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        地下水灌抽兩用設(shè)備研制探討

        2017-10-18 06:43:25高印軍張保祥
        山東水利 2017年10期
        關(guān)鍵詞:兩用限位開度

        高印軍,張保祥

        (山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟南 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 濟南 250014)

        上世紀(jì)80年代以來,西方發(fā)達國家已經(jīng)實施了許多的ASR(含水層存儲和回采)和MAR(可管理的含水層補給)工程。在這方面國內(nèi)起步較晚,特別是在相關(guān)設(shè)備研發(fā)方面進展緩慢。本文介紹了ASR設(shè)備計算原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地面控制系統(tǒng)設(shè)計,利用研發(fā)產(chǎn)品進行了室內(nèi)試驗并對其運行效果進行了評估,抽水-回灌效果良好,可對國內(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、開采方便、分布廣泛的特性,長期以來在供水及維系生態(tài)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用。超量開采地下水資源,區(qū)域地下水位大幅下降,局部地下水開采漏斗不斷擴大,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)問題。因此對超采地區(qū)進行地下水人工回灌,對提升地下水位、改善地下水環(huán)境等,具有十分重要的作用和意義,同時會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

        本文結(jié)合國內(nèi)外先進技術(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)。在任意工況時均可運行地下水灌抽兩用井系統(tǒng),采用智能化管理,使用簡單高效。

        1 閥體開孔數(shù)計算

        閥體開孔數(shù)是地下水回灌兩用閥設(shè)計的重要參數(shù),開孔數(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)。閥體開孔設(shè)計斷面如圖1所示,本次設(shè)計過程中以回灌流量最大為Q計算,1-1斷面的壓力為 P1,管道內(nèi)徑為 D,管長 L1(井外)、L2(井外)。閥體開孔數(shù)計算步驟如下:

        設(shè)主管道流速為V1,底部開孔的流速為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 閥體開孔設(shè)計斷面圖

        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,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是水的運動粘度,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)驗取值,ζ1=1.0;ζ2=1.5。

        將以上各項代入(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,計算開孔的總面積A:

        A=Q/εv2,ε 為收縮系數(shù),可取 0.64。

        設(shè)在管道上所開小孔的個數(shù)為n,則小孔的直徑d可由下式計算:

        πD2/4=A/D,d=,n個小孔均為圓孔,螺旋狀分布,可提高控制出水孔開度的靈敏性。

        小孔的個數(shù)n可根據(jù)經(jīng)驗確定或由試驗確定;未計小孔間的干擾。

        2 閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地面控制系統(tǒng)設(shè)計

        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、推桿、油缸接口、端部密封壓蓋等。主要部件設(shè)計功能如下:

        缸體:與頂部法蘭盤和端部法蘭盤組成灌抽兩用閥殼體,缸體上設(shè)置出水孔,設(shè)計。

        頂部法蘭盤:連通上部的水管并與之密封、固定。

        端部法蘭盤:連通下部的水管與潛水泵相連。

        活塞:上下滑動,控制塑料套環(huán)的位置。

        塑料套環(huán):與活塞相連,通過活塞的滑動改變位置,從而控制出水孔的開度。

        活塞處法蘭與套環(huán)處法蘭:限制活塞上下運動的范圍。

        密封壓蓋:封堵腔體,防止回灌時水流穿過兩用閥底部,以保證回灌水從缸體的出水孔出流,同時也可以防止回灌水對潛水泵的損害。

        2.2 地面控制系統(tǒng)設(shè)計

        PLC控制系統(tǒng)包括觸摸屏、模式轉(zhuǎn)換開關(guān)、電磁接觸器、PLC、及其動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;限位開關(guān)、限位開關(guān)、模式轉(zhuǎn)換開關(guān),通過信號傳輸電纜與PLC輸入端子連接;PLC采集的信息通過信號線傳輸?shù)接|摸屏,實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制;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。

        PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機,其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同,基本構(gòu)成為:電源、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。本次設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)化編程語言梯形圖(LD)進行系統(tǒng)軟件設(shè)計。軟件操作界面包括自動模式、調(diào)試模式、油泵運行、油泵停止、油缸啟動、油缸停止、參數(shù)調(diào)校、參數(shù)設(shè)定、回首頁等模式和檔位。

        3 系統(tǒng)裝配

        地下水灌抽兩用井系統(tǒng)包括:智能控制裝置、動力裝置、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、進油孔。地下水灌抽兩用井設(shè)備關(guān)鍵零部件設(shè)計、加工后,與采購的傳感器等零部件裝配成樣機。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),其特征在于通過地下水灌抽兩用井系統(tǒng)進行智能控制的手動運行可以開、停任意按鈕使系統(tǒng)在任意工況運行。其運行方式分為兩種,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

        人工開啟抽水工況按鈕,抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動智能控制運行:首先通過限位開關(guān)的開閉判斷抽水—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,則啟動液壓泵、同時控制電磁閥動作,液壓油向著抽水-回灌兩用閥關(guān)閉的方向流動,同時液壓油缸緩緩動作,抽水-回灌兩用閥緩緩關(guān)閉,關(guān)閉到位后液壓油缸觸動限位開關(guān),限位開關(guān)發(fā)信號給抽水—回灌智能系統(tǒng),同時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到最大值,此刻關(guān)閉電磁閥、停止液壓泵運轉(zhuǎn);接著抽水—回灌智能系統(tǒng)啟動抽水泵運轉(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)直接啟動抽水泵運轉(zhuǎn),系統(tǒng)處于抽水工況。

        3.2 回灌工況

        人工開啟回灌工況按鈕,抽水-回灌智能系統(tǒng)即自動智能控制運行。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,啟動液壓泵、同時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,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不斷傳輸給PLC,PLC隨時判斷判斷水壓力傳感器的壓力是否等用戶設(shè)定壓力?若是,則繼電器斷開,液壓泵停止;若不是,則繼續(xù)循環(huán),直至限位開關(guān)頂開,限位開關(guān)發(fā)信號給PLC,同時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到了最大值,此時油壓力傳感器到最大值,則繼電器斷開,液壓泵停止;回灌水向回灌管道流入,當(dāng)回灌水進入回灌管道后,壓力傳感器感應(yīng)到壓力值大于設(shè)定壓力范圍值時,則啟動液壓泵、繼電器接通、同時控制電磁閥打開,液壓油向著抽水—回灌兩用閥開啟的方向流動,同時液壓油缸緩緩動作,抽水-回灌兩用閥緩緩開啟,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、繼電器斷開,液壓泵停止運轉(zhuǎn),抽水-回灌兩用閥開啟度停在當(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,則重復(fù)該過程;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,則反向地重復(fù)該過程;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,則重復(fù)動作過程時,抽水-回灌兩用閥開啟度達到最大時,則液壓油缸觸動限位開關(guān),同時油壓力傳感器的感應(yīng)壓力達到了最大設(shè)定值,兩者同時給PLC發(fā)信號,此刻繼電器斷開、液壓泵停止運轉(zhuǎn),抽水-回灌兩用閥開啟度停在最大開度運行。

        回灌工況,回灌水在輸水管內(nèi)向下流動,當(dāng)流動到止回閥時,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-回灌兩用閥的開孔中流出,水流是有壓流,而不是自由落水流。

        4 效果評估

        ASR裝配完成后,分別在自動控制狀態(tài)下、手動全開狀態(tài)下、手動半開狀態(tài)下,對國產(chǎn)化系統(tǒng)壓力、回灌流量、活塞開度、靈敏性等進行測試。

        1)自動狀態(tài)下試驗?zāi)康氖菧y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,且與活塞開度是否成正比變化;

        2)手動全開狀態(tài)下試驗?zāi)康氖菧y定活塞開度為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)手動全開狀態(tài)下試驗?zāi)康氖菧y定活塞開度為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。

        自動狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)如表1所示,試驗各參數(shù)變化過程如圖3所示;手動全開狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)如表2所示,試驗各參數(shù)變化過程如圖4所示;手動半開狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)如表3所示,試驗各參數(shù)變化過程如圖5所示。

        5 結(jié)語

        通過實驗研究,在自動狀態(tài)下,活塞開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;在手動全開狀態(tài)下和半開狀態(tài)下,活塞開度一定,回灌流量越大則回灌水管內(nèi)壓力越大,但活塞開度50%條件下,回灌流量與回灌水壓力正比例關(guān)系更加明顯,這也說明,開度越小,控制調(diào)節(jié)回灌流量和壓力越靈敏??傮w而言,國產(chǎn)設(shè)備各項指標(biāo)符合設(shè)計要求,與實際試驗結(jié)論相吻合。

        表1 自動狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)表

        表2 手動全開狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)表

        表3 手動半開狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)表

        圖3 自動狀態(tài)下試驗各參數(shù)變化過程

        圖4 手動全開狀態(tài)下試驗各參數(shù)變化過程

        圖5 手動半開狀態(tài)下試驗各參數(shù)變化過程

        地下水灌抽兩用井的研制與應(yīng)用,效果良好,對于優(yōu)化地下水含水層開發(fā)利用,提高水資源調(diào)蓄能力,緩解供需矛盾,保護地下水環(huán)境等具有重要的實用價值及現(xiàn)實意義。其一井兩用的特性,經(jīng)濟科學(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。

        [1] 崔祥琨,孫坤.地下水污染與預(yù)防[J].科技信息,2009,25:341.

        [2] 胡志榮,曹萬金,任清潮,楊保全.地下水超采及其環(huán)境影響研究[J].水資源保護,1995(2):37-41.

        [3] 吳興波.濟南人工回灌補源保泉試驗研究[D].武漢:武漢大學(xué),2004.

        [4] 杜新強,冶雪艷,路瑩等.地下水人工回灌堵塞問題研究進展[J].地球科學(xué)進展,2009,24(8):973-978.

        [5] 劉青勇,潘世兵,武曉峰等.地下水回灌補源防治咸水入侵技術(shù)研究—以山東省廣饒縣為例 [J].自然災(zāi)害學(xué)報,2006,15(3):96-100.

        (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,研究員

        水利部“948”計劃項目(201227)資助

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