طراحی پمپ شناور چاهی و بهینه سازی پمپاژ آب از چاه
یکی از موضوعات حائز اهمیت در برداشت آب چاه‌های عمیق، انتخاب و طراحی الکتروپمپ شناور مناسب و همچنین انجام محاسبات هیدرولیکی خط انتقال برای برقراری پمپاژ یکنواخت از چاه‌ها می‌باشد.
با طراحی چاه‌ها که توسط گروه مهندسین تأمین آب انجام می‌شود، برای هر چاهی یک منحنی مشخصه به دست می‌آید. این منحنی مشخصه عموماً از آزمایشات پمپاژ که پس از حفاری بر روی چاه صورت می‌گیرد، تهیه می‌شود. در ادامه یک نمونه از منحنی مشخصه چاه نشان داده شده است.
هنگامی که از چاه پمپاژی صورت نمی‌گیرد، عمق سطح آب از لبه چاه با Hst نشان داده می‌شود که به عمق استاتیکی معروف است. در این حالت که Hw=Hst می‌باشد، عمق سطح آب حداقل مقدار خود را داراست. هنگامی که پمپاژ انجام می‌شود سطح آب پایین می‌رود و عمق سطح آب چاه افزایش می‌یابد، به طوری که میزان عمق سطح آب چاه (Hw) با دبی برداشت شده (Qw) بستگی دارد.
این رابطه در نمودار منحنی مشخصه چاه زیر ارائه شده است. با افزایش دبی برداشت آب از چاه به نقطه‌ای می‌رسیم که بعد از آن، با افزایش ناچیز در دبی برداشت، سطح آب چاه به میزان قابل ملاحضه‌ای افت می‌کند. این نقطه که با (Qd , Hd) بر روی منحنی مشخصه چاه زیر نشان داده شده، به نقطه حداکثر دبی مجاز قابل برداشت از چاه معروف است و در هرصورت نبایستی در هنگام پمپاژ میزان دبی برداشت از این مقدار تجاوز نماید.
به این ترتیب برای هر چاه منحنی مشخصه به همراه حداکثر دبی قابل برداشت از آن در دسترس قرار می‌گیرد.
انتخاب پمپ شناور:
برای تعیین الکتروپمپ شناور، با مشخص بودن حداکثر آبدهی مجاز چاه که از منحنی مشخصه چاه و آزمایشات پمپاژ به دست آمده، مدل الکتروموتور پمپ شناور مشخص می‌شود. به این ترتیب که در هنگام کار، نقطۀ عملکرد پمپ بایستی در سمت راست نقطه راندمان ماکزیمم واقع شود.
دراین‌صورت نقطه عملکرد پمپ در قسمتی قرار دارد که اولاً راندمان (η) در حد ماگزیمم می‌باشد و ثانیاً منحنی مشخصه فشار – دبی پمپ (H – Q) دارای شیب تند است. در این شرایط با ایجاد تغییرات در هیدرولیک جریان، نظیر خاموش ماندن تعدادی از پمپ‌های شناور یا پایین رفتن سطح آب چاه از مقدار حداقل پیش‌بینی شده در ماه‌های خشک، تأثیر چندانی در عملکرد پمپاژ نمی‌گذارد.
به عنوان نمونه فرض کنیم در یک چاه عمیق پمپ شناوری مشغول پمپاژ است که دارای منحنی مشخصه زیر است (پمپ شناور مدل 425/3) و درهنگام پمپاژ نقطۀ کار، نقطه A باشد. در این صورت در حالت عادی دبی 170m3/hr پمپاژ می‌شود. حال اگر در سالهای خشکسالی سطح آب چاه حدود 10 متر از مقدار پیش‌بینی شده کمترگردد، نقطه عملکرد پمپ به نقطه A’ منتقل می‌شود و پمپ در نقطه Cut OFF قرار خواهد گرفت. همین‌طور اگر در نقطه عملکرد A قرار داشته باشد و تعدادی از پمپ‌ها خاموش شوند (در شرایطی که چند پمپ به یک کلکتور متصل باشد) و حدود 10 متر از افت فشار خط لوله کاهش یابد، نقطه عملکرد از نقطه A به A” می‌رود و دبی پمپاژ از 170m3/hr به 190m3/hr افزایش می‌یابد.
حال اگر نقطه عملکرد پمپ در نقطه B واقع باشد (روی منحنی مشخصه پمپ شناور مدل 425/4 شکل زیر) تغییرات فوق‌الذکر شامل کاهش تراز سطح آب چاه یا کاهش افت خط لوله، نقطه عملکرد را به ترتیب به نقاط B’ یا B” سوق می‌دهد و دبی پمپاژ از حالت نرمال 240m3/hr به 220m3/hr یا 255m3/hr تغییر می‌کند.
محاسبات هیدرولیکی پمپاژ آب از چاه:
در هنگام انجام محاسبات هیدرولیکی با توجه به اینکه تراز سطح آب در چاه بر طبق منحنی مشخصه چاه برحسب دبی پمپاژ متغیر است، دو روش امکان‌پذیر است:
الف) در روش اول با سعی و خطا محاسبات صورت می‌گیرد به این ترتیب که بر مبنای یک Hw تقریبی (Hw = عمق سطح آب چاه) که معمولاً مساوی Hd انتخاب می‌شود (Hd = عمق سطح آب چاه به ازای حداکثر دبی مجاز Qd)، برای ارتفاع تراز سطح آب چاه، محاسبات انجام گرفته و دبی پمپاژ (Q) به دست می‌آید. سپس با Q به دست آمده از منحنی مشخصه چاه، عمق سطح آب چاه (Hw) تصحیح می‌شود و به همین ترتیب محاسبات تکرار می‌شود تا همگرا گردد.
ب) در روش دوم برمبنای محاسبات هیدرولیکی حاکم، به جای وارد کردن منحنی مشخصه پمپ Hp = f(Q) از منحنی مشخصه Hp-Hw استفاده می‌شود.((Hp = f(Q برای پمپ و Hw = f(Q) برای چاه) دراین صورت تراز سطح آب در مخزن مکش معادل تراز سطح لبۀ چاه خواهد بود. توضیح اینکه در محاسبات افت لوله بایستی طول کل لوله‌ها لحاظ شود.
بهترین نرم‌افزاری که برای تحلیل هیدرولیکی پمپاژ آب چاه‌ها در دسترس است، نرم افزار WaterGems می‌باشد.
بنابراین بدیهی است که قرارگرفتن نقطه عملکرد پمپ شناور در سمت راست نقطه راندمان ماگزیمم، شرایط مناسب‌تری را برای برداشت آب از چاه فراهم می‌سازد.
لازم به توضیح است همانطور که ذکر شد، دبی پمپاژ، مدل الکتروپمپ را مشخص می‌سازد و با انجام محاسبات هیدرولیکی و افت فشار، ارتفاع پمپاژی که از این محاسبات استخراج می‌شود، تعداد طبقات پمپ را تعیین خواهد کرد.
پمپاژ آب چاه و انتقال آن از طریق یک کلکتور
در طرح خطوط آبرسانی و انتقال از چاه‌ها، عمدتاً تعدادی چاه را به کمک یک کلکتور به مخزن سرویس انتقال می‌دهند تا به این ترتیب در میزان هزینۀ خط لولۀ انتقال صرفه‌جویی گردد.
در هنگام طراحی خطوط جمع‌آوری و انتقال آب از چاه‌های عمیق، طراح باید سعی کند افت انرژی در خط کلکتور انتقال و حتی خطوط جمع‌آوری کم باشد. به این ترتیب که با انتخاب قطر بالاتر که معادل سرعت پایین جریان آب در لوله است، تأثیر تغییرات دبی بر روی ارتفاع پمپاژ پمپ‌های شناور کاهش یافته و با اعمال تغییراتی در سیستم هیدرولیک پمپاژ، مانند خاموش ماندن تعدادی از پمپ‌ها و یا دیگر شرایطی که بر سیستم تحمیل می‌شود، تغییرات شدیدی در دبی برداشت آب از چاه‌ها رخ نمی‌دهد. بدیهی است که در این شرایط انتخاب پمپ شناور با نقطه عملکرد مناسب از اهمیت خاصی برخوردار است.
مشکلات برداشت آب از چاه‌های عمیق:
همانطور که بیان شد در هنگام انتخاب نوع الکتروپمپ شناور، با توجه به دبی مجاز چاه و مراجعه به منحنی مشخصه پمپ‌های موجود، نوع الکتروپمپ شناور مناسب انتخاب می‌شود.
به این ترتیب آبدهی مجاز الکتروپمپ‌های شناور ساخت شرکت پمپیران و دیگر تولیدکنندگان داخلی مطابق جدول زیر خواهد بود. میزان آبدهی مجازی که در جدول زیر ارائه شده برای حالتی است که پمپ با راندمان ماگزیمم کار کند و به‌علاوه نقطه عملکرد در قسمت شیب تند منحنی H-Q قرار گیرد.
| (L/s)آبدهی مجاز | آبدهی مجاز | مدل پمپ شناور |
|---|---|---|
| 2.8-3.3 | 10-12 | UQD – 152/ 2inch |
| 4.2-5.1 | 15-18.6 | UPH – 193/ 3inch |
| 6.7-8.3 | 24-30 | UPH – 233/ 3inch |
| 11.7-13.6 | 42-49 | BPD – 271/ 4inch |
| 13.9-16.7 | 50-60 | UPH – 293/ 4inch |
| 20.8-26.4 | 75-95 | UPN – 345/ 5inch |
| 27.8-36.1 | 100-130 | BPH – 384/ 5inch |
| 33.3-43 | 120-155 | BPN – 374/ 6inch |
| 55.6-69.4 | 200-250 | BPN – 425/ 8inch |
از طرفی با مراجعه به مشخصات فنی چاه‌های طراحی شده در پروژه‌های آبرسانی شهری مشاهده می‌شود که عمدتاً چاه‌ها دارای حداکثر دبی مجاز 30، 35، 40، 45، 50، 55 و 60 لیتری هستند و لذا نکات زیر قابل ملاحضه است:
برای چاه‌های 30 و 35 لیتری پمپ مدل 384/ مناسب است.
برای چاه‌های 35 و 40 لیتری پمپ مدل 374/ مناسب است.
برای چاه‌های 55 و 60 لیتری پمپ مدل 425/ مناسب است.
مشاهده می‌شود که برای چاه 50 لیتری الکتروپمپ شناور مناسبی در تولیدات داخل کشور وجود ندارد و اگر از پمپ‌های شناور مدل 425/ استفاده شود، نقطه عملکرد پمپ در مکان مناسبی از منحنی مشخصه H-Q قرار نمی‌گیرد.
از طرفی این مشکل وجود دارد که کارشناسان تأمین آب، عمدۀ چاه‌ها را بر مبنای حداکثر دبی مجاز برداشت 50 لیتردرثانیه طراحی می‌کنند. به‌عنوان مثال، نمونه‌گیری که از برخی پروژه‌های جمع‌آوری آب چاه‌ها صورت گرفته نشان می‌دهد که:
در پروژه آبرسانی به کرج بزرگ، از تعداد 110 حلقه چاه، 50 حلقه از آنها حدود 50 لیتردرثانیه هستند (45%)
در پروژه آبرسانی به اراک، از تعداد 13 حلقه چاه، 7 حلقه از آنها حدود 50 لیتردرثانیه هستند (54%)
در پروژه آبرسانی به قزوین، از تعداد 66 حلقه چاه، 66 حلقه از آنها حدود 50 لیتردرثانیه هستند (100%)
برای حل این مشکل راه‌های گوناگونی به نظر می‌رسد که در ادامه ارائه می‌شود.
چند راه‌حل برای مشکلات برداشت آب از چاه‌های 50 لیتردرثانیه به شرح زیر وجود دارد:
الف) بخش تأمین و همکاران محترم در صورت امکان از طراحی چاه‌های 50 لیتر در ثانیه اجتناب نموده و چاه‌ها را با حفظ حریم و رعایت نکات فنی، بر مبنای 40 لیتر یا 60 لیتر در ثانیه طراحی نمایند.
ب) برای این مورد از چاه‌ها دست به گریبان الکتروپمپ‌های شناور ساخت خارج از کشور که مناسب طرح باشند، شده و خرید خارجی نماییم.
به‌عنوان نمونه الکتروپمپ شناور با مشخصات زیر:
مدل: KSB UPA 250 – 41/
دور: n = 1900 rpm
ج) به شرکت پمپیران به عنوان بهترین تولید‌کنندۀ پمپ‌های داخلی، پیشنهاد شود که طراحی و ساخت پمپ شناور برای دبی 50 لیتردرثانیه را در دستور کار خود در توسعه‌های آتی قرار دهد.
د) در صورتی که ناگزیر به استفاده از پمپ‌های مدل 425/ برای پمپاژ آب از چاه‌های 50 لیتردرثانیه باشیم، درهنگام طراحی، الکتروپمپ مذکور با طبقه (stage) بیشتر از مقدار نیاز انتخاب گردد. در این صورت در حالت عادی میزان هد اضافی پمپاژ به کمک شیر خروجی پمپ تلف می‌شود و در مواقع اظطراری که سطح آب چاه از مقدار پیش‌بینی شده تغییر کند با باز و بستن شیر مذکور، دبی جریان تنظیم گردد.
تجهیزات مکانیکال مورد نیاز در سر چاه‌ها:
در چاه‌های تأمین کننده آب که پمپ شناور در داخل چاه قرار می‌گیرد، لوله خروجی از چاه به شیرآلات و اتصالات گوناگونی مجهز می‌شود.
هریک از این تجهیزات برای اهداف خاصی پیش‌بینی شده که در ادامه به توضیح آن پرداخته می‌شود.
الف) شیرهوای یک‌طرفه (S.A.V)
نصب یک عدد شیر هوای یک‌طرفه (S.A.V) که به همراه آن یک عدد شیر قطع و وصل (G.V) نیز تعبیه شده در بالای سرچاه ضروری است. این شیر هوا، عمل تخلیه هوای موجود در لوله داخل چاه و هوای محلول در آب چاه را انجام می‌دهد.
ب) لوله انحراف جریان آب
یک لوله کنارگذر برای انحراف جریان آب به بیرون از محوطه اتاقک سرچاه، که مجهز به یک عدد شیر قطع و وصل (G.V) می‌باشد نیز الزامی است. در هنگام راه‌اندازی اولیه و همچنین انجام آزمایشات پمپاژ و غیره آب از طریق این خط لوله هدایت می‌شود.
ج) فشارسنج (PRESSURE GAGE)
فشار سنج جهت اندازه‌گیری فشار آب داخل لوله که معمولاً بر حسب bar مدرج شده به کار می‌رود. این فشارسنج بایستی قبل از صافی (STRAINER) قرار گیرد تا در مواردی که صافی مسدود می‌شود با رؤیت افزایش فشار نسبت به تمیز کردن آن اقدام شود. به‌علاوه به کمک این فشارسنج، ارتفاع پمپاژ پمپ شناور نیز قابل برآورد است.
د) صافی (STRAINER)
قبل از قرار گرفتن تجهیزات مکانیکال دیگر، صافی قرار داده می‌شود تا از ورود ذرات جامد به درون شیرآلات و خط لوله پیشگیری شده و از آنها محافظت به‌عمل آید.
ه) اندازه‌گیری جریان (FLOW METER)
عمدتاً از نوع کنتورهای معمولی اندازه‌گیری حجم آب استفاده می‌شود. افت فشار ایجاد شده توسط این نوع کنتور قابل ملاحظه است و بایستی در محاسبات هیدرولیکی منظور گردد. اندازه‌گیرهای آلتراسونیک نیز وجود دارند که مزایای بیشتری دارند که از جلمه دقت در اندازه‌گیری و عدم ایجاد افت فشار را می‌توان نام برد.
و) شیرهوای دوطرفه (D.A.V)
این شیر هم قابلیت خروج هوا از خط لوله و هم قابلیت ورود هوا به خط لوله در مواقعی که فشار کمتر از فشار اتمسفر گردد، را دارد. عمدتاً با انجام محاسبات و آنالیز ضربه قوچ در خطوط انتقال متصل به پمپ‌های مذکور، مشخص می‌شود که آیا احتمال ایجاد فشار منفی وجود دارد یا خیر، تحت شرایطی که احتمال ایجاد فشار منفی وجود داشته باشد، نصب شیرهوای دوطرفه مؤثر است.
ز) شیرکنترل جریان (FLOW CONTROL VALVE)
این نوع شیر برای تنظیم میزان جریان است. به عنوان نمونه اگر شیر بر روی دبی 40 لیتردرثانیه تنظیم گردد، امکان عبور دبی بیشتر، به وجود نمی‌آید و با افزایش دبی، شیر مذکور به طور خودکار افت فشار ایجاد می‌نماید و دبی را به‌طور ثابت نگه می‌دارد.
برای شرایطی که تراز سطح آب چاه با تغییرات زیاد همراه باشد و همچنین شرایطی که چندین پمپ شناور از طریق یک کلکتور، آب را پمپاژ نمایند، قرار دادن شیر فوق ضروری می‌باشد. به این ترتیب با تغییر تراز سطح آب یا خاموش شدن تعدادی از پمپ‌ها و تغییر میزان افت فشار و ارتفاع پمپاژ، شیر مذکور در حد لازم افت فشار ایجاد خواهد کرد و در نتیجه میزان دبی و نقطه عملکرد پمپ همچنان ثابت باقی خواهند ماند.
این نوع شیرها معمولاً گران قیمت می‌باشند و فقط در شرایط ضروری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ح) شیریک‌طرفه (CHECK VALVE)
برای جلوگیری از برگشت جریان خط لوله پمپاژ این نوع شیر قرار داده می‌شود.
ط) شیراطمینان یا شیر ضربه‌گیر
در موقع خاموش شدن پمپ‌های شناور فشارهای اضافی ناشی از امواج ضربه آبی به وجود می‌آید. شیرهای اطمینان (RELIF VALVE) برای پیشگیری از فشار ماگزیمم ایجاد شده می‌باشد به این صورت که با افزایش فشار داخل لوله، شیر مذکور به طور خودکار باز می‌شود و آب را به بیرون از خط منتقل می‌سازد.
نوع دوم شیرهای ضربه‌گیر (SURGE DISIPATOR) می‌باشند که مشابه شیرهای اطمینان عمل کرده و آب را از درون خط لوله به بیرون هدایت می‌کند. با این تفاوت که در این نوع شیرها، فرمان خودکار با ایجاد فشار منفی صادر می‌شود. به این صورت که در هنگام خاموش شدن پمپ شناور موج منفی از خروجی پمپ آغاز شده و به سرعت از پمپ دور می‌شود و فشار منفی در نزدیکی پمپ حاصل شده و شیر مذکور باز می‌شود. در هنگام برگشت موج که فشار مثبت را به‌همراه دارد. شیر مذکور به طور کامل باز بوده و آب را به بیرون از خط منتقل می‌سازد.
ی) شیرقطع و وصل:
این شیر که پس از قرارگرفتن همه تجهیزات در خروجی پمپ قرار می‌گیرد برای قطع و وصل جریان آب پیش‌بینی می‌شود. تعمیرات پمپ شناور و همچنین تجهیزات مکانیکال سرچاه مستلزم قطع جریان آب است که از طریق این شیر صورت می‌گیرد.
همچنین ایجاد افت فشار و تنظیم جریان پمپاژ به روش غیر خودکار نیز از طریق این شیر امکان‌پذیر است.
نوع شیر مورد استفاده شیرهای (GLOB VALVE) یا شیرهای پروانه‌ای (B.F.V) می‌باشد. شیرهای قطع و وصل GATE VALVE برای این قسمت اصلاً مناسب نیستند به‌دلیل اینکه قابلیت تنظیم جریان آب و ایجاد افت فشار مناسب را در شرایط مناسب ندارند و در حالت نیم بسته دچار فرسودگی و خوردگی می‌گردند.
