Защита от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами

Аннотация

Оверко В. М., Овсянников В. П.Защита от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами Приведены методика и результаты исследований гидравлического удара в шахтных водоотливных установках с погружными насосами, предложен способ оптимизации параметров специального обратного клапана. Показана эффективность предложенного метода защиты.

В настоящее время в Донбассе идет широкая компания по закрытию угольных шахт. Важнейшим моментом при этом является эффективная организация водоотливного хозяйства. Наиболее перспективной в этих условиях считается схема водоотлива с погружными насосами, которая позволяет полностью вывести обслуживающий персонал из-под земли. Проекты подобных водоотливов разработаны институтом Донгипрошахт для закрывающихся шахт Миусская госпредприятия Торезантрацит, шахт № 6 Красная Звезда и № 9 Капитальная госпредприятия Донецкуголь — на базе насосов АМПШ севастопольского завода Молот, а также для шахт Объединенная госпредприятия Торезантрацит и Октябрьская госпредприятия Донецкуголь — на базе насосов немецкой фирмы Pleuger, поставщиком которых на украинский рынок является донецкое предприятие АОЗТ НПО Хаймек. Аналогичные проекты разрабатываются и институтом Луганскгипрошахт для закрывающихся шахт Луганской области.

Одним из первых был введен в эксплуатацию водоотлив с погружными насосами на шахте Черноморка ГП Лисичанскуголь. При этом погружной насос фирмы Pleuger PN8220 расположен на глубине примерно 440 м и качает воду по восьмидюймовым трубам разной толщины с поверхностным участком длиной около 120 м. На конце трубопровода запроектирована задвижка с электроприводом, а сразу за насосом — обратный клапан. По технологии организации рабочего процесса пуск насоса осуществляется на закрытую задвижку, которая сразу же после включения насоса начинает медленно открываться. Перед отключением насосного агрегата предусматривается плавное закрытие задвижки. Эксплуатация водоотлива с соблюдением данной технологии проходила некоторое время вполне удовлетворительно. Но при аварийном обесточивании двигателя в установке возникли существенные продольные колебания трубопроводного става, приведшие к разрушению опорных подшипников насосного агрегата и другим поломкам. Единственно возможной причиной случившегося может быть гидравлический удар.

Целью проведенных исследований является разработка эффективной защиты от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами.

Для достижения данной цели разработана программа расчета переходных процессов в напорных трубопроводах водоотливных установок, предложено устройство для уменьшения гидравлического удара и исключения колебательных процессов, показана его эффективность в конкретных условиях.

В результате анализа существующих методов борьбы с гидроударами для защиты от опасных колебательных процессов предложено использовать специальный обратный клапан, способный пропускать определенное количество воды, когда он находится в закрытом положении [3] . Данный эффект может быть достигнут либо с помощью отверстия в тареле либо с помощью обводного канала (байпаса) с заданным гидравлическим сопротивлением. Место установки такого клапана — примерно в средней части вертикального участка трубопровода требует уточнения в ходе решения оптимизационной задачи. Кроме того, необходимо учесть, что в верхней части трубопровода на его изгибе изготовителем рекомендовано установить вантуз. Для выбора параметров специального обратного клапана и определения места его установки была разработана имитационная модель динамических процессов в напорном трубопроводе водоотливной установки и решена соответствующая задача оптимизации.

Как известно большинство технических задач, связанных с изучением неустановившегося течения жидкости в трубах с высокой точностью могут быть рассмотрены в рамках одномерной модели [2] . При этом неустановившееся течение жидкости по конструктивному участку трубопровода описывается системой гиперболических уравнений в частных производных. Это уравнение движения и уравнение неразрывности потока:

Как показано в работе [2] скорость распространения ударной волны определяется из выражения:

Существует много эмпирических формул для расчета коэффициентов гидравлического трения. Наиболее часто используется формула Альтшуля [2]:

Эта и другие подобные ей формулы найдены путем обработки экспериментальных данных полученных при изучении установившегося течения жидкости. Для их использования в случае нестационарных течений Христианович ввел гипотезу квазистационарности в соответствии, с которой напряжение трения жидкости о стенки трубы при неустановившемся течении зависит только от мгновенной средней в сечении скорости. Эта гипотеза и была использована при построении имитационной модели, которая применена для определения параметров специального обратного.

Для рассматриваемой водоотливной установки шахты Черноморка количество конструктивных участков трубопровода i принимаем равным 5 [1] . Вертикальный участок трубопровода разобьем на две части, причем

Расчетная схема водоотлива шахты Черноморка cо специальным обратным клапаном показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Расчетная схема водоотливной установки.1,2..5 —номера конструктивных участков

Для решения системы уравнений (1) необходимо определить граничные и начальные условия [2] . Будем рассматривать переходные процессы в трубопроводе водоотливной установки шахты Черноморка при внезапном, мгновенном отключении насоса. То есть, в момент временен , в соответствии с параметрами водоотливной установки, расход по всей длине трубопровода равен а начиная с момента

Граничные условия в трубопроводе водоотливной установки шахты Черноморка определяются системой уравнений:

точки соединения конструктивных участков

точка установки специального обратного клапана

Установленный в конце второго участка вантуз определяет граничные условия вида:

В конце напорного трубопровода величины давления и расхода связаны соотношением:

Систему уравнений (1) с граничными условиями (5),(10),(11),(12),(13) и начальными условиями (6),(7),(8),(9) с учетом (2),(3) можно решить методом характеристик, который является универсальным способом решения нелинейных уравнений гидравлического удара [2] . В результате может быть найдена величина максимального давления в трубопроводе за время переходного процесса P как функция независимого параметра d и координаты точки установки специального обратного клапана, то есть от величин L1 и L2 с учетом ограничения (4).

Рисунок 1 — График изменения давления (Па) в начальном сечении трубопровода без средств защиты от гидроударов

Таким образом, решив оптимизационную задачу с ограничениями: был найден оптимальный диаметр отверстия в тарели специального обратного клапана для предотвращения гидравлических ударов на водоотливной установке шахты Черноморка — и точка его установки —

Анализ представленной диаграммы (рис. 2) показывает, что внезапное обесточивание привода насоса приводит к высокоамплитудным продолжительным колебаниям давления, которые вполне могут привести к продольным колебания трубопроводного става, что вызовет ударные нагрузки между подвижными элементами насосного агрегата.

Рисунок 3 — График изменения давления (Па) в начальном сечении трубопровода со специальным обратным клапаном

Применение специального обратного клапана позволяет полностью исключить колебательный процесс в нижней части трубопровода (рис. 3). Разовое повышение давления за специальным обратным клапаном (рис. 4) представляется неопасным по амплитуде и не сможет вызвать колебания всего трубопровода. Применение разработанной модели позволяет определить наиболее эффективную величину отверстия в тареле специального обратного клапана или гидравлическое сопротивление байпаса и уточнить наивыгоднейшее расположение самого клапана при различных параметрах водоотливных установок. Критерием оптимизации параметров специального обратного клапана является минимизация максимального давления в трубопроводе, что обеспечивает практически отсутствие колебательных явлений в переходном режиме.

Рисунок 4 — График изменения давления (Па) за специальным обратным клапаном

Выводы: предложенная система защиты от гидравлических ударов позволяет эффективно устранить колебательные явления и повышения давления в водоотливной установке с погружными насосами, а рассмотренная методика расчетов и оптимизации параметров специального обратного клапана является универсальным подходом к решению задачи защиты водоотливных установок с погружными насосами.

Список использованной литературы

1. Бойко Н. Г., Геммерлинг О. А. — Обоснование параметров гидроимпульсной струи генератора установки для проведения скважин — Наукові праці Донецького державного технічного університету, 2002.
2. Мучник В. С, Голланд Э. Б., Маркус М. Н. Подземная гидравлическая добыча угля. — М.: Недра, 1986. — 233 с.
3. Тимошенко Г. М. — О возможности предотвращения гидравлических ударов в шахтных водоотливных установках с помощью обратных кланов — УКРНИИНТИ, 1985.
4. Сургай Н. С., Толстой М. Н., Коломиец В. С., Зуйков А. Л. Применение гидроимпульсной струи—эффективный способ борьбы с выбросами // Уголь Украины — 2004, №10. — 31 с.