Хидравличен удар в помпени системи

www.ndwc.wvv.edu

Той се проявява като внезапно нарастване на налягането причинено от ударната вълна.

Кинетичната енергия на движението се променя в енергия на налягането.Ударната вълна създадена в тръбите се пренася до достигане на препятствие.След като се отблъсне тя се връща обратно и започва да се колебае докато затихне вследствие съпротивлението в мрежата.

Това е подобно на влак,който пътува в тунел и се удря в стена.

Това може да разруши стената /арматурата/ или да разруши тунела /водопровода/.
Хидравличния удар зависи от 3 компонента:

1. 
   Характеристиката на ПА;
   
2. 
   Характеристиката на водопроводната мрежа;
   
3. 
   Начина на управление на мощността.
   

При подбора на арматури трябва да се вземе под внимание влиянието им върху хидравличния удар.

1. 
   Промяната в скоростта на флуида.
   

От значение за силата на удара е дали влакът ще се движи

с 6 км/ч или с 90 км/ч при достигане до преградата.

Скоростта на вълната във вода е около 1350 м/с.

За грубо изчисление на допълнителното нарастване на налягането вследствие на хидравличния удар трябва да умножим скоростта на водата Х 42 м.

Пример:

Имаме скорост на водата - V0 = 2 м/с

Увеличението на налягането ще е 2 х 42= 84 м.

При по-прецизни изчисления /виж по-долу/ получаваме – 88 м.

2. 
   Масата на флуида.
   

От значение е дали в стената ще се блъсне само 1 локомотив или голяма композиция от 100 вагона пълни с въглища.

За големи и дълги водопроводи трябва да се вземат специални мерки за погасяване на удара – специални бавнозатварящи регулируеми ОК;ударогасителни котли и др.

3. 
   Колко бързо настъпва промяната.
   

Следователно третия елемент показващ времето ,за което се променя скоростта е много важен.

Ако СК с ел.задвижка Ф400 се затвори за 10 сек ще се получи силен удар,но ако се затвори за 120 сек ударът ще е незначителен.

Като правило времето на затваряне на ОК трябва да е поне 2 пъти по-голямо от критичното време Тс.

Колкото по-твърда е тръбата,толкова по-бавно трябва да се затваря ОК.Гъвкавите,еластични тръби имат свойството да поглъщат част от енергията на удара.

Неправилното управление на ОК;СК ,които затварят/отварят с ¼ от оборота /сферични или бътерфлай кранове/ често са причинители на значителни удари.

За тези арматури с диаметър над Ф200 трябва да е предвиден редуктор,с цел недопускане на бързо затваряне/отваряне.

Обикновените,плоски ОК също са източник на удари когато се затварят за много кратко време под въздействието на обратната вълна.

При спиране на ПА,водата спира да се издига и след време се връща и затваря със сила ОК.

Решението е да се монтира ОК с рамо и тежест или пружина.По този начин ОК затворя преди да се върне обратната вълна.

Появата на звук и рязката промяна на налягането подсказва наличието на хидравличен удар.Силното удряне на ОК и изпускане на вода през набивките на СК и помпата също се дължат на удара.
Причини за хидравличен удар:

1. 
   Пуск на ПА – генерира се високо налягане.
   
2. 
   При изключване на ел.захранването има рязка промяна в дебита,което причинява нарастване на налягането в смукателната част и спадане на налягането в нагнетателната част.
   

3. 
   Затваряне или отваряне на СК или ОК за кратко време предизвиква хидравличен удар.
   

4. 
   Неправилна работа или неправилен подбор на арматура за защита срeщу хидравличен удар.
   

Water distribution systems handbook – Larry Mays 2000 AWWWA

Tc = 2*L/a / с / – критично време на водопровода,където:

L / м / – дължина на водопровода от точката на изливане до точката на затваряне;

a / м/с /– скорост на вълната в тръбата;

a = 1425 * [1 + K*(D/t)]^1/2 ,където:

D / мм /– вътрешен диаметър на напорния водопровод;

t / мм /– дебелина на тръбата;

K – коефициент зависим твърдостта на материала на тръбата;

Имаме стоманен водопровод с дължина 20000 м и диаметър 1200 мм с дебелина на тръбата 12 мм.

Да се изчисли критичното време за затваряне на ОК.

Tc = 2*L/a;

a = 1425 * [1 + K*(D/t)]^1/2 = 1450*[1 + 0.01*(1200/12)]^1/2

a = 2044 м/с

Tc = 2*20000/2044 = 19,6 секунди;

Критичното време или периода на тръбата е в зависимост от дължината на водопровода и еластичността му.

То е пряко свързано с времето,за което вълната стига до края на тръбата и се връща обратно към ОК.

www.elico.com.tw

Нарастването на налягането вследствие на хидравличния удар е:

Z0 = (2*L*V0)/(g*T) / м / ,където:

V0 / м/с / - скорост на флуида преди затварянето на ОК;

T / с / - време за затваряне на ОК;

Н = Н0 + Z0 / м / - пълното налягане ,където:

Н0 - / м / - работното налягане преди затварянето на ОК.

Пример:

V0 = 2 / м/с /;Н0 = 72 м;L = 650 m;T = 3 sec.

Z0 = (2*L*V0)/(g*T)= (2*650*2)/(9.81*3) = 88 / м /

Н = Н0 + Z0 = 72 + 88 = 160 / м /

1. 
   Ако профила на напора е значително над линията,която свързва помпата и напорния резервоар /ПС Баниска по посока на ПС Могилино – облекчителна шахта/;
   
2. 
   Ако ОК затваря по-бързо от 0.2 сек /обикновените ОК/;
   
3. 
   При дълъг смукател,който свързва помпата /захранване към фазановото стопанство от ПС ІІ-ри подем/;
   
4. 
   Ако помпата тръгва с въздух или вакум /ПС І-ви подем/.
   

1. 
   Ограничете скоростта на водата.
   

Например,ако подаваме максимално за едно денонощие 450 м3 вода от една помпена система е добре дебита на ПА да не надвишава

7 л/сек ,което отговаря на 600 м3/денонощие /33 % резерв/.

ПА с по-голям дебит при същия напорен водопровод ще работи при по-висока скорост на водата и от тук ще предизвиква по-големи загуби на напор и по-големи хидравлични удари.

Скорост над 3 м/с е ясен знак за опасност.

Ако напорът е дълъг,а диаметърът е голям скоростта не трябва да надвишава 1.5 м/с.

2. 
   Изберете подходяща арматура.
   
   • 
     Бързо затваряща обратна клапа.
     

Обратната клапа трябва да е с малко съпротивление,да се отваря леко и да не предезвиква хидравличен удар с действията си.

При аварийно спиране на ПА ОК трябва да затваря контролирано,за да се осигури максимално снижаване на хидравличния удар.

Това позволява да се настройва времето на затваряне на ОК,така че да се избегне критичното време.

Ако ОК се затвори вследствие на обратната вълна от хидравличния удар – при затръшването си тя предава допълнителна сила на удара и пораженията са много по-тежки.

Затова се изпълняват ОК с бързо действие,за да се предодврати този ефект.

Бързодействащите клапи се изпълняват с пружини,рамена с тежести или с външен изпълнителен механизъм – пневмо или хидроцилиндър или електрическо задвижване.

www.mahod.cz

За бързодействащите ОК с рамо и тежест времето на затваряне се регулира чрез промяна на тежестите или чрез промяна на разстоянието,на което са фиксирани те към рамото.

В зависимост от критичното време тежестите се настройват така,че затварянето на ОК да изпревари обратната вълна.

По този начин освен,че се намалява хидравличния удар до

1.6*Рраб,се предпазват и съоръженията преди ОК – помпа,смукател и други арматури и съоръжения.

При експлоатацията на ОК с тежест клапите показаха много добри качества по отношение на водоплътност и гасене на хидравличния удар.

Фирма Ерхард произвежда този тип клапи от Ф150 до Ф2000.

За къси водопроводи с дължина до 2000 м с диаметър до Ф300 това е сравнително евтино и ефективно решение.

Тези клапи са по-скъпи от обикновените плоски клапи и имат по-голямо съпротивление /загуби на енергия/,но затова пък са по-ефективни при гасене на удара.

При крилчатите клапи с пружина ефекта от гасене на хидравличния удар е по-малък,но тяхното предимство е по-простото устройство,по-малкия габарит и по-ниската цена.

• 
  Бавно затваряща обратна клапа.
  

Подобна е системата с две клапи – основна бързо затваряща и по-малка байпасна клапа,която е бавнозатваряща.

• 
  Удароубивател на напора.
  

Удароубивателя не е ефективен при образуване на подналягане в началния момент.Той действа само на свръхналягане.

Тъй като налягането се увеличава много бързо,а този клапън има времезакъснение,този метод не е много ефективен сам по себе си.

Може да се използва комбинирано с бързозатваряща се ОК.

• 
  Разширения на тръбната част,отделни клонове или въздушни
  

Монтирани мембранен тип удароубиватели на Фирмата Бермад -Израел със средства от заема на Световната банка към 2003 г.

Тези арматури показват добра надеждност въпреки,че не за всяка система е постигнат желания ефект за погасяване на удара.

Необходимо е по-подробно проучване как се държат в експлоатация тези устройства и дали не е необходимо да се комбинират с други мероприятия за ударогасене.

• 
  Ударогасителен котел.
  

Подобна система реализирахме на ПС К157 към новия НКР.

Т
Напорен резервоар
ози метод е ефективен,но е скъп - необходими са и големи закрити пространства за монтаж на котела.

• 
  Напорен куло резервоар в близост до ПС на кота над НР.
  

Подобна е схемата на ПС Г.Абланово към Две могили /проект/.

• 
  Куплунга между помпата и мотора се изпълнява с голям
  

Запасената енергия удължава времето на въртене на ПА след спиране на ел.захранването и по този начин се снижава удара.

Обикновенно масата на ротора на мотора съставлява 75 – 90 % от общия инерционен момент WR².Използва се ограничено - обикновено за къси водопроводи и е сравнително скъпо решение.

Недостатък на този метод е преразхода на ел.енергия поради увеличеното съпротивление при въртене на маховика.Лагерите на ПА също трябва да се оразмерят съобразно новото натоварване.

Подобен ефект при нас се получава при спиране на големите ПА от ПС І-ви и ІІ-ри подем.Роторите на тези машини са много тежки и те продължават да се въртят около 30 - 40 секунди след спиране на захранването.

• 
  Използване на СК с ел.задвижки или софтстартери за
  

Недостатък на този метод е,че не може да се реши проблема с удара при аварийно спиране на ел.захранването.

• 
  Байпасен клапън.
  

След централната ОК се изпълнява връзка към ЧР чрез ОК,която служи за допълване на напора в вода в момента след спиране на ПА и образуване на подналягане – фиг.А.

За ПС,които работят с преднапор се изпълнява подобна обходна връзка с ОК – фиг.В /хидрофорните ПС в гр.Русе/.

Подобен ефект може да се получи при свързване на напорите чрез ОК на ПС,която подава вода в две зони – НЗ и ВЗ.

При спиране на ПА на висока зона недостига на вода в първия момент може да се попълни от ниска зона.

Фиг.А Фиг.В

вода

• 
  Без ОК на напора.
  

При този метод налягането може да достигне до 1.6хРном. и ПА да се развърти обратно.

• 
  Автоматично включване на резервно ел.захранване.
  

Характер на хидравличния удар след обратната клапа на напорния водопровод при аварийно спиране на напрежението.

Рр – Работно налягане;

Нг – геодезична височина;

Тс – критично време,при което се връща обратната вълна
Р









Pp

Hг

Tc t

Част от водата се изпарява и при обратната вълна се получава още по-разрушителни удари.

За заснемане на хидравличния удар има разработени дейта логери,които замерват на много кратък период налягането и го запомнят във времето.

След това данните се обработват и се визуализират във формата на графика.

Това помага да се оцени размера на хидравличния удар и какви мерки ще са най-удачни за ограничаването му.

Данните от замерванията може да се сравнят с резултатите получени от анализа на хидравличния удар със специализиран софтуерен продукт.

След изпълнение на защитните мероприятия хидравличния удар се замерва отново и се вижда доколко ефективно сме се справили с проблема.

Обекти,които са проблемни по отношение на хидравличния удар към 12.2005 год /да се закупят ОК с рамо и тежест/:

ПС Николово 2 150/10;

ПС Смирненски 250/16;

ПС Писанец 200/16;

ПС Красен 3 300/16;

ПС ДЗС 1 200/16;

ПС Баниска 500/16;

ПС Чанаджика 500/16 ;

ПС Пет кладенци 250/10;

ПС Батин 350/16 2 бр.;

Пс Батишница 125/16

ПС Фотуля 100/16;150/16;

ПС Сеново 200/16;

ПС Топчии 250/16;
Да се обсъди с районите къде има проблеми с хидравличния удар.
Изчисление на кинетичната енергия на напорен водопровод Ф1200

с дължина L=20000 м и със скорост на водата V=1 м/с.

S = (Π * d²)/4 = (3.14*1.2*1.2)/4 = 1.13 m² – сечение на в-да;

O = S * L = 1.13 * 20000 = 22 608 m³ – обем вода във водопров.;

КЕ = 0.5*m*V² = 0.5*22608*1*1 = 11 300 КJ – кинетична енергия;

Ако скоростта нарастне на 2 м/сек ,то за кинетичната енергия се получава:

КЕ = 0.5*m*V² = 0.5*22608*2*2 = 45 200 КJ – кинетична енергия;

Това са огромни количества енергия,поради голямата маса на водата.

1. 
   За водопроводи с малък диаметър до Ф300 и ПА,които смучат
   

2. 
   За по-големите водопроводи,където ПА са залети и няма
   

3. 
   За ПС където след спиране на ПА се образува вакум –
   

4. 
   За малки ПС без голям удар плоските ОК са евтино и
   

5. 
   Добре е да разполагаме със съвременен софтуерен продукт за