СКВАЖИННАЯ ГИДРОТАРАННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области водоснабжения, в частности, применению кинетической энергии подающего водяного потока для осуществления подъема воды из скважины и может быть использована для водоснабжения изолированных потребителей в т.ч. сельскохозяйственного водоснабжения, орошения, пожаротушения и т.п. в местностях, в которых имеются необходимые для работы установки условия.
Известны водовоздушные подъемники (эрлифт), применяемые в водоснабжении для подъема воды из глубинных скважин (Д.С.Циклаури "Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки". М. Изд-во литер, по строительству. 1970. - стр.46-80, [1]). Эрлифт включает в себя воздушную и водовоздушную подъемную трубы, форсунку, приемный резервуар, компрессор и ресивер. Эрлифты характеризуются простой конструкцией не имеющей двигающихся частей, легкостью изготовления, возможностью длительной эксплуатации без сложного ухода.
Недостатком таких водоподъемников является необходимость применения электрической энергии на привод компрессора, его низкий КПД.
Известна энергосберегающая водоподъемная установка, принятая прототипом данного технического решения, использующая принцип гидравлического тарана (Кузьмин А.Е. Водоподъемники и гидравлические двигатели с энергосберегающим приводом. Изд. ИГУ, Иркутск, 2000, [2]).
*)
Для информации:
В процессе эволюции гидротаранные установки получили свое развитие. Так был усовершенствован гидротаран [3] (патент Великобритании GB 197.824 кл. F 04 F 7/02, опубл. 24.05.23 г), который позволяет дополнительно приводить в движение активную турбину. Другие направления совершенствования гидротаранов связаны с разработкой и совершенствованием двухжидкостных таранов. Представляют интерес и гидротараны
выполняющие функции гидромеханического преобразователя (Авторское свидетельство СССР №918576, кл. F 04 F 7/02, опубл. 07.04.82. Бюл. №13, [4]).
Принцип работы гидротаранного устройства, принятого за прототип, основан на изменении давления в напорном трубопроводе в результате резкого изменения скорости движения жидкости (гидравлического удара). Водоподъемник гидротаранного типа содержит питательный резервуар, питательный трубопровод, ударный клапан, питательный клапан, воздушный клапан, напорный трубопровод. Вода, изливаясь из питательного резервуара по питательному трубопроводу через горловину ударного клапана, стекает в русло потока. При достижении определенной скорости под действием скоростного напора ударный клапан резко закрывается, отсекая поток воды. В тупиковом конце питательного трубопровода резко повышается давление (происходит гидравлический удар), под действием которого открывается нагнетательный клапан и вода поступает в воздушный колпак, сжимает воздух и далее в напорный трубопровод. После закрытия нагнетательного клапана (под действием веса) происходит понижение давления в тупиковой части питательного трубопровода с образованием разряжения (такт отражения). Ударный клапан открывается и цикл повторяется.
Недостатком водоподъемника, принятого за прототип, являются ограниченные условия его применения - работает он только с использованием поверхностных источников воды, что не позволяет поднимать для последующего использования подземные воды, существование которых распространено.
Задачей создания полезной модели является разработка технического решения - гидротаранной установки, позволяющего использовать ее для подъема подземной воды.
Поставленная задача достигается тем, что принятая за прототип водоподъемная установка, включающая источник воды, питательный трубопровод, установленный в нем ударный клапан, соединенный с ним посредством нагнетательного клапана воздушный колпак, с которым соединен напорный водоподъемный трубопровод, установлена в
горной выработке, например, буровой скважине "пересекающей" подземную водоносную зону и расположенную ниже нее поглощающую зону, при этом источником воды является подземная водоносная зона, воздушный колпак с напорной водоподъемной трубой установлен в скважине, причем верхний конец водоподъемной трубы расположен у устья скважины, а питательным трубопроводом является кольцевой канал, образованный стенками скважины или обсадной колонной и напорным водоподъемным трубопроводом с воздушным колпаком в интервале между водоносной зоной и зоной поглощения.
В условиях пересеченной местности зоной поглощения может быть дневная поверхность, до которой пробурена наклонно или направленно буровая скважина.
Для случая пересеченной местности с целью водоснабжения, скважина в пересечении с дневной поверхностью может быть соединена с системой водоснабжения расположенного ниже потребителя.
Для достижения экологического, ресурсосберегающего эффектов, путем предупреждения водного истощения источников воды, а также понижения их уровня, предлагаемая скважинная гидротаранная установка может быть снабжена управляющим клапаном, например, включающим седло, устанавливаемое в скважине и опускаемый в нее на канате сердечник, взаимодействующий при перекрытии воды с седлом. Это позволяет перекрывать подачу воды в необходимых случаях, например, в перерывах ее использования.
Для обеспечения ресурсосбережения предлагаемая скважинная гидротаранная установка в нарушенных интервалах буровой скважины, в которых имеются условия "ухода" жидкости из скважины в окружающие породы при ее осевом движении, путем исключения такого "ухода", нарушенные интервалы скважины могут быть затампонированы. Для изоляции указанных интервалов используются известные в буровой практике технологические приемы, к которым следует отнести следующие: тампонирование зон нарушения с использованием тампонажных смесей, например, материалов на основе цементов,
синтетических материалов; «перекрытие» зон нарушения с использованием труб - металлических, керамических, синтетических (полимерных) и др.
1
2
1
На фиг.1 представлена схема предлагаемой гидротаранной установки, а на фиг.2 - вариант установки в условиях пересеченной местности. На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: 1 - скважина с обсадной колонной; 2 - водоносная зона; 3 - фильтр-емкость; 4 - перфорация в обсадной колоне; 4' - перфорация в фильтр-емкости; 5 - вода в фильтр-емкости; 6 - уровень воды в фильтр-емкости; 6' - питательный интервал; 7 - ударный клапан; 8 - упор; 9 - резиновый элемент ударного клапана; 10 - отводящий интервал скважины; 11 - поглощающая зона; 12 - нагнетательный клапан; 13 - воздушный колпак; 14 - штуцер - регулятор положения воздуха; 15 - напорный водоподъемный трубопровод; 16 - задвижка водоподъемного канала; 16' - задвижка отводящего канала; 17 - тросик подъема ударного клапана; 18 - шланг; 19 - источник воздуха; 20 - собственно гидротаран; 21 - рельеф горы; h - высота нагнетания воды; h - напор, под которым работает таран (протяженность питательного интервала); h - положение рабочего уровня при работе установки; Q - расход воды в питательном интервале; g - расход воды через водоподъемный трубопровод; Q - расход воды через отводящий канал.
Скважиной 1 перебурены водоносная зона 2 и нижерасположенная поглощающая зона 11. В интервале водоносной зоны установлена труба большего диаметра с перфорационными отверстиями 4' и фильтром снаружи из проволочной навивки. Труба меньшего диаметра 1 имеет также перфорационные отверстия 4. Вода из водоносной зоны 2 через фильтр и перфорационные отверстия 4' поступает в кольцевой канал, образованный трубами большего и меньшего диаметров, а через перфорационные отверстия 4 поступает в скважину. Уровень воды в скважине устанавливается на значении, соответствующем статическому уровню водоносной зоны, аналогичный уровень и в фильтр-емкости 6. На уступ скважины установлен упор 8, к которому подсоединен воздушный колпак 13 с напорным водоподъемным трубопроводом 15, верхний конец которого выведен до устья
скважины и снабжен задвижкой 16. В трубопроводе ниже воздушного колпака установлен нагнетельный клапан 12. Отводящий интервал скважины 10 выполнен меньшим диаметром в сравнении с обсадной колонкой 1. Упор 8 снабжен отверстиями. Клапан 7, сопрягающийся с упором 8 снабжен отверстиями, таким образом, что при сопряжении клапана 7 с упором 8 их отверстия не совпадают. Для наполнения воздушного колпака 13 воздухом и обеспечения необходимого его давления установка снабжена источником воздуха 19 со шлангом 18 и вентилем. В случае пересеченной местности (фиг.2) скважиной 1 перебурена водоносная зона 2 и она направленно (наклонно) пробурена до склона 21. К ней посредством задвижки 16' присоединена сеть водоснабжения нижерасположенного потребителя.
Работает скважинная гидротаранная установка следующим образом. При открытом ударном клапане 7 в кольцевом канале скважины 6' устанавливается переток воды со скоростью ϑ (расход Q). Уровень воды в напорном водоподъемном трубопроводе 15 ниже уровня в фильтр-емкости 6 (и кольцевом канале скважины 6') на величину
где, ρ - плотность воды, ;
υ - скорость воды в кольцевом канале скважины, .
1
2
При закрывании ударного клапана 7 под действием скоростного напора воды, происходит гидравлический удар и давление воды в надклапанном пространстве резко повышается. Если ударный клапан 7 перекрывается быстро (время его перекрытия меньше , где h - протяженность питательного интервала кольцевого канала скважины, м; u - скорость звука в воде, ), давление повышается на величину ρ·u·υ. Это позволяет оценить на какую величину h может подняться уровень воды в напорном водоподъемном трубопроводе 15.
2
ρ·u·υ=ρ·g·h, откуда
Расход воды у водоносной зоны в кольцевом канале складывается согласно следующему выражению:
1
Q=Q+g
1
2
Мощность потока Q·h используется в таране на подъем жидкости по напорному водоподъемному трубопроводу 15 с расходом g на высоту h. При этом уравнение баланса мощности гидротаранной установки имеет следующий вид:
2
Q·H=g·h
Выражение для определения энергетического КПД предлагаемой гидротаранной установки имеет следующий вид:
2
1
Высота нагнетания h изменяется в пределах (5-10)Н при h=1÷10 м. Следовательно, в практических условиях наибольшая высота нагнетания предлагаемой установки может достичь 100 м.
2
1
Энергетический КПД установки зависит от отношения h/h и составляет:
2
1
от η=0,85 при h/h=2,
2
1
до η=0,45÷0,4 при h/h=10
2
1
2
1
2
1
В зависимости от размеров скважины, напорного водоподъемного трубопровода и соотношения h/h, подача тарана изменяется от g=0,07·Q (при больших h/h), до g=0,04·Q (при малых h/h).
Открывание ударного клапана происходит в момент такта отражается (образования разряжения в надклапанном пространстве). Для повышения надежности открывания ударного клапана, плотность материала из которого он изготовлен должна быть меньше плотности воды.
c
В конкретном примере для осуществления предлагаемой гидротаранной установки пробурена скважина 1 основным диаметром бурения равным 108 мм. В процессе бурения скважиной перебурена водоносная зона 2, границы которой, определенные методом скважинной расходометрии, находятся в интервале 72,0-78,0 м. Дебит водоносной зоны составляет 0,11 , статический уровень воды водоносной зоны составляет Н=70 м.
После перебуривания водоносной зоны скважина пробурена далее основным диаметром бурения до зоны поглощения, которая находится в интервале 102,0-103,0 м представлена трещиноватыми породами. В результате перебуривания поглощающей зоны в скважине устанавливается переток из водоносной зоны в поглощающую зону при полном поглощении воды.
В последующем скважина оборудована, согласно вышеприведенного описания ее устройства, в частности, рабочий интервал скважины на интервале Н разбурен большим диаметром и в него установлена обсадная труба ⌀146 мм 1, перфорированная в интервале зоны поглощения 4' и на которой установлен фильтр в виде проволочной навивки. В нижней части обсадной трубы 4 основного диаметра бурения установлен упор 8, которым обсадная труба основного диаметра бурения упирается в выступ в скважине. Величина Н составляет 100 м. В упоре выполнены отверстия для истечения жидкости в отводящий интервал скважины 10 и далее в зону поглощения 11, с ней соединен напорный водоподъемный трубопровод 15 ⌀63 мм с элементами его канала. Этими элементами являются воздушный колпак 13, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан 12, а в верхней части у устья - задвижка водоподъемного канала 16. Воздушный колпак 13 снабжен штуцером 14, к которому подключен шланг 18 с задвижкой 16', соединенный с источником сжатого воздуха 19.
После подъема посредством тросика 17 ударного клапана и его отпускания скважинная гидротаранная установка запущена в работу. Динамический уровень воды в
2
скважине при работе скважинной гидротаранной установки установился на отметке 70,0 м (h=70 м).
2
1
1
2
1
Учитывая то, что h=70 м можно определить значение h, которое определяется следующим соотношением: h=Н-h или h=100 м -70 м =30 м. Таким образом основные конструкционные элементы скважинной гидротаранной установки составляют:
1
2
h=30 м, h=70 м, Н=100 м.
кол
2
При этом в период открытого состояния клапана 7, в кольцевом канале скважины 6' устанавливается переток воды со скоростью , где S - площадь кольцевого канала на рабочем интервале скважины, м. При закрывании ударного клапана 7 под действием скоростного напора воды, происходит гидравлический удар и давление воды в надклапанном пространстве повышается и жидкость в напорном трубопроводе поднимается.
3
-3
3
Исходя из основных соотношений работы гидротаранной установки, при  энергетический КПД при , η=0,85. При этом подача может быть определена из отношения: g=0,07Q или g=0,07·0,07·0,11 м/с =7,7·10 м/c. Указанное значение подачи на практике подтверждено.
Известно, что полезная модель должна быть новой и промышленно применимой. Промышленная применимость ее (по аналогии с прототипом) очевидна. Относительно соответствия предлагаемого решения новому техническому уровню, - по нашему мнению, включенный в отличительную часть формулы полезной модели признак «... скважинная гидротаранная установка установлена в буровой скважине, «пересекающей» подземную водоносную зону и расположенную ниже нее поглощающую зону, при этом источником воды является подземная водоносная зона и далее по тексту ...», а также п.п.2, 3, 4, 5 Формулы не являются очевидными для специалиста средней квалификации геологоразведочного профиля (гидрогеолога, геолога, буровика). С учетом этого, по нашему
мнению, предлагаемая скважинная гидротаранная установка, отвечает и критерию новый технический уровень.
В случае пересеченной местности (фиг.2) предлагаемая скважинная гидротаранная установка поднимает воду на дневную поверхность, которая отпускается потребителям с использованием задвижки 16, а часть воды поступающей в отводящий интервал скважины посредством вентиля 16' отпускается потребителям воды, расположенным ниже пересечения скважины с дневной поверхностью (в случае ее сооружения в пересеченной местности). При этом напор, определенный положением динамического уровня в отводящем интервале скважины, и расположением потребителя является энергетическим побудителем движения воды, чем дополняется эффект энерго- и водосбережения предлагаемой установки. Следует отметить, что в случае пересеченной местности с использованием предлагаемой установки, при необходимости, может быть организовано водоснабжение только через отводящий интервал скважины (без подъема собственно гидротарана) для этого посредством тросика 17 ударный клапан 7 приподнимается и удерживается.
Из изложенного видно, что для работы скважиной гидротаранной установки не требуется дополнительных внешних источников энергии (электроэнергии, тепловой энергии и т.п.). В ней кинетическая энергия потока воды непосредственно преобразуется в полезную работу. Таким образом, предлагаемая установка является энергосберегающей и экологически чистым водоподъемником.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Циклаури Д.С. "Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки". М., Изд-во литературы по строительству, 1970 г.
2. Кузьмин А.Е. Водоподъемники и гидравлические двигатели с энергосберегающим приводом. Изд. ИГУ, Иркутск, 2000 - прототип.
3. Балтзерсен В.Д. Усовершенствование гидравлических таранов. Патент Великобритании GB 197.824, кл. F 04 F 7/02. опубл. 24.05.23 г.
4. Сюзюмов Е.А. Унукович В.П. Гидротаран. Авт. свид. СССР №918576, кл. F 04 F 7/02, опубл. 07.04.82 г. Бюл. №13.