ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ПЕСКУЮЩИХ БЕСФИЛЬТРОВЫХ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК F04D13/10 F04D29/70 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может использоваться в водоснабжении для откачки воды из бесфильтровых скважин с неустранимым выносом песка в концентрации выше нормативной для насоса и затрудняющей эксплуатацию водохозяйственной системы.

Известен погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин, содержащий привод с двигателем и насос с водоприемным окном, дренажно-промывной тракт, нагнетательную трубу с эжектором, сетчатый фильтр и пескосборник в нижней части агрегата, а также устройство удаления песка, например отстойник [1].

Технический недостаток этого устройства состоит в наличии подвижных элементов в сетчатом фильтре, что усложняет конструкцию, снижает надежность работы устройства, увеличивает энергопотребление агрегата.

Известен также погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин, содержащий асинхронный электродвигатель, центробежный насос с водоприемным окном и нагнетательной трубой, систему очистки воды от песка с цилиндрическим сетчатым фильтром в виде стакана, закрепленного дном на двигателе и охватывающего водоприемное окно и корпус насоса, цилиндрическим пескосборником с надфильтровой воронкой и эжектором на нагнетательной трубе, установленными внутри фильтра аксиально, дренажно-промывным трактом в виде зазора между фильтром и общей боковой поверхностью насоса, устройством выброса песка во внешнюю среду, например по патенту РФ на изобретение 2146963 С1, а также автоматизированный привод двигателя с датчиками предельных уровней воды в скважине и блоком задатчиков режимов работы агрегата, в т.ч. задатчик регенерации системы очистки воды [2].

Технический недостаток этого погружного насосного агрегата: уплотнение песка в пескосборнике и постепенное зашламление его дна сцементировавшимися зернами, что ухудшает его очистку, высокие потери напора на эжекторе в процессе отсоса песка, недостаточная степень очистки сетчатого фильтра, проникновение песка в насос через эжектор при обратном токе воды в агрегате и простое двигателя, что в итоге засоряет насос зернами, затягивает во времени и затрудняет удаление песка во внешнюю среду последующими устройствами, приводит к перерасходу воды на промывку и как следствие требуется увеличение подачи воды агрегатом, учащаются остановки-пуски агрегата датчиками уровней воды в скважине и усиливается ее пескование. Однако эффективное использование в данном устройстве известного гидравлического эффекта выпадения зерен песка в осадок во внезапно расширенном живом сечении восходящего потока (в данном случае над воронкой) и отсутствие подвижных элементов в системе очистки воды от песка определяют актуальность дальнейшего поиска в этом направлении.

Техническая задача: создание в насосном агрегате гидравлических условий для пульпообразования в пескосборнике перед удалением песка из него, улучшение очистки пескосборника от случайно осевших зерен, уменьшение потерь напора на эжекторе, улучшение очистки сетчатого фильтра, предупреждение проникновения песка в насос через эжектор при обратном токе воды в нем и простое двигателя, снижение выноса песка из скважины.

Согласно изобретению, погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин содержит асинхронный электродвигатель, центробежный насос с водоприемным окном и нагнетательной трубой, систему очистки воды от песка с цилиндрическим сетчатым фильтром в виде стакана, закрепленного дном на двигателе и охватывающего водоприемное окно и корпус насоса, цилиндрическим пескосборником с надфильтровой воронкой и эжектором на нагнетательной трубе, установленных внутри фильтра аксиально, дренажно-промывным трактом в виде зазора между фильтром и общей боковой поверхностью насоса, устройством выброса песка во внешнюю среду, а также автоматизированный привод двигателя с датчиками предельных уровней воды в скважине и блоком задатчиков режимов работы агрегата, в т.ч. задатчик регенерации системы очистки воды. Корпус пескосборника выполнен сетчатым, дно пескосборника - конусообразным, всасывающее отверстие эжектора - в виде кольцевого зазора, эжектор оснащен фильтром-сеткой на его напорном входе, задатчик регенерации системы очистки содержит формирователь плавно изменяющегося возвратно-поступательного движения воды в системе, например в виде автоматического частотного (транзисторного) или амплитудного (тиристорного) регулятора скорости вращения двигателя с максимального значения до нуля и обратно периодически.

На чертеже показан погружной насосный агрегат, общий вид.

Погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин содержит асинхронный электродвигатель 1, центробежный насос 2 с водоприемным окном 3, нагнетательную трубу 4, систему очистки воды от песка с цилиндрическим сетчатым фильтром 8 в виде стакана, закрепленного дном на двигателе 1 и охватывающего водоприемное окно 3 и корпус насоса 2, цилиндрическим пескосборником 9 с сетчатым корпусом, конусообразным дном 10 и надфильтровой воронкой 11, эжектором 5 на нагнетательной трубе 4 с всасывающим отверстием 6 в виде кольцевого зазора и фильтром-сеткой 7 на его напорном входе, дренажно-промывным трактом 12 в виде зазора между фильтром 8 и общей боковой поверхностью насоса 2, а также привод 13 двигателя с задатчиками, в т.ч. задатчик регенерации системы очистки воды 14 с формирователем 15 плавно изменяющегося возвратно-поступательного движения воды в системе, например в виде автоматического частотного (транзисторного) или амплитудного (тиристорного) регулятора скорости вращения двигателя с максимального значения до нуля и обратно периодически, и устройство 16 выброса песка во внешнюю среду, например по патенту РФ на изобретение 2146963 С1 [3]. Агрегат размещен в скважине 17 с зазором 18 от стенок и оснащен датчиками предельных нижнего и верхнего уровней воды в скважине (не показаны). Надфильтровая воронка 11 и эжектор 5 установлены внутри фильтра 8 аксиально.

В исходном состоянии насосный агрегат обесточен, сетчатые фильтр 8 и корпус пескосборника 9 незакольматированы зернами песка, пескосборник 9 и его дно чисты, скважина 17 заполнена водой до отметки статического уровня, вода в нагнетательной трубе 4 отсутствует.

Устройство работает циклически, осуществляя непрерывный перехват, отвод в обход насоса, удаление песка во внешнюю среду. Причем рабочий цикл состоит из трех периодов: головного макропериода, периода повторяющегося цикла с тремя микропериодами, завершающего периода:
- головной макропериод предназначен для очистки воды от песка и подачи чистой воды из скважины 17 до исчерпания очистной возможности сетчатого фильтра 8;
- период повторяющегося (для повышения результативности) цикла предназначен для регенерации системы очистки воды и состоит из следующих друг за другом трех микропериодов: 1 - промывки сетчатого фильтра 8; 2 - формирования условий псевдоожиженного состояния песка в пескосборнике 9; 3 - затягивания зерен в пескосборник 9 и удаления пульпы из него в нагнетательную трубу 4;
- завершающий период служит для выброса пульпы из нагнетательной трубы 4 во внешнюю среду, например на иловую площадку.Весь рабочий цикл многократно повторяется до принудительного выключения двигателя 1, например при случайном обесточивании агрегата. Этот и другие случаи определяют иное исходное состояние агрегата (перед возобновлением подачи на него электрического тока). Но поскольку принципиального значения это не имеет, рассмотрим далее работу агрегата с принятого выше исходного состояния.

Головной макропериод "очистки воды от песка и подачи чистой воды из скважины" начинается с включения электропитания агрегата. В определенный момент работы двигателя 1 и насоса 2 скважина 17 начинает песковать, и вода поднимает зерна песка по ее стволу к агрегату. Далее вода с еще большей транспортирующей скоростью влечет песок по зауженному пространству зазора 18 к сетчатому фильтру 8. Сетка останавливает зерна и они прочно удерживаются на ней гидродинамическим давлением потока, а чистая вода, пройдя сквозь сетку, поступает в дренажно-промывной тракт 12 и в центробежный насос 2 через водоприемное окно 3. Сначала песок задерживается преимущественно в нижней зоне фильтра 8, а затем все интенсивнее выше по сетке. Чистая вода подается насосом 2 и эжектором 5 из пока незашламленного пескосборника 9 по нагнетательной трубе 4 в последующее сооружение системы водоснабжения. Головной период завершается в момент достижения максимально допустимой степени кольматажа фильтра 8 (обычно около 80% площади сетки).

Период повторяющегося цикла "регенерации системы очистки воды" начинается по сигналу от задатчика регенерации 14 в приводе 13 формирователю 15 на работу агрегата в микропериоде "промывки сетчатого фильтра". По этому сигналу двигатель 1 плавно останавливается и чистая вода внутри трубы 4 и насоса 2 с медленным разгоном движется вниз, выходит под напором из окна 3 в тракт 12, устремляется вбок через сетку фильтра 8, выталкивает зерна песка из ячеек, срывает и смывает их с внешней поверхности сетки. В это же время часть чистой воды из трубы 4 поступает через отверстие 6 эжектора 5 на конусообразное дно 10 пескосборника 9, что очищает дно 10 от случайных зерен песка и способствует очистке сетчатых стенок пескосборника 9 потоками воды в тракте 12. Если в нагнетательной трубе 4 были отдельные зерна песка, то они задержутся фильтром-сеткой 7, которая воспрепятствует их проникновению в насос 2 с нисходящим потоком воды. Поскольку все это происходит сразу после остановки насоса 2, приток воды в скважину из водоносного пласта продолжается практически с прежней интенсивностью под действием разности напоров в пласте и скважине. Поэтому вода со смытым песком поступает вверх по зазору 18, причем почти с той же высокой скоростью, и выбрасывает его в пространство над воронкой 11. Из-за увеличения здесь живого сечения (оно стеснено только небольшим диаметром нагнетательной трубы 4 и тонким кабелем питания двигателя 1) восходящий поток теряет транспортирующую для зерен скорость, и они зависают над воронкой. Этим завершается микропериод промывки сетчатого фильтра 8. Заметим, что скорость восходящего потока в пескосборнике 9 в этом периоде может быть любой по отношению к гидравлической крупности зависших зерен песка. Если она меньше, то зерна будут осаждаться в пескосборник 9, что хорошо. Если она больше или равна гидравлической крупности, то зерна будут пульсировать над воронкой 11 пескосборника 9, что не снижает работоспособности устройства.

После этого формирователь 15 приводит двигатель 1 в движение с плавным нарастанием скорости ротора и тем самым переводит агрегат в микропериод "формирования условий псевдоожиженного состояния песка в пескосборнике". В результате насос 2 работает с постепенно увеличивающейся с нуля подачей воды в эжектор 5 и нагнетательную трубу 4. Фильтр-сетка 7 очищается от зерен песка восходящим потоком чистой воды из насоса 2, которые далее окажутся в составе пульпы в пескосборнике 9. В пределах некоторого диапазона начальных малых подач вакуум в эжекторе 5 еще не образуется и вода поступает в пескосборник 9 из отверстия 6 эжектора с еще большим напором, чем до этого, т. е. с еще большим расходом, способным привести осадок песка во взвешенное состояние. Тем самым условие псевдоожиженного состояния песка в пескосборнике 9 сформировано, и когда песок в нем будет в очередных таких микропериодах, то он перейдет в эту фазу. Продолжительность этого микропериода должна быть такой, чтобы образовавшаяся песчаная пульпа не была вытолкнута из пескосборника 9 через воронку 11. Процесс выталкивания предупреждается также боковым оттоком воды через стенки пескосборника 9 под взвешенной массой пульпы. Допустимо частичное выталкивание песка обратно в зону над воронкой 11.

Затем формирователь 15 плавно переводит работу агрегата в микропериод "затягивания зерен в пескосборник 9 и удаления пульпы из него в нагнетательную трубу 4". В течение этого микропериода эжектор 5 должен тянуть пульпу в пескосборник 9 вниз и засасывать ее в нагнетательную трубу 4 с такой интенсивностью, чтобы отверстие 6 не пригружалось слоем зерен. Последнему способствуют конусообразная форма дна 10 пескосборника 9 и форма всасывающего отверстия 6 в виде кольцевого зазора. Формирователь 15 переводит агрегат в этот микропериод еще большим увеличением скорости вращения двигателя 1. Процесс затягивания зерен в пескосборник 9 усиливается боковым оттоком воды из него через его сетчатые стенки в тракт 12 и окно 3 работающего насоса 2. Этот микропериод держится до некоторого момента опорожнения пескосборника 9 от большей части массы пульпы, сформированной в предыдущем микропериоде, и он также не очень критичен по продолжительности.

Далее цикл повторяет заданное задатчиком 14 число раз в той же последовательности микропериодов до полного удаления песка, извлеченного из воды насосным агрегатом в головном макропериоде. Для этого достаточно несколько циклов (двух-трех, но можно задать любое количество в зависимости принципиально от кольматажных свойств конкретного песка по отношению к примененной сетке).

Завершающий период "выброса пульпы из нагнетательной трубы 4 во внешнюю среду" наступает в момент прихода пульпы к устройству выброса 16, например по патенту РФ на изобретение 2146963 С1 [3], который зависит от дальности транспортирования пульпы по нагнетательной трубе 4 и может накладываться на цикл или головной период. Прекращается завершающий период в результате непоступления пульпы к устройству выброса 16.

Далее рабочий цикл автоматически повторяется до обесточивания двигателя 1 по какой-либо причине. Если остановка двигателя 1 произошла в момент, когда по нагнетательной трубе 4 транспортировалась пульпа, то фильтр-сетка 7 воспрепятствует проникновению зерен песка в насос 2, и пульпа выйдет в пескосборник 9 через всасывающее отверстие 6 эжектора 5.

Таким образом, в данном изобретении благодаря формирователю 15 плавно изменяющегося возвратно-поступательного движения воды в насосном агрегате созданы гидравлические условия для пульпообразования в пескосборнике 9 перед удалением песка из него, снижены потери напора на эжекторе 5 при всасывании песка, повышена степень очистка сетчатого фильтра 8, уменьшены потери воды на регенерацию системы очистки и число резких остановок-пусков агрегата датчиками уровней воды в скважине, что снизило пескование скважины; другими отличительными признаками улучшена очистка дна 10 пескосборника 9 от случайно осевших зерен, предупреждено проникновение песка в насос 2 через эжектор 5 при обратном токе воды в нем и простое двигателя 1.

Источники информации
1. SU 1660587 A3. Кл. F 04 D 13/10. Погружной насосный агрегат / Ищенко Ю. А., Даев В. Г. - Заявл. 31.07.89 г. Опубл. 30.06.91 г. Бюл. 24.

2. Ищенко А. Ю. Обоснование технологических параметров средств очистки подземной воды для птицеводства: Диссертация к.т.н. / Волгогр. гос. с.-х. акад. Волгоград, 1999.

3. RU 2146963 С1. Кл. 7 В 01 D 24/48. Автоматическая фильтровальная установка / Стрыгин М. И., Ищенко А. Ю., Пындак В. И., Архипов А. А. - Заявл. 21.12.98 г. Опубл. 27.03.2000 г. Бюл. 9.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может использоваться в водоснабжении для откачки воды из бесфильтровых скважин с неустранимым выносом песка в концентрации выше нормативной для насоса и затрудняющей эксплуатацию водохозяйственной системы. Погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин содержит асинхронный электродвигатель, центробежный насос, водоприемное окно, нагревательную трубу, цилиндрический сетчатый фильтр, цилиндрический пескосборник, надфильтровую воронку, эжектор на нагнетательной трубе, дренажно-промывной тракт, устройство выброса песка во внешнюю среду, автоматизированный привод двигателя, датчики предельных уровней воды в скважине и блок задатчиков режимов работы агрегата, в т.ч. задатчик регенерации системы очистки воды. Корпус пескосборника выполнен сетчатым, дно пескосборника - конусообразным, всасывающее отверстие эжектора - в виде кольцевого зазора, эжектор оснащен фильтром-сеткой на его напорном входе, задатчик регенерации содержит формирователь плавно изменяющегося возвратно-поступательного движения воды в системе. Изобретение направлено на создание в насосном агрегате гидравлических условий для пульпообразования в пескосборнике перед удалением песка из него, улучшение очистки пескосборника от случайно осевших зерен, уменьшение потерь напора на эжекторе, улучшение очистки сетчатого фильтра, предупреждение проникновения песка в насос через эжектор при обратном токе воды в нем и простое двигателя, снижение выноса песка из скважины. 1 ил.

Погружной насосный агрегат для пескующих бесфильтровых водозаборных скважин, содержащий асинхронный электродвигатель, центробежный насос с водоприемным окном и нагнетательной трубой, систему очистки воды от песка с цилиндрическим сетчатым фильтром в виде стакана, закрепленного дном на двигателе и охватывающего водоприемное окно и корпус насоса, цилиндрическим пескосборником с надфильтровой воронкой и эжектором на нагнетательной трубе, установленными внутри фильтра аксиально, дренажно-промывным трактом в виде зазора между фильтром и общей боковой поверхностью насоса, устройством выброса песка во внешнюю среду, а также автоматизированный привод двигателя с датчиками предельных уровней воды в скважине и блоком задатчиков режимов работы агрегата, в т.ч. задатчик регенерации системы очистки воды, отличающийся тем, что корпус пескосборника выполнен сетчатым, дно пескосборника - конусообразным, всасывающее отверстие эжектора - в виде кольцевого зазора, эжектор оснащен фильтром-сеткой на его напорном входе, задатчик регенерации системы очистки содержит формирователь плавно изменяющегося возвратно-поступательного движения воды в системе, например в виде автоматического частотного (транзисторного) или амплитудного (тиристорного) регулятора скорости вращения двигателя с максимального значения до нуля и обратно периодически.