بالنسبة لتوفير مياه الشرب في المناطق الريفية، ووحدات الضخ التكميلي في المباني السكنية، وتغذية المجمعات الصناعية، وإمداد القرى النائية، تُعد محطة الضخ المعززة الأصل الذي يوصل المياه لمسافة كافية وبشكل مستقر. تتعرض كثير من المشاريع لاحقاً لضغط منخفض أو استهلاك مرتفع للطاقة أو أعطال متكررة، ويرجع السبب عادةً إلى مرحلة الاختيار المبكرة: تدفق أصغر من اللازم فينقص الماء، ورأس أقل من اللازم فلا ترتفع المياه، وقطر أنبوب خاطئ فيختنق الخط أو يهدر الطاقة في الاحتكاك. تطرح هذه المقالة منهجاً للاختيار من أربع خطوات يمكن تطبيقه مباشرة، مع مثال محسوب كامل لـ 100 م³/ساعة ورأس 35 متراً.
1. كيفية حساب التدفق التصميمي Q
التدفق التصميمي هو التدفق الذروي الساعي، لا متوسط الاستهلاك اليومي. بالنسبة لإمداد مياه القرية، نتبع خطوتين.
الخطوة 1. الطلب اليومي على المياه
Qd = q × N × (1 + a)
- q: حصة الفرد اليومية من المياه: 130 إلى 300 لتر لكل شخص في اليوم للاستخدام السكني (المعيار الوطني الصيني GB 50015-2019، الجدول 3.2.1).
- N: عدد السكان المخدومين.
- a: معامل التسرب والفاقد غير المحسوب: 8٪ إلى 12٪ (GB 50015-2019، البند 3.2.9).
الخطوة 2. التدفق الذروي الساعي
Qh = Qd × Kh / T
- Kh: معامل التباين الساعي: نحو 2.0 إلى 2.5 للكتل السكنية.
- T: ساعات التزويد اليومي؛ وعند التزويد المستمر على مدار 24 ساعة يكون T = 24.
مثال: قرية يبلغ عدد سكانها 2000 نسمة، و q = 200 لتر/(شخص·يوم)، و a = 10٪، و Kh = 2.2، و T = 24 ساعة. إذن Qd = 200 × 2000 × 1.10 = 440000 لتر/يوم = 440 م³/يوم، و Qh = 440 × 2.2 / 24 = 40.3 م³/ساعة. ولإطفاء الحريق أو التغذية الصناعية، تُضاف الأحمال المتزامنة المطلوبة وفقاً للوائح المحلية.
2. كيفية حساب الرأس التصميمي H
نستخدم منهج جمع المكوّنات:
H = H_st + h_f + h_j + h_v + H_free
- H_st: الارتفاع الساكن، وهو المسافة الرأسية من سطح الماء في المصدر إلى أبعد أو أعلى نقطة استهلاك.
-
h_f: فقد الاحتكاك على طول الأنبوب، حسب معادلة هازن–ويليامز:
h_f = 10.67 × L × Q^1.852 / (C^1.852 × d^4.87)
حيث L الطول بالمتر، و Q التدفق بالمتر المكعب لكل ثانية، و C معامل خشونة الأنبوب (نحو 120 للفولاذ، و130 إلى 150 للحديد الزهر أو البولي إيثيلين أو الـ PVC وفقاً لـ AWWA M23)، و d القطر الداخلي بالمتر. - h_j: الفقد الموضعي من الانحناءات والصمامات والوصلات، ويؤخذ عادةً 10٪ إلى 20٪ من h_f.
- h_v: رأس سرعة الخروج، v² / (2g)، وغالباً ما يُهمل.
- H_free: الرأس الحر المطلوب عند الخروج. وللتوصيل إلى مبنى، يكون الحد الأدنى للرأس الحر حسب GB 50013-2018 (البند 3.0.10) هو 10 أمتار للطابق الأرضي، مضافاً إليه 4 أمتار لكل طابق إضافي. ولملء خزان مرتفع، يكفي رأس حر نحو 2 متر.
3. كيفية تحديد أنابيب السحب والطرد
يتم التحديد بمنهج السرعة الاقتصادية. السرعة v = Q / A، حيث A = π × d² / 4. والنطاقات الموصى بها حسب GB 50013-2018 (البند 6.3.1):
| الأنبوب | السرعة الاقتصادية | الحد الأقصى | ملاحظة |
|---|---|---|---|
| أنبوب السحب | 1.0 إلى 1.6 م/ث | 1.6 م/ث | السرعة الأقل تقلل خطر التكهف |
| أنبوب الطرد | 1.5 إلى 2.5 م/ث | 3.0 م/ث | توازن بين الطاقة والتكلفة الرأسمالية |
اختر القطر بحيث تقع السرعة ضمن النطاق الموصى به، ثم تحقق من أن فقد الاحتكاك مقبول. القطر الأكبر يقلل فقد الاحتكاك واستهلاك الطاقة لكنه يرفع التكلفة الرأسمالية؛ والأنبوب الأصغر يفعل العكس. والنطاق الاقتصادي أعلاه يوازن بين الاثنين.
4. وحدات المضخات وتهيئة الاحتياط
يُحدد عدد مجموعات المضخات من التدفق التشغيلي. حسب GB 50013-2018 (البند 6.1.6):
- عند وجود 4 مضخات تشغيلية أو أقل، تُنصب مضخة احتياطية واحدة.
- عند وجود أكثر من 4 مضخات تشغيلية، تُنصب مضختان احتياطيتان.
للإمدادات الحرجة مثل المستشفيات أو العمليات الصناعية المستمرة، تُستخدم تهيئة مضختان تشغيليتان + مضختان احتياطيتان أو تكرار N+1. وتتيح محركات التردد المتغير لمضخة احتياطية واحدة تغطية عدة مضخات تشغيلية وتحسين الكفاءة عند الحمل الجزئي.
5. مثال محسوب: وحدة ضخ تكميلي سكنية 100 م³/ساعة
| البند | القيمة | ملاحظة |
|---|---|---|
| التدفق التصميمي Q | 100 م³/ساعة (27.8 ل/ث) | الذروة السكنية |
| الارتفاع الساكن H_st | 30 م | المصدر إلى خزان السطح |
| أنبوب الطرد | DN150، L = 120 م، C = 120 | v = 0.0278 / (π × 0.15² / 4) = 1.57 م/ث، ضمن 1.5 إلى 2.5، مطابق |
| فقد الاحتكاك h_f | نحو 2.9 م | حسب هازن–ويليامز |
| أنبوب السحب | DN200، L = 8 م | v نحو 0.885 م/ث، مطابق؛ سرعة منخفضة تقلل خطر التكهف |
| الفقد الموضعي h_j | نحو 0.5 م | نحو 18٪ من h_f |
| رأس سرعة الخروج h_v | نحو 0.13 م | 1.57² / 19.6 |
| الرأس الحر H_free | 2 م | الفائض عند دخول الخزان |
| الرأس التصميمي H | نحو 35 م | 30 + 2.9 + 0.5 + 0.13 + 2 |
| مجموعة المضخات | مضختان تشغيليتان + واحدة احتياطية | كل واحدة 50 م³/ساعة عند 35 م |
| قدرة العمود لكل مضخة | نحو 6.4 كيلوواط | P = ρ g Q H / η = 9810 × 0.0139 × 35 / 0.75؛ تركيب محرك 7.5 كيلوواط |
6. أخطاء شائعة وقائمة تحقق
- الخطأ 1: استخدام متوسط الاستهلاك اليومي بدل التدفق الذروي الساعي. النتيجة: ضغط منخفض مزمن في ساعات الذروة.
- الخطأ 2: إهمال فقد الاحتكاك والاكتفاء بالارتفاع الساكن. النتيجة: المضخات لا تبلغ الطرف البعيد.
- الخطأ 3: أنبوب طرد أصغر من اللازم، وسرعة أعلى من 3.0 م/ث. النتيجة: فقد احتكاك عالٍ وهدر للطاقة.
- الخطأ 4: عدم وجود مضخة احتياطية. النتيجة: عطل واحد يوقف الإمداد بالكامل.
- الخطأ 5: سرعة سحب عالية جداً، أعلى من 1.6 م/ث. النتيجة: تكهف وقصر عمر المضخة.
قائمة التحقق: قبل الطلب، أكّد التدفق الذروي، والارتفاع الساكن، وطول الأنبوب ومادته، ومتطلبات الرأس الحر، وقاعدة الاحتياط، وهامش قدرة المحرك.
7. الخلاصة
يبدأ الاختيار السليم بتدفق ذروي صحيح، ثم جمع كل مكوّنات الرأس، وتحديد الأنابيب بالسرعة الاقتصادية، وتوفير الاحتياط. استخدم الخطوات الأربع ومثال 100 م³/ساعة كقالب، ثم عدّل الأرقام حسب موقعك.