Стабилизаторы давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТАБИЛИЗАТОРЫ ДАВЛЕНИЯ

Стабилизаторы давления. Одним из требований нормативных документов: Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ. М.: СПО ОРГРЭС, 2003 г., 2.04.07-86*, СНиП "Тепловые сети", способствующих повышению надежности и безопасности работы оборудования энергосистем, является требование о необходимости выполнения комплексной защиты оборудования системы теплоснабжения от недопустимых изменений давлений в переходных и послеаварийных гидравлических режимах.

Неустановившийся гидравлический режим, определяющий переход гидравлической системы из одного стационарного состояния в другое (например, к послеаварийному режиму), называется переходным гидравлическим режимом.

В зависимости от инерционных свойств трубопроводной системы и характеристик возмущающего воздействия переходные гидравлические режимы могут иметь характер гидравлического удара или квазистационарного режима. Гидравлические удары характеризуются существенными значениями мгновенных давлений и вызываются, как правило, аварийным отключением (включением) под нагрузкой сетевых и перекачивающих насосных агрегатов, несанкционированным закрытием (открытием) запорно-регулирующей арматуры, быстрыми разрывами теплопроводов, обусловливающими снижение давления в отдельных точках системы теплоснабжения до давления вскипания. Квазистационарные режимы имеют монотонный характер и вызываются длительными возмущениями, например, плановым закрытием головных задвижек при отключении магистралей. В этих режимах опасность, как правило, может представлять конечное давление.

Основополагающие предпосылки методик расчета переходных гидравлических процессов были разработаны еще Н.Е. Жуковским и развиты многими отечественными и зарубежными учеными.

Исследованиям переходных гидравлических режимов в системах теплоснабжения и средствам защиты оборудования систем теплоснабжения посвящены работы Громова Б.Н., Свинухова Б.И., Сидлера В.Г., Лаврентьева В.Л.

В указанных работах подробно изложены методы расчета переходных гидравлических режимов, приведены результаты расчетного и экспериментального исследования переходных гидравлических режимов, показана адекватность используемых методик расчета реальным физическим процессам. гидроудар стабилизатор давление пульсация

Для систем теплоснабжения по сравнению с другими системами транспорта жидкости имеет место значительная разница допустимых давлений для различного оборудования систем теплоснабжения. При этом наименьшее допустимое давление характерно для зависимоприсоединенных отопительных установок - не выше 0,6 МПа. Аварийные отключения сетевых насосов, как правило, обусловливают повышение давления в обратных теплопроводах, недопустимое для зависимоприсоединенных отопительных установок теплопотребителей. Как следствие, разрывы отопительных приборов вызывают большие материальные ущербы и серьезные социальные проблемы. Кроме того, возможны разрушения сетевых подогревателей и встроенных теплофикационных пучков в конденсаторах.

Помимо повышения давления для оборудования системы теплоснабжения представляют опасность резкое снижение давления до давления вскипания теплоносителя и возможность возникновения последующей нестационарной (быстрой) конденсации, сопровождающейся значительным локальным увеличением давления. Наиболее часто встречающаяся аварийная ситуация такого рода - вскипание теплоносителя за водогрейными котлами источников тепла при отключении сетевых насосов и последующая нестационарная конденсация (конденсационные удары) при повторном пуске сетевых насосов или включении резервного насоса. При этом возможны разрушения подающих теплопроводов, ожоговый травматизм персонала. Кроме того, существенную опасность представляет снижение давления в переходных гидравлических режимах на всасывающих патрубках сетевых насосов до давления кавитации. Срыв в работе сетевого насоса и последующий выход из режима кавитации сетевого насоса обусловливает резкий рост давления, которое, распространяясь по системе теплоснабжения со скоростью звука, может вызвать разрушение теплопроводов. Подобные режимы были зафиксированы в некоторых системах теплоснабжения.

Возможность возникновения неустановившихся гидравлических режимов, сопровождающихся недопустимыми давлениями по условиям прочности оборудования, обусловливает необходимость применения методов защиты в указанных режимах. Для защиты оборудования систем теплоснабжения разработаны и используются различные противоударные устройства и мероприятия. Наибольшее применение нашли быстродействующие сбросные устройства: гидрозатворы-переливы, быстродействующие сбросные клапаны, мембрано-предохранительные устройства.

Выбор защитных устройств и мероприятий в системах теплоснабжения необходимо осуществлять на основе расчетных данных и (или) экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования систем централизованного теплоснабжения.

Защита оборудования в технологически и гидравлически единой системе теплоснабжения должна быть комплексной для того, чтобы предотвратить возникновение недопустимых давлений на оборудовании всех элементов системы теплоснабжения (источника тепла, тепловых сетей, систем теплопотребления) и учесть взаимовлияние средств защиты, установленных в различных точках системы теплоснабжения. Следует отметить, что вопросы защиты оборудования систем теплоснабжения от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах должны решаться, особенно для источников тепла, совместно с вопросами нарушения электроснабжения электродвигателей сетевых насосов и анализа соответствующих систем защиты в схемах электроснабжения источника тепла. Внедрение противоударных устройств, требует внесения изменений в существующие схемы защиты и автоматизации источников тепла и насосных станций (например, использование автоматики включения резерва (АВР) сетевых насосов, уставки защиты минимального напряжения на отключение электродвигателей сетевых насосов, изменение схем рассечки тепловых сетей на гидравлически изолированные зоны и др.).

Отдельно следует рассмотреть вопрос о внедрении средств защиты без предварительного обоснования (расчетного или экспериментального) системы защит и определения требований к конструктивным параметрам и настройке противоударных устройств. Выбранные неверно средства защиты либо просто не обеспечивают защиту оборудования системы теплоснабжения в аварийных переходных гидравлических режимах, либо могут привести к развитию аварии. Необходимо принять во внимание, что установка сбросного устройства должна не только обеспечивать защиту теплопотребляющих установок в аварийных переходных гидравлических режимах, но также не усугубить аварийную ситуацию при частичном отключении сетевых насосов источника тепла. Так, например, при аварийном отключении сетевых насосов первой ступени и срабатывании сбросного устройства (гидрозатвора) произойдет снижение давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов второй степени ТЭЦ. В случае снижения давления до уровня кавитации сетевых насосов второй ступени может возникнуть срыв в работе сетевых насосов с последующим снижением давления в подающем коллекторе ТЭЦ и на водогрейных котлах. Это в свою очередь может вызвать вскипание высокотемпературной сетевой воды. При выходе сетевых насосов из режима кавитации, либо срабатывании электрических защит (АВР) из-за аварийного отключения сетевых насосов (первоначальное возмущение) возможно возникновение нестационарной конденсации с последующим развитием аварии. Причем время прохождения этих процессов составляет не более 10-20с.

Таким образом, выбор защитных устройств и мероприятий при аварийных переходных гидравлических режимах в системах теплоснабжения необходимо базировать на данных расчетного и (или) экспериментального исследования переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования систем теплоснабжения.

В процессе эксплуатации трубопроводных систем неизбежно возникают волновые явления различной природы (провалы давления и гидравлические удары, вынужденные колебания давления, автоколебания, резонансные явления и т.д.), а также связанные с ними вибрационные процессы.

Возникновение и высокоскоростное распространение волн повышенного давления (около 1300 м/с), в несколько раз превышающего рабочее давление, часто носит характер гидравлического удара. В результате возникновения гидравлического удара, как правило, происходит порывы в наиболее ослабленных местах трубопроводной системы, которая вследствие износа неспособна выдержать динамические нагрузки ударного характера.

Гидроудары, колебания и пульсации давления, повышенная вибрация трубопроводов многократно повышают скорость внутренних коррозионных процессов, способствуют накоплению усталостных микротрещин в металле, особенно в местах концентрации напряжений (сварные швы, царапины, задиры, заводские дефекты и др.) и являются основным фоном возникновения аварийных ситуаций.

Причинами возникновения гидроударов, пульсаций давления и повышенных уровней вибраций являются:

· короткие замыкания и провалы энергоснабжения, аварийные отключения электропитания работающих насосных агрегатов;

· срабатывание обратных клапанов, быстрое закрытие или открытие предохранительной или запорно-регулирующей арматуры;

· сбои автоматизированных систем управления технологическими процессами, ложные срабатывания технологических защит;

· периодические остановки, повторные пуски, а также коммутационные переключения насосов;

· ошибочные действия обслуживающего персонала и т.п.

Согласно эксплуатационному опыту причинами разрушения трубопроводов в 60 % случаев являются гидроудары, перепады давления и вибрации, около 25 % приходится на коррозионные процессы, 15 % - на природные явления и форс-мажорные обстоятельства.

Назначение технологии волновой стабилизации давления:

· обеспечение безаварийной эксплуатации трубопроводных систем и оборудования путем гашения до безопасного уровня амплитуд гидроударов, колебаний давления, вибраций и резонансных явлений;

· полное исключение крупных аварийных разрывов трубопроводов, выхода из строя арматуры и насосных агрегатов по причинам гидроударов, пульсаций давления и вибраций;

· увеличение коррозионно-усталостной долговечности труб за счёт снижения до необходимого уровня амплитудно-частотных характеристик пульсаций давления на рабочих частотах насосных агрегатов и при переходных режимах;

· продление эксплуатационного ресурса даже сильно изношенных трубопроводов за счет снижения динамических и циклических нагрузок (на 50-70 % с учётом накопленного износа и реальных условий эксплуатации).

Сложившееся положение с высокой степенью износа коммунальных сетей связано с отсутствием в тепловых сетях надежных и высокоэффективных средств защиты от гидроударов и пульсаций давления, хотя их установка и предусмотрена нормативными документами: СНиП, РД, ПТЭ. Для борьбы с этими негативными явлениями, как правило, используются такие технологии как клапаны сброса рабочей среды, разрывные мембраны, а также гидрозатворы-переливы, системы частотного регулирования приводов насосных агрегатов и стабилизаторы давления.

Использование стабилизаторов давления в качестве средств противоаварийной защиты обеспечивает полное гашение или снижение до безопасного уровня амплитуд гидроударов, колебаний давления и связанных с ними вибраций трубопроводов, при этом полностью устраняются аварийные ситуации с разрывами труб от внутрисистемных возмущений транспортируемой среды, а общая аварийность трубопроводов и оборудования снижается на 85 %.

Внешний вид стабилизаторов давления представлен на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 - внешний вид стабилизатора давления СДУ 16-1200

Рисунок 2 - внешний вид стабилизатора давления СДК 1000

Стабилизаторы давления обладают минимальными массогабаритными характеристиками. Они технологичны в изготовлении, энергонезависимы, обладают мгновенным быстродействием (не более 0,005 сек.), не создают дополнительного гидросопротивления и не требуют технического обслуживания в процессе эксплуатации, легко монтируются в трубопровод. Отличительной особенностью стабилизаторов давления является то, что данные устройства одинаково эффективно гасят гидроудары, волновые и вибрационные процессы как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы, реагируя как на провалы давления, так и на гидравлические удары.

Как же изменяются значения напора, скорости и избыточного давления транспортируемой среды в момент гидроудара при использовании стабилизатора давления? Ответ на этот вопрос дают рисунки 3, 4 и 5.

Рисунок 3 - результат расчета гидроудара в трубопроводе без средств противоаварийной защиты

Рисунок 4 - результат расчета гидроудара в трубопроводе со стабилизатором давления объемом 7,5 м³

Рисунок 5 - результат расчета гидроудара в трубопроводе со стабилизатором давления объемом 31 м³

Из этих рисунков также видна зависимость эффективности работы стабилизаторов давления от их объема.

Стабилизаторы давления применяются в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1400 мм с рабочим давлением до 25 МПа и температурой транспортируемой среды до 250 ⁰С. Гашение пульсаций давления и вибраций осуществляется за счет диссипативного и упругодемпфирующего воздействия на геометрию потока транспортируемой среды. Строение стабилизатора давления представлено на рисунке 1.

Рисунок 6 - строение стабилизатора давления

Практические результаты использования стабилизаторов давления:

· снижение аварийности трубопроводов и оборудования на 30-40 %;

· продление срока эксплуатации даже сильно изношенных трубопроводных систем в 1,5-2 раза от остаточного ресурса;

· сокращение прямых и косвенных затрат на аварийно-восстановительные работы;

· снижение эксплуатационных затрат трубопроводных систем;

· обеспечение ремонтов трубопроводных систем в планово-предупредительном режиме.

Можно привести конкретный пример использования стабилизаторов давления для Синарских теплосетей (ЦТП-3, г. Каменск-Уральский).

Гидросистема ЦТП-3 состоит из двух насосных групп с насосами типа 200Д-60, СЭ 800-55, Д 320-50 и Д 800-57 с подачей 320, 600 и 800 м ³/ч. Одновременно работают три насоса. Давление во входных коллекторах насосных групп во время проведения испытаний составляло 3 бара, а в напорных - 6,5 бар. Насосная группа, повышающая давление в прямом трубопроводе, оборудована обратными клапанами и ручными задвижками. В рамках проекта были установлены 2 стабилизатора давления СДт-16-300 и СДт-16-400.

По результатам испытаний СД обеспечивают полное гашение высокочастотных колебаний давления на насосной частоте. В переходном режиме работы насосов размах возникающих колебаний давления сетевой воды в напорном коллекторе уменьшается в 6 раз.

При эксплуатации в течение двух отопительных сезонов не было зафиксировано ни одной аварии (ранее от 5 до 8), несмотря на имевшие место случаи резкого изменения давления. Использование стабилизаторов давления позволило высвободить финансовые и материальные средства, ранее затрачиваемые на ликвидацию аварий, и направить их на модернизацию трубопроводной инфраструктуры предприятия.

Размещено на Allbest.ru