№10-1|2010
ПИТЬЕВОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ
bbk 000000
УДК 628.156
Опыт внедрения инновационной техники для предотвращения гидравлических ударов
Аннотация
Гидравлический удар – серьезная угроза для трубопроводных систем и насосного оборудования. Особую опасность это явление представляет для систем водоснабжения и канализации большого города. Нештатные ситуации и перебои в работе водопроводной и канализационной сетей могут приводить к серьезным последствиям для всего городского хозяйства. Приведены примеры подобных ситуаций, позволяющие оценить масштабы возможных последствий. Изложены основные причины возникновения гидравлического удара, представлен краткий экскурс в историю изучения явления. Значительная часть статьи посвящена мероприятиям, направленным на предотвращение гидравлического удара в системах водоснабжения и канализации Москвы, а также использованию энергоэффективной инновационной техники.
Ключевые слова
трубопровод , насосная станция , водопроводные и канализационные сети , гидравлический удар , энергоэффективная инновационная техника
Скачать статью в журнальной верстке (PDF)
Системы водоснабжения, водоотведения и теплоснабжения относятся к категории объектов, эксплуатация которых требует особого внимания и системного подхода. Нештатные ситуации и перебои в работе водопроводной и канализационной сетей могут привести к серьезным последствиям для городского хозяйства. Наиболее уязвимыми элементами системы являются трубопроводные сети и насосное оборудование. Надежность работы насосов и трубопроводов в первую очередь зависит от бесперебойного и качественного энергоснабжения. В последнее время перебои с подачей электроэнергии случаются все чаще, в результате обесточенными остаются целые районы городов. Для трубопроводных систем одним из негативных последствий отключения электричества является возникновение гидравлического удара. Приведем несколько примеров.
12 сентября 1998 г. произошло аварийное отключение электродвигателей насосных агрегатов на Люблинской канализационной насосной станции, в результате чего произошел гидравлический удар, и станция оказалась затопленной сточными водами.
25 мая 2005 г. в Москве произошел системный сбой энергоснабжения, что привело к остановке Западной водопроводной станции. На некоторое время без воды остались районы на юге и юго-западе Москвы (Коньково, Орехово-Борисово). В течение нескольких часов электроэнергия не подавалась на Люберецкие, Курьяновские и Южно-Бутовские очистные сооружения, обслуживающие систему водоотведения всего города. Была приостановлена работа каждой третьей из канализационных насосных станций города. Гидравлический удар в системе канализации привел к изливу сточных вод в районе Волгоградского проспекта.
18 декабря 2005 г. в результате гидроудара вышла из строя одна из труб на Кызылской ТЭЦ.
15 января 2006 г. в г. Риддере Восточно-Казахстанской области на ТОО «Лениногорский тепловодоканал» из-за кратковременного отключения электроэнергии и последующего гидроудара произошел разрыв магистральной трубы теплосети. В результате аварии без теплоснабжения остались тысячи жилых домов.
16 ноября 2006 г. остановилась Кунцевская электроподстанция в Москве, что привело к разрушению канализационной трубы в 1-м Сетуньском проезде.
19 июля 2007 г. в самом центре Нью-Йорка из-за прорыва магистральной теплотрассы образовался столб горячего пара и воды высотой более 30 м. На месте прорыва трубы появилась воронка диаметром несколько метров. В результате аварии в центре города на сутки было парализовано движение транспорта, перекрыто пять линий метро. Причиной разрушения трубопровода на Манхэттене также был гидроудар.
Перечень событий, связанных с таким явлением, как гидравлический удар, можно было бы продолжить (рис. 1–4).
Резкие скачки и провалы давления происходят в напорных водоводах при нестационарных процессах (быстром изменении скорости и направления потока жидкости). Явление гидравлического удара в трубах хорошо известно как наиболее разрушительная по своим последствиям разновидность неустановившегося движения воды волнового характера. При этом возможно повышение давления на величину, существенно превышающую рабочее значение, а также понижение давления до вакуума. Оба эти явления недопустимы в работе напорной системы и могут привести к разрушению трубопроводов, особенно при их значительном износе. Негативные последствия гидроудара напрямую зависят от величины скачка давления. Гидравлический удар достаточно часто сопровождается звуком, похожим на удары молота по трубе.
В конце XIX века жители Москвы столкнулись со странным и необъяснимым явлением – постоянно, без видимых причин, лопались трубы водопроводных сетей. Количество аварий достигло такой величины, что многие недавно присоединившиеся к водопроводу домовладельцы (абоненты – по современной терминологии) решили отказаться от водопровода и вернуться к услугам водовозов. Для выяснения сложившейся ситуации Управление городским хозяйством создало комиссию. Главный инженер Московского водопровода Н. П. Зимин пригласил к участию в ее работе своего учителя, профессора механики Московского высшего технического училища Николая Егоровича Жуковского, который был техническим консультантом при проектировании водопровода.
Причины происходящих разрушений Н. Е. Жуковский изучал на Алексеевской водокачке (Алексеевской насосной станции имени В. В. Ольденбурга, рис. 5). Вскоре он определил одну из главных причин аварий магистральных труб – развитие сильного ударного действия воды в трубах при быстром открытии или закрытии
задвижек. Для изучения явления гидравлического удара по указаниям Николая Егоровича организовали научно-исследовательскую лабораторию, включавшую сеть водопроводных труб разных диаметров, электрические звонки, xpoнометры и самопишущие аппараты.
Исследования подтвердили гипотезу Жуковского – разрушения объяснялись возникновением и развитием в трубах ударной волны. Инженеры, строившие водопровод, не знали, что при быстром закрытии задвижки или крана резкое прекращение движения воды приводит к гидроудару в трубах. После выяснения причин аварий были предложены меры по их устранению – постепенное открытие и закрытие задвижек. После ввода в строй задвижек с механизмами для замедления процесса открытия и закрытия количество разрушений труб резко сократилось. 26 сентября 1897 г. в Политехническом обществе профессор Жуковский выступил с докладом о величине гидравлического удара и о скорости его распространения. Впоследствии его работа «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», переведенная на многие языки, стала теоретической основой для расчета водопроводных сетей на прочность при проектировании.
Основанная на теории Н. Е. Жуковского методика расчета гидравлического удара в условиях сплошного потока использовалась в трудах отечественных и зарубежных ученых. В современном представлении гидравлический удар – кратковременное, но резкое и значительное повышение давления в трубопроводе при внезапном торможении или ускорении движущегося по нему потока жидкости. Это явление возникает в заполненном трубопроводе, когда воздух успевает выйти через специально открытый кран, но сечение этого крана не позволяет пропустить весь поток внезапно достигшей его несжимаемой жидкости. Такой же эффект возникает и при быстром закрытии вентиля, перекрывающего поток. Это особенно актуально, поскольку старые винтовые кран-буксы, закрывавшиеся плавно, заменяются современными шаровыми кранами, «перерезающими» поток всего за четверть оборота одним движением руки.
Гидравлические удары не всегда распространяются на всю длину трубы. При возникновении кавитации каждое схлопывание кавитационного пузырька сопровождается микрогидроударом. Таким гидроударам не под силу разрушить всю трубу, однако их длительное действие в зоне кавитации легко может разрушить рабочее колесо насоса или рабочий элемент задвижки.
Проявления классического гидроудара становятся заметны в жестких трубопроводах при большой скорости потока. При резкой остановке жидкости ее кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию упругого сжатия жидкости и упругого растяжения стенок трубы. Давление в месте остановки стремительно возрастает (тем больше, чем выше была скорость жидкости и чем меньше ее сжимаемость, а также чем выше жесткость трубы). Это повышение давления и является гидравлическим ударом внезапно остановленной жидкости. Расчет такого гидроудара в водоводах производят на основе разработанной Н. Е. Жуковским теории с учетом упругих свойств воды и материала труб.
Аналогичный эффект возникает при резком открытии задвижки или запуске насоса в работу. Основной проблемой при запуске мощных высоковольтных электродвигателей является несогласованность крутящего момента двигателя с моментом нагрузки как во время пуска, так и во время работы, а также высокий пусковой ток (в 5–8 раз больше номинального тока). При этом возникает дополнительная нагрузка на питающие кабельные линии, увеличивается на период пуска потребляемая из сети мощность. Данное обстоятельство может привести к кратковременным просадкам напряжения в системе энергоснабжения и отключению других потребителей. Резкий запуск насоса при открытой задвижке приводит к возникновению гидравлического удара.
Для предотвращения указанных явлений в Мосводоканале применяются устройства плавного пуска. Эти устройства установлены на насосной станции первого подъема Западной станции водоподготовки, а также на Курьяновских очистных сооружениях для запуска турбовоздуходувных агрегатов. Принцип действия устройства плавного пуска основан на том, что момент, развиваемый электродвигателем, пропорционален квадрату приложенного к нему напряжения. Повышая напряжение от изначально пониженного уровня (опорного напряжения) до номинального, возможно плавно запустить и разогнать электродвигатель до его рабочих оборотов. При этом снижается вероятность повреждения кабельных линий из-за перегрузки, обеспечивается стабильная работа энергосистемы и электроприемников, возможен более частый пуск и остановка одного и того же электродвигателя, увеличивается его срок службы, снижается потребляемая мощность и энергопотребление в момент запуска электродвигателя, практически полностью исключается возможность возникновения гидравлических ударов при запуске насоса. В целях исключения причин возникновения гидроудара во всех «Регламентах эксплуатации насосных станций», действующих на предприятии, предусмотрено включение насоса при закрытой задвижке напорного трубопровода. После достижения полного напора задвижку постепенно открывают, что препятствует возникновению гидравлического удара при запуске насоса.
Для повышения надежности работы производственного оборудования при аварийных отключениях электропитания с 2007 г. на объектах Мосводоканала устанавливаются устройства быстродействующего аварийного включения резерва (БАВР) на напряжение 6–10 кВ. За период с 2007 г. установлено 36 таких устройств. В результате на предприятии на 26% снизилось количество нештатных отключений основного технологического оборудования, произошло 62 успешных срабатывания устройств БАВР.
Принцип действия системы БАВР достаточно прост. Система фиксирует исчезновение напряжения со стороны основного питания, проверяет, имеет ли место повреждение на шинах, отключает основной ввод питания и подключает резервный. Подключение производится либо до того, как угол сдвига фаз напряжения двигателей и резервного источника разойдется на недопустимую величину, либо после окончания первого инерционного поворота электродвигателей, когда напряжения снова совпадут по фазе. Основой БАВР служат быстродействующие устройства защиты и автоматики и вакуумные выключатели (время отключения порядка 0,015 секунды, включения – 0,02 секунды), что дает возможность обеспечить бесперебойную работу системы.
Применение БАВР гарантирует устойчивую работу электрооборудования и, что особенно важно, мощных высоковольтных электродвигателей насосных агрегатов. Максимально быстрое переключение питания с основной шины на резервную исключает возможность возникновения гидравлических ударов вследствие резкого изменения скорости потока жидкости, связанного с обесточиванием и остановкой электродвигателей насосных агрегатов. Это необходимо для того, чтобы обеспечить непрерывное водоснабжение и водоотведение в городе и не допустить возможность возникновения гидравлических ударов в трубопроводных системах.
Одним из видов запорно-регулирующей арматуры, достаточно часто инициирующим гидроудар при внезапном отключении электроэнергии на насосном агрегате, является обратный клапан. В настоящее время в трубопроводных системах в основном применяются обратные клапаны отечественного производства. Конструкция обратного клапана представляет собой диск, закрепленный на поперечной оси. При работе насосного агрегата диск ориентируется по направлению движения воды, создавая гидравлическое сопротивление. При внезапном отключении насосного агрегата диск движется с обратным током воды и перекрывает сечение клапана. При этом скорость движения сточной жидкости в зоне обратного клапана будет снижена до нуля, а кинетическая энергия перейдет в работу деформации жидкости и стенок трубы. Стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается с резким повышением давления и распространением ударной волны вдоль трубопровода с чередующимися значительными подъемами и понижениями давления.
Для ускорения закрытия диска клапана на его ось устанавливается противовес. Изменение момента противовеса влияет на гидравлическое сопротивление клапана, как в открытом положении, так и в закрытом. Увеличение момента силы на противовесе позволяет быстрее закрывать клапан, в то же время гидравлическое сопротивление возрастает, растет давление, необходимое для открытия клапана, что приводит к перерасходу электроэнергии. Учитывая, что в городском хозяйстве эксплуатируются тысячи таких устройств, неоправданные затраты составляют сотни миллионов рублей.
В целях повышения энергетической эффективности производства и предотвращения возникновения гидравлических ударов в МГУП «Мосводоканал» были проведены испытания обратных клапанов специальной конструкции с регулируемым закрытием диска, разработанных фирмой «A.R.I. Flow Control Accessories L.T.D.» (Израиль). Клапаны оснащены гидравлическим приводом и способны регулировать время закрытия. Параметры закрытия определяются расчетным путем. Регулировка клапана обеспечивает быстрое перекрытие основной части живого сечения трубы и плавное полное закрытие на завершающей стадии. При этом снижается давление постепенно, что исключает возникновение гидроудара.
Снижение давления производится за счет сброса ограниченного объема воды обратным током через насос без возникновения недопустимого реверсивного вращения ротора насосного агрегата. Время закрытия гидравлически управляемого клапана рассчитывается с помощью специального программного обеспечения Surge 2008, предназначенного для анализа переходных процессов, протекающих в трубопроводах при моделировании гидроудара. Пакет программ для расчета был разработан Университетом Кентукки в США.
Инновационный обратный клапан с контролем закрытия в отличие от запорно-регулирующей арматуры, применяемой в настоящее время, в открытом состоянии работает полным сечением без перекрытия потока жидкости. При открытии клапана диск входит в специальную полость в верхней части корпуса и удерживается в ней гидравлической системой, не создавая сопротивления току жидкости. Поскольку открытие не зависит от воздействия потока на диск, а поддерживается с помощью гидросистемы, полное открытие клапана обеспечивается во всем интервале рабочих расходов. Результатом инновационных решений стало снижение гидравлических потерь и соответственно затрат на перекачку.
Испытания клапана новой конструкции проводились в эксплуатационных условиях (на высоковольтной Черкизовской канализационной насосной станции) с применением методов физического и математического моделирования. Обратный клапан NR-HC-040 диаметром 900 мм (рис. 6) прошел эксплуатационные испытания в штатных режимах и при отключении насосного агрегата. Расход насоса составлял 9000 м3/ч. На трубопроводах насосной станции были установлены высокочувствительные датчики давления. Результаты производимых замеров обрабатывались с помощью специализированных компьютерных программ. В процессе испытаний было установлено, что клапан эффективен и надежен в работе. При отключении насосного агрегата давление на обратном клапане и в трубопроводе не превышало допустимых значений. После установки клапана с гидравлическим приводом среднее значение потерь напора снизилось до 0,15 м вод. ст. Это позволило рассчитать годовой экономический эффект:
где С – стоимость электроэнергии; N – количество обратных клапанов; K – количество дней в году; h1 – среднее снижение потерь напора на старом клапане; h2 – среднее снижение потерь напора на вновь установленном клапане; t – количество часов работы в сутки; Q – часовая подача; n– КПД системы «насос – электродвигатель».
Математическое моделирование проводилось с использованием данных по водоводам канализационной насосной станции «Филевская» (рис. 7). В расчетах применялось специализированное программное обеспечение, предназначенное для анализа процессов, протекающих в трубопроводе при возникновении гидравлических ударов. При гидравлическом моделировании были изучены возможные варианты работы насосного оборудования, которые могли привести к возникновению гидравлического удара при отключении одного насоса, всех насосов одновременно, любых двух насосов одновременно.
Анализ данных показал, что выключение всех работающих насосов одновременно может привести к возникновению недопустимых колебаний высокого и низкого давления в системе на всей протяженности трубопроводов. Величина давления повышалась до 300 м, а разрежение достигало значений, при которых происходит разрыв сплошности жидкости.
После рассмотрения нескольких вариантов расчета модели было найдено оптимальное решение проблемы защиты от гидравлического удара. Расчет показал, что необходимый результат достигается с помощью установки комбинированных вантузов в определенных точках сети (рис. 8) и обратных клапанов с гидравлическим управлением закрытия в непосредственной близости от насосной установки. Это решение позволяет снизить амплитуду колебаний высоких и низких давлений. Предложенные средства защиты системы от повреждения были эффективны при отключении как всех насосов одновременно, так и любого из этих агрегатов. Расчеты показали, что предлагаемые мероприятия обеспечивают колебания давления в допустимых пределах: не ниже –5 м и не выше +70 м (рис. 9).
По результатам испытаний и на основании изучения параметров канализационной сети было принято решение об установке на высоковольтных канализационных станциях обратных клапанов NR-HC-040 с гидравлическим управлением и с полным контролем закрытия, а также современных эффективных вантузов D-020 (рис. 10). Специальная конструкция вантуза не позволяет сточным водам проникать в систему уплотнения, обеспечивая бесперебойную работу устройства. Этот вид вантузов обеспечивает необходимый водовоздушный режим работы напорных трубопроводов, снижает потери напора и вероятность возникновения гидроударов.
По результатам испытаний была разработана программа установки вантузов и инновационных обратных клапанов на насосных станциях и напорных трубопроводах канализационной сети. Реализация программы осуществлялась в период с 2004 по 2010 год. В 2006–2009 годах было установлено 410 обратных клапанов фирмы «A.R.I.», в том числе 30 клапанов диаметром 900 мм на канализационной насосной станции с высоковольтным оборудованием. В 2010 г. запланировано завершение программы (будет установлено 5 клапанов). Программа по оснащению вантузами напорных водоводов КНС в настоящее время полностью завершена, всего было установлено 700 единиц оборудования.
Опыт эксплуатации показал, что установленное оборудование обладает улучшенными гидравлическими характеристиками. Это позволило существенно снизить затраты на перекачку сточных вод. В период с начала 2009 г. по первое полугодие 2010 г. за счет применения обратных клапанов с плавным закрытием было сэкономлено 15 178,4 тыс. кВт·ч электроэнергии, или 12 460,8 тыс. руб. Экономическая эффективность от установки вантузов составила 57 818,2 тыс. кВт·ч, или 44 121,8 тыс. руб. Всего снижение затрат составило 72 996,6 тыс. кВт·ч, или 56 582,6 тыс. руб.
Применение клапанов с полным контролем закрытия и современных вантузов на напорных трубопроводах в городском хозяйстве позволит сэкономить сотни миллионов рублей. Остается только выразить сожаление, что это оборудование до сих пор не выпускается в России. Разработка аналогичных энергоэффективных инновационных систем и организация производства лучших зарубежных разработок на российских заводах должны стать одной из важнейших задач для водной отрасли на ближайшие годы.
