Архив / 1997 / №3(13) / 

Целесообразность и технические возможности применения насосов в скважинах большего диаметра

В практике эксплуатации электронасосного оборудования нередки случаи, когда, к примеру, шестидюймовый электронасос работает в восьми- или даже десятидюймовой скважине. Известен факт, что повсеместно в экономике бывшего Союза действовал затратно-валовый механизм ведения хозяйства. Чем больше освоение вложений, тем быстрее выполнялся план, тем выше оплата труда, премии. Водное строительство не было исключением, а наоборот, являлось ярким примером такого хозяйствования. Например, при бурении скважин на воду применялись обсадные трубы нефтяного сортамента, имеющие стенки большей толщины, а, следовательно, большего веса и стоимости. Стоимость электронасоса составляла 10% от стоимости скважины против 2..3% на сегодняшний день. Ценообразование в насосостроении формировалось по весовому фактору. Поэтому два ошских насоса ЭЦВ4-4-70 и ЭЦВ6-10-80, весившие соответственно 33 и 88 кг, имели стоимость 80 и 185 руб. В результате широкое применение второго насоса привело к прекращению производства первого. Совсем иное положение складывалось в странах с рыночной экономикой. По данным АО «Гидротехника» 63% всех выпускаемых в стране электронасосов приходится на долю шестидюймовых и только 2,3% на долю четырехдюймовых. Между тем, на мировом рынке доля четырехдюймовых электронасосов составляет 77%.

Сегодня предлагается широкий выбор четырехдюймовых насосов. Вместе с тем,  четырехдюймовые скважины практически отсутствуют, а шестидюймовые имеют преобладающее количество среди всех. Эти обстоятельства требуют рассмотреть вопрос о целесообразности и технических возможностях применения насосов в скважинах больших диаметров.

Прежде всего необходимо учесть некоторые особенности такого применения, которые обусловлены различиями параметров и характеристик рассматриваемых электронасосов и электронасосов рассчитанных для использования в скважинах своего диаметра, к примеру, четырехдюймовых и шестидюймовых электронасосов.
Из основных различий – это, прежде всего, меньший диаметр насоса, что сказывается на режиме охлаждения погружного электродвигателя в скважине большего диаметра вследствие увеличения сечения между поверхностью электродвигателя и внутренней стенкой обсадной трубы и снижением скорости охлаждающего потока воды в этом сечении. Очевидно, что при работе электронасоса меньшая скорость обтекания водой поверхности электродвигателя приведет к повышению температуры ее нагрева. Это в свою очередь ухудшит условия теплопередачи с поверхности двигателя, что вызовет его перегрев. Если перегрев достаточно велик, то электронасос неизбежно выйдет из строя. Какая степень ухудшения условий теплопередачи и насколько будут опасными перегревы при изменении сечения потока и температуры охлаждающей воды – все это вопросы научных исследований. Такова постановка задачи.

Другая особенность, в основе которой лежит различие диаметров насоса и скважины, – это возможное раскачивание электронасоса при останове электродвигателя. Особенно это проявляется на глубоких скважинах. На практике встречались случаи, когда извлеченный из скважины, вышедший из строя  электронасос имел погнутый вал и треснутое основание.

Среди других основных различий параметров и характеристик четырехдюймовых насосов можно отметить:

– меньшие номинальные подачи при равном диапазоне напоров;
– немного меньший КПД;
– большую допустимую частоту включений электронасоса, достигающую 20 раз в час против 3 раз у шестидюймовых.

Рассмотрим с учетом этого целесообразность и технические возможности применения электронасосов в скважинах большего диаметра на примере четырехдюймовых и шестидюймовых электронасосов.

Большинство сельских потребителей воды пользуются башенной системой водоснабжения, которая обеспечивает водой, как правило, животноводческую ферму 200...300 голов КРС (взята для рассмотрения как  наиболее водопотребляющая категория животных) и прилегающий поселок (поселки) на 100... 150 жителей. Здесь потребление воды [1] колеблется от 22,5 до 67,5 м3 в сутки, что при непрерывной работе электронасоса обеспечивается его подачей до 3 м3/час. Отсюда, при проектировании системы водоснабжения, определяются расчетные значения дебита скважины и номинальной подачи электронасоса. Однако, чем крупнее скважина и ее дебит, тем больше можно обеспечить капиталовложений в строительство системы водоснабжения в целом. Это и приводило к тому, что малодебитные скважины считались безводными, а все системы водоснабжения обеспечивались, как минимум шестидюймовыми скважинами и соответствующими насосами с подачами от 6 до 25 м3/час, а также трубопроводами, рассчитанными на такие подачи и соответствующими напорно-регулирующими емкостями, запорной арматурой и другими элементами с многократным запасом по производительности. Противоречие между требуемыми расходами воды и их обеспечением с позиций больших затрат должны найти свое разрешение сегодня. В этом и заключается целесообразность поставленной задачи. Здесь прежде всего необходимо рассмотреть энергозатраты при замене электронасосов на меньшие диаметры.

В башенной системе электронасос работает в режиме повторно-кратковременных нагрузок, когда время очередного пуска после охлаждения электродвигателя строго регламентируется его частотой включения. Такой режим работы электронасоса характеризуется временем работы, tр, и временем паузы, tп. Сумма времени работы и времени паузы даст длительность цикла, обратная величина которого и будет частотой включения электронасоса. Кроме того, режим работы электронасоса в башенной системе водоснабжения характеризуется подачей электронасоса при соответствующем напоре. Эти две величины определяют на Q-H характеристике рабочую точку электронасоса. Благодаря водонапорной башне, которая играет роль буферного, согласующего элемента, рабочая точка насоса фиксирована, (если пренебречь изменением уровня воды в башне в пределах регулирующего объема) несмотря на то, что потребление воды имеет переменный характер. Эту рабочую точку прежде всего определяет напор, который создается насосом в трубопроводе, и который равен сумме высоты уровня воды в башне, перепада  геодезических высот между основанием башни и насосной станции, глубиной динамического уровня воды в скважине и потерь напора в трубопроводе   и местных гидравлических сопротивлениях   (задвижке, коленах, обратном клапане и др.):

Допустим, что эта сумма равна 75 м в.ст. Отметим рабочие точки на напорных характеристиках двух сравниваемых насосов ЭЦВ6-10-80 и DX7-28(аналог 4-3,6-80) итальянского производства.

При этом первый насос будет работать с подачей 12 м3/час и КПД 44%, а второй с подачей 4 м3/час и КПД 50%. Электронасос итальянской фирмы FRIULANA POMPE имеет заведомо больший КПД.

Время работы каждого насоса будет определяться временем заполнения регулирующего объема бака водонапорной башни, располагаемого между нижним и верхним уровнями и равного 7,1 м3. Это время будет соответственно равно 0,79 часа для первого и  7,1 часа для второго насосов. Потребляемую каждым из электронасосов мощность, рассчитаем по известной методике. Мощность соответственно равна 5,61 кВт и 1,65 кВт. Для определения времени паузы в работе электронасосов необходимо знать средний расход водопотребления, который рассчитывается исходя из суточной потребности в воде и равен 3 м3/час и  величину регулирующего объема бака. Время паузы для обоих насосов будет одинаковым и равным  2,37 часа. Время одного цикла соответственно для первого насоса составит 3,16 часа, а для второго – 9,47 часа. Таких циклов за сутки у первого насоса будет 7,6, а у второго – 2,5. Отсюда, первый насос за сутки проработает 6 часов, а второй – 17,8 часа.

Зная мощность каждого электронасоса и время его работы за сутки, можно рассчитать затрачиваемую на эту работу электроэнергию. Для первого насоса она составит 33,7 кВт час, а для второго 29,7 кВт час, что на 12% ниже, чем у первого.

Максимально допустимая частота включений насоса ограничена предельной величиной, равной трем включениям в час. Это связано с большими токовыми перегрузками при пуске, с возможностью повреждения шпоночного соединения вала электродвигателя с насосом, болтовых креплений электродвигателя к насосу, срезания вала насоса, разрушения резьбового соединения нагнетательного трубопровода вблизи насоса из-за механических перегрузок, возникающих при включении электронасоса. Поэтому при эксплуатации погружных электронасосов предпочитают избегать их частых включений. Однако, по мере уменьшения габаритов электронасосов, допустимая частота включений электронасосов повышается. Так электронасосы габарита 4" производства словацкой фирмы СИМА или итальянской Friulana Pompe имеют частоту до 20 включений в час.

Число включений насоса в час, т.е. частота включений, равна величине, обратной длительности цикла tц, состоящей из времени работы насоса tр и времени паузы tп.

Z = (qн - qn) qn /Vрегqn, вкл/ч (4)

Математическая зависимость частоты включений от расхода водопотребления (4) имеет максимум при qп  = 0,5qн. Тогда

Zmax = 0,25qн/Vрег, вкл/ч (5)

Зная предельную величину Zмах и производительность насоса можно определить минимальный регулирующий объем и по нему минимальную величину перепада между нижним и верхним уровнями, при котором запас воды в баке башни будет максимально возможным.

По формуле (5) для предельной величины Zмах = 20 и площади бака S = 7,065 м2

Таблица

Подача насоса

qн м3

1,0

1,5

2,5

3,0

3,6

5,0

6,0

Регулирующий 
объем Vpег.

м3

0,08

0,125

0,21

0,25

0,3

0,42

0,5

Высота h регули
рующего объема

м

0,011

0,018

0,03

0,035

0,042

0,059

0,07

Из таблицы видно, что приемлемым для всех рассчитанных вариантов будет регулирующий объем Vрег. = 0,5 м3, который обеспечивается датчиком с межконтактным расстоянием 0,07 м. Однако принимать предельную величину за исходную при выборе длины датчика было бы неосмотрительным.

Это объясняется тем, что существует ряд причин, требующих иметь некоторый запас по регулирующему объему, а равнозначно и по частоте включений электронасоса. К ним относятся следующие:

  • при расчете приняты номинальные значения подач электронасосов; на практике зачастую применяются насосы с запасом по высоте подъема, что приводит к подачам, превышающим номинальное значение;
  • на подачу электронасоса оказывают влияние штатные изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, а также изменение динамического уровня воды в скважине и других ее гидрогеологических характеристик;
  • для повышения надежности снабжения водой на случай кратковременных остановок насоса или задержек в срабатывании автоматики регулирующий объем в баке принимают на 30% больше расчетного.

Учитывая сказанное, запишем:

W 'рег. = W рег.· 1,3 = 0,65 м3,

отсюда минимальная величина перепада равна 0,092 м.

Следовательно, габариты датчика уровня могут быть снижены более, чем в десять раз, а значит и вес, и стоимость. Уменьшение величины регулирующего объема, в свою очередь, позволит снизить материалоемкость водонапорных башен, а в случае сохранения их объемов – повысить нерасходуемый запас воды.

Литература

1. Усаковский В.М. Водоснабжение в сельском хозяйстве. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1989 г.

Вадим Васюков, Александр Гришин