О задаче управления динамическими нагрузками в гидротранспортных комплексах при аварийных режимах

УДК 621.65.004.183

О ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ В ГИДРОТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСАХ ПРИ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

,

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий

Введение. Современные гидротранспортные системы (ГТС) – сложные энергоемкие технологические комплексы, включающие один или нескольких насосных агрегатов (НА), работающих параллельно на общий коллектор, сеть трубопроводов, запорно-регулирующую и защитную арматуру. Такие системы характеризуются высокой аварийностью, низкими показателями надежности в нестационарных (аварийных) режимах работы, сопровождающихся значительными бросками давления выше допустимой величины, ощутимыми динамическими нагрузками, повышенными вибрациями технологического механизма и пр. [1, 2].

При изменении режимов работы насосных установок (НУ) возникают стационарные (рабочие) – пуск, остановка НА, пуск соседних насосов, регулирование подачи или напора и т. д., а также нестационарные (аварийные) переходные процессы, обусловленные: внезапным выключением всех или группы совместно работающих насосов вследствие исчезновения электропитания; выключением одного из совместно работающих насосов до закрытия задвижки на его напорной линии; пуском насоса при открытой задвижке на напорной линии, оборудованной обратным клапаном; механизированным закрытием задвижки при выключении водовода в целом или его отдельных участков; открытием или закрытием быстродействующей арматуры, что приводит к гидравлическим ударам в сети потребителя, разрывам трубопроводов, срыву запорной арматуры, выходу из строя технологического оборудования и т. д.

Цель работы. Целью исследований является анализ динамических нагрузок в гидротранспортных комплексах при аварийных режимах работы НУ и обоснование путей повышения управляемости и надежности насосных комплексов.

Материал и результаты исследований.

Согласно [1-5] для защиты от гидравлических ударов предусмотрена установка:

- на водоводе клапанов для впуска и защемления воздуха;

- обратных клапанов, расчленяющих водовод на отдельные участки с небольшим статическим напором на каждом из них и препятствующих обратному потоку жидкости через НА;

- предохранительных клапанов и клапанов-гасителей; обратных клапанов с регулируемым открытием и закрытием на напорных линиях насосов;

- глухих диафрагм, разрушающихся при повышении давления сверх допустимого предела;

- водонапорных колонн и воздушно-водяных камер (колпаков), смягчающих процесс гидравлического удара;

- дополнительных устройств снижения динамических нагрузок в гидросистеме (уравнительных резервуаров, воздушных карманов, интерференционных гасителей, упругих элементов и т. п.);

- регулировочных задвижек, выполняющих как регулирование параметров, так и гидрозащиту магистралей.

В табл. 1 приведена сравнительная характеристика существующих средств гидрозащиты современных НУ – запорно-регулирующих задвижек, кранов, дисковых поворотных заслонок и гидроклапанов, применяемых в системах городского и промышленого водоснабжения, канализации, отопления, установках шахтного и карьерного водоотлива, оросительных системах и т. д.

Задвижки, краны и затворы устанавливаются во всасывающих, нагнетательных и байпасных линиях на выходе одиночных или группы параллельно работающих НА, в напорных коллекторах насосных станций (НС) и обычно используются для регулирования напора и расхода НУ. Наиболее распространенными и часто используемыми устройствами являются гидроклапаны, выполняющие как регулирование параметров, так и гидрозащиту НС. При этом клапаны устанавливаются между НА и регулировочной задвижкой в напорном или байпасном трубопроводе, в наклонных и вертикальных магистралях НА. Известны неуправляемые гидроклапаны, которые открываются/закрываются под воздействием потока проходящей жидкости из-за создания перепада давления на его тарели, и управляемые устройства, которые срабатывают под воздействием внешнего усилия со стороны привода на запорный орган (мембрану, тарель, золотник, поршень). Анализ технических характеристик трубопроводной арматуры (табл. 1) показал, что задвижки и управляемые гидроклапаны в большинстве случаев оснащаются электрическим или электромагнитным приводом мощностью до 10-15 кВт, значительно реже – гидро - или пневмоприводом, и выпускаются в широком диапазоне диаметров условного прохода (50-1200 мм). Отличительными особенностями гидроклапанов являются: относительно невысокая удельная стоимость (250 у. е на 100 мм); возможность управления средствами привода; малое время срабатывания неуправляемых (сотые доли секунды) и большой интервал закрытия/открытия (20-300 с) управляемых клапанов; широкий диапазон изменения напора и расхода; срабатывание под давлением рабочей среды; открытие/закрытие при изменении направления потока; широкое разнообразие конструкций.

Анализ известных видов гидроклапанов как средств гидрозащиты НУ систем водоснабжения и водоотведения при возникновении различного рода аварийных ситуаций (рис. 1) показал, что при внезапном отключении питания, резкой остановке насоса, приводящих к изменению направления потока, в качестве средств гидрозащиты применяются обратные клапаны и гидрозамки, препятствующие противотоку среды; для гидрозащиты НУ при недопустимом превышении давления в трубопроводной сети из-за резких пусков, остановок НА, выхода из строя участков коммуникационной системы используются предохранительные, воздушные и запорные гидроклапаны [3, 4].

Предохранительные клапанные устройства обладают рядом характерных недостатков: наличием большой разницы давлений открытия и закрытия клапана; резким захлопыванием затвора; повторным срабатыванием и генерированием дополнительных гидроударов; трудностью настройки пружины и частыми отказами в работе; неполным гашением гидроудара, что обусловило не широкое их применение в гидротранспортных системах. Клапаны-гасители, представляющие собой разновидность предохранительных устройств гидрозащиты, характеризуются сбросом большого объема воды в водосборник и частичным опорожнении нагнетательного трубопровода. Особенностью эксплуатации обратных клапанов является резкое схлопывание тарели, сопровождающееся гидроударом значительной силы. Использование воздушных клапанов или воздушно-водяных камер усложняет оборудование водопроводной установки, а быстрое заполнение объема камеры, при котором амплитуда гидроудара практически не снижается, и необходимость изготовления из антикоррозийных материалов ограничили их область применения как трубопроводной защитной арматуры.

Таким образом, гидроклапаны, как средства гидрозащиты НУ, характеризуются следующими основными недостатками (рис. 2):

- запаздыванием срабатывания, осуществляемом по факту возникновения аварии;

- резким схлопыванием, приводящим к значительному повышению давления в трубопроводной сети;

- возникновением автоколебаний в запорных органах, отказов в работе из-за наличия пружинных элементов;

- неуправляемостью, приводящей к повторным схлопываниям и повышениям давления в гидросети.

Таблица 1 -

Характеристика существующих средств гидрозащиты

Название характеристики или технического показателя	Задвижка	Кран	Заслонка	Гидроклапан
управляемый	неуправляемый
Место установки	напорные коллекторы насосов; трубопроводы систем городского и промышленного водоснабжения, канализации, шахтного и карьерного водоотлива
Выполняемые функции	- регулирование параметров НУ; - гидрозащита системы;	гидрозащита системы
Используемые типы приводов	электропривод; электромагнитный привод; гидропривод; пневмопривод;	-
Мощность электропривода, кВт	0.01-15	-
Диаметр условного прохода, мм	50-2000	до 1400	до 2200	до 1200	до 2800
Материал изготовления	бронза, чугун, сталь, нержавеющая сталь
Быстродействие, с	300-480	20-300	0.02-10
Нормативный срок службы, год	5-7	10-14	5-7	3-10	10-15
Фактический срок службы, год	1.5-2.5	1.5-3	1-1.5
Средняя стоимость, у. е. (мм)	до 6000 (до 1200)	до 9000 (до 1200)	до 1500 (до 1200)	до 2500 (до1200)	до 500 (до 700)

Последствиями указанных выше особенностей срабатывания гидроклапанов являются гидравлические удары, происходящие в напорных линиях НУ и приводящие к преждевременному износу (ресурс

работы арматуры сокращается в 5-8 раз), выходу из строя насосного оборудования, порыву трубопроводов, срыву запорной арматуры, вибрациям гидродинамического оборудования, затоплению

помещений НУ и т. д. (рис. 2).

Основными параметрами, характеризующими аварийные режимы в насосных комплексах, являются давление в напорном трубопроводе и расход обратного тока воды. На их величину влияют: время срабатывания обратного клапана, длина трубопровода, статический напор, число работающих агрегатов и др.

Большинство НУ коммунального водоснабжения и водоотведения оснащаются неуправляемыми обратными клапанами, устанавливаемыми в напорном коллекторе перед регулировочной задвижкой. При внезапном отключении НА обратный клапан практически мгновенно срабатывает, что приводит к возникновению прямого гидравлического удара, при котором величина напора в 5-10 раз превышает максимально допустимый (номинальный) напор. В таких системах – в основном с горизонтальными разветвленными трубопроводами значительной протяженности (несколько десятков киллометров), наличием статического напора (до 40% номинального напора, развиваемого насосом), – возникновение гидравлического удара сопровождается резким образованием чередующихся волн повышенного и пониженного давления, их отражением от резервуаров, местных сопротивлений, тупиков и открытых участков трубопроводов, разрывом сплошности потока (образованием воздушных каверн) и пр. Условие и величина протекания гидроудара определяются соотношениями [6]:

; (1)

, (2)

где - время срабатывания обратного клапана, с; - длина трубопроводной сети, м; - скорость распространения ударной волны, м/с; - повышение давления при гидроударе, м; - статический напор у обратного клапана, м; - скорость движения жидкости до закрытия обратного клапана, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Скорость распространения ударной волны существенным образом влияет на значение напора в аварийных режимах и зависит от давления, наличия растворенного воздуха и упругости стенок трубы [7, 8]:

; (3)

, (4)

где E - модуль Юнга для смеси вода-воздух с поправкой на упругость трубы; ρ - плотность смеси вода-воздух, кг/м3; β – объемная доля нерастворенного воздуха в воде, K - модуль упругости воды при отсутствии нерастворенного воздуха, p - давление в трубе, Па; d - диаметр трубы, м; δ - толщина стенки трубы, м; E0 - модуль Юнга материала трубы.

При эксплуатации шахтных водоотливных установок c несколькими параллельно включенными НА и большим геодезическим перепадом (до 500 м) наблюдается опасность порыва нагнетательных трубопроводов из-за повышенных давлений (в десятки раз выше номинальных значений) при гидравлическом ударе, вызванном внезапным изменением направления движения и давления из-за резкого останова гидромашин, перерыва в электроснабжении и пр. Характерными особенностями таких НУ являются равенство длины напорного коллектора и геодезической высоты подъема, высокие скорости движения (2-5 м/с) перекачиваемой жидкости. Условия работы таких НС значительно отличаются от условий эксплуатации систем промышленного и коммунального водоснабжения – по нагнетательным трубопроводам перекачиваются агрессивные и сильнозагрязненные воды под высоким давлением (10-20 атм.), а наличие механических примесей ограничивает область применения противоударных средств (клапанов-гасителей, задвижек и др.), нашедших применение в НУ водоснабжения.

Начало гидравлического удара в водотливных установках характеризуется волной пониженного давления с постепенно уменьшающейся скоростью движения воды, часто сопровождающегося образованием разрыва сплошности потока жидкости и увеличением ударного давления, достигающего значения:

, (5)

и зависящего от характеристик НА, инерции вращающихся частей, длины и профиля трубопровода, скорости движения воды и распространения ударной волны [6].

В табл. 2 приведены значения возникающих динамических нагрузок на агрегат и трубопроводную сеть при внезапном исчезновении напряжения с закрытием и без закрытия заслонки, установленной в напорном коллекторе (табл. 2) применительно к насосной станции канала Днепр-Ингулец, оборудованной одним центробежным насосом мощностью 6300 кВт с номинальными напором Hн=44.7 м и расходом Qн=8.02 м3/c. Величины напора и расхода в трубопроводной сети, момента на валу НА и др. получены с помощью методики расчета нестационарных гидравлических процессов и применения метода характеристик [7-9]. При этом базовыми являются известные из гидродинамики уравнения неразрывности и количества движения жидкости соответственно [10]:

, (6)

где - напор в трубопроводе, м; p - давление в трубе, Па; - геодезическая отметка установки трубопровода, м; - коэффициент Дарси, определяемый в зависимости от режима движения жидкости.

В основе метода характеристик лежит приведение системы уравнений (6) к эквивалентной системе уравнений в характеристической форме и решение ее с помощью приемов численного интегрирования [7, 9]:

. (7)

При этом в работах [7-9] приняты следующие допущения: не учитывается изменение параметров перекачиваемой среды (плотность, температура и т. п.), выделение воздуха (разрыв сплошности потока), потери напора (по длине и местные), колебания тарелей клапанов и стенок трубопровода; инерционность и темп закрытия запорно-регулирующих устройств (задвижек, заслонок, гидроклапанов и т. д.) и др.

Анализ динамических нагрузок в НС показал (табл. 2), что повышенные вибрации стенок проточного тракта НА и запорной арматуры, вызваны значительными колебаниями гидравлического момента на валу (до 30-40% установившегося значения), бросками давления (до 50-70% допустимого значения). При более медленном управлении затвором динамические нагрузки в трубопроводной сети снижаются в 2-4 раза.

Рисунок 1 - Классификация гидроклапанов как средств защиты ГТС в аварийных режимах

Рисунок 2 - Основные недостатки и последствия гидрозащиты НУ с использованием гидроклапанов

Таблица 2 -

Динамические нагрузки в НС канала Днепр-Ингулец при внезапной остановке насоса

Аварийный режим НУ	Колебания момента	Броски давления
Исчезновение напряжения без закрытия затвора	30-40% Мгн	50-60% Hн
Исчезновение напряжения с неравномерным закрытием затвора за 30с	8-15% Мгн	30-45% Hн
Исчезновение напряжения с неравномерным закрытием затвора за 26с	5-8% Мгн	30-40% Hн

Выводы.

1. Выполненный анализ динамических нагрузок в гидротранспортных системах показал, что в аварийные режимы насосных установок характеризуются повышенными вибрациям стенок и проточного тракта насосного агрегата, трубопроводной арматуры, значительными колебаниями гидравлического момента на валу насоса (до 30-40% установившегося значения), резким снижением подачи до нуля на выходе агрегата, бросками давления в трубопроводной магистрали, в десятки раз превышающими допустимые значения, что обусловлено низкой управляемостью и надежностью технологического оборудования. Особенно тяжелым является режим внезапного отключения электроэнергии насосной установки. Неуправляемые аварийные режимы работы характеризуются низкими значениями КПД насосных агрегатов, большими потерями энергии, приводят к сокращению в 5-6 раз ресурса работы трубопроводной арматуры, насосного оборудования и значительным денежным затратам на ликвидацию их последствий. Анализ существующих подходов в решении проблемы управления гидротранспортными системами в аварийных режимах показал, что этому вопросу не уделяют достаточного внимания – решаются, в той или степени, местные задачи, которые не рассматривают насосные комплексы как сложные технические системы с изменяющимися во времени режимами работы. В связи с этим является целесообразным и перспективным разработка и исследование эффективных и надежных систем гидрозащиты и средств управления аварийными режимами работы насосных комплексов, позволяющих снижать динамические нагрузки технологического оборудования гидротранспортных систем.

2. С целью исключения аварийных ситуаций, вызванных резким закрытием задвижки со стороны потребителя или внезапной остановкой гидромашины, возникает необходимость управления темпом гидрозащитных устройств. Для этого могут быть использованы регулируемые клапаны с электроприводом, гидрозамки (управляемые обратные клапаны), позволяющие формировать требуемый темп и траекторию закрытия гидроклапана, исключающие опасные пульсации давления в системе.

3. Альтернативными техническими решениями, позволяющими снизить динамические нагрузки в гидравлической сети и осуществлять защиту электромеханического оборудования могут выступать:

- технические устройства с емкостными накопителями электрической энергии (например, на базе ионисторов) и/или активными регулирующими устройствами, которые позволяют в аварийных режимах работы при внезапном исчезновении напряжения за счет эффективного управления энергией гидропотока плавно управлять закрытием (открытием) запорно-регулирующих устройств, обеспечивая безопасную остановку или отключение насосного оборудования от
гидросистемы [11];

- дополнительные источники электроэнергии, обеспечивающие при внезапном исчезновении энергоснабжения возможность продолжения работы на время, необходимое для управления регулируемыми задвижками, управляемыми гидроклапанами и пр., что может быть реализовано, например, на базе бесперебойных источников питания серийно выпускаемых промышленностью в широком диапазоне мощностей (от 100 Вт до 1 МВт) и характеризующихся высокими КПД (93-95%), широким интервалом времени поддержания номинальной мощности (от 2.5 мин до 3 ч) при удельной стоимости 200-250 у. е./кВт и автономной работе в течение 7-10 мин.

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/ Гостстрой СССР. - М.: Стройиздат, 19с.

2. СНиП Канализация. Наружные сети и сооружения/ Гостстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1975.

3. , Косых арматура с автоматическим управлением. Справочник –Л.: Машиностроение, 19с.

4. Гуревич арматура. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 19с.

5. , Новодережкин станции с центробежными насосами. - М.: Стройиздат, 19с.

6. Попов водоотливные установки. - М.: Недра, 19с.

7. Лямаев и переходные процессы в сложных гидросистемах. Методы расчета на ЭВМ. - Л.: Машиностроение, 19с.

8. Фокс анализ неустановившегося течения в трубопроводах. - М: Энергоиздат, 19с.

9. Вишневский процессы в напорных системах водоподачи. - М. : Агропромиздат, 19с.

10. Чарный движение реальной жидкости в трубах. - М.: Недра, 19с.

11. , , Михайличенко защиты насосной установки от гидроудара с емкостным накопителем в силовом контуре /Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. КДПУ. - Вип. 6(36). - Кременчук: КДПУ, 2005, - C.68-72.

Стаття надійшла 15.04.2006 р.

Рекомендовано до друку

д. т.н., проф. Родькіним Д. Й.