نحوه محاسبه و انتخاب بوستر پمپ آبرسانی و آتش نشانی

مقدمه: یکی از مشکلاتی که در سیستم آبرسانی شهری و آب مصرفی ساختمان ها وجود دارد، تنظیم فشار آب داخل لوله ها می باشد. با توجه به این که میزان مصرف آب دائما در حال تغییر است و هیچ گونه الگوی خاصی برای مصرف وجود ندارد، از این رو با افزایش یا کاهش مصرف آب میزان فشار آب داخل لوله ها دائما در حال تغییر می باشد و این تغییرات مشکلاتی را در سیستم های آبرسانی به وجود می آورد به طوری که افزایش ناگهانی فشار آب ممکن است موجب آسیب دیدن شیرآلات و لوله ها شود و کاهش فشار نیز باعث قطع آب در بعضی از نقاط شهر یا ساختمان ها گردد. معمولا برای تامین فشار کنترل شده آب در یک سیستم پمپاژ، از بوسترپمپ استفاده می شود.

بوسترپمپ چیست؟
بوسترپمپ دستگاه یکپارچه ای متشکل از یک یا چند الکتروپمپ است که به طور موازی یه یکدیگر ملحق شده اند تا با کاهش فشار سیستم، یک یا چند الکتروپمپ به صورت نوبتی روشن شوند و با افزایش فشار نیز یک یا چند الکتروپمپ به همان ترتیبی که روشن شده اند، خاموش گردند. بوسترپمپ ها از نقطه نظر تثبیت فشار به بوسترپمپ دور ثابت و بوسترپمپ دور متغیر طبقه بندی می شوند.

موارد استفاده از بوسترپمپ
جهت تامین و تنظیم فشار آب در آبرسانی، آتش نشانی و آبیاری فضای سبز در شهرها، شهرک ها، مجتمع های مسکونی، ساختمان های بلند مرتبه، فرودگاه ها، بیمارستان ها، شبکه های مختلف آب شهری، مراکز مختلف صنعتی و آبیاری تحت فشار در مزارع مکانیزه از بوسترپمپ استفاده می شود.

اجزای اصلی بوسترپمپ
اجزای اصلی مشترک بوسترپمپ دور ثابت و دور متغیر عبارتند از: مجموعه الکتروپمپ ها، بخش مکش، بخش دهش و شاسی اصلی. سایر اجزای اصلی بوسترپمپ های دور ثابت را تابلوی کنترل و فرمان دور ثابت، منبع دیافراگمی و پرشر سوئیچ های حداقل و حداکثر فشار تشکیل می دهند و اجزای مشابه در بوسترپمپ های دور متغیر عبارتند از: تابلوی کنترل و فرمان دور متغیر و پرشر ترانسمیتر.

مجموعه الکتروپمپ ها:
الکتروپمپ های یک بوسترپمپ که به صورت موازی روی یک شاسی اصلی در کنار یکدیگر قرار دارند، مجموعه الکتروپمپ های یک بوسترپمپ را تشکیل می دهند.

بخش مکش:
بخش مکش بوسترپمپ شامل یک کلکتور لوله ای است که به واسطه شیرآلات و اتصالات مورد نیاز به مکش الکتروپمپ ها و خروجی مخزن ذخیره آب متصل می گردد. شیرآلات و اتصالات این بخش عبارتند از: شیر قطع و وصل، صافی، لرزه گیر، فلنج و مهره ماسوره.

بخش دهش:
بخش دهش نیز مشابه یک کلکتور لوله ای است که به وسیله شیرآلات و اتصالات لازم از خروجی الکتروپمپ ها به شبکه مصرف متصل می شود. شیرآلات این بخش نیز عبارتند از: شیر قطع و وصل، شیر یک طرفه، لرزه گیر، فلنج و مهره ماسوره.

بخش دهش:
بخش دهش نیز مشابه یک کلکتور لوله ای است که به وسیله شیرآلات و اتصالات لازم از خروجی الکتروپمپ ها به شبکه مصرف متصل می شود. شیرآلات این بخش نیز عبارتند از: شیر قطع و وصل، شیر یک طرفه، لرزه گیر، فلنج و مهره ماسوره.

شاسی اصلی:
برای یکپارچه نمودن بوسترپمپ، مجموعه الکتروپمپ ها، بخش مکش، بخش دهش، و تابلوی کنترل و فرمان بر روی یک شاسی اصلی نصب می گردند.

منبع دیافراگمی:
این منبع که توضیحات جامع و کافی در مورد مشخصات و عملکرد آن داده خواهد شد، به واسطه لوله یا اتصال قابل انعطاف به کلکتور دهش بوسترپمپ متصل می گردد و فقط در بوسترپمپ های دور ثابت مورد استفاده قرار می گیرد.

پرشر سوئیچ:
در بوسترپمپ های دور ثابت از دو پرشر سوئیچ برای کنترل فشار حداقل و حداکثر سیستم استفاده می شود.

پرشر ترانسمیتر:
در بوسترپمپ های دور متغیر برای کنترل کاملا ثابت فشار آب فقط یک پرشر ترانسمیتر به کار می رود.

تابلوی کنترل و فرمان:
بوسترپمپ های دو یا چند پمپه به یک تابلوی برق مجهز می باشند که دارای دو مدار فرمان و قدرت است. در مدار فرمان تابلوی برق یک برد کنترل میکروپروسسوری به کار رفته است. در مدار قدرت از تجهیزات تابلویی با مشخصات مورد نیاز از جمله کلید اصلی برای قطع و وصل جریان برق ورودی تابلو، کلیدهای فرعی برای قطع و وصل جریان برق هر یک از الکتروپمپ ها، کنتاکتورها جهت امکان قطع و وصل اتوماتیک جریان برق الکتروپمپ ها از طریق مدار فرمان، بی متال برای کنترل بار اضافی پمپ ها، کنترل فاز و ترمینال های مناسب استفاده شده است. کلیه تجهیزات تابلویی مورد استفاده در ساخت تابلوهای برق این شرکت از بهترین انواع موجود، ساخت کارخانجات مشهور جهان انتخاب می شوند. جهت محافظت تجهیزات تابلویی در مقابل نفوذ گرد و غبار و رطوبت، تابلوهای برق با درجه حفاظت IP54 ساخته می شوند.

انواع بوسترپمپ
بوستر پمپ ها از نقطه نظر تعداد پمپ به دو دسته تک پمپه و دو یا چند پمپه طبقه بندی می شوند می شوند.

بوستر پمپ تک پمپه:
بوستر پمپ تک پمپه جهت مصارف آب بهداشتی کم و متوسط در طرح های آبرسانی و صنعتی کاربرد دارد. این نوع بوسترپمپ کاملا یکپارچه بوده و برای استفاده، کافی است که کلکتور ورودی آن به منبع تغذیه آب و کلکتور خروجی آن به شبکه مصرف متصل شده و برق مورد نیاز تابلوی کنترل و فرمان آن تامین گردد. بوسترپمپ های دو یا چند پمپه دور ثابت به دو دسته با الکترود پمپ پیشرو و بدون الکتروپمپ پیشرو طبقه بندی می گردند.

بوسترپمپ با الکترود پیشرو:
این بوسترپمپ ها از یک الکتروپمپ پیشرو (جاکی پمپ) و یک یا چند الکتروپمپ اصلی تشکیل می شوند که در آن ظرفیت الکتروپمپ پیشرو کمتر از الکتروپمپ های اصلی است ولی فشار آن با فشار الکتروپمپ های اصلی برابر است.

بوسترپمپ بدون الکتروپمپ پیشرو:
این بوسترپمپ ها بر اساس دو مولفه اصلی حداکثر مصرف آب و حداقل فشار، طراحی می شوند و نوسانات ساعتی مصرف آب نیز عامل موثر در تعیین مشخصات آن می باشد.

مولفه های بوستر پمپ :
بوستر پمپ ها بر اساس 2 مولفه اصلی حداکثر مصرف آب و حداقل فشار ، طراحی می شوند و نوسانات ساعتی مصرف آب نیز عامل موثر در تعیین مشخصات می باشد.

محاسبه حداکثر مصرف آب:
مصرف آب هر یک از انواع وسایل بهداشتی بسته به نوع کاربری آن متفاوت است. برای محاسبه حداکثر مصرف آب مهندسین مشاور از جداول ومنحنی های متعدد استفاده می نمایند. منحنی شماره (1) حداکثر مصرف آب بهداشتی بوسترپمپ شرکت NOWAX را که شاخه بوستر پمپ ساز کمپانی معظم ابارای ژاپن است، نشان می دهد و بر خلاف جداول و منحنی های مصرف آب در آمریکا که بسیار بالاتر از منحنی مصرف آب در ایران است، منحنی مذکور با الگوی مصرف آب در ایران کاملا مطابقت دارد و می تواند به عنوان یک جدول کامل با تقریب کافی برای تغعیین حداکثر مصرف آب ساختمان با کاربری های مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

از این دیاگرام بر اساس تعداد آپارتمان های یک ساختمان مسکونی با یک یا دو حمام، تعداد کارکنان یک ساختمان اداری، تعداد تخت یک بیمارستان یا هتل می توان حداکثر مقدار مصرف ساعتی آب ساختمان را به سادگی تعیین نمود.
برای مثال:
حداکثر مصرف آب یک ساختمان مسکونی 60 واحدی، هر واحد مسکونی با دو حمام 300 لیتر در دقیقه می باشد که به عنوان عامل اصلی در تعیین ظرفیت بوسترپمپ مورد استفاده قرار می گیرد.

محاسبه حداقل فشار (ستون آب)

محاسبه حداقل فشار بوسترپمپ بستگی به محل استقرار آن نسبت به منبع تغذیه دارد.
در شکل (1) منبع تغذیه آب بالاتر از بوسترپمپ یا همتراز با آن واقع است و فشار ستون آب ناشی از اختلاف ارتفاع لوله خروجی منبع آب و لوله مکش پمپ ها به صورت فشار مثبت برای تامین حداقل فشار آب به الکتروپمپ کمک می نماید. در این حالت حداقل فشار بوسترپمپ از فرمول زیر به دست می آید:

در شکل (2) لوله خروجی منبع آب پایین تر از لوله مکش پمپ ها قرار دارد. در چنین شرایطی با توجه به فرمول زیر بوسترپمپ باید به فشار منفی ستون آب ناشی از اختلاف ارتفاع لوله خروجی منبع آب و لوله مکش پمپ غلبه نماید. حداکثر این ارتفاع به ارتفاع خالص مکش مثبت پمپ (NET POSITIVE SUCTION HEAD) موسوم و جزئی از مشخصه هر الکتروپمپ می باشد و مقدار آن از منحنی مربوطه استخراج می شود. در این حالت حداقل فشار بوسترپمپ از فرمول زیر محاسبه می گردد:

در فرمول های فوق:
حداقل ارتفاع بوسترپمپ Hb
اختلاف ارتفاع بالاترین مصرف کننده از لوله مکش بوستر پمپ Hs
فشار آب مثبت یا منفی در مکش بوسترپمپ Hp
افت فشار معادل طول لوله کشی تا دوربین مصرف کننده Pf
حداقل فشار آب در بالاترین مصرف کننده Pm
اختلاف فشار پرشر سوئیچ های حداقل و حداکثر در بوسترپمپ های دور ثابت Pd

برای محاسبه افت فشار معادل طول لوله کشی ( Pf) ابتدا باید طول مجموع لوله های افقی و عمودی تا دورترین مصرف کننده از بوسترپمپ را تعیین و 50% نیز به عنوان طول معادل شیرآلات و اتصالات به آن اضافه نمود و با نرخ افت فشار اصطکاکی 3m/100m ناشی از جریان آب در لوله که اغلب در تعیین سایز لوله مورد استفاده مهندسین به دست آورد. در این فرمول (L) طول دورترین نقطه لوله کشی از بوستر پمپ است.
حداقل فشار آب در بالاترین مصرف کننده بستگی به نوع وسیله بهداشتی دارد. جدول شماره (1) حداقل فشار آب لازم برای انواع وسایل بهداشتی را نشان می دهد.

تعیین ظرفیت و مشخصات بوستر پمپ های ابرسانی
تعیین ظرفیت و مشخصات بوسترپمپ های تک پمپه:

مشخصات الکتروپمپ بوسترپمپ های تک پمپه باید به گونه ای انتخاب شوند تا به تنهایی قادر به تامین حداقل و حداکثر مصرف ساعتی آب در فشار مورد نیاز باشد و ظرفیت آن با رعایت حداکثر 15 بار قطع و وصل الکتروپمپ در ساعت محاسبه می شود.

تعیین ظرفیت و مشخصات بوستر پمپ های بدون الکتروپمپ پیشرو (جاکی)

در مصارف آب شهری، حداقل مصرف ساعتی آب تقریبا معادل 20% حداکثر مصرف ساعتی آن است. لذا پس از تعیین حداکثر مصرف ساعتی آب ساختمان، تعداد و ظرفیت الکتروپمپ های بوسترپمپ به گونه ای تعیین می گردد که در حداقل مصرف ساعتی آب بخشی از ظرفیت یکی از الکتروپمپ ها، آب مورد نیاز را تامین نماید و در حداکثر مصرف ساعتی،‌مجموعه الکتروپمپ ها جوابگوی حداکثر مصرف ساختمان باشند. برای ساختمان های با مصرف متوسط آب، انتخاب یک بوسترپمپ با دو یا سه الکتروپمپ مشابه انتخاب معقولی است. ظرفیت هر یک از الکتروپمپ ها بستگی به تعداد الکتروپمپ های انتخابی دارد و از فرمولQ/N= q به دست می آید که در آن (Q) حداکثر مصرف ساعتی ساختمان و N تعداد الکتروپمپ های اصلی بدون پیش بینی الکتروپمپ رزرو است. تحت این شرایط در صورت خرابی یکی از الکتروپمپ ها، بقیه الکتروپمپ ها قادر به تامین حداکثر مصرف ساعتی آب در فشار بوسترپمپ نخواهند بود، لذا یک دستگاه الکتروپمپ مشابه به عنوان الکتروپمپ رزرو، به تعداد الکتروپمپ ها افزوده می گردد که به صورت نوبتی مشابه سایر الکتروپمپ های بوسترپمپ کار می کند.

تعیین ظرفیت و مشخصات بوسترپمپ های با الکتروپمپ پیشرو (جاکی):

در بوسترپمپ های دور ثابت پس از تعیین ظرفیت الکتروپمپ پیشرو که عموما 20% حداکثر مصرف ساعتی آب است، تعداد و ظرفیت الکتروپمپ های اصلی مشابه روشی که در مورد بوسترپمپ های بدون الکتروپمپ پیشرو ذکر گردید، برای تامین 80% حداکثر مصرف ساعتی ساختمان تعیین می شود و یک الکتروپمپ نیز با ظرفیت مشابه الکتروپمپ های اصلی به عنوان رزرو منظور می گردد.
تعداد و ظرفیت الکتروپمپ های یک بوسترپمپ علاوه بر تامین حداقل و حداکثر مصرف ساعتی باید با رعایت نکات زیر انتخاب گردند:
1 -کاهش قیمت ساخت
2 -کاهش هزینه های مستمر بهره برداری2
3 -استهلاک شدت نوسانات مصرف ساعتی آب

تعیین ظرفیت و مشخصات بوسترپمپ های آتش نشانی:
یکی دیگر از انواع بوسترپمپ هایی که در ساختمان ها و صنایع مورد استفاده دارد، بوسترپمپ آتش نشانی است که در انواع تک پمپه و چند پمپه با الکتروپمپ پیشرو و یا بدون الکتروپمپ پیشرو ساخته می شوند. ظرفیت بوسترپمپ های آتش نشانی بستگی به نوع وسایل اطفای حریق آبی مورد استفاده در ساختمان دارد. بر اساس استاندارد N.F.P.A در ساختمان های مجهز به جعبه آتش نشانی ظرفیت بوسترپمپ بر مبنای مصرف 50 گالن آب در دقیقه برای هر جعبه و استفاده همزمان از دو جعبه آتش نشانی تعیین می گردد. برای اماکن مجهز به هیدرانت آتش نشانی حداقل ظرفیت بوسترپمپ 500 گالن در دقیقه در نظر گرفته می شود.
الکتروپمپ های بوسترپمپ آتش نشانی باید به گونه ای انتخاب شوند تا در هر زمان آب مورد نیاز با فشار لازم در خروجی بالاترین وسیله اطفای حریق وجود داشته باشد. مقدار این فشار در استانداردهای آمریکایی و اروپایی به ترتیب 60 و45 پوند بر اینچ مربع معادل 4 و 3 اتمسفر است.

تعیین ظرفیت و مشخصات بوسترپمپ های مشترک آبرسانی و آتش نشانی
برد کنترل میکروپروسسوری این شرکت قابلیت برنامه ریزی برای کنترل و فرمان بوسترپمپ های مشترک آبرسانی و آتش نشانی (دو منظوره) را دارد
این بوسترپمپ ها در مواقعی که اختلاف فشار و دبی بوسترپمپ های آبرسانی و آتش نشانی زیاد نباشد، کاربرد دارد.
حداقل فشار و حداکثر ظرفیت بوسترپمپ مشترک براساس بیشترین مقدار آن در مقایسه با دو سیستم با یکدیگر انتخاب می شود.

منابع تحت فشار آب
به منظور جلوگیری از قطع و وصل متوالی پمپ ها در بوسترپمپ های دور ثابت از منابع تحت فشار آب استفاده می شود. این منابع به طور عمده شامل منبع تحت فشار با بالشتک هوای فشرده یا گاز ازت و منبع دیافراگمی است. قبل از ساخت منابع دیافراگمی، در ساخت بوسترپمپ ها از منابع تحت فشار با هوای فشرده یا گاز ازت استفاده می شد ولی به لحاظ سهولت استفاده و محاسنی که منابع دیافراگمی دارند، در حال حاضر استفاده از آن ها تقریبا منسوخ شده است.
منابع دیافراگمی:

منبع دیافراگمی با دیافراگم قابل تعویض به عنوان یکی از ملزومات بوسترپمپ دور ثابت استفاده می شود. منابع دیافراگمی از یک منبع فلزی در بیرون و یک دیافراگم لاستیکی بهداشتی در درون از ظرفیت 25 الی 5000 لیتر با فشار کار 6، 10 ، و 16 اتمسفر ساخته می شوند. در حد فاصل منبع فلزی و دیافراگم، هوای فشرده اولیه وجود دارد. افزایش مقدار سیال درون دیافراگم ناشی از کار الکتروپمپ ها موجب فشرده تر شدن هوای فشرده اولیه منبع و ذخیره شدن آب در درون دیافراگم آن می گردد. با کار بوسترپمپ، ذخیره سازی آب در منبع دیافراگمی همزمان با تغذیه شبکه مصرف آغاز می گردد و با توقف کار بوسترپمپ تا رسیدن سیستم به حداقل فشار و تکرار سیکل مذکور، آب مورد نیاز شبکه مصرف از ذخیره منبع دیافراگمی تامین می گردد تا مانع از روشن شدن الکتروپمپ ها به هنگام هر بار مصرف آب شود. علاوه بر این، منبع دیافراگمی افزایش ناگهانی فشار ناشی از روشن شدن الکتروپمپ ها و ضربه قوچ حاصل از خاموش شدن آن ها یا قطع سریع مصرف را در خود جذب و مستهلک می نماید و صدمات احتمالی به بوسترپمپ و شبکه مصرف را کاهش می دهد.

انتخاب حجم منبع دیافراگمی:
بهترین انتخاب حجم منبع دیافراگمی برای آب مصرفی بر مبنای 15 بار در ساعت روشن و خاموش شدن هر یک از الکتروپمپ های اصلی بوسترپمپ در حداکثر مصرف ساعتی آب ساختمان می باشد. بر این مبنا ظرفیت مفید منبع دیافراگمی از فرمول به دست می آید و ظرفیت نامی منبع دیافراگمی (q/n= v) با توجه به راندمان آن ( ) از فرمول قابل محاسبه است. راندمان منبع دیافراگمی، درصد حجم ذخیره آب در حد فاصل حداقل و حداکثر فشار سیسیتم نسبت به حجم نامی آن می باشد و مقدار آن از فرمول مقابل به دست می آید:

که در آن:
حداقل فشار مطلق سیستم bar (فشار جو + فشار پرشر سوئیچ حد پایین) P1
حداکثر فشار مطلق سیستمbar ( فشار جو + فشار پرشر سوئیچ حد بالا) P2
فشار هوای اولیه منبع دیافراگمی است که معمولا ( bar (P1-0.5 می باشد.
در مثال زیر ظرفیت هر یک از الکتروپمپ های یک بوسترپمپ سه پمپه ( N+1=3 ) بدون پمپ پیشرو، همچنین ظرفیت مفید، راندمان و ظرفیت نامی منبع دیافراگمی مورد نیاز بوسترپمپ دور ثابت برای یک ساختمان با حداکثر مصرف ساعتی 300 لیتر آب در دقیقه محاسبه شده است.

نزدیکترین حجم نامی منبع دیافراگمی به حجم حاصل، منبع دیافراگمی 300 لیتری می باشد.