Научное обоснование методов расчетов переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями

Рассмотрение принятого порядка проведения расчетно-теоретических исследований, а также возможных вопросов исследований и подготовки необходимых данных (расстояния от начала водовода до места установки мембраны; коэффициента гидравлического сопротивления мембраны; давления, при котором происходит разрыв мембраны), позволили разработать методику обработки и оформления результатов исследований переходных процессов при установке на водоводах разрывных мембран.

В рамках главы подробно рассмотрены вопросы методики проведения расчетно-теоретических исследований проектируемая в настоящее время Южная водопроводная система (ЮВС) г. Москвы и Московской области. Проведено 60 вариантов расчетов переходных процессов, вызываемых отключениями насосных агрегатов. Рассмотрены в основном следующие случаи: трубопроводы не оборудованы средствами защиты от гидравлического удара; трубопроводы оборудованы клапанами для впуска и защемления воздуха КВЗВ; трубопроводы оборудованы КВЗВ и разрывными мембранами.

В качестве примера на рисунках 2 и 3 приведены основные результаты исследований, проведенных для I очереди строительства ЮВС при подаче воды от скважин в резервуар насосной станции НС-1.

Выполненные нами расчеты показали, что максимальное повышение давления при гидравлическом ударе при отсутствии средств противоударной защиты будет иметь место в начале водовода, то есть в месте установки на напорном трубопроводе обратного клапана. Оно превысит рабочее давление в 2,7 раза. Анализ результатов расчетов также показал, что во многих местах по длине трубопроводов образуются кавитационные разрывы сплошности потока. Наиболее простым и дешевым способом противоударной защиты в этом случае является впуск воздуха с его последующим сжатием (защемлением). Для этого в местах наиболее вероятных образований разрывов сплошности потока была предусмотрена установка четырех клапанов для впуска и защемления воздуха (рис. 2). Результаты этого расчета показали также, что впуск воздуха с его последующим сжатием уменьшает давление при переходном процессе: максимальное повышение давления имело место на расстоянии 2980 м от начальной точки и превысило рабочее в 2,17 раза (рис. 3). Установка КВЗВ в основном нормализует понижение давления в напорных трубопроводах при переходном процессе, но, учитывая остающиеся повышения давления, необходимо принять также еще и другие средства защиты от гидравлического удара.

Кроме того, в главе были выполнены расчеты для случая установки в пониженных точках трубопроводов разрывных мембран, то есть на расстоянии 2980 м (место максимального повышения давления при применении КВЗВ) от начальной точки (рис. 2). Давление, при котором должна была разрушиться мембрана, было принято равным 0,85 МПа. В тексте главы приводятся результаты сопоставительных расчетов для различных значений гидравлического сопротивления сбросной линии мембраны: 10 с²/м⁵, 4 с²/м⁵, 1 с²/м⁵. Эти расчеты показали, что при сбросе воды при разрушении мембран будет иметь место существенное снижение давления. Кроме того, несмотря на то, что при гидравлическом сопротивлении сбросной линии мембраны 1 с²/м⁵ объем сброшенной воды через нее будет примерно в 1,5 раза больше, чем при гидравлическом сопротивлении 4 с²/м⁵; уменьшения давления по всей длине трубопроводов аналитически обнаружено не было. В связи с этим окончательно было рекомендовано принять гидравлическое сопротивление сбросной линии равным 4 с²/м⁵.

На основании сопоставительных расчетов были выбраны и рекомендованы средства защиты от гидравлических ударов для всей Южной водопроводной системы г. Москвы.

Проведенные расчетно-теоретические исследования с использованием усовершенствованной методики показали возможность определения расчетным путем оптимального коэффициента гидравлического сопротивления сбросной линии мембраны, позволяющей обеспечить снижение давления при переходном процессе до допустимых значений, а также установить влияние объема сбрасываемой воды на его повышение.

В главе также рассмотрены результаты расчетно-теоретических исследований, выполненных с использованием усовершенствованной нами методики расчета переходных процессов, возникающих при отключении дождевальных машин (ДМ) с учетом действия ПСУ. Описываются три закрытые оросительные системы (ЗОС), принятые для проведения этих исследований и приводятся данные об: оборудовании насосных станций, трубопроводах закрытой оросительной сети, об используемых ДМ, о трубопроводной арматуре и предохранительных сбросных устройствах для ЗОС, принятых для расчетно-теоретических исследований. Рассмотрены вопросы подготовки исходных данных, в том числе расчетных схем каждой ЗОС для проведения исследований, при этом отмечается, что расчеты переходных процессов для отключаемых ДМ и части оросительных трубопроводов необходимо проводить с более мелкими шагами x₁ и t₁ чем для остальной части ЗОС. Время закрытия шиберной задвижки, установленной на гидранте ДМ, было принято равным 45 с, то есть таким, какое необходимо для аварийного отключения ДМ "Фрегат" при десинхронизации перемещения тележек, поддерживающих водопроводящий трубопровод.

Выполненные нами исследования показали, что для оценки эффективности действия ПСУ целесообразно принять параметр , где - максимальное значение давления перед запорной арматурой; - максимальное значение давления перед запорной арматурой при подключенном ПСУ к гидранту ДМ; - максимальное рабочее давление на входе в ДМ до переходного процесса.

Далее в тексте главы осуществлено исследование влияния отдельных параметров ПСУ на повышение давления при переходных процессах в ЗОС, возникающих при отключении ДМ и сбросе воды через ПСУ. Прежде всего, рассмотрено влияние времени запаздывания открытия ПСУ (t_bc). Проведенные серии таких расчетов при различных значениях времени открытия ПСУ (t_bc=0,1; 0,6; 0,8; 1,2; 2.4; 3,0 с), принятые для исследований ЗОС, показали, что при увеличении значения t_bc в определенных пределах давление не увеличивается, а уменьшается, и, соответственно, повышается эффективность действия ПСУ. Отмечено, что в связи с тем, что после резкого снижения давления, вызванного сбросом воды через ПСУ, происходит его повышение сверх давления, при котором срабатывает ПСУ, оно не закрывается и поэтому существенной разницы в результатах расчетов при различных значениях времени запаздывания закрытия ПСУ нет.

Равным образом исследовано влияние времени закрытия ПСУ (t_bc ) после снижения давления в месте его установки ниже значения Р_qr. Значения t_bc при этом принимались равными 5, 10, 14, 18 с (время закрытия по паспортным данным равно 18 с). Результаты этих исследований показали, что уменьшение времени закрытия ПСУ в принятых пределах допустимо. Исследовано также влияние значения давления, при котором происходит сработка ПСУ (Р_qr). Отмечено, что значения Р_qr при расчетах для ЗОС были приняты равными: 0,63; 0,65; 0,67 МПа, 0,95; 1,0; 1,05; 1,1 МПа. Результаты выполненных нами расчетов показали, что при увеличении Р_qr пределах от 0,95 МПа до 1,05 МПа давление не увеличивалось, а снижалось и эффективность действия ПСУ, таким образом, повышалось.

Определенное внимание было нами уделено оценке влияния гидравлического сопротивления ПСУ, определяемого диаметром используемого сопла на повышение давления в ЗОС при отключении ДМ и сбросе воды через ПСУ.В данном случае для ПСУ-100 диаметры сопла были приняты равными 34 мм и 40 им, в соответствии с которыми были затем определены гидравлические сопротивления ПСУ.

Исследовано взаимное влияние нескольких ПСУ, установленных на ЗОС и расположенных как в тупиковых, так и в промежуточных точках оросительной сети. Проанализированы следующие варианты подключения: ПСУ: к гидрантам двух или более соседних ПСУ; только к гидранту отключаемой ДМ; ПСУ подключено только к гидранту соседней ДМ.

Результаты расчетов первого варианта подключения ПСУ, выполненные для тупиковой схемы расположения ПСУ на сети ЗОС, показали, что в большинстве случаев отключение ДМ вызывает сработку не только собственного ПСУ, но и ПСУ соседней ДМ. При этом давление у отключаемой ДМ (рис. 4, кривая ) повышалось на Р=30%...70%, а у соседней ДМ (рис. 4, кривая ) на Р=10%...20%, то есть эффективность действия ПСУ при этом составляла Э_sv=10%...40%. Результаты расчетов второго варианта показали, что давление у соседней незащищенной ДМ (рис. 4, кривая ) повышалось на Р=13%...26%, что на Р=4%...6% больше по сравнению со случаем, когда она тоже защищена. Результаты расчетов третьего варианта показали, что повышение давления у отключаемой незащищенной ДМ почти такое же, как при отсутствии ПСУ на сети.

Результаты выполненных нами исследований позволили сделать вывод о том, что эффективность установки ПСУ в промежуточных точках оросительных трубопроводов незначительна. Эффективность действия ПСУ, установленных в тупиковых точках значительно выше, однако необходимость их установки следует обосновать расчетами, поскольку при оросительных трубопроводах относительно небольшой длины повышение давления при отключении ДМ может быть несущественным.

Приведены результаты сопоставительных расчетов для ЗОС 2 при принятых в результате расчетов оптимальных параметрах ПСУ. Эти расчеты показали, что давление при этом существенно меньше (на 20% , рис. 5, кривая Р₃) по сравнению с результатами расчетов при паспортных данных ПСУ (кривая Р₂). Эффективность работы ПСУ при этом повышается примерно на 18% .

Расчеты переходных процессов при отключении ДМ дисковым затвором с регулируемыми закрытием, время закрытия которого составляет 80...130 с в зависимости от давления в месте их установки, показали, что повышение давления при закрытии этих затворов (рис. 6, кривая Р₁) составляло всего 20...30%, а давление за затвором (на входе в ДМ) достигало значения Р=0,2 МПа приблизительно за 45 с, то есть за время необходимое для аварийной остановки ДМ. В случаях, когда относительное повышение давления составляло не более 30% максимального рабочего давления ПСУ можно не устанавливать, поскольку практически оно не обеспечивает существенного снижения давления. Отмечено, что при проведении расчетов при установке на гидрантах ДМ ПСУ можно варьировать значениями гидравлического сопротивления ПСУ S_sv0, зависящим от диаметра используемого сопла ДМ и значениями давления Р_qr при котором ПСУ срабатывает. Показано, что предварительное назначение Р_qr следует осуществлять в зависимости от повышения давления Р. Для этой цели можно использовать предложенный коэффициент настройки , величину которого рекомендуется принимать в пределах от 1,1 до 1,25. Кроме того, при значении Э_sv до 10% ПСУ можно не устанавливать, поскольку снижение давления при этом малоощутимо; при значении Э_sv до 20% необходимость установки ПСУ должна быть обоснована расчетом и при Э_sv более 20% - установка ПСУ необходима. Определенное внимание в проведенных исследованиях было уделено рассмотрению вопросов последовательности выполнения расчетов переходных процессов для выбора количества, мест и параметров устанавливаемых на закрытой оросительной сети ПСУ. В тексте главы приводятся результаты расчетно-теоретических исследований переходных процессов на насосных станциях работающих последовательно по схеме «насос в насос», выполненных с использованием разработанной методики. Установлено, что при двух последовательно работающих насосных станциях возможно только три случая их аварийных отключений: одновременное двух, отключение первой и отключение второй. С увеличением числа последовательно работающих насосных станций количество возможных вариантов значительно увеличивается, поэтому для каждого варианта расчета необходимо иметь возможность задавать остается ли любая из насосных станций в работе или она отключается. При последовательной работе для неотключаемых насосных станций возможны следующие нежелательные явления: значительное повышение давления на выходе (при отключении следующей насосной станции) или значительное понижение давления (при отключении предыдущей насосной станции). В обоих случаях целесообразно предварительное отключение этой станции.

В связи с этим для проведения расчетов было предусмотрено задание для каждой из насосных станций предельных значений давления Р_mах и Р_min, при выходе за пределы которых насосная станция будет автоматически отключаться. Следует отметить, что для первой насосной станции необходимо только значение Р_mах, а для последней последовательно работающей насосной станции только значение Р_min..Приведено описание принятых для проведения расчетно-теоретических исследований каскадов насосных станций, работающих последовательно по схеме «насос в насос»: Егвардский каскад в Армении и каскад на Рыбницкой оросительной системе в Республике Молдова. Принятые для проведения расчетно-теоретических исследований каскады насосных станций отличались количеством станций, их оборудованием, протяженностью трубопроводов, рельефом местности. Расчеты переходных процессов, возникающих при отключениях насосных станций Егвардского каскада (рис. 7), выполнялись для случая одновременного отключения четырех работающих насосных агрегатов. Расчеты выполнялись при значении геодезической высоты подъема воды равной 379,5 м и наибольшем значении скорости распространения ударных волн а=1000 м/с. Рассмотрены следующие случаи: трубопроводы не оборудованы средствами защиты от гидравлического удара; трубопроводы оборудованы водонапорными колоннами и обратными клапанами.

Четыре варианта расчетов, были проведены при отсутствии каких-либо средств защиты от гидравлического удара. Проведенные расчеты показали, что при различных сочетаниях отключения насосных станций имели место повышения давления, которые превышали рабочее в 1,13... 1,50 раза. Анализ результатов расчетов показал также, что по длине трубопроводов образуются кавитационные разрывы сплошности потока.

Следующие четыре варианта расчетов (результаты которых представлены на рис. 14...15) были выполнены при установке у насосной станции II подъема водонапорной колонны и дополнительных обратных клапанов, установленных на напорных трубопроводах в трех точках, находящихся на расстоянии 1800 м, 6800 м и 9200 м от насосной станции I подъема. Эти расчеты показали, что значения давлений в трубопроводах при принятых средствах защиты практически не превышают рабочие.

Расчет переходного процесса, возникающего при отключениях насосных станций Рыбницкой оросительной системы проводился для случая автоматического отключения головной насосной станции ГНС-2 после отключения головной насосной станции ГНС_1, то есть для случая, который имел место при проведении экспериментальных исследований. Расчет выполнялся при значении геодезической высоты подъема воды равной 140 м и скорости распространения ударных волн для всех трубопроводов а=900 м/с, то есть несколько пониженной за счет нерастворенного в воде воздуха.

При проведении расчета было принято, что остающаяся в работе насосная станция будет автоматически отключаться в случаях, если давление на входе станет меньше или на выходе больше заданного. Результаты расчета приведены на рисунках 10 и 11, на которых показаны кривые изменения давления в двух точках напорной системы водоподачи: за обратными клапанами, установленными на напорных линиях насосов № 2 насосных станций ГНС-1 и ГНС-2; кривые изменения угла поворота тарелей обратных клапанов; кривые изменения частоты вращения насосных агрегатов № 2 на каждой насосной станции, построенные по промежуточным результатам расчетов.

Переходный процесс вызывался аварийным отключением электропитания двигателя насоса на насосной станции ГНС-1. Отключение насосного агрегата на ГНС-2 происходило при уменьшении давления у насосной станции ниже 0,05 МПа (5 м).

Как видно из рисунка 10 на ГНС-1 закрытие обратного клапана, установленного на напорной линии насоса № 2, происходило через 3 с (кривая 3) после его аварийного отключения. Максимальное давление за обратным клапаном (кривая 1), превышало рабочее в 1,19 раза. Реверсивное вращение ротора насосного агрегата (кривая 2) начиналось через 8 с после его отключения, а через 16 с достигало 425 мин^-1. Закрытие обратного клапана, установленного на напорной линии после насоса № 2 насосной станции ГНС-2, происходило через 0,32 с (рис. 11, кривая 2), а максимальное давление и превышало рабочее в 1,11 раза, имело место через 4,8 с (кривая 1) после отключения станции. К этому моменту времени давление за обратным клапаном на насосной станции ГНС-1 было равно 0,80 МПа, то есть рабочему.

Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что разработанные автором метод, алгоритм и программа расчета для ЭВМ дают возможность проводить расчеты переходных процессов, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов в напорных системах при подаче воды последовательно работающими насосными станциями по схеме «насос в насос». Эти исследования показали, что предусмотренные средства защиты от гидравлического удара на каскадах насосных станций, достаточно эффективно защищают их от недопустимого повышения давления при аварийных отключениях насосных станций.

В тексте главы приведены также результаты и расчетно-теоретических исследований переходных процессов для случаев одновременного отключения всех насосных агрегатов, установленных на насосных станциях, при отсутствии и наличии резервуаров для впуска воды и клапанов для впуска и защемления воздуха.

Приводятся описания объектов, принятых для проведения исследований. Из проектируемых ПО "Совинтервод" объектов для переходных процессов была выбрана напорная система водоподачи с оросительными насосными станциями PS-1 и PS-2, расположенными на объекте "ЭЛЬ-БАБ" в Сирийской Арабской Республике. Расчеты переходных процессов на этом объекте выполнялись при наибольшем значении скорости распространения ударных волн а=1000 м/с, то есть при минимальном содержании в воде нерастворенного воздуха, при котором повышение давления в трубопроводе будет максимальным. Для расчетов переходных процессов была принята схема водоподачи, включающая в себя две точки: точка расположения насосной станции и точка расположения водовыпускного сооружения.

Задачей расчетов со средствами защиты являлся выбор необходимого числа и мест установки резервуаров для впуска воды (ВР), клапанов для впуска и защемления воздуха (КВЗВ), обратных клапанов (ОК) и мембран. Для этой цели была проведена серия расчетов при различном числе и местах установки на трубопроводе различных средств защиты.

Расчеты переходных процессов, возникающих на PS-1, выполнялись для случая одновременного отключения четырех основных насосных агрегатов. Расчет, выполненный для случая, когда на напорном трубопроводе не было установлено никаких средств противоударной защиты, показал, что максимальное повышение давления у насосной станции (рис. 12 а, б, кривая 2), превысило рабочее в 1,57 раза. Кроме того, показано, что в трубопроводе образуются разрывы сплошности потока (рис. 12 а, б, кривая 2'). Наиболее простым и надежным средством защиты в этом случае является впуск воды, а также впуск и последующее сжатие воздуха в местах образования разрывов сплошности потока.

На основании сопоставительного анализа серии расчетов при различном числе и местах установки на трубопроводе резервуаров для впуска воды и клапанов для впуска и защемления воздуха было принято решение установить один резервуар для впуска воды и шесть КВЗВ. Диаметр соединительной линии резервуара для впуска воды принят таким, чтобы скорость воды при ее впуске в трубопровод равнялась 4 м/с. В результате расчетов был определен объем и расход воды (3,26 м³/с), впускаемой в напорный трубопровод в месте установки резервуара и получены необходимая площадь сечения (0,815 м²), количество и диаметр соединительной линии (две линии - d=50 мм). Диаметры клапанов для впуска и защемления воздуха были приняты такими, чтобы скорость воздуха при его впуске в трубопровод равнялась 50 м/с. В результате расчетов были определены значения расхода воздуха через КВЗВ при его впуске и получены необходимые диаметры КВЗВ (d=50...150 мм). Установлено также, что если на трубопроводе предусмотреть один резервуар для впуска воды и шесть КВЗВ, то это действие предохраняет трубопровод от образования в нем кавитационных разрывов сплошности потока (рис. 12 а, кривая 3'). Однако максимальное повышение давления у насосной станции (рис. 12 а, кривая 3), превысило рабочее в 1,72 раза. Полученные результаты говорят о необходимости проверки эффективности действия других средств защиты для данной системы водоподачи, например, разрывных предохранительных мембран. Для этой цели была проведена серия расчетов при различном числе и местах установки на трубопроводе мембран и КВЗВ. Давление, при котором разрушалась мембрана, было принято равным 0,85 МПа. На основании сопоставительных расчетов было решено установить на расстоянии 25 м от насосной станции разрывную мембрану с гидравлическим сопротивлением сбросной линии 13 с²/м⁵, что соответствовало диаметру 150 мм.

Кроме того, было отмечено, что при сбросе воды при разрушении мембраны максимальное повышение давления при переходном процессе произошло в точке, находящейся на расстоянии 2150 м от насосной станции и превысило рабочее в 1,54 раза (рис. 18 б, кривая 3). Давление у насосной станции повысилось до 0,87 МПа, то есть снижение давления вследствие сброса воды будет весьма существенным. Объем воды, сброшенной через мембрану, составит 133,6 м³, а максимальный расход воды через нее - 2,51 м³/с. Для предотвращения разрывов сплошности потока было решено установить в местах их образования клапаны для впуска и защемления воздуха. На основании сопоставительных расчетов было принято решение установить девять КВЗВ. Диаметры клапанов приняты такими, чтобы скорость воздуха при его впуске в трубопровод равнялась 50 м/с. В результате расчетов определены значения расходов воздуха через КВЗВ при его впуске и получены необходимые диаметры КВЗВ (d=50…200 мм). Результаты расчета показали, что установка одной мембраны и девяти КВЗВ предохраняет трубопровод от образования в нем кавитационных разрывов сплошности потока (рис. 12 б, кривая 3').

Таким образом, наши исследования позволили установить, что для напорной системы водоподачи с насосной станцией PS-1 наиболее эффективным и менее дорогим средством защиты напорного трубопровода является разрывная предохранительная мембрана.

Расчеты переходных процессов, возникающих на насосной станции PS-2, были выполнены для случая одновременного отключения трех основных насосных агрегатов. Результаты этих расчетов показали, что установка одного резервуара для впуска воды и десяти КВЗВ предохраняет трубопровод от образования глубокого вакуума (рис. 13 а, кривая 3'). Однако максимальное повышение давления в начале трубопровода (рис. 13 а, кривая 3), превысило рабочее в 1,55 раза. В данном случае необходимы дополнительные или другие средства для уменьшения давления при отключениях насосов. На основании сопоставительных расчетов при относительно больших геодезических высотах подъема воды было принято решение на расстоянии 2100 м от насосной станции дополнительно установить обратный клапан с КВЗВ. При таком расположении обратного клапана давление в трубопроводе не превышало рабочее (рис. 13 б, кривая 3), что позволяет применить трубы и установить трубопроводную арматуру на давление до 1,0 МПа. Для обоснования применения в качестве средства защиты от гидравлического удара резервуара для впуска воды или резервуара в сочетании с обратным клапаном, установленным на напорном трубопроводе, были проведены также расчеты переходных процессов с учетом использования разрывных предохранительных мембран.

Задачей расчетов также являлся выбор необходимого числа и мест установки мембран и клапанов для впуска и защемления воздуха - КВЗВ. Наши исследования показали, что при сбросе воды при разрушении мембраны максимальное повышение давления при переходном процессе произошло в точке, находящейся на расстоянии 1925 м от насосной станции и превысило рабочее в 1,60 раза (рис. 13 в, кривая 3). Давление у насосной станции превысило рабочее лишь в 1,06 раз. Объем воды, сброшенной через мембрану составил 152,8 м³, а максимальный расход воды через нее - 2,25 м³/с. Для предотвращения разрывов сплошности потока на основании сопоставительных расчетов было принято решение установить тринадцать КВЗВ. Диаметры клапанов были приняты такими, чтобы скорость воздуха при его впуске в трубопровод равнялась 50 м/с. В результате расчетов были определены значения расходов воздуха через КВЗВ при его впуске и получены необходимые диаметры КВЗВ и их количество (d=50…100 мм).

Установка одной разрывной мембраны и тринадцати КВЗВ предохраняет трубопровод от образования в нем кавитационных разрывов сплошности потока (рис. 13 в, кривая 3').

Проведенные расчеты переходных процессов для напорной системы водоподачи с насосной станцией PS-2 показали, что наиболее эффективным средством защиты напорного трубопровода от гидравлического удара является установка резервуара для впуска воды в сочетании с обратным клапаном, установленным на напорном трубопроводе.

Разработанные автором метод, алгоритм и программа для ЭВМ дают возможность расчета переходных процессов, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов, с учетом влияния характеристик резервуаров для впуска воды: коэффициента гидравлического сопротивления соединительной линии, площади зеркала воды, начального превышения уровня воды в резервуаре над осью трубопровода.

В шестой главе рассмотрены особенности структуры напорных систем, каждая из которых представляет комплекс насосных станций, трубопроводов и водопотребителей, связанных между собой, а также изложена методика проведения натурных исследований на насосных станциях, описана измерительная аппаратура и выполнены оценки точности измерений, приведены основные методы обработки экспериментальных данных.

В реальных условиях напорные системы водоподачи с насосными станциями, как правило, представляют собой систему разветвленных трубопроводов значительной протяженности с одной или несколькими точками питания (насосные станции) и несколькими точками отбора воды. Поскольку создать экспериментальную лабораторную установку, представляющую собой модель таких систем, весьма сложно, экспериментальные исследования были нами проведены в натурных условиях. Последние позволили проверить практическую приемлемость проводимых на напорных системах усовершенствований для обеспечения надежности и эффективности их работы. Кроме того, только на основании данных натурных исследований можно судить о достоверности результатов, полученных в лабораторных условиях или путем проведения расчетов.

Проведению исследований переходных процессов в напорных системах водоподачи предшествовало обследование тридцати насосных станций в России, Молдавии, Украине, Армении. Полученные при этом результаты подтвердили данные многолетней практики эксплуатации напорных систем водоподачи с насосными станциями: значительные аварии в трубопроводах происходят при переходных процессах, связанных с изменением режимов работы оросительной системы, аварийными отключениями электроэнергии и аварийными остановками основных насосных агрегатов.

Выбор объектов натурных исследований проводился с учетом наиболее полной укомплектованности насосных станций необходимым оборудованием и трубопроводной арматурой. На основании этого были выбраны насосные станции опытного участка Ерасхаунской базы института почвоведения и агрохимии Армении, насосные станции "Молдавия-5", НСП-1, НСП-23 и каскад головных насосных станций ГНС-1 и ГНС-2 на Рыбницкой оросительной системе в Молдавии и Южная водопроводная система г. Москвы и Московской области.

Эксперименты проводились с использованием современных методик для случаев одновременного отключения параллельно работающих насосных агрегатов (имитация аварийного отключения) и отключения одного из несколько параллельно работающих насосов (имитация планового отключения). В процессе проведения натурных экспериментов измерялись: частота вращения работающих насосных агрегатов; расход воды, подаваемый насосной станцией; давление на выходе из насоса; давление в напорном коллекторе или в начале напорного трубопровода; давление в трубопроводах оросительной сети; мощности электродвигателей насосов (сила тока), не только при переходных процессах, но и при стационарных режимах, предшествующих переходному процессу и установившемуся после него. Кроме того, для контроля необходимо было замерять значения: уровня воды в водоисточнике, давления на входе в насос, времени распространения ударных волн по длине трубопроводов. В главе приводятся данные о технических характеристиках использованной измерительной аппаратуры, а также результаты поверок и тарировки.

Выполнена оценка точности измерений параметров рассматриваемых гидравлических явлений. Оценка средних относительных погрешностей показала, что точность проводимых измерений была достаточной для того, чтобы считать последние достоверными.

В седьмой главе обсуждены результаты исследований характера протекания переходных процессов в насосных станциях, имеющих различные схемы внутристанционных напорных коммуникаций, оборудованных различными типами насосов, а также в каскадах последовательно работающих насосных станций без промежуточных емкостей, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов. Проведенные исследования позволили выявить средства, пригодные для снижения величины ударного давления в напорных коммуникациях. Равным образом были рассмотрены результаты натурных исследований переходных процессов, возникающих в напорных коммуникациях насосных станций ЗОС при отключениях насосных агрегатов.

Результаты экспериментальных исследований, выполненные нами на насосной станции "Молдавия-5", показали, что время полного закрытия обратного клапана, как для случаев отключения одного из параллельно работающих насосных агрегатов, так и для случаев одновременного отключения всех параллельно работающих насосов относительно невелико и изменяется в пределах от 0,5 с до 0,7 с. Однако к этому моменту времени скорость движения воды в напорной линии насоса уже изменяла свое направление. Уменьшение скорости в напорной линии до нуля происходило весьма быстро: за время 0,13-0,37 с с момента отключения насосного агрегата. Такое незначительное время объясняется небольшой длиной напорной линии и большим отношением площади сечения коллектора к площади сечения напорной линии. Таким образом, к моменту полного закрытия обратного клапана скорость движения воды в напорной линии была уже такова, что ее гашение приводило к значительному повышению давления непосредственно за обратным клапаном (~ в 1,3 раза). Кроме того, быстрое, закрытие обратного клапана сопровождалось механическими ударами тарели клапана о седло. Максимальное давление в магистрали было значительно меньше, чем в напорной линии насоса. Это объясняется коллекторной схемой напорных коммуникаций данной насосной станции. В месте присоединения напорной линии насоса с коллектором происходило отражение волн вследствие различной величины диаметров труб коллектора и напорной линии.

Эксперименты показали, что предотвратить резкие повышения давления в напорных линиях основных насосов при отключениях насосных агрегатов, ускорив закрытие тарели обратного клапана специальными устройствами или осуществив сброс воды из напорной линии насоса через сбросные предохранительные устройства помимо насоса, практически невозможно, поскольку срабатывание сбросных устройств, как правило, будет происходить с запаздыванием. Например, время срабатывания предохранительно-сбросного устройства ПСУ-100 составляет 0,8-1,0 с. В связи с тем, что время увеличения давления при закрытии тарелей обычных обратных клапанов может быть меньше времени срабатывания сбросных устройств, последние не смогут во многих случаях (в особенности при плановых отключениях) обеспечить своевременного снижения давления.

В насосных станциях, работающих в автоматическом режиме, плановые отключения (отключения одного насоса при параллельной работе нескольких) происходят достаточно часто, что может привести к быстрому выходу из строя обратных клапанов. В связи с тем, что на автоматизированных насосных станциях пуски и остановки насосных агрегатов предусмотрены обратные клапаны, к их надежной работе необходимо, предъявлять повышенные требования. Для автоматизации технологических процессов на насосных станциях ЗОС, как правило, предусматривается установка ВВР. Исследования влияния ВВР объемом 10 м³ на протекание переходных процессов в напорных коммуникациях при отключениях основных насосных агрегатов проводились на насосной станции "Молдавия-5".

Результаты экспериментов с присоединенным водовоздушным резервуаром показали, что принятая схема подключения резервуара не ликвидировала гидравлические удары. В этих случаях в связи с тем, что давление в резервуаре и, соответственно, в начале трубопровода уменьшалось медленнее, изменение направления движения воды в напорной линии происходило быстрее, чем при отсоединенном резервуаре. Это вызывало развитие большей величины гасимой скорости потока воды в обратном направлении, что приводило к увеличению давления в напорных линиях насосов. Поэтому для снижения давления, наиболее целесообразно применять ограниченный сброс воды через насосы, для чего могут использоваться: обратные клапаны с регулируемым закрытием; автоматически закрывающаяся запорная арматура с гидроприводом и обычные обратные клапаны с обводными линиями меньшего диаметра с установкой на них запорной арматуры. Для установления возможности и эффективности сброса вода через насосы для уменьшения давления в напорных линиях при переходных процессах, а также для определения гидравлического сопротивления обводной линии были, проведены экспериментальные исследования на Ерасхаунской насосной станции и на насосной станции НСП-1. Обратный клапан диаметром 200 мм основного насоса на Ерасхаунской насосной станции был оборудован обводной линией диаметром 50 мм (1/4 диаметра напорной линии). На насосной станции НСП-1 обратные клапаны диаметром 300 мм всех основных насосов были оборудованы обводными линиями диаметром 100 мм (1/3 диаметра напорной линии), диаметр обводной линии в этом случае был принят заведомо большим, для того, чтобы иметь возможность, изменяя степень открытия задвижки на ней, подобрать необходимую величину гидравлического сопротивлений обводной линии.

На рисунке 14 представлены результаты экспериментов, проведенных на Ерасхаунской насосной станции, для следующих случаев: отключение одного из двух параллельно работающих насосных агрегатов при закрытом вентиле на обводной линии (отсутствие сброса вода); отключение одного из двух параллельно работающих насосных агрегатов при полностью открытом вентиле на обводной линии.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при переходных процессах, возникающих при отключениях насосных агрегатов, в напорных линиях насосов имели место практически мгновенные повышения давления за обратным клапаном и механические удары тарели клапана. Повышение давления являлось результатом срабатывания клапана обычной конструкции, то есть с верхней или с эксцентричной подвеской тарели, установленного на напорной линии насоса. В то время как его закрытие происходило за время 0,6-1,1 с после отключения насосного агрегата, направление движения потока воды в напорной линии изменялось за 0,1-0,6 с.

На рисунках 15 и 16 представлены зависимости lg-t/T_a, v/v₀-t/T_a (рис. 15) и lg_t/t₃ (рис. 16), построенные по результатам экспериментов, где - коэффициент гидравлического сопротивления обратного клапана; t - время с момента отключения насосного агрегата; t₃ - время полного закрытия тарели обратного клапана; T_a= постоянная инерция агрегата; v и v₀ - скорости движения потока воды в напорной линии насоса, соответственно, при стационарном и переходном режимах.

Как видно из рисунка 15, время, в течение которого происходит изменение направления движения потока воды в напорной линии насоса, в ~ 1,4-1,9 раза меньше времени с момента отключения насосного агрегата до полного закрытия обратного клапана. При этом в отдельных случаях (Ерасхаунская насосная станция - клапан с эксцентричной подвеской тарели) время движения тарели составляет только ~ 0,15 от этого времени (рис. 16). Запаздывание закрытия клапана приводило к возрастанию скорости потока в обратном направлении, гашение которой при резком закрытии тарели сопровождалось значительным повышением давления.

Экспериментальные исследования по определению гидравлического сопротивления обводной линии, проведенные на насосной станции НСП-1, позволили установить, что при ограниченном сбросе воды через насосы по обводным линиям их диаметр практически следует принимать равным 1/3,5-1/4 диаметра напорной линии насоса. Результаты экспериментов, проведенных на Ерасхаунской насосной станции и насосной станции НСП-1, показали, что ограниченный сброс воды из напорных линий через насосы по обводным линиям является надежным способом защиты напорных коммуникаций и установленного на них оборудования насосных станций ЗОС от недопустимого повышения давления при переходных процессах. Так, например, на Ерасхаунской насосной станции сброс воды по обводной линии позволил снизить давление за обратным клапаном в ~ 1,25 раза, а на насосной станции НСП-1 в отдельных случаях в ~ 1,6 раза. Поскольку максимальное повышение давления происходило через небольшой промежуток времени после отключения насосов, ограниченный сброс воды через насос не вызывал реверсивного вращения ротора насосного агрегата. Сброс веды существенно не влиял на изменение давления в магистрали.

Одной из задач экспериментальных исследований являлось определение одной из важнейших характеристик неустановившегося движения жидкости - скорости распространения волн изменения давления.

Проведенные эксперименты показали, что скорость распространения волн изменения давления вдоль трубопровода около насосной станции не остается неизменной. При этом скорость распространения волн изменения давления в напорных коммуникациях исследуемых насосных станций была в 1,1…1,7 раза меньше, чем в трубопроводах оросительных сетей вблизи станций.

В главе приводятся результаты натурных исследований переходных процессов, возникающих при отключениях и пусках агрегатов при подключенном и отключенном от напорного трубопровода ВВР.

При отключении насосного агрегата влияние ВВР проявилось следующим образом. Время начала закрытия диска обратного клапана уменьшилось при присоединенном ВВР по сравнению со случаем, когда ВВР отключен с 0,25 с до 0,2 с; время уменьшения скорости движения воды до нуля - с 0,71 с до 0,6 с; время полного закрытия диска обратного клапана - с 0,87 до 0,82 с; то есть изменение всех перечисленных величин при подключенном ВВР происходило более быстро, чем при отключенном ВВР. Гашение большей скорости движения потока воды, образовавшегося в обратном направлении при закрытии тарели обратного клапана при отключенном ВВР к возрастанию давления до 0,87 МПа, по сравнению с 0,54 МПа.

Таким образом, при установке обычных обратных клапанов на напорных линиях насосов влияние ВВР на переходные процессы в напорных коммуникациях насосных станций ЗОС может быть даже отрицательным. Для уменьшения давления в напорных линиях насосов необходимо часть воды сбрасывать через насосы. В настоящее время в России для этой цели в разработаны и выпускаются промышленностью обратные клапаны с регулируемым закрытием, которое осуществляется в начальной стадии достаточно быстро, а в конце медленно. При отсутствии обратных клапанов с регулируемым закрытием для сброса воды можно оборудовать обводными линиями обычные обратные клапаны.

При отключенном ВВР частота вращения увеличивалась вначале достаточно быстро - через 0,2 с достигала величины 1200 мин^-1 (скольжение 0,2), после чего увеличение частоты до номинальной происходило только через 2 мин., то есть тогда, когда весь воздух был удален из системы. При присоединенном ВВР частота вращения достигала номинальной уже через 1,4 с после пуска. Присоединение ВВР также уменьшало при пуске насосного агрегата колебание давления, которое имело место вследствие наличия воздуха в системе. Величина a в напорных коммуникациях вследствие наличия воздуха была ~ в 4 раза меньше чем в трубопроводах закрытой оросительной сети (230-270 м/с по сравнению с 970-1020 м/с).

На рисунках 17 и 18 показаны кривые изменения давления в напорной линии за обратным клапаном 1, угла открытия диска клапана 2, скорости движения воды в напорной линии 3, частоты вращения 4. Следует отметить, что кривая 1 получена с помощью реостатного датчика давления, кривая 2 с помощью специального датчика угла поворота, кривая 4 - с помощью специального датчика оборотов, а кривая 3 - в соответствии с подачей насоса, определенной косвенным путем по напорной характеристике насоса в зависимости от напора и частоты вращения. Также показаны кривые 1', 2', 3', 4', полученные расчетом. Изменение частоты вращения, полученное расчетом, практически совпадает с экспериментальным. При сопоставлении рисунка 17 и рисунка 18 очевидно, что при подключенном ВВР направление потока изменяется быстрее, что приводит к повышению давления 0,82 МПа по сравнению с 0,55 МПа. Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов показало их вполне удовлетворительное совпадение, что дает основание сделать заключение о возможности обоснованного использования методики расчета переходных процессов для рассматриваемых случаев.

Одновременно результаты экспериментов и расчетов подтвердили, что установка обычных обратных клапанов на напорных линиях насосов может привести к существенному повышению давления в этих линиях при отключениях насосов на открытые задвижки, причем использование ВВР лишь еще более увеличивает давление. Для возможности предварительной оценки влияния ВВР на переходные процессы был составлен график, показанный на рисунке 19.

Экспериментальные исследования по обоснованию применения предохранительных сбросных устройств для защиты трубопроводов оросительных сетей проводились на Рыбницкой оросительной системе в Приднестровье. Подача вода в этой ЗОС осуществлялась насосной станцией № 23, на которой были установлены две группы насосов, от которых вода подавалась в низконапорную и высоконапорную зоны. Для экспериментов, во избежание повреждений сети, использовалась низконапорная зона. Закрытая оросительная сеть была проложена в основном из асбестоцементных труб диаметром: 400, 300, 200 мм. Напорный трубопровод - стальной диаметром 500 мм. При проведении экспериментов изменение режима работы ЗОС достигалось отключением обоих работающих ДМ "Фрегат" или одной из них при подключении и отключении ПСУ-100.

В тексте главы также рассмотрены результаты пяти наиболее характерных экспериментов, проведенных для случаев: отключение ДМ №4 при работе ДМ № 4 и 5 при отключенном ПСУ-100, отключение ДМ № 5 при работе ДМ № 4 и 5 при отключенной ПСУ-100, отключение ДМ №№ 4 и 5 при работе ДМ №№ 4 и 5 при подключенной ПСУ-100, отключение ДМ № 4 -при работе ДМ № 4 и 5 при подключенном ПСУ-100 и отключение обоих ДМ при подключенном ПСУ-100. Режим закрытия задвижки на гидранте ДМ был принят равномерным; закрытие за 22 сек, ПСУ-100 были настроены на давление 0,6 и 0,55 МПа. При работе обоих ДМ "Фрегат" расход насоса составил 76 л/с, а напор на гидранте ДМ № 4 - 53,0 м и на гидранте ДМ № 5-46,5 м

На рисунке 20 приведены результаты эксперимента, которые выполнялись для случая одновременного отключения ДМ №4 и №5. При проведении этих экспериментов оба ПСУ срабатывали. Открытие ПСУ у ДМ № 4 происходило в момент времени t=19,4 с, после чего давление от 0,6 МПа понизилось до 0,31 МПа (t=20 с). Далее, несмотря на сброс воды, давление повысилось до 0,73 МПа (t=21,5 с), после чего, имело место его понижение до 0,52 МПа (t=22,9 с), затем повышение до 0,69 МПа (t=23,9 с), далее процесс колебаний давлений затухал. ПСУ у ДМ № 5 сработало в момент времени t=20,3 с при давлении 0,57 МПа, то есть несколько меньшем давления, на которое оно было настроено, далее давление понизилось до 0,29 МПа (t=21,5 с), затем повысилось до 0,59 МПа (t=23 с), после чего процесс колебаний давления затухал. В данном случае при сбросе воды через ПСУ давление у ДМ №4 повысилось сверх рабочего на 0,73-0,53=0,2 МПа, а у ДМ № 5 на 0,59 - 0,465=0,125 МПа. Таким образом, проведенные эксперименты показали невысокую эффективность действия ПСУ.

На рисунках 4…5, 20 приводятся результаты соответствующего расчета, выполненного с использование методики, разработанной автором. Их сопоставление с результатами экспериментов показывает хорошую сходимость, чем была подтверждена достоверность результатов полученных расчетами, выполненными по усовершенствованной методике.

Целью исследований переходных процессов в напорных системах водоподачи на каскадах насосных станций являлось экспериментальная проверка эффективности средств защиты от гидравлических ударов при последовательной работе насосных станций по схеме «насос в насос». Кроме того, результаты экспериментов послужили проверкой достоверности расчетов переходных процессов, выполненных в соответствии с разработанной методикой.

Для натурных исследований был принят каскад головных насосных станций ГНС-1 и ГНС-2 Рыбницкой оросительной системы в Молдове. Для защиты трубопроводов насосной станции I подъема от гидравлических ударов и насосных агрегатов от опасного и продолжительного реверса при обесточивании двигателей на напорных линиях насосов на насосной станции ГНС-1 были установлены обратные клапаны диаметром Д_у=1000 мм с обводными линиями диаметром 300 мм, оборудованными кольцевыми задвижками. В конце напорных трубопроводов насосной станции ГНС-1 (на всасывающих линиях насосной станции ГНС-2) установлены водонапорные колонны высотой 10 м, обеспечивающие защиту трубопроводов ГНС-1 при отключении основных насосов на ГНС-2. На каждой напорной линии насосов насосной станции ГНС-2 были установлены обратные клапаны диаметром Д_у=800 мм с обводными линиями диаметром 150 мм, оборудованными задвижками.

На напорных трубопроводах насосной станции ГНС-2 на расстоянии 200 м от станции были установлены КВЗВ диаметром 600 мм. Проверка эффективности применения средств защиты от гидравлического удара при последовательной работе насосных станций проводилась для случая автоматического отключения ГНС-2 после отключения ГНС-1. На системе предусматривалось отключение насосной станции ГНС-2 через 0,3 с после отключения насосной станции ГНС-1. Как видно из рисунка 10 на ГНС-1 закрытие обратного клапана начиналось через 1 с после отключения насоса, и полное закрытие происходило через 3 с (кривая 3). Максимальное давление в напорной линии насоса составило 0,93 МПа (кривая 1), то есть превысило рабочее 0,8 МПа в 1,16 раза. Время, соответствующее максимальному повышению давления, практически совпало со временем полного закрытия тарели обратного клапана. Частота вращения ротора насосного агрегата в момент полного закрытия тарели обратного клапана равнялась 430 мин^-1 (кривая 2), что составляло 0,6 от номинальной n₀₌750 мин^-1. Остановка ротора произошла через 9 с после отключения насосного агрегата, а через 15 с реверс достигал 225 мин^-1. Однако после закрытия кольцевой задвижки на обводной линии обратного клапана, то есть после прекращения сброса воды через насос, реверс начинал уменьшаться.

На ГНС-2 закрытие обратного клапана началось через 1,2 с после отключения насоса, и полное закрытие произошло через 3,2 с (кривая 3, рис. 11). Максимальное повышение давления в напорной линии насоса имело место через 4,5 с после отключения насоса и равнялось 0,88 МПа (кривая 1, рис. 11). Частота вращения ротора насосного агрегата в момент полного закрытия тарели обратного клапана равнялась 394 мин^-1 (кривая 2, рис. 11). Остановка ротора произошла через 8 с после отключения насосного агрегата, а через 15 с реверс достигал 375 мин^-1. Но после закрытия задвижки на обводной линии обратного клапана (прекращался сброс воды через насос) реверс уменьшался.

Анализ полученных результатов исследований показал, что давление в трубопроводах насосных станций как I, так и II подъемов практически не превышало рабочее, то есть проведенные испытания подтвердили эффективность средств защиты от гидравлического удара последовательно работающих насосных станций по схеме «насос в насос».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ