ОТКАЧИВАЮЩАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F04B23/00 

Изобретение относится к насосным откачивающим установкам, предназначенным для откачивания воды и других, в том числе горячих, жидкостей из затопленных подвалов, коллекторов теплосетей, туннелей, колодцев и т.д., особенно при глубоком залегании откачиваемой жидкости относительно поверхности земли, а также может использоваться в аварийных мобильных откачивающих установках и установках для пожаротушения.

Известны откачивающие установки, предназначенные для перекачивания воды и других жидкостей, например, по а.с. СССР №418631 или №850926, а также по патенту США №4616979, кл. F 04 B 17/06.

Указанные откачивающие установки сложны в эксплуатации, недостаточно надежны в работе при перекачивании жидкостей с газовыми (воздушными) включениями, а также жидкостей с высокой температурой, близкой к температуре кипения. Кроме того, эти установки не могут в аварийной ситуации быстро включаться в действие из-за большого объема необходимых подготовительных работ.

Наиболее близким изобретением как по технической сущности, так и по назначению, является принятая за прототип гидроприводная насосная установка, состоящая из откачивающего насоса, связанного с валом турбины (гидродвигателя), входной патрубок которого сообщен с трубопроводом (рукавом) высокого давления, подключенным к выходу насоса-побудителя, вход которого гидравлически сообщен с нижней частью бака-сепаратора, который в свою очередь рукавом низкого давления сообщен с выходом откачивающего насоса, выходом гидродвигателя и выходными сливными рукавами (патент РФ №2094661, кл. F 04 D 13/04, 1997 г.).

Известная установка обладает существенными преимуществами перед аналогичными техническими решениями, однако она чувствительна к попаданию газовых (воздушных) пузырей в откачивающий насос и далее через бак-сепаратор в насос-побудитель, что приводит к срыву его подачи и прекращению процесса откачивания. Эта ситуация достаточно часто может возникать на завершающих стадиях процесса откачивания, когда во всасывающий патрубок откачивающего насоса из-за понижения уровня воды вместе с жидкостью засасывается и воздух. Кроме того, в аварийных ситуациях, когда необходимо быстро ввести установку в действие, тратится время на предварительное заполнение бака сепаратора дополнительным, например, электропогружным насосом, что часто бывает нежелательным. После окончания откачивания в известной установке жидкость сливается через специальные легко засоряемые дросселирующие отверстия в гидроприводном насосе. Этот процесс, необходимый для опорожнения рукавов высокого и низкого давления (без чего существенно затруднен их вывод, например, из люка на поверхность земли), приводит к дополнительным затратам времени на сворачивание аварийной установки.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции откачивающей установки, повышение удобства эксплуатации и надежности в работе, снижение времени на подготовку установки к запуску, а также и на ее сворачивание после завершения аварийных работ.

Поставленная техническая задача решается тем, что:

- откачивающая установка, содержащая бак-сепаратор с выходными сливными рукавами откачиваемой жидкости, рукавом низкого давления для подвода жидкости к баку-сепаратору от расположенного на конце рукава гидроприводного насоса, приводимого той же жидкостью, подаваемой в него по рукаву высокого давления от насоса-побудителя, входной патрубок которого сообщен с нижней частью бака-сепаратора, при этом рукав низкого давления сообщен с баком-сепаратором в его верхней части посредством тангенциально расположенного подводного канала, насос-побудитель расположен ниже уровня нижнего среза тангенциального подводного канала, а его выходной патрубок сообщен с рукавом высокого давления через петлевой участок, верхняя часть которого расположена выше уровня расположения насоса-побудителя и снабжена сообщающим его с внешней средой нормально открытым запорным устройством, причем большая часть сливных рукавов подключена к баку-сепаратору в его верхней части:

- откачивающая установка может быть выполнена так, что по меньшей мере один сливной рукав сообщен с баком-сепаратором в его нижней части у периферии его днища, а по меньшей мере большая часть остальных сливных рукавов сообщена с баком-сепаратором в его верхней центральной части через общий для них центральный патрубок, гидравлически сообщенный с баком-сепаратором через регулируемую задвижку;

- откачивающая установка может быть выполнена также так, что нормально открытое запорное устройство петлевого участка выполнено в виде нормально открытого обратного клапана и расположено внутри бака-сепаратора, а верхняя часть бака-сепаратора снабжена нормально открытым запорным устройством, сообщающим бак-сепаратор с атмосферой;

- откачивающая установка может быть выполнена также так, что бак-сепаратор снабжен датчиками, информационно связанными с системой управления пуском и остановкой насоса-побудителя и регулирования давления в баке-сепараторе на заданном уровне, обеспечивающим безкавитационную работу насоса-побудителя;

- откачивающая установка может выполнена так, что рукав высокого давления расположен внутри рукава низкого давления, причем весь общий рукав откачивающей установки выполнен в виде ограниченных концевыми фланцами секций определенной длины, выполненных с возможностью их герметичного соединения друг с другом и гидроприводным насосом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена гидравлическая схема откачивающей установки, на фиг.2 - вид по А-А на бак-сепаратор, показанный на фиг.1, а на фиг.3 - вариант выполнения откачивающей установки на передвижном прицепе.

Откачивающая установка содержит бак-сепаратор 1 с выходными сливными рукавами 2, 3, 4, 5 отбора откачиваемой жидкости, большая часть которых расположена в верхней части бака-сепаратора, а по меньшей мере один сливной рукав 5 расположен в нижней части бака-сепаратора 1 у его днища, причем нижние сливные рукава 5 снабжены запорными вентилями 6, управляемыми вручную или автоматически по величине давления в баке-сепараторе 1 или уровню жидкости в нем. Рукав 7 низкого давления служит для подвода жидкости к баку-сепаратору 1 от расположенного на его конце гидроприводного насоса 8, приводимого той же (откачиваемой) жидкостью, подаваемой в него по рукаву 9 высокого давления от насоса-побудителя 10, входной патрубок которого сообщен с нижней частью бака-сепаратора 1. Рукав 7 низкого давления сообщен с баком - сепаратором 1 в его верхней части посредством тангенциально расположенного канала 12. Насос-побудитель 10 расположен ниже уровня 13 среза тангенциального канала 12, а его выходной патрубок с напорным трубопроводом 14 сообщен с рукавом 9 высокого давления через петлевой участок 15, верхняя часть 17 которого расположена выше уровня расположения насоса-побудителя 10, преимущественно выше уровня расположения нижнего среза 13 тангенциального канала 12, и снабжена нормально открытым запорным устройством 16, например обратным клапаном, сообщающую верхнюю часть 17 петлевого участка 15 с атмосферой при падении в напорном трубопроводе 14 давления. Верхняя часть бака-сепаратора 1 сообщена с атмосферой через расположенные в верхней части бака-сепаратора 1 сливные рукава 2, 3, 4, а также возможен и дополнительный проходной канал 18, который в данном варианте выполнения сообщен с атмосферой через запорное устройство в виде обратного нормально открытого клапана 19. Рационально канал 18 располагать в центральной части (по оси) бака-сепаратора 1.

Нормально открытый обратный клапан 16 (или его функционально подобный аналог) петлевого участка 15 выходного напорного трубопровода 14 может быть расположен внутри бака-сепаратора 1, в том числе и с самим петлевым участком 15 (см. фиг.3). Преимущественно рационально верхнюю часть 17 петлевого участка 15 располагать выше нижнего среза 13 подводного канала 12 для повышения эффективного объема бака-сепаратора 1.

Бак-сепаратор 1 может быть снабжен дополнительным каналом 20 с запорным устройством 21 для связи бака с источником для предварительного заполнения бака-сепаратора 1.

По меньшей мере один сливной рукав с запорным устройством 6 может быть сообщен с баком-сепаратором 1 через тангенциальный канал 22, расположенный вблизи его днища и вертикальной стенки бака (см. фиг.2) и направленный навстречу направлению выхода жидкости из подводного канала 12 (для облегчения выхода из бака-сепаратора 1 твердых включений, относимых к вертикальной стенке бака и днищу в процессе их сепарации из жидкости). Этот канал может также снабжаться петлевым участком с нормально открытым проходным запорным устройством аналогично 15, 16, 17.

Выходные сливные рукава 2, 3, 4 рационально располагать в верхней части бака сепаратора выше нижнего среза 13 подводного канала 12 и снабжать регулируемыми запорными устройствами-задвижками (на чертеже не показаны) давления в баке-сепараторе 1. Для облегчения процесса управления расходом при упрощении регулирования давления в баке-сепараторе 1 на уровне, достаточном для безкавитационной работы насоса-побудителя 10, сливные рукава 2, 3, 4 в показанных на фиг.1 и 3 вариантах выполнения установки сообщены с баком-сепаратором 1 через общий для них центральный патрубок 23 и общую для них регулируемую задвижку 24.

Для стабилизации избыточного давления в баке-сепараторе 1 на уровне, необходимом для безкавитационной работы насоса-побудителя 10 (что особенно важно при откачивании горячих жидкостей), обеспечения выключения и включения насоса-побудителя 10, в том числе при возможных срывах подачи при засасывании воздуха в гидроприводной насос 8, может применяться система датчиков давления, уровня, температуры и др. - 25, 26, 27, информационно связанных с широко известными системами управления привода, например, электродвигателя, насоса-побудителя, а также задвижкой 24, с вентилем 6 и запорным устройством 21.

Рукав 9 высокого давления для силовой его частичной разгрузки по давлению, повышения безопасности эксплуатации установки и упрощения эксплуатации, особенно при труднодоступных с поверхности местах залегания откачиваемой жидкости, например в глубоком колодце 28, может быть расположен внутри рукава 7 низкого давления, при этом такой общий двухпоточный рукав рационально выполнять в виде ограниченных по длине участков (7-9) с концевыми фланцами для их герметичного соединения друг с другом и откачивающим гидроприводным насосом 8 (см. фиг.3). Вблизи днища бака-сепаратора 1 установлен снабженный верхней крышкой направляющий аппарат - входное устройство 29 для забора воды насосом 10, предотвращающий попадание в насос воздуха при пониженном уровне воды в баке-сепараторе, например при пуске установки. Для более надежного закрытия клапана 19 при повышении уровня воды в баке-сепараторе 1 может быть предусмотрен поплавок 30, кинематически связанный с клапаном 19. Для слива воды в нижней части установки предусмотрен вентиль 31. В варианте выполнения по фиг.3 установка расположена на мобильной платформе-прицепе 32. В канале 12 в его верхней части может быть установлен обратный клапан 34, шунтируемый запорным вентилем 33 для предотвращения слива жидкости из рукава 7 низкого давления при срыве подачи насоса 10.

Работает откачивающая установка следующим образом.

При подаче рабочей жидкости (из предварительно заполненного бака-сепаратора 1) под давлением от насоса-побудителя 10 по выходному напорному трубопроводу 14 и рукаву 9 высокого давления в гидроприводной насос 8 (может быть использован гидроприводной насос любого известного типа, работающий на откачиваемой жидкости), помещенный в откачиваемую жидкость (колодец 28), происходит подача откачиваемой жидкости в рукав 7 низкого давления. При этом расход жидкости в рукаве 7 равен сумме расходов жидкости, подводимой к насосу 8 по рукаву 9, и жидкости, забираемой насосом 8 из колодца 28. Этот суммарный расход по рукаву 7 низкого давления через тангенциально расположенный канал 12 поступает в бак-сепаратор 1, где за счет закручивания этого потока осуществляется центробежная сепарация жидкости, при которой выделяющийся воздух поступает вместе с откачиваемой жидкостью в центральную верхнюю часть бака-сепаратора 1 и далее выбрасывается наружу через сливные рукава 2, 3, 4, а сильно загрязненная жидкость, имеющая относительно большую плотность, отводится из бака-сепаратора 1 через тангенциально расположенный у днища канал 22. Очищенная от твердых включений и газа жидкость поступает во входное устройство 29, расположенное в центральной нижней части бака-сепаратора 1, где энергия циркуляции жидкости в баке преобразуется в дополнительный напор на входе насоса-побудителя 10, суммирующийся со статическим напором, возникающим в баке-сепараторе 1 за счет гидравлического сопротивления сливных рукавов 2, 3, 4, 5 и сопротивления регулируемой задвижки 24. Требуемое давление, обеспечивающее безкавитационную работу насоса 10, например в зависимости от температуры перекачиваемой жидкости и кавитационного запаса насоса 10, устанавливается по информационному сигналу датчиков, например по показанию манометра 25 и термометра 27 (см. фиг.3), вручную или автоматически регулированием задвижки 24. При попадании в бак-сепаратор большого воздушного пузыря он собирается по оси бака-сепаратора 1 и через верхние сливные рукава 2, 3, 4 и открывшийся клапан 19 (в варианте выполнения его по фиг.3 более надежному открытию и закрытию клапана 19 способствует поплавок 30) сбрасывается в атмосферу, что восстанавливает нормальную работу установки. Этому способствует также то, что в период времени поступления большого объема воздуха в бак-сепаратор 1 насос 10 работает за счет запаса (объема) дегазированной жидкости, располагаемой в баке 1 между нижним срезом 13 входного канала 12 и днищем бака-сепаратора 1.

После откачивания всей воды из колодца 28 произойдет срыв подачи насоса 10 и давление в баке 1 резко упадет, что вырабатывает информационный сигнал от датчика давления 25 или датчика уровня 26 на выключение насоса 10. Последующий пуск установки возможен только после нового заполнения бака-сепаратора 1 жидкостью через рукав 20.

После остановки насоса 10 рукава 7 и 9 за счет открытия устройств 16 и 19 быстро опоражниваются от воды, что позволяет легко их вынуть из колодца 28. Это свойство является существенным преимуществом данной установки. Если после откачивания колодца 28 и остановки насоса 10 ожидается новое поступление воды в колодец 28, то вода из бака-сепаратора 1 может не сливаться через сливной вентиль 31, и установка остается готовой к новому циклу откачки, поскольку бак-сепаратор 1 содержит необходимый для этого объем жидкости, а насос 10 находится в залитом состоянии, включая подающую ветвь петлевого участка 15 (поскольку напорный рукав 9 при остановке насоса 10 опоражнивается только до верхнего перегиба участка 15 за счет открытия клапана 16).

При заполнении бака-сепаратора 1 горячей водой для пуска установки без кавитации насоса-побудителя 10 бак-сепаратор 1 над уровнем жидкости может быть подключен к источнику газа, например компрессору, для создания дополнительного подпора у насоса 10.

Для ускорения запуска нового цикла откачки полость между рукавами 7 и 9 может оставаться заполненной жидкостью, если в канале 12 запорный вентиль 33 будет закрыт. В этом случае для полного опорожнения рукавов 7-9 в конце всех работ по осушению достаточно открыть вентиль 33.

Откачивающая установка может быть установлена на передвижном средстве, например автомобиле. При этом насос-побудитель 10 может приводится непосредственно от двигателя автомобиля через раздаточную коробку. Откачивающая установка может быть также смонтирована на прицепе 32, что в ряде случаев применения упрощает подведение установки к месту забора откачиваемой жидкости.

Таким образом, описанное техническое решение откачивающей установки позволяет осуществлять ее быстрый запуск в работу и ее быстрое сворачивание в транспортное положение после осушения подземных коммуникаций: в процессе откачивания установка не чувствительна к попаданию газовых пузырей в гидроприводной насос, поскольку насос-побудитель защищен от них описанным техническим решением бака-сепаратора; после остановки привода насоса-побудителя бак-сепаратор остается в заполненном состоянии и установка всегда готова к новому циклу откачивания. После возможного срыва подачи, что обычно имеет место при снижении уровня жидкости в колодце до входного патрубка гидроприводного насоса, установка при новом поступлении жидкости в колодец может быть быстро снова запущена в работу вручную или автоматически во всем диапазоне температур откачиваемой жидкости. Важно, что предложенная установка обеспечивает безкавитационную устойчивую работу насоса-побудителя даже при высокой температуре откачиваемой жидкости, что позволяет использовать ее, например, для откачивания горячей воды из подземных коллекторов тепловых сетей.

Откачивающая установка предназначена преимущественно для аварийного откачивания различных, в том числе горячих, жидкостей, из затопленных подземных коммуникаций, подвалов колодцев и т.п. посредством расположенного на поверхности насоса-побудителя и расположенного под землей в затопленном объеме гидроприводного насоса, связанных между собой через бак-сепаратор посредством рукавов высокого и низкого давления, преимущественно расположенных один в другом. Гидравлическая связь напорного патрубка насоса-побудителя с рукавом высокого давления выполнена через петлевой участок, в верхней части которого расположен нормально открытый клапан для связи его с атмосферой. Бак-сепаратор снабжен устройствами для связи его верхней части с атмосферой. Рукав низкого давления сообщен с баком-сепаратором в его верхней части через тангенциально расположенный канал, вход насоса-побудителя расположен в нижней части бака-сепаратора. Насос-побудитель расположен ниже верхней части петлевого участка и ниже тангенциального канала рукава низкого давления. Обеспечивается надежная работа установки даже при попадании в откачивающий гидроприводной насос больших объемов воздуха, быстрый запуск установки в действие, безкавитационная работа насоса-побудителя даже при высокой температуре откачиваемой жидкости, простое управление насосной установкой в различных условиях эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Откачивающая установка, содержащая бак-сепаратор с выходными сливными рукавами откачиваемой жидкости, рукавом низкого давления для подвода жидкости к баку-сепаратору от расположенного на конце рукава гидроприводного насоса, приводимого той же жидкостью, подаваемой в него по рукаву высокого давления от насоса-побудителя, входной патрубок которого сообщен с нижней частью бака-сепаратотора, отличающаяся тем, что рукав низкого давления сообщен с баком-сепаратором в его верхней части посредством тангенциально расположенного подводного канала, насос-побудитель расположен ниже уровня нижнего среза тангенциального подводного канала, а его выходной патрубок сообщен с рукавом высокого давления через петлевой участок, верхняя часть которого расположена выше уровня расположения насоса-побудителя и снабжена сообщающим его с внешней средой нормально открытым запорным устройством, причем большая часть сливных рукавов подключена к баку-сепаратору в его верхней части.2. Откачивающая установка по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один сливной рукав сообщен с баком-сепаратором в его нижней части у периферии его днища, а, по меньшей мере, большая часть остальных сливных рукавов сообщена с баком-сепаратором в его верхней центральной части через общий для них центральный патрубок, гидравлически сообщенный с баком-сепаратором через регулируемую задвижку.3. Откачивающая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нормально открытое запорное устройство петлевого участка выполнено в виде нормально открытого обратного клапана и расположено внутри бака-сепаратора, а верхняя часть бака-сепаратора снабжена нормально открытым запорным устройством, сообщающим бак-сепаратор с атмосферой.4. Откачивающая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что бак-сепаратор снабжен датчиками, информационно связанными с системой управления пуском и остановкой насоса-побудителя и регулирования давления в баке-сепараторе на заданном уровне, обеспечивающем бескавитационную работу насоса-побудителя.5. Откачивающая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что рукав высокого давления расположен внутри рукава низкого давления, причем весь общий рукав откачивающей установки выполнен в виде ограниченных концевыми фланцами секций, выполненных с возможностью их герметичного соединения друг с другом и гидроприводным насосом.