Статья: О задаче управления динамическими нагрузками в гидротранспортных комплексах при аварийных режимах

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

16

О ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ В ГИДРОТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСАХ ПРИ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Коренькова Т.В., Кравец А.М.

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

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). насос гидрозащита аварийный выключение

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; с - плотность смеси вода-воздух, кг/м³; в - объемная доля нерастворенного воздуха в воде, K - модуль упругости воды при отсутствии нерастворенного воздуха, p - давление в трубе, Па; d - диаметр трубы, м; д - 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 H_н=44.7 м и расходом Q_н=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]: