CC BY
160
УДК 621.644
ПАЛАМАРЧУК Н.В., д.т.н., профессор (Донецкий институт железнодорожного
транспорта),
ТИМОХИН Ю.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта), СОЛОМИН А.П., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Защита высоконапорных трубопроводных систем и насосных установок от гидравлических ударов
Palamarchuk T.N., Assistant (DRTI) Timohin J.W., Assistant Professor (DRTI) Solomin АР., Senior Lecturer (DRTI)
Protection of high-pressure pipeline systems and pumping installations against hydraulic shocks
Постановка задачи
С ростом мощности насосных агрегатов трубопроводных систем водоснабжения, теплоснабжения,
шахтного водоотлива, транспорта нефти, увеличением длины их напорных трубопроводов и высоты водоподъема гидравлические удары (ГУ) все чаще становятся причиной аварий на стационарных насосных установках (СНУ). Так, на СНУ "Комсомольская", "Белозерская", "Трудовская" и других имели место случаи, когда динамические давления, возникающие при гидравлических ударах, приводили к разрушению корпусных деталей насосов и разрыву трубопроводов в насосной камере и в скважинах. На СНУ, где удары незначительны, проявление их также нежелательно: часто повторяющиеся динамические нагрузки, продольное и поперечное деформирование секций напорных и подводящих трубопроводов постепенно нарушают фундаменты и центровки агрегатов.
Основная причина, вызывающая гидравлические удары в напорных трубопроводах СВУ, - аварийное или неподготовленное специальными
мероприятиями отключение
электропитания приводных двигателей насосов. При остановке насосного агрегата и мгновенном закрытии обратного клапана возникает прямой удар при значительном увеличении давления. Начало удара характеризуется волной пониженного давления с постоянно уменьшающейся скоростью движения воды
Анализ последних исследований
По мнению ряда авторов [1-4], при самых неблагоприятных условиях гидравлический удар рассматривается как результат резкого перекрытия сечения трубопровода, дросселирующим элементом которого является остановившийся насос. Отход потока воды от закрытого элемента обратного клапана с остаточной скоростью сопровождается при гидравлически
энергоемких режимах разрывом сплошности потока и резким увеличением ударного давления. По-прежнему остается актуальной задача поиска новых средств и способов защиты насосов и трубопроводов от ГУ, которые были бы надежны в эксплуатации, удобны в обслуживании и просты в изготовлении. Такими способами может быть, например, [511], включение дополнительных компенсирующих устройств или гидравлического сопротивления в определенном месте трубопровода в момент возникновения опасного ГУ.
Цель работы
Целью работы является сравнение характеристик и подбор для высоконапорных трубопроводных
систем наиболее эффективных способов защиты от ГУ.
Основной материал
Для правильного расчета и выбора средств защиты оборудования СНУ необходимо определить ожидаемое ударное давление Ру и давление Рд, максимально допустимое для данного трубопровода:
Ру - Ро+АР - Рп - [(АЛ+И^ + аУо]р - Рп, (1)
где Ро - рабочее давление насоса, Па;
АР - динамическая составляющая ударного давления, Па;
Рп - давление в момент закрытия обратного клапана, Па;
АН - потери напора на трение в трубопроводе, м;
Нг - высота водоподъема СВУ, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2; а - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, по экспериментальным данным для
трубопроводов СНУ, перекачивающих воду, составляет от 1270 до 1310 м/с;
Уо - скорость установившегося движения воды в трубопроводе перед остановкой насосов, м/с;
р - плотность перекачиваемой воды, кг/м3.
Максимально допустимое
давление для трубопровода диаметром Птр и с толщиной ёст стенки
Рд - Ов Ост / Д
тр,
(2)
где Ов - минимальное значение предела прочности стального трубопровода для расчетов принимают Ов =450...590 МПа.
Процесс развития и затухания ГУ в трубопроводах большой
протяженности и постоянно
нагруженных высоким
гидростатическим давлением
исследован на СНУ "Комсомольская" и "Белозерская". В качестве средств измерения давлений использовались малоинерционные датчики давления, для определения расхода воды в трубопроводах - гидродинамические и тензометрические индикаторы средней скорости потока "Искра-3" и ТСШ-2. По результатам исследований, которые проводились при остановке одного, двух или трех одновременно работающих насосов, при скорости движения воды в трубопроводе 1,8-3,5 м/с и геометрической высоте водоподъема от 200 до 690 м, были сделаны следующие выводы:
а) при гидравлическом ударе, возникающем в случае
неблагоприятного режима остановки насоса, в том числе и внезапного отключения всей системы
энергоснабжения СНУ, давление в области обратного клапана или коллектора напорного трубопровода снижается от 0,08Р до 0,1Р, т.е. не зафиксировано разрыва сплошности
потока с предполагаемым
вакуумметрическим давлением;
б) расчетные значения максимальной амплитуды давления Ру, определяемые по формуле (1) при скорости потока жидкости \о до 2,4 м/с, выше или совпадают с экспериментальными данными, при скорости более 2,8 м/с - ниже на 1025%;
в) особую опасность представляет режим одновременной остановки двух или трех насосов, параллельно перекачивающих воду по одному трубопроводу, так как ударное давление может достигать двукратного значения статического давления.
Способы предупреждения ГУ и защиты от него оборудования водоотливных установок можно разделить на две группы.
1. Трубопроводная система транспорта жидкости не допускает возрастания амплитуды давления выше установленной за счет: снижения скорости движения жидкости в трубопроводе; подачи воздуха в поток жидкости перед остановкой агрегата; подачи жидкости в систему для предупреждения образования зоны пониженного давления; подбора эффективной схемы выключения совместно работающих насосов.
2. СНУ защищена от ГУ с помощью специальных устройств, воспринимающих и гасящих потенциальную энергию ГУ, например: предохранительных клапанов, устанавливаемых в зоне максимально возможного давления; обратных клапанов, секционированных по длине трубопровода; устройств с гидравлическим диодом; автоматических гасителей гидроудара; воздушно-гидравлических колпаков; гидравлических предохранительных систем впуска в трубопровод воды под
давлением, разрывных пластин или мембран.
Уменьшение скорости движения воды в трубопроводе. Динамическая составляющая давления ГУ согласно зависимости (1) пропорциональна скорости движения воды в шахтном трубопроводе, следовательно, снижение скорости потока вызывает и пропорциональное уменьшение его амплитуды. Этот способ реализуется увеличением диаметра напорного трубопровода (для вновь
проектируемых установок) или включением в напорную линию установки дополнительного резервного трубопровода. При работе насоса на два напорных трубопровода одинакового диаметра вместо одного (с учетом изменения подачи насоса) скорость потока и динамическое давление гидроудара уменьшаются в 1,7-1,9 раза.
Подача воздуха в систему. Один из основных факторов, определяющих ударное давление, - скорость распространения волны а. Ее можно уменьшить, снизив упругость перекачиваемой жидкости за счет добавления в нее воздуха. Ранее способ широко использовался на действующих СНУ глубоких шахт рудников. Перед остановкой насоса воздух впускают через отверстие во всасывающей линии, при этом продолжительность подачи воздуха и его объем были произвольны. Однако исследования влияния поступившего в насос воздуха на функционирование и
работоспособность главных узлов показали, что его значительные объемы и неравномерная аэрация потока в каналах крайне неудовлетворительно сказываются на функционировании автоматического уравновешивающего устройства и на вибрационном состоянии ротора насоса. Поэтому для исключения неблагоприятных
факторов, сопровождающих
поступление воздуха в насос и его продвижение в каналах, необходимо обеспечить рациональное управление продолжительностью впуска воздуха и его объемом.
Оптимальное время подачи воздуха перед остановкой насоса должно определяться из условия прохождения аэрированного потока жидкости со скоростью Уо по всей длине Ьтр трубопровода:
^ - Ьтр/Уо.
(3)
Однако для действующих СНУ систем водоснабжения, водоотлива, транспорта нефти с магистральными напорными трубопроводами большой длины (800 м и более) продолжительность впуска можно сократить в 2-2,5 раза. Удельный объемный расход воздуха, по оценке авторов статьи, не должен превышать 2,5% расхода воды в напорном трубопроводе. Впуск воздуха в линию всасывания насоса должен
производиться через игольчатый кран, совмещенным с настроенным тарированным ротаметром-
расходомером.
Подача в систему воды под давлением. Согласно зависимости (1) ударное давление Рх тем меньше, чем больше предварительное давление Рп (подпора) в трубопроводе в момент закрытия обратного клапана. Для СНУ, перекачивающей жидкость на значительную высоту водоподъема рационально применение защитной системы, автоматически создающая подпор на сопряжении "обратный клапан-напорный трубопровод" во всех режимах работы.
Основной элемент системы (рисунок 1) - предохранительная труба (гидростатическая колон,
прокладываемая на вертикальном участке параллельно магистральному напорному трубопроводу и включенная между обратным клапаном и оперативной задвижкой насоса. Превышение Нпр открытого в атмосферу верхнего конца предохранительной трубы над отметкой горизонтального участка магистрального трубопровода должно быть равно или несколько больше потерь напора по длине этого участка магистрального трубопровода.
Во время внезапной остановки насоса, когда обратный клапан закрывается, и скорость движения жидкости быстро уменьшается до нуля, на первом этапе гидроудара в напорном трубопроводе возникает волна пониженного давления. Из
предохранительной трубы, как из сообщающегося сосуда, поток начинает поступать в эту зону, препятствуя понижению давления до критического. На втором этапе, после отражения от открытого конца магистрального трубопровода уже ослабленной волны пониженного давления и ее возврата к закрытому обратному клапану, энергия движения жидкости не преобразуется в гидроудар, как происходит в изолированных трубопроводных
системах, а с диссипацией распространяется в жидкости предохранительной трубы. Диаметр ее выбирается произвольно, но не должен быть меньше половины диаметра напорного трубопровода.
Порядок выключения совместно работающих насосов на общую трубопроводную сеть. При
параллельной работе нескольких насосов на общий трубопровод для их полной остановки вначале отключают насос с более высокими напором и подачей, затем поочередно -следующие. Интервал между остановками должен быть не менее 15 с.
Последовательно включенные насосы надо останавливать в таком порядке: вначале отключают насос верхнего горизонта, затем следующий
за ним и последним - главный (всасывающий). Интервал между остановками должен составлять 20 - 30 с.
1 - предохранительная гидростатическая колонна; 2 - напорный трубопровод; 3 - оперативная задвижка; 4 - обратный клапан; 5 - насос.
Рис. 1. Защитная система с предохранительной трубой:
Предохранительные устройства с разрывными элементами. На СНУ
применяются двухканальные клапаны: со сбросной трубой и с разрывным стержнем.
Конструктивно первый тип устройства состоит из рабочего и вспомогательного каналов. Рабочий снабжен обратным клапаном с поворотным диском или вертикальным штоком, вспомогательный имеет специальный запорный элемент, который во время работы насоса закрыт, а при возврате ударной волны после остановки открыт. Сброс
давления осуществляется по обводной трубе. Недостатки клапана: возможно полное опорожнение напорного трубопровода после каждой остановки насоса; сложная и ненадежная конструкция.
Клапан с разрывными стяжными болтами, мембранами или пластинами представляет собой патрубок с фланцем, установленным на
вертикальной части трубопровода, который закрыт защитной крышкой. прижимающейся к фланцу с помощью ослабленных болтов калиброванным сечением, где установлен клапан. Болты
рассчитываются на разрыв при давлении, на 25-30% превышающем рабочее давление в трубопроводе. Диаметр ослабленного сечения калиброванного болта определяют по формуле
= Д ^[Р Ла" / и, (4)
к кМ у max в > \ /
где Дк - диаметр крышки, мм;
Рутах - максимально допустимое давление для системы; МПа;
Ов - предел прочности на растяжение, Ов = 420 МПа для стали 20, Ов = 540 МПа для стали 35; п -количество болтов на крышке.
Недостатки предохранительных устройств с разрывными болтами и мембранами: необходимость замены разрушенных элементов, опорожнение трубопровода после остановки насоса; в местах расположения клапанов требуются специальные защитные ограждения и камеры; к местам установки клапанов должен быть удобный доступ.
Секционирование напорного трубопровода обратными клапанами. На напорном трубопроводе устанавливаются два обратных клапана одинаковой конструкции (первый - на выходном патрубке насоса, второй -примерно посредине строительной длины трубопровода. В результате можно почти вдвое сократить ударное давление у первого обратного клапана. Недостатки: сложность монтажа и трудность обслуживания удаленного клапана.
Защитные системы с гидравлическим диодом вихревого типа. Одним из возможных способов защиты СНУ от ГУ ударов является увеличение гидравлического
сопротивления обратному току воды. Гидравлический диод - лучшее устройство для обеспечения этого
эффекта. В перспективе возможно создание струйных диодов, которые не имеют подвижных частей, что еще больше повысит надежность защиты от ГУ [8-11].
Вихревой гидравлический диод [11] может быть использован для защиты от гидравлических ударов в системах промышленного водоснабжения и шахтного водоотлива. Диод состоит из подводящего и отводящего патрубков, которые связаны с конической вихревой камерой. Камера оснащена отверстием, в котором установлен клапан в форме полого цилиндра со своей вихревой камерой и отверстием в дне, также имеется направляющий центральный стержень. Это позволяет достичь технический результат - увеличение обратного гидравлического
сопротивления. Общий вид
гидравлического диода представлен на рис. 2.
Диод устанавливается в трубопроводе с помощью подводящего 1 и отводящего 2 патрубков. Патрубок 2 расположен так, что винтовая ось постепенно становится прямой, соосной с подводящим патрубком. Плавный переход необходим для уменьшения прямого сопротивления. Подводящий патрубок 1, соединен с конической частью 3 вихревой камеры 4, которая имеет отверстие, где находится клапан 5 в форме полого цилиндра, насаженный на направляющий стержень 6 со своей вихревой камерой 7, камера имеет отверстие в дне на цилиндрической поверхности 8 и в центре дна 9.
При движении жидкости в прямом направлении поток движется по патрубку 1, поднимает полый клапан 5, подходит к конической части 3, далее к вихревой камеры 4, и затем переходит в отводящий патрубок 2 и далее по трубопроводу.
"---- д
Рис. 2 - Гидравлический диод с клапаном в вихревой камере
При этом гидравлическое
сопротивление потока минимально. При обратном движении поток жидкости закручивается в винтообразном отводящем патрубке 2 и под углом входит в вихревую камеру 4, где он закручивается и формирует вихрь. При дальнейшем течении в конической части 3 вихревой камеры 4, скорость потока увеличивается, он входит через отверстия 8 в вихревую камеру 7 полого клапана 5, который, не имея поддержки от потока снизу, под действием гравитационных сил скользнул по стержню 6 и занял крайнюю нижнюю позицию. В вихревой камере 7 вихревой эффект набирает наибольшей силы и при пересечении отверстия 9 происходят наибольшие потери
давления. Этот диод способен значительно увеличить обратное гидравлическое сопротивление..
Вихревой гидравлический диод [11]
может быть автоматической гидравлических высоконапорных
использован для защиты от
ударов насосов и
трубопроводов. Корпус диода жестко соединен с ротором, выполненным в виде пружины с переменным шагом, дополнительно оборудованный
металлическим обтекателем,
соединенным с корпусом при помощи штифтов с возвратными пружинами. Схема гидравлического диода представлена на рис. 3 (слева при прямом токе жидкости, справа -обратном).
Рис. 3. Гидравлический диод с металлическим обточником
Вихревой гидравлический диод содержит корпус 1, выполненный в виде
действующего трубопровода, вращатель 2, выполненный в виде напряженной
стальной пружины с переменным шагом, жестко соединенной с корпусом 1 за счет ее упругих сил, внутри корпуса 1 находится стальной обтекатель 3, который зафиксирован при помощи радиальных штифтов 4 с обратными пружинами 5, также обтекатель 3 имеет дополнительную камеру сопротивления 6 с проточными каналами 7.
Работает вихревой струйный диод следующим образом: при прямом движении потока (см. рис. 4, слева) жидкость, проходя в пространство между внешней поверхностью стального обтекателя 3 и внутренней поверхностью ротора 2, будет закручиваться, но так как по направлению движения шаг пружины увеличивается все больше, то это закручивание плавно исчезает. При выходе из ротора некоторая часть потока будет попадать в проточные каналы 7, выходя из дополнительной камеры сопротивления 6. При прямом движении суммарный поток жидкости, который состоит из исходного потока ротора и выходного потока дополнительной опорной камеры, будет незначительным, по отношению к суммарному обратному потоку жидкости. При обратном движении потока (рис. 4, справа) жидкость сначала попадает в дополнительную камеру сопротивления 6, форма которой выполнена таким образом, чтобы обеспечить дополнительный
гидравлическое сопротивление
жидкости, и выйдет через проточные каналы 7 к пространству между корпусом 1 и стальным обтекателем 3, где она встретится с основным обратным потоком. Суммарный обратный поток, состоящий из обратного потока жидкости, которая вышла из дополнительной камеры сопротивления 6 через проточные каналы 7, и основного обратного
потока, попадет в пространство между внешней поверхностью обтекателя и внутренней поверхностью ротора, где ей будет придаваться вращательное движение. Так как шаг ротора, выполненного в виде пружины, в обратном направлении уменьшается все сильнее, то на выходе из него будет получен сильно выраженный вихревой эффект, который дает большое гидравлическое сопротивление,
способствующее гашению волны давления при гидравлическом ударе.
Диод можно смонтировать на уже действующем трубопроводе без применения болтовых, или сварных соединений, что расширяет области его применения практически без
ограничений.
Гибридный гидравлический диод с винтовым подводом, схема которого показана на рис. 4, может применяться для защиты от гидравлических ударов в насосных установках различного назначения.
Гидравлический диод с винтовым подводом из корпуса 1, внутри которого с помощью крестовины 2 закреплен цилиндр 3 с винтовой канавкой. Наружная поверхность цилиндра служит направляющей для гильзы 4, дно 5 которой является клапаном и имеет отверстие в центральной части. При обратном токе жидкости на рис. 5 слева гильза ложится на седло, сформированное в корпусе 1 и закрывает проход воды с внешней стороны гильзы. Поток движется по спиральной канавке цилиндра 3, закручивается и попадает в вихревую камеру, находящуюся между нижним торцом цилиндра и верхней поверхностью дна гильзы. Общее гидравлическое сопротивление
определяется сечением отверстия и образующимся вихревым эффектом.
При прямом токе жидкости (см.
рис. 4, справа) под действием напора движущейся жидкости, гильза поднимается до упора дном в цилиндр и тем самым обеспечивается обтекание
потоком гильзы по наружной поверхности с минимальными потерями.
Рис. 4. Гибридный гидравлический диод с винтовым подводом
Автоматические гасители
гидравлического удара и воздушные колпаки. Существует много типов (более 55) автоматических гасителей. Конструктивным многообразием
отличаются также воздушные колпаки и колонны. Гасители конструкции Укрводгео и ДонНТУ ранее широко использовались в горной
промышленности. Однако из-за высокой стоимости, сложности настройки без пробных срабатываний в критических режимах, большого объема сбрасываемой жидкости, заиливания рабочих отверстий при работе на загрязненной жидкости, быстрого изменения характеристик дросселей при изнашивании их элементов в настоящее время в угольной промышленности они используются редко.
Предохранительные системы впуска и выпуска воды из системы.
Гидравлическая система впуска состоит (рис. 5) из независимого и постоянного источников высокого давления (противопожарный трубопровод,
резервуар, заполненный водой с вышележащего горизонта), связанных с напорным трубопроводом через предохранительный клапан. При понижении давления на первом этапе гидроудара клапан открывается, вода поступает в напорный трубопровод и предотвращает образование прямой ударной волны. В качестве предохранительного клапана
целесообразно использовать
вертикальный тарельчатый, настроенный на открывание при давлении Р = (0,5...0,55)Игр^
1 - напорный трубопровод; 2 - предохранительный клапан; 3 - источник
высокого давления.
Рис. 5. Защитная система впуска воды с предохранительным клапаном:
Защита водоотливных
установок с последовательно включенными насосами. Для
перекачивания воды и других жидкостей на большие расстояния и на значительную высоту водоподъема интерес представляют схемы с последовательно включенными
насосами. Однако при использовании в таких схемах низконапорных подкачивающих насосов с
положительной высотой всасывания, требующих применения приемных устройств с обратными клапанами, возникает необходимость защиты низконапорного оборудования от большого давления, определяемого полной высотой водоподъема.
Предлагается способ защиты оборудования с помощью
предохранительной трубы на всасывающем трубопроводе
подкачивающего насоса. Как показано на схеме (рис. 6), предохранительная труба представляет собой трубопровод с петлей, один конец которого подсоединяется к всасывающему
трубопроводу, а другой имеет предохранительную сетку и
размещается в приемном колодце ниже уровня воды.
Верхняя точка трубы выше подкачивающего насоса на 1-3 м, что позволяет производить его
предпусковую заливку. Для исключения подсосов воздуха через фланцевые соединения предохранительная труба может быть подключена к всасывающему трубопроводу ниже уровня воды. При внезапном отключении электроэнергии и неисправности обратного клапана вода из нагнетательного трубопровода через насосы, коллектор и
предохранительную трубу сбрасывается в приемный колодец. Диаметр предохранительной трубы должен быть таким, чтобы при максимальной утечке давление на выходе подкачивающего насоса не превысило допустимого значения Нд = Шм , где к - коэффициент допустимого превышения давления в насосе и трубопроводе, к = 1,25... 1,5; Нм - максимальный напор подкачивающего
насоса, м.
1 — предохранительная труба; 2 — задвижка; 3 — обратный клапан; 4 и 8 — напорный и всасывающий трубопроводы; 5 и 7 — основной и подкачивающий насосы; 6 — коллектор; 9 — приемное устройство с обратным клапаном; 10 — предохранительная сетка.
Рис. 6. Схема защиты водоотливной установки с помощью предохранительной трубы
При обратном потоке воды предохранительный трубопровод можно рассматривать как самотечный. В связи с быстротой разгона жидкости, а также с возможностью компенсации утечки воды из системы за счет трубопровода, проложенного по поверхности, изменением верхнего уровня воды в трубопроводе можно пренебречь. При разрыве потока в предохранительной трубе (наиболее неблагоприятный вариант) нижний уровень воды установится на уровне ее верхней точки. В этом случае для самотечного трубопровода запишем
нг = К = (а1 + ап
2
тах
(5)
где Нг - геометрическая высота водоподъема, м;
Кп - высота предохранительной трубы, м;
Qmах - максимальный расход воды в системе при обратном потоке, м3/ч;
- сопротивление
ап
предохранительной трубы, ч2/м5;
а1 - сопротивление системы обратному потоку жидкости, ч2/м5,
а = ан + ав + ан1 + ан 2,
ан - сопротивление
нагнетательного трубопровода (если возможно параллельное включение нескольких ветвей, то в расчете принять минимальное значение), ч2/м5;
ав - сопротивление всасывающего трубопровода от точки подключения предохранительной трубы до насоса, ч2/м5;
ан1
и
ан2
сопротивления
подкачивающего и основного насосов обратному потоку воды, ч2/м5.
Сопротивления ан могут быть подсчитаны по приближенной формуле
„ = Нн
ин 2 ,
Пн Он,
где Пн и Нн - КПД и напор насоса при номинальной подаче йн. Потери напора в подкачивающем насосе, всасывающем трубопроводе и предохранительной трубе при обратном потоке воды связаны с допустимым напором и высотой предохранительной трубы зависимостью
Нд - К = (а2 + ап )б
2
тах '
(6)
(8) относительно диаметра представляет определенные трудности. Однако при практических расчетах в этом нет необходимости. Достаточно принять стандартное значение диаметра и проверить соблюдение условия (8). Значение максимального расхода при обратном потоке можно получить из уравнения (5):
йи = (Нг - К)/(а + ап)
0,5
(9)
При работе насоса расход воды через предохранительную трубу составит
\0,5
й = М / а£ , й , (10)
а / ап )0,5 + 1
где а2 = ав + ан.
Из совместного решения уравнений (5) и (6) находим максимально допустимое
сопротивление предохранительной трубы
Нд - К ) - а2(НгКп ) ап тт тт . (7)
Нг - НД
Сопротивление предохранительной трубы связано с ее параметрами:
(
а = 6,3755 -10-
Л
0,021/ ££
ч а53 + а4 ;
< ад. (8)
где а и / - внутренний диаметр и длина предохранительной трубы, м;
- сумма коэффициентов местных сопротивлений.
В формуле (8) для определения коэффициента гидравлического трения использована формула Ф. А. Шевелева для старых труб. Решение неравенства
где ак - сопротивление всасывающего трубопровода от приемного устройства до точки подключения
предохранительной трубы, ч2/м5; й - подача насоса, м3/ч.
Для исключения попадания посторонних предметов в насосы предохранительная труба в приемном колодце должна быть ограждена защитной сеткой.
Сопоставление способов и средств защиты оборудования от гидроударов по основным характеристикам и признакам приведено нами в работе [5].
Вывод
Анализ известных способов и средств защиты оборудования СНУ от ГУ с учетом всех факторов, определяющих их надежность, энергозатраты, стоимость,
закономерности функционирования и затраты на обслуживание позволяет сделать следующие выводы.
1. Системы и устройства, обеспечивающие защиту оборудования
9
СНУ от гидроударов, можно разделить на две группы: активные -предупреждающие возникновение и рост ударного давления в течение всего процесса его развития (уменьшающие скорость движения воды в напорном трубопроводе, снижающие упругость перекачиваемой среды, исключающие понижение до критических значений давления в устье напорного трубопровода) и пассивные -воспринимающие и гасящие энергию гидроудара (уменьшающие давление частичным сбросом воды из трубопровода, ступенчато
воспринимающие и отсекающие прямую ударную волну по длине трубопровода, демпфирующие
импульсное давление, создающие подпор из независимого источника высокого давления на первом этапе гидроудара).
2. Наиболее эффективны способы, значительно снижающие ударное давление за счет: уменьшения скорости движения воды в напорном трубопроводе (применение
увеличенного диаметра трубопровода, включение параллельно с основным дополнительного резервного
трубопровода); снижения упругости перекачиваемой жидкости (строго контролируемый по времени и ограниченный по объему впуск воздуха во всасывающую линию); создания подпора в области пониженного давления в первую фазу развития гидроудара. Максимально допустимая скорость потока воды в напорных трубопроводах СНУ с высотой водоподъема от 300 до 450 м, на которых не предусмотрены
специальные устройства для защиты от гидроудара, не должна превышать 2,4 м/с; от 450 до 570 м - 1,75 м/с, от 570 до 750 м - 1,4 м/с. Для обеспечения нормальной работы насосных установок
с указанными предельными значениями скорости потока воды в трубопроводах их внутренние диаметры следует выбирать большими, чем в действующих нормативных документах.
3. Технически простые способы снижения амплитуды гидроудара (подача незначительного удельного объема воздуха в насос со строго заданной продолжительностью и организация правильной последовательности отключения параллельно работающих на общую трубопроводную сеть насосов с различными характеристиками) могут эффективно использоваться на всех СВУ, однако их возможно реализовать только при плановой, т. е. предусмотренной заранее, остановке.
4. Применение саморегулирующей защитной системы, автоматически создающей подпор у обратного клапана в первую фазу развития гидроудара (гидростатическая труба, постоянно сообщающаяся с рабочим напорным трубопроводом), установка дополнительно вихревого гидродиода, позволяет снизить динамическую составляющую ударного давления в несколько раз. Наиболее эффективно использование этой системы на СНУ, имеющих геометрическую высоту водоподъема более 450 м и протяженные напорные трубопроводы значительной длины и большого диаметра.
5. Из-за высокой стоимости, сложности настройки, запаздывания при срабатывании, из-за постепенного заиливания рабочих полостей и низкой надежности рабочих органов применение воздушных колпаков и гасителей ГУ на СНУ, перекачивающих загрязненные шахтные и сточные воды, нерационально.
6. Секционирование напорного трубопровода путем дополнительной
установки обратных клапанов (обычно одного-двух), в том числе с дополнительным гидравлическим
диодом вихревого типа, дает возможность понизить динамическую составляющую гидроудара в 2-3 раза. Однако применение этого способа в горной промышленности ограничено трудностями при монтаже и обслуживании обратных клапанов в скважине или в шахтном стволе.
Рекомендуются сочетания
способов защиты оборудования главных СНУ от ГУ:
вариант 1 (Нг < 450 м) - при плановой остановке: контролируемый по расходу и управляемый по времени (5-15 с) впуск воздуха во всасывающую линию; при внезапном отключении электроэнергии — срабатывание на предохранительную гидростатическую трубу;
вариант 2 (Нг < 450...600 м) - при плановой остановке впуск воздуха и поочередная остановка паралельно работающих насосов (от лучшего по техническому состоянию к худшему); при внезапной - заранее предусмотренное включение резервного трубопровода или предохранительной гидростатической трубы;
вариант 3 (Нг < 570...750 м) - при плановой остановке: см. вариант 2; при внезапной: увеличение диаметра напорных трубопроводов, включение в сеть дополнительного резервного трубопровода или гидростатической трубы, обязательная установка второго обратного клапана и дополнительного гидравлического диода;
вариант 4 (высота водоподъема более 800 м) - при плановой остановке -см. вариант 2: при внезапной -обязательное увеличение диаметра напорных трубопроводов на 20-25% по сравнению с рекомендуемыми по нормативным документам, включение
резервного трубопровода,
гидростатической трубы,
секционирование магистрального
трубопровода одним или двумя обратными клапанами и гидродиодами и установка в безопасном месте системы сброса воды через устройства с разрывными элементами.
Окончательный выбор варианта производится с учетом экономических показателей, конкретных условий эксплуатации СНУ, схем прокладки трубопроводов и коммутации насосов в насосной станции.
Список литературы:
1. Попов В.М. Водоотливные установки: [справочное пособие] / В.М. Попов - М.: Недра, 1990. - 254 с.
2. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов - М.: Недра, 1987. - 270 с.
3. Попов В.М. Шахтные насосы: Попов В.М. Водоотливные установки: [справочное пособие] / В.М. Попов -М.: Недра, 1993. - 224 с.
4. Оверко В.М. Защита от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами / В.М. Оверко, В.П. Овсянников, А.Ф. Папаяни // Разработка рудных месторождений. Научно-технический сборник, вып. 1 (90). - Кривой Рог, 2006. - С. 158-162.
5. Паламарчук Н.В. Шахтные и рудничные насосы: Справочное пособие / Н.В. Паламарчук - Донецк, ООО Горные машины, 2009, 601 с.
6. База патентов Украины [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://uapatents.com.
7. Центробежные насосы и трубопроводные сети в горной промышленности: Справочное пособие / Папаяни Ф.А., Трейнер Н.Б., Никитин
В.И., Чернышев Ю.И., Оверко В.М. Под общ. ред. Ф.А. Папаяни и Н.Б. Трейнера. - Донецк : ООО «Схщний видавничий дiм», 2011. - 334 с.
8. Оверко В.М. Овсянников В.П. Оптимизация параметров гасителей гидравлических ударов в шахтных гидросистемах / Разработка месторождения полезных ископаемых ископае- мых. Респ. межвед. науч. -техн. сб. Киев, Техника, 1986, вып. 75, с. 2530
9. Защита от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами/ Оверко В.М., Овсянников В.П.,. Папаяни. О.Ф. / Разработка рудных месторождений науч. - техн. сб. Министерство образования и науки Украины. Криворожский технический университет. Кривой Рог 2006, вып №1 (90) с. 158-162.
10. Оверко В.М., Повышение надежности водоотливных установок, защищенных гидравлическими диодами. / В.М. Оверко, В.П. Овсянников // Науковi пращ Донецького державного техшчного ушверситету. Випуск 172., 2010. - С. 226-233.
11. Кузавка А.В. Обоснование основных параметров гибридных
средств защиты от гидравлических ударов диодного типа / Автореф. магистерской работы. ДонНТУ, 2016, 12 с.
Аннотации:
Для обеспечения надежной работы высоконапорных трубопроводных систем и насосных установок необходимо обеспечить их постоянную защиту от резких повышений давления (гидравлических ударов). Дан сравнительный анализ применяемых способов и технических средств защиты протяженных и энергоемких трубопроводных систем и насосов, даны основные рекомендации по выбору наиболее эффективных средств защиты оборудования от гидравлических ударов.
Ключевые слова: гидравлический удар; скорость распространения ударной волны; гаситель гидроудара, гидравлический диод.
In order to ensure reliable operation of high-pressure pipeline systems and pumping units, it is necessary to ensure their constant protection against sharp increases in pressure (hydraulic shocks). The comparative analysis of the applied methods and technical means of protection of the extended and power-consuming pipeline systems and pumps is given, the basic recommendations for the choice of the most effective means of protection of the equipment against hydraulic shocks are given.
Keywords: hydraulic punch; speed of shock wave propagation; damping water hammer, a hydraulic diode.
