Сравнительный обзор и оценка российских и зарубежных гидротаранных установок

Введение. Энергообеспеченность сельских потребителей имеет ряд специфических особенностей: неравномерное распределение потребителей по территории, их малая единичная мощность, большая протяженность электрических сетей, значительная часть которых в настоящее время небезопасна или непригодна для дальнейшей эксплуатации, частые перебои централизованного энергоснабжения [1]. Наиболее ощутимы эти особенности в фермерских хозяйствах или хозяйствах индивидуальных предпринимателей. Одним из стратегических путей повышения эффективности агропромышленного производства является повышение технологического уровня производства пу- тем внедрения энергосберегающих технологий. Таким образом, применение энергосберегающих установок, использующих энергию возобновляемых источников, весьма актуально, особенно для удаленных территорий со слаборазвитой инфраструктурой. Перспективным является применение энергосберегающих технологий в системах сельского водоснабжения и орошения, таких, как гидротаран. Гидротаран - это водоподъемное устройство, принцип действия которого основан на явлении гидравлического удара. Таран состоит из ударного 3 и нагнетательного 4 клапанов и воздушного колпака 5 (рис. 1).

Рис. 1. Схема работы гидротаранной установки

Через питательную трубу 2 гидротаран соединяется с питательным бассейном 1. А через нагнетательную трубу 6 - с нагнетательным баком 7. Вода из питательного бассейна с напором Н через нагнетательный клапан 4 поступает в воздушный колпак 5 и нагнетательный трубопровод 6. После принудительно открывания за счет гидравлического удара ударного клапана 3 из-под него начинается истечение воды с возрастающей во времени скоростью, при которой повышается давление под клапаном. В результате чего он захлопывается, и истечение воды прекращается. При этом движущаяся по инерции в питательной трубе жидкость открывает нагнетательный клапан, вливается в воздушный колпак, сжимает в нем воздух и поднимается по нагнетательному трубопроводу к нагнетательному баку. Затем давление в питательной трубе падает, нагнетательный клапан закрывается, а ударный открывается, и цикл повторяется вновь. Таран использует непосредственно энергию падающей воды, поэтому для его работы необходимо иметь некоторый перепад уровня между питательным бассейном и тараном, начиная от 0,2 м и выше [2]. Для включения гидротарана можно использовать существующие низконапорные гидроузлы. Поднятую воду в бак 7 можно использовать для целей водоснабжения мелких потребителей без дополнительных источников энергии кроме энергии падающей воды.

Цель исследований . Оценка возможности использования гидротаранов на существующих напорных гидроузлах и выявление энергоэкономической эффективности использования отечественных и зарубежных гидротаранов в качестве источника водоснабжения сельскохозяйственного потребителя.

Задачи исследований . Изучить гидроэнергетический потенциал напорных гидроузлов Челябинской области и технико-экономические показатели существующих гидротаранных установок; провести сравнительную оценку эффективности отечественного гидротарана ТГ-1 с зарубежными аналогами.

Методика и результаты исследований Для решения поставленных задач нами проанализированы литературные источники по исследуемой проблеме, выполнено сравнение характеристик гидротаранных установок различных производителей с учетом их эффективности.

Одним из перспективных направлений энергосбережения является использование гидроэнергетического потенциала, в том числе потенциала существующих напорных гидроузлов неэнергетического назначения. По данным [3], на территории Челябинской области находятся около 412 гидроузлов, суммарный полный объем которых составляет 3400 млн м3, полезный – 2630 млн м3. Большинство водохранилищ используются для нужд сельского хозяйства (82 %). Абсолютное большинство водохранилищ области при классификации по объемам и площади относятся к категории малых. Самой многочисленной является группа малых водохранилищ (93 %) ёмкостью до 10 млн м3. Основное назначение этих водохранилищ – обеспечение потребностей орошения, водоснабжения, рыборазведение. Подключение гидротарана к существующему низконапорному гидроузлу снизит капитальные расходы на сооружение установки и повысит экономическую эффективность внедрения этой энергосберегающей технологии.

Гидротаран с давних пор известен в США, Австралии и в странах Западной Европы. В этих государствах и сейчас существует несколько десятков малых компаний, специализирующихся на его производстве и продаже. Все большую популярность он приобретает и в развивающихся странах: Таиланде, Лаосе, Малайзии, Вьетнаме и других, где из-за климата и рельефа местности возникают проблемы с доставкой воды потребителю, а также есть проблемы с энергообеспечением [4].

Несмотря на то что в последнее время вырос интерес к гидротаранным установкам, до сих пор сложно найти технические характеристики промышленных моделей и сделать оптимальный выбор той или иной конструкции. Поэтому возникла необходимость в сравнительном анализе эффективности работы установок. Сравнительная оценка в данной работе всех гидротаранов проводилась для одинаковых условий: были рассмотрены 2-дюймовые стальные гидротараны известных зарубежных фирм, исследования которых проводились при питательном напоре 3 м. В качестве технических данных зарубежных гидротаранов использовались материалы исследований ученых из университета Warwick (Великобритания). Из них были выделены четыре модели гидротаранов, обеспечивающие разумный выбор в соотношении цены к производительности. За основу эмпирического сравнения был выбран гидротаран, сконструированный и испытанный учеными Челябинской государственной агроинженерной академии (ЧГАА) в 2013 году ТГ-1[5], отличающийся тем, что в его конструкции вес ударного клапана рассчитан на максимальную производительность. Экспериментальные исследования ТГ-1 подтверждают теоретическую методику расчета, изложенную в [6, 7]. На рисунке 2 приведены зависимости КПД (η) и мощности (Р) гидротарана от высоты нагнетания (h.)

Высота нагнетания, м

а

б

Рис. 2. Эффективность гидротаранных насосов: а – зависимость η=f(h); б – зависимость P=f(h)

Для качественного сравнения характеристик гидротарана на рис. 3 представлены зависимости отношений расходов поднятой воды q к общему расходу Q воды, поступающей в гидротаран к отношению высот напора перед тараном H к высоте подъема h.

Рис. 3. Сравнение соотношения количества подъема жидкости в диапазоне высот нагнетания

Приведенные данные свидетельствуют, что Rife заметно хуже остальных гидротаранов, а различия между другими гидротаранами настолько малы, что сложно сделать выбор в пользу какого-либо насоса [8]. Таким образом, промышленные образцы гидротаранных установок имеют схожие характеристики, поэтому выбор фирмы производителя должен ориентироваться на экономическое обоснование и срок службы устройства. В таблице представлены характеристики рассматриваемых гидротаранов и их рейтинг в соотношении цены к производительности.

Сравнительная характеристика гидротаранов

Тип	Производитель-ность, q, л/мин	КПД, %	Цена, долл. США	Цена на 1 л поставки воды		Рейтинг
				долл. США	руб. (по курсу 19.10.2014 г.)
Vulcan 21/2	6,1	67	1800	295	12034	4
Blake Нуdram 31/2	6,0	67	1500	250	10199	3
Sano No. 5/65 mm	6,95	77	1500	216	8812	2
Rife 20 HDU	5,4	60	1650	306	12483	5
ТГ-1	8,1	87	1200	148	6038	1

Заключение . При рассмотрении энергосберегающих технологий для водоснабжения сельскохозяйственных потребителей стоит уделить особое внимание гидроэнергетическому потенциалу уже существующих гидроузлов неэнергетического назначения. В этом плане Челябинская область обладает значительными ресурсами.

На основе проведенного анализа можно сделать выводы, что разработанная в ЧГАА модель гидротарана дает эффективность, сопоставимую с высокоэффективными промышленными насосами в широком диапазоне условий; более высокую производительность, чем все коммерческие модели одного и того же типоразмера в широком диапазоне условий. При этом стоимость экспериментальной установки значительно ниже, чем у других коммерческих представителей.

Таким образом, исследования доказали, что на сегодняшний день отечественная установка ТГ-1 простая, относительно дешевая и превосходит по характеристикам зарубежные модели, а стало быть ее можно рекомендовать для широкого внедрения.