Здавалка
Главная | Обратная связь

Гидравлический удар в ТС



 

Гидравлическим ударом называется волновой процесс, возникающий в капельной жидкости при быстром изменении ее скорости.

В трубопроводах этот процесс сопровождается мгновенными местными повышениями и понижениями давления, которые могут значительно выходить за пределы, имеющие место при стабильном режиме.

В современных водяных тепловых сетях вероятность возникновения гидравлических ударов в последние годы существенно возросла с связи с увеличением единичной мощности теплоисточников (ТЭЦ и районных котельных), вводом в работу длинных теплопроводов большого диаметра и мощных насосных подстанций с больших количеством регулирующих приборов, клапанов и задвижек, а также включением в систему пиковых водогрейных котлов.

При отказе какого-либо элемента такой системы, например при внезапной остановке насосов на станции или подстанциях, может произойти резкое изменение скорости воды в сети, сопровождающееся гидравлическим ударом.

Опасность возникновения гидравлического удара возрастает при включении в систему водогрейных котлов. В этом случае внезапное изменение расхода воды через котел может привести к резкому повышению температуры воды в котле, а затем к ее вскипанию в сети и последующей конденсации образовавшихся паровых пузырей в потоке воды более низкой температуры, сопровождающейся гидравлическим ударом.

Гидравлический удар также может возникнуть при быстром закрытии регулирующих клапанов на насосных и дроссельных подстанциях, вызвавшем резкое изменение скорости воды в сети.

Волны гидравлического удара распространяются по системе со скоростью звука в воде около 1000 м/с и могут многократно повторятся, пока энергия удара не израсходуется на работу сил трения и деформацию трубопроводов или не будет погашена в специальных устройствах, ограничивающих распространение гидравлического удара (воздушные колпаки, резервуары и другие устройства). Наибольшую амплитуду изменения давления имеет обычно первая волна удара, которая поэтому и является наиболее опасной.

На рисунке (5.27, а) показана схема двухтрубной водяной тепловой сети: I – сетевой насос, II – обратный клапан или затвор на нагнетательном патрубке насоса, III – регулирующий клапан на подающей линии магистрали.

На рисунке (5.27, б) показан пьезометрический график ТС при двух положениях регулирующего клапана III: 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 при полном открытии клапана III и 1 – 2′ – 3′ – 4′ – 5′ – 6 при полном закрытии клапана III.

 

Рисунок 5.27Принципиальная схема (а) и пьезометрический

график (б) двухтрубной водяной ТС

полностью открытый и полностью закрытый клапан III.

 

На рис. 5.28 показан характер изменения напора во времени с обеих сторон регулирующего клапана III в точках 2 и 3 при двух режимах его закрытия: медленном – штриховая и быстром – сплошная линия.

 

Рисунок 5.28Характер изменения напора во времени при гидравлическом ударе

а – изменение напора в точке 2; б – изменение напора в точке 3.

 

 

Давление гидравлического удара может быть определено на основе закона импульсов: изменение количества движения равно импульсу силы

(5.56)

 

где G = fwρ – массовый расход воды, кг/с;

w – скорость воды до торможения, м/с;

a – скорость звука в воде, м/с;

f – площадь сечения трубы, м2;

ρ – плотность воды, кг/м3;

pУдавление гидравлического удара, Па,

 

(5.57)

 

Пренебрегая значением w2 вследствие его малости по сравнению с aw, получаем формулу Н. Е. Жуковского

(5.58)

 

При гидравлическом ударе давление ру возникает практически мгновенно; поэтому вызываемые гидравлическим ударом напряжения и деформации в трубопроводах существенно, примерно в 2 раза, больше, чем при постепенном повышении давления от 0 до ру.

Если клапан III закрывается не полностью, а частично и соответственно скорость воды в трубопроводе изменяется от начального значения на некоторое значение Δw, то давление и напор ГУ

 

(5.59)

 

 

где g – ускорение свободно падающего тела (g = 9,81 м/с2).

Формула для определения скорости перемещения волны удара в трубопроводе, равная скорости звука, м/с,

 

 

(5.60)

 

 

где EВмодуль упругости воды, равный 2 ·109 Па; EСТ модуль упругости материала стенок трубопровода (для стали EСТ= 2 ·1011 Па); d,s – диаметр и толщина стенки трубопровода.

При больших значениях Δw давление гидравлического удара может достигнуть недопустимых значений и привести к разрыву трубопроводов. Так, при Δw = 1 м/с, а = 1000 м/с и ρ = 1000 кг/м3 ру = 106 Па = 1 МПа =10 кгс/см2 и соответственно HУ =100 м.

Возникшая при быстром закрытии клапана III в точке 2 (смотри рисунок 5.27) ударная волна достигает точки фиксированного давления 1 через интервал времени

(5.61)

 

В течение всего указанного интервала времени масса воды на участке 1-2, которая еще не успела затормозиться, продолжает движение в пределах упругих деформаций жидкости и трубопровода в направлении от точки 1 к точке 2, т.е. в направлении, обратном движению ударной волны. При достижении ударной волной точки фиксированного давления 1 напор в слое жидкости у этой точки уменьшается до Н1, и с этого момента начинается обратное движение волны давления. Возникшая в точке 1 новая волна, понижая давления, перемещается от 1 ко 2 точке со скоростью звука а и гасит давление, созданное первой ударной волной. Через интервал времени zУ = 2l1-2/a = 2z0, называемый фазой удара, волна понижения давления достигает точки 2 перед клапаном III. В этот момент напор перед клапаном снизится до H1 .

Суммарный напор и давление при ГУ

 

(5.62)

 

где H, p – напор и давление при стабильном режиме; HУ, pУ напор и давление гидравлического удара.

В современных ТС практически отсутствуют точки фиксированного давления, способные погасить ударную волну. В них под фазой удара понимают время, необходимое для перемещения ударной волны по сети от сечения ее возникновения до сечения встречи волн с противоположными знаками плюс время обратного возврата отраженных волн в исходные сечения.

Условно считая, что волны давления и разрежения движутся на встречу друг другу с одинаковой скоростью и встречаются в середине замкнутого контура сети, фазу можно определить

(5.63)

где l – полная длина замкнутого контура сети, м.

Для сети, изображенной на рисунке 5.27, а, полная длина замкнутого контура

(5.64)

 

Когда изменение скорости воды происходит не мгновенно, под Δw в формуле (5.59) следует понимать изменение скорости за время, равное фазе удара.

Если начальная скорость воды в трубопроводе была w1и за время z > zУ эта скорость уменьшилась до w2 ,то при равномерном изменении скорости во времени

(5.65)

 

Из совместного решения (5.59) и (5.65) следует, что давление ГУ, Па

(5.66)

 

При zzУ в (5.66) необходимо подставлять zУ / z = 1.

Из совместного решения (5.63) и (5.66) получаем

или (5.67)

 

где J = (w1 w2) / z – ускорение воды в трубопроводе при ударе, м/с2.

Если pД давление, допускаемое в трубопроводе по условию прочности, а pР рабочее давление, то допустимое максимальное ударное давление

(5.68)

 

Допустимое ускорение воды в трубопроводе, м/с2, которое должно учитываться при выборе быстродействия регулирующих и дросселирующих клапанов

(5.69)

 

Уравнение (5.66) может быть записано форме

(5.70)

 

 

где sВ = /f – волновое сопротивление трубопровода, Па·с/м3; ΔV – изменение объемного расхода воды в трубопроводе при ударе, м3/с; f – площадь сечения трубопровода, м2; sВН волновое сопротивление трубопровода, м·с/м3.

При zzУ , т.е когда время торможения потока воды равно или меньше фазы удара

(5.71)

 

Волновое сопротивление равно давлению (напору) гидравлического удара, возникающему в трубопроводе при изменении в нем объемного расхода на1 м3 /с за время z ≤ zУ.

Внезапная остановка сетевых насосов вызывает волновой процесс, сопровождающийся уменьшением давления на нагнетательном коллекторе (рисунок 5.29, точка 1) и повышением давления на всасывающем коллекторе (точка 2).

Зависимость изменения напоров (давлений) на коллекторах насосной от изменения расхода воды через насос определяется волновым сопротивлением подающих и обратных магистральных трубопроводов, соединенных с коллекторами насосной установки

(5.72)

 

где sВ.ПН = a / (g∑fП) волновое сопротивление подающих магистралей, м·с/м3; sВ.ОН = a / (g∑fО) волновое сопротивление обратных магистралей, м·с/м3; fП, fО суммарная площадь сечения соответственно подающих и обратных магистралей, отходящих от коллекторов насосной установки, м2.

 

Рисунок 5.29Схема насосной установки

I – насос; II – обратный затвор; III – противоударная

перемычка; IV – абонентские установки.

 

На рисунке 5.30 в H, V-координатах показана характеристика насосной установки. Точка An соответствует начальному режиму работы системы при нормальной частоте вращения насосных агрегатов, равной n.

При внезапном выключении двигателей частота вращения насосов снижается от n до нуля и система переходит в состояние A0. Расход воды уменьшается на ΔV = Vn – V0; при этом возникает ударный напор HУ. Ударная характеристика этого процесса прямая An A0 .

Тангенс угла наклона прямой An A0 к оси абcцисс tgα = sВН zУ /z.

Распределение ударного напора между подающим и обратным коллекторами пропорционально их сопротивлениям

 


(5.73)

 

 

где HУ.П и HУ.О ударные напоры в подающем и обратном коллекторах.

 

 

Рисунок 5.30Построение ударной характеристики насосной установки.

 

На рисунке 5.31, а показан характер изменения напоров на подающем и обратном коллекторах насосной установки при внезапном выключении двигателей насосов. За время z, в течение которого частота вращения насоса уменьшается от нормального значения n до нуля, напор на обратном коллекторе повышается на Нoу, а на подающем коллекторе снижается на Нпу. Суммарный напор на обратном коллекторе достигает Но + Ноу, а на подающем Нп – Нпу. Через некоторое время волновой процесс затухает и в системе устанавливается статический напор Нст.

На рисунке 5.31, б в z, H-координатах показан характер изменения напоров на коллекторах насосной установки при запуске ее на сеть с открытыми задвижками.

 

 

Рисунок 5.31Изменение напоров на коллекторах насосной

установки при нарушении режима

а – внезапное отключение; б – внезапное включение.

 

 

Обычные автоматы, предохраняющие в стационарных условиях систему от опасных гидравлических режимов, как правило, не могут защитить ее от волновых явлений, возникающих при гидравлическом ударе.

Для защиты системы теплоснабжения от недопустимого повышения давления при гидравлическом ударе применяются специальные устройства, которые по принципу можно разделить на следующие группы:

1) Устройства, изменяющие знак волны давлений. К ним относятся обратные клапаны на перемычках, соединяющих трубопроводов, в которых волны давлений имеют разные знаки. В частности, такие перемычки часто устанавливаются между обратным и подающими коллекторами насосных на ТЭЦ или крупных котельных;

2) Устройства, тормозящие распространение волнового процесса. К ним относятся газовые и воздушные колпаки;

3) Устройства для сброса давлений. К ним относятся уравнительные резервуары, разрывные диафрагмы и предохранительные клапаны. Последние малонадежны из-за возможного прикипания и недостаточного быстродействия;

4) Устройства, изменяющие характеристику источника возмущения. К ним относятся установка маховых колес на валу насоса.

Время, за которое частота вращения насоса при отключении электропитания изменяется в n0 / ni раз, определяется

 

(5.74)

 

где zaпостоянная времени насосного агрегата, равная времени zi, за которое при отключении электропитания частота вращения насоса изменяется в 2 раза.

Следует иметь в виду, что независимо от гидравлического удара, вызывающего волновой процесс изменения давления, при прекращении циркуляции воды может установиться повышенное статическое давление в системе под действием потенциальной энергии в трубопроводах, находящихся под давлением, которое определяется

(5.75)

 

где H – напор, отсчитанный от общей плоскости сравнения, под которым при циркуляции находится элементарный объем воды ΔV, м3; V – полный объем воды в системе, м3; pСТ давление, Па.

В некоторых случаях давление рст может существенно превысить допустимое. Для предупреждения таких режимов остановка циркуляции воды в крупных тепловых сетях должна осуществляться по программе, предусматривающей предварительное снижение потенциальной энергии систем до прекращения циркуляции, например, путем дросселирования давления воды на нагнетательной линии сетевых насосов.

 

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.