Решение проблемы обводнения пастбищ в Казахстане из подземных водоисточников в условиях повышенной минерализации воды и содержанием твёрдых частиц с использованием насосных установок с приводом от энергии сжатого воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решение проблемы обводнения пастбищ в Казахстане из подземных водоисточников в условиях повышенной минерализации воды и содержанием твёрдых частиц с использованием насосных установок с приводом от энергии сжатого воздуха

Фамилия автора: Сайын А.С., Саркынов Е., Яковлев А.А.

Рассмотрены и приведены решения проблемы обводнения пастбищ в Казахстане из подземных водоисточников в условиях повышенной минерализации воды и содержанием твёрдых частиц с использованием альтернативных насосных установок с приводом от энергии сжатого воздуха.

Введение

В Казахстане в условиях рыночных отношений развитие сельских территорий, в том числе обводнения пастбищ, во многом зависит от должного функционирования водохозяйственных систем по обеспечению питьевой водой гарантированного качества крестьянских и фермерских хозяйств и других потребителей АПК.

Республика Казахстан имеет хорошие условия для производства животноводческой продукции с использованием естественных пастбищ, площадь которых составляет 183 миллиона гектаров, из них в системе Министерства сельского хозяйства - 154,4 миллиона гектаров.

Основными производителями животноводческой продукции в Республике Казахстан являются сельскохозяйственные формирования, фермерские и крестьянские хозяйства, которых в настоящее время насчитывается более 170 тыс.

На долю сельских потребителей приходится 26% от общей потребности в воде по республике, причем 54,2% сельских потребителей имеют свое автономное водообеспечение за счет организации служб по механизации водоснабжения, преимущественно из подземных водоисточников (75%) [1,2,3].

При ведении пастбищного животноводства наиболее доступными видами водообеспечения, не требующих больших затрат, являются наземные водоисточники, однако не всегда они экологически чисты и требуют для улучшения качества воды очистительных сооружений, кроме того их недостаточно, чтобы удовлетворить всех потребителей.

В настоящее время, в силу экономических условий, поголовье скота фермерских и крестьянских хозяйств сосредоточено вокруг населенных пунктов и открытых водоисточников, что значительно увеличивает нагрузку на ограниченную территорию пастбищ (около 30 миллионов гектаров), 50 % которой в различной степени деградировано. Проблема водообеспечения фермерских (крестьянских) хозяйств должна решаться в сочетании рационального использования водных ресурсов, сохранения кормовых угодий и не оказывать вредного влияния на экологию окружающей среды.

Наиболее перспективными и экологически чистыми являются водоисточники подземные - шахтные и трубчатые колодцы, которых на пастбищах Казахстана имеется соответственно около 31 и 28 тыс.шт., из них трубчатые колодцы ( скважины) являются наиболее перспективными, так как они имеют выше дебит и больший срок эксплуатации.

Основным водоподъемным оборудованием для водоснабжения из подземных водоисточников в Республике Казахстан являются напорные насосы, преимущественно погружные электронасосы типа ЭЦВ, в том числе на пастбищах (22%), воздушные насосные установки эрлифтные и пневмокамерные (32%), а также безнапорные водоподъёмники: ленточные ВМЛ-100 и шнуровые ВШП-50 (42 %) и ветроводоподъемники с поршневым насосом (4 %) [2,3].

Однако, не все насосные установки и водоподъёмники могут эффективно использоваться в исследуемой зоне, т.е. в условиях с повышенной минерализацией воды в подземных водоисточниках (скважинах и шахтных колодцах) - свыше 2 до 15 г/дм3 и содержанием в ней твердых частиц (песка) - свыше 0,02 до 1 % по массе, которых имеется в Казахстане в условиях пастбищ соответственно не менее 40% и 24%. Так, например, погружные электронасосы типа ЭЦВ могут успешно эксплуатироваться в условиях подъема воды с минерализацией до 2 г/дм3 и содержанием твердых частиц (песка) до 0,02% по массе, ленточные и шнуровые водоподъёмники - с минерализацией до 10 г/дм3 и содержанием твердых частиц (песка) до 0,5% по массе, ветроводоподъемники с поршневым насосом - с минерализацией до 5 г/дм3 и содержанием твердых частиц (песка) до 0,1% по массе и лишь воздушные насосные установки эрлифтные и пневмокамерные могут эффективно эксплуатироваться в условиях подъема воды с предельно допустимой минерализацией воды до 15 г/дм3 и содержанием в ней твердых частиц (песка) до 1 % по массе.

Таким образом, решение проблемы обводнения пастбищ в Казахстане из подземных водоисточников в условиях повышенной минерализации воды и содержанием твёрдых частиц рационально осуществить с использованием воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных с приводом от энергии сжатого воздуха.

На этом основании повышение эффективности обводнения пастбищ крестьянских и фермерских хозяйств в Республики Казахстан с использованием перспективных насосных установок и водоподъёмников является актуальной проблемой.

В настоящее время научно-исследовательская работа по данному направлению выполняется в КазНАУ по прикладным исследованиям с АО «Национальное агентство по технологическому развитию» Министерства индустрии и новых технологий РК по бюджетной программе 026 «Представление инновационных грантов в рамках направления Производительность - 2020» по проекту «Разработка нового типа пневмовакуумной (эрлифтной) насосной установки для подъема воды из подземных водоисточников с использованием ресурсосберегающей технологии и повышающей качество поднимаемой воды», что подтверждает её перспективность и актуальность.

Данное направление работы защищено авторским коллективом проекта двумя предпатентами KZ: № 20252 «Пневмовакуумный водоподъемник», № 10811 «Воздушный водоподъемник (эрлифт) и четырмя авторскими свидетельствами СССР на изобретения: № 443205 «Однокамерный насос замещения», №709840 «Вертикальный насос замещения», №1086235 «Способ подъёма воды», №1142662 «Двухпоточный воздухораспределитель».

В процессе выполнения работы проводились научные исследования по обоснованию и разработке воздушных насосных установок двух типов: пневмокамерных для подъёма воды из шахтных колодцев и скважин с использованием энергосберегающего водовоздушного способа водоподъёма, дистанционного управления воздухораспределением и возврата отработанного сжатого воздуха на всасывание компрессора и эрлифтных для подъёма воды из скважин с улучшенной пусковой характеристикой, снижающей пусковое давление сжатого воздуха на 20-40%, и использования эффекта вакуума для уменьшения глубины погружения насосной части под динамический уровень воды в скважине в 1,5-1,7 раза [2,3,4,5].

Результаты проведенных обзора работ и патентных исследований по данному направлению подтвердили необходимость разработки для условий водоподъёма с повышенной минерализации воды и содержанием в ней твёрдых частиц конструкций воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных с приводом от энергии сжатого воздуха.

Вопросами теории, расчета основных параметров и экспериментальными исследованиями воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных занимались за рубежом - Г.Лоренс, Е.Гаррис, Е.Ивенс, Н.Свинди, Ф.Пиккерт (США,1917-1920), в бывшем СССР: Ф.В.Конради (1930-1935), К.А.Сеник (1949), И.В.Савотин, И.Ф.Агапов, И.В.Селезнёв, И.Л.Логов (1957-1965), А.П.Крылов, В.Г.Богдасаров, Я.С.Суреньянс (1960- 1967), Р.М.Каплан, В.Е.Андрианов (1963-1965), Я.И.Шефтер и В.Д.Алябьев (1964-1981), В.В.Серебренников, В.В.Быков и В.Д.Тиховидов (1970-1973), А.А.Яковлев (1970-2013), Е.С.Саркынов (2003-2013) и другие.

Исследования в основном были направлены на разработанные авторами собственных конструкций насосных установок, в результате отсутствует общая теория и соответственно методические основы расчёта необходимых типоразмеров воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных, что сдерживает разработку их перспективных конструкций, в том числе для условий водоподъёма с повышенной минерализации воды и содержанием в ней твёрдых частиц.

Обоснование исходных параметров и разработка рациональных схем воздушных насосных установок

В результате выполненных исследований, с учётом природно-хозяйственных условий и исходных требований, для условий Казахстана обоснованы следующие основные оптимальные исходные параметры воздушных насосных установок: подача - (0,18...10) дм3/с, в том числе на пастбищах: для скважин - (0,18...2) дм3/с, шахтных колодцев - (0,18...I) дм3/с; высота водоподъема: для скважин - (30...135) м, шахтных колодцев - (10...30) м; диаметральный габарит насосной части: для скважин - (95...190) мм, в том числе на пастбищах - (95...145) мм и для шахтных колодцев - не более 0,6 м [3 ] .

С учетом принятых критериев оценки - наибольшего к.п.д. и надежности насосной части в технологическом и конструктивном исполнении, разработано шесть новых схем воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных, обладающих технической, научной новизной и полезностью: две схемы однокамерного (а.с.443205) и двухкамерного (а.с.709840) исполнения с поплавковым и воздушно-колпаковым управлением для подъёма воды из скважин, схема с водовоздушным способом водоподъема (а.с.1086235) рисунок 1 для подъёма воды из скважин, схема пневмокамерной насосной установки с дистанционным управлением и возвратом отработанного воздуха во всасывающую магистраль компрессора (а.с.1142662) рисунок 2 для подъёма воды из шахтных колодцев и скважин и две схемы эрлифтных насосных установок для подъёма воды из скважин, одна из которых с улучшенной пусковой характеристикой (предпатент КZ 10811), другая - с использованием эффекта вакуума (предпатент КZ 20252) рисунок 3 [3,5].

Разработанные схемы воздушных насосных установок были исследованы теоретически и экспериментально, определены их достоинства и недостатки при сравнительном анализе, которые показали, что каждая из них может найти эффективное применение при определённых условиях, это будет учтено при обосновании и разработке единой методики расчёта необходимых типоразмеров воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных для пастбищного водоснабжения Казахстана [ 3,4,5].

Нами для последующих исследований приняты три принципиальные наиболее перспективные схемы воздушных насосных установок, приведённые на рисунках 1, 2 и 3, две первые из которых пневмокамерного типа, третья - эрлифтного, защищённые авторским коллективом вышеуказанными изобретениями и предпатентами. Принятые схемы пневмокамерного типа насосных установок существенно отличаются от других аналогов, как технической новизной - использованием воздушно-колпакового и дистанционного управления воздухо-распределением, так и технологической новизной - водовоздушного способа водоподъема и возвратом отработанного водуха в компрессор, в результате существенно снижается потребное рабочее давление сжатого воздуха в 1,5-2 раза, повышается подача на 20-30% и повышается надёжность выполнения технологического процесса и конструкции насосной части, опускаемой в водоисточник.

водоподъемный подземный насосный установка

Принятая схема эрлифтного типа насосной установки отличается от известных аналогов технологической новизной - использованием нового эрлифтно-вакуумного способа водоподъема, т.е. методом создания водовоздушной смеси в насосной части и технологическим процессом ее транспортирования, которые при установившемся режиме работы заключаются в том, что водовоздушная смесь создается непосредственно в водоподъемном трубопроводе насосной части, погруженной под незначительный столб воды, путем непрерывной подачи в него сжатого воздуха через устройство, создающее вакуум в форсунке, и подачи воды за счет вакуума и столба воды, находящегося над форсункой, и транспортирования водовоздушной смеси по водоподъемному трубопроводу сжатым воздухом и за счет вакуума, создаваемого на выходе водоподъемного трубопровода специальным эжектором, через который подается сжатый воздух.

Рисунок 3 - Конструктивная схема пневмовакуумной (эрлифтной) насосной установки

Одновременно методом аэрации завершается процесс улучшения качества поднимаемой воды, в результате устраняется основной технологический недостаток аналогов - необходимость погружения насосной части под динамический уровень воды в водоисточник (скважину) не менее высоты водоподъёма при оптимальном режиме работы, который существенно снижает потребное количество водоподъёмных и воздухопроводных труб в 1,5-1,7 раза, уменьшая металлоёмкость насосной установки на 30-40% и значительно снижая затраты на монтажно-демонтажные работы насосной части во внутрь скважины.

Устройство и принцип работы воздушных насосных установок

Пневмокамерная насосная установки с водовоздушным способом водоподъема (см. рисунок 1) состоит из камеры 1 насоса со всасывающим клапаном 2, водоподъемного трубопровода 3 с обратными клапанами 4 и 5, двухпоточного воздухораспределител 6, воздухопроводного трубопровода 7 и источника сжатого воздуха - автономного компрессора ( на рисунке не показан). Принцип работы заключается в периодической подачи поднимаемой воды и сжатого воздуха в водоподъёмный трубопровод и транспортировании её в виде водовоздушной смеси с удельным весом 4900 - 5500 Н/м3 потребителю, снижая потребное давление сжатого воздуха по сравнению с аналогами в 2 -1,75 раза, т.е. при запуске компрессора сжатый воздух из ресивера по воздухопроводному трубопроводу 7 подаётся в двухпоточный воздухораспределитель 6, а из него - в камеру 1 насоса, вытесняя из неё воду в водоподъёмный трубопровод 3 и после полного её вытеснения воздухораспределитель 6 срабатывает и подаёт сжатый воздух непосредственно в водоподъёмный трубопровод 3, при этом отработанный сжатый воздух из камеры 1 насоса через воздухораспределитель 6 сбрасывается в атмосферу, после чего она заполняется водой, воздухораспределитель 6 вновь срабатывает и переключает сжатый воздух на вытеснение воды из камеры 1 насоса в водоподъёмный трубопровод 3 и цикл работы повторяется.

Пневмокамерная насосная установка с дистанционным управлением и возвратом отработанного воздуха в компрессор (см.рисунок2) состоит из пневмокамерного насоса 1 со всасывающим клапаном, воздухопроводного 2 и водоподъемного трубопровода 3 с обратным клапаном, двухпоточного воздухораспределителя 4, влагомаслоотделителей 5 и 6 и ресивера 7 автономного компрессора (на рисунке не показан) со всасывающей магистралью 8 компрессора с обратным клапаном 9 и всасывающим фильтром 10, соединённой трубопроводом с двухпоточным воздухораспределителем 4 для возврата отработанного воздуха в компрессор и резервного ручного управления 11 воздухораспределением подачи сжатого воздуха в пневмокамерный насос 1.

Пневмовакуумная (эрлифтная) насосная установка (см.рисунок3) состоит из компрессорно-силового агрегата 1 и насосной части 11. Компрессорно-силовой агрегат включает автономный компрессор с приводным двигателем, установленных на раме-ресивере с влагомаслоотделителем.

Насосная часть состоит из секций водоподъемных 1 и воздухопроводных 2 труб, соединенных между собой в нижней части форсункой 3, включающей корпус 4, всасывающую трубу 5, впускное отверстие которой перекрывается всасывающим клапаном 7 с определенным усилием пружиной сжатия 6, и крышку 8 с U - образным патрубком, соединенным с воздухопроводной трубой 2 и имеющей активное и пассивное сопла, расположенные на входе водоподъемной трубы 1. Водоподъемная 1 и воздухопроводная 2 трубы в верхней части снабжены эжектором 9, состоящим из всасывающего 11 и подающего 12 патрубков и активного сопла 13. Подающий патрубок 12 через вентили 14 и 16 и тройник 15 соединен с воздухоподающей трубой 2 и ресресивером компрессорно-силового агрегата, а эжектор 9 - с водовоздухприемной емкостью 10, которая имеет водоотводный вентиль 17 для подачи воды потребителю и воздухоотводный вентиль 18 для регулированияи сброса избыточного давления воздуха.

Технологический процесс насосной установки. При пуске сжатого воздуха из компрессорно-силового агрегата в воздухопроводные трубы 2 при открытии вентиля 16 и в подающий патрубок 12 эжектора 9 при открытии вентиля 14, в них создаётся давление и сжатый воздух, проходя через активные и пассивные сопла в форсунке 3 и эжекторе 9, создает разряжение в нижней и верхней части водоподъемных труб 1, в результате чего всасывающий клапан 7 в форсунке 3 , преодолевая усилие пружины, открывается и вода поступает через пассивное сопло в сместительную камеру,где перемешиваясь с сжатым воздухом, поступает в виде в водовоздушной смеси в водоподъемные трубы 1.

В верхней части водоподъемной трубы 1 водовоздушная смесь через пассивное сопло 11 эжектора 9 поступает в сместительную камеру эжектора 9, где интенсивно перемещиваясь с поступающим воздухом из активного сопла 13, завершается процесс аэрации воды сжатым воздухом и через диффузор эжектора 9 вода поступает в водовоздухоприемную емкость 10, где воздух, отделяясь от воды, выходит через воздухосбросной патрубок и вентиль 18 в атмосферу, а при открытии вентиля 17 вода улучшенного качества поступает к потребителю. Водовоздушная смесь при установивщемся режиме непрерывно поступает в водоподъемные трубы и таким образом проходит технологический процесс в пневмовакуумной насосной установке.

Остановка работы насосной установки осуществляется выключением компрессорно- силового агрегата и закрытием вентилей 16,14, при этом подача водовоздушной смеси по водоподъемным трубам прекращается, подпружинный клапан 7 перекрывает поступление воды через всасывающую трубу 5 форсунки 3, предотвращая тем самым поступление воды в водоподъемные и воздухопроводные трубы до статического уровня, т.е остается динамический (рабочий) уровень воды, поэтому при последующем запуске насосной установки в работу, пусковое давление сжатого воздуха не увелечивается, а является рабочим.

Даны теоретические основы по пневмокамерному типу насосной установки в общем виде и применительно к принятым схемам, где отражены теоретические исследования протекающих технологических процессов: заполнение насосной системы сжатым воздухом, вытеснение вода из камеры насоса, нагнетание сжатого воздуха в водоподъемные трубы (водовоздушный способ водоподъема), сброса отработанного воздуха в атмосферу и возврата в компрессор, движение воды под действием сил инерции и расширения сжатого воздуха, накопление сжатого воздуха в ресивере компрессора, заполнение камеры насоса водой, а также теоретическое обоснование полезной вместимости камеры насоса и ресивера, определение потребного давления сжатого воздуха, теоретической подачи, потребляемой мощности и к.п.д. насосной установки.

Разработанные конструкции воздушных насосных установок и результаты их испытаний

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны конструкции двух типоразмеров пневмокамерных насосных установок, одна из которых для подъёма воды из шахтных колодцев ВПКШ-30 с высотой водоподъёма до 30м и подачей до 1,5 дм3/с, другая для подъёма воды из скважин ВПКС-5-70 с высотой водоподъёма до 70 м и подачей до 1,0 дм3/с и одного типоразмера эрлифтной насосной установки для подъёма воды из скважин ВВЛ-3-50 с высотой водоподъёма до 50 м и подачей до 1,0 дм3/с. Они прошли государственные испытания на машино-испытательных станциях Казахстана с положительными результатами и рекомендованы в производство. По результатам испытаний получены следующие параметры: - по пневмокамерной насосной установке ВПКШ-30 : подача -10,3 - 6,4 м3/ч при высоте водоподъёма 12 - 30 м, потребное давление сжатого воздуха автономного компрессора - 304 - 440 кПа, потребляемая мощность - 3,3 - 3,5 кВт и КПД - 0,1 -0,15; - по пневмокамерной насосной установке ВПКС- 5-70: подача -3,0 - 4,0 м3/ч при высоте водоподъёма 67 м, потребное давление сжатого воздуха автономного компрессора - 630-690 кПа, потребляемая мощность - 3,19 - 4,99 кВт и КПД - 0,1 7-0,18; - по эрлифтной насосной установке ВВЛ-3-50: подача -3,4м3/ч при высоте водоподъёма 50 м, потребное давление сжатого воздуха автономного компрессора - 513 кПа, потребляемая мощность - 3,5 кВт и КПД - 0,13, которые соответствовали исходным требованиям и технического задания [2,3,5].

Опытные образцы насосных установок при изготовлении опытных партий ВПКШ - 30 и ВПКС-5-70 и серийного производства ВВЛ-3-50 были внедрены на пастбищах крестьянских и фермерских хозяйств Казахстана, однако при развале СССР их производство было приостановлено [2]. В настоящее время в КазНАУ выполняется работа по их совершенствованию, обоснованию и разработки единой методики расчёта необходимых типоразмеров воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных для решения проблемы водоснабжения в условия с повышенной минерализацией воды свыше 2 г/дм3 до 15 г/дм3 и содержанием твёрдых частиц (песка) до 1% по массе.

1. На основании выполненных исследований установлено, что существует проблема обводнения пастбищ в Казахстане из подземных водоисточников ( скважин и шахтных колодцев) в условиях повышенной минерализации воды свыше 2 до 15 г/дм3 и содержанием твёрдых частиц (песка) до 1% по массе, которую эффективно решить с использованием воздушных насосных установок пневмокамерных и эрлифтных с приводом от энергии сжатого воздуха.

2. Дан анализ разработанных схем воздушных насосных установок, из которых для исследований приняты три наиболее перспективные схемы, две из которых пневмокамерного типа, третья - эрлифтного, защищённые изобретениями и предпатентами. Принятые схемы пневмокамерного типа насосных установок существенно отличаются от других аналогов, как технической новизной - использованием воздушно-колпакового и дистанционного управления воздухораспределением, так и технологической новизной - водовоздушного способа водоподъема и возвратом отработанного водуха в компрессор, в результате существенно снижается потребное рабочее давление сжатого воздуха в 1,5-2 раза, повышается подача на 20-30% и повышается надёжность выполнения технологического процесса и конструкции насосной части, опускаемой в водоисточник. Принятая схема эрлифтного типа насосной установки отличается от аналогов технологической новизной - использованием нового эрлифтно-вакуумного способа водоподъема, устраняющего основной технологический недостаток аналогов - необходимость погружения насосной части под динамический уровень воды не менее высоты водоподъёма, уменьшая металлоёмкость на 30-40% и значительно снижая затраты на монтажно-демонтажные работы насосной части во внутрь скважины.

3. На основании ыполненных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны конструкции двух типоразмеров пневмокамерных насосных установок, одна из которых для подъёма воды из шахтных колодцев ВПКШ-30 с высотой водоподъёма до 30м и подачей до 1,5 дм3/с, другая для подъёма воды из скважин ВПКС-5- 70 с высотой водоподъёма до 70 м и подачей до 1,0 дм3/с и одного типоразмера эрлифтной насосной установки для подъёма воды из скважин ВВЛ-3-50 с высотой водоподъёма до 50 м и подачей до 1,0 дм3/с, которые прошли государственные испытания с положительными результатами и рекомендованы в производство. Опытные образцы насосных установок были внедрены на пастбищах Казахстана, однако при развале СССР их производство было приостановлено. В настоящее время в КазНАУ выполняется работа по их совершенствованию, обоснованию и разработке единой методики расчёта необходимых типоразмеров воздушных насосных установок для решения проблемы водоснабжения в условия с повышенной минерализацией воды и содержанием твёрдых частиц (песка).

Литература

1. Усаковский В.М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 2002. - 328 с.

2. Каплан Р.М., Яковлев А.А. Механизация водоснабжения на пастбищах. - Алма-Ата: Кайнар, 1986. - 184 с.

3. Яковлев А.А. Обоснование параметров и разработка пневмокамерных водоподъёмников для пастбищного водоснабжения: Автореф.дис.канд.техн.наук.-Алма- Ата:1987.-24с.

4. Яковлев А.А. Механизация пастбищного водоснабжения из скважин с повышенной минерализацией воды и содержанием твердых частиц в воде // Повышение эффективности системы сельскохозяйственного водопользования: материалы республиканской научно- практической конференции. - Алматы, 2003. - С.181-184.

5. Яковлев А.А., Саркынов Е., Асанбеков Б.А., Биримкулова Б.А. Обоснование новой конструкции воздушного водоподъемника для подъема подземных вод. Сборник материалов международной научно-практической конференции, КазНАУ, Алматы, 2009. - С.394-398.

Размещено на Allbest.ru