Магистральный водовод вакуумного принципа действия для переброски больших объемов воды на значительные расстояния без энергозатрат и способ запуска системы в работу
WATER MAIN OF VACUUM OPERATING PRINCIPLE FOR TRANSFERRING LARGE WATER VOLUMES AT SIGNIFICANT DISTANCES WITHOUT ENERGY CONSUMPTION AND METHOD OF SYSTEM STARTUP

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к закрытым водосбросам и может быть использовано для регулирования уровня воды в водоемах грозящих наводнением, например в горах или больших городах, а также для переброски паводковых вод реки Енисей в Аральское море. Технической задачей изобретения является снижение материальных затрат и затрат энергоносителей при одновременном обеспечении эффективного водосброса с помощью магистрального водовода в условиях, горного рельефа местности, например, на реках Европы и Азии, не позволяющих достигать необходимого результата другими известными способами и устройствами известными на сегодняшний день.
Известна система Водоспуск-сифон А.Э. Маттисен. (Гидротехника и мелиорация в рыбоводстве. Высшая школа 1965, стр. 95, 97, 98, рис. 346) состоящий из трубопровода, по которому вода идет через дамбу самотеком при скорости тем большей, чем больше разница между высотой верхнего и нижнего бьефа.
Недостатками этого устройства являются невозможность его применения для переброски паводковых вод реки Енисей в Аральское море. При попытке применения устройства А.Э. Маттисена например на перебросе воды из рек Обь и Енисей в высохшее Аральское Море, устройство не сможет выполнять техническую задачу, а именно переброс больших объемов вода со скоростью водотока 30 и более метров в секунду. На реках Европы это устройство А.Э. Маттисена неприменимо из-за его неработоспособности в условиях больших расстояний, неровной местности и отсутствия в устройстве конструкционных деталей и механизмов позволяющих выполнять поставленную техническую задачу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является Трубчатый водосброс, Патент №95339.
Предлагаемое изобретение является усовершенствованием Трубчатый водосброс, Патент №95339, но обладает более широким функционалом.
Техническим результатом изобретения «Магистральный водовод» является:
1. Регулируемый переброс огромных масс воды на большие расстояния.
2. Минимизация энергетических затрат на транспортировку воды.
3. Увеличение скорости водотока внутри водовода. В устройстве А.Э. Маттисена 15 м/сек, в Магистральном водоводе 60 метров в секунду.
4. Исключение вибраций трубопровода и продление его срока службы.
5. Увеличение количества проходящей по трубопроводу воды за единицу времени (то есть, кубических метров в секунду) В устройстве А.Э. Маттисена 5 куб.м/сек, в Магистральном водоводе 100 куб.м/сек.
6. Недопуск наводнений на реке Енисей, Иртыш, Обь и других реках.
7. Доставка огромных масс воды без энергозатрат в засушливые и пустынные районы, например из рек Обь и Енисей в высохшее Аральское Море.
8. Сохранение экологии. По сравнению с проектом СССР, не надо рыть канал портящий экологию и сжигать 4-8 млн. тонн угля в год для переброски планируемых 12-24 куб. километров из рек Обь и Енисей.
Поставленные задачи обеспечиваются тем, что Магистральный водовод вакуумного принципа действия для переброски больших объемов воды без энергозатрат, содержащий основную трубу с входным и выходным оголовками, при этом водозабор находится в водохранилище, то есть верхнем бьефе, и погружен в воду на глубину, превышающую максимальную глубину промерзания водоема, а водовыпуск находится в нижнем бьефе, основная труба выполнена с возможностью наполнения ее водой, а входной и выходной оголовки снабжены запорной арматурой, трубопровод на всем протяжении жестко закреплен к земле, например, сваями и/или анкерными креплениями посредством хомутов. На всем протяжении трубопровод снабжен дополнительными запорными арматурами с воздушными клапанами, установленными по схеме, где между водозабором с первой запорной арматурой и второй запорной арматурой расстояние значительно меньше, чем между второй дополнительной запорной арматурой и третьей дополнительной запорной арматурой, то есть расстояние между предшествующими запорными арматурами значительно меньше, чем между последующими запорными арматурами и так до водовыпуска, при этом на водовыпуске установлен машинный зал с энергоблоком или энергоблоками, вырабатывающими электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса. Между водозабором с первой запорной арматурой и второй запорной арматурой расстояние примерно в 10 раз меньше, чем между второй запорной арматурой и третьей запорной арматурой, и далее между третьей запорной арматурой и четвертой запорной арматурой расстояние примерно в 10 раз меньше, чем между четвертой и пятой запорной арматурой, так далее до водовыпуска.
Изобретение поясняется чертежом: Рис. 1, где изображен общий вид «Магистральный водовод» где - 1 - запорная арматура верхнего бьефа, 2, 3, 4 - запорные арматуры среднего участка водовода, 5 - запорная арматура нижнего бьефа, 6 - основная труба, 7 - водозабор, 8 - водовыпуск, 9 - водоем верхнего бьефа, 10 - водоем нижнего бьефа. Чертежи сделаны схематично и без соблюдения масштаба.
«Магистральный водовод» работает следующим образом.
Конструкция представляет собой трубопровод 6 диаметром от 500 до 2200 миллиметров. Водозаборный оголовок 7 трубопровода установлен в водоеме 9, далее трубопровод идет по рельефу где высота холмов рельефа местности по которым проходит водовод не выше 8,5 метров относительно уровня нижней точки вышестоящего участка водовода. При этом каждый участок водовода между водозапорными арматурами имеет среднеарифметический наклон вниз относительно уровня моря из расчета 10 сантиметров или более на один километр данного участка. То есть при длине участка водовода 100 км, нижняя запорная арматура будет ниже предшествующей верхней запорной арматуры на (100 км × 10 см = 1000 см) 10 метров или более.
Если «Магистральный водовод» не превышает 50 км, то запуск в работу производят следующим способом. Перед запуском водовода в работу водозабор 7 и водовыпуск 8 перекрывают запорными арматурами, и трубопровод наполняют водой через водоприемный кран, установленный в самой высокой части трубопровода относительно уровня моря. Наполнение трубопровода водой производят, например, стандартным водяным насосом или уменьшенным аналогом, установленным выше водозабора на 10 или более метро. Это делается только один раз перед запуском водовода в работу.
Если «Магистральный водовод» превышает 100 км, то запуск в работу производят следующим способом.
Трубопровод выполнен с возможностью заполнения водой перед запуском в работу уменьшенным аналогом предлагаемой системы водовода, водозаборный оголовок которого установлен в водоем, расположенный выше водоприемника основного трубопровода относительно уровня моря, а водовыпускной оголовок уменьшенного аналога присоединен к водоприемнику основного трубопровода.
Водоприемный кран снабжен воздушным клапаном (на чертеже не показан), служащим для вывода воздуха при заполнении трубопровода водой. После наполнения трубопровода водой водоприемный кран герметично закрывают, а задвижки на концах трубопровода одновременно открывают. Из водовыпускного оголовка трубопровода сила земной гравитации потянет столб воды, который в свою очередь создаст непрерывный водоток по трубопроводу 6 из озера 9 через возвышенности в русло реки или моря 10.
3
Трубопровод диаметром сто сантиметров способен перекачивать воду со скоростью пятьдесят кубических метров в секунду. Это вычисляется по формуле, где площадь сечения трубы 0,8 кв.метра умножается на скорость водотока 60 метров в секунду, что равняется 48 куб. метров в секунду, и при этом не используются насосы, не тратится горючее и электроэнергия, а всю работу по перекачке воды через возвышенности выполняет земная гравитация. При разнице высоты между верхним и нижним бьефом в 210-220 метров земная гравитация способна развить скорость водотока внутри трубопровода до скорости свободного падения тела равняющейся для воды заключенной в трубопровод шестьдесят метров в секунду. Цифра 210 метров является высотой, при которой тело с плотностью 1 г/см (плотность воды) развивает максимальную скорость при свободном падении.
При условии свободного падения скорость водотока в трубопроводе будет равна: 1-я секунда = 10 метров. 2-я секунда = 20 метров. 3-я секунда = 30 метров. 4-я секунда = 40 метров. 5-я секунда = 50 метров. 6-я секунда = 60 метров, что является максимальной скоростью свободного падения воды. При сложении этих цифр получается 210 метров.
Есть вероятность, что скорость водотока будет больше чем 60 м/сек, потому что шестьдесят метров в секунду даны для свободного падения тела в атмосфере, а в трубопроводе вакуум. В условиях отсутствия атмосферы скорость водотока будет выше. Водоприемник основного трубопровода, служащий для заполнения его водой, установлен не выше 8,5 метров относительно уровня водозабора, а также высота холмов рельефа местности по которым проходит водовод не выше 8,5 метров относительно уровня нижней точки вышестоящего участка Магистрального водовода, что бы не допустить разрыва водотока, который является единым водотоком за счет вакуума. Водозапорная арматура нижестоящего участка находится ниже, чем водозапорная арматура вышестоящего участка Магистрального водовода из расчета 10 сантиметров или более на один километр данного участка. То есть выбор места установки водозапорной арматуры приходится на ту точку водовода, на которую снижение русла водовода в среднем равно 10 сантиметров или более на один километр данного участка. Для уменьшения возможной вибрации основная труба снабжена эластичными шарнирами-компенсаторами на границах смены уклона и внешних нагрузок.
При перебросе воды из Енисея (500 метров над уровне моря - далее Н.У.М.) в Аральское море (36 метров Н.У.М.) будут возникать следующие технические проблемы:
1. Необходимость оптимизации конструкции водозабора.
2. Различная степень вибрации разных участков трубопровода.
3. Различные требования к прочности труб на разных участках трубопровода.
4. Необходимость применения труб разного диаметра на разных участках трубопровода.
5. Необходимость регулирования скорости водотока на разных участках трубопровода.
Силы водотока будут вызывать сильную вибрацию на участках водозабора и водовыпуска из-за разницы высот между верхним и нижним бьефами и высокой скорости водотока (30-60 метров/сек). Это может привести к разрушению на участках водозабора и водовыпуска, прекращению работы всей системы. Для предотвращения разрушений участка трубопровода в месте водозабора и водовыпуска нужно жесткое крепление трубопровода к земле. Степень противодействия вибрациям свай или анкерных креплений на участках водозабора и водовыпуска должна быть значительно выше, чем на равнинных участках трубопровода.
В этом случае гораздо проще обслуживание и соблюдение техники безопасности. Водозабор огражден оградительной сеткой, не позволяющей попадать в трубопровод рыбе и твердым предметам.
Из-за давления огромных масс воды на участок водовыпуска 8, давление на стенки труб на участке водовыпуска, будет гораздо больше, чем на равнинном участке. Поэтому, трубы участка водовыпуска должны быть более прочными, с более толстыми стенками, чем на равнинном участке трубопровода.
При столкновении водотока с атмосферой, на водовыпуске, будет возникать дополнительная вибрация. Известно по принципу брандспойта, когда трудно удержать водовыпуск шланга, при этом средние участки шланга остаются спокойными. Здесь наглядно видно результат столкновения водотока с атмосферой. Объем водотока, а значит, сила разрушительной вибрации в предлагаемой системе водовода будет в сотни раз сильнее, чем на известных пожарных брандспойтах. Для устранения или хотя бы снижения этой вибрации, также приводящей к разрушению участка водовыпуска, надо снизить скорость водотока на участке водовыпуска заблаговременно до встречи водотока с атмосферой. Для снижения скорости водотока нужно увеличить площадь сечения трубы на участке водовыпуска. Если сечение трубы основного трубопровода 100 см, то на водовыпуске площадь сечения трубы должна быть 150-200 и более см. Если основная труба 200 см, и расширять ее нереально, то труба разделяется на несколько рукавов, чтобы сумма площадей сечений рукавов значительно превышала площадь сечения основного трубопровода. Благодаря этому водоток снизит скорость и при столкновении воды с атмосферой не будет разрушительной вибрации для участка водовыпуска. Трубопровод разделен на несколько водозаборных и/или водовыпускных трубопроводов - рукавов, общая площадь сечения которых превышает площадь сечения основного трубопровода. Воздушные клапана установлены на верхних точках возвышающихся участков трубопровода. Водозабор огорожен как минимум одной прочной сеткой, для непропуска механических предметов в водозабор Магистрального водовода.
При больших объемах водозабора (150-200 куб. метров в секунду) на одном участке основной трубопровод делится на несколько водозаборных рукавов. Водозаборные рукава находятся на расстоянии, позволяющем им работать, не мешая друг другу. Гораздо проще и дешевле соорудить пять маленьких водозаборов (30-40 куб. метров в секунду), а затем на равнинном участке их объединить в один трубопровод, чем сооружать один большой водозабор (150-200 куб. метров в секунду).
Выполняются следующие варианты:
1. Магистральный водовод разъединяется на несколько линий водосброса.
2. Несколько линий вакуумного водосброса объединяются в один водовод.
Скорость водотока на водовыпуске (8) будет 60 м/сек, это 150-200 куб. метров в секунду. Такой объем воды проходит через энергоблок Саяно-Шушенской ГЭС.
Для получения электроэнергии на водовыпуске, устанавливается машинный зал с энергоблоком или энергоблоками, вырабатывающими электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса.
Для запуска в работу водосброса при длине трубопровода сто километров и диаметре двести сантиметров нужно закачать в него сто восемьдесят тысяч кубометров воды, с чем не справится ни один насос или уйдет много времени. В этом случае трубопровод заполняется водой перед запуском в работу уменьшенным аналогом предлагаемой системы «Магистральный водовод». Водозаборный оголовок водосброса устанавливается в водоем расположенный на 10-20 и более метров выше водоприемника 1 основного трубопровода 6 относительно уровня моря. Водовыпускной оголовок уменьшенного аналога присоединяется к водоприемнику основного трубопровода, что служит для быстрого заполнения водой главной системы «Магистральный водовод».
Для запуска в работу водосброса при длине трубопровода пятьсот, тысяча и более километров и диаметре двести сантиметров нужно закачать в него сто восемьсот тысяч кубометров воды, с чем не справится способ действующий при длине водовода 100 км. В этом случае водовод заполняется водой перед запуском в работу следующим образом. Для запуска в работу водосброса при длине трубопровода 500-1000 и более километров, предлагается посекционный способ заполнения Магистрального водовода водой. Способ запуска в работу Магистрального водовода вакуумного принципа действия для переброски больших объемов воды без энергозатрат, содержащего основную трубу с входным и выходным оголовками, при этом водозабор находится в водохранилище, то есть верхнем бьефе, и погружен в воду на глубину, превышающую максимальную глубину промерзания водоема, а водовыпуск находится в нижнем бьефе, основная труба 6 выполнена с возможностью наполнения ее водой, трубопровод на всем протяжении жестко закреплен к земле, например, сваями и/или анкерными креплениями посредством хомутов, на всем протяжении трубопровод снабжен дополнительной запорной арматурой с воздушными клапанами, установленной по схеме, где расстояние между водозабором с первой запорной арматурой 1 и второй запорной арматурой 2 расстояние значительно меньше, примерно в 10 раз, чем между второй 2 запорной арматурой и третьей 3 дополнительной запорной арматурой, расстояние между второй 2 запорной арматурой и третьей запорной арматурой 3 значительно меньше, примерно в 10 раз, чем между третьей 3 запорной арматурой и четвертой 4 дополнительной запорной арматурой, и так далее, то есть расстояние между предшествующими запорными арматурами значительно меньше, примерно в 10 раз, чем между последующими запорными арматурами, и так все участки Магистрального водовода до водовыпуска.
Трубопровод заполняется водой перед запуском в работу уменьшенным аналогом предлагаемой системы «Магистральный водовод». Водозаборный оголовок водосброса устанавливается в водоем расположенный на 20 и более метров выше водоприемника 1 основного трубопровода 6 относительно уровня моря.
Сначала наполняется водой участок между водозабором с первой запорной арматурой 1 и второй запорной арматурой 2, (Рис. 1.) при этом воздушные клапана первого участка водовода открыты. Все затворы, то есть, первая, вторая, третья, четвертая и пятая запорные арматуры закрыты. После наполнения этого участка водовода закрываются воздушные клапана в очередности от нижнего клапана относительно уровня моря и далее последовательно к верхнему клапану относительно уровня моря по мере заполнения водовода водой. Далее открываются первая 1 и вторая запорная арматура 2, при этом воздушные клапана второго участка водовода открыты, третья запорная арматура закрыта. Вода из первого верхнего участка заполняет второй участок водовода, между второй и третьей запорной арматурой. Поскольку второй участок длинней первого (верхнего) в 10 раз, заполнение нижнего участка водой происходит быстро. После наполнения этого участка водовода закрываются воздушные клапана в очередности от нижнего клапана относительно уровня моря и далее последовательно к верхнему клапану относительно уровня моря по мере заполнения данного участка водовода водой. Затем открывается следующая - третья запорная арматура 3 и воздушные клапана третьей запорной арматуры, четвертая закрыта. Вышеописанный процесс повторяется далее по этой схеме на следующих участках расположенных ниже предыдущих относительно уровня моря, до заполнения всего трубопровода водой, после которого открывается самая нижняя пятая 5 запорная арматура и начинается запуск Магистрального водовода в работу. Из нижней части водовода 8 сила земной гравитации потянет столб воды, который в свою очередь создаст непрерывный водоток по всему Магистральному трубопроводу 6 в Аральское море 10 или любой пригодный для приема воды водоем. Для исключения вибраций трубопровод по всей его протяженности жестко закреплен к земле сваями или анкерными креплениями, посредством хомутов из металла или жестких композиционных материалов.
При переброске паводковых вод из реки Енисей или Обь в Аральское Море не надо рыть канал, портящий экологию, и сжигать 4 млн. тонн угля в год для переброски планируемых 12 куб. километров паводковых вод.
Количество перебрасываемой воды вычисляется следующим способом.
При скорости водотока 60 м/сек и диаметре трубы 200 сантиметров по формуле умножаем скорость водотока на площадь сечения трубопровода равняющемуся 3,14 кв. метра. В итоге получаем:
1. За одну секунду из трубопровода выходит 188 куб. метров воды.
2. За одну минуту 11 тысяч 300 куб. метров.
3. За один час 676,8 тысяч куб. метров.
4. За одни сутки 16 млн. 243 тыс. 200 куб. метров.
5. За тридцать дней 487 млн. 296 тыс.куб. метров.
6. За 70 дней одна линия будет перебрасывать 1 куб. км воды.
Одна линия «Магистрального водовода» диаметром 220 см (заводской стандарт) за 70 дней будет перебрасывать 1 куб. км воды. Для переброски 12 кубических километров воды нужно 12 линий Магистрального водовода, которые можно устанавливать в разных точках реки для равномерного водозабора. Главные цели изобретения - это рациональное распределение водных ресурсов и предотвращение стихийных бедствий.