高印軍,張保祥
(山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014)
地下水灌抽兩用設(shè)備研制探討
高印軍,張保祥
(山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014)
上世紀(jì)80年代以來(lái),西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)施了許多的ASR(含水層存儲(chǔ)和回采)和MAR(可管理的含水層補(bǔ)給)工程。在這方面國(guó)內(nèi)起步較晚,特別是在相關(guān)設(shè)備研發(fā)方面進(jìn)展緩慢。本文介紹了ASR設(shè)備計(jì)算原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)并對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行了評(píng)估,抽水-回灌效果良好,可對(duì)國(guó)內(nèi)地下水回灌及超采區(qū)治理工作提供裝備支持。
ASR;地下水回灌;地下水灌抽兩用井
地下水資源是水資源的重要組成部分,由于其水質(zhì)良好、開(kāi)采方便、分布廣泛的特性,長(zhǎng)期以來(lái)在供水及維系生態(tài)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用。超量開(kāi)采地下水資源,區(qū)域地下水位大幅下降,局部地下水開(kāi)采漏斗不斷擴(kuò)大,嚴(yán)重破壞了地下水系統(tǒng)的自然平衡狀態(tài),引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因此對(duì)超采地區(qū)進(jìn)行地下水人工回灌,對(duì)提升地下水位、改善地下水環(huán)境等,具有十分重要的作用和意義,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),自主研發(fā)了地下水灌抽兩用井系統(tǒng),主要包括水源子系統(tǒng)、輸水管道子系統(tǒng)、水處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、地下水回灌流量調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。在任意工況時(shí)均可運(yùn)行地下水灌抽兩用井系統(tǒng),采用智能化管理,使用簡(jiǎn)單高效。
閥體開(kāi)孔數(shù)是地下水回灌兩用閥設(shè)計(jì)的重要參數(shù),開(kāi)孔數(shù)數(shù)量、直徑大小與回灌壓力、管徑等參數(shù)相關(guān),是衡量地下水回灌流量大小的表征指標(biāo)。閥體開(kāi)孔設(shè)計(jì)斷面如圖1所示,本次設(shè)計(jì)過(guò)程中以回灌流量最大為Q計(jì)算,1-1斷面的壓力為 P1,管道內(nèi)徑為 D,管長(zhǎng) L1(井外)、L2(井外)。閥體開(kāi)孔數(shù)計(jì)算步驟如下:
設(shè)主管道流速為V1,底部開(kāi)孔的流速為V2,總流量為Q。1-1斷面和2-2斷面的能量方程式如下:
圖1 閥體開(kāi)孔設(shè)計(jì)斷面圖
其中:L2=Z1-Z2;hf為主管道的沿程損失。當(dāng)L1+L2≤10 m,hf可忽略不計(jì),即 hf=0。
當(dāng) L1+L2≥10 m,hf=λ (L1+L2)/D v12/2g,λ 為沿程阻力系數(shù),由雷諾數(shù)Re和Δ/D查莫迪圖得,Re=v1D/γ,γ是水的運(yùn)動(dòng)粘度,Δ為管材的粗糙度,v1=4Q/πD2。hw為局部損失。主管道 90°彎頭hw主和開(kāi)孔 90°彎流 hW孔,即 hW=hW主+hW孔。
式中:ζ1、ζ2為局部阻力系數(shù),可查《水力學(xué)》等表得。 也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,ζ1=1.0;ζ2=1.5。
將以上各項(xiàng)代入(1)式得:
由于式中 L2、L1、P1、v1已知,λ、ζ1、ζ2可由上述方法確定,所以由(2)式求出小孔的v2。
根據(jù)已知Q及上式求出的v2,計(jì)算開(kāi)孔的總面積A:
A=Q/εv2,ε 為收縮系數(shù),可取 0.64。
設(shè)在管道上所開(kāi)小孔的個(gè)數(shù)為n,則小孔的直徑d可由下式計(jì)算:
πD2/4=A/D,d=,n個(gè)小孔均為圓孔,螺旋狀分布,可提高控制出水孔開(kāi)度的靈敏性。
小孔的個(gè)數(shù)n可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定或由試驗(yàn)確定;未計(jì)小孔間的干擾。
2.1 閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制
閥體主要包括缸體、活塞、活塞法蘭盤(pán)、推桿、油缸接口、端部密封壓蓋等。主要部件設(shè)計(jì)功能如下:
缸體:與頂部法蘭盤(pán)和端部法蘭盤(pán)組成灌抽兩用閥殼體,缸體上設(shè)置出水孔,設(shè)計(jì)。
頂部法蘭盤(pán):連通上部的水管并與之密封、固定。
端部法蘭盤(pán):連通下部的水管與潛水泵相連。
活塞:上下滑動(dòng),控制塑料套環(huán)的位置。
塑料套環(huán):與活塞相連,通過(guò)活塞的滑動(dòng)改變位置,從而控制出水孔的開(kāi)度。
活塞處法蘭與套環(huán)處法蘭:限制活塞上下運(yùn)動(dòng)的范圍。
密封壓蓋:封堵腔體,防止回灌時(shí)水流穿過(guò)兩用閥底部,以保證回灌水從缸體的出水孔出流,同時(shí)也可以防止回灌水對(duì)潛水泵的損害。
2.2 地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC控制系統(tǒng)包括觸摸屏、模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電磁接觸器、PLC、及其動(dòng)力電纜及控制電纜組成,液壓油管路上的油壓力傳感器、油壓力傳感器、位移傳感器、水壓力傳感器通過(guò)采集傳輸信息數(shù)據(jù)電纜與PLC智能控制箱上的PLC連接;限位開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),通過(guò)信號(hào)傳輸電纜與PLC輸入端子連接;PLC采集的信息通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)接|摸屏,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制;PLC輸出端電纜連接電磁接觸器,電磁接觸器電纜連接抽水泵、液壓泵、電磁閥控制接通或斷開(kāi)。
PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同,基本構(gòu)成為:電源、中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。本次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言梯形圖(LD)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件操作界面包括自動(dòng)模式、調(diào)試模式、油泵運(yùn)行、油泵停止、油缸啟動(dòng)、油缸停止、參數(shù)調(diào)校、參數(shù)設(shè)定、回首頁(yè)等模式和檔位。
地下水灌抽兩用井系統(tǒng)包括:智能控制裝置、動(dòng)力裝置、傳感器裝置、灌抽兩用閥、輸水管路、止回閥。其中,智能控制包括可編程控制器、繼電器、觸控操作裝置;動(dòng)力裝置包括抽水泵、液壓泵、三通電磁閥、液壓油缸、液壓管路;傳感器裝置包括位移傳感器、壓力傳感器、限位開(kāi)關(guān);灌抽兩用閥包括環(huán)形閥體、套環(huán)、閥桿、密封壓蓋、內(nèi)管、活塞、進(jìn)油孔。地下水灌抽兩用井設(shè)備關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、加工后,與采購(gòu)的傳感器等零部件裝配成樣機(jī)。地下水灌抽兩用井系統(tǒng)裝配示意圖如圖2所示。
地下水灌抽兩用井系統(tǒng),其特征在于通過(guò)地下水灌抽兩用井系統(tǒng)進(jìn)行智能控制的手動(dòng)運(yùn)行可以開(kāi)、停任意按鈕使系統(tǒng)在任意工況運(yùn)行。其運(yùn)行方式分為兩種,一種為抽水工況模式,一種為回灌工況模式。
圖2 地下水灌抽井系統(tǒng)裝配示意圖
3.1 抽水工況
人工開(kāi)啟抽水工況按鈕,抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動(dòng)智能控制運(yùn)行:首先通過(guò)限位開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉判斷抽水—回灌兩用閥的回灌孔是否關(guān)閉。
若抽水—回灌兩用閥未關(guān)閉,則啟動(dòng)液壓泵、同時(shí)控制電磁閥動(dòng)作,液壓油向著抽水-回灌兩用閥關(guān)閉的方向流動(dòng),同時(shí)液壓油缸緩緩動(dòng)作,抽水-回灌兩用閥緩緩關(guān)閉,關(guān)閉到位后液壓油缸觸動(dòng)限位開(kāi)關(guān),限位開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)給抽水—回灌智能系統(tǒng),同時(shí)壓力傳感器的壓力感應(yīng)到設(shè)定的壓力最大值,抽水—回灌智能系統(tǒng)智能判斷壓力傳感器壓力達(dá)到最大值,此刻關(guān)閉電磁閥、停止液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn);接著抽水—回灌智能系統(tǒng)啟動(dòng)抽水泵運(yùn)轉(zhuǎn),系統(tǒng)處于抽水工況。若抽水—回灌兩用閥關(guān)閉,抽水—回灌智能系統(tǒng)直接啟動(dòng)抽水泵運(yùn)轉(zhuǎn),系統(tǒng)處于抽水工況。
3.2 回灌工況
人工開(kāi)啟回灌工況按鈕,抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動(dòng)智能控制運(yùn)行。首先判斷水壓力傳感器的壓力,水壓力傳感器的壓力與設(shè)定壓力是否相等。若不相等,則繼電器接通,啟動(dòng)液壓泵、同時(shí)PLC判斷水壓力傳感器的壓力<設(shè)定壓力?若是,則繼電器接通,電磁閥打開(kāi),液壓油缸緩緩頂出,抽水—回灌兩用閥緩緩關(guān)閉,水壓力傳感器壓力增大,水壓力傳感器的壓力信號(hào)不斷傳輸給PLC,PLC隨時(shí)判斷判斷水壓力傳感器的壓力是否等用戶(hù)設(shè)定壓力?若是,則繼電器斷開(kāi),液壓泵停止;若不是,則繼續(xù)循環(huán),直至限位開(kāi)關(guān)頂開(kāi),限位開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)給PLC,同時(shí)壓力傳感器的壓力感應(yīng)到設(shè)定的壓力最大值,PLC判斷壓力傳感器壓力達(dá)到了最大值,此時(shí)油壓力傳感器到最大值,則繼電器斷開(kāi),液壓泵停止;回灌水向回灌管道流入,當(dāng)回灌水進(jìn)入回灌管道后,壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí),則啟動(dòng)液壓泵、繼電器接通、同時(shí)控制電磁閥打開(kāi),液壓油向著抽水—回灌兩用閥開(kāi)啟的方向流動(dòng),同時(shí)液壓油缸緩緩動(dòng)作,抽水-回灌兩用閥緩緩開(kāi)啟,水壓力傳感器壓力減小、當(dāng)水壓力傳感器感應(yīng)到壓力值等于設(shè)定壓力范圍值時(shí)、繼電器斷開(kāi),液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn),抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度停在當(dāng)前位置;若回灌水流量增大導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí),則重復(fù)該過(guò)程;若回灌水流量減小導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值小于設(shè)定壓力范圍值時(shí),則反向地重復(fù)該過(guò)程;若回灌水流量增大導(dǎo)致壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時(shí),則重復(fù)動(dòng)作過(guò)程時(shí),抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度達(dá)到最大時(shí),則液壓油缸觸動(dòng)限位開(kāi)關(guān),同時(shí)油壓力傳感器的感應(yīng)壓力達(dá)到了最大設(shè)定值,兩者同時(shí)給PLC發(fā)信號(hào),此刻繼電器斷開(kāi)、液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn),抽水-回灌兩用閥開(kāi)啟度停在最大開(kāi)度運(yùn)行。
回灌工況,回灌水在輸水管內(nèi)向下流動(dòng),當(dāng)流動(dòng)到止回閥時(shí),由于止回閥是關(guān)閉狀態(tài),回灌水在輸水管內(nèi)逐漸集累,當(dāng)積累到一定高度,回灌管內(nèi)開(kāi)始有壓力,回灌水流按回灌工況回灌,回灌管內(nèi)從此始終有壓力,回灌水從抽水-回灌兩用閥的開(kāi)孔中流出,水流是有壓流,而不是自由落水流。
ASR裝配完成后,分別在自動(dòng)控制狀態(tài)下、手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下、手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下,對(duì)國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)壓力、回灌流量、活塞開(kāi)度、靈敏性等進(jìn)行測(cè)試。
1)自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定在穩(wěn)定回灌水管內(nèi)壓力的前提條件下,看回灌流量是否存在變化,且與活塞開(kāi)度是否成正比變化;
2)手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定活塞開(kāi)度為100%條件下,看回灌流量是否存在變化,且與壓力是否成正比變化;
3)手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定活塞開(kāi)度為50%條件下,看回灌流量是否存在變化,且與壓力是否成正比變化。
自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖3所示;手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖4所示;手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程如圖5所示。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,在自動(dòng)狀態(tài)下,活塞開(kāi)度可以隨著回灌流量增大而成正比例調(diào)整,以便穩(wěn)定回灌水管內(nèi)壓力;在手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下和半開(kāi)狀態(tài)下,活塞開(kāi)度一定,回灌流量越大則回灌水管內(nèi)壓力越大,但活塞開(kāi)度50%條件下,回灌流量與回灌水壓力正比例關(guān)系更加明顯,這也說(shuō)明,開(kāi)度越小,控制調(diào)節(jié)回灌流量和壓力越靈敏??傮w而言,國(guó)產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)論相吻合。
表1 自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
表2 手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
表3 手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
圖3 自動(dòng)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程
圖4 手動(dòng)全開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程
圖5 手動(dòng)半開(kāi)狀態(tài)下試驗(yàn)各參數(shù)變化過(guò)程
地下水灌抽兩用井的研制與應(yīng)用,效果良好,對(duì)于優(yōu)化地下水含水層開(kāi)發(fā)利用,提高水資源調(diào)蓄能力,緩解供需矛盾,保護(hù)地下水環(huán)境等具有重要的實(shí)用價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。其一井兩用的特性,經(jīng)濟(jì)科學(xué),如今又輔以智能化,值得在水資源短缺地區(qū)、海水入侵區(qū)域及地下水超采區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用,可有效的緩解水資源緊張的狀態(tài),提高水資源綜合利用率,涵養(yǎng)地下水資源,恢復(fù)地下水生態(tài)環(huán)境。
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(責(zé)任編輯 遲明春)
P641.8
B
1009-6159(2017)-10-0019-04
高印軍(1967—),男,副院長(zhǎng),研究員
水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目(201227)資助