منحنيات مضخة الري: إيجاد نقطة التشغيل عند تغيير القطاعات

توفر مضخة الري التدفق والارتفاع الضاغط عند تقاطع منحنى المضخة مع منحنى الشبكة النشطة. فتح قطاع آخر يغير مقاومة الشبكة؛ ولا يأمر مضخة ثابتة السرعة بتوفير مجموع التدفقات السابقة للقطاعات عندما كانت تعمل منفردة. يحسب هذا الدليل ذلك الانتقال في شبكة افتراضية أصلية، ثم يفحص أثره في توصيل الماء والكفاءة والتحكم. والنتيجة ورقة عمل لتقييم تركيبات القطاعات المتغيرة مع المصمم ومورد المضخة.

تجهيزات ضخ للري بجوار حوض لاستعادة المياه في أركنساس. الصورة: جيف فانوغا، USDA NRCS. ملكية عامة.

البدء بمنحنى يطابق تكوين المضخة المركبة

يربط منحنى أداء المضخة الارتفاع الضاغط الكلي بالتدفق عند سرعة دوران وتكوين محددين. احصل على الطراز وقطر الدفاعة أو ترتيب المراحل والسرعة وظروف الاختبار المطابقة للمعدات المركبة. قد يعطي منحنى لدفاعة أو سرعة أخرى نقطة تشغيل تبدو معقولة لكنها غير صحيحة. احتفظ بمنحنيات الكفاءة وقدرة العمود وصافي ارتفاع السحب الموجب المطلوب مع رسم الارتفاع والتدفق.

يوضح دليل مضخات الري من إرشاد جامعة ولاية داكوتا الشمالية كيفية قراءة التدفق والارتفاع والكفاءة معا ويوصي بالاحتفاظ بمنحنى المضخة الصحيح. يشير التدفق الأقصى والارتفاع الأقصى إلى موضعين مختلفين على المنحنى. ولا يمثلان مهمة متزامنة مضمونة. تحدد ورقة تحديد حجم مضخة الري المهمة المستهدفة، بينما يفحص هذا المقال أين تعمل المضخة المختارة فعليا عندما تتغير الشبكة.

استخدم في المثال العلاقة الافتراضية H_p = 50 − 0.01Q²، حيث H_p بالمتر وQ بوحدة m³/h. تعامل معها باعتبارها تقريبا تعليميا فقط ضمن التدفقات المحسوبة أدناه. فهي ليست منحنى منتج IrriNex، ولا تقرير اختبار كاملا، ولا إذنا بالاستقراء إلى حالة الطرد المغلق أو نهاية نطاق التدفق العالي. يعتمد معاملها العددي على الوحدات المختارة.

تحديد ما يشمله منحنى الشبكة

يعطي منحنى الشبكة الارتفاع اللازم لنقل تدفق معين عبر ترتيب محدد. حدد مصدر الماء وارتفاعات الوجهات والفروع النشطة وأوضاع الصمامات وحالة المكونات. في هذا المثال يغذي مصدر مفتوح فروع رش متماثلة وغير منظمة للضغط على الارتفاع نفسه. فرق الارتفاع الساكن هو 10 m. ولا يشمل النموذج المبسط ضغطا للمصدر أو فروق ارتفاع إضافية أو أجهزة تنظيم ضغط.

لتكن Q التدفق الكلي للمضخة وq تدفق الفرع الواحد، وكلاهما بوحدة m³/h. يحتاج مسار السحب والطرد المشترك إلى 0.003Q² متر من الارتفاع الضاغط. ويحتاج كل فرع، بما فيه أنبوبه ومتطلب مخارجه المعتمد على الضغط، إلى 0.012q² متر فوق ارتفاعه. هذه علاقات افتراضية لمقاومات مجمعة؛ ويتضمن حد الفرع متطلب المخارج، لذلك لا يجوز إضافته مرة أخرى. استخدم دليل ميزانية الضغط لتحديد حدود القياس الفعلية وتجنب احتساب المكون مرتين.

عندما يفتح فرع واحد، تكون q = Q وتصبح H_s = 10 + 0.015Q². وعند فتح الفرعين المتماثلين، يعطي التماثل q = Q ÷ 2، وبالتالي H_s = 10 + 0.003Q² + 0.012(Q ÷ 2)² = 10 + 0.006Q². يظل الأنبوب المشترك يحمل التدفق الكلي. لا تقسم جميع الفواقد إلى نصفين لمجرد فتح فرع آخر. اختلاف ارتفاعات الفروع أو مقاوماتها يتطلب حساب الشبكة بدلا من تقسيم التدفق بالتساوي.

حل التقاطع لكل تركيبة قطاعات

ساو ارتفاع المضخة بارتفاع الشبكة. لفرع واحد، تعطي 50 − 0.01Q² = 10 + 0.015Q² العلاقة 40 = 0.025Q². الحل الموجب هو Q = 40 m³/h وH = 34 m. يؤكد التعويض الطرفين: توفر المضخة 50 − 16 = 34 m وتحتاج الشبكة إلى 10 + 24 = 34 m. التدفق نتيجة محسوبة، وليس طلب قطاع محددا مسبقا.

لفرعين، تعطي 50 − 0.01Q² = 10 + 0.006Q² العلاقة 40 = 0.016Q². النتيجة Q = 50 m³/h وH = 25 m، مع 25 m³/h لكل فرع. يزيد التدفق الكلي، لكن كل فرع يستقبل أقل من 40 m³/h التي كان يستقبلها منفردا. المجموع الجديد ليس 80 m³/h. انتقلت نقطة التشغيل على منحنى المضخة ثابتة السرعة دون تغييره، لتلتقي بمنحنى شبكة مختلف.

قارن الآن هذه النتائج بتصميم توصيل الماء إلى المحصول. إذا احتاج كل فرع رش إلى تدفقه عند العمل منفردا لتحقيق نمط التوزيع المقصود، فلا تصبح نتيجة تشغيل الفرعين مقبولة لمجرد أن المضخة لا تزال تعمل. افحص الضغط عند الرشاشات والتوزيع الناتج. للنقاطات المعوضة للضغط والصمامات المنظمة مجالات تشغيل خاصة؛ فلا تطبق عليها نموذج الفرع التربيعي غير المنظم هذا دون نموذج هيدروليكي مناسب.

الفصل بين التقاطع الرياضي والمهمة المقبولة

يثبت تقاطع المنحنيين وجود توازن هيدروليكي مستقر محتمل ضمن افتراضات النموذج. لكنه لا يصادق على المهمة. قارن كل نقطة مقترحة بمجال التدفق المسموح لدى المصنع، ومنطقة التشغيل المفضلة، والضغط الأقصى، وقدرة العمود المطلوبة، وقدرة المحرك. لا توجد نسبة عامة مقبولة حول نقطة أفضل كفاءة تحل محل حدود المعدات المختارة.

افحص جانب السحب عند كل مهمة أيضا. يجب أن يحقق صافي ارتفاع السحب الموجب المتاح القيمة التي تحتاجها المضخة مع الهامش المحدد للتطبيق. يؤثر منسوب الماء أثناء الضخ وغمر المأخذ وفواقد السحب ودرجة الحرارة والظروف الجوية المحلية في هذا الفحص. وقد تبقى نقطة طرد موجودة على المنحنى غير مناسبة إذا لم يدعمها المصدر أو المأخذ. لا تستنتج هامش التجويف من مقياس ضغط الطرد وحده.

لا تصف المنحنيات المستقرة كذلك تغيرات الضغط العابرة أثناء حركة الصمامات. تحتاج خطة التشغيل إلى مسار معتمد خلال البدء وتغيير القطاعات والإيقاف، مع استمرار الحماية المستقلة. تحدد ورقة تشابكات المضخة والصمامات تلك الأذونات واستجابات الأعطال. وجود تقاطع نهائي مرض لا يجعل كل وضع وسيط للصمام مسموحا.

إعادة الحساب عند تغير منسوب المصدر أو المقاومة

يفترض الصف الأخير من الجدول انخفاض سطح المصدر أثناء الضخ بمقدار 6 m مع بقاء خصائص النموذج الأخرى دون تغيير. يصبح فرق الارتفاع الساكن 16 m. لفرع واحد، تعطي 50 − 0.01Q² = 16 + 0.015Q² القيمة Q² = 1360، ولذلك يكون Q نحو 36.88 m³/h وارتفاع المضخة 36.40 m. تطور المضخة ارتفاعا أكبر عند النقطة الجديدة بينما توصل ماء أقل.

يختلف ذلك عن إضافة 6 m إلى الارتفاع السابق مع الاحتفاظ بالتدفق السابق. فذلك الحساب يصف مهمة جديدة مطلوبة عند تدفق مفروض، وليس التقاطع الفعلي لهذه المضخة والشبكة دون تغييرات أخرى. قد يتغير هبوط منسوب البئر الفعلي نفسه بحسب التدفق والزمن. وإذا حدث ذلك، فاستبدل افتراض منسوب المصدر الثابت باستجابته المقاسة أو المصممة بدلا من معاملته كثابت.

قد تغير زيادة مقاومة المرشح والخنق وتعديلات الأنابيب مقاومة الشبكة أيضا. استخدم علاقة المكون الفعلية وأعد حساب التقاطع؛ ولا تضف ببساطة فقدا ثابتا قيس عند تدفق واحد إلى كل نقاط المنحنى. وقد ينتج عن منظم يغير موضعه للحفاظ على ضغط جهة المصب علاقة مختلفة أو معرفة على أجزاء. سجل نمط تحكم الصمام وأدنى فرق ضغط تشغيلي قبل تفسير انتقال مقاس في المنحنى.

قراءة الكفاءة والقدرة عند النقطة الجديدة

الكفاءة قراءة منفصلة من منحناها. ولتوضيح الحساب، افترض كفاءة للمضخة وحدها تبلغ 72% عند نقطة الفرع الواحد و70% عند نقطة الفرعين. هذه القيم الافتراضية غير مشتقة من معادلة الارتفاع والتدفق وليست ادعاءات أداء لمنتج. في المراجعة الفعلية، اقرأ الكفاءة عند السرعة وتكوين الدفاعة المعنيين، ثم راع مدة حدوث كل مهمة.

للماء بكثافة 1000 kg/m³ وتسارع جاذبية 9.81 m/s²، تكون قدرة العمود بوحدة kW هي 0.002725QH ÷ η، عندما تكون Q بوحدة m³/h وη كفاءة المضخة في صورة كسر. تعطي حالة الفرع الواحد 0.002725 × 40 × 34 ÷ 0.72 = 5.15 kW بعد التقريب. وتعطي حالة الفرعين 0.002725 × 50 × 25 ÷ 0.70 = 4.87 kW. للحالة الثانية كفاءة مضخة مفترضة أقل، لكن حاجتها إلى القدرة الهيدروليكية أقل أيضا.

هذه تقديرات لقدرة العمود وليست مقاسات اسمية للمحرك أو قدرة دخل كهربائية مقاسة. تحتاج فواقد المحرك ومغير السرعة إلى بيانات منفصلة، ويجب أن يغطي المحرك مجال التشغيل المعتمد. كذلك توفر الحالتان تدفقات وضغوط فروع مختلفة، لذلك لا تثبت مقارنة قدرتهما وفرا في الطاقة عند خدمة متكافئة. عند مقارنة الجداول، حافظ على نتيجة الري المطلوبة واستخدم طاقة الدخل المقاسة والحجم الموصل ومدة التشغيل لكل مهمة مسموحة.

نقل منحنى المضخة عندما تتغير السرعة

عند ثبات هندسة الدفاعة، تستطيع قوانين التشابه تقدير نقاط متناظرة على منحنى المضخة وفق افتراضات تشابه مناسبة. لكنها لا تضمن تغير تدفق المنشأة بنسبة مباشرة إلى السرعة عندما يتضمن النظام ارتفاعا ساكنا. يوضح مرجع أنظمة الضخ لوزارة الطاقة الأمريكية سبب الحاجة إلى عناية خاصة بتشغيل السرعة المتغيرة في الأنظمة ذات الارتفاع الساكن الكبير.

في حساب تعليمي آخر، اخفض نسبة السرعة إلى r = 0.90 وقرب المنحنى الجديد بالعلاقة H_p,r(Q) = r²H_p(Q ÷ r) = 40.5 − 0.01Q². احسب تقاطعه مع شبكة الفرع الواحد دون تغييرها: 40.5 − 0.01Q² = 10 + 0.015Q². ينتج Q² = 1220 وQ نحو 34.93 m³/h وH = 28.30 m. مجرد ضرب التدفق القديم 40 m³/h في 0.90 يعطي 36 m³/h، وهي ليست نقطة التقاطع الجديدة.

يغير الحساب منحنى المضخة مع الاحتفاظ بفرق الارتفاع الساكن للشبكة البالغ 10 m. وهو لا يصف إعدادا معتمدا لمغير السرعة ولا يفترض كفاءة ثابتة. تحقق مع المورد من المنحنيات الفعلية عند السرعة المنخفضة، وأقل سرعة مسموحة، وتبريد المحرك، وظروف السحب، واستقرار التحكم. احتفظ بمتطلبات مخارج الري: لا تفيد نقطة أقل قدرة إذا عجزت الرشاشات عن تحقيق التغطية المطلوبة.

التحقق من النموذج بسجل ميداني قابل للتكرار

لكل تركيبة مسموحة، سجل تكوين المضخة وسرعتها والفروع النشطة وأوضاع الصمامات ومنسوب المصدر أثناء الضخ والتدفق المستقر وقياسات الضغط. استخدم دليل تركيب عدادات تدفق الري لفحص جودة القياس. قارن فرق الارتفاع الكلي عبر المضخة بمنحناها، مع احتساب ضغطي السحب والطرد وارتفاعات أدوات القياس وفروق ارتفاع السرعة عندما تكون ذات صلة. قراءة ضغط طرد منفردة ليست تلقائيا الارتفاع الكلي للمضخة.

افحص أي اختلاف قبل تغيير المضخة. قد تؤدي سرعة غير صحيحة أو صمام مغلق جزئيا أو مسار تجاوز غير متوقع أو دفاعة متضررة أو مصدر متغير إلى ملاحظات مختلفة. تحقق من حدود القياس والأدوات قبل إسناد سبب. يساعد تكرار الحالة المسموحة نفسها بعد الاستقرار على تمييز فرق هيدروليكي قابل للتكرار من تغير عابر أو خطأ قراءة.

لمراجعة مكونات IrriNex، قدم منحنيات المضخة ورسم الشبكة المعلم وتركيبات القطاعات وسجل المقارنة المكتمل. اطلب بيانات الأنابيب والصمامات والمرشحات المختارة لتحسين نموذج الشبكة. لا تعتمد تركيبة إلا بعد فحص حدود تشغيل المضخة والماء الموصل إلى المخارج النشطة؛ فالتدفق الكلي للمضخة وحده لا يثبت أداء الري.