Когда оборудуются новые скважины или восстанавливаются старые, основной задачей является обеспечение надежной подачи воды хорошего качества и в достаточном объеме по конкурентоспособной цене. К сожалению, основное внимание слишком часто уделяется краткосрочным аспектам первоначальной стоимости. Поэтому потребители значительно переплачивают за пользование водой, так как слишком мало внимания уделяется самому способу добычи грунтовых вод. Контрольные замеры, проведенные Thames Water, показывают, что в эксплуатационных расходах на перекачивание воды первоначальная стоимость приобретения насоса составляет менее 5% от всех издержек владения. Расходы на техническое обслуживание составляют 10%, а остальное приходится на потребляемую энергию, что составляет свыше 85%. Тем не менее, дальнейшие тенденции в сфере высококвалифицированного водоснабжения ясны: инвестиции будут делаться исключительно в оборудование и эксплуатацию, что внесет свой вклад в сохранение издержек владения или затрат за весь срок службы на минимальном уровне. По этой причине фирма Grundfos ежегодно расходует 50 млн американских долларов на проектно-исследовательские работы. Основная часть этой суммы идет на решение таких задач, которые непосредственно влияют на издержки владения: на повышение КПД насоса и электродвигателя, а также на увеличение срока службы оборудования. Более того, большая часть расходуется на вспомогательные контрольно-измерительные инструменты, что дает потребителям возможности сделать оптимальный выбор и оптимизировать операции со скважиной насосной установки как до ее монтажа, так и после. ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ Водоносный горизонт определяет запасы грунтовых вод. Объем и качество воды в нем зависят от геологических условий в самом водоносном горизонте и вокруг него. Чтобы определить объем имеющихся запасов и оценить взаимное влияние скважин на снижение уровня грунтовых вод, в данных условиях очень важно определить проницаемость водоносного пласта. Для этого проводится контрольное откачивание в течение не менее одного часа. Во время выполнения этой операции путем хронометража определяется интенсивность падения уровня воды в скважинах с регистрацией всех получаемых данных. В данный момент существует определенное стремление рассредоточить большее число более мелких скважин на большей площади с целью распределения риска таким образом, чтобы сделать отдельную скважину менее уязвимой для загрязнений и значительного падения уровня. Качество грунтовых вод определяется способом водоподготовки или очистки воды, используемым на водопроводной станции. В идеальном случае воду для этой цели следовало бы подвергать химическому анализу в каждой скважине и периодически повторять эти анализы, поскольку качество с течением времени может сильно измениться. Таким образом, можно будет еще на ранней стадии определить любое естественное или вызванное жизнедеятельностью человека загрязнение площади водосбора. Такие анализы используются также для определения способа очистки воды, дающего максимальный эффект при использовании его на гидротехнических сооружениях. Эффективная водоподготовка означает минимум фильтрации, что способствует соответствующему снижению потребления электроэнергии и воды, затрачиваемых на обратную промывку фильтров. СКВАЖИНЫ Дебет скважины определяется ее удельной производительностью в м3/ч на 1 метр падения уровня воды за данный период времени. Производительность скважины выражается в ее КПД в процентах, который представляет собой отношение между снижением уровня горизонта грунтовых вод и падением уровня воды в скважине. Если КПД составляет 50%, то снижение уровня воды в скважине в два раза больше, чем его падение снаружи скважинного фильтра, т.е. вдвое больше, чем снижение уровня горизонта грунтовых вод. Такое повышенное снижение уровня грунтовых вод вызвано падением давления как в самом водоносном горизонте и вокруг него, так и в гравийном фильтре. Увеличенное падение уровня грунтовых вод означает повышение гидростатического напора и, следовательно, рост энергопотребления на каждый кубометр (или галлон) поданной на поверхность воды. Также возрастает опасность работы насоса всухую. Например, увеличенное падение уровня грунтовых вод в 10 м относительно динамического уровня воды в 50 м при производительности 90 м³/ч повысит затраты на электроэнергю на 25%. Рост издержек может примерно соответствовать ежегодным расходам на приобретение нового насоса! Многие скважины, особенно те, которые имеют гравийный фильтр, становятся менее продуктивными из-за образования на поверхности фильтра или вокруг него минеральных отложений. В результате будут снижаться КПД и удельная продуктивность скважины. Во многих случаях полностью или частично устранить эти отложения и, соответственно, восстановить продуктивность такой скважины позволяет ее регенерация. Однако неправильно выбранная продолжительность регенерации или сам процесс регенерации, выполненный с нарушениями, могут сократить срок службы скважины. Регенерацию следует начинать не позднее того момента, когда продуктивность скважины упадет на 10%. До этого момента пористые каналы в отложениях еще достаточно открыты, что позволяет достаточно эффективно выполнить промывку и удалить многие частицы отложений. Если же это не даст требуемого эффекта, то необходимо рассмотреть возможности изменения способа эксплуатации скважины. Например, установка менее мощного насоса, который, с точки зрения рабочих характеристик, лучше подходит для данной скважины. Может быть, также имеется возможность регулировать объем воды путем увеличения продолжительности эксплуатации менее мощного насоса. Наилучшим решением было бы оснащение всех скважин расходомером и датчиком контроля уровня, что позволит персоналу водопроводной станции осуществлять непрерывный контроль эффективности промывки сетчатого фильтра водой и удельной производительности, тем самым они вовремя смогут определить момент окончания регенерации. НАСОСЫ После того, как бурение скважины завершено, в течение 72 часов из нее выполняется опытный забор воды. Это способствует очистке скважины, а полученный на основании этого испытания отчет позволит принять окончательное решение о выборе насоса. В отчете должна также содержаться информация, свидетельствующая о том, что бурение скважины проведено надлежащим образом, что вода, производимая этой скважиной, не содержит песка и т.п. Выбор соответствующего насоса крайне затруднен постоянно меняющимися гидравлическими условиями из-за колебаний уровня грунтовых вод и нестабильности противодавления в остальной части гидросистемы, используемой для забора воды. Следовательно, падение уровня воды в данной конкретной скважине зависит от продолжительности водозабора не только из нее, но также и из соседних скважин. Максимальный КПД насос имеет в сравнительно небольшом диапазоне рабочих параметров, и, в случае повышения или понижения одного из них, КПД сразу начинает падать. Поэтому достижение режима постоянной оптимальной эксплуатации представляется крайне затруднительным в большинстве сложных гидросистем, объединяющих несколько скважин. Наиболее оптимальным выходом из создавшейся ситуации может стать применение компьютерной системы управления (SCADA), в которую вводятся такие рабочие параметры каждой скважины как расход и давление. На основании этих данных компьютер рассчитывает оптимальный режим эксплуатации для всех насосных установок, работающих в месте добычи грунтовых вод. Повышение КПД на 10%, например с 65% до 75%, означает, что при подаче 400 м³/ч на высоту 80 м в течение 10 лет (4700 часов ежегодной эксплуатации) будет сэкономлено 800000 кВтч электроэнергии. Практика показала, что наиболее часто встречающиеся случаи неудовлетворительной работы насоса вызваны его неправильным выбором, обусловленными, зачастую, неуверенностью в том, что насос не обеспечит указанные для него технические характеристики. Опасение, что насос не обеспечит подачу достаточного объема воды, почти всегда приводит к тому, что приобретается насос, мощность которого слишком велика для данной скважины. Отсюда берут начало все проблемы чрезмерного падения уровня воды, низкой экономичности и т.п. Для того, чтобы сократить издержки владения, следует тщательно обсудить вопрос о станциях, подающих воду из нескольких скважин, как о серьезной альтернативе в тех случаях, когда уровень водопотребления превосходит продуктивность имеющейся скважины. Правильно выбранный насос просто удаляет из скважины ту воду, что скапливается в ней естественным путем, таким образом можно идеально добиться стабилизации уровня грунтовых вод и максимально увеличить период между техническим обслуживанием и регенерацией скважины. Вследствие износа и образования отложений минеральных веществ рабочие характеристики насоса с течением времени часто снижаются, и в определенный момент приходится поднимать его из скважины для промывки и (если это требуется) ремонта. Решение проблемы определения оптимального времени для проведения технического обслуживания для данного насоса также следует возложить на систему управления. Методика определения оптимального времени технического обслуживания выбирается в зависимости от имеющейся информации о стоимости ремонта и от постоянно поступающих сведений об уровне грунтовых вод, давлении, расходе и потребляемой электроэнергии для данной скважины. Далее эта информация обрабатывается компьютером и сопоставляется с теми техническими параметрами, которые указал изготовитель в технических характеристиках насоса. Принимая во внимание износ, необходимо обратить внимание на следующее: если выбираются насосы, в конструкции которых предусмотрена смазка подшипников водой, то теоретически подшипники могут исправно функционировать весь срок службы насоса независимо от частоты вращения, поскольку поверхности подшипников разделены водяной пленкой. Однако в действительности в скважинах для добычи грунтовых вод не всегда присутствует вода, свободная от инородных включений. Следовательно, как в теории, так и на практике приходится считаться с определенной степенью износа рабочих поверхностей подшипников, правда, в достаточно ограниченной степени (макс. 10%), вызванной частотой вращения, с которой эксплуатируется насос. Таким образом, в связи с техническим обслуживанием – и, в частности, из-за высоких издержек на заработную плату, которые приходится нести при техобслуживании скважинных насосов – важно заменить все изношенные узлы и детали. Если этого не делать, то результатом может быть снижение рабочих характеристик насоса и необычайно резкий рост эксплуатационных расходов. Расходы на замену быстроизнашивающихся узлов и деталей могут быть компенсированы в течение нескольких месяцев. Чтобы избежать износа и коррозии рабочих колес и камер насоса, также важно выбирать материалы с высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Это позволит не только увеличить срок службы, но также создать условия для безаварийной эксплуатации с высокими рабочими характеристиками в течение срока службы насоса. Поэтому было бы пустой тратой денег иметь насос, который в течение первых пяти лет эксплуатации работал бы с высоким КПД, а следующие пять лет – с низким. Выбор оптимального графика проведения технического обслуживания возможен лишь при непрерывном контроле рабочих характеристик насоса. СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ Важную роль в выборе мощности и других технических характеристик насосов и электродвигателей играет определение типа силового кабеля. Попытки сэкономить на этом могут дорого обойтись в смысле повышения общих издержек владения. Например: при мощности электродвигателя насоса 75 кВт и длине силового кабеля 75 м экономия при падении напряжения от 5% до 1% через 10 лет эксплуатации составит 170458 кВтч. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ В насосных станциях с погружными насосами наиболее слабым звеном является электродвигатель. Для обеспечения длительного срока службы жизненно важным становится наиболее оптимальный способ защиты электродвигателя. Для этого применяется контроль температуры электродвигателя, поскольку именно один из таких разрушительных факторов как недостаточное охлаждение или напряжение питания и т.п. вызывает перегрев электродвигателя. Фирма Grundfos нашла уникальное техническое решение, позволяющее потребителям получать информацию о текущей температуре электродвигателя и контролировать сопротивление изоляции без использования в скважине дополнительных кабелей. Дополнительно эта система включает в себя встроенную защиту от работы всухую, причем также без применения в скважине дополнительных кабелей и датчиков. НАПОРНАЯ ТРУБА И ТРУБОПРОВОДЫ Последней основной операцией, выполняемой гидросистемой для добычи грунтовых вод, является перекачивание воды, поднятой из скважин установленными в них насосами, по трубам на водопроводную станцию. Поток воды, образующийся в напорной трубе и трубопроводах, вызывает потери напора из-за гидродинамического трения в трубах, клапанах, фитингах и т.п. Эти потери должны компенсироваться насосами. При самом неблагоприятном стечение обстоятельств указанные потери могут быть настолько велики, что обычно высокий КПД насоса в данном случае может упасть настолько, что вода станет очень дорогой, если параметры стояка и трубопровода выбраны неправильно. Пример неправильного выбора параметров напорного трубопровода. Скважинный насос эксплуатируется при следующих технических условиях:
- Q = 85 м³/ч.
- H = 65 м.
- Ежегодное количество мото-часов при эксплуатации насоса составляет 3,450, что дает общий ежегодный объем 293,303 м³ перекачиваемой воды и 81,558 кВтч потребляемой энергии.
- Применение стояка диаметром 5″ позволит снизить потери на трение в стояке с 7,7 м до 2,7 м.
Рабочие характеристики насоса возрастут до 94 м³/ч, и напор упадет до 60 м. При том же общем объеме воды потребление электроэнергии снизится до 74,748 кВтч. Иначе говоря, ежегодная экономия электроэнергии составит 6810 кВтч. Отложение минеральных веществ может повысить потери на трение в стояке и трубопроводе. Как правило, устранить этот эффект может помочь очистка труб. Оптимальный момент для этой операции может быть определен с помощью постоянного контроля за давлением нагнетания во всех скважинах. Естественно, что не менее важным фактором рентабельности является отсутствие в стояке и трубопроводе утечек, так как обычно они повышают расходы примерно на 10-50%. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ Как было показано, имеются очень важные причины для концентрации внимания на физических и финансовых аспектах, а также на вопросах качества воды, которые влияют на уровень издержек владения установок для добычи грунтовых вод. В случае учета всех этих аспектов может быть достигнуто серьезное снижение расходов. Однако рецепт здесь довольно простой:
- В процессе приобретения внимание следует уделять, наряду со стоимостью, тому, насколько данное изделие повлияет на уровень издержек владения.
- При эксплуатации необходимо обеспечить постоянный сбор информации о состоянии каждой скважины. Применение оптимальной системы управления позволит оптимизировать эксплуатацию и удовлетворить нужды потребителей в надежном источнике высококачественной и недорогой воды.
Конечно, легко предположить, что подобные мероприятия могут сделать безработными весь персонал водопроводных станций, однако это определенно не тот случай. Система управления всего лишь обрабатывает полученную информацию – точно так же, как и любой другой компьютер. Гораздо больше внимания следовало бы уделить профилактическому техническому обслуживанию и эксплуатации, поскольку условия работы постоянно меняются. Пройдет еще немало времени, прежде чем компьютеры смогут взять на себя техническое обслуживание и замену труб, насосов и прочих элементов гидросистем! Однако очевидно, что прошли те времена, когда члены персонала водопроводной станции носились в спешке от одной скважины к другой, чтобы самим проверить состояние скважин или, что еще хуже, лишь зафиксировать тот факт, что из скважины вода больше не подается.
