Руководство по подбору насоса для глубоких скважин: как рассчитать расход и полный напор

Глубинный насос не следует выбирать только по глубине скважины, диаметру напорного трубопровода или мощности двигателя. Правильный насос должен обеспечивать требуемый расход при фактическом общем динамическом напоре (TDH) системы. Вместе эти два значения образуют рабочую точку насоса: расход при заданном напоре.

Если расход недооценен, система может не удовлетворить потребности в орошении, водоснабжении или технологических процессах. Если напор рассчитан неправильно, насос может подавать слишком мало воды, работать далеко от диапазона своей эффективности, перегружать двигатель, чрезмерно циклировать или работать ниже безопасного уровня откачки. Поэтому надежный подбор начинается с данных объекта, а не с номера модели.

В этом руководстве объясняется, как рассчитать требуемый расход и TDH для глубинного насоса или насоса для скважины, как избежать распространенных ошибок и как использовать полученную рабочую точку на кривой производительности производителя.

Для подбора погружного глубинного насоса определите требуемый расход и рассчитайте TDH в ожидаемых условиях эксплуатации. В наиболее полезной форме расчет выглядит так:

При открытом сбросе в вентилируемый резервуар требуемый напор давления на выходе может быть равен нулю. Для напорной линии орошения, напорного бака или технологического соединения остаточное давление должно быть преобразовано в метры или футы водяного столба и добавлено к TDH.

Окончательный выбор насоса осуществляется по его кривой производительности Q-H при рассчитанной рабочей точке. Не выбирайте насос только потому, что его максимальный напор или максимальный расход превышают требуемые; эти два максимальных значения достигаются при разных рабочих точках.

Расход — это объем воды, который должен подаваться в единицу времени. Обычно он выражается в м³/ч, л/с или US GPM. Правильный проектный расход определяется назначением, а не диаметром выходного патрубка насоса.

Типичные отправные точки включают:

• Сельскохозяйственное орошение: потребность культур в воде, орошаемая площадь, размер зоны орошения, норма полива и доступное время откачки.
• Муниципальное или общественное водоснабжение: средний спрос, пиковый часовой спрос, объем хранения и разрешенный дебит скважины.
• Промышленная перекачка воды: потребление в технологическом процессе, объем партии, график работы и требование к резервированию.
• Животноводство и аквакультура: суточное потребление, пиковое использование, требование к циркуляции или водообмену.
• Заполнение резервуара: полезный объем резервуара, деленный на допустимое время заполнения.

Пример: резервуар объемом 400 м³ должен быть заполнен за пять часов. Игнорируя пока резервную мощность:

Проектный расход также должен быть совместим с устойчивым дебитом скважины. Насос, откачивающий воду быстрее, чем может восстановиться водоносный горизонт и скважина, может вызвать чрезмерное понижение уровня, подсос воздуха, нестабильный поток, сухую работу, вынос песка или повреждение скважины. Когда спрос превышает безопасный дебит скважины, увеличение запасов или продление времени откачки часто безопаснее, чем установка более мощного насоса.

При выборе глубинного насоса часто путают три глубины:

• Статический уровень воды: расстояние от точки отсчета на устье скважины до поверхности воды, когда скважина восстановилась и насос не работает.
• Уровень откачиваемой воды, также называемый динамическим уровнем воды: уровень воды во время откачки на проектном расходе или близком к нему.
• Глубина установки насоса: физическая глубина, на которой установлен всасывающий патрубок насоса или насосный агрегат.

Для компонента вертикального подъема TDH используйте ожидаемый уровень откачиваемой воды при проектном расходе. Не используйте автоматически общую глубину скважины или глубину установки насоса. Насос может быть установлен ниже уровня откачиваемой воды для поддержания погружения и охлаждения двигателя, но вода ниже уровня откачки уже находится под давлением с обеих сторон насоса и не создает равного дополнительного статического напора.

Практический проект должен учитывать самый низкий ожидаемый уровень откачиваемой воды, включая сезонное понижение грунтовых вод, долгосрочное понижение и влияние соседних скважин. Глубина установки насоса должна оставаться достаточной для безопасного погружения, но при этом учитывать конструкцию скважины, зоны осадка, требования к охлаждению двигателя и ограничения кабеля.

Вертикальный подъем — это разница высот между уровнем откачиваемой воды и конечной высотой сброса. Всегда измеряйте высоты от одного и того же референтного уровня.

Если уровень откачиваемой воды находится на 60 м ниже уровня земли, а вода поступает в вентилируемый резервуар на 12 м выше уровня земли:

Если точка сброса находится ниже устья скважины, используйте фактическую разницу высот, а не механически складывайте расстояния. Расчет должен описывать изменение энергии между поверхностью исходной воды в условиях откачки и точкой подачи.

Потери на трение — это напор, потребляемый при движении воды по напорной магистрали, горизонтальному трубопроводу и фитингам. Они меняются в зависимости от расхода, внутреннего диаметра трубы, длины трубы, шероховатости, возраста и количества клапанов и фитингов. Небольшая труба может стоить меньше изначально, но может увеличить напор и энергопотребление в течение срока службы системы.

Для систем водоснабжения инженеры обычно рассчитывают потери в прямых трубах по уравнению Хазена-Вильямса или уравнению Дарси-Вейсбаха. Используйте фактический внутренний диаметр, а не только номинальный размер трубы, и рассчитывайте потери при проектном расходе. Затем включите незначительные потери от компонентов, таких как отводы, тройники, редукторы, обратные клапаны, запорные клапаны, расходомеры, фильтры и условия входа или выхода.

Практический рабочий процесс выглядит следующим образом:

1. Перечислите каждый участок трубопровода по материалу, внутреннему диаметру и длине.
2. Рассчитайте скорость и потери на трение в каждом участке при проектном расходе.
3. Добавьте эквивалентную длину или коэффициенты потерь для фитингов и клапанов.
4. Включите потери через фильтры, теплообменники или другое оборудование на основе данных поставщика.
5. Сложите потери, чтобы получить системный напор трения при рабочем расходе.

Потери на трение быстро растут с увеличением расхода. Если спрос проекта меняется, пересчитайте потери, а не масштабируйте их линейно. Также проверьте скорость воды: недоразмеренная труба может создавать высокое трение, гидроудар и чрезмерные эксплуатационные расходы, в то время как ненужно большая труба увеличивает капитальные затраты.

Если точка подачи должна сохранять давление, преобразуйте это давление в напор воды и добавьте его к TDH. Для чистой воды при температуре окружающей среды:

• 1 бар примерно равен 10,2 м водяного столба.
• 1 psi примерно равен 2,31 фута водяного столба.
• 1 м водяного столба примерно равен 9,81 кПа.

Например, требуемое давление на выходе 3 бар составляет:

Используйте избыточное давление, требуемое в точке подачи. Не добавляйте атмосферное давление к открытой системе. Если перекачиваемая жидкость имеет плотность, значительно отличающуюся от воды, преобразование давления в напор должно использовать удельный вес жидкости.

Некоторые упрощенные расчеты подбора объединяют все динамические потери в одну поправку на трение. Для более обоснованного результата выделите потери, которые известны отдельно. Обратные клапаны, фильтры, регулирующие клапаны, расходомеры и оборудование для очистки могут создавать значительные потери напора, особенно при высоком расходе или когда они засорены.

Используйте данные производителя о перепаде давления, когда они доступны. Избегайте применения произвольного процента к каждому проекту: короткая линия чистой воды большого диаметра и длинная линия с несколькими фитингами не должны получать одинаковую поправку. Умеренный запас прочности может быть уместен для неопределенности, но чрезмерное увеличение напора на большой процент может сместить рабочую точку из области наилучшей эффективности.

Предположим, проект водоснабжения из глубокой скважины имеет следующие условия эксплуатации:

• Требуемый расход: 80 м³/ч.
• Уровень откачиваемой воды: 60 м ниже референтного уровня устья скважины.
• Вход в резервуар: 12 м выше референтного уровня устья скважины.
• Расчетные потери на трубопровод и фитинги при 80 м³/ч: 8 м.
• Требуемое остаточное давление на соединении резервуара: 3 бар, что эквивалентно 30,6 м водяного столба.
• Дополнительные потери на оборудование: 2 м.

Сначала рассчитайте вертикальный подъем:

Затем рассчитайте TDH:

Таким образом, требуемая рабочая точка составляет примерно 80 м³/ч при 113 м TDH. Именно эта точка должна быть найдена на кривой производительности насоса. Расчет не означает, что насос с максимальным напором 113 м будет подавать 80 м³/ч. Модель должна обеспечивать оба значения в одной рабочей точке.

Кривая насоса показывает, как напор изменяется с расходом для конкретной модели, скорости, конфигурации рабочего колеса и количества ступеней. Фактическая рабочая точка возникает там, где кривая насоса пересекается с кривой системы.

При рассмотрении кандидатов:

• Найдите 80 м³/ч на горизонтальной оси расхода и около 113 м на вертикальной оси напора.
• Убедитесь, что кривая модели проходит через эту точку или близко к ней в пределах рекомендованного производителем рабочего диапазона.
• Предпочитайте работу вблизи эффективной и стабильной области модели, а не при напоре закрытой задвижки или на крайнем правом конце кривой.
• Проверьте потребляемую мощность в рабочей точке и выберите двигатель с необходимым запасом по стандарту и условиям эксплуатации.
• Проверьте КПД, минимальный расход, максимальный допустимый расход, количество ступеней, размер напорного патрубка и характеристики отсутствия перегрузки, где это применимо.
• Проанализируйте систему при минимальном и максимальном ожидаемом уровне воды. Более низкий уровень воды увеличивает требуемый напор; более высокий уровень воды может переместить насос в точку работы с более высоким расходом и может увеличить нагрузку на двигатель.

Работа с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) может обеспечить гибкость управления, но необходимо проверить двигатель, кабель, охлаждение, минимальную скорость, защиту от гармоник и рабочий диапазон насоса. ЧРП не исправляет принципиально неправильный гидравлический выбор.

Глубина установки насоса — это решение по монтажу, а не замена TDH. Устанавливайте насос ниже самого низкого ожидаемого уровня откачиваемой воды с достаточным погружением, чтобы предотвратить образование вихрей, подсос воздуха и потерю охлаждения. В то же время избегайте размещения насоса в зоне образования осадка или слишком близко к дну скважины.

Требуемое погружение зависит от конструкции насоса, расхода, диаметра скважины, скорости на входе и требований производителя. Погружные двигатели полагаются на прохождение воды через двигатель для охлаждения; в скважине большого диаметра, открытом резервуаре или нестандартной установке может потребоваться гидравлический рукав. Подтвердите скорость охлаждения и инструкции по установке для выбранного двигателя.

Гидравлическая рабочая точка сужает выбор моделей, но окончательное семейство продуктов также зависит от диаметра скважины, качества воды, материала, напряжения и условий установки.

• Серия QJ: предназначена для подъема воды из глубоких скважин или колодцев и доступна в конфигурациях для различных источников воды и материалов. Это основная отправная точка для проектируемых задач для глубоких скважин, включая проекты с более высоким расходом и напором.
• Серия SP: диапазоны погружных насосов для скважин диаметром 4, 6, 8 и 10 дюймов позволяют выбирать по диаметру скважины и рабочей точке. Каталог включает несколько комбинаций ступеней, поэтому расход и напор необходимо проверять по кривой конкретной модели, а не предполагать по диаметру насоса.
• Серия QS: подходит для более мелких или других задач по перекачке воды погружными насосами, где гидравлические требования и схема установки соответствуют серии. Перед использованием в качестве выбора для скважины убедитесь, что конкретная модель, условия охлаждения и геометрия скважины подходят.

Для коррозионно-активной или минерализованной воды выбор материала является частью подбора насоса, поскольку коррозия и износ влияют на надежность. Доступные конфигурации могут включать чугун, марки нержавеющей стали или другие сплавы в зависимости от серии и среды. Перед выбором контактирующих с водой материалов следует проанализировать состав воды.

Глубина скважины не равна напору подъема. Используйте уровень откачиваемой воды, высоту сброса, потери на трение и требуемое давление. Глубина установки насоса проверяется отдельно для погружения и безопасности монтажа.

Уровень воды падает во время откачки. Использование восстановленного статического уровня может недооценить напор и привести к недостаточному расходу во время работы насоса.

Длинные трубопроводы, малые внутренние диаметры, клапаны и фильтры могут добавлять значительный напор. Рассчитывайте эти потери при проектном расходе.

Максимальный напор обычно соответствует почти нулевому расходу, а максимальный расход достигается при гораздо более низком напоре. Только мощность двигателя не определяет гидравлическую рабочую точку. Всегда используйте кривую Q-H.

Большой непроверенный запас может привести к чрезмерному подбору насоса, увеличению скорости и энергопотребления, а также к выходу работы за пределы предпочтительного диапазона. Устраняйте неопределенность с помощью реалистичных сценариев эксплуатации и анализа кривых.

Чтобы получить технически полезную рекомендацию по насосу и коммерческое предложение, предоставьте:

• Требуемый расход и является ли он постоянным, пиковым или переменным.
• Статический уровень воды и уровень откачиваемой воды при указанном тестовом расходе.
• Глубина скважины, внутренний диаметр обсадной трубы и ограничения по глубине установки насоса.
• Высота сброса и требуемое остаточное давление в точке подачи.
• Материал напорной магистрали и трубопровода, внутренний диаметр, длина и фитинги.
• Температура воды, pH, содержание хлоридов, содержание песка и другие доступные данные анализа воды.
• Источник питания: напряжение, частота, фаза и метод пуска или управления.
• Ориентация установки, условия охлаждения, длина кабеля и местные условия окружающей среды или высоты.

С этими параметрами производитель сможет рассчитать или проверить TDH, определить подходящие кривые, проверить нагрузку на двигатель и рекомендовать материалы и аксессуары.

Нет. Требуемый напор основан на уровне откачиваемой воды, высоте подачи, потерях на трение и требуемом давлении на выходе. Общая глубина скважины и глубина установки насоса являются параметрами установки, а не автоматическими компонентами вертикального подъема.

Используйте уровень откачиваемой или динамический уровень воды, ожидаемый при проектном расходе. Также оцените самый низкий сезонный рабочий уровень. Статический уровень воды полезен для понимания депрессии, но обычно недооценивает напор при откачке.

Для чистой воды при температуре окружающей среды умножьте бары примерно на 10,2. Таким образом, 3 бара составляют около 30,6 м водяного столба. Для другой плотности жидкости скорректируйте преобразование, используя удельный вес.

Не в той же мере. Установка насоса глубже ниже уровня откачиваемой воды увеличивает погружение, но не добавляет автоматически эту полную глубину к статическому напору. Рассчитывайте напор от уровня откачиваемой воды до высоты сброса.

Нет. Максимальный напор и максимальный расход — это конечные точки кривой, и они не достигаются одновременно. Выбранная модель должна соответствовать требуемому расходу и TDH в одной рабочей точке в пределах рекомендованного рабочего диапазона.

Нет универсального процента, подходящего для каждого проекта. Сначала рассчитайте известные потери и достоверные колебания уровня воды. Добавьте только обоснованную поправку на оставшуюся неопределенность, а затем проверьте рабочие точки как в нормальных, так и в наихудших условиях на кривой.

Правильный подбор глубинного насоса начинается с рабочей точки, а не с глубины скважины или номинальной мощности двигателя. Рассчитайте требуемый расход из фактического спроса, используйте уровень откачиваемой воды для вертикального подъема, добавьте потери на трубопровод, фитинги и оборудование, преобразуйте требуемое давление на выходе в напор, а затем сопоставьте комбинированный расход и TDH с кривой производительности производителя.

Для примера в этом руководстве требуемая рабочая точка составляет примерно 80 м³/ч при 113 м TDH. Окончательный выбор по-прежнему требует подтверждения диаметра скважины, уровней воды, трубопровода, источника питания, качества воды, охлаждения двигателя и кривой выбранной модели.

Нужна рекомендация по глубинному насосу? Отправьте в SLAPK требуемый расход, статический и откачиваемый уровни воды, высоту сброса, детали трубопровода, давление на выходе, диаметр скважины, анализ воды и электроснабжение. Наши инженеры могут проанализировать рабочую точку и рекомендовать подходящую конфигурацию насоса серии QJ, SP или другого погружного насоса.