نحوه محاسبه و انتخاب بوستر پمپ آبرسانی و آتش نشانی

مقدمه: يكي از مشكلاتي كه در سيستم آبرساني شهري و آب مصرفي ساختمان ها وجود دارد، تنظيم فشار آب داخل لوله ها مي باشد. با توجه به اين كه ميزان مصرف آب دائما در حال تغيير است و هيچ گونه الگوي خاصي براي مصرف وجود ندارد، از اين رو با افزايش يا كاهش مصرف آب ميزان فشار آب داخل لوله ها دائما در حال تغيير مي باشد و اين تغييرات مشكلاتي را در سيستم هاي آبرساني به وجود مي آورد به طوري كه افزايش ناگهاني فشار آب ممكن است موجب آسيب ديدن شيرآلات و لوله ها شود و كاهش فشار نيز باعث قطع آب در بعضي از نقاط شهر يا ساختمان ها گردد. معمولا براي تامين فشار كنترل شده آب در يك سيستم پمپاژ، از بوسترپمپ استفاده مي شود.

بوسترپمپ چيست؟
بوسترپمپ دستگاه يكپارچه اي متشكل از يك يا چند الكتروپمپ است كه به طور موازي يه يكديگر ملحق شده اند تا با كاهش فشار سيستم، يك يا چند الكتروپمپ به صورت نوبتي روشن شوند و با افزايش فشار نيز يك يا چند الكتروپمپ به همان ترتيبي كه روشن شده اند، خاموش گردند. بوسترپمپ ها از نقطه نظر تثبيت فشار به بوسترپمپ دور ثابت و بوسترپمپ دور متغير طبقه بندي مي شوند.

موارد استفاده از بوسترپمپ
جهت تامين و تنظيم فشار آب در آبرساني، آتش نشاني و آبياري فضاي سبز در شهرها، شهرك ها، مجتمع هاي مسكوني، ساختمان هاي بلند مرتبه، فرودگاه ها، بيمارستان ها، شبكه هاي مختلف آب شهري، مراكز مختلف صنعتي و آبياري تحت فشار در مزارع مكانيزه از بوسترپمپ استفاده مي شود.

اجزاي اصلي بوسترپمپ
اجزاي اصلي مشترك بوسترپمپ دور ثابت و دور متغير عبارتند از: مجموعه الكتروپمپ ها، بخش مكش، بخش دهش و شاسي اصلي. ساير اجزاي اصلي بوسترپمپ هاي دور ثابت را تابلوي كنترل و فرمان دور ثابت، منبع ديافراگمي و پرشر سوئيچ هاي حداقل و حداكثر فشار تشكيل مي دهند و اجزاي مشابه در بوسترپمپ هاي دور متغير عبارتند از: تابلوي كنترل و فرمان دور متغير و پرشر ترانسميتر.

مجموعه الكتروپمپ ها:
الكتروپمپ هاي يك بوسترپمپ كه به صورت موازي روي يك شاسي اصلي در كنار يكديگر قرار دارند، مجموعه الكتروپمپ هاي يك بوسترپمپ را تشكيل مي دهند.

بخش مكش:
بخش مكش بوسترپمپ شامل يك كلكتور لوله اي است كه به واسطه شيرآلات و اتصالات مورد نياز به مكش الكتروپمپ ها و خروجي مخزن ذخيره آب متصل مي گردد. شيرآلات و اتصالات اين بخش عبارتند از: شير قطع و وصل، صافي، لرزه گير، فلنج و مهره ماسوره.

بخش دهش:
بخش دهش نيز مشابه يك كلكتور لوله اي است كه به وسيله شيرآلات و اتصالات لازم از خروجي الكتروپمپ ها به شبكه مصرف متصل مي شود. شيرآلات اين بخش نيز عبارتند از: شير قطع و وصل، شير يك طرفه، لرزه گير، فلنج و مهره ماسوره.

بخش دهش:
بخش دهش نيز مشابه يك كلكتور لوله اي است كه به وسيله شيرآلات و اتصالات لازم از خروجي الكتروپمپ ها به شبكه مصرف متصل مي شود. شيرآلات اين بخش نيز عبارتند از: شير قطع و وصل، شير يك طرفه، لرزه گير، فلنج و مهره ماسوره.

شاسي اصلي:
براي يكپارچه نمودن بوسترپمپ، مجموعه الكتروپمپ ها، بخش مكش، بخش دهش، و تابلوي كنترل و فرمان بر روي يك شاسي اصلي نصب مي گردند.

منبع ديافراگمي:
اين منبع كه توضيحات جامع و كافي در مورد مشخصات و عملكرد آن داده خواهد شد، به واسطه لوله يا اتصال قابل انعطاف به كلكتور دهش بوسترپمپ متصل مي گردد و فقط در بوسترپمپ هاي دور ثابت مورد استفاده قرار مي گيرد.

پرشر سوئيچ:
در بوسترپمپ هاي دور ثابت از دو پرشر سوئيچ براي كنترل فشار حداقل و حداكثر سيستم استفاده مي شود.

پرشر ترانسميتر:
در بوسترپمپ هاي دور متغير براي كنترل كاملا ثابت فشار آب فقط يك پرشر ترانسميتر به كار مي رود.

تابلوي كنترل و فرمان:
بوسترپمپ هاي دو يا چند پمپه به يك تابلوي برق مجهز مي باشند كه داراي دو مدار فرمان و قدرت است. در مدار فرمان تابلوي برق يك برد كنترل ميكروپروسسوري به كار رفته است. در مدار قدرت از تجهيزات تابلويي با مشخصات مورد نياز از جمله كليد اصلي براي قطع و وصل جريان برق ورودي تابلو، كليدهاي فرعي براي قطع و وصل جريان برق هر يك از الكتروپمپ ها، كنتاكتورها جهت امكان قطع و وصل اتوماتيك جريان برق الكتروپمپ ها از طريق مدار فرمان، بي متال براي كنترل بار اضافي پمپ ها، كنترل فاز و ترمينال هاي مناسب استفاده شده است. كليه تجهيزات تابلويي مورد استفاده در ساخت تابلوهاي برق اين شركت از بهترين انواع موجود، ساخت كارخانجات مشهور جهان انتخاب مي شوند. جهت محافظت تجهيزات تابلويي در مقابل نفوذ گرد و غبار و رطوبت، تابلوهاي برق با درجه حفاظت IP54 ساخته مي شوند.

انواع بوسترپمپ
بوستر پمپ ها از نقطه نظر تعداد پمپ به دو دسته تك پمپه و دو يا چند پمپه طبقه بندي مي شوند مي شوند.

بوستر پمپ تك پمپه:
بوستر پمپ تك پمپه جهت مصارف آب بهداشتي كم و متوسط در طرح هاي آبرساني و صنعتي كاربرد دارد. اين نوع بوسترپمپ كاملا يكپارچه بوده و براي استفاده، كافي است كه كلكتور ورودي آن به منبع تغذيه آب و كلكتور خروجي آن به شبكه مصرف متصل شده و برق مورد نياز تابلوي كنترل و فرمان آن تامين گردد. بوسترپمپ هاي دو يا چند پمپه دور ثابت به دو دسته با الكترود پمپ پيشرو و بدون الكتروپمپ پيشرو طبقه بندي مي گردند.

بوسترپمپ با الكترود پيشرو:
اين بوسترپمپ ها از يك الكتروپمپ پيشرو (جاكي پمپ) و يك يا چند الكتروپمپ اصلي تشكيل مي شوند كه در آن ظرفيت الكتروپمپ پيشرو كمتر از الكتروپمپ هاي اصلي است ولي فشار آن با فشار الكتروپمپ هاي اصلي برابر است.

بوسترپمپ بدون الكتروپمپ پيشرو:
اين بوسترپمپ ها بر اساس دو مولفه اصلي حداكثر مصرف آب و حداقل فشار، طراحي مي شوند و نوسانات ساعتي مصرف آب نيز عامل موثر در تعيين مشخصات آن مي باشد.

مولفه هاي بوستر پمپ :
بوستر پمپ ها بر اساس 2 مولفه اصلي حداكثر مصرف آب و حداقل فشار ، طراحي مي شوند و نوسانات ساعتي مصرف آب نيز عامل موثر در تعيين مشخصات مي باشد.

محاسبه حداكثر مصرف آب:
مصرف آب هر يك از انواع وسايل بهداشتي بسته به نوع كاربري آن متفاوت است. براي محاسبه حداكثر مصرف آب مهندسين مشاور از جداول ومنحني هاي متعدد استفاده مي نمايند. منحني شماره (1) حداكثر مصرف آب بهداشتي بوسترپمپ شركت NOWAX را كه شاخه بوستر پمپ ساز كمپاني معظم اباراي ژاپن است، نشان مي دهد و بر خلاف جداول و منحني هاي مصرف آب در آمريكا كه بسيار بالاتر از منحني مصرف آب در ايران است، منحني مذكور با الگوي مصرف آب در ايران كاملا مطابقت دارد و مي تواند به عنوان يك جدول كامل با تقريب كافي براي تغعيين حداكثر مصرف آب ساختمان با كاربري هاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد.

از اين دياگرام بر اساس تعداد آپارتمان هاي يك ساختمان مسكوني با يك يا دو حمام، تعداد كاركنان يك ساختمان اداري، تعداد تخت يك بيمارستان يا هتل مي توان حداكثر مقدار مصرف ساعتي آب ساختمان را به سادگي تعيين نمود.
براي مثال:
حداكثر مصرف آب يك ساختمان مسكوني 60 واحدي، هر واحد مسكوني با دو حمام 300 ليتر در دقيقه مي باشد كه به عنوان عامل اصلي در تعيين ظرفيت بوسترپمپ مورد استفاده قرار مي گيرد.

محاسبه حداقل فشار (ستون آب)

محاسبه حداقل فشار بوسترپمپ بستگي به محل استقرار آن نسبت به منبع تغذيه دارد.
در شكل (1) منبع تغذيه آب بالاتر از بوسترپمپ يا همتراز با آن واقع است و فشار ستون آب ناشي از اختلاف ارتفاع لوله خروجي منبع آب و لوله مكش پمپ ها به صورت فشار مثبت براي تامين حداقل فشار آب به الكتروپمپ كمك مي نمايد. در اين حالت حداقل فشار بوسترپمپ از فرمول زير به دست مي آيد:

در شكل (2) لوله خروجي منبع آب پايين تر از لوله مكش پمپ ها قرار دارد. در چنين شرايطي با توجه به فرمول زير بوسترپمپ بايد به فشار منفي ستون آب ناشي از اختلاف ارتفاع لوله خروجي منبع آب و لوله مكش پمپ غلبه نمايد. حداكثر اين ارتفاع به ارتفاع خالص مكش مثبت پمپ (NET POSITIVE SUCTION HEAD) موسوم و جزئي از مشخصه هر الكتروپمپ مي باشد و مقدار آن از منحني مربوطه استخراج مي شود. در اين حالت حداقل فشار بوسترپمپ از فرمول زير محاسبه مي گردد:

در فرمول هاي فوق:
حداقل ارتفاع بوسترپمپ Hb
اختلاف ارتفاع بالاترين مصرف كننده از لوله مكش بوستر پمپ Hs
فشار آب مثبت يا منفي در مكش بوسترپمپ Hp
افت فشار معادل طول لوله كشي تا دوربين مصرف كننده Pf
حداقل فشار آب در بالاترين مصرف كننده Pm
اختلاف فشار پرشر سوئيچ هاي حداقل و حداكثر در بوسترپمپ هاي دور ثابت Pd

براي محاسبه افت فشار معادل طول لوله كشي ( Pf) ابتدا بايد طول مجموع لوله هاي افقي و عمودي تا دورترين مصرف كننده از بوسترپمپ را تعيين و 50% نيز به عنوان طول معادل شيرآلات و اتصالات به آن اضافه نمود و با نرخ افت فشار اصطكاكي 3m/100m ناشي از جريان آب در لوله كه اغلب در تعيين سايز لوله مورد استفاده مهندسين به دست آورد. در اين فرمول (L) طول دورترين نقطه لوله كشي از بوستر پمپ است.
حداقل فشار آب در بالاترين مصرف كننده بستگي به نوع وسيله بهداشتي دارد. جدول شماره (1) حداقل فشار آب لازم براي انواع وسايل بهداشتي را نشان مي دهد.

تعیین ظرفیت و مشخصات بوستر پمپ های ابرسانی
تعيين ظرفيت و مشخصات بوسترپمپ هاي تك پمپه:

مشخصات الكتروپمپ بوسترپمپ هاي تك پمپه بايد به گونه اي انتخاب شوند تا به تنهايي قادر به تامين حداقل و حداكثر مصرف ساعتي آب در فشار مورد نياز باشد و ظرفيت آن با رعايت حداكثر 15 بار قطع و وصل الكتروپمپ در ساعت محاسبه مي شود.

تعيين ظرفيت و مشخصات بوستر پمپ هاي بدون الكتروپمپ پيشرو (جاكي)

در مصارف آب شهري، حداقل مصرف ساعتي آب تقريبا معادل 20% حداكثر مصرف ساعتي آن است. لذا پس از تعيين حداكثر مصرف ساعتي آب ساختمان، تعداد و ظرفيت الكتروپمپ هاي بوسترپمپ به گونه اي تعيين مي گردد كه در حداقل مصرف ساعتي آب بخشي از ظرفيت يكي از الكتروپمپ ها، آب مورد نياز را تامين نمايد و در حداكثر مصرف ساعتي،‌مجموعه الكتروپمپ ها جوابگوي حداكثر مصرف ساختمان باشند. براي ساختمان هاي با مصرف متوسط آب، انتخاب يك بوسترپمپ با دو يا سه الكتروپمپ مشابه انتخاب معقولي است. ظرفيت هر يك از الكتروپمپ ها بستگي به تعداد الكتروپمپ هاي انتخابي دارد و از فرمولQ/N= q به دست مي آيد كه در آن (Q) حداكثر مصرف ساعتي ساختمان و N تعداد الكتروپمپ هاي اصلي بدون پيش بيني الكتروپمپ رزرو است. تحت اين شرايط در صورت خرابي يكي از الكتروپمپ ها، بقيه الكتروپمپ ها قادر به تامين حداكثر مصرف ساعتي آب در فشار بوسترپمپ نخواهند بود، لذا يك دستگاه الكتروپمپ مشابه به عنوان الكتروپمپ رزرو، به تعداد الكتروپمپ ها افزوده مي گردد كه به صورت نوبتي مشابه ساير الكتروپمپ هاي بوسترپمپ كار مي كند.

تعيين ظرفيت و مشخصات بوسترپمپ هاي با الكتروپمپ پيشرو (جاكي):

در بوسترپمپ هاي دور ثابت پس از تعيين ظرفيت الكتروپمپ پيشرو كه عموما 20% حداكثر مصرف ساعتي آب است، تعداد و ظرفيت الكتروپمپ هاي اصلي مشابه روشي كه در مورد بوسترپمپ هاي بدون الكتروپمپ پيشرو ذكر گرديد، براي تامين 80% حداكثر مصرف ساعتي ساختمان تعيين مي شود و يك الكتروپمپ نيز با ظرفيت مشابه الكتروپمپ هاي اصلي به عنوان رزرو منظور مي گردد.
تعداد و ظرفيت الكتروپمپ هاي يك بوسترپمپ علاوه بر تامين حداقل و حداكثر مصرف ساعتي بايد با رعايت نكات زير انتخاب گردند:
1 -كاهش قيمت ساخت
2 -كاهش هزينه هاي مستمر بهره برداري2
3 -استهلاك شدت نوسانات مصرف ساعتي آب

تعيين ظرفيت و مشخصات بوسترپمپ هاي آتش نشاني:
يكي ديگر از انواع بوسترپمپ هايي كه در ساختمان ها و صنايع مورد استفاده دارد، بوسترپمپ آتش نشاني است كه در انواع تك پمپه و چند پمپه با الكتروپمپ پيشرو و يا بدون الكتروپمپ پيشرو ساخته مي شوند. ظرفيت بوسترپمپ هاي آتش نشاني بستگي به نوع وسايل اطفاي حريق آبي مورد استفاده در ساختمان دارد. بر اساس استاندارد N.F.P.A در ساختمان هاي مجهز به جعبه آتش نشاني ظرفيت بوسترپمپ بر مبناي مصرف 50 گالن آب در دقيقه براي هر جعبه و استفاده همزمان از دو جعبه آتش نشاني تعيين مي گردد. براي اماكن مجهز به هيدرانت آتش نشاني حداقل ظرفيت بوسترپمپ 500 گالن در دقيقه در نظر گرفته مي شود.
الكتروپمپ هاي بوسترپمپ آتش نشاني بايد به گونه اي انتخاب شوند تا در هر زمان آب مورد نياز با فشار لازم در خروجي بالاترين وسيله اطفاي حريق وجود داشته باشد. مقدار اين فشار در استانداردهاي آمريكايي و اروپايي به ترتيب 60 و45 پوند بر اينچ مربع معادل 4 و 3 اتمسفر است.

تعيين ظرفيت و مشخصات بوسترپمپ هاي مشترك آبرساني و آتش نشاني
برد كنترل ميكروپروسسوري اين شركت قابليت برنامه ريزي براي كنترل و فرمان بوسترپمپ هاي مشترك آبرساني و آتش نشاني (دو منظوره) را دارد
اين بوسترپمپ ها در مواقعي كه اختلاف فشار و دبي بوسترپمپ هاي آبرساني و آتش نشاني زياد نباشد، كاربرد دارد.
حداقل فشار و حداكثر ظرفيت بوسترپمپ مشترك براساس بيشترين مقدار آن در مقايسه با دو سيستم با يكديگر انتخاب مي شود.

منابع تحت فشار آب
به منظور جلوگيري از قطع و وصل متوالي پمپ ها در بوسترپمپ هاي دور ثابت از منابع تحت فشار آب استفاده مي شود. اين منابع به طور عمده شامل منبع تحت فشار با بالشتك هواي فشرده يا گاز ازت و منبع ديافراگمي است. قبل از ساخت منابع ديافراگمي، در ساخت بوسترپمپ ها از منابع تحت فشار با هواي فشرده يا گاز ازت استفاده مي شد ولي به لحاظ سهولت استفاده و محاسني كه منابع ديافراگمي دارند، در حال حاضر استفاده از آن ها تقريبا منسوخ شده است.
منابع ديافراگمي:

منبع ديافراگمي با ديافراگم قابل تعويض به عنوان يكي از ملزومات بوسترپمپ دور ثابت استفاده مي شود. منابع ديافراگمي از يك منبع فلزي در بيرون و يك ديافراگم لاستيكي بهداشتي در درون از ظرفيت 25 الي 5000 ليتر با فشار كار 6، 10 ، و 16 اتمسفر ساخته مي شوند. در حد فاصل منبع فلزي و ديافراگم، هواي فشرده اوليه وجود دارد. افزايش مقدار سيال درون ديافراگم ناشي از كار الكتروپمپ ها موجب فشرده تر شدن هواي فشرده اوليه منبع و ذخيره شدن آب در درون ديافراگم آن مي گردد. با كار بوسترپمپ، ذخيره سازي آب در منبع ديافراگمي همزمان با تغذيه شبكه مصرف آغاز مي گردد و با توقف كار بوسترپمپ تا رسيدن سيستم به حداقل فشار و تكرار سيكل مذكور، آب مورد نياز شبكه مصرف از ذخيره منبع ديافراگمي تامين مي گردد تا مانع از روشن شدن الكتروپمپ ها به هنگام هر بار مصرف آب شود. علاوه بر اين، منبع ديافراگمي افزايش ناگهاني فشار ناشي از روشن شدن الكتروپمپ ها و ضربه قوچ حاصل از خاموش شدن آن ها يا قطع سريع مصرف را در خود جذب و مستهلك مي نمايد و صدمات احتمالي به بوسترپمپ و شبكه مصرف را كاهش مي دهد.

انتخاب حجم منبع ديافراگمي:
بهترين انتخاب حجم منبع ديافراگمي براي آب مصرفي بر مبناي 15 بار در ساعت روشن و خاموش شدن هر يك از الكتروپمپ هاي اصلي بوسترپمپ در حداكثر مصرف ساعتي آب ساختمان مي باشد. بر اين مبنا ظرفيت مفيد منبع ديافراگمي از فرمول به دست مي آيد و ظرفيت نامي منبع ديافراگمي (q/n= v) با توجه به راندمان آن ( ) از فرمول قابل محاسبه است. راندمان منبع ديافراگمي، درصد حجم ذخيره آب در حد فاصل حداقل و حداكثر فشار سيسيتم نسبت به حجم نامي آن مي باشد و مقدار آن از فرمول مقابل به دست مي آيد:

كه در آن:
حداقل فشار مطلق سيستم bar (فشار جو + فشار پرشر سوئيچ حد پايين) P1
حداكثر فشار مطلق سيستمbar ( فشار جو + فشار پرشر سوئيچ حد بالا) P2
فشار هواي اوليه منبع ديافراگمي است كه معمولا ( bar (P1-0.5 مي باشد.
در مثال زير ظرفيت هر يك از الكتروپمپ هاي يك بوسترپمپ سه پمپه ( N+1=3 ) بدون پمپ پيشرو، همچنين ظرفيت مفيد، راندمان و ظرفيت نامي منبع ديافراگمي مورد نياز بوسترپمپ دور ثابت براي يك ساختمان با حداكثر مصرف ساعتي 300 ليتر آب در دقيقه محاسبه شده است.

نزديكترين حجم نامي منبع ديافراگمي به حجم حاصل، منبع ديافراگمي 300 ليتري مي باشد.
انتخاب الكتروپمپ به تعداد كمتر و ظرفيت بيشتر با رعايت حداكثر 15 بار سيكل كار هر الكتروپمپ در ساعت موجب افزايش حجم منبع ديافراگمي و انتخاب الكتروپمپ هاي بيشتر با ظرفيت كمتر با رعايت همين سيكل كار، كاهش حجم منبع ديافراگمي را به دنبال خواهد داشت.