Способ подачи воды
METHOD FOR WATER SUPPLY

Изобретение относится к способам подачи воды, и может быть использовано для перекачки жидкости с использованием естественного рельефа местности.
Известен способ перекачки жидкости по трубопроводу, включающий вытеснение разделителем под действием сжатого газа, подаваемого от установленной на начальном пункте трубопровода компрессорной станции, партии жидкости через задвижку на конечном пункте трубопровода и отключение компрессорной станции (RU 2520802, 2014 г.). В известном техническом решении задвижку на конечном пункте трубопровода открывают в момент запуска компрессорной станции, который фиксируют, задают протяженность участка трубопровода, внутренний диаметр трубопровода, величину давления нагнетания компрессорной станции, достаточного для вытеснения объема партии жидкости, номинальную подачу газа при давлении нагнетания, высотные отметки профиля трассы участка трубопровода, максимально допустимую скорость вытеснения жидкости из трубопровода, и отрезок времени, достаточный для определения величины скорости разделителя. С этой целью через каждый заданный отрезок времени замеряют расстояние, пройденное разделителем, и рассчитывают скорость его движения на данном отрезке трубопровода, сравнивают полученное значение скорости разделителя с заданной максимально допустимой величиной скорости вытеснения жидкости из трубопровода, при значении скорости разделителя ниже заданной максимально допустимой - увеличивают до номинального значения подачу газа компрессорной станцией, которую отключают в момент превышения скорости разделителя над заданной максимально допустимой скоростью вытеснения жидкости из трубопровода и дальнейшее вытеснение жидкости через задвижку на конечном пункте трубопровода осуществляют энергией сжатого газа.
Известен способ перекачки жидкости по трубопроводу, включающий вытеснение сжатым газом партии жидкости, заключенной между головным и хвостовым разделителями через задвижку, установленную на конечном пункте трубопровода, и дросселирование потока жидкости задвижкой (SU 1428067, 1999 г.). В известном техническом решении задвижку прикрывают с момента прохождения через нее головного разделителя и до момента прохождения хвостового разделителя через первый контрольный пункт, после чего отсекают подачу сжатого газа. Если после этого перепад давления на задвижке больше заданной величины, то открывают задвижку до момента прохождения хвостового разделителя через второй контрольный пункт, после чего прикрывают задвижку до прохождения через нее хвостового разделителя.
Общим существенным недостатком известных технических решений является сложность их реализации, а также энергетическая неэффективность, обусловленная необходимостью применения сжатого газа для вытеснения жидкости.
Известен способ перекачки воды, с использованием сборно-разборного полевого магистрального трубопровода, заключающийся в перекачке ее от источника посредством насосной установки, запорной арматуры, всасывающей и напорной линией (RU 2014110815, 2015 г.). В известном техническом решении комплект оборудования магистрального трубопровода дополнительно включает устройство для повышения давления, напорный трубопровод, распределитель, приводной вентиль, управляемый регистратором. Недостатком известного технического решения является необходимость использования дополнительных средств, обеспечивающих процесс перекачки.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ перекачки воды с использованием сборно-разборного магистрального трубопровода и мобильной насосной установки, заключающийся в перекачке воды от источника посредством насосной установки, запорной арматуры, сопряженных всасывающей и напорной линий на заданное расстояние (RU 2016123453, 2017 г.). Существенным недостатком известного технического решения является низкая энергетическая эффективность, обусловленная необходимостью постоянной работы насосной установки.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в разработке способа перекачки воды, обеспечивающего высокую энергетическую эффективность.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа перекачки воды, обеспечивающего высокую энергетическую эффективность за счет создания напора воды в напорном трубопроводе и использования естественного рельефа местности.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при способе подачи воды, заключающемся в перекачке ее от источника посредством насосной установки, запорной арматуры, сопряженных всасывающей и напорной линий на заданное расстояние, в соответствии с предложенным способом выходное сечении напорной линии размещают ниже уровня поверхности воды в источнике, в качестве запорной арматуры используют задвижки, одну из которых устанавливают на выходном сечении напорной линии, а вторую устанавливают в точке верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий, предварительно перед началом перекачки воды закрывают первую задвижку при открытой второй задвижке, при этом полость верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий сообщается с окружающей средой, в процессе перекачки воды создают напор воды в напорной линии, после выхода воды из полости верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий в окружающую среду через вторую задвижку открывают первую задвижку и закрывают вторую задвижку, а насосную установку отключают.
Существенность отличительных признаков предлагаемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая изобретение обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием со ссылкой на иллюстрацию, где изображена схема устройства для реализации способа подачи воды.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - источник воды;
2 - насосная установка;
3 - всасывающая линия;
4 - напорная линия;
5 - эстакада для поддержки насосной и всасывающей линий;
6 - задвижка напорной линии;
7 - задвижка всасывающей линии;
8 - приемная емкость;
9 - уровень воды в источнике 1 воды;
10 - стыковочный фланец всасывающей и напорной линий 3 и 4;
11 - уровень воды в приемной емкости 8.
Способ подачи воды реализуется при помощи системы подачи, включающей расположенную в источнике 1 воды насосную установку 2, размещенную на входном сечении всасывающей линии 3. Последняя сообщена с напорной линией 4 при помощи эстакады 5, предназначенной для поддержки линий 3 и 4. Система включает также запорную арматуру, в качестве которой используются задвижки 6 и 7. Соответственно задвижка 6 размещена на выходном сечении напорной линии 4, а задвижка 7 - в верхней точке стыка сопряженных соответственно всасывающей и напорной линий 3 и 4 у стыковочного фланца 10. При этом выходное сечение напорной линии 4 размещается в приемной емкости 8 ниже уровня 9 поверхности воды в источнике 1.
Способ осуществляется следующим образом.
В начале процесса забор воды производится насосной установкой 2 из источника 1, представляющего собой хранилище или естественный водоем. При этом выходное сечение напорной линии 4 размещается в приемной емкости 8 ниже уровня 9 поверхности воды в источнике 1. При необходимости из приемной емкости 8 возможно осуществить процесс подачи воды в ряд последовательно расположенных приемных емкостей, отступив на определенное расстояние от каждой предыдущей емкости 8, образовав таким образом ряд каскадов. Обеспечение возможности самотека воды по напорной линии 4 требует создания напора воды в напорной линии 4, а также наклона от верхней точки, соответствующей стыку сопряженных всасывающей и напорной линий 3 и 4. Для этого выходное сечение всасывающей линии 3 и входное сечение напорной линии 4 поднимаются на необходимую расчетную высоту, при этом образуется колено (стык), закрепленное при помощи эстакады 5 и стыковочного фланца 10, от которого начинается наклон напорной линии 4 на понижение. Перед началом подачи воды соответственно закрывают задвижку 6 и открывают задвижку 7, сообщая этим при этом всасывающую и напорную линии 3 и 4 с окружающей средой, после чего осуществляют запуск насосной установки 2 Работа последней используется для подъема воды до верхней точки, соответствующей стыковочному фланцу 10 всасывающей и напорной линий 3 и 4, и перетекания воды из всасывающей линии 3 в напорную линию 4. В процессе наполнения водой напорной линии 4 из нее воздух через открытую задвижку 7 вытесняется в окружающую среду. После полного заполнения напорной линии 4 водой происходит ее вытеснение через задвижку 7 в окружающую среду и в результате создается напор воды в напорной линии 4. После начала вытеснения воды через задвижку 7 в окружающую среду открывают задвижку 6 и закрывают задвижку 7, и отключают насосную установку 2 Размещение выходного сечения напорной линии 4 в приемной емкости 8 ниже уровня 9 поверхности воды в источнике 1 обеспечивает возможность заполнения приемной емкости 8 до уровня 11 воды и реализацию первого каскада за счет созданного в напорной линии 4 напора воды и использования естественного рельефа местности. Таким образом, подача воды из источника 1 осуществляется самотеком без применения внешних энергозатрат с достаточной производительностью. При этом скорость подачи воды определяется положением выходного сечения напорной линии 4 ниже уровня 9 поверхности воды в источнике 1 на величину «h», наличием и величиной наклона напорной линии 4 и коэффициентом трения скольжения между водой и материалом всасывающей и напорной линий 3 и 4. В случае подачи воды из источника 1 в приемные емкости, образующие ряд каскадов, емкости заполняются аналогично, а при наличии понижающихся участков рельефа увеличивается протяженность напорной линии 4, т.е. увеличивается расстояние, на которое возможна подача воды. Подача воды, из заполненных приемных емкостей потребителям осуществляется по штатной схеме водоснабжения. Для трубопроводов следует принимать полное расчетное наполнение.
Пример
В качестве примера проведем расчет реализации предлагаемого способа подачи воды при установке плавучей насосной станции на водной поверхности в самой глубокой точке Кадыковского карьера (Крым). При уклоне в 5%, что соответствует углу наклона 3°, дальность подачи с глубины 105 метров составит 2006 метра.
2
Всасывающая и, напорная (для отвода воды) линии стыкуются в верхней точке при помощи стыковочного фланца. Диаметр линий (трубопроводов): D=0,5 м площадь поперечного сечения: s=0,19625 м.
1. Определяем силу тяжести воды во всасывающей линии, расположенной вертикально.
2
3
Объем всасывающей линии: U=105 м * 0,19625 м=20,60625 м.
3
3
Масса воды во всасывающей линии: m=20,60625 м * 1000 кг/м=20 606,25 кг.
2
Сила тяжести: F=20 606,25 кг * 9,8 м/с=201 941,25 Н. (20 598,0075 кгс).
2
3
2. Определяем вертикальную составляющую силы тяжести в напорной линии. Объем напорной линии: U=2006 м * 0,19625 м=393,6775 м.
3
3
Масса воды в напорной линии: m=393,6775 м * 1000 кг/м=393 677,5 кг.
Сила тяжести: F=393 677,5 кг * 9,8 м/с2=3 858 039,5 Н.(393 520,029 кгс).
Вертикальная составляющая силы тяжести в напорной линии:
Fy=F * Cos 87°=201 914, 2 Н. (20 595,3 кгс).
Сравнение силы тяжести всасывающей и напорной линий:
- сила тяжести всасываемой линии:
F=201 941,25 Н. (20 598,0075 кгс).
- сила тяжести вертикальной составляющей напорной линии до уровня воды:
Fy=201 914, 2 Н. (20 595,3 кгс).
Сила тяжести воды в напорной линии меньше, чем во всасывающей линии.
3. Удлиняем напорную линию на 1,5 м с направлением ее вниз для увеличения массы жидкости и обеспечения превышения величины силы тяжести в сторону напорной линии. В результате выходное сечение напорной линии установится на h=1,0 м ниже уровня поверхности воды источника, что добавит к весу напорной линии 1923,25 Н. (196,17 кгс). Длина напорной линии увеличится до 2007,5 м и таким образом:
вес напорной линии установится: 201 914, 2 Н. (20 595,3 кгс).+1923,25 Н. (196,17 кгс)=203 837,45 Н (20 791,47 кгс), что превышает вес всасываемой линии.
Во всасывающей - 201 941,25 Н. (20 598,0075 кгс).
Следовательно, в напорной линии создается напор, обеспечивающий самотек массы воды во всасывающей и напорной линиях.
При этом: скорость истечения при перепаде высот в 01 м: V=√2gh.
где h - перепад высот уровней жидкости в источнике и приемной емкости.
V=√2*9,8*1,0=4,427 м/с при свободном истечении.
Число Рейднольдса для ламинарного потока: Re≤2000.
Коэффициент гидравлического сопротивления: λ=0,032.
Таким образом, с учетом гидравлического сопротивления, скорость истечения составит:
V=4,427 м/с * 0,032=0,141 м/с.
2
3
Производительность за 1 сек: 0,19625 м * 0,141 м/с=0,02767125 м/с.
3
3
Производительность за 1 час: 0,184632 м/с * 3600 с=99,6165 м/час.
3
Производительность за 1 сутки: 2 390,796 м/сутки.
3
При использовании способа на естественно понижающемся рельефе местности, обеспечивающем больший перепад высот уровней жидкостей, производительность растет, например, при перепаде высот уровней в 6 метров производительность трубопровода составит 5 884 м/сутки и т.д.
Таким образом, размещение выходного сечения напорной линии ниже уровня поверхности воды в источнике, использование в качестве запорной арматуры задвижек, одну из которых устанавливают на выходном сечении напорной линии, а вторую устанавливают в точке верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий, предварительное закрытие перед началом перекачки воды первой задвижки при открытой второй таким образом, что полость верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий сообщается с окружающей средой, последующие открытие первой задвижки и закрытие второй задвижки после выхода воды из полости верхнего уровня сопряженных всасывающей и напорной линий в окружающую среду через вторую задвижку, и отключение насосной установки обеспечивает высокую энергетическую эффективность за счет создания напора воды в напорном трубопроводе и использования естественного рельефа местности.