1、1第五章第五章 抽水站及抽水機抽水站及抽水機25.1 抽水站之設計抽水站之設計1.抽水站之設計項目抽水站之設計項目(1)抽水量：最大抽水量、最小抽水量及其變化情況。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，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。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。所需動力及其變化。(4)設站地點：應考慮地形、地質、周圍環境及遭受火設站地點：應考慮地形、地質、周圍環境及遭受火 警、洪水、風災
2、、地震及其他危機而可能發生之破警、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。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，數及電流負荷之限制，同時亦應考慮選擇輔助動同時亦應考慮選擇輔助動 力源及所需設備。力源及所需設備。3(7)離心式抽水機：採用型式、抽水機數量、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、比轉大小、級數、驅輪數、特性、轉速、比轉速及孔蝕速及孔蝕(cavitation)預防。預防。(8)抽水機之設置：吸
3、水高度、操作空間、照抽水機之設置：吸水高度、操作空間、照明、通風等。明、通風等。(9)抽水井：乾式或濕式、設計容量、控制法、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。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。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、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，修理、排水，且能絕緣及避免水錘的發生，管線、水閥
4、多時，可以顏色識別。管線、水閥多時，可以顏色識別。452.抽水站地點抽水站地點選定位置，應考慮：選定位置，應考慮：(1)避免水質污染。避免水質污染。(2)配水系統內之水力問題。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。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。使用動力或燃料之來源問題。(5)將來擴展之可能性。將來擴展之可能性。(6)附近地產所有者之態度。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。各處之水壓相近，最為理想。65.2 抽水之種類抽水之種類1.原水抽水：可分原水抽水：
5、可分2.(1)地面水地面水自水源抽到高處淨水場，或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，為減源地勢雖較淨水場高但相差不多時，為減小管徑亦用小管徑亦用pump加壓。加壓。3.(2)地下水地下水以水井為水源時，除非是自流以水井為水源時，除非是自流井，否則均需要以抽水機抽水。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。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。需以抽水機送水或加壓。74.加壓抽
6、水：給水區域內地勢較高地區，或加壓抽水：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，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，阻力增加而使水壓降低、配水量不足時，需使用加壓抽水機需使用加壓抽水機(booster pump)加壓。加壓。使用時，水自配水管流入抽水井後再抽水，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。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。沉澱池沉泥則常使水機將藥液加入水中。沉澱池沉泥則常使用抽泥水機用抽泥水機(sludge
7、 pump)抽取排除。抽取排除。85.3 抽水機之種類抽水機之種類1.旋轉抽水機旋轉抽水機(rotary pump)92.噴射抽水機噴射抽水機(jet pump)103.往復式抽往復式抽水機水機(Displace-ment Pump)114.氣升抽水機氣升抽水機(Air Life Pump)125.Screw Pump136.離心式抽水機離心式抽水機(centrifugal pump)14a.構造構造15b.種類：種類：依依impeller 數分：數分：single,multiple stages依軸分：依軸分：16依水流方向分依水流方向分依吸水口分：依吸水口分：單吸雙吸單吸雙吸17c.原理：
8、原理：T=impell進口與出口之淨進口與出口之淨toque,Pt=Tw)coscos(111222VrVrQgPt理論水頭理論水頭)()coscos(1122111222tttpVrVrgVrVrgQPhV=r w，hp與與w2成正比成正比185.4離心式抽水機的特性離心式抽水機的特性1.Characteristics curvesTypical pump characteristic curves192.Affinity laws(1)with D constant：2121NNQQ32121)(NNBHPBHPQ：capacityH：total headBHP：brake horsepo
9、werN：pump speedH1/H2=(N1/N2)220(2)with N constant2121DDQQ22121)(DDHH32121)(DDBHPBHP213.Pump Operation in series and ParallelCharacteristic curves for(a)Series.(b)Parallel pump operations of equal pumps.22同一比速效率和不同轉速下之水頭和容量曲線同一比速效率和不同轉速下之水頭和容量曲線234.Specific Speed4/32/1HQNNsNs：比流速：比流速N：抽水機之實際轉速：抽水機之實際
10、轉速(轉轉/分分)Q：抽水機之實際出水量抽水機之實際出水量(m3/min)H：抽水機之總揚程：抽水機之總揚程(m)Ns的功用：選擇的功用：選擇pump的形式用。的形式用。24表表5.4 抽水機機型與抽水機機型與Ns公制單位255.Net Positive Suction Head(NPSH)與與 CavitationNet Positive Suction Head(NPSH)NPSHa=1.3NPSHrNPSHa=HaHalHp3.5HhHsHa=10.33 m,Hal高程高程(表表5-5)Hp蒸汽壓蒸汽壓(表表5-6)，3.5低氣壓低氣壓Hh水頭損失，水頭損失，Hssuction head
11、26Pump 之之NPSHr2728例例5.1 在阿里山在阿里山HL2000m用一離心式抽水機，轉用一離心式抽水機，轉速速=1200rpm，其，其NPSHr=2.5m，抽水量，抽水量Q=4 m3/min 總揚程總揚程H=16m，夏天最高溫度，夏天最高溫度20，求其，求其比速及抽水機安裝之吸水高度。比速及抽水機安裝之吸水高度。解：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 =10.332975HQrHP H：抽水機之總揚程：抽水機之總揚程(m)Q：抽水量抽水量(m3/sec)r：水之密度：水之密度，10
12、00kg/m3550HQHP H：總揚程：總揚程(ft)Q：抽水量抽水量(cfs)r：液體密度：液體密度6、Power（1）理論馬力）理論馬力,Pt=Pt=理論馬力理論馬力=QHrQHr1kg-m/sec=9.8w,1HP=746w30（2）軸馬力）軸馬力(Shaft Horse Power)軸馬力軸馬力/,550tbPPHQrHP：抽水機效率：抽水機效率3.需要馬力需要馬力(Required Horse Power)R=Pbs131表表5.5 各種傳動方式之效率各種傳動方式之效率表表5.6 各種抽水機與原動機之安全率各種抽水機與原動機之安全率(%)32Ex.5.2 設一抽水機抽水量設一抽水機
13、抽水量19.1m3/min，總揚，總揚程程24m，計算所需電動機大小。，計算所需電動機大小。查圖之抽水量查圖之抽水量19.1m3/min，抽水機效率為，抽水機效率為80%。則。則所需動力所需動力KWPr4.938.0241.191163.0若電動機安全率若電動機安全率0.1，傳動機械效率，傳動機械效率95%，則電，則電動機之容量為動機之容量為KWR10895.01.014.93(採用採用110kw)335.5 Hydraulics of Water Supply and Wastewater5.5.1.Flow eqation:1.Open channel flow:Manning equat
14、ion:2.Pressure flow:Hazen-Williams Equation:Darcy-Weisbachs Equation hf=fL/D(V2/2g)21321SRnV CSRV54.063.084935.03435363738Ex5.3 有一坡度有一坡度0.16%矩形明渠矩形明渠,輸送原水供輸送原水供 給給10萬人飲用萬人飲用,每人每日平均用水量為每人每日平均用水量為 200 lpcd,設計該矩形渠之斷面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
15、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.394.求最大日流量下之水深求最大日流量下之水深:Q=0.347=bdV=0.7*dV-(2)解解(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.40
16、Ex5.4 同同Ex.5.3,若用管徑若用管徑600mm 壓力管輸壓力管輸送送,問每公里會產問每公里會產 生多少的水頭損失？生多少的水頭損失？解解: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.415.5.2 Energy equa
17、tionBernoullis 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:lhgvyZgvyZ2222222111SLhf gDLVfhf22422.Minor Loss Heads (for pipe only)：hfK(V2/2g)43例例5.5：有一水庫水位高程：有一水庫水位高程100m，用一，用一Pipe每日送每日送1cms水量至水量至2000m外的蓄
18、水池，其地面高程為外的蓄水池，其地面高程為94 m。設計該管之管徑，又水管中點。設計該管之管徑，又水管中點A之高程為之高程為96m求該點之壓力。求該點之壓力。C100。可忽略次要損失水頭。可忽略次要損失水頭。解：解：Design vel.以以1m/s為原則，輸送原水為原則，輸送原水min.vel.0.3m/s。可用水頭可用水頭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,Los
19、s head h=4.1m,所以蓄水池水位高蓄水池水位高程程=100-4.1=95.9m.A點水壓點水壓100-96-4.1/2-1.272/(29.8)=1.85m.445.6 System Head Curves1、Pumping System452、System headH=Hs+hl=Hs+hf+hmSystem head curves for a fluctuating static pumping head46例例5.6有一抽水系統如下圖，已知抽水管管徑有一抽水系統如下圖，已知抽水管管徑1m，在抽水，在抽水量量1cms下主、次要水頭損失共下主、次要水頭損失共0.3m。送水管管徑。送
20、水管管徑1000 mm長度長度1000 m，f=0.018，四個，四個90度彎管、四個閘閥和一度彎管、四個閘閥和一個單向閥。抽水井最高水位比抽水機軸高個單向閥。抽水井最高水位比抽水機軸高1 m，水位變化，水位變化1m。蓄水池最高水位比抽水機軸高。蓄水池最高水位比抽水機軸高20m，水位變化，水位變化2m。求。求Q=1cms時之系統水頭，並求系統水頭曲線。時之系統水頭，並求系統水頭曲線。47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=
21、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。48H=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+
22、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。49Ex5.7 已知已知A、B兩兩Pump特性曲線及抽水機系統水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頭曲線如下圖，目前需要之抽水量為750gpm，未，未來最大來最大1200gpm，求抽水站，求抽水站Pump之組合。之組合。505.7 Capacity of Pumping Station1.取水、送水、導水抽水站取水、送水、導水抽水站 Capacity Max.daily表表5.7 原水抽水機之數量原水抽水機之數量51Capacity=max.hourly
23、表表5.8 配水用抽水機之數量配水用抽水機之數量52例例5.8：抽水站容量之：抽水站容量之設計。設計。三種形式之抽水機的三種形式之抽水機的特性如右表。特性如右表。Min.Q=10mgd,ave.Q=35mgd,max.Q=50mgd.河水水位河水水位變化共變化共5ft,蓄水池水位蓄水池水位變化變化15ft，蓄水池底蓄水池底至河水最高水位差至河水最高水位差60ft。Pump與與force main 之之loss head=1ft at Q=10 mgd，=20ft at Q=50 mgd。求抽水。求抽水站內抽水機之組合。站內抽水機之組合。53545.8 Optimal Design for Pu
24、mping System55Ex5.9：從河川導水到淨水場之進水井：從河川導水到淨水場之進水井(如圖如圖)，全長全長5公里，採用公里，採用CIP，求最經濟之管，求最經濟之管 徑，但徑，但C=100，輸水量為日平均，輸水量為日平均 86400cmd(1cms)，pipe之成本及抽水之成本及抽水 機之成本分別如下。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 m56(1)CIP之成本之成本(包括附件及施工費包括附件及施工費)Cp=0
25、.148+0.518D1.8 D=m Cp=萬元萬元/m(2)Pump之成本之成本 C1=建設費建設費=C2=維護費維護費&操作費操作費 =(3)年成本與初設費之關係年成本與初設費之關係 (a)F=P(1+i)n=n年後本利和年後本利和 P=F(1+i)-n=現值現值725.0max122.0max3.19HQ995.001.08.3aveHQeave萬元萬元/年年萬元萬元PnF57(b)若本題若本題RC部分壽命為部分壽命為20年。年。Pump壽命為壽命為20年，殘值為年，殘值為0元，利率元，利率(年年)10%FiiCostAnnualiiiPAnnn1)1(1)1()1(PAAAAA123n
26、-1n0AAAF12n58解：解：1.求求Total Cost CT=Cpip+Cpum.(1)2.求求pipe之之Cost Cpip=(0.148+0.518D1.8)5000m(2)3.求求pump之之Cost (1)建設費建設費54.063.02725.0max122.01)5000()4(10084935.04223.19hfDDHC1maxhfH(假設假設pump st之之Loss忽略不計忽略不計)725.08655.418655.4)194.37(088.1194.37DCD(3)59(2)操作費操作費995.001.08.321aveHeC1favehH1525.10)5000()4(10084935.0418655.454.063.02DHhDDavef225.179.3251.8)1(1)1(1)1()1(8655.4CCiiiPiiiPeCnnnnD(4)604.求求Opt.Dia.check vel:8655.4053.179.38.1725.08655.4151.8)2590740()194.37(088.1DpipTeDDPCCC100001.10minusemDdDdCT)(sec/27.114442avemQDQV89.027.17.0:,78.127.14.1:dayMindayMax61第五章：習題第五章：習題1、2、3、4、5、7、9
