WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ГРЕКОВ Дмитрий Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ВОДОПОДАЧИ СО СТАБИЛИЗАТОРАМИ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» на кафедре «Насосы и насосные станции»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бегляров Давид Суренович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Картвелишвили Леонид Николаевич кандидат технических наук, доцент Фартуков Василий Александрович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ"

Защита состоится 24 декабря 2012 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19.

Автореферат разослан «17» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент И.М. Евдокимова Введение

Актуальность проблемы. В мировой практике накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации средств защиты от колебательных процессов в трубопроводных системах. Таких как клапаны сброса воды, разрывные мембраны, гидрозатворы-переливы, системы частотного регулирования приводов насосных агрегатов и стабилизаторы давления.

Согласно эксплуатационному опыту, причинами разрушения трубопроводов в 60% случаев являются: гидравлический удар, перепады давления и вибрации, около 25% приходится на коррозионные процессы, 15% - на природные явления и непредвиденные обстоятельства. По данным Минрегионразвития РФ уровень износа коммунальных сетей и оборудования, в среднем, составляет 65%. Только на трубопроводных системах жилищнокоммунального комплекса России происходит 180 аварий на 100 км теплосетей, 70 аварий на 100 км водопроводов и сетей канализации.

Во время переходного процесса, то есть неустановившегося движения жидкости из-за изменения сечения трубопровода, вызванного перекрытием сечения трубопровода или его открытием, остановкой и пуском насосного агрегата и других элементов трубопроводной системы, сбросом давления и т.д., изменяется скорость движения жидкости. В результате этих процессов возникают волны повышенного и пониженного давления.

Гидравлический удар, колебания и пульсации давления, повышенная вибрация трубопроводов многократно повышают скорость внутренних коррозионных процессов, способствуют накоплению усталостных микротрещин в металле, особенно в местах концентрации напряжений, то есть сварные швы, царапины, задиры, заводские дефекты и др. и являются основными факторами возникновения аварийных ситуаций.

Дальнейшее развитие трубопроводных систем предъявляет высокие требования к безопасности эксплуатации и обеспечения надежности их работы, в связи с изношенностью гидромагистралей и недостаточным финансированием работ по их обслуживанию и перекладке. Использование стабилизаторов давления позволяет обеспечить: снижение аварийности трубопроводов и оборудования на 60 – 80 %; продление срока эксплуатации в 1,5 – 2 раза;

сокращение прямых и косвенных затрат на аварийно-восстановительные работы;

снижение эксплуатационных затрат трубопроводных систем. Стабилизаторы давления окупаются в течение первого года работы при гарантийном сроке эксплуатации – от трех до восьми лет.

Целью работы является научное обоснование применения стабилизаторов давления для защиты напорных водоводов от недопустимых колебаний давления при переходных процессах. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- осуществить анализ основных зависимостей для расчетов нестационарного движения жидкости в напорных трубопроводах, рассмотреть перспективные средства гашения колебаний давления и выделить главное направление исследований;

- проанализировать методы исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи;

- усовершенствовать методику расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи в случаях, учитывающих действие стабилизаторов давления;

- разработать алгоритм расчета движения жидкости в стабилизаторе давления и реализовать его в компьютерной программе;

- выполнить расчетно-теоретические исследования случаев переходных процессов для напорных трубопроводов при установке на них стабилизаторов давления с использованием усовершенствованной методики расчета;

- осуществить натурные исследования переходных процессов в системах водоподачи при отключении и регулировании насосных агрегатов с учетом действующих систем защиты;

- на основании проведенных расчетно-теоретических и натурных исследований разработать методы расчетного обоснования параметров пневмостабилизаторов с выносными камерами, позволяющие уменьшить амплитуду колебаний давления в системе водоподачи.

Опыт проектирования и эксплуатации напорных систем водоподачи показал, что в отдельные периоды давление в них может превышать рабочее, причем иногда значительно. Поэтому непременным и важнейшим условием повышения надежности работы напорных трубопроводов следует считать создание эффективных средств борьбы с гидравлическим ударом, рациональную их расстановку на водоводах и правильный подбор последних с учетом технических характеристик используемого оборудования.

В настоящее время нет общих методов расчета переходных процессов для напорных трубопроводов с учетом стабилизаторов давления, позволяющих обеспечивать повышение надежности сооружений и снижение затрат на их эксплуатацию.

Вышеизложенным подтверждается актуальность темы настоящей диссертации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована математическая модель движения жидкости в стабилизаторе давления с выносными камерами для трубопроводных систем;

- установлены зависимости между эффективностью гашения гидравлического удара в системах водоподачи и основными проектными характеристиками стабилизатора давления;

- создана методика расчета переходных процессов, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов для напорных трубопроводов со стабилизатором давления;

- проведены исследования эффективности стабилизаторов давления по защите напорных водоводов от гидравлических ударов при отключении насосных агрегатов на насосной станции.

Личный вклад автора заключается в усовершенствовании им математической модели и создании алгоритма и программы расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи с использованием стабилизаторов давления для гашения гидравлического удара, проведении расчетов на компьютере, разработке рекомендаций по снижению динамических нагрузок на трубопроводы и оборудование.

Практическая ценность работы. Реализация предложенной математической модели в компьютерном программном комплексе позволяет проводить расчеты переходных процессов в напорных водоводах, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов, с учетом действия стабилизаторов давления для данной конструктивной схемы.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

- применением точных теоретических методов анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов;

- использованием современной вычислительной техники;

- большим объемом и достаточной полнотой выполненных расчетнотеоретических исследований, результаты которых подтверждены практическим применением и сопоставлением с экспериментальнымими исследованиями, проведенными в реальных условиях эксплуатации на насосной станции «Сосновка-4», расположенной в п. Троице-Лыково, г. Москва.

Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных водоводов от гидравлического удара и в значительной мере исключить аварии от внутрисистемных возмущений, вносимых работой отдельных элементов самой трубопроводной системы, изменением режима водоподачи, срабатыванием запорной арматуры, аварийном отключении подачи электропитания и т.п.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на заседаниях кафедр «Гидравлика» и «Насосы и насосные станции» а также на научно-технических конференциях МГУП в 2010г., 2011г. и 2012г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (194 наименования, 16 на иностранных языках), приложения и содержит 153 страниц текста (включая 2 страницы приложения), 42 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи исследований, научная новизна и определена практическая ценность полученных результатов, а так же приведены сведения о структуре и объеме работы.

В первой главе выполнен обзор научных работ, посвященных причинам возникновения переходных процессов в напорных системах с насосными станциями.

Отмечен значительный вклад известных ученых и специалистов в области гидравлики неустановившегося движения жидкости в напорных трубопроводах:

В.М. Алышева, М.М. Андрияшева, Н.В. Арефьева, В.А. Архангельского, Н.Н.

Аршеневского, К.Г. Асатура, В.В. Берлина, В.И. Блохина, В.И. Виссарионова, К.П.

Вишневского, И.П. Гинзбурга, Л.С. Геращенко, А.Г. Джаваршейшвили, В.С.

Дикаревского, Н.Г. Зубковой, Л.Б. Зубова, С.Н. Карамбирова, Н.А. Картвелишвили, Л.Н. Картвелишвили, В.Н. Коваленко, Г.И. Кривченко, Б.Ф. Лямаева, Г.И.

Мелконяна, А.В.Мишуева, М.А. Мосткова, Л.Ф. Мошнина, Г.Л. Небольсина, Л.В.

Полянской, А.Н. Рожкова, А.А. Сурина, Е.Т. Тимофеевой, В.А. Фартукова, И.А.

Чарного и др. За рубежом наиболее значительные работы в области теории гидравлического удара выполнены: Л. Аллиеви, Р. Ангусом, Л. Бержероном, Г.

Еванжелисти, Р. Леви, Д. Пармакином, В. Стритером, Д. Фоксом, X. Христовом, О.

Шнидером и многими другими.

Указывается, что при плановых и аварийных остановках, изменении частоты вращения насосных агрегатов, закрытии запорной арматуры, заполнении трубопроводов водой возникают переходные процессы, которые влияют на повышение давления в напорных системах водоподачи, в результате чего возникает гидравлический удар в трубопроводе. Приведены уравнения, описывающие неустановившееся движение жидкости в напорных трубопроводах при гидравлических и механических переходных процессах. Для решения задач, связанных с неустановившемся движением жидкости, используются различные методы определения, такие как графический, метод сеток и метод характеристик, для реализации которых применяется компьютер.

В данной работе предлагается численный метод решения уравнений на равномерной расчетной сетке с постоянными шагами. Согласно принятой схеме (рисунок 1), значения напоров и скоростей в точке Р(i,j) на j-ом временном слое и i-ой точке трубопровода определяются как результат взаимодействия прямой и обратной характеристик, выходящих из точек R и S.

Дифференциальные уравнения заменяются их разностными аналогами первого порядка точности на прямой и обратной характеристиках:

vi 1, j 1 vi 1, j a Hi, j Hi 1, j 1 vi, j vi 1, j 1 x 0, g 2dg (1) vi 1, j 1 vi 1, j a Hi, j Hi 1, j 1 vi, j vi 1, j 1 x 0.

g 2dg Решая совместно уравнения (1), нами были получены формулы для определения значений напоров и скоростей в точке Р(i,j):

1 a Hi, j vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1x, (2) i1, j1 jH Hi1, 2 g 2dg 1 g H Hi1, vi, j vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1 vi1, j1x.

i1, j1 j 2 a 2da Рассмотрен вопрос об определении скорости распространения волн в зависимости от транспортируемой по трубопроводу жидкости, материала труб соотношения между толщиной стенки и диаметром.

С методической точки зрения наиболее строгими и, наиболее точно отражающими физическую сущность процесса, являются формулы по определению скорости распространения волны гидравлического удара, основанные на рассмотрении изменения массы гидросмеси в элементарном отсеке трубопровода.

Во второй главе рассматриваются мероприятия, направленные на предотвращение повышения давления в напорных коммуникациях насосных станций.

Для защиты от недопустимого повышения давления в трубопроводах напорной системы применяются различные средства защиты: воздушногидравлические колпаки, воздушно-гидравлические колонны, упругие демпферы, вантузы для впуска и защемления воздуха, разрывные мембраны и т. д. Однако универсальных средств защиты для различных напорных систем и для всех случаев переходных процессов нет. При выборе средств, обеспечивающих снижение в необходимых пределах давления при переходных процессах, необходимо руководствоваться, прежде всего, тем, чтобы принимаемые средства были надежными, простыми и дешевыми.

Стабилизаторы давления являются одним из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводных системах. Они позволяют, значительно снизить амплитуду пульсации давления, повысить надежность трубопроводов и защитить от разрушений силовые установки и запорную арматуру.

Отличительной особенностью стабилизаторов колебаний давления является то, что они не изменяют форму трубопровода и имеют малое гидравлическое сопротивление. Стабилизаторы давления можно разделить на две группы: с пассивными элементами и с активными элементами, для функционирования которых нужен внешний источник энергии. Работа стабилизатора давления и его эффективность зависят от его параметров и проектных характеристик. В разделе приведен обзор формул для определения рабочих параметров стабилизаторов давления.

В третьей главе, в соответствии с поставленными задачами исследований, приведены результаты разработки методики расчета движения свободной жидкости в стабилизаторе давления с выносными камерами.

Конструктивно, пневмостабилизатор состоит из жидкостной и газовой полостей, разделенных упругой мембраной или иным упругим элементом.

Конструкция стабилизатора представлена на рисунке 2 и принята в качестве расчетной схемы.

pВ исходном состоянии в газовой камере создается давление, уравновешивающее давление в трубопроводе, и разделительные элементы x1 находятся в положении, принятом в качестве начального. Процессы сжатия–расширения воздуха в газовой полости считаются изотермическими, следовательно, состояние воздуха определяется уравнением:

/ p0 S const C, (3) р pгде - давление в начальный момент времени; Sр – площадь поверхности разделительного элемента, равная площади поперечного сечения газовой полости;

– длина газовой камеры.

Как только давление в трубопроводе повышается, в жидкостную камеру xпоступает количество воды, смещающее уже имеющийся объем воды на, а xразделительные элементы на величину (рисунок 1).

После сжатия объем газовой полости станет равным:

V x1Sр.

(4) Газ сжимается изотермически, поэтому, с учетом (3) имеем:

p x1S p0 S.

(5) р р Отсюда давление сжатия газовой полости может быть представлено как p0 p (6) ( x1).

Тогда упругая сила, с которой газ в полости стремится вернуть разделительный элемент с жесткостью C2 в положение равновесия, будет равна nгпC1x1 C Fупр nгпp p0Sр nгпC2x1 nгпC2 x1 x1 x1, (7) C1 p0 S где, является константой состояния воздуха в газовой p полости.

Движение жидкости через перфорационные отверстия сопровождается диссипацией кинетической энергии, и жидкость будет испытывать сопротивление своему движению.

Fпер Если отверстие одно, то сила сопротивления вычисляется по формуле 2 2 Fпер sперQпер sперперvпер, (8) sпер Qпер – расход где – коэффициент гидравлического сопротивления;

vпер – средняя скорость течения жидкости через перфорационные отверстия;

пер через перфорационные отверстия; – общая площадь перфорационных отверстий.

Кроме того, роль диссипативного элемента играет также и патрубок, который соединяет две части жидкостной полости. Сила гидравлического 2 Fпат sпатпатvпат.

сопротивления патрубка nпат:

,при числе патрубков 2 Fпат nпатsпатпатvпат.

В качестве допущения было принято, что в результате оттока и притока жидкости через перфорационные отверстия смещения разделительных элементов относительно начального равновесного положения будет незначительным.

Следовательно, можно было пренебречь изменением массы жидкости в жидкостной полости и принять, что масса жидкости является величиной постоянной. Процесс сжатия и расширения в газовой полости был принят изотермическим.

Тогда, в соответствии с принципом Д`Аламбера уравнение движения жидкости в жидкостной полости приняло вид:

d xFупр Fпер Fпат m (9) dt2, xгде – смещение массы жидкости от положения равновесия; m – масса жидкости в жидкостной полости.

Fупр и Fпер приведем уравнение движения Подставив в (8) выражения для жидкости к виду:

d x2 C2 2 2 m sперперvпер nпатsпатпатvпат nгпC2 0.

dt2 x1 x1 (10) t За время через перфорационные отверстия протечет объем жидкости, равный:

W перvперt 2RLx2, (11) где R – радиус трубопровода; L – длина стабилизатора.

Отсюда 2RL x2 2RL dxvпер . (12) пер t пер dt Применительно к патрубку равенство (8) примет вид nпатпатvпатt 2RLx2.

(13) Отсюда 2RL x2 2RL dxvпат , (14) nпатпат t nпатпат dt пат vпат где и – площадь поперечного сечения патрубка и средняя по сечению скорость движения жидкости по патрубку.

Подставив (9) и (11) в (8), и учитывая знак первой производной (скорости движения) во втором члене было получено уравнение в виде:

d x2 sпат dx2 dx2 C m 4RL sпер nгп C2 0.

dt2 nпат dt dt x1 x1 (15) Объем жидкости, перетекший из трубопровода в стабилизатор, далее перетекает через патрубок в ту часть жидкостной полости, которая примыкает к разделительным элементам и смещает их. Из условия сохранения массы имеем:

2RLx2 nгпS x1.

(16) р Отсюда 2RL x1 x2.

(17) nгпS р Подставив (17) в (15) и поделив (15) на m, мы получили уравнение движения жидкости в стабилизаторе d x2 4RL sпат dx2 dx2 2RL C C1 x 0. (18) sпер 2 2RL dt2 m nпат dt dt Sрm x nгпSр Из расчетной схемы стабилизатора (рисунок 2) следует 2RL x2 0.

(19) nгпSр xСледовательно, величина ограничена сверху nгпSр x2 . (20) 2RL Допустим, что смещение жидкости в стабилизаторе достаточно мало, т.е.

2RL dxx vср.

«1 и принимаем n S dt гп р Тогда уравнение (18) станет линейным, допускающим точное решение d x2 4RL sпат dx2 2RL C1 sпер (21) C2 x2 0.

dt2 m nпат vср dt Sрm Введем обозначения:

4RL sпат 2RL C1 sпер C2 .

m nпат vср; Sрm Решение уравнения (21) зависит от дискриминанта D . (22) Если дискриминант отрицателен то решение примет вид x2 e0.5tAcost Bsint, (23) где . (24) Константы А и В определяются из начальных условий.

Из (23) следует, что колебания жидкости в стабилизаторе будут затухающими, т.е. стабилизатор будет гасить возникающие в трубопроводе вибрации. Запишем (21) полностью 2RL sпат 2 1 CC sпер vср 0.

(25) m nпат Sр 2 Из неравенства следует условие колебательного движения жидкости в жидкостной камере 1 C1 2RL sпат C sпер nпат vср. (26) Sр 2 m Если дискриминант равен нулю, то решение примет вид x2 e0.5tA Bt. (27) Для начальных условий типа (24) постоянные А и В примут значения:

nгпS nгпRLS sпат р р A x20 x10, B sпер x10.

(28) 2RL m nпат vср Условие апериодического затухающего движения в жидкостной камере имеет вид:

1 C1 2RL sпат C (29) sпер nпат vср.

Sр 2 2 m В случае положительного дискриминанта условие апериодического затухающего движения имеет вид:

1 C1 2RL sпат C . (30) sпер nпат vср Sр 2 2 m Уравнение (18) представляет собой нелинейную модель стабилизатора. Его аналитическое решение можно получить численными методами, не прибегая к t 0;tкон линеаризации. На интервале введем разностную сетку с постоянным шагом t. Положим x2=x и заменим первую и вторую производные их разностными аналогами x x x 2x x dx d x j j1 j1 j j, . (31) j dt t dt2 j t Аналоги первой и второй производных имеют первый и второй порядок точности, соответственно.

Подставив (31) в (18), получили явное разностное уравнение первого x порядка точности для определения на шаге j+1 по времени j 4RL t sпер sпат xj 1 2xj xj 1 xj xj1 xj xj 1 m nпат 2RLt (32) C C1 x.

2 j 2RL Sрm xj nгпSр nгпSр nгпSр x0 x1 x10 x10.

Начальные условия запишутся в виде:

2RL DL Пусть на жидкость в стабилизаторе со стороны трубопровода действует сила P(t), зависящая от времени. Тогда вместо (18) уравнение движения жидкости в стабилизаторе примет вид:

d x2 4RL sпат dx2 dx2 2RL C C1 x P(t).

sпер 2 (33) 2RL dt2 m nпат dt dt Sрm m x nгпSр На той же самой разностной сетке получим 1 Sp 1t C2 C1 x j P(t j ), x 2x x 2 x x x x j1 j j1 j j1 j j 1 m m m x (34) nгп j nгп x0 x1 x10.

где - отношение площади боковой поверхности перфорированного участка трубы к площади поверхности разделительного элемента Нами был проведен расчет свободного движения жидкости в стабилизаторе.

Расчеты показали, что линейная модель существенно занижает время загасания колебаний. Очевидно, что это было связано с выбором средней скорости. На частоту колебаний линеаризация уравнения движения жидкости заметного влияния не оказывает, так как в течение всего времени расчета выполнялось 2RL x условие.

n S гп р Расчет переходных процессов в трубопроводе с учетом пневмостабилизатора осуществлялся путем совместного решения уравнений (1) и (18). Сам пневмостабилизатор помещался в узел расчетной сетки. Так как объемы воды в трубопроводе значительно превышают объемы воды в пневмостабилизаторе, то инерционным членом в (1) можно пренебречь. Расчетная схема совместной работы трубопровода и пневмостабилизатора приведена на рисунке 3.

Пневмостабилизатор помещен в узел i. Таким образом, узел i можно представить как соединение, состоящее из трех ветвей. Первая ветвь – участок (i1, i) трубопровода; вторая ветвь – участок (i, i+1) трубопровода; третья ветвь – пневмостабилизатор. В соединении напор должен быть одинаковым для всех трех ветвей. Кроме того, должно выполняться уравнение неразрывности, которое в данном случае примет вид:

1 v1 2 v2 3 v3 , (35) 1,2,3 где площади сечений первой, второй и третьей ветвей;

v1,v2,v3 скорости течения воды в первой, второй и третьей ветвях в конце t 3 v3 интервала ; суммарная площадь перфорационных отверстий;

скорость течения воды через перфорационную поверхность.

Обычно, скорость (или расход), направленная к соединению, считается положительной, а от соединения – отрицательной.

vВеличина определяется по прямой характеристике (1) vi1, j 1 vi1, j g v1 vi 1, j1 Hi, j Hi1, j1 t. (36) a 2d vВеличина определяется по обратной характеристике (1) vi1, j1 vi1, j g v2 vi1, j 1 Hi, j Hi 1, j1 t. (37) a 2d vВеличина определяется по следующей характеристике:

C1 Hij zi nгпC2 x1 x1 1 v3 Abs.

sпат (38) 2RL sпер nпат C Hij zi nгп C2 Если x1 x1 (давление в узле меньше давления в газовой полости), то жидкость втекает в соединение, и величину v3 в (35) надо брать со знаком плюс. Величины v1 и v2 в (35) следует брать со знаком минус.

В практических расчетах в (35) можно перейти к положительным значениям расходов (скоростей), если принять, что для соединения, состоящего из трех ветвей, наибольшее по абсолютной величине значение расхода в любой ветви, равно сумме абсолютных величин расходов в двух других ветвях.

Подставив величины v1, v2 и v3 в (35) получим нелинейное уравнение относительно Нij. Уравнение решается приближенно, методом последовательных приближений. Значения v1 и v2 определяются путем подстановки Нij в (36) и (37).

Тем самым находятся граничные значения напора и скоростей в узле установки пневмостабилизатора, необходимые для расчета переходных гидравлических процессов в напорном трубопроводе с учетом пневмостабилизатора.

t За время через перфорационные отверстия протечет объем жидкости, w Sперv3t равный. За это же время разделительные поверхности, w nгпSрx1.

перемещаясь, сформируют суммарный объем Тогда смещение разделительной поверхности в каждой газовой полости может быть определено по формуле Sперvx1, j x1, j1 x1, j x1, j1 t (39) nгпSp.

На следующем шаге по времени упругая сила сжатого воздуха в газовой полости будет рассчитываться по новому значению смещения разделительной поверхности в газовых полостях.

В качестве примера в диссертации был рассмотрен переходный процесс, возникающий при отключении электричества в системе подачи воды в напорном трубопроводе, состоящем из насосного агрегата, оборудованного обратным клапаном и пневмостабилизатором, помещенным в первый узел расчетной схемы (рисунок 3). Для расчетов использовалось полученное уравнение для определения Н1j:

v2, j 1 v2, j a (k H1 j ) H1, j 1 t v2, j 1 g 2d C1 (k H1 j 1) z1 nгпC2 x1 x1 а3 1 Abs (40).

sпат g2 2RL sпер nпат Для проведения расчетов по изложенной методике была разработана компьютерная программа. Блок-схема алгоритма приведена на рисунке 4. В качестве языка программирования был использован язык программирования высокого уровня Delphi 7. Результаты расчетов в виде графиков давления в узле установки пневмостабилизатора приведены на рисунке 5. На этом же рисунке приведены результаты экспериментальных исследований совместной работы системы водоподачи и пневмостабилизатора.

Расчеты показали, что пневмостабилизатор является эффективным средством гашения колебаний давления при переходных процессах, возникающих в напорном трубопроводе при отключении электроэнергии. В данном случае применение пневмостабилизатора позволило уменьшить амплитуду колебания давления в напорном трубопроводе, примерно, в 1,5–2 раза.

В четвертой главе представлены результаты проведенных автором натурных исследований характера протекания переходных процессов в насосных станциях.

Натурные исследования позволяют лучше всего проверить практическую приемлемость проводимых на напорных системах усовершенствований для обеспечения надежности и эффективности их работы и судить о достоверности результатов, полученных путем проведения расчетов. В задачи натурных исследований входило: установить характер протекания переходных процессов в насосной станции; выявить влияние стабилизатора давления на протекание переходных процессов в напорных коммуникациях; определить эффективность стабилизатора давления как средства борьбы с пульсациями давления и гидравлическим ударом.

Выбор объекта натурных исследований проводился с учетом наиболее полной укомплектованности насосной станции необходимым оборудованием и трубопроводной арматурой. На основании этого была выбрана гидросистема насосной станции «Сосновка-4», расположенная в п. Троице-Лыково, г. Москва.

Исследуемая система была оборудована двумя сетевыми насосами типа BL 80/170-30/2, из которых одновременно работал один насос. Давление в напорном коллекторе 0,45 – 0,55 МПа. Схема расположения насосных агрегатов и основных водоводов насосной станции представлена на рисунке 6.

Инфраструктура гидросистемы станции была спроектирована по закольцованной схеме и включала насосную группу и оборудование трубной обвязки контура системы водоснабжения с диаметрами трубопроводов от 57 мм до 159 мм. Характеристики системы водоснабжения: два магистральных трубопровода диаметром – 159 мм, разветвленные на три направления на выходе из станции; перепад высот – не более 25 м; протяженность трубопровода – 3000 м; количество одновременно работающих насосов – 1; рабочее давление – 0,5 МПа; максимальный расход – 170 м3/час.

Исследования проводились с использованием современных методик замеров. В главе приводятся технические характеристики использованной измерительной аппаратуры и оборудования. Комплекс состоял из: 8-канального переносного анализатора спектра А17-U8 производства ООО «Электронные технологии и метрологические системы – 3ЭТ» СКБ ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических измерений» (ВНИИФТИ); датчиков избыточного давления 1503 производства фирмы РСВ (США).

Выполненная оценка точности измерения показала, что величины находятся в приемлемом диапазоне: 3,1% …13,3%, это позволяет говорить о достоверности результатов. На рисунке 5 показаны кривые изменения давления в напорной линии при аварийном отключениии насоса 1. Видно, что при отсутствии средств защиты на насосной станции происходил гидравлический удар с амплитудой 0,МПа.

Выполненные нами эксперименты показали, что установка стабилизаторов давления (рисунок 7) позволила снизить амплитуды колебаний давления: в системе водоподачи в 2,1-2,2 раза.

На рисунке 5 приводятся результаты расчетов, выполненых с использованием методики разработанной автором и их сопоставление с результатами экспериментов, отклонение составляет 5%.

Заключение 1. Выполненный анализ изученных автором научных материалов показал, что переходные процессы в системах водоподачи насосных станций могут сопровождаться существенными отклонениями параметров от значений, соответствующих рабочим режимам, что, в особенности, относится к давлению в трубопроводах и насосах. Значительное изменение этих параметров приводило к нарушению нормального режима эксплуатации напорных систем, преждевременному выходу из строя их отдельных элементов, а иногда и авариям.

Анализ отечественного применения средств защиты от гидравлического удара, показывал, что эта проблема не решена окончательно и требует своего дальнейшего рассмотрения. В работе показано, что одним из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводных системах являются стабилизаторы давления.

Рассмотренные автором материалы позволили обобщить опыт эксплуатации стабилизаторов давления и судить о возможности выбора и использования различных конструкций для напорных систем водоподачи насосных станций с различными параметрами.

2. В соответствии с поставленными задачами исследований была разработана методика, учитывающая все основные факторы, влияющие на переходные процессы при установке стабилизаторов давления с выносными камерами.

Получено уравнение движения жидкости (18) в стабилизаторе давления с выносными камерами.

3. Для проведения расчетов по изложенной методике была разработана компьютерная программа.

Движение жидкости в стабилизаторе следует рассчитывать по нелинейной модели, так как линейная модель, которую используют во многих случаях, может дать неверные результаты (занижает время затухания колебаний).

Граничные значения напора и скоростей в узле установки пневмостабилизаторов, необходимые для расчета переходных гидравлических процессов в напорном трубопроводе с учетом данных средств защиты, могут быть определены по зависимостям, предложенным автором диссертации (36, 37, 38, 40).

4. Натурные исследования на гидросистеме насосной станции «Сосновка-4» в районе п. Троице-Лыково г. Москва показали, что при отсутствии на напорном трубопроводе насосной станции средств противоаварийной защиты происходит гидравлический удар, приводящий к скачку давления в диапазоне от 0,32 до 0,МПа, что, при определенных условиях, может привести к порывам и разрушениям участков трубопровода.

Натурные эксперименты показали, что установка стабилизаторов давления позволила снизить амплитуды колебаний давления в системе водоподачи в 2,1-2,раза и привести к более быстрому затуханию волновых процессов за счет изменения знакопеременных ударных нагрузок на более плавные, растянутые во времени. В качестве средства защиты на насосной станции был выбран отечественный стабилизатор давления СДТ 16-150, поскольку данная модель стоит меньше своих западных аналогов и работает автономно без внеших источников энергии.

5. Проведенными автором расчетными и экспериментальными исследованиями было установлено, что пневмостабилизатор является эффективным средством гашения колебаний давления при переходных процессах, возникающих в напорном трубопроводе при отключении электроэнергии.

Применение пневмостабилизатора позволило уменьшить амплитуду колебания давления в напорном трубопроводе в 2,2 раза.

С установкой в контур гидросистемы стабилизатора давления происходит снижение амплитуды пульсации с 0,05 МПа до 0,03 МПа и сглаживание даже сравнительно небольших скачков давления на переходных режимах.

6. Сопоставление расчетных экспериментальных данных с результатами натурных исследований дало удовлетворительный результат, это позволило автору сделать вывод о возможности практической применимости предлагаемого метода расчета.

Форма представления результатов расчета (рисунок 5) дала возможность оценить колебания параметров переходных процессов и проверить правильность времени переходного процесса принятого для расчета.

Разработанная математическая модель для расчетов волновых процессов, позволяет аналитически определить параметры гидроудара, повысить безопасность систем водоподачи, продлить срок службы и обеспечить плановопредупредительную работу по замене изношенных трубопроводов и оборудования.

Таким образом в диссертационной работе решен комплекс вопросов по усовершенствованию методов расчета переходных процессов с учетом влияния на них стабилизаторов давления.

Результаты диссертационной работы нашли свое практическое применение в следующих организациях: Федеральная Служба Охраны Российской Федерации, ИООО «Зарубежэнергопроект-Минск».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Греков Д.М. Применение стабилизаторов давления для защиты напорных водоводов от гидравлического удара [Текст] / Д.М. Греков / Безопастность гидротехнических сооружений: Материалы Международной научной конференции / Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства. – М. 2010. – с. 83-92.

2. Греков Д.М. Расчет движения жидкости в стабилизаторе давления [Текст] / Д.М. Греков / Природообустройство. – 2012. – № 1 – с. 68-72.

3. Греков Д.М. Моделирование движения жидкости в стабилизаторе давления с выносными камерами [Текст] / Д.С. Бегляров, Д.М. Греков / Природообустройство. – 2012. – № 5 – с. 63-66.

4. Греков Д.М. Экспериментальные исследования переходных процессов на насосной станции Троице-Лыково [Текст] / Д.С. Бегляров, Д.М. Греков, М.И.

Егоров / Мелиорация и водное хозяйство. – 2012. –№ 3. – с. 10-12.

Рисунок 1 - Схема определения параметров переходных процессов методом характеристик Рисунок 2 – Расчетная схема стабилизатор с выносными камерами:

1 – корпус стабилизатора; 2 – перфорированный трубопровод;

3 – жидкостная полость; 4 – газовые полости; 5 – разделительные элементы; 6 – патрубок; l – длина воздушной камеры в начальный момент времени; х1– смещение разделительного элемента; х2– смещение жидкости в жидкостной камере Рисунок 3 - Расчетная схема Рисунок 4 - Блок–схема программы расчета переходных процессов Рисунок 5 – Сопоставление расчетных данных с результатами натурных исследований:

график результатов расчетов давления без пневмостабилизатора;

кривая изменения давления на напорном трубопроводе при аварийном отключении насоса 1 без установки стабилизатора;

график результатов расчетов давления с установленным пневмостабилизатором;

кривая изменения давления на напорном трубопроводе при аварийном отключении насоса 1 при установленных стабелизаторах.

Рисунок 6 - Схема основных элементов станции с установленными стабилизаторами давления СДТ 16-150 и местами установки датчиков давления для проведения исследований Условные обозначения:

Вентиль (клапан) запорный проходной; клапан обратный проходной;

насос циркуляционный марки BL 80/170-30/2; манометр (место установки датчика давления); фильтр-грязевик с магнитной ловушкой; теплообменник.

\ Рисунок 7 - Стабилизаторы давления СДТ 16-1® Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак. № Тираж 1







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.