Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць VII Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 26-28 квітня 2007р. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – С.167-170.
При эксплуатации водоотливных установок, особенно при большой высоте нагнетания, появляется опасность разрыва стенок нагнетательных трубопроводов из-за повышенных давлений вследствие появления гидравлического удара, вызванного изменением скорости движений воды. При закрытии обратного клапана или задвижки в каждом сечении трубопровода будут изменяться давление, скорость и деформация трубы. При гидравлическом ударе в водоотливной установке каждому изменению скорости или давления, происходящему в любой точке трубопровода, соответствует появление прямых и обратных отраженных волн, вдоль которых происходит перепад скоростей и давлений.
Начальными условиями являются значения расхода и давления в нагнетательных трубопроводах, граничными – отражение ударных волн с обратным знаком от открытого конца нагнетательного трубопровода.
Как показывают расчеты и подтверждают результаты натурных экспериментов, а также опыт эксплуатации, в шахтных водоотливных установках при гидравлических ударах возможно значительное повышение давления (до 4...5 МПа), в сравнение с рабочим. Это может вызвать порыв труб и потерю их продольной устойчивости на вертикальных участках, разгерметизацию фланцевых соединений, выход из строя арматуры и других элементов установки. Серьезную опасность представляет также колебательный характер изменения давления при гидроударах [1].
Для предотвращения недопустимых колебаний давления в шахтной практике используются два способа регулирования насосной установки по подаче – изменение скорости вращения двигателя насоса и дросселирование потока с помощью задвижки.
Для определения гидравлического удара применяется приближенный графоаналитический метод расчета, достоинством которого является то, что он дает возможность не только достаточно точно и просто определить изменения давлений и расходов в несложных системах, но и глубже понять существо происходящих процессов.
Однако этот метод не позволяет точно учесть влияние на переходный процесс сопротивления, распределенного по длине трубопровода. Для оценки последнего предполагают, что оно сконцентрировано в нескольких точках трубопровода, в простейшем случае – в одной.
Сущность графического метода рассмотрим на примере изменения давления и расхода жидкости при регулировании насосной установки выше указанными способами.
При расчете колебаний давления, возникающих в трубопроводе водоотливной установки в переходных режимах, используем модель шахтной водоотливной установки (рисунок 1), состоящую из приемного колодца 1, приемной сетки 2; обратного клапана 3 на всасывающем трубопроводе 4; насоса 5 c электродвигателем 6; регулировочной задвижки 7 с приводом 8; обратного клапана 9 в нагнетательном трубопроводе 10.
Рисунок 1 – Модель шахтной водоотливной установки
Выделим в трубопроводе два контрольных сечения – входное сечение трубопровода у задвижки I-I и сечение II-II на выходе трубопровода (если смотреть по направлению потока жидкости).
Согласно рекомендациям по определению переходных процессов при графоаналитическом методе расчета гидравлического удара, приведенным в [2], проведем анализ колебаний давления с получением количественных параметров для установки, состоящей из насоса ЦНС 300-120-600, трубопровода длиной L = 612 м, диаметром d = 0.229 м при геометрической высоте подъема Hг = 564 м.
На рисунках 2, 3 приведен расчет колебаний давления при двух способах регулирования насосной установки по подаче (графический расчет и изменение давления во времени), где Нм и Нс – соответственно графики напорных характеристик насоса и трубопроводной сети.
Рисунок 2 – Расчет колебаний давления при изменении скорости вращения двигателя насоса: а – графический расчет; б – изменение давления во времени
Связь между давлением и скоростью в переходном режиме определяется зависимостью:
p-pн = ±[ρ·С·(Q-Qн)]/sт,
где р, рн – соответственно давление после и до возмущения, Па; ρ – плотность воды, кг/м3; С – скорость распространения волны, м/с; Q, Qн – соответственно расход после и до возмущения, м3/с, sт – сечение трубопровода, м2 [3].
Рисунок 3 – Расчет колебаний давления при дросселировании потока: а – графический расчет; б – изменение давления во времени
Для входного сечения трубопровода, в отличие от выходного, прямая, отображающая на графике связь между давлением и расходом в переходном режиме, имеет положительный угловой коэффициент.
На рисунке 2, а эта зависимость для выходного сечения изображена прямой 1-2 (на рисунке 3, а – прямыми 2-3 и 4-5), а для входного сечения – прямой 2-3 (на рисунке 3, а – прямыми 1-2 и 3-4).
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что регулирование наиболее эффективно при изменении скорости вращения двигателя насоса, поскольку при этом способе прирост давления при первом полном отражении ударной волны (t = 0,94 c) составляет Δp = 0,76 МПа (при дросселировании потока – Δp = 1,65 МПа), а также время затухания переходного процесса составляет tзат = 1,5 с (при дросселировании потока – tзат = 3 с).
Перечень ссылок
1. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 280 с.
2. Тимошенко Г.М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах. Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1986. – 127 с.
3. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы: Пер. с англ. – 2-е изд. – М.: Машгиз, 1960. – 463 с.