtki.
• Temperatura wody, pH, zawartość chlorków, zawartość piasku i inne dostępne dane analizy wody.
• Zasilanie: napięcie, częstotliwość, faza oraz metoda rozruchu lub sterowania.
• Orientacja instalacji, warunki chłodzenia, długość kabla oraz lokalne warunki otoczenia lub wysokość nad poziomem morza.

Dzięki tym parametrom producent może obliczyć lub zweryfikować TDH, zidentyfikować krzywe kandydatów, sprawdzić obciążenie silnika i zalecić materiały oraz akcesoria.

Nie. Wymagana wysokość podnoszenia opiera się na poziomie wody podczas pompowania, wysokości odprowadzenia, tarciu i wymaganym ciśnieniu wylotowym. Całkowita głębokość studni i głębokość posadowienia pompy to parametry instalacyjne, a nie automatyczne składniki pionowego podnoszenia.

Użyj poziomu wody podczas pompowania lub dynamicznego poziomu wody oczekiwanego przy przepływie projektowym. Oceń również najniższy sezonowy poziom pracy. Statyczny poziom wody jest przydatny do zrozumienia obniżenia poziomu, ale zazwyczaj niedoszacowuje podnoszenie podczas pompowania.

Dla czystej wody w temperaturze otoczenia, pomnóż bar przez około 10,2. Dlatego 3 bar to około 30,6 m słupa wody. Dla innej gęstości cieczy, dostosuj przeliczenie za pomocą ciężaru właściwego.

Nie w tej samej ilości. Zainstalowanie pompy głębiej poniżej powierzchni wody podczas pompowania zwiększa zanurzenie, ale nie dodaje automatycznie tej pełnej głębokości do podnoszenia statycznego. Oblicz podnoszenie od poziomu wody podczas pompowania do wysokości odprowadzenia.

Nie. Maksymalna wysokość podnoszenia i maksymalny przepływ to punkty końcowe krzywej i nie występują jednocześnie. Wybrany model musi spełniać wymagany przepływ i TDH w jednym punkcie pracy w jego zalecanym zakresie pracy.

Nie ma uniwersalnego procentu, który pasuje do każdego projektu. Najpierw oblicz znane straty i wiarygodne wahania poziomu wody. Dodaj tylko uzasadnione dopuszczenie dla pozostałej niepewności, a następnie zweryfikuj punkty pracy zarówno normalne, jak i najgorsze na krzywej.

Prawidłowe wymiarowanie pompy do głębokich studni zaczyna się od punktu pracy, a nie od głębokości studni lub mocy silnika. Oblicz wymagany przepływ z rzeczywistego zapotrzebowania, użyj poziomu wody podczas pompowania do obliczenia pionowego podnoszenia, dodaj straty na rurach, kształtkach i wyposażeniu, przelicz wymagane ciśnienie wylotowe na wysokość podnoszenia, a następnie dopasuj połączony przepływ i TDH do krzywej charakterystyki producenta.

Dla przykładu podanego w tym przewodniku, wymagany punkt pracy to około 80 m3/h przy 113 m TDH. Ostateczny wybór nadal wymaga potwierdzenia średnicy studni, poziomów wody, rurociągu, zasilania, jakości wody, chłodzenia silnika i krzywej wybranego modelu.

Potrzebujesz rekomendacji pompy do głębokiej studni? Wyślij do SLAPK wymagany przepływ, statyczny i dynamiczny poziom wody, wysokość odprowadzenia, szczegóły rurociągu, ciśnienie wylotowe, średnicę studni, analizę wody i zasilanie elektryczne. Nasi inżynierowie mogą przeanalizować punkt pracy i polecić odpowiednią konfigurację pompy QJ, SP lub innej pompy zanurzalnej.