抽水站及抽水机课件

第五章 抽水站及抽水機1第五章 抽水站及抽水機15.1 抽水站之設計1.抽水站之設計項目(1)抽水量：最大抽水量、最小抽水量及其變化情況。(2)抽水高度：吸水高度、出水高度、各種水頭損失，並考慮諸條件下抽水量之變化。(3)需要動力：抽水量及抽水高度於正常及特殊條件下 所需動力及其變化。(4)設站地點：應考慮地形、地質、周圍環境及遭受火 警、洪水、風災、地震及其他危機而可能發生之破 壞等，選定最適宜而安全的地點、建築及設備。(5)動力源：使用點動機為動力必須知道電源頻率、相 數及電流負荷之限制，同時亦應考慮選擇輔助動 力源及所需設備。25.1 抽水站之設計1.抽水站之設計項目2(7)離心式抽水機：採用型式、抽水機數量、大小、級數、驅輪數、特性、轉速、比轉速及孔蝕(cavitation)預防。(8)抽水機之設置：吸水高度、操作空間、照明、通風等。(9)抽水井：乾式或濕式、設計容量、控制法、排水、溢流、清理、照明、通風。(10)動力機械：電動機、內燃機、蒸汽機或柴油機之型式、轉速、馬力、效率、起動及控制之操作、超負荷時之特徵。(11)水管及水閥：設計應合乎經濟、易於操作、修理、排水，且能絕緣及避免水錘的發生，管線、水閥多時，可以顏色識別。3(7)離心式抽水機：採用型式、抽水機數量、大小、級數、驅輪數442.抽水站地點選定位置，應考慮：(1)避免水質污染。(2)配水系統內之水力問題。(3)火災、水災及其他災害波及之可能性。(4)使用動力或燃料之來源問題。(5)將來擴展之可能性。(6)附近地產所有者之態度。抽水站設於配水系統之中心可使系統內各處之水壓相近，最為理想。52.抽水站地點選定位置，應考慮：55.2 抽水之種類1.原水抽水：可分2.(1)地面水自水源抽到高處淨水場，或水源地勢雖較淨水場高但相差不多時，為減小管徑亦用pump加壓。3.(2)地下水以水井為水源時，除非是自流井，否則均需要以抽水機抽水。2.清水抽水：清水常用抽水機送至配水池。小鄉鎮有時亦用抽水機自井中抽至配水管3.配水抽水：為維持配水系統之水壓，有時需以抽水機送水或加壓。65.2 抽水之種類原水抽水：可分64.加壓抽水：給水區域內地勢較高地區，或因該區用水量增加，或因水管使用年久，阻力增加而使水壓降低、配水量不足時，需使用加壓抽水機(booster pump)加壓。使用時，水自配水管流入抽水井後再抽水，亦可將抽水機直接裝於配水管上。5.特殊抽水：淨水場化學處理時，用定量抽水機將藥液加入水中。沉澱池沉泥則常使用抽泥水機(sludge pump)抽取排除。74.加壓抽水：給水區域內地勢較高地區，或因該區用水量增加，或5.3 抽水機之種類1.旋轉抽水機(rotary pump)85.3 抽水機之種類1.旋轉抽水機(rotary pump)2.噴射抽水機(jet pump)92.噴射抽水機(jet pump)93.往復式抽水機(Displace-ment Pump)103.往復式抽水機(Displace-ment Pump)4.氣升抽水機(Air Life Pump)114.氣升抽水機(Air Life Pump)115.Screw Pump125.Screw Pump126.離心式抽水機(centrifugal pump)136.離心式抽水機(centrifugal pump)13a.構造14a.構造14b.種類：依impeller 數分：single,multiple stages依軸分：15b.種類：依impeller 數分：single,mul依水流方向分依吸水口分：單吸雙吸16依水流方向分依吸水口分：16c.原理：T=impell進口與出口之淨toque,Pt=Tw理論水頭V=r w，hp與w2成正比17c.原理：T=impell進口與出口之淨toque,Pt=5.4離心式抽水機的特性1.Characteristics curvesTypical pump characteristic curves185.4離心式抽水機的特性1.Characteristics 2.Affinity laws(1)with D constant：Q：capacityH：total headBHP：brake horsepowerN：pump speedH1/H2=(N1/N2)2192.Affinity laws(1)with D const(2)with N constant20(2)with N constant203.Pump Operation in series and ParallelCharacteristic curves for(a)Series.(b)Parallel pump operations of equal pumps.213.Pump Operation in series and同一比速效率和不同轉速下之水頭和容量曲線22同一比速效率和不同轉速下之水頭和容量曲線224.Specific SpeedNs：比流速N：抽水機之實際轉速(轉/分)Q：抽水機之實際出水量(m3/min)H：抽水機之總揚程(m)Ns的功用：選擇pump的形式用。234.Specific SpeedNs：比流速23表5.4 抽水機機型與Ns公制單位24表5.4 抽水機機型與Ns公制單位245.Net Positive Suction Head(NPSH)與 CavitationNet Positive Suction Head(NPSH)NPSHa=1.3NPSHrNPSHa=HaHalHp3.5HhHsHa=10.33 m,Hal高程(表5-5)Hp蒸汽壓(表5-6)，3.5低氣壓Hh水頭損失，Hssuction head255.Net Positive Suction Head Pump 之NPSHr26Pump 之NPSHr262727例5.1 在阿里山HL2000m用一離心式抽水機，轉速=1200rpm，其NPSHr=2.5m，抽水量Q=4 m3/min 總揚程H=16m，夏天最高溫度20，求其比速及抽水機安裝之吸水高度。解：Ns=1200(4)0.5/(16)0.75=300由上表知採用單吸單段徑流式C pump。NPSHa=HaHalHp3.5HhHs =10.3328例5.1 在阿里山HL2000m用一離心式抽水機，轉速=1H：抽水機之總揚程(m)Q：抽水量(m3/sec)r：水之密度，1000kg/m3H：總揚程(ft)Q：抽水量(cfs)r：液體密度6、Power（1）理論馬力,Pt=理論馬力=QHr1kg-m/sec=9.8w,1HP=746w29H：抽水機之總揚程(m)H：總揚程(ft)6、Po（2）軸馬力(Shaft Horse Power)軸馬力：抽水機效率3.需要馬力(Required Horse Power)R=Pb30（2）軸馬力(Shaft Horse Power)軸馬力：表5.5 各種傳動方式之效率表5.6 各種抽水機與原動機之安全率(%)31表5.5 各種傳動方式之效率表5.6 各種抽水機與原動機之安Ex.5.2 設一抽水機抽水量19.1m3/min，總揚程24m，計算所需電動機大小。查圖之抽水量19.1m3/min，抽水機效率為80%。則所需動力若電動機安全率0.1，傳動機械效率95%，則電動機之容量為(採用110kw)32Ex.5.2 設一抽水機抽水量19.1m3/min，總揚程25.5 Hydraulics of Water Supply and Wastewater5.5.1.Flow eqation:1.Open channel flow:Manning equation:2.Pressure flow:Hazen-Williams Equation:Darcy-Weisbachs Equation hf=fL/D(V2/2g)335.5 Hydraulics of Water Supply3434353536363737Ex5.3 有一坡度0.16%矩形明渠,輸送原水供 給10萬人飲用,每人每日平均用水量為 200 lpcd,設計該矩形渠之斷面,n=0.013.解:1.求渠道之設計流量:Ave.daily Flow=0.2100000 =20000 cmd=0.231 cms Max.daily Flow=1.520000 =30000 cmd=0.347 cms 2.求最佳輸水斷面:b=2d -(1)3.求渠道之寬與深:(1)式代入上式 d=0.35m,b=0.7m.38Ex5.3 有一坡度0.16%矩形明渠,輸送原水供 4.求最大日流量下之水深:Q=0.347=bdV=0.7*dV-(2)解(1),(2)d=0.49m use 0.55m depth of channel 0.2m for freeboard under the ave.daily flow.5.Check velocity:V=Q/A=0.231/0.35/0.7=0.94m/sec.V=0.347/0.7/0.49=1.01m/sec.394.求最大日流量下之水深:39Ex5.4 同Ex.5.3,若用管徑600mm 壓力管輸送,問每公里會產 生多少的水頭損失？解:A=0.2829 sqm,R0.63=0.3026V=0.817 m/sec at ave.daily flow=0.231 cms.V=1.227 m/sec at max.daily flow=0.347 cms.S=1.70/1000 at ave.daily.Lost head=1.7m per 1 km.S=3.60/1000 at max.daily.Lost head=3.6m per 1 km.40Ex5.4 同Ex.5.3,若用管徑600mm 壓力管輸送,5.5.2 Energy equationBernoullis equation:5.5.3 Cotinuity Eqation:Q=AV 5.5.4 Loss Heads 1.Major(friction)loss heads:(1)Darcy-Weisbachs equation:(2)Compute from flow eqations:415.5.2 Energy equationBernoulli2.Minor Loss Heads (for pipe only)：hfK(V2/2g)422.Minor Loss Heads (for pi例5.5：有一水庫水位高程100m，用一Pipe每日送1cms水量至2000m外的蓄水池，其地面高程為94 m。設計該管之管徑，又水管中點A之高程為96m求該點之壓力。C100。可忽略次要損失水頭。解：Design vel.以1m/s為原則，輸送原水min.vel.0.3m/s。可用水頭h=100946m,S6/20000.003 v=0.84935C(D/4)0.63S0.54=Q/A=14/(3.14D2)D=0.93m,use d=1000mm,v=Q/A=1.27m/s.1.27=84.935(1/4)0.63S0.54 S=0.0021,Loss head h=4.1m,所以蓄水池水位高程=100-4.1=95.9m.A點水壓100-96-4.1/2-1.272/(29.8)=1.85m.43例5.5：有一水庫水位高程100m，用一Pipe每日送1cm5.6 System Head Curves1、Pumping System445.6 System Head Curves1、Pumpin2、System headH=Hs+hl=Hs+hf+hmSystem head curves for a fluctuating static pumping head452、System headH=Hs+hl=Hs+hf+hmS例5.6有一抽水系統如下圖，已知抽水管管徑1m，在抽水量1cms下主、次要水頭損失共0.3m。送水管管徑1000 mm長度1000 m，f=0.018，四個90度彎管、四個閘閥和一個單向閥。抽水井最高水位比抽水機軸高1 m，水位變化1m。蓄水池最高水位比抽水機軸高20m，水位變化2m。求Q=1cms時之系統水頭，並求系統水頭曲線。46例5.6有一抽水系統如下圖，已知抽水管管徑1m，在抽水量1抽水管：h=Kv2/2g=K0.083,K=3.6。Q=1cms下，送水管之v=1.273m/s。送水管：hf=(fL/D)(v2/2g)=(0.0181000/1)1.2732/(29.8)=1.49m D=1m查圖得Kg=0.25,Kc=3,Kb=1.5,吸水口、出水口K各為0.5.hm=(40.25+13+41.5+0.5)1.2732/(29.8)=0.91m抽水管 loss：h=0.3mTotal loss head=0.3+1.49+0.91=2.70m。47抽水管：h=Kv2/2g=K0.083,K=3.6。4H=hs+hf+hm，hs：max.=20m,min=17m.吸水管：hl=KsQ2,當Q=1,hl=0.3,Ks=0.3送水管：hmKv2/2g=K(4Q/3.14D2)2/2g 0.91Q2，hf=0.018(L/D)(v2/2g)=18v2/2g=18(4Q/3.14D2)2/2g=4.68Q2Total loss h=hl+hm+hf=(0.3+0.91+4.68)Q2 =5.89Q2H=hs+5.89Q2，兩個hs和不同之Q帶入上式做圖即是。48H=hs+hf+hm，48Ex5.7 已知A、B兩Pump特性曲線及抽水機系統水頭曲線如下圖，目前需要之抽水量為750gpm，未來最大1200gpm，求抽水站Pump之組合。49Ex5.7 已知A、B兩Pump特性曲線及抽水機系統水頭曲線5.7 Capacity of Pumping Station1.取水、送水、導水抽水站 Capacity Max.daily表5.7 原水抽水機之數量505.7 Capacity of Pumping StatioCapacity=max.hourly表5.8 配水用抽水機之數量51Capacity=max.hourly表5.8 配水用抽例5.8：抽水站容量之設計。三種形式之抽水機的特性如右表。Min.Q=10mgd,ave.Q=35mgd,max.Q=50mgd.河水水位變化共5ft,蓄水池水位變化15ft，蓄水池底至河水最高水位差60ft。Pump與force main 之loss head=1ft at Q=10 mgd，=20ft at Q=50 mgd。求抽水站內抽水機之組合。52例5.8：抽水站容量之設計。5253535.8 Optimal Design for Pumping System545.8 Optimal Design for PumpingEx5.9：從河川導水到淨水場之進水井(如圖)，全長5公里，採用CIP，求最經濟之管 徑，但C=100，輸水量為日平均 86400cmd(1cms)，pipe之成本及抽水 機之成本分別如下。Max folw=2 ave.dailyMin daily=0.7 ave.dailyMax daily=1.4 ave.dailyEL=105L=5 kmQave=86400淨水場EL=106 m55Ex5.9：從河川導水到淨水場之進水井(如圖)，(1)CIP之成本(包括附件及施工費)Cp=0.148+0.518D1.8 D=m Cp=萬元/m(2)Pump之成本 C1=建設費=C2=維護費&操作費 =(3)年成本與初設費之關係 (a)F=P(1+i)n=n年後本利和 P=F(1+i)-n=現值萬元/年萬元PnF56(1)CIP之成本(包括附件及施工費)萬元/年萬元PnF56(b)若本題RC部分壽命為20年。Pump壽命為20年，殘值為0元，利率(年)10%PAAAAA123n-1n0AAAF12n57(b)若本題RC部分壽命為20年。PAAAAA123n-1n解：1.求Total Cost CT=Cpip+Cpum.(1)2.求pipe之Cost Cpip=(0.148+0.518D1.8)5000m(2)3.求pump之Cost (1)建設費(假設pump st之Loss忽略不計)(3)58解：1.求Total Cost CT=Cpip+Cpum(2)操作費(4)59(2)操作費(4)594.求Opt.Dia.check vel:604.求Opt.Dia.check vel:60第五章：習題1、2、3、4、5、7、961第五章：習題1、2、3、4、5、7、961