能量守恒定律在機井配套中的應用推廣

穆 峰，段烈秀

(陜西省寶雞市地下水管理監測處，陜西寶雞 721001)

能量守恒定律在機井配套中的應用推廣

穆 峰，段烈秀

(陜西省寶雞市地下水管理監測處，陜西寶雞 721001)

通過寶雞鋼廠機井清淤洗井及水泵選配實例，闡述了水流運動的能量方程在機井涌水量、下泵深度校核及水泵揚程確定中的計算方法，反映了能量守恒定律在水利工程領域里的表現形式。

能量方程式;機井涌水量;機井配套;應用推廣

機井的基本資料是選擇水泵類型的依據，只有根據基本資料合理選配水泵，才能充分發揮機井效益，延長機井壽命，提高機泵裝置效率，降低能耗，減少使用成本。

1 機井配套的基本資料

合理選配水泵必須根據井的深度H井、井水深H水，靜水位H靜、動水位H動、水位降深S，井管直徑D和抽水試驗或公式計算確定井的出水量Q等基本資料進行選配。而機井涌水量實踐證明，按抽水試驗公式計算，其弊端有兩個:1.抽水試驗時因量水堰埋設條件諸多因素影響，計算的機井涌水量誤差較大;2.用空氣壓縮機做抽水試驗，由于受空氣壓縮機型號額定流量的限制，經驗公式無法應用。若直接應用水流運動的能量守恒定律，即能量方程式，便可快速、準確地計算出機井涌水量。此方法，適應于各種新、舊機井的配套。

2 寶雞鋼廠機井應用實例

寶雞鋼廠機井長期運行產生淤積，水量減少，加之地下水位下降，原選水泵揚程已不能滿足需水要求。為了增加該井出水量，擬對該井進行清淤洗井及水泵選配。

2.1 機井概況

該井成井深度138.00 m，洗井前實測井深106.50 m，即淤積厚度31.50 m。井管類型為325 mm鋼管，靜水位21.00 m。根據要求:

采用空氣壓縮機對井內淤積清淤至井底，并結合原機井資料結構圖對含水層自上而下逐層抽洗，達到疏通水路之目的。

計算井孔出水量，并按機井配套原則選配水泵。由于受空氣壓縮機型號額定流量的限制，往往經驗公式無法應用。鑒于此，我們直接應用了水流運動的能量守恒原理(能量方程)計算流量，以便選擇水泵型號。

洗井時所用出水管為鋼管，直徑d=100 mm，管總長度138.00 m。測得穩定動水位56.00 m。見圖1。

圖1 洗井示意圖

2.2 應用能量守恒定律計算

(1)取出水管出水口斷面(即1——1斷面)為基準面，列0——0與1——1斷面的能量方程:

由圖可知，z0=56.00、z1=0 m，p0/r=p1/r=0(大氣壓)，取 a0=a1=1，v0≈0即 v02/2g可以忽略不計。由于出水管的局部損失較少，可忽略不計，只考慮沿程水頭損失，故，hw0－1=hf0－1將各項代入能量方程得，

式中:hf0－1為水流從0—0斷面到1—1斷面的沿程水頭損失;

(2)計算沿程水頭損失hf0－1，由此求得流速V1

故應用能量方程計算出機井流量為109.08 m3/h

2.3 選配水泵

2.3.1根據井徑 D，初步選擇泵型

一般水泵型號最前面的數碼代表該泵適應的最小井孔直徑。為保證泵體在井管內順利升降。對金屬井管井泵間隙其差不得小于50 mm，故選擇250 mm的泵型。

2.3.2 根據計算機井流量，選擇水泵

從對機井的安全運行考慮，當配套流量大于機井的最大允許涌水量時，濾水管的臨界滲透速度大于含水層的最大允許滲透速度，將引起含水層的砂粒移動，造成井的淤積或坍塌報廢。所以要求機井的配套流量，必須小于機井的允許最大涌水量。因為流量是水泵最重要的工作參數，在運行過程中，如果流量發生變化，其他參數也就相應發生變化。所以選配水泵時應使其井、泵流量相應穩定。選擇時必須從兩方面考慮，一是確定的機井涌水量，應能充分發揮機井效益;二是確定時必須考慮到機井的安全運行原則。因此，配用的水泵出水量應為機井涌水量的75%左右。按此要求，水泵額定流量的選擇應為80 m3/h。

2.3.3 計算動水位

計算得:S降=35/109.08·80=25.67 m，相應的動水位H動:

并根據H動計算輸水管長度L(m)，考慮到水泵吸入口應淹沒在動水位以下1～2 m，以保證連續正常工作。動水位應始終高于機井濾水管上端2～3 m，以免大氣進入損壞濾水管。同時輸水管出口在地面以上還有高20 m的水塔(H塔)，則

2.3.4 水頭損失

估算輸水管中包括局部和沿程在內的總水頭損失hw和揚水高度H需。根據經驗，hw一般按管長 L的6% ～9%計算。即

圖2 揚程示意圖

2.3.5 水泵揚程計算

根據揚水高度H需，確定水泵揚程H泵

實際應用中，一般按:

也就是水泵揚程選配其值要略大于實際揚程與輸水管路損失揚程之和。按規定水泵揚程應根據水井設計動水位和輸水要求選定，應使流量揚程在水泵高效區對應的范圍內，安裝深度必須滿足水泵的最小淹沒深度，不發生氣蝕和超載運行。

2.3.6 水泵確定

根據上述計算，查表選用水泵型號為:250QJ 80——100/5潛水泵。其安裝簡單，對井的垂直度要求不高，適應性強。

3 能量方程的推廣

在多年的機井配套實例中，我們用能量方程計算所得機井涌水量(Q涌)代入公式計算的降深所得動水位和實測動水位比較，最大誤差為+0.2 m，表明了其相應流量的計算精度。在新、舊機井配套中，除應用能量方程計算機井涌水量、水泵揚程外，當水泵安裝后，只要在井口泵管上裝有壓力表(讀得該點壓力，即得壓力水頭p/r)，也可用能量方程校核潛水泵的下泵深度(長軸泵的安裝高度)是否合理，否則，即可調整下泵深度或安裝高度。

筆者通過多年的工作實踐認識到，能量方程在機井配套工程中的應用，既解決了實測流量和動水位的難度，又避免了測量的誤差，這對水利工程中廣泛應用能量守恒原理具有重要的實踐意義。水流運動的能量守恒原理，實質上，就是自然界普遍遵循的能量轉化和守恒原理。這一理論在水利工程中的壩頂溢流、閘孔出流、壓力管道等諸多水力計算中均可推廣，以便廣泛應用。

TV131.3

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1004－1184(2012)03－0122－02

2012－02－17

穆峰(1976－)，男，陜西扶風人，助理工程師，主要從事水利工程施工工作。