Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях
Введение
Процесс развития трубопроводных систем предъявляет высокие требования к безопасности их эксплуатации и обеспечения надежности работы.
Наиболее остро стоит вопрос безопасной и эффективной эксплуатации тепловых сетей (ТС) в связи с их изношенностью и недостаточным финансированием проведения работ по их обслуживанию и перекладке. Необходимо принять срочные меры, способные обеспечить смягчение остроты проблемы.
Одним из приоритетных направлений, способным увеличить ресурс ТС, является борьба с пульсациями давления и расхода жидкости, наиболее разрушительным из которых является гидравлический удар (ГУ).
В мировой практике накоплен большой опыт по проектированию и эксплуатации средств защиты от колебательных процессов на гидромагистралях. Усилия научной и инженерной мысли направлены на поиск способов минимизации разрушающего воздействия на трубопроводы волновых и вибрационных процессов, а также создания устройств, обеспечивающих решение этой задачи (аккумуляторы давления, гасители колебаний различных типов, клапаны сброса, обратные клапаны и т.д.).
Рассмотрению схем таких устройств, применимых для систем теплоснабжения, посвящена данная публикация.
Как указывается в [6] и [7], во время переходного процесса (неустановившегося движения жидкости) из-за изменения сечения трубопровода (вследствие перекрытия сечения трубопровода или его открытия), остановки и пуска насосного агрегата и других элементов трубопроводной системы, сбросе давления и т.д. изменяется скорость движения жидкости. В результате этого возникают волны повышенного и пониженного давления, распространяющиеся по трубопроводу.
Резкое изменение скорости движения жидкости приводит к возникновению ГУ, которому присущи большие амплитуды колебания давления жидкости и высокая скорость распространения, она может быть близкой по значению к скорости звука в данной жидкости [8].
Н.Е.Жуковский вывел основное уравнение гидроудара: dP=A-p-dC,
где dP - изменение давления;
А - скорость звука в рабочей среде;
р - плотность рабочей среды;
dC - изменение скорости рабочей среды.
Под рабочей средой понимается теплоноситель.
В системах теплоснабжения теплоноситель перекачивается по замкнутому контуру, поэтому авария на одной насосной станции может привести к распространению гидроудара по всей трубопроводной сети [7], [8]. Вследствие того, что трубопроводы систем теплоснабжения значительной длины, жидкость, находящаяся в них, обладает большой инерционностью (массой), что обуславливает возникновение в сети ГУ со значительным импульсом и амплитудой.
В сети теплоснабжения используются трубы разных диаметров. Как указывается в [1], возрастание ударного давления происходит при переходе ударной волны с труб большего диаметра на трубы с меньшим диаметром. Кроме того, при наличии волн давления в трубопроводе могут возникнуть условия резонанса, т.е. совпадение частоты собственных и вынужденных колебаний столба жидкости в трубопроводе. Этот процесс наблюдается в тупиковых точках трубопровода, например, во внутренних трубопроводных системах зданий. При этом разрушающее воздействие ГУ многократно усиливается.
Для нормальной эксплуатации трубопроводных систем необходимо, чтобы при переходных процессах величина давления жидкости в трубопроводе и скорость его нарастания не превышали допустимых значений, в противном случае, следствием таких процессов могут являться:
- снижение КПД насосного оборудования;
- снижение надежности и долговечности трубопроводной системы;
- разрушение отдельных участков трубопроводов от воздействия вибраций, вызванных пульсирующим потоком теплоносителя;
- утечка теплоносителя через стыки трубопроводов;
- снижение рабочего давления перекачиваемого теплоносителя.
Чтобы избежать аварийной ситуации, необходимо располагать эффективными способами и техническими средствами стабилизации давления в трубопроводе, схемы некоторых из них приведены ниже.
Поэтому проблема создания эффективных средств гашения волновых процессов и гидравлических ударов является очень актуальной.
Ресиверы (воздушные колпаки)
Как указывается в [5-7], в трубопроводах для защиты от волны повышенного давления часто применяют ресиверы (воздушные колпаки). Ресивер представляет собой герметическую емкость, заполненную упругой средой, например, воздухом, и сообщающуюся посредством отверстия с гидромагистралью. Принцип работы ресивера основан на сжимаемости воздуха в момент повышения давления и поступления избыточного количества жидкости из трубопровода в емкость ресивера. При рабочих давлениях трубопровода до 3 бар для увеличения полезного использования объема колпаки необходимо заполнять воздухом под давлением. Это усложняет их конструкцию, т.к. воздух в процессе эксплуатации растворяется в рабочей жидкости и постепенно уносится, следовательно, для поддержания работоспособности системы колпак приходится заряжать воздухом перед каждым пуском. Кроме того, воздух из колпака попадает в трубопровод при каждой остановке насоса.
Чтобы избежать этого, были предложены различные варианты конструкций разделения жидкой и газовой сред в ресивере.
В первых конструкциях роль разделителя двух сред исполнял пустотелый или выполненный из плавающего материала поплавок. Описание этих конструкций представлено в [4-6].
При остановке насоса поплавок закрывал отверстие, соединяющее компенсатор колебаний и трубопровод. Плотность закрытия отверстия была недостаточна, кроме того, при резком снижении давления в трубопроводной магистрали, поплавок под действием сил инерции мог разрушаться (рис. 1).
С целью уменьшения действия сил инерции поплавок стали соединять с одной или двух сторон пружинами с корпусом компенсатора.
Посадка клапана в таких конструкциях не обеспечивала достаточной герметичности, и воздух при остановках насосного агрегата вымывался из компенсатора. Поэтому для герметизации были применены эластичные диафрагмы из кожи или резины, которые соединялись с поршнем-поплавком и корпусом компенсатора.
Несовершенством компенсаторов с разделительной поверхностью двух сред является быстрое повреждение мембраны в результате больших усталостных напряжений в материале из-за многократных деформаций и температурного воздействия на материал мембраны.
Во «ВНИПИЭнергопром» разработана конструкция компенсатора гидравлического удара (лишенная вышеперечисленных недостатков), снабженного клапаном с разрывной мембраной, отделяющей объем колпака от теплоносителя.