УДК 626 - Московский государственный университет

УДК 626.83
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В НАСОСНОЙ СТАНЦИИ № 1 И НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ В СОВХОЗЕ «ДМИТРОВСКИЙ» УФИМСКОГО
РАЙОНА БАШКОРТОСТАНА
Д.С. Бегляров – д-р техн. наук, проф.; И.Ю. Сахаров – аспирант
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
Работой было предусмотрено проведение расчетов гидравлических переходных
процессов для насосной станции № 1 оросительной системы в совхозе «Дмитровский»
Уфимского района Башкортостана, подача воды от которой осуществляется по напорному
трубопроводу длиной около 10 км.
Насосная станция № 1 подает воду, забираемую из р. Белой, колебания уровней в
которой в пределах 10 м, в аккумулирующий бассейн, находящийся на расстоянии 10 км
от нее на высоту ≈ 90 м (уровни воды в бассейне изменяются в пределах 4,5 м).
В связи со значительной высотой подъема воды и потерями напора для создания
больших напоров подача воды осуществляется последовательно соединенными насосами
ЦН 3000-197 и Д 5000-32б. Первые из них создают основную часть напора, вторые –
обеспечивают напор на входе в первые насосы. Всего на станции установлены четыре
пары таких насосов.
Для привода насосов первого типа используются синхронные электродвигатели
СДС-3-16-59-643 с частотой вращения 1000 мин-1, а для насосов второго типа –
асинхронные двигатели А 12-52-10 с частотой вращения 585 мин-1. На напорных линиях
насосов диаметром 400 мм установлены задвижки и обратные клапаны, исключающие
сброс воды через насосы. Подача воды осуществляется по одной нитке напорного
трубопровода диаметром 1400 мм. Следует отметить, что по условиям надежности работы
целесообразнее было бы использовать две нитки трубопроводов диаметром 1000 мм.
Использована подземная прокладка напорного трубопровода, при этом расстояние
до верха трубы 0,8 м. Однако в девяти местах трубопровода выполнены надземные
переходы через коммуникации, причем в семи из них диаметр переходного участка
уменьшен до 1000 мм, а в двух – до 1200 мм. Это приводит к значительному увеличению
гидравлического сопротивления трубопровода.
Для расчетов была принята схема напорного трубопровода, включающая 20 участков
с диаметрами: 1000, 1400, 1200 мм, общая протяженность которого составила 10060 м.
Насосная станция расположена в начальной точке расчетной схемы. В связи с тем, что
насосы на станции работают последовательно, для расчета использовалась их суммарная
напорная характеристика.
В данном случае следует учитывать только гидравлические переходные процессы,
вызываемые аварийным отключением электропитания двигателей насосов, причем
наибольшие колебания в напорном трубопроводе будут соответствовать максимальной
скорости движения воды в нем.
В связи с этим расчеты переходных процессов выполнялись для случаев
одновременного отключения четырех насосов.
Предельное значение вакуума в трубопроводе было принято равным 8 м, то есть
было принято, что при снижении давления ниже этого значения в трубопроводе
образуются кавитационные разрывы сплошности потока.
Все расчеты переходных процессов выполнялись при наибольшем значении
геодезической высоты подъема воды, равной 93,85 м, которая соответствует уровню воды
в водоисточнике 80,15 м и в водоприемнике (аккумулирующем бассейне) 174 м и
наибольшем значении скорости распространения ударных волн 1000 м/с, то есть при
минимальном содержании в воде нерастворенного воздуха, при которых повышение
давления в трубопроводе будет максимальным.
Для того чтобы можно было оценить насколько опасно в данном случае образование
кавитационных разрывов сплошности потока в трубопроводе, первый вариант расчета
был проведен при отсутствии каких-либо средств защиты от гидравлического удара.
Результаты расчета этого варианта показали, что гидравлический переходный процесс,
вызываемый одновременным отключением четырех насосов, сопровождается
образованием кавитационных разрывов сплошности потока по всей длине напорного
трубопровода. Ликвидация этих разрывов сплошности в процессе гидравлического удара
приводит к весьма значительному повышению давления. Напор в начале трубопровода
повышается на 340 м (рабочий напор 140 м), то есть превысил рабочий в 2,43 раза.
Характер изменений давлений, выраженных в метрах водяного столба, для этого
случая в начале напорного трубопровода и в точках, находящихся на расстояниях 4605 м
(ПК 45+45), 6535 м (ПК 64+75) и 9000 м (ПК 89+45).
В связи со значительной протяженностью трубопровода изменение направления
движения воды в трубопроводе после отключения насосов происходит в его начале только
через 18 с, а в конце – через 22,5 с. Относительно большой объем кавитационных
разрывов сплошности потока приводит к тому, что максимальное повышение давления в
трубопроводе имеет место только через 46,5 с после отключения насосов. Следует
отметить, что в связи с тем, что печать результатов расчета, по которым построен график,
осуществлялась не для всех расчетных моментов времени, максимальный напор показан
равным
302 м, а не 340 м, что свидетельствует о том, что наибольшее повышение
давления было весьма кратковременным, что вообще характерно для гидравлических
переходных процессов, сопровождающихся образованием кавитационных разрывов
сплошности потока в трубопроводах.
Совершенно очевидно, что необходимо принять мероприятия для уменьшения
колебаний давления в напорном трубопроводе. Наиболее простым и дешевым средством
защиты от гидравлических ударов, сопровождающихся образованием разрывов
сплошности потока, является впуск и последующее сжатие воздуха в местах образования
разрывов сплошности потока. При использовании этого средства защиты разрывы
сплошности становятся некавитационными, поскольку они заполняются воздухом при
отрицательном давлении (вакууме) незначительно отличающихся от атмосферного.
Задачей расчетов является при этом выбор необходимого числа и мест установки
аэрационных клапанов, называемых также клапанами для впуска и защемления воздуха
(КВЗВ).
Для этой цели, а также для того, чтобы показать влияния впуска воздуха на
протекание гидравлических переходных процессов, вызываемых отключением насосов,
была проведена серия расчетов при различном числе и местах установки на трубопроводе
аэрационных клапанов (КВЗВ).
Один из вариантов расчета выполнен при установке на напорном трубопроводе
десяти КВЗВ в точках, находящихся на расстояниях от насосной станции: 850, 1890, 2495,
3640, 4590, 5335, 6645, 8355, 8990, 9445 м. При таком расположении КВЗВ вакуум
достигает предельного значения на втором, четвертом, седьмом, восьмом, десятом
участках трубопровода между точками установки КВЗВ. Изменение давления в местах
установки третьего, шестого, девятого КВЗВ и в начале напорного трубопровода.
Максимальный напор в начале трубопровода несколько меньше, чем при отсутствии
КВЗВ – 272 м, но намного превосходит рабочий – 140 м (в 1,94 раза), то есть установка
десяти КВЗВ не предохраняет трубопровод от образования на его отдельных участках
глубокого вакуума.
Следует отметить, что впуск воздуха с последующим сжатием эффективен как
средство, уменьшающее давление при гидравлических ударах только при относительно
небольших статических напорах в местах установки КВЗВ.
В данном случае необходимы дополнительные средства для уменьшения давления.
При больших геодезических высотах подъема воды значительное снижение давления
может быть обеспечено установкой дополнительных обратных клапанов (ОК), которые
при изменении направления движения воды в трубопроводе закрываются и разделяют тем
самым его на части, в пределах каждой из которых статический напор относительно
невелик. В связи с этим был выполнен расчет при установке на трубопроводе
дополнительных обратных клапанов в двух точках, находящихся на расстояниях 5350 и
8990 м и десяти КВЗВ в тех же точках, что и при расчете предыдущего варианта
(фактически обратные клапаны устанавливаются на 15…20 м далее КВЗВ, считая по
направлению начального движения воды).
Результаты этого расчета показали, что давление в начале напорного трубопровода
при этом не превышает рабочее. Изменение давления в местах установки обратных
клапанов, а также в начале напорного трубопровода и в точках установки первого и
шестого КВЗВ.
Выводы
1.
Результаты выполнения расчетов гидравлических переходных процессов,
вызываемых аварийными отключениями насосных агрегатов станции № 1, показали, что
повышение давления при этом недопустимо велико, а вакуум по всей длине напорного
трубопровода достигает предельного значения.
2.
Наиболее целесообразным средством защиты напорного трубопровода от
недопустимых колебаний давления является впуск и последующее сжатие воздуха в
местах образования разрывов сплошности потока в сочетании с установкой на
трубопроводе дополнительных обратных клапанов. Места установки клапанов для впуска
и защемления воздуха и обратных клапанов определены на основании результатов
расчетов переходных процессов.
3.
В связи с тем, что на трубопроводе предусмотрено устройство девяти
переходов, проложенных над поверхностью земли, вакуум в которых будет наиболее
значительным, установка на них клапанов для впуска и защемления воздуха (КВЗВ)
особенно необходима. В связи с этим следует предусмотреть как подземную установку
КВЗВ в колодцах, так и открытую на надземных переходах.
4.
Применение других средств защиты от гидравлического удара было бы
малоцелесообразным.
5.
Сброс воды из трубопровода через предохранительные устройства требует
их постоянной проверки и наладки и при этом всегда будет иметь место превышения
давления сверх рабочего.
6.
Сброс воды из трубопровода через насосы в данном случае также
малопригоден.
Библиографический список
Бегляров, Д.С. Особенности напорных систем водоподачи с последовательно
работающими насосными станциями [Тескт] / Д.С. Бегляров, К.В. Земский // Научнотехническая конференция МГУП «Современные проблемы водного хозяйства и
природообустройства». – М.: МГУП, 1997. – с. 120.
2. Бегляров, Д.С. Переходные процессы в насосных станциях, работающих в каскаде
[Текст] / Д.С. Бегляров, К.В. Земский //Научно-техническая конференция МГУП
«Природообустройство сельскохозяйственных территорий». – М.: МГУП, 2001. С. 910.
1.
Бегляров, Д.С. Методика расчетов переходных процессов в напорных системах
водоподачи с насосными станциями [Текст] / Д.С. Бегляров, И.А. Концевич // Сб.
научн. тр. «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые
условия социально-экономического развития России». – М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2005.
С. 47-53.
4. Виссарионов, В.И. Исследование переходных процессов в насосных станциях
[Текст] /В.И. Виссарионов, В.В. Елистратов, Р.С. Исхан-Ходжаев //Известия высших
учебных заведений. 1980. № 5. С. 76-81.
5. Вишневский, К. П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи [Текст]
/ К.П. Вишневский. – М.: Агропромиздат, 1986. С. 135.
6. Пикулин, В.И. Натурные исследования гидравлического удара в водоводах насосных
станций [Текст] / В.И. Пикулин //Труды ВНИИ ВОДГЕО. – М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1970.
Вып. 25. С. 104 – 106.
3.