Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та

природокористування

Кафедра водопостачання та бурової справи

055-

Конспект лекцій

з дисципліни

«Інтенсифікація і реконструкція систем водопостачання»

для студентів напряму підготовки

«Гідротехніка (водні ресурси)»

фахового спрямування «Водопостачання і водовідведення»

всіх форм навчання

Рекомендовано методичною комісією

напряму «Гідротехніка (водні ресурси)»

протокол № від

Рівне – 2010

Конспект лекцій з дисципліни «Інтенсифікація і реконструкція систем водопостачання» для студентів напряму підготовки «Гідротехніка (водні ресурси)» фахового спрямування «Водопостачання і водовідведення» всіх форм навчання / С.М.Назаров, Рівне: НУВГП, 2010,-126с.

Упорядник С.М.Назаров, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск В.О.Орлов, доктор техн. наук, завідувач кафедри водопостачання та бурової справи

ПЛАН КУРСУ ЛЕКЦІЙ

Змістовий модуль 1. Інтенсифікація і реконструкція

водозабірних споруд

Л1.Задачі і методи інтенсифікації і реконструкції систем

водопостачання

Л2.Інтенсифікація роботи діючих споруд для забирання

води з підземних і поверхневих водних джерел

Л3.Основні задачі реконструкції водозабірних вузлів

Л4.Попереднє очищення води при її забиранні з

поверхневих джерел

Л5.Енергоощадні технології, впроваджені в проектах

водозабірних споруд

Змістовий модуль 2. Інтенсифікація споруд для очищення,

подачі і розподілу води

Л6.Інтенсифікація роботи водопровідних очисних споруд

Л7.Підвищення ефективності попередньої ступені

очищення води

Л8.Інтенсифікація роботи фільтрувальних споруд

Л9.Шляхи підвищення надійності та інтенсивності роботи

систем подачі і розподілу води

Лекція 1. ЗАДАЧІ І МЕТОДИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ

І РЕКОНСТРУКЦІЇ СИСТЕМ ВОДОПОСТАЧАННЯ

Зміст лекції:

1.Сучасний стан систем водопостачання в Україні та основні критерії і показники їх роботи

2.Основні причини незадовільної роботи систем водопостачання

3.Шляхи і етапи діяльності з інтенсифікації роботи систем водопостачання

1.1. Сучасний стан систем водопостачання в Україні

та основні критерії і показники їх роботи

За даними 1998 року виробнича потужність централізованих систем водопостачання (СВ) України складає 29,5 млн. м³/доб, в тому числі СВ комунальної власності – 17,2 млн. м³/доб.

Протяжність водопровідних мереж (ВМ) водопроводів України складає 177 тис. км, в тому числі комунальних водопроводів – 78,8 тис. км. В аварійному стані знаходиться близько 20 тис. км мереж (тобто ~ 9 % всіх ВМ ).

Основними оціночними показниками роботи СВ є:

• продуктивність системи та пропускна спроможність окремих її споруд;

• якість води, що подається її споживачам;

• надійність (безвідмовність) роботи;

• собівартість води.

На собівартість води значною мірою впливають витрати електроенергії при роботі СВ. Підприємства комунального водопостачання і водовідведення є крупними споживачами електроенергії, чиї річні енерговитрати складають 7,2 млрд. кВт-год (біля 4 % від загального споживання електроенергії в Україні). Більше 60 % від загальних витрат систем ВіВ на СВ. В таблиці 1.1 наведені співвідношення енерговитрат на подачу питної води в Україні і за кордоном.

Таблиця 1.1. Співвідношення енерговитрат на подачу

питної води в Україні і за кордоном

Місто	Населення, тис. чол.	Питоме водо- спожи- вання, л / доб	Питомі витрати електроенергії
			кВт-год на 1000 м3	кВт-год на чол. за рік
Київ	2595	475	903	157
Харків	1610	356	1326	172
Дніпропетровськ	1178	356	731	95
Львів	791	199	1013	73
Брюссель	2100	200	835	61
Гамбург	1950	181	1010	67
Копенгаген	850	173	721	45
Гельсінкі	486	212	525	41

Таким чином питомі витрати електроенергії (на людину) коливаються за кордоном від 41 до 67 кВт-год / рік, а в Україні – від 73 до 172 кВт-год / рік (тобто в 1,8...2,6 разів більше).

1.2. Основні причини незадовільної роботи

систем водопостачання

Причини невідповідності вищенаведених показників роботи розрахунковим або нормативним мають суб’єктивний та об’єктивний характер і можуть бути віднесені до етапів проектування, будівництва та експлуатації споруд СВ.

Помилки при п р о е к т у в а н н і допускаються переважно через неточності у вихідних даних:

• невірне прогнозування кількості водоспоживачів;

• невірне формування вузлових відборів з ВМ;

• неврахування змін характеристик споруд в процесі роботи.

Зміна технічних характеристик споруд в процесі експлуатації (зношення лопаток насосів; корозія стінок трубопроводів; відкладення в трубах; замулення і кольматаж фільтрів свердловин; подрібнення піску у засипці швидких фільтрів (ШФ) та винесення його при промивці фільтрів) відносять до об’єктивних причин погіршення роботи споруд.

Причинами незадовільної роботи споруд, пов’язаними з виконанням б у д і в е л ь н о – м о н т а ж н и х робіт, є:

• залишення в трубах і спорудах сторонніх предметів;

• неякісна герметизація стикових з’єднань трубопроводів;

• незадовільне виконання будівельних відкачок із свердловин;

• не проведення або неякісне проведення пуско-наладочних робіт на водопровідно-очисних спорудах (ВОС).

Факторами, що негативно впливають на показники роботи споруд в період їх е к с п л у а т а ц і ї , є:

• незадовільна організація експлуатаційних робіт;

• нераціональні відбори води окремими водоспоживачами;

• недостатньо висока кваліфікація обслуговуючого персоналу;

• експлуатація споруд в неоптимальних режимах.

До характерних прикладів незадовільної організації експлуатаційних робіт можна віднести: неефективні заходи щодо боротьби з витоками з ВМ; погану організацію профілактичних робіт; несвоєчасний ремонт та заміну обладнання; несвоєчасну заміну засипки на фільтрах.

Нераціональні відбори води споживачами можуть бути обумовлені відсутністю належного контролю з боку експлуатаційних організацій, незадовільною роботою водолічильників, відсутністю оборотних систем водопостачання, підвищеним напором у ВМ біля водоспоживачів.

Недостатньо висока кваліфікація обслуговуючого персоналу є, зокрема, причиною відсутності даних спостережень або невміння їх інтерпретувати і використовувати та невміння оперативно приймати рішення щодо покращення роботи споруд і СВ в цілому. Цей фактор може також обумовлювати експлуатацію споруд в неоптимальних режимах (наприклад роботу насоса в області неоптимальних к.к.д. або підтримування нераціональної швидкості в трубах).

1.3. Шляхи і етапи діяльності з інтенсифікації

роботи систем водопостачання

Інтенсифікація роботи окремих споруд СВ досягається здебільшого:

водозабірних споруд (ВЗС) – поновленням або збільшенням продуктивності та надійності роботи;

насосних станцій (НС) – зменшенням витрат електроенергії при роботі;

ВОС – збільшенням продуктивності, підвищенням ступеня очищення води, економією реагентів і матеріалів;

ВМ – зменшенням витоків і нераціональних відборів, збільшенням пропускної спроможності, зменшенням числа аварій і відмов.

Для всієї СВ критерієм інтенсифікації є зменшення собівартості води, що подається споживачам.

Для вибору шляху проведення робіт з інтенсифікації (модернізації) проводяться спеціальні дослідження, під час яких оцінюють обсяг і режим водоспоживання, уточнюють технічні параметри споруд, визначають фактичні режими їх роботи тощо.

Діяльність з інтенсифікації роботи СВ включає наступні етапи:

I. Збір інформації по водоспоживачах і СВ;

II. Натурні дослідження;

III. Обробка результатів досліджень;

IV. Побудова еквівалентної математичної моделі;

V. Розробка рекомендацій щодо інтенсифікації роботи діючої СВ.

На етапі з б о р у і н ф о р м а ц і ї по споживачах встановлюють їх склад, розміщення, водоспоживання сучасне і на перспективу. По спорудах СВ встановлюють: їх повний склад; для ВЗС – тип водоприймача (для свердловин – тип фільтра); для НС – режим роботи; для ВОС – технологію обробки води; для ВМ (включно водоводи) – матеріал, діаметр, термін експлуатації труб.

На етапі н а т у р н и х д о с л і д ж е н ь встановлюють і уточнюють: для ВЗС – якість води у джерелі, дебіти споруд та рівні води у них; для НС – характеристики Q-H та Q-N насосів; для ВОС – тривалість фільтроциклу на фільтрах, якість обробки води після кожної ступені очищення води та остаточну; для ВМ – гідравлічні опори труб, наявність витоків, роблять манометричну зйомку; для водонапірних башт (ВБ) та резервуарів чистої води (РЧВ) – коливання рівнів по годинах.

На етапі о б р о б к и р е з у л ь т а т і в д о с л і д ж е н ь: для ВЗС – проводять аналіз технологічної схеми забирання води і виявляють причини зменшення пропускної спроможності споруд; для НС – виявляють робочі точки на характеристиках насосів та встановлюють причини перевитрат електроенергії при роботі насосів; для ВОС – проводять аналіз технологічної схеми очищення води та обирають метод для створення її гнучкості; для ВМ – будують ізолінії для характерних режимів роботи ВМ, оцінюють гідравлічну завантаженість ліній, виявляють причини утворення обростання стінок труб та причини аварій, з’ясовують фактичну схему живлення ВМ.

На етапі п о б у д о в и е к в і в а л е н т н о ї м а т е м а т и ч н о ї м о д е л і складають матмодель СВ, яка дозволяє визначати фактичні характеристики споруд при їх сумісній роботі.

На етапі р о з р о б к и р е к о м е н д а ц і й щ о д о і н т е н с и ф і к а ц і ї р о б о т и д і ю ч о ї С В складають рекомендації по окремих спорудах: для ВЗС – із збільшення продуктивності і надійності роботи споруд та із покращення умов сумісної роботи свердловин (для підземних водозаборів); для НС – із зменшення витрат електроенергії та збільшення подачі насосів; для ВОС – із збільшення продуктивності, із покращення якості очищеної води, із зменшення витрат матеріалів та реагентів; для ВМ – із збільшення пропускної спроможності ліній, підвищення надійності та зменшення собівартості транспортування води до споживачів. Рекомендації для ВМ містять конкретні вказівки щодо зменшення витоків, захисту труб від корозії, заміни або додаткового прокладання ліній (на період досліджень і на перспективу 5…10 років), зонування ВМ, вибору оптимального режиму сумісної роботи ВМ, НС і ВБ.

Контрольні питання:

1. Основні причини незадовільної роботи споруд систем водопостачання

2. Етапи діяльності з інтенсифікації роботи систем водопостачання

Лекція 2. ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОБОТИ ДІЮЧИХ

СПОРУД ДЛЯ ЗАБИРАННЯ ВОДИ З ПІДЗЕМНИХ

І ПОВЕРХНЕВИХ ВОДНИХ ДЖЕРЕЛ

Зміст лекції:

1. Основні причини і ознаки зниження дебіту водозабірних свердловин

2. Проведення діагностики свердловин

3. Роботи з поновлення або підвищення дебіту свердловин

4. Інтенсифікація роботи діючих споруд для забирання води з поверхневих джерел

2.1. Основні причини і ознаки зниження дебіту

водозабірних свердловин

Як елемент системи водопостачання водозабірні свердловини повинні забезпечувати надійне забирання і подачу розрахункової витрати води на інші споруди або споживачам з потрібним напором при найменших витратах коштів. При невідповідності цим вимогам робота свердловин підлягає інтенсифікації шляхом експлуатаційних заходів, ремонтних робіт або реконструкції.

Основними причинами, що вимагають інтенсифікації роботи водозабірних свердловин є зменшення їх дебіту та погіршення якості води, що забирається.

Зменшення дебіту свердловин може пояснюватись:

1. Несправністю насосного обладнання. Заглибні насоси, що мають пластмасові робочі колеса, через їх істирання і зменшення діаметру втрачають щомісячно 2…3 % можливої продуктивності. При втраті 25 % продуктивності насос підлягає заміні.

2.Піскуванням свердловин. Потрапляння часток водоносного ґрунту всередину свердловини приводить до часткового або повного перекриття її водоприймальної поверхні. Піскування свердловин може відбуватись з причини: невірно підібраного типу фільтра або невірного визначення розмірів отворів на його водоприймальній поверхні; нещільного встановлення сальника; нещільного встановлення корки у відстійнику фільтра; руйнування при хімічній або електрохімічній корозії водоприймальної поверхні фільтра.

3.Заростанням фільтрів і прифільтрових зон при механічному, хімічному або біологічному кольматажі.

М е х а н і ч н и й кольматаж – закупорювання отворів фільтрів і пір при фільтрової зони частками водоносного ґрунту (частіше д/з і р/з піску). Характерним є його утворення при перехідних процесах під час пуску і зупинки роботи насосів.

Х і м і ч н и й кольматаж проявляється в заповненні вищеназваних отворів і пір а також конструктивних елементів водопідйомного обладнання нерозчиненими у воді солями металів (Fe^2+,3+, Al^2+,+3, Ca²⁺, Mg²⁺ тощо). Його причиною є порушення рівноважного стану основних компонентів підземних вод при зміні t° або тиску газів, розчинених у воді.

Б і о л о г і ч н и й кольматаж є наслідком життєдіяльності холодноводих мікроорганізмів (залізобактерій, марганцевих бактерій), які живляться розчиненими у воді закисними з’єднаннями, переводячи їх в окисні, та дихають O₂ повітря. Найкращими умовами для їх розвитку є наступні: pH = 5,4…7,2; Fe²⁺ = 1,6…12 мг/ дм³; у воді наявна CO_{2 .}

4.Наслідками хімічної та електрохімічної корозії поверхні фільтрів та обсадних труб (при витоках води із свердловин через утворені «свищі»).

5.Глинизацією прифільтрових зон і фільтрових поверхонь при неякісно проведених розглинизаційних роботах.

6.Зниженням водності експлуатаційного водоносного пласта.

7.Впливом сусідніх свердловин.

Для спрощення проведення діагностичних робіт необхідно по певних ознаках прогнозувати можливі причини зниження дебіту свердловин (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1. Основні ознаки імовірних причин зниження

продуктивності свердловин

О з н а к и			Причини
Статичний рівень	Динамічний рівень	Питомий дебіт
Без зміни	Вище, ніж раніше	Без зміни	Несправний водопідйомник
Постійне пониження	Постійне пониження	Постійне пониження	Збільшення районної депресії
Періодичне пониження	Періодичне пониження	Періодичне пониження	Вплив сусідніх свердловин
Без зміни	Нижче, ніж раніше	Менше, ніж раніше	Несправний фільтр
Нижче, ніж раніше	Без зміни	Майже без зміни	Витік води вище динаміч- ного рівня
Нижче, ніж раніше	Нижче, ніж раніше	Менше, ніж раніше	Витік води нижче дина- мічного рівня

2.2. Проведення діагностики свердловин

При виборі шляхів інтенсифікації роботи діючих свердловин і напрямку проведення ремонтних робіт важливим моментом є діагностика (обслідування) свердловин. Залежно від встановленої імовірної причини зменшення дебіту свердловини і мети обслідування вдаються до одного з методів діагностики.

Для встановлення стану внутрішньої поверхні фільтра та обсадних труб проводять їх огляд за допомогою фотометричної або телеметричної зйомки (рис. 2.1).

Телеметрична установка WMK-7 (Німеччина) дозволяє проведення телеметричної зйомки на глибині до 400 м при діаметрі свердловини 80…1000 мм. Свердловина глибиною 200…300 м обстежується за 2…3 години (проти 2…3 тижнів кавернометром).

1 – свердловина;

2 – телекамера з підсвіткою;

3 – коаксіальний кабель;

4 – спусковий пристрій з барабаном для укладки кабеля;

5 – монітор;

6 – відеомагнітофон;

7 – транспортна база

Рис. 2.1. Схема проведення телеметричної зйомки

Для контролю можливого припливу води в експлуатаційний водоносний пласт з нижче- або вище розташованих водоносних пластів застосовують гелійову зйомку. Водоносні пласти, приурочені до різних гідрогеологічних горизонтів, мають різний вміст газу гелію у воді. Зміна концентрації гелію у воді свідчить про її приплив у пласт з боку іншого пласта (менша за нормативну концентрація свідчить про приплив з боку вищерозташованого пласта, а більша за нормативну – з боку нижчерозташованого).

При відбиранні проби води (рис.2.2) необхідно запобігати потраплянню у неї повітря й випустити всі бульбашки повітря (оскільки воно має здатність поглинати гелій). Вміст гідрогеологічної колби аналізують на наявність гелію в приладі ИКГМ-1 (індикатор концентрації гелію мас-спектроскопічний).

1 – зажим Гофмана;

2 – вакуумний шланг;

3 – відвід;

4 – гідрогеологічна колба

( W = 100 см³ );

5 – перехідник;

6 – кран для відбирання проб

Рис. 2.2. Схема відбирання проби води із свердловини

Для контролю стану поверхні фільтрів і ступеня її кольматажу застосовують витратометрію (рис.2.3).

а) б) в)

Рис. 2.3. Витратометрія: а) витратомір; б) схема спуску витратоміра в свердловину; в) витратограма: 1 – підп’ятник; 2 – центруючий пристрій; 3 – з’єднувальна головка; 4 – верхній кожух; 5 – корпус; 6 – крильчатка; 7 – нижній кожух; 8 – упор; 9 – стовбур свердловини; 10 – витратомір; 11 – спусковий пристрій; 12 – кабель; 13 – вимірювальний пульт; 14 – частота обертання крильчатки; 15,16 – фактична та теоретична витрата

Ступінь кольматажу частини поверхні фільтра знаходиться у зворотній пропорції з витратою, що проходить через цю частину. Витратомір опускають на необхідну глибину і заливають воду у свердловину. Частота обертання крильчатки пропорційна витраті, що проходить через неї. Вимірювальний прилад з пультом переводить частоту обертання крильчатки на витрату, що поглинається свердловиною в цьому діапазоні. Заміри проводять через кожні 0,5…1 м, починаючи з нижньої частини свердловини.

Для детального і комплексного обстеження свердловин використовують електрокаротажні станції, які обслуговують спеціальні каротажні бригади. За схемами, наведеними на рис. 2.1 та 2.3, у свердловину на розлінованому тросі опускають прилад – каротажний зонд. Як каротажні зонди можуть використовуватись: витратомір; фото- або телекамера; інклінометр (циліндричний шаблон) – для виміру вертикальності свердловини; кавернометр – для уточнення конструкції свердловини, довжини і діаметру фільтра; електротермометр – для виміру t° води в різних діапазонах глибин з метою визначення ступеня схоплення цементного розчину в затрубному просторі свердловини; резистивіметр – для виміру опору води в різних діапазонах глибин (більш мінералізована вода у свердловині при її штучній мінералізації має менший опір, ніж менш мінералізована в місці припливу у свердловину свіжої води через можливі пошкодження обсадних труб і цементного каменю); зонд для γ-вимірювання – для визначення меж геологічних шарів на геологічному розрізі свердловини (різні ґрунти мають різну активність γ-випромінювання); мікрозонд – для визначення ступеня розглинизації водоносного пласта.

Після проведення діагностичних робіт і їх позитивного результату (підтвердження очікуваної причини зниження продуктивності свердловини) обирають метод і спосіб поновлення дебіту свердловини при ремонтних роботах.

2.3. Роботи з поновлення або підвищення дебіту свердловин

На відміну від аварійних планові ремонти свердловин призначаються з врахуванням м і ж р е м о н т н о г о п е р і о д у , тобто фактичного часу стабільної дії свердловини. На протязі цього часу свердловина повинна забезпечувати розрахунковий дебіт Q при допустимому пониженні рівнів S_доп незалежно від інтенсивності кольматажу, типу водопідйомника і особливостей взаємодії свердловин. Для такої оцінки застосовують дані спостережень за зміною питомого дебіту ( q = f(t) ). Тривалість міжремонтного періоду знаходиться в діапазоні 3 місяці…3 роки, залежить від типу фільтра і є найбільшою для свердловин з широко контурними гравійними фільтрами.

Роботи к а п і т а л ь н о г о ремонту пов’язані із змінами в конструкціях свердловин. До них відносять:

• заміну фільтра свердловини;

• заміну обсадних труб;

• збільшення глибини свердловини;

• переведення фільтрових свердловин у безфільтрові та навпаки;

• цементування свердловин.

Роботи з ремонту насосного обладнання та збільшення продуктивності свердловини, які не пов’язані із змінами в її конструкції, відносять до робіт п о т о ч н о г о ремонту.

Методи і способи поновлення продуктивності свердловин наведені в таблиці 2.2.

Ілюстрації до способів поновлення продуктивності свердловин наведені на рис. 2.4…2.8.

При прокачуванні ерліфтом у свердловину згори підливають воду. По мірі розмиву піщаної пробки змішувач ерліфта опускають. У разі сцементування пробки у свердловину нижче змішувача ерліфта опускають трубу, по якій подають воду для розмивання пробки.

Таблиця 2.2. Методи і способи поновлення продуктивності

свердловин

Виявлені причини зниження продуктив- ності свердловин	Метод	Спосіб здійснення
Обростання внутрішн. поверхні обсадних труб і фільтрів	Механічний	Обробка йоржем
________ „ _______ при наявності корозії	___ „ ___	Обробка скребачкою
Виникнення піщаних пробок в свердловині при її піскуванні	Механічний	Желонування
	Гідравлічний	Прокачування ерліфтом
Механічний кольматаж фільтрів і прифільтрової зони	Гідравлічно- імпульсний	Переривчасте прока- чування ерліфтом
		Свабування
Хімічний кольматаж фільтрів і прифільтрової зони при наявності сольових і залізистих відкладень	Реагентний	Соляно-кислотна обробка
________ „ ________ при наявності щільних міцних осадів з вмістом карбонатів і солей кремнієвої к-ти	Фізичний	Піротехнічний
Біологічний кольматаж фільтрів і прифільтрової зони	Біологічний	Аерація водоносного пласта через погли- наючі свердловини

При переривчастому прокачуванні фільтра ерліфтом останній повільно рухають згори донизу, а потім – знизу догори. При досягненні верхньої позначки фільтра подачу води в ерліфт припиняють. При цьому на стінки фільтра стовп води з водопідйомної труби з великою швидкістю рухається донизу, створюючи підвищену хвилю тиску на поверхню фільтра зсередини свердловини, що сприяє виштовхуванню часток водоносного ґрунту з отворів фільтра і розщільнює ґрунт в при фільтровій зоні. В основу свабування покладено створення дії на поверхню фільтра змінної за напрямком підвищеної хвилі тиску, що дозволяє розщільнити кольматанти в отворах фільтра та полегшити їх наступне видалення звідти. При русі сваба донизу додаткова хвиля тиску на стінки фільтра створюється з боку свердловини, а при русі його догори – з боку водоносного пласта.

Періодичність соляно-кислотної обробки свердловин при забиранні води нестійкого хімічного складу становить 2…3 роки, стійкого – 10 років. Послідовність дій при цьому наступна: 1. Заливають кислоту по трубах діаметром 30…100 мм, опущених до робочої частини фільтра; 2. Герметизують устя свердловини; 3. Подають стиснуте повітря і на протязі 1 години витримують водоприймальну поверхню фільтра під його дією; 4. Випускають повітря через кран; 5. Відкачують воду ерліфтом ( > 8 год. ) для видалення продуктів реакції.

Піротехнічним (вибуховим) способом при дії спрямованого вибуху торпедо-детонуючого шнуру (ТДШ) кольматант в прифільтровій зоні стрімко відштовхується від фільтра із створенням тріщин, а дрібні частки виносяться з пульсацією великої газової бульбашки, утвореної при вибуху.

Рис.2.4.Засоби для механічного

очищення поверхонь обсадних

труб: а) механічний йорж;

а) б) скребачка; в) йорж з

уловлювачем

б) в)

Рис. 2.5. Конструкція сваба:

1 – зворотний клапан; 2 –

сталева труба; 3 – перехідник;

4 – розвантажний отвір; 5 –

стопорний болт; 6 – знімний

фланець; 7 – гумова манжета;

8 – стяжний болт; 9 – опорний

фланець

Рис. 2.6. Обробка фільтра

свердловини соляною

кислотою: 1 – гнучкий шланг

від компресора; 2 – вода; 3 –

соляна кислота