Научная статья на тему 'ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ДВУХКОЛОННЫХ СКВАЖИН'

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ДВУХКОЛОННЫХ СКВАЖИН Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
99
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОСНАБЖЕНИЕ / СКВАЖИНА / ПОТРЕБИТЕЛЬ / НАСОС / КОЛЬМАТАЦИЯ / ВОДОЗАБОР / ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ / ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Ивашечкин В.B., Медведева Ю.А.

Среднее количество скважин на типичном водозаборе 30-40 шт.; мощность погружного насоса обычно 32-40 кВт; из чего следует; что только на одном скважинном водозаборе потребляемая мощность электронасосного оборудования в часы наибольшего водопотребления может достигать 900-1600 кВт. В структуре эксплуатационных затрат скважинных водозаборов доля затрат на электроэнергию достигает 85 %. С учетом требований по снижению издержек и тарифов на воду предприятий жилищно-коммунального хозяйства и водоканалов энергосбережение является актуальной задачей. В статье рассмотрена оптимизация работы водозаборов подземных вод с неравномерной водоподачей за счет применения двухколонных водозаборных скважин вместо типовых одноколонных. Показано; что использование мощных насосов в одноколонных скважинах таких водозаборов приводит к резким снижениям динамического уровня воды в стволе скважины. Это; с одной стороны; провоцирует образование кольматирующих отложений в фильтрах за счет их аэрации; снижает удельный дебит скважины и сокращает интервалы между регенерациями; а с другой - увеличивает геометрический напор погружных насосов и энергозатраты на подъем воды. Рассмотрены теоретические основы определения подачи насосов; установленных в одно- и двухколонных водозаборных скважинах; подающих воду на напорный фильтр станции водоподготовки. Приведен пример сравнительного анализа работы одной рабочей скважины с одним мощным насосом в составе водозабора из двух одноколонных скважин (рабочей и резервной) для покрытия всего графика водоподачи и двух двухколонных рабочих скважин; содержащих по одному менее мощному насосу в каждой колонне. Исследована энергоэффективность указанных насосных систем. В результате расчетов установлено; что при комбинировании работы насосов двухколонных скважин в периоды пиковой; основной и частичной нагрузок годовая экономия электроэнергии составит 33 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Ивашечкин В.B., Медведева Ю.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTIMIZATION OF THE OPERATION OF GROUNDWATER INTAKES USING TWO-COLUMN WELLS

The average number of wells at a typical water intake is 30-40; while the power of the submersible pump is usually 32-40 kW; which means that only at one well water intake the power consumption of electric pumping equipment during the hours of greatest water consumption can reach 900-1600 kW. In the structure of operating costs of well water intakes; the share of electricity costs reaches 85 %. Taking into account the requirements for reducing costs and water tariffs of housing and communal services enterprises as well as of water utilities; energy saving is an urgent task. The article considers the optimization of the operation of groundwater intakes with uneven water supply due to the use of two-column water intake wells instead of typical single-column ones. It is shown that the use of powerful pumps in single-column wells of such water intakes causes a sharp decrease in the dynamic water level in the borehole. On the one hand; this provokes the formation of colmating deposits in the filters due to their aeration; reduces the specific flow rate of the well and shortens the intervals between regenerations. On the other hand; this increases the geometric pressure of submersible pumps and energy consumption for lifting water. The theoretical foundations of determining the supply of pumps installed in single- and two-column water intake wells supplying water to the pressure filter of the water treatment plant are considered. An example of a comparative analysis of the operation of one working well with one powerful pump as part of a water intake of two single-column wells (working and reserve) to cover the entire water supply schedule and two two-column working wells containing one less powerful pump in each column is given. The energy efficiency of these pumping systems is investigated. As a result of calculations; it was found that when combining the operation of pumps of two-column wells during periods of peak; main and partial loads; the annual energy savings will amount to 33 %.

Текст научной работы на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ДВУХКОЛОННЫХ СКВАЖИН»

Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. Т. 65, № 5 (2022), с. 451-462 Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. V. 65, No 5 (2022), pp. 451-462 451

https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462 УДК 628.112

Оптимизация работы водозаборов подземных вод с помощью двухколонных скважин

В. В. Ивашечкин1*, Ю. А. Медведева1*

^Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь)

© Белорусский национальный технический университет, 2022 Belarusian National Technical University, 2022

Реферат. Среднее количество скважин на типичном водозаборе 30-40 шт., мощность погружного насоса обычно 32-40 кВт, из чего следует, что только на одном скважинном водозаборе потребляемая мощность электронасосного оборудования в часы наибольшего водопотребления может достигать 900-1600 кВт. В структуре эксплуатационных затрат скважинных водозаборов доля затрат на электроэнергию достигает 85 %. С учетом требований по снижению издержек и тарифов на воду предприятий жилищно-коммунального хозяйства и водоканалов энергосбережение является актуальной задачей. В статье рассмотрена оптимизация работы водозаборов подземных вод с неравномерной водоподачей за счет применения двухколонных водозаборных скважин вместо типовых одноколонных. Показано, что использование мощных насосов в одноколонных скважинах таких водозаборов приводит к резким снижениям динамического уровня воды в стволе скважины. Это, с одной стороны, провоцирует образование кольматирующих отложений в фильтрах за счет их аэрации, снижает удельный дебит скважины и сокращает интервалы между регенерациями, а с другой - увеличивает геометрический напор погружных насосов и энергозатраты на подъем воды. Рассмотрены теоретические основы определения подачи насосов, установленных в одно- и двухколонных водозаборных скважинах, подающих воду на напорный фильтр станции водоподготовки. Приведен пример сравнительного анализа работы одной рабочей скважины с одним мощным насосом в составе водозабора из двух одноколонных скважин (рабочей и резервной) для покрытия всего графика водоподачи и двух двухколонных рабочих скважин, содержащих по одному менее мощному насосу в каждой колонне. Исследована энергоэффективность указанных насосных систем. В результате расчетов установлено, что при комбинировании работы насосов двухколонных скважин в периоды пиковой, основной и частичной нагрузок годовая экономия электроэнергии составит 33 %.

Ключевые слова: водоснабжение, скважина, потребитель, насос, кольматация, водозабор, электропотребление, энергоэффективность

Для цитирования: Ивашечкин, В. В. Оптимизация работы водозаборов подземных вод с помощью двухколонных скважин / В. В. Ивашечкин, Ю. А. Медведева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 5. С. 451-462. https://doi.org/ 10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462

Адрес для переписки Address for correspondence

Ивашечкин Владимир Васильевич Ivashechkin Vladimir V. Белорусский национальный технический университет Bekrusian National Technical University

просп. Независимости, 67/2, 67/2, Nezavisimosty Ave.,

220065, г. Минск, Республика Беларусь 220065, Minsk, Republic of Belarus

Тел.: +375 17 292-30-13 Tel.: +375 17 292-30-13

ivashechkin_vlad@mail.ru ivashechkin_vlad@mail.ru

Optimization of the Operation of Groundwater Intakes Using Two-Column Wells

V. V. Ivashechkin1), J. A. Medvedeva1)

'-Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus)

Abstract. The average number of wells at a typical water intake is 30-40, while the power of the submersible pump is usually 32-40 kW, which means that only at one well water intake the power consumption of electric pumping equipment during the hours of greatest water consumption can reach 900-1600 kW. In the structure of operating costs of well water intakes, the share of electricity costs reaches 85 %. Taking into account the requirements for reducing costs and water tariffs of housing and communal services enterprises as well as of water utilities, energy saving is an urgent task. The article considers the optimization of the operation of groundwater intakes with uneven water supply due to the use of two-column water intake wells instead of typical single-column ones. It is shown that the use of powerful pumps in single-column wells of such water intakes causes a sharp decrease in the dynamic water level in the borehole. On the one hand, this provokes the formation of colmating deposits in the filters due to their aeration, reduces the specific flow rate of the well and shortens the intervals between regenerations. On the other hand, this increases the geometric pressure of submersible pumps and energy consumption for lifting water. The theoretical foundations of determining the supply of pumps installed in single- and two-column water intake wells supplying water to the pressure filter of the water treatment plant are considered. An example of a comparative analysis of the operation of one working well with one powerful pump as part of a water intake of two single-column wells (working and reserve) to cover the entire water supply schedule and two two-column working wells containing one less powerful pump in each column is given. The energy efficiency of these pumping systems is investigated. As a result of calculations, it was found that when combining the operation of pumps of two-column wells during periods of peak, main and partial loads, the annual energy savings will amount to 33 %.

Keywords: water supply, well, consumer, pump, colmatation, water intake, power consumption, energy efficiency

For citation: Ivashechkin V. V., Medvedeva J. A. (2022) Optimization of the Operation of Groundwater Intakes Using Two-Column Wells. Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. 65 (5), 451-462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462 (in Russian)

Введение

В соответствии с Водной стратегией Республики Беларусь на период до 2030 г., утвержденной решением коллегии Минприроды от 11.08.2011 № 72-Р, подземные воды рассматриваются как единственный источник питьевого водоснабжения с геологической спецификой подземного залегания. Скважинные водозаборы подземных вод широко используются для водоснабжения сельских населенных пунктов, городских поселков, малых и крупных городов, мегаполисов. Численность потребителей в указанных населенных пунктах определяет число скважин водозабора, их производительность, схемы расположения и подключения к сборным водоводам. Только для водоснабжения г. Минска в УП «Минскводоканал» эксплуатируются 495 скважин, размещенных на 13 групповых водозаборах подзем-

ных вод. В структуре эксплуатационных затрат скважинных водозаборов доля расходов на электроэнергию достигает 85 %. С учетом требований по снижению издержек и тарифов на воду предприятий жилищно-коммунального хозяйства и водоканалов энергосбережение является актуальной задачей.

Эксплуатационные скважины на воду должны иметь конструкции, не только обеспечивающие начальную высокую производительность и высококачественное вскрытие продуктивных водоносных горизонтов с тщательной изоляцией их друг от друга, но и обладающие высокими эксплуатационными показателями: длительным сроком службы, низкими удельными энергозатратами на подъем воды, минимальным темпом снижения производительности, высокой ремонтопригодностью [1-6].

Кольматация фильтров снижает долговечность скважин и повышает удельные энергозатраты на подъем воды. Расчетный срок эксплуатации водозаборных скважин на заданную производительность составляет 15 лет, однако опыт показывает, что период их устойчивой работы значительно меньше. Кольматаж фильтров сопровождается ростом напора насоса из-за снижения динамического уровня и, как следствие, повышением удельных энергозатрат на подъем воды из скважины.

Полностью предотвратить химическую кольматацию при заборе подземных вод с неустойчивым химическим составом нельзя, поскольку ее причиной является нарушение естественного режима водоносного пласта. Однако интенсивность кольматационных процессов снижается, если не допускать неравномерной эксплуатации скважин с большими понижениями уровней, приводящими к аэрации подземных вод, их поступлению в зону фильтра, где при появлении растворенного кислорода наблюдается переход железа из закисного в окисное с образованием железистых осадков [7].

В скважине, в которой в течение непродолжительного времени возникают резкие снижения динамического уровня воды, появление кольмати-рующих отложений вероятнее, чем в скважине, функционирующей на протяжении длительного периода с равномерной нагрузкой [8]. Исходя из сказанного, неблагоприятным режимом следует считать график подачи воды со значительным колебанием расходов в течение суток. Для оптимизации работы таких водозаборов подземных вод предложено устанавливать в одной скважине (если допускает ее диаметр) вместо одного мощного насоса два менее мощных (один - для основной нагрузки, второй - для пиковой) и комбинировать работу насосов нескольких скважин таким образом, чтобы обеспечивать потребный расход водозабора с минимальным понижением динамического уровня воды. В [8] на примере водозабора из двух скважин показано, что если каждую из них эксплуатировать глубинным насосом с подачей 200 м /ч и зафиксировать затраты электроэнергии, а затем вместо одного мощного насоса установить по два с подачей по 50 м /ч, то каскадное включение параллельно работающих насосов обеих скважин позволит получить годовую экономию электрической энергии 33 %, сни-

зить интенсивность кольматационных процессов и продлить срок службы скважин. В БНТУ разработана конструкция двухколонной высокодебитной скважины [9, 10], позволяющей улучшить режимы работы группового водозабора и снизить удельные затраты на подъем воды.

Цель статьи - оптимизация работы водозаборов подземных вод с неравномерной водоподачей за счет применения двухколонных водозаборных скважин.

Основная часть

Когда невозможно обеспечить требуемый расход воды подачей одного насоса, появляется необходимость в параллельной работе нескольких одинаковых или разных насосов. Кроме того, поскольку водопотребление неравномерно по часам суток и по сезонам года, подача воды регулируется за счет количества одновременно работающих насосов.

Рассмотрим водозабор, состоящий из двух одноколонных скважин (рабочей и резервной) (рис. 1).

Определим подачу воды одним рабочим насосом на напорный фильтр станции водоподготовки аналитическим способом. Напор погружного насоса Нн в функции расхода Q обычно аппроксимируют полиномиальной зависимостью

Нн = -аО2 - bQ + с, (1)

где а - некоторый фиктивный напор насоса; Ь, с - коэффициенты кривой Нн = / (О) насоса, характеризующие его фиктивное гидравлическое сопротивление.

Если работает один из погружных насосов, его напор можно определить из уравнения

Нн = Нг + Нст + * + Нтр1 + Нтр2 + Нтр3 + К (2)

где Нг - высота от устья скважины до напорного фильтра станции водопод-готовки; Нст - статический напор в скважине; * - понижения уровня воды в

Q - *

стволах скважины при работе насосов; * = —; д - удельный дебит сква-

Ч

жины; Нтр1, Нтр2, Нтр3 - потери напора по длине соответственно в водоподъемной трубе длиной 11, линии подключения к сборному водоводу длиной 12 и в сборном водоводе длиной ¡3; Нф - то же на напорном фильтре станции водоподготовки; Нф = СфО2, Сф - коэффициент сопротивления напорного

фильтра станции водоподготовки. Потери напора в трубах:

Нр1 = 2; Нтр2 = Л ¡&2; Нтрз = ащ 2,

где Аь А2, А3 - соответственно удельные сопротивления водоподъемных труб первого и второго насосов, сборного водовода [11].

Рис. 1. Расчетная схема работы водозабора: 1 - основная скважина; 2 - резервная скважина; 3 - рабочий насос основной скважины; 4 - водоподъемная труба; 5 - линия подключения к сборному водоводу; 6 - сборный водовод; 7 - напорный фильтр станции водоподготовки; 8 - пьезометр; zy, zCT, zw - отметка соответственно устья скважины, статического и динамического уровня воды Fig. 1. The design scheme of the pumps in the main and reserve wells: 1 - the main well; 2 - the reserve well; 3 - the working pump of the main well; 4 - the water lifting pipe; 5 - the connection line to the collecting water pipe; 6 - the collecting water pipe; 7 - the pressure filter of the water treatment station; 8 - the piezometer; zy, zCT, z№ - wellhead elevation, static and dynamic water level

Приравняв характеристику (1) и выражение (2), получим уравнение для определения подачи насоса Q

- aQ2 + bQ + c = H r + Нет + Q + A/Q2 + 4 / Q2 + A3I3 Q2 ф Q2. (3)

q

Уравнение (3) можно применить для расчета двухколонных скважин. Водозабор, состоящий из двух двухколонных скважин, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема работы насосов в двухколонных скважинах: 1 - двухколонная скважина; 2 - насос двухколонной скважины; 3 - водоподъемная труба; 4 - линия подключения к сборному водоводу; 5 - сборный водовод; 6 - напорный фильтр станции водоподготовки; 7 - пьезометр

Fig. 2. Design scheme of pumps in working two-column wells: 1 - two-column wells; 2 - the pump of two-column wells; 3 - water lifting pipes; 4 - the connection line to the collecting water pipe; 5 - the collecting water pipe; 6 - the pressure filter of the water treatment plant; 7 - the piezometer

Проведем сравнительный анализ работы скважины, находящейся в составе водозабора из двух одноколонных скважин (рис. 1), и двух двухколонных скважин (рис. 2), подающих воду на напорный фильтр станции водоподготовки. Рассмотрим различные варианты функционирования насосов.

Исходные данные - годовой график водопотребления и водопода-чи (табл. 1).

Расчетная схема 1 (рис. 1): Нст = 10 м; Нг = 10 м; q = 2 м2/ч = 0,5555 л/с. Характеристики трубопроводов: водоподъемные трубы: /| = 50 м, внутренний

диаметр d{ = 125 мм (А1 = 0,00007636); линия подключения к сборному водоводу: /2 = 100 м, внутренний диаметр d2 = 125 мм (А2 = = 0,00007636); сборный водовод: /3 = 100 м, внутренний диаметр d3 = 150 мм (А3 = 0,00003065);

коэффициент сопротивления напорного фильтра станции водоподготов-ки = 0,0245 [11, 12]. Рабочий насос в скважине ЭЦВ 10-65-65 НРК.

Таблица 1

График водопотребления и водоподачи Water consumption and water supply schedule

Нагрузка Годовое количество часов эксплуатации насосов t, ч/год Подача насосов Q, м3/ч Объем водопотребления W, м3

Полная 396 62,40 24700

Частичная 818 39,10 32000

Основная 2976 20,16 60000

Итого ежегодное водопотребление 116700

Расчетная схема 2 (рис. 2): Нст = 10 м; Нг = 10 м; д = 2 м2/ч = 0,5555 л/с. Характеристики трубопроводов: водоподъемные трубы: ¡3 = 35 м, внутренний диаметр = 75 мм А = 0,0009294); линия подключения к сборному водоводу: 13 = 100 м, внутренний диаметр ё2 = 100 мм (А2 = 0,0001729); сборный водовод: 13 = 100 м, внутренний диаметр й3 = 150 мм (А3 = 0,00003065); коэффициент сопротивления напорного фильтра станции во-доподготовки ^ф = 0,0245 [11, 12]. Рабочий насос в каждом стволе двухколонной скважины (№ 1-4) ЭЦВ 6-16-50 КН.

Вариант 1. Работает один насос ЭЦВ 10-65-65 НРК в основной скважине (рис. 1). Уравнение (1) для определения напора насоса будет иметь вид

Н н = Н г + Н ст + Я- + А№2 + А ¡'О,2 + 4/3б2 фб2.

д

Рабочая характеристика насоса ЭЦВ 10-65-65 НРК, установленного в основной скважине:

Н н = -0,0809Я2 + 0,8486Я + 74,424.

Тогда уравнение (3) запишем

-0,0809Я2 + 0,8486Я + 74,424 = 10 + 10 + 0055 + 0,00007636 • 50Я2 + + 0,00007636 • 10002 + 0,00003065 • 100Я2 + 0,0245Я2.

Решая квадратное уравнение, найдем подачу насоса Я = 17,7 л/с = = 63,7 м3/ч. Следовательно, напор насоса Нн = - 0,0809 • 17,72 + 0,8486 • 17,7 + + 74,424 = 64,1 м.

Подберем двигатель ДАП 8-20 (КПД ^дв = 83%) к насосу ЭЦВ 10-65-65 НРК (КПД = 49 %). Гидравлическую энергию Ын, передаваемую насосом жидкости, рассчитаем по формуле [13]

Мн = рgQHн, (4)

где р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2,

Nн = 1000• 9,81 • 0,0177 • 64,1 = 11130 Вт.

Электрическую мощность Ы„, необходимую для поддержания работы системы, найдем по выражению

N = 11130 = 27366 Вт. (5)

п ПнПдв 0,49• 0,83 4 '

Количество часов эксплуатации насоса г в год

Ж 116700 ,„„„

г = —=-= 1832 ч, (6)

Q 63,7

где Ж - объем водопотребления, м3.

Потребляемая в течение года электроэнергия

ргод = Nпt = 27366 • 1832 = 50135 кВт • ч. (7)

Удельный расход электроэнергии Р 50135

Р = ^^ = 0,43 кВт • ч/м3. (8)

уд Ж 116700

Вариант 2. Работают четыре насоса ЭЦВ 6-16-50 КН (№№ 1-4) в двух двухколонных скважинах (рис. 2). Подачи всех насосов примем одинаковыми и равными Q1. Составим систему уравнений для двухколонных скважин для определения подачи насоса:

Н1 = Нг + Нст + О- + & + АЩ2 + Л212 (2Ц )2 + А3/3 (4Q1 )2 + Сф (4Q1 )2;

Н н = Нг + Н ст + & + & + АЩ2 + Л2/2 (2Q1 )2 + А3/3 (4Ц )2 + Сф (4Q1 )2.

Рабочая характеристика насосов ЭЦВ 6-16-50 КН, установленных в двухколонных скважинах:

Н н =-1,2217б12 +1,5074Q1 + 62,38. (9)

Для определения подачи любого из насосов составим уравнение

- 1,2217а2 +1,50740+ 62,38 = 10 +10 + 01 + 01 + 0,00007636 • 5002 + 1 1 0,5555 0,5555 1

+ 0,00007636 • 100 (20 )2 + 0,00003065 • 100(40! )2 + 0,0245 (40! )2.

Подача одного насоса 01 = 4,34 л/с = 15,6 м3/ч, четырех - 62,4 м3/ч. Напор насоса Нн = -1,2217 • 4,342 +1,5074 • 4,34 + 62,38 = 45,9 м.

Подберем двигатель ПЭДВ 4-144 (^дв = 78 %) к насосу ЭЦВ 6-16-50 КН (Лдв = 47,9 %). Далее расчеты по зависимостям (4)-(8) сведем в табл. 2.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 2

Результаты расчетов потребляемой электроэнергии для варианта 2 Results of calculations of consumed electricity for option 2

Гидравлическая энергия, передаваемая насосом жидкости, N, Вт Электрическая мощность, необходимая для поддержания работы системы, М„, Вт Объем водо-потребления W, м3 Количество часов эксплуатации насоса в год t, ч Электроэнергия, потребляемая в течение года, Ргод, кВтч Удельный расход электроэнергии Руд, кВтч/м3

7818 20924 24700 396 8286 0,335

Вариант 3. Работают два насоса ЭЦВ 6-16-50 КН (№№ 1, 3), по одному в каждой из двухколонных скважин (рис. 2). Составим систему уравнений для определения подачи 01:

нн = Нг + Яст + 0 + А/0? + А2/202 + А3/3 (20! )2 +Сф (201 )2;

0 (10) Нн = Нг + Яст + 0 + А1/1012 + А2/2012 + А3/3 (20! )2 +Сф (201 )2.

Уравняем характеристику (9) и систему (10): -1,2217012 +1,507401 + 62,38 = 10 +10 + 005 + 0,00007636 • 5002 +

+ 0,00007636 • 100012 + 0,00003065 • 100(201 )2 + 0,0245 (201 )2.

Подача одного насоса 01 = 5,43 л/с = 19,55 м3/ч, двух - 39,1 м3/ч. Напор насоса Нн = -1,2217• 5,432 +1,5074 • 5,43 + 62,38 = 34,5 м.

Подберем двигатель ПЭДВ 4-144 (^дв = 78 %) к насосу ЭЦВ 6-16-50 КН = 44 %). Расчеты по (4)-(8) сведем в табл. 3.

Вариант 4. Работает один насос ЭЦВ 6-16-50 КН (№ 1) в двухколонной скважине (рис. 2). Найдем напор насоса

Н н = Нг + НСт + 0+Л/1012 + Л210 + А3/302 +С ф02. (11)

Таблица 3

Результаты расчетов потребляемой электроэнергии для варианта 3 Results of calculations of consumed electricity for option 3

Гидравлическая энергия, передаваемая насосом жидкости, Л/н, Вт Электрическая мощность, необходимая для поддержания работы системы, Вт Объем водо-потребления W, м3 Количество часов эксплуатации насоса в год t, ч Электроэнергия, потребляемая в течение года, Ргод, кВтч Удельный расход электроэнергии Руд, кВтч/м3

3680 10972 32000 818 8979 0,281

Для определения подачи уравняем характеристику (9) и выражение (11): -1,221701 + 1,5074Qi + 62,38 = 10 +10 + о Q1^ + 0,00007636 • 50Q2 +

+ 0,00007636 •100Q12 + 0,00003065 • 100QX2 + 0,0245QX2.

Тогда подача насоса Q = 5,6 л/с = 20,16 м3/ч. Напор насоса Нн = -1,2217 • 5,62 +1,5074 • 5,6 + 62,38 = 32,51 м.

Подбираем двигатель ПЭДВ 4-144 (^ = 78 %) к насосу ЭЦВ 6-16-50 КН = 42 %). Расчеты по (4)-(8) сведем в табл. 4.

Таблица 4

Результаты расчетов потребляемой электроэнергии для варианта 4 Results of calculations of consumed electricity for option 4

Гидравлическая энергия, передаваемая насосом жидкости, Лн, Вт Электрическая мощность, необходимая для поддержания работы системы, Лп, Вт Объем водо-потребления W, м3 Количество часов эксплуатации насоса в год t, ч Электроэнергия, потребляемая в течение года, Ргод, кВт ч Удельный расход электроэнергии Руд, кВтч/м3

1786 5471 60000 2976 16224 0,27

Согласно проведенным расчетам, величина потребляемой в течение года электроэнергии при параллельной работе насосов в водозаборе, состоящем из двухколонных скважин, в периоды пиковой, основной и частичной

нагрузок (варианты 2-4) Р^ = 8286 + 8979 +16224 = 33489 кВт • ч.

В сравнении с величиной электроэнергии, потребляемой в течение года при работе одного насоса в водозаборе, состоящем из двух скважин (основной и резервной), в периоды пиковой, основной и частичной нагрузок (вариант 1), экономия составит:

АР = Р1тд - Рго-д4 = 50135 - 33489 = 16648 кВт • ч; АР 100% = ^100 = 33,2%.

1 Л. / VJ

Род 50135

ВЫВОДЫ

1. В одноколонной скважине, в которой в течение незначительного времени возникают резкие снижения динамического уровня воды, появление отложений в пазах труб фильтров и гравийной засыпки вероятнее, чем в скважине, которая длительный период имела равномерную нагрузку. Отложения в трубах фильтра снижают производительность скважины и сокращают интервалы между регенерациями.

2. При заборе воды из двухколонной скважины частоту возникновения резких снижений уровня можно значительно сократить, например установив в первой колонне насос для основной нагрузки, а во второй - насос, рассчитанный на пиковые нагрузки. При заборе воды из нескольких двухколонных скважин насосы следует комбинировать таким образом, чтобы обеспечивать потребный расход с минимальным падением уровня грунтовых вод, минимальными потерями на трение в системе трубопроводов и при минимальном давлении в фильтре. При каскадном включении параллельно работающих насосов можно увеличить период между текущим сервисным обслуживанием скважины и повысить качество очитки воды.

3. Проведен сравнительный анализ работы одной скважины, находящейся в составе водозабора из двух одноколонных скважин (рабочей и резервной), и двух двухколонных рабочих скважин, подающих воду на напорный фильтр станции водоподготовки. В результате расчетов установлено, что при комбинировании работы насосов в периоды пиковой, основной и частичной нагрузок годовая экономия электроэнергии составит 33 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Веременюк, В. В. Математические модели скважинных водозаборов с разветвленной и кольцевой схемами соединения сборных водоводов / В. В. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 563-580. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-563-580.

2. Методика анализа фактического технического состояния скважинного насосного оборудования / В. В. Ивашечкин [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 3. С. 275-286. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-275-286.

3. Тугай, А. М. Водоснабжение из подземных источников / А. М. Тугай, И. Т. Прокопчук. Киев: Урожай, 1990. 264 с.

4. Плотников, Н. А. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод / Н. А. Плотников, В. С. Алексеев. М.: Стройиздат, 1990. 256 с.

5. Тугай, А. М. Продуктивность водозаборных скважин в условиях кольматажа: монография / А. М. Тугай, О. Я. Олейник, Я. А. Тугай; ХНАНХ. Харьков, 2004. 240 с.

6. Алексеев, В. С. Восстановление дебита водозаборных скважин / В. С. Алексеев, В. Т. Гребенников. М.: Агропромиздат, 1987. 239 с.

7. Милихикер, А. Г. Осадкообразование в скважинах водопонижения / А. Г. Милихикер. М.: Энергия, 1971. 104 с.

8. Скважинные насосы. Техническое пособие [Электронный ресурс] / ОгиМ1^. Режим доступа: https://www.pump-selection.ru/files/FilesGrundfos/books/6SP_1205.pdf. Дата доступа: 04.07.2022.

9. Основы расчета и проектирования двухколонных двухфильтровых водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин [и др.] // Наука и техника. 2021. Т. 20, № 5. С. 410-419. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-410-419.

10. Водозаборная скважина: пат. Респ. Беларусь 23608 / В. В. Ивашечкин, Ю. А. Медведева. Опубл. 30.12.2021.

11. Шевелев, Ф. А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб / Ф. А. Шевелев, А. Ф. Шевелев. 11-е изд., доп. М.: Бастет, 2016. 428 с.

12. Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия: ГОСТ 3262-75. Введ. 01.01.1977. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1997. 12 с.

13. Энергетическая эффективность. Оценка энергоэффективности насосных систем: ГОСТ 33969-2016. Введ. 01.03.2019. Москва: Стандартинформ, 2017. 45 с.

Поступила 22.03.2022 Подписана в печать 30.05.2022 Опубликована онлайн 30.09.2022

REFERENCES

1. Veremenyuk V. V., Ivashechkin V. V., Krytskaya V. I. (2020) The Borehole Water Intakes Mathematical Models with a Branched and Circular Connection Schemes for Prefabricated Water Conduits. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (6), 563-580. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-563-580 (in Russian).

2. Ivashechkin V. V., Krytskaya V. I., Anufriev V. N., Avrutin O. A. (2021) Methodology for Analyzing the Actual Technical Condition of Downhole Pumping Equipment. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (3), 275-286. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-275-286 (in Russian).

3. Tugai A. M., Prokopchuk I. T. (1990). Water Supply from Underground Sources. Kyiv, Urozhai Publ. 264 (in Russian).

4. Plotnikov N. A., Alekseev V. S. (1990) Design and Operation of Groundwater Intakes. Moscow, Stroiizdat Publ. 256 (in Russian).

5. Tugai A. M., Oleinik O. Ya., Tugai Ya. A. (2004) Productivity of Water Intake Wells in Conditions of Colmatage. Kharkiv, 240 (in Russian).

6. Alekseev V. S., Grebennikov V. T. (1987) Restoring the Flow Rate of Water Intake Wells. Moscow, Agropromizdat Publ. 239 (in Russian).

7. Milikhiker A. G. (1971) Sedimentation in Water Reduction Wells. Moscow, Energiya Publ. 104 (in Russian).

8. Grundfos. Borehole Pumps. Technical Manual. Available at: https://www.pump-selection. ru/files/FilesGrundfos/books/6SP_1205.pdf (Accessed 4 July 2022) (in Russian).

9. Ivashechkin V. V., Medvedeva J. A., Kondratovich A. N., Satsuta E. S. (2021) Basics of Calculation and Design of Two-Column Two-Filter Water Intake Wells. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 20 (5), 410-419. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-410-419 (in Russian).

10. Ivashechkin V. V., Medvedeva J. A. (2021) Water Intake Well. Patent of Republic of Belarus No 23608 (in Russian).

11. Shevelev F. A., Shevelev A. F. (2016) Tables for Hydraulic Calculation of Water Pipes. 11th ed. Moscow, Bastet Publ. 428 (in Russian).

12. State Standard 3262-75. Steel Water and Gas Pipes. Technical specifications. Moscow, IPK Publishing House of Standards, 1997. 12 (in Russian).

13. State standard 33969-2016. Energy Efficiency. Evaluation of the Energy Efficiency of Pumping Systems. Moscow, Standartinform Publ., 2017. 45 (in Russian).

Received: 22 March 2022

Accepted: 30 May 2022

Published online: 30 September 2022

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.