Размещено на http://www.allbest.ru/

Вероятность гидравлического удара в системе теплоснабжения, причины и последствия

Введение

Явление гидравлического удара (ГУ) в трубах водяных систем теплоснабжения хорошо известно как наиболее разрушительная по своим последствиям разновидность неустановившегося движения сетевой воды волнового характера. ГУ - это резкое изменение (увеличение или снижение) давления в трубах тепловой сети (ТС) и подключенным к ней приборам отопления. От силы ГУ (величины скачка давления) напрямую зависят его последствия: от незначительных повреждений до многометровых раскрытий стальных трубопроводов ТС и массового выхода из строя нагревательных приборов, требующих значительных материальных и трудовых затрат на восстановительные работы.

Причинами, вызывающими ГУ, могут быть:

? включение сетевого насоса при неправильно собранной его тепловой схеме;

? неверное маневрирование задвижками;

? отключение или включение крупного потребителя, повлекшее скачкообразное изменение давления;

? снижение давления в системе ниже уровня расчетного статического давления, вызвавшее вскипание (фазовый переход) теплоносителя в верхних точках системы;

? перерыв в электропитании насосной установки с последующим ее самозапуском или срабатывание АВР насосов с большим запаздыванием по времени;

? ошибочные действия обслуживающего персонала или несанкционированное вмешательство в работу системы посторонних лиц;

? дефекты системы и другие причины, приведшие к резкому изменению давления сетевой воды в системе теплоснабжения.

При анализе потока отказов ТС должны выявляться факты ГУ, их причины, приниматься меры по исключению их повторения. Предотвращение причин возникновения ГУ в трубопроводах ТС - это основная задача повышения надежности систем теплоснабжения.

С точки зрения физики ГУ представляет необратимый вынужденный колебательный процесс, имеющий одну степень свободы ввиду значительного превышения длины трубопровода над его диаметром. С точки зрения термодинамики водяная ТС является гомогенной термодинамической системой со своими параметрами состояния. Скорость распространения ГУ в трубопроводе ТС приблизительно равна скорости звука в сетевой воде. Скорость распространения ГУ определяется по формуле Н.Е. Жуковского

Скорость распространения ГУ обратно пропорциональна диаметру трубопровода, зависит от толщины его стенок и параметров теплоносителя. Например, для стального трубопровода диаметром 57x4 мм скорость распространения ГУ в сетевой воде составляет 1355 м/с, а для трубопровода диаметром 1020x12 мм - 1060 м/с при тех же параметрах.

В теории ГУ за единицу времени принимают время «фазы удара», т.е. удвоенный промежуток времени пробега по трубопроводу ударной волной:

Течение жидкости при ГУ можно описать системой из 2-х волновых уравнений, описанных в[1].

Примеры возникновения ГУ

гидравлический удар трубопровод насосный

1. Рассмотрим пример ошибочного включения сетевого насоса типа СЭ-1250-140 при открытой напорной задвижке на магистраль D_у 500 мм, протяженностью 8 км. Магистраль заполнена водой и находится под расчетным статическим давлением 20 м вод. ст. Насос оснащен системой плавного пуска (ЧРП). Время разворота насоса до номинальной производительности 1200 м³/ч составляет 30 с. Оценим последствие воздействия на ТС при таком включении насоса.

Время распространения ГУ в трубопроводе ТС составит: T=L/a = 8000/1125=7,1 (c). Фаза удара составит:

Время разворота насоса до номинальных оборотов, составляющее около 30 с, больше времени «фазы удара». В этом случае имеет место «непрямой» ГУ в трубопроводе теплосети. Ударное воздействие напора в конце трубопровода в этом случае рассчитывается по формуле:

Подставив значения параметров в формулу (3), получим ; Н=32,7 м, это свидетельствует, что ГУ не вызовет разрушений трубопровода и арматуры, рассчитанных на 1,6 МПа, а также не повредит подключенных приборов отопления, рассчитанных на давление 0,5-0,6 МПа.

2. Рассмотрим случай пуска того же насоса типа СЭ-1250-140, не оснащенного системой плавного пуска, на ту же магистраль D_у 500 мм. Время разворота насосной установки до номинальной производительности составляет около 5 с. В этом случае ГУ называется «прямым» ударом, т.к. время разворота насоса меньше времени «фазы удара». Проведя расчет, аналогичный предыдущему, получим результат: Н = 353,8 м или 3,54 МПа, что свидетельствуето ГУ, который вызовет разрушения трубопровода и приведет к массовому повреждению отопительных приборов систем отопления потребителей.

3. Для наглядности и полноты представления возможных последствий ГУ рассмотрим еще один пример - это случай несанкционированного закрытия секционирующей запорной арматуры на магистрали D_у 500 мм как и в выше приведенном примере ТС. Для случая внезапного (время закрытия арматуры менее «фазы удара») прекращения движения сетевой воды по трубопроводу, движущейся со скоростью 1,7 м/с при расходе 1200 м³/ч, ударное воздействие потока (изменение напора) на стенки трубопровода рассчитывается по формуле Н.Е. Жуковского для прямого удара, м: ленных сетевых насосов; 0,633 - длительность отопительного периода для Вологодской обл.

Учитывая, что для стальных трубопроводов скорость распространения волны a приблизительно равно 1000 м/с, можно принять:

Внезапная принудительная остановка циркуляции в тепловой сети, вызванная закрытием секционной арматуры, приведет в данном примере к скачку давления на 1,7 МПа, что повлечет за собой самые серьезные последствия для трубопровода и отопительных приборов ТС.

Оценка вероятности возникновения ГУ

Как оценить вероятность возникновения ГУ в трубопроводах системы теплоснабжения? Эта вероятность равна произведению вероятностей событий возникновения причин, которые могут вызвать ГУ. Таких причин достаточно много и они перечислялись выше. Может происходить совпадение во времени 2-х или нескольких причин, способных привести к возникновению ГУ, но математическое ожидание случайных совпадений этих событий слишком мало. Большая вероятность возникновения одного из числа возможных событий, способного явиться причиной возникновения ГУ. В этом случае возникает необходимость ранжирования вероятных причин (событий) и выделения наиболее значимых. Рассмотрим вероятность включения центробежного сетевого насоса на открытую напорную задвижку, которая достаточно велика ввиду необходимости частого перехода по насосам (например, не менее 1 раза в месяц по графику) или по другим причинам. Воспользуемся методикой расчета вероятностей аварийных ситуаций на насосных подстанциях [2]. Эта вероятность может быть рассчитана по формуле:

где n = 1 - случай ошибочного включения сетевого насоса на открытую напорную задвижку; t=2 - число лет наблюдения; N = 3 - число установ-

Полученный результат вероятности ошибочных действий обслуживающего персонала в 2 раза превышает параметр потока отказов и поражает величиной значения вероятности возможной аварийной ситуации, т.е. почти в каждый отопительный сезон имеет место случай вероятного включения сетевого насоса на открытую напорную задвижку со всеми вытекающими последствиями. Зачастую случаи гидроударов выявить достаточно сложно по целому ряду причин, о которых в данной статье не идет речь, но они могут быть оценены специалистами для конкретной ТС и специфики ее эксплуатации.

Выводы

1. Многие случаи появления неплотностей в ТС могут быть следствием ударного воздействия среды (увеличения или снижения) на ее элементы, причем место повреждения и причина, его вызвавшая, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.

2. При анализе потока отказов необходимо выявлять случаи ГУ, вероятность появления которых достаточна высока и реально существует.

3. В эксплуатационных инструкциях для обслуживающего персонала должно указываться время постепенного повышения (понижения) давления в трубопроводах ТС, которое должно превышать время «фазы удара», во избежание «прямого» ГУ.

4. Возможность проведения защитных мероприятий на трубопроводах ТС [3] и установка ЧРП на двигателях насосов (сетевых, подпиточ-ных), несомненно, положительно решает проблему возникновения ГУ и защиты трубопроводов и приборов ТС при условии их правильного проектирования, монтажа и обслуживания.

Литература

1. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др. /Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. -М.: Энергоиздат, 1982. -512 с.

2. Ионин А.А. Надежность систем тепловых сетей. - М.: Стройиздат, 1989. - 261 с.

3. Шмырев Е.М. О защите оборудования источников тепла, тепловых сетей, систем теплопотребления от недопустимых изменений давления сетевой воды и гидравлических ударов // Электрические станции, 1998. №5. С. 57-64.

Размещено на Allbest.ru