CC BY
23
УДК 511.49.003.1
© И.М. Припоров, В.В. Алексеев, 2015
И.М. Припоров, В.В. Алексеев
ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН, ОБОРУДОВАННЫХ ПОГРУЖНЫМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ, ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК
Предложены способы оптимизации работы системы: скважина - погружной насос - внешняя сеть - преобразователь частоты. Предложена методика определения оптимального количества скважин с использованием математического моделирования системы: водоносный горизонт - сеть скважин. Исследована совместная работа системы: погружной насос - преобразователь частоты. Предложена методика выбора и согласования работы погружного насоса. Изучена и математически смоделирована внешняя сеть системы насосов.
Ключевые слова: грунтовые воды, насос, понижение уровня, преобразователь частоты.
При поисках, разведке и доразведке месторождений полезных ископаемых важное место занимают геологоразведочные выработки. Геологоразведочные выработки обеспечивают высокое качество и достоверность получаемых геологических данных, особенно в условиях разведки месторождений цветных, редких и благородных металлов.
Странами СНГ ранее при разведке месторождений полезных ископаемых, главным образом, на стадии детальной разведки, ежегодно проводилось около 300 тыс. м. горизонтальных разведочных выработок (по В.Г. Лукьянову). В настоящее время геологоразведочных выработок проводится значительно меньше, за счет того, что большинство детально разведанных месторождений остались со времен СССР. Но запасы этих месторождений не вечны, а при детальной разведке новых месторождений со сложной формой рудных тел, требующих оценки количества и качества заключенного полезного ископаемого, без разведочных выработок не обойтись.
При проходке геологоразведочных выработок самой распространенной проблемой является подтопление выработок грунтовыми водами. Геологоразведочная выработка может пересекать от одного до нескольких водоносных горизонтов в зависимости от сложности гидрогеологических условий. Если водопритоки в выработку не значительны то работы производятся без предварительного водопонижения. Если же, наоборот, выработки проводят по неустойчивым породам, не допускающим обнажения (пески, плывуны и др.) или в условиях сильного водопритока, то применяют специальные способы проведения (предварительное искусственное водопонижение, замораживание, тампонаж и т.д.). В практике геологоразведочных работ специальные способы могут применяться лишь в исключительных случаях (при разведке редких и драгоценных полезных ископаемых). Это обусловлено, в первую очередь, технической сложностью таких работ и их высокой стоимостью. Для проведения геологоразведочных выработок в сложных гидрогеологических условиях были
разработаны разнообразные методы осушения или водопонижения на участке проведения подземных работ.
В зависимости от глубины залегания водоносного горизонта его мощности и величины необходимого понижения предлагаются следующие водоприемных сооружений:
• буровые скважины оборудованные центробежными насосами;
• скважины оборудованные другими типами насосов (эрлифты, струйные и т.д.)
• вертикальные дренажные скважины;
• иглофильтровые установки (легкие иглофильтровые установи, эжектор-ные иглофильтры и вакуумные установки);
• комбинированные методы.
Наибольшее распространение получили скважины оборудованные центробежными насосами по причине высокого КПД и возможности применения в самых разнообразных геологических условиях.
При осуществлении водопонижения центробежный насос работает не как самостоятельная машина, а как звено системы состоящей из водоносного горизонта, системы скважин, непосредственно центробежного погружного насоса и внешней сети.
Все звенья этой системы тесно взаимосвязаны и изменение характеристики хотя бы одного из них приведет к нарушению работы всей системы в целом. Возникает необходимость теоретических исследований в области оптимизации работы всех звеньев вышеуказанной системы.
В настоящее время за счет технологического прогресса получают все большее распространение регуляторы частоты переменного тока (габариты и цена которых за последние несколько лет сильно уменьшились). А значит появилась реальная возможность применить такие регуляторы при производстве работ по водопонижению. В связи с чем появилась необходимость разработки методики автоматизированной оптимизации водопонижения с применением плав-норегулируемого привода насосов.
В результате изучения вопроса оптимизации работы центробежных насосов при организации водопонижения на геологоразведочных выработках были выделены три основных пути оптимизации.
1. Повышение энергетической эффективности работы группы насосов.
2. Повышение надежности и эффективности работы водозаборного сооружения в целом.
3. Минимизация капитальных затрат при проектировании и сооружении систем водопонижения.
Так как в данном исследовании предусмотрено применение плавнорегули-роемого привода центробежных насосов, энергетическая эффективность которого доказана в множестве работ и публикаций, рассматривать первый путь не имеет смысла. В то же время практика эксплуатации насосов с асинхронным электродвигателем показывает, что увеличение срока службы и повышение надежности работы машин дает относительно больший экономический эффект, чем улучшение других технико-экономических показателей: КПД, коэффициента мощности, коэффициента использования и т. д. Так, например, для насоса мощностью 15 кВт повышение КПД на 5% при его круглосуточной работе приводит к экономии средств на электроэнергию около 4000 руб. в год. Выход такого электродвигателя из строя повлечет за собой расходы только на его
замену около 40 000 руб., а затраты от нарушения технологического процесса могут многократно превышать его стоимость. Это предопределяет необходимость повышения качества и эксплуатационной надежности электрических машин как основного способа снижения материальных затрат на производстве.
Повышение надежности работы системы скважина - погружной насос -внешняя сеть является неотъемлемой частью процесса оптимизации. Проведем анализ основных факторов влияющих на надежность системы, для этого рассмотрим каждое звено в отдельности.
1. Водоносный горизонт.
Важнейшим фактором описывающим «надежность» водоносного горизонта в случае водопонижения является предсказуемость расположения динамического уровня. Для увеличения вероятности наиболее точного определения положения динамического уровня (депрессионной воронки) необходимо нагрузку на пласт запроектировать минимальной и наиболее равномерной. Эта задача решается применением минимально необходимого количества водозаборного оборудования, а так же постоянством и равномерностью его работы (минимум включений и выключений насосов).
2. Скважина.
Скважина это сложное инженерно-геологическое сооружение способное быстро выйти из строя при неправильной или не рациональной эксплуатации. Наиболее подвержена изменению своих рабочих характеристик фильтровая зона. Для увеличения надежности скважины как и для водоносного горизонта рекомендуется оптимизировать количество забираемой жидкости (не опускать полного осушения) и обеспечить равномерность динамической нагрузки (неравномерная нагрузка приводит к разрушению и кольматации фильтра, и при-фильтровой зоны, что в свою очередь приводит к уменьшению водоотдачи скважины, а соответственно и к нарушению работы системы водопонижения). Для этого необходимо минимизировать количество включений и выключений насосного оборудования, а так же сделать пуск водоподъемного оборудования наиболее плавным.
3. Механическая часть насоса.
Механическая часть погружного центробежного насоса включает в себя корпус, центробежные колеса, подшипники и прочие детали. Насосы с погружным электродвигателем осуществляют подачу воды из скважины с температурой не выше 25 °С, минерализация допускается до 1500 мг/л, с твердыми примесями не более 0,01%. При частом включении и выключении двигателя повышается содержание абразивных частиц в воде до 0,1-0,3% что приводит к разрушению рабочих колес а так же нарушает эксплуатационные характеристики насоса. Включение насоса, не оборудованного устройствами плавного пуска, приводит к образованию эффекта гидроудара, что в свою очередь приводит к разрушению рабочих колес, корпуса, клапанных механизмов и подшипников. Для решения этой проблемы необходимо минимизировать количество остановок насоса, а так же принять меры для осуществления плавного регулирования подачи и пуска.
4. Электропривод насоса.
Электропривод погружного насоса чаще всего представляет собой асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором. Среди отказов электродвигателя наибольшую долю имеет выход из строя обмотки статора (58,6%) и подшипников (37,1%). Разрушение шпоночного соединения
валов насоса и электродвигателя из-за механических перегрузок составляет 2,8%) (по В.М. Гетманенко). Все эти поломки происходят в двигателе в момент максимальных механических и электрических нагрузок то есть в момент пуска двигателя. Для решения этой проблемы необходимо минимизировать количество остановок насоса, а так же принять меры для осуществления плавного пуска. Анализ эксплуатация двигателей погружных насосов показал, что с увеличением частоты включения их срок службы сокращается пропорционально количеству включений.
5. Внешняя электрическая сеть.
Внешняя электрическая сеть состоит из системы соединительных кабелей, пусковой аппаратуры, защитной аппаратуры, системы датчиков, системы автоматизации и дополнительных электрических систем. Максимальная нагрузка на внешнюю электрическую сеть как и в предыдущих вариантах приходится на момент пуска двигателя. Для решения этой проблемы необходимо минимизировать количество остановок насоса, а так же принять меры для осуществления плавного пуска.
6. Внешняя гидравлическая сеть.
Внешняя сеть насоса состоит из системы трубопроводов, клапанов, соединений и трубопроводной арматуры. Неустановившиеся процессы в трубопроводных системах, вызванные изменениями гидравлического режима перекачки (остановка и пуск насосов, регулирование напора и подачи) сопровождаются распространением от источника возмущений волн повышенного и пониженного давления значительной интенсивности (гидроудар). Гидроудар может привести к разрушению клапанов и нарушению работы насоса. Для решения этой проблемы необходимо минимизировать количество остановок насоса, а так же принять меры для осуществления плавного регулирования подачи и пуска.
При заданных габаритных размерах 1 и L расстояние между соседними скважинами прямолинейных рядов выражается зависимостью
то конечной целью является определение п (число рядов водозаборных скважин).
Для неограниченного безнапорного водоносного горизонта при стационарном режиме фильтрации и для группы любым образом расположенных взаимодействующих скважин понижение в любой точке, не удаленной от участка расположения скважин равно:
где Q. - расход 2-ой скважины; К. - гидравлическое сопротивление вызываемое откачкой из 2-ой скважины.
у = Ь/(п -1),
(1)
5 = 1
1=1
п
(2)
где г. - расстояние от 2-ой скважины до рассматриваемой точки.
S = £-QL_ - 21П^
s =
,=1 4nKm r (4)
Принимая, что расход у всех скважин одинаковый, получаем уравнение
2Q, ^ ln i, 5ла.
4nKm r. ' (5)
Задаем изначально понижение в точке 1, равное 5, тогда расход в скважинах в зависимости от числа рядов скважин:
Б2пКт ■ 1/24
Q( n) =
£ 2ln1^a + 2ln
1, b4ät
1
—I2 + f- 2
(n -1)2 J { 2.
(6)
где
r2( n) =
rJn) =
f 1 L Г , f 112
1 (n - 1)2 J ' v 2 J
f 3 L T , f 112
1 (n - 1)2J ' v 2 J
f 5 L l2 , f 112
1 (n - 1)2J ' V 2 J
(7)
(8)
Г4 (п) = _, , , , , „ ,
(9) и т.д.
Эта характеристика показывает все возможные варианты подачи насосов в зависимости от числа скважин, при которых понижение в точке 1 будет точно равно заданному значению 5.
Но у зависимости (6) член содержащий постоянно меняется в зависимости от количества рядов скважин, что существенно усложняет проведение математического анализа, а соответственно и работ по оптимизации.
Анализ показывает что изменение этого члена в зависимости от количества рядов скважин принимает линейную зависимость. Это значит, что переменный член можно заменить линейной функцией абсолютно точно описывающей все последующие значения переменного члена для заданных характеристик водоносного горизонта и габаритов участка водопонижения.
Подставляем полученную линейную зависимость в зависимость (6), тогда выражение принимает следующий вид:
, 0,0833■б ■ п-К ■т
<д( п) = -
(ß-n + а) + 2ln
l,5yfat
L
(n -1) - 2
(10)
;=2
Рис. 1. Зависимость расхода каждой скважины от числа рядов скважин
где а и в - расчетные коэффициенты зависящие от параметров водоносного горизонта и размеров области осушения.
Выражение (10) гораздо удобнее при моделировании систем водопонижения. Таким образом график зависимости (10) показывает какой должен быть расход каждой скважины в зависимости от количества рядов скважин для заданных параметров водоносного горизонта и параметров участка водопонижения (рис. 1).
Аналогичные расчеты можно сделать для любого способа расположения скважин.
По причине того, что насос в скважине находится на заранее известной глубине, помимо минимального понижения, (обеспечивающее проходку туннеля) существует максимальное понижение, определяющее нормальную работу насоса. Максимальное понижение будет соответствовать минимальному количеству скважин а значит минимальным капитальным затратам.
В данном варианте максимальное понижение вычисляется по следующей зависимости:
(11)
Рис. 2. Зависимость дебита каждой скважины от числа рядов скважин: Q(n) - минимальное понижение для крайних рядов, Q|(n) - максимальное понижение для центрального ряда
в! = Ну - Ьн - Ипол-АЬ - Ь,
где Ну - глубина установки насоса, м, Ьн - длина насоса, м (для насосов с напором до 50 м Ьн « 1,5м), Ьпоа - минимальная величина подпора (для устойчивой работы насоса и борьбы с кавитацией)(Ьпод « 2 м ), АЬ - величина разрыва уровней воды в скважине и прискважинной зоне (АЬ « 1 м), Ь - глубина статического уровня, м. Полученному значению понижения соответствует минимальное число скважин. Максимальное понижение будет в скважинах центрального ряда. Для определения значения понижения в скважине центрального ряда можно предложить следующую зависимость:
5 =
О ■ 12
пКт
( ( 1п
V V
1,5^ ^ , (1,5>а
+ 1п
V
1
2 п-2
+ 5>
1=1
!,5л/гИ
\\
/у
Выразим аналогично предыдущему варианту зависимость расхода скважины от количества рядов скважин учитывая что понижение в скважине центрального ряда равняется числу рассчитанному по формуле (11).
п) =
0,0833■ & ■пК■ т
1п
1,5^) . (1,5^ + 1п
Л
I
+ (Р1 ■ п + 0,1)
(13)
В результате производим построение второго графика по зависимости (13) (рис. 2) точка пересечения которого с графиком (рис. 1) дает оптимальное количество скважин и оптимальный расход каждой скважины.
Точка пересечения двух кривых на рис. 2, соответствует минимальному количеству рядов скважин и соответствующему расходу. Причем динамический уровень в скважине центрального ряда не позволит осушаться насосу, а динамический уровень в крайнем ряду не позволит подтопить выработку.
А это в свою очередь значит что можно составить формулу по которой можно рассчитать оптимальное количество скважин, для этого необходимо приравнять выражения (10) и (13) с учетом выражения (11).
0,0833 ■б■ тс-К ■т
0,0833 ■ &
■ п
■К ■т
(в ■ п + а) + 21п
1,5лОИ
(п -1) ■ 2
+ 1 I
1п
1,5-ЛИ) , (1,5у[гИ + 1п
+ (Р1 ■ п + а^
Чтобы избежать громоздких расчетов при решении уравнения относительно количества скважин в символьном виде, построим это уравнение графически (рис. 3).
* (п) = ■
0,0833 ■б ■ п ■ К ■т
п + а) + 21п
1,5у[гИ
L
(п -1) ■ 2 0,0833 ■& ■ п ■ К ■т
1п
1,5у/И) , (1,5<ЛИ + 1п
Л
I
+ (Р1 ■ п + а^
(14)
Точка, в которой функция (14) принимает нулевое значение, соответствует оптимальному количеству скважин с точки зрения бесперебойности работы погружных насосов (минимальному количеству включений выключений насосов). Соответственно подставляя полученное значение количества рядов скважин в уравнение (10) получим необходимую подачу насоса для поддержания заданного уровня грунтовых вод.
Рис. 3. График функции J(n). Графическое решение уравнения
Далее используя аналитические характеристики погружных насосов и характеристики внешней сети, можно сформулировать зависимость и рассчитать необходимые механические, гидравлические, и электрические параметры работы системы погружных насосов с измененной частотой вращения.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Припоров Иван Михайлович - старший преподаватель,
Алексеев Виталий Васильевич - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН,
Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, e-mail: [email protected].
UDC 511.49.003.1
OPTIMISATION OF WORK OF SYSTEM OF CHINKS FOR FALL OF LEVEL OF THE GROUND WATERS EQUIPPED WITH IMPELLER PUMPS, AT CARRYING OUT OF PROSPECTING DEVELOPMENTS
Priporov I.M., Senior Lecturer,
Alekseev V.V., Honored Scientist of Russian Federation, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of Russian Academy of Natural Sciences,
Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze, e-mail: [email protected].
In article ways of optimisation of work of system are offered: a chink - a submersible pump - an external network - a frequency transformer. The technique of definition of optimum quantity of chinks with use of mathematical modelling of system is offered: water bearing horizon - a network of chinks. System teamwork is investigated: a submersible pump - a frequency transformer. The technique of a choice and the coordination of work of a submersible pump is offered. The external network of system of pumps is studied and is mathematically simulated.
Key words: ground waters, the pump, level fall, frequency transformer.
