Способы борьбы с гидравлическим ударом. Стабилизаторы давления

Поскольку причиной гидравлического удара является быстрая остановка движения жидкости, то самым эффективным способом его предотвращения является медленное закрытие крана, замена шаровых кранов на винтовые задвижки или вентили.

Но кроме этого, применяют демпфирующие устройства (гасители гидравлического удара), воздушные колпаки, разрушаемые мембраны, обратные клапаны, а также стабилизаторы давления.

Гидродинамические процессы являются источником 70% всех аварий и инцидентов на трубопроводах.

Гидродинамические процессы сопровождаются высокоскоростным распространением волн повышенного давления, носящим характер гидравлического удара. В результате подобного удара возникают порывы в наиболее ослабленных местах трубопроводной системы, которая, вследствие износа, не способна выдержать ударной динамические нагрузки.

Технология волновой стабилизации давления реализуется за счёт диссипативного и упругодемпфирующего воздействия на поток перекачиваемой среды с помощью специально разработанных технических устройств - стабилизаторов давления.

СД предназначены для использования в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1200 мм и с рабочим давлением до 25 МПа.

Использование СД 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%.

Рис. 4

СД обладают минимальными массогабаритными характеристиками. Они технологичны в изготовлении, энергонезависимы, обладают мгновенным быстродействием, 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.

Стабилизатор давления состоит из корпуса, имеющего перфорированный по длине и периметру участок трубопровода, и демпфирующих камер, гидравлические полости которых соединены посредством патрубков с корпусом.

Рис. 5

Стабилизатор давления работает следующим образом. При возникновении в основном трубопроводе волновых процессов (гидроудары, вынужденные колебания давления и т.д.) происходит перетекание жидкости через отверстия перфорации центрального трубопровода в кольцевую предкамеру, образованную внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью центрального перфорированного трубопровода, или наоборот, в результате чего изменяется давление в гидравлической полости демпфирующей камеры, что вызывает сжатие упруго-демпфирующих элементов (РТИ или металлические элементы с заданными техническими характеристиками) и приводит к изменению объёма жидкости в демпфирующей камере.

Такое последовательное взаимодействие жидкости с демпфирующими камерами позволяет обеспечить высокую эффективность гашения колебаний избыточного давления (гидроударов) за счёт высокой податливости демпфирующих элементов в динамическом режиме, и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределённой перфорации, что приводит к её невосполнимым потерям, создавая условия препятствующие дальнейшему волновому распространению, компенсируя провалы давления.

Для анализа волновых процессов в гидросистеме рассмотрим схему, приведенную на рисунке ниже.

Рис. 6

Она состоит из следующих элементов: насоса- 1, трубопровода- 5, клапанов– 2 и 3 (обратного)и стабилизатора давления- 4.

Стабилизатор давления (СД) устанавливается в непосредственной близости от обратного клапана.

Направим координатную ось ОХ вдоль продольной оси расходной магистрали против течения рабочей среды. При анализе динамических процессов будем считать среду однородной.

При рассмотрении динамических процессов будем считать, что давление в ней изменяется по линейному закону. Процесс включения и выключения насосного агрегата сопровождается интенсивными гидравлически­ми ударами, распространяющимися по всему трубопроводу.

Следует определить начальные условия для сис­темы волновых уравнений, описывающей неустановив­шееся движение жидкости в трубопроводе. В момент времени t=0

P(0,0)=0, V(0,0)=0.

Начиная с t=0, в сечении х=l (где установлены насос и стабилизатор давления) расход изменяется по закону Q=Q(t).

Начальные условия имеют вид:

t=0; р(х,0)=δp(x,0)/δt=0. (39)

Граничные условия в конце трубопровода принимаем:

при х=0 p(0,t)=0. (40)

Значение скорости на выходе из стабилизатора давления (x=l) будет определяться выражением:

, (41)

где Q₀ — начальный массовый расход в момент t=0, Q(t) — изменение расхода, вызванное изменением режи­ма работы центробежного насоса, Q_СТ(t) — изменение расхода через отверстия перфорации стабилизатора, ρ — плотность жидкости.

Система волновых уравнений решается без учета сил трения методом Даламбера в виде суммы прямой и обратной волн:

p(x) = - c [ f₁ (t– )+ f₂ (t– )], (42)

где f₁ и f₂ функции, определяемые из граничных условий (40) и (41).

Если промежуток времени τ_из, течение которого происходит изменение режима работы насоса, незначителен по сравнению с продолжительностью двойного пробега волны давления по трубопроводу τ₀=0 будет наблюдаться прямой гидроудар, максимальное давление при котором (при отсутствии стабилизатора) определяется по формуле Жуковского (11):

p_sh = r ×C× DV.

где × D V — изменение скорости потока вследствие из­менения режима работы насоса, а

D V = , (43)

где ΔQ_n — изменение расхода.

Для системы теплоснабжения, длина которой со­ставляет несколько десятков километров, значение τ₀ значительно превосходит продолжительность остановки или выхода насоса на режим. Поэтому при выключении насоса в трубопроводе происходят провал давления p_sh, а затем через τ₀ такое же по значению повышение давления над рабочим уровнем (гидроудар).

Пуск насоса осуществляется при закрытой задвижке, по­этому волновые процессы в трубопроводе будут определяться динамикой изменения расхода при открытии задвижки.

Дифференциальное уравнение движения жидко­сти в СД в первом приближении можно записать в виде:

+ P(t) = L , (44)

где ρ – плотность жидкости, P(t), G(t) — давление и расход жидкости в сечении х магистрали в момент времени t соответственно, П_сд — податливость стабили­затора, характеризующая изменение массы жидкости в полости стабилизатора при изменении давления, L=l/(gF)=Zt — параметр, характеризующий инерционность потока жидкости в трубе, Z=c/(gF) — волновое сопротивление магистрали, с — скорость распространения волн давления, F — площадь проход­ного сечения трубопровода, t — время пробега волной давления длины магистрали, w₀ — частота основного тона колебаний в магистрали без стабилизатора давления, G_l(t)=G₀–G_k(t) — секундный расход в трубопроводе, создаваемый насосом.

Граничные условия для системы (44) запишутся следующим образом:

x = 0, P_l (0,t) = –R₁ G₁ (0,t), (45)

где R₁ — коэффициент, характеризующий местные по­тери давления на начальном участке гидромагистрали; ΔG(0,t) — вариация расхода жидкости в сечении x=0.

В концевом сечении:

x = l: G₂(x₂, t) = G_в(t), (46)

x = x_1:G₂(x₁, t) = G₂(0, t) + G_сд(t), P₁(x₁, t) = P₂(0, t),

G_сд(t) = g П_сд = g П_сд , (47)

где l — общая длина трубопровода, x₁ — координата установки СД.

Для линейно изменяющегося закона изменения расхода через обратный клапан в интервале времени 0 ≤ t ≤ t_1, где t₁ — время закрытия, можно записать:

= const = – , (48)

Здесь G₀ — секундный расход жидкости, создаваемый насосом.

Обозначим:

ω_д = , (49)

Величина ω_д является частотой основного тона колебаний в трубопроводе со стабилизатором. Уравнение (44) перепишем следующим образом:

+ ω_д² P(t) = ω_д² L , (50)

Введем переменную: ` P(t) = P(t) – L , тогда уравнение (50) примет вид:

+ ω_д²`P(t) = 0, (51)

При начальных условиях:

t = 0, = 0,`P(t) = L

его решение имеет вид:

` P(t) = – L cos(ω_д) t, (52)

откуда:

P(t) = L (1 – cos(ω_д) t) = 2 L sin²(ω_д) . (53)

При отсутствии стабилизатора:

ΔP_пров = 2 L sin²(ω₀) = 2 L sin( ). (54)

Если время t₁ ≤ 2τ то величина ГУ:

ΔP = – L . (55)

Коэффициент снижения величины гидроудара при установке СД находится как:

K_сд = = , (56)

где ΔР и ΔР_cд — величина гидроудара до и после установки СД.

Из выражения (56)можно определить необходи­мую массовую податливость стабилизатора для обес­печения требуемого уровня снижения провала давле­ния в гидросистеме:

= arcsin . (57)

Задаваясь требуемой степенью снижения амплитуды давления гидроудара из зависи­мости (57) можно определить величину ω_д— частоту основного тона колебаний со стабилизатором.

Таким образом, изменяя такие основные конструктивные характеристики стабилизатора давления, как массовая податливость и гидросопротивление отверстий перфорации, можно достигнуть необходимой степени снижения амплитуды давления гидроудара.

Далее (Рис.7) представлены типовые диаграммы динамического давления, иллюстрирующие эффективность работы СД:

Рис.7

Анализ экспериментальных данных позволяет отметить следующее:

- остро выраженные пики свидетельствуют о резонансных явлениях в гидросистеме, т.е. собственные частотны колебаний жидкости в гидросистеме близки к частотам вынужденных силовых воздействий со стороны насосной установки;

- наиболее интенсивные колебания давления наблюдаются на частотах от 2 до 6 Гц в зависимости от режима работы насосной установки;

- после установки стабилизатора амплитуда колебаний давления на выходе уменьшается в 5-8 раз в зависимости от количества одновременно работающих насосов.

---

Дата добавления: 2015-08-03