تصاميم محطات الضخ المطلوبة لمشاريع الري

Design of Pump Stations for Irrigation Projects

الدكتور المهندس كنعان عبد الجبار أبوكلل _ مهندس استشاري موارد مائية

عضو لجنة الزراعة والري، المنتدى العراقي للنخب والكفاءات

3-1 – المقدمة:

المضخات هي اجهزة تستخدم لنقل المياه من نقطة الى اخرى مع الضغط للتغلب على المقاومة على طول مسارها في حالة نظام الري المضغوط تخدم الات الضخ الأغراض التالية:

أ – لنقل المياه من المناطق المنخفضة إلى المناطق المرتفعة لأغراض توزيع الضغط.

ب – تحقيق الضغط الموحد في شبكة التوزيع.

اثناء تحديد نوع المضخة للمتطلبات المحددة , من الضروري تحليل انواع مختلفة من المضخات ومدى ملاءمتها لتلبية المتطلبات.

3-2 –  انواع المضخات :

يمكن تحديد نوع المضخة بناء على مصادر الطاقة المتاحة مثل الطاقة الشمسية، والطاقة الكهربائية، وطاقة الديزل ،وغيرها. وفي المناطق التي تتوافر فيها الطاقة الشمسية قد يكون من المفضل استخدام المضخات التي تعمل بالطاقة الشمسية.

3 -3 – الاعتبارات المطلوبة في اختيار المضخة : Consideration in Pump Selection

3-3-1 – الضاغط الأجمالي الديناميكي :

من اجل التنبؤ بدقة اداء المضخة في تطبيق معين , يجب مراعاة اجمالي فواقد الضغط. وتشمل هذه الفواقد مايلي :

أ – اجمالي الضاغط الساكن ( Total Static Head  ) .

ب – الفواقد الناجمة عن حجم ( size ) الأنابيب وطولها والمواد المصنوعة منها .

ج الفواقد الناجمة عن ملحقات الأنابيب ( Fittings  ) .

يتطلب التنبؤ الدقيق بالتصريف والضغط لمضخة معينة في تطبيق معين بحسابات مملة بالإضافة الى تجربة الصح والخطأ .

3 -3 -2 – فواقد الاحتكاك في الأنابيب ( Friction Losses in Condiuits )عندما يتحرك الماء عبر الأنبوب ( قناة مغلقة ) . يولد التدفق حرارة بسبب احتكاك السطحين ( سطح الماء وسطح الأنبوب ) , وينتج الأنبوب الفولاذي احتكاكا اكبر من اي انبوب بلاستيكي . ويزداد الأحتكاك مع زيادة طول الأنبوب او الخرطوم , وكذلك مع انخفاض قطر الأنبوب او الخرطوم .يظهر الأحتكاك المتزايد بطء جريان المياه مما يقلل بشكل متزايد من قدرة التصريف والتصريف الفعلي لأنبوب معين .

3 – 3 -3 – ضغط الشفط ( الممص )  ( Suction Head  ) :

الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر يحد من ضغط الشفط لمضخات الطرد المركزي ) Centrifugal pump ) الى 10.3 متر ومع ذلك , لن يتم الحصول على هذا الضغط الا اذا امكن انشاء  فراغ فراغ مثالي  (Vaccum ) , في الواقع , يقتصر ضغط الممص لمضخات الطرد المركزي على حوالي 7.9 متر . يكون اداء المضخة ( السعة والضغط ) في اعلى مستوياته عندما يتم تشغيل المضخة بالقب من سطح الماء .

زيادة ضغط الممص سوف يقلل من ضغط التصريف وبالتالي قدرة التصريف للمضخة , ومن المهم جدا بقاء ضغط الممص عند ادنى قيمة ممكنه لتقليل احتمالية التجويف ( Cavitation  ) , يمكن ان يحدث التجويف ايضا اذا تم تقييد انبوب الممص . لا ينبغي استخدام خرطوم الممص (الشفط ) بقطر اصغر من منفذ الممص ( الشفط ) , حيث يمكن ان يؤدي التجويف الى اتلاف المضخة بسرعة .

3 – 3 -4 – ضغط التصريف ( Discharge Head ) :

مع ارتفاع ضغط التصريف للمضخة , تنخفض سعة المضخة وينخفض ايضا الضغط المتاح في نهاية انبوب التصريف . عند اقصى ضاغط , تنخفض قدرة المضخة الى الصفر ولا يتوفر اي ضغط في نهاية خط التصريف . يوضح منحني اداء المضخة العلاقة بين سعة التصريف والضاغط الأجمالي.

3 – 3 -5 – قيود الأنابيب  ( Pipe Restrictions ) :

عندما تصل المياه الى اي عائق ( صمام او مصغر Reducer  ) يجب السماح فقط لكمية جزئية من المياه المتدفقة بالمرور , تؤدي القيود الى زيادة الأحتكاك وتقليل قدرة التصريف في نهاية الأنبوب .

قد تكون الشروط التالية مقيدة في اختيار المضخات:

أ – اذا كان مستوى ضخ المياه ( PWL  ) اقل من 6 متر , فتستخدم مضخة طرد مركزي واقصى رفع للممص يساوي 6 متر .

ب – اذا كان مستوى ضخ المياه 6 – 20 متر , استخدم المضخات النفاثة او الغاطسة ( Submersible  ) .

ج  – اذا كان مستوى الماء ( PWL ) اكبر من 20 متر استخدم مضخة غاطسة او مضخة عمودية رأسية .

3 – 4 – المصطلحات والتعاريف  ( Terminology and Definitions  ) :

أ – اجمالي الضاغط الثابت ( Total Static Head   –   TDH  :

هو مجموع الضغط الساكن والأحتكاك في الأنبوب وضاغط السرعة ( Velocity Head –   ) عند نقطة التصريف .

ب – الضاغط الثابت ( Static Head  ) :

هو الفرق في الأرتفاع بين مستوى الممص ومستوى التصريف , ملاحظة الشكل رقم   ( 1 ) .

ج – احتكاك الأنابيب  )  PIPE friction  )

فقدان الضاغط ( Head Loss  )  هو احتكاك الماء اثناء تحركه على طول الأنابيب والوصلات

( الأكواع  Elbow    والصمامات Valves  ومداخل الشفط وغيرها .

د ضاغط السرعة  ( Velocity Head   ) :

التغيرات في الطاقة الحركية من مصدر الماء لحد نقطة التصريف . يتم حساب ضاغط السرعة على انها مربع السرعة مقسوما على ضعف تسارع الجاذبية , اي ان ضاغط السرعة )   Hv   ) يحسب كالآتي :

Hv = V2/ 2g

                    حيث ان :    Hv – ضاغط السرعة بالمتر

                                   V – سرعة الماء بالمتر /  ثانية

                                   g = 9.8 متر/ مربع الثانية

ه – القوة الحصانية للماء ( القوة الحصانية لتدفق الماء ):

Water Horse Power ( Output Horse power )

هي الطاقة التي تنقلها المضخة الى الماء ويعبر عنها ب ( WHP ) وتحسب كما يلي :

                                                    TDH/75 × Q = WHP

                      حيث ان :

                                   Q – التصريف لتر / ثانية

                                   TDH- الضغط الدايناميكي الكلي

و – قوة حصان الفرامل ( BHP  ) او قوة حصان الإدخال :

هي الطاقة المنقولة الى المحرك الرئيسي للمضخة , ويكون BHP   دائما اكبر من WHP بسبب الفواقد الناجمة عن الأحتكاك وانزلاق البشارة ( Impeller  ) وما الى ذلك . يتم التعبير عن BHP على النحو التالي :

  TDH/75E ×Q =BHP 

Q – تصريف المضخة لتر/ثانية

TDH – الضاغط الدايناميكي الكلي

 E- كفاءة المضخة

3 -5 – تصميم حوض المدخل )  Sump Design And pump Intake  ) :

يعتمد التصميم القياسي للحوض بشكل اساسي على التدفق المقدر لكل مضخه يتم التعامل معها لأغراض الري . وهذا بدوره سيحدد نوع وعدد المضخات المطلوبة .

يجب مراعاة الجوانب التالية لتصميم حوض المدخل للمضخة:

1 – توزيع التدفق المتساوي .

2 – حالة التدفق المثاليه في كل حجره مضخه فيما يتعلق بتكوين الدوامات .

3 – تشغيل المضخات بصوره مستقلة .

4 – استخدام المشبكات امام فتحات المضخات لمنع جميع المواد والقمامة العالقة بالمياه والواد العائمه من الدخول الى داخل المضخات .

5 – توفير بوابات لعزل حجرة المضخة لأغراض الصيانة وما الى ذلك .

ومن اجل تشغيل المضخة بشكل مرضي , يجب ان يتم توزيع التدفق الى انبوب الممص (الشفط ) بالتساوي , ويمكن تحقيق ذلك من خلال التصميم المناسب لمكونات الحوض ( حوض   المدخل ) . وينبغي تجنب الزوايا الحادة والمنعطفات المفاجئة وتجنب عدم التماثل . واثناء تصميم الحوض , من المهم منع حدوث الدوامات في القناة وحجرات المضخات ومن حالة اقتراب التدفق من جرس المدخل هي مهمة .

( لمزيد من التفاصيل حول مواصفات تصميم حوض  المدخل للمضخة يتطلب الرجوع الى ادلة التصاميم المختلفة بما فيها المواصفة الهندية Is 15310 – 2003 Code  )

3 – 6 – منحني اداء المضخة )  Pump Performance Curve  ) :

يصف المنحني المميز للمضخة العوامل التي تؤثر على ادائها . وعادة ما يتم التعبير عنها بيانيا بمعدل التصريف Q  مثل الأحداثيات والعوامل الأخرى المرسومة على شكل احداثيات مثل احداثيات الضغط وضاغط الشفط ( الممص )  الصافي ( NPSH  ) , يبين الشكل رقم ( 2 ) منحني اداء المضخة النموذجي ويوضح الشكل المذكور انه مع زيادة تصريف المضخة , تزداد الطاقة اللازمة لتشغيل المضخة . ومع ذلك فأن كفاءة المضخة تتصرف بشكل متناسب وعكسي مع سعة المضخة .مثل المنحني المكافئ .

وتزداد كفاءة المضخة مع زيادة السعة الى نقطة معينة . ثم تنخفض الكفاءة من تلك النقطة حتى مع استمرار زيادة السعة . يجب على المصنعين تقديم منحني المضخة الذي يحدد اداء المضخات ونطاق التشغيل الموصى به ولا تعمل خارج النطاق الموصى به لأن ذلك قد يؤدي الى تلف المضخة .

تعكس منحنيات الأداء الأختبار القياسي , عادة ما يقوم مصنعو المضخات بحساب منحنيات الأداء باستخدام مقياس الضغط ومقياس التدفق المتصل بمنفذ التصريف .

بالنسبة لأي ضاغط اجمالي متوقع , يمكن تحديد سعة التصريف . تتوفر منحنيات الأداء للمضخات لكل طراز مضخة .

ان افضل نقطة كفاءة للمضخة هي النقطة التي عندها تؤدي تأثيرات الضغط وتغطية التدفق الى انتاج اكبر قدر من الأنتاج ( Output    ) بأقل قدر من الطاقة .

3-7 – ابعاد بناية المضخة ( Dimensioning of Pump H0use ) :

1– يجب ان تتوفر مساحة كافية في بناية المضخة لتحديد موقع المضخة والمحرك والصمامات والأنابيب ولوحات التحكم وحوامل الكيبلات بطريقة عقلانية مع سهولة الوصول اليها وبمساحة كافية حول كل جهاز لأغراض الصيانة والأصلاح . يجب ان يكون الحد الأدنى للمسافة بين كل مضختين او المحركات المتجاورة 0.6 متر للوحدات الصغيرة والمتوسطة و 1متر للوحدات الكبيرة .

2– يجب تخطيط فراغات لوحدات التحكم وفقا لقواعد دوائر الكهرباء وعلى النحو التالي : –

أ – يجب توفير مساحة خالية لايقل عرضها عن 915 ملمتر امام لوحة التبديل الكهربائي

( Circuit Breaker  ) .في حالة الألواح الكبيرة , قد تتجاوز مساحة السحب لقواطع الدائرة 915 ملمتر . وفي مثل هذه الحالات يجب اتباع توصيات الشركات المصنعة .

ب – في حالة وجود اي ملحقات او توصيلات مكشوفة في الجزء الخلفي من لوحة التبديل , يجب ان تكون المسافة ان وجدت خلف لوحة التبديل , اما اقل عن 230 ملمتر او اكثر من 750 ملمتر في العرض مقاسة من ابعد جزء من اي ملحق او موصل .

ج – اذا تجاوز عرض  لوحة المفاتيح عن 760 ملمتر , يجب ان يكون هناك ممر واضح من احد طرفي لوحة المفاتيح بارتفاع 1830 ملمتر .

د – وينبغي توفير منطقة خدمة في محطة الضخ بمساحة تمكنها من استيعاب اكبر المعدات لعمليات النقل والأصلاح الزائدة .

ه – ينبغي توفير منحدر (Ramp  ) او منطقة التحميل والتفريغ . في المنشآت الكبيرة , ويجب تخطيط الأرضيات بحيث يمكن وضع جميع الأنابيب والصمامات في الطابق السفلي . ويجب ان يسمح الطابق العلوي بحرية الحركة .

و _ في حالة المضخات العمودية ذات المحركات ذات العمود المجوف , يجب ان يكون الخلوص واضحا لرفع المحرك عن وجه اداة التوصيل وايضا لحمل المحرك الى حجرة الخدمة دون تدخل من اي جهاز آخر . وينبغي ايضا ان يكون الخلوص كافيا لتفكيك ورفع اكبر مجموعة من المعدات.

ز – في حالة المضخات الأفقية او العمودية ذات المحركات بعمود صلب يجب ان يسمح ارتفاع غرفة المضخة بنقل المحرك فوق اللأجهزة الأخرى مع ترك  مسافة كافية .

ح – يجب تحديد منسوب التركيب لأداة الرفع مع الأخذ في الأعتبار الحاجة المذكورة اعلاه لأرتفاع غرفة المضخة الرئيسية لصيانة واصلاح اداة الرفع نفسها .

ط – يجب ان يغطي مسار جهاز الرفع  المنتحرك ( overhead crane  ) جميع الفتحات والخانات وجميع الأجهزة .

ي  – يجب ان تكون السعة المقدرة لأداة الرفع كافية للتعامل مع الحد الأفصى للوزن في اي وقت .

 

3 – 8 – ترتيب امدادات الطاقة  ( Power Supply Arrangements ) :

بالنسبة للمضخات ذات القدرة التي تصل الى 15 حصان , يجب استخدام خطوط امدادات الطاقة المحلية الموجودة في الموقع للري . بالنسبة للمضخات ذات القدرة العالية , يلزم وجود خطوط منفصلة لأمداد الطاقة , ويجب تضمين تكلفة خطوط الكهرباء المنفصلة في تقدير تكلفة محطة الضخ .

يمكن استخدام الضخ بالطاقة الشمسية حيث تكون الطاقة الشمسية متوفرة بكثرة