Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях

К.т.н. А.Б. Роскин, ведущий специалист НПК «Вектор»

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.

трубопровод ресивер давление сброс

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, полненную упругой средой, например, воздухом, и сообщающуюся посредством отверстия с гидромагистралью.

за

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.

Устройства для борьбы с волнами повышенного давления с помощью сброса части жидкости из трубопровода

Как указывается в [6], для борьбы с волновыми процессами в трубопроводах различного назначения широкое распространение получил способ сброса избыточного количества перекачиваемой жидкости в безнапорную емкость. Реализация этого способа борьбы с волновыми явлениями осуществляется с помощью клапанов сброса, открытие которых происходит в момент формирования ударной волны давления. Продолжительность сброса регулируется с помощью специальной системы управления.

Устройства гашения волны повышенного давления, принцип работы которых основан на сбросе части жидкости, состоят из датчика возмущений, клапана сброса и блока управления работой клапана.

Датчик возмущений предназначен для подачи команды на открытие клапана сброса в момент возникновения в трубопроводе гидравлического удара.

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкциям клапанов сброса, являются:

высокое быстродействие;

достаточная пропускная способность;

надежность в эксплуатации. Существующие конструкции клапанов сброса условно можно разделить натри группы:

с подвижным жестким поршнем;

с эластичным запирающим элементом;

струйного типа.

Работу клапана с подвижным жестким поршнем можно рассмотреть на примере поршневого противоударного клапана с автоматической гидравлической настройкой (рис. 2).

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого размещен поршень 2, соединенный при помощи штока 3 с клапаном 4. Пространство над поршнем соединено с напорным трубопроводом трубкой 5. Внутри трубки установлен дроссель 6.

При возникновении в трубопроводе ГУ, волна повышенного давления воздействует на клапан 4 снизу. В пространство над поршнем импульс давления приходит с некоторым запаздыванием, вызванным гидравлическим сопротивлением трубки 5. На поршне возникает перепад давления, в результате чего поршень перемещается вверх, сжимая пружину 7 и поднимая клапан 4, начинается сброс жидкости из напорного трубопровода. При отсутствии ударной волны клапан прочно прижимается к седлу. При плавном изменении режима течения жидкости по трубопроводу, давление в пространстве над и под поршнем 2 успевают выравниться, и клапан остается закрытым. При эксплуатации данного устройства необходимо соблюдать требования к чистоте жидкости в трубопроводе, что не всегда реально в ТС.

Широкое распространение получили конструкции клапанов сброса с эластичными запирающими элементами. Рассмотрим их принцип действия. Схема клапана представлена на рис. 3.

Клапан состоит из корпуса 3, эластичного цилиндрического шланга 1 и цилиндра с глухой перегородкой и боковыми прорезями 2. Устройство имеет три характерные полости. Полость А сообщается с напорным трубопроводом, полость Б с безнапорным резервуаром, а полость В заполнена упругой средой (например, воздухом). В стационарном режиме работы магистрального трубопровода давление в полостях А и Б одинаково. Уравнение давлений происходит в трубках а и б, включающих дроссель 4, разделительный сосуд 6 и небольшой воздушный колпак 5.

Устройство работает следующим образом.

При установившемся режиме течения жидкости давление в полостях А и В равно давлению в трубопроводе, а в полости Б - атмосферному. Боковые прорези полости Б плотно закрыты эластичным шлангом 1. При плавном изменении давления в трубопроводе, вызванном системой регулирования, давления в полостях А и В успевают выравниваться, и эластичный шланг 1 надежно разобщает полости А и Б. При резком повышении давления в магистрали, в результате ГУ, давление в полости А окажется выше, чем в полости В из-за сопротивления дросселя 4 и сжимаемости газа в колпаке 5. Под действием возникшего перепада давлений эластичный шланг 1 деформируется и отходит от прорезей, в результате чего жидкость из полости А поступает в полость Б и далее в резервуар-сборник. После выравнивания давлений в полостях А и Б шланг 1 возвращается в исходное положение и сброс жидкости прекращается.

Клапаны с эластичным запирающим элементом обладают меньшей инерционностью по сравнению с клапанами поршневого типа. Однако они недолговечны из-за эластичного шланга, который может терять свою работоспособность при высоких температурах.

Перечисленных недостатков лишены конструкции предохранительных клапанов струйного типа. Отсутствие подвижных механических частей, малая инерционность и простота обеспечивают их высокую надежность в эксплуатации.

Устройство струйного типа работает следующим образом (см. рис. 4).

В основном трубопроводе 4 во всасывающей линии насоса 5 установлен струйный предохранительный клапан, выполненный в виде расположенных соосно и с некоторым зазором и укрепленных в корпусе сопла 1 и диффузора 2. Внутренняя полость корпуса устройства 3 соединена с безнапорным резервуаром 6, в который производится сброс. При прохождении жидкости через устройство 3, в сопле 1 происходит превращение потенциальной энергии потока в кинетическую энергию свободной струи, вытекающей из сопла, а в диффузоре - обратный процесс - восстановление потенциальной энергии потока.

При нормальном режиме эксплуатации трубопровода вся вытекающая из сопла жидкость поступает в диффузор, и сброса не происходит. В случае ГУ в результате торможения потока в линии трубопровода, связанной с диффузором, наблюдается сброс части перекачиваемой жидкости в резервуар 6.

Устройства сглаживания ударных волн давления, принцип действия которых основан на сбросе части перекачиваемой жидкости в момент формирования волны повышенного давления, работают в автоматическом режиме. Управление клапаном любого типа осуществляется блоком управления.

К недостаткам вышеназванных систем защиты следует отнести значительные затраты на создание дополнительных емкостей, клапанных устройств и современных устройств управления. Также необходимо отметить, что срабатывание клапанов сброса сопровождается потерями теплоносителя из трубопроводной системы.

Вихревые компенсаторы

В [4] рассмотрена схема вихревого компенсатора колебаний давления жидкости. Типовая схема данного устройства представлена на рис. 5.

Жидкость подводится по патрубку 1, расположенному тангенциально к наружной поверхности цилиндрической камеры 2. Поступающий поток получает в камере вихревое движение (закрутку) вокруг штыря 3. Закрученный поток жидкости вытекает из вихревой камеры по трубе 4.

Процессы создания вихревого движения сопровождаются диссипацией энергии волны повышения давления за счет трения и перехода кинетической энергии потока в тепловую.

Однако следует отметить, что недостатками таких устройств являются большое гидравлическое сопротивление устройства и достаточно большие габаритные размеры.

Стабилизаторы давления

Как указывается в [5-7], одним из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводах являются стабилизаторы давления. Принцип их работы основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном (диссипация - лат. «рассеивание») и упругодеформирующем воздействии на пульсирующий поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсаций на перфорированных отверстиях, равномерно распределенных на длине стабилизатора колебаний, а также от демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполненных в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых или эластичных материалов. Для изменения распределенной упругости потока возможно использование свойств двухфазных сред. Дополнительные эффекты гашения обеспечиваются при расширении потока в стабилизаторе.

Отличительной особенностью стабилизаторов колебаний потока жидкости является то, что они не изменяют форму трубопровода и имеют малое гидравлическое сопротивление.

Стабилизаторы давления можно разделить на две группы: с активными элементами, для функционирования которых нужен внешний источник энергии, и с пассивными элементами. К активным элементам относятся газовые полости пневмостабилизаторов, которые находятся под давлением и сообщаются с аккумулятором давления [9]. В стабилизаторах с сильфонами и упругими камерами активные элементы не используются, поскольку демпфирование колебаний обеспечивается за счет изменения внутреннего объема сильфонов или камер при упругих деформациях их стенок.

Пневмостабилизаторы давления

В [9] представлена схема пневмостабилизатора с разделенной на отсеки газовой полостью (рис. 6). Он состоит из корпуса 1, с присоединительными патрубками 2. В корпусе 1 размещен упругий демпфирующий элемент 3 с газовой полостью 4, которая сообщается с источником сжатого газа (не показан), посредством подводящих 5 и отводящих 6 патрубков. Кольцевая полость разделена поперечными перегородками 7 с отверстиями 8 и радиальными перегородками 9 с отверстиями 10 на отсеки 11.

Устройство для гашения пульсаций давления работает следующим образом.

Пульсирующий поток рабочей среды поступает в корпус 1 через присоединительный патрубок 2, проходит вдоль кольцевой газовой полости 4, вызывая деформацию отсеков 11. При этом газ перетекает между отсеками 11 через отверстия 8 и 10, что обеспечивает гашение пульсаций давления рабочей среды. Регулировка демпфирующей способности устройства осуществляется путем подбора толщины упругих перегородок 7 и 9, диаметров и количества отверстий 8 и 10 и давления наддува от источника сжатого газа.

В [6] представлены схемы различных пневмостабилизаторов пульсаций давления в трубопроводах.

Фирмой Pulsation Соntrоls Соrроrаtion запатентовано устройство (рис. 7), представляющее собой перфорированный участок трубопровода 4, герметично закрепленный на нем корпус 3, образующий с этим участком камеру, заполненную упругими шариками 2, либо полыми податливыми капсулами с газом. Гашение колебаний давления производится за счет диссипации энергии на перфорации 5 и при взаимодействии с капсулами.

Фирма Phillips Petroleum Corporation предложила устройство (рис. 8), включающее перфорированный участок трубопровода 4, наружный корпус 1 и камеру 8. Эластичный элемент 2, расположенный между участком трубопровода и корпусом, делит камеру на две герметичные полости: газовую и жидкостную. Жидкостная камера через перфорацию 5 соединяется с внутренней частью трубопровода, а газовая 3-с источником газа. Гашение колебаний давления происходит вследствие диссипации энергии на перфорации и поглощения энергии разделительным элементом и газом в полости 3.

На рис 9. представлена конструкция пневмостабилизатора с гибким разделительным элементом. Пневмостабилизатор состоит из наружного корпуса 2 и участка трубопровода 6 с равномерно распределенной по длине перфорацией 3. Полость между корпусом 2 и внутренним участком магистрали 6 разделена гибким разделительным элементом 5, который служит для разделения жидкой и газовой сред пневмостабилизатора. В процессе работы разделительный элемент 5 может перемещаться между корпусом 2 и внутренним участком 6. Жидкостная полость пневмостабилизатора соединена посредством перфорации с основной гидромагистралью, а газовая - через штуцер 4 с аккумулятором давления.

В зависимости от агрессивности рабочей среды и ее температуры, гибкий разделительный элемент 5 может быть как неметаллическим (различные резины, каучуки, фторопласт и т.д.), так и металлическим. Уплотнение гибкого элемента 5 производится путем обжатия его концов между внутренней полусферой корпуса 2 и конусными поверхностями трубопровода 6 и кольца 1.

Пневмостабилизатор работает следующим образом. При установившемся режиме жидкость, протекающая по трубопроводу 6, через перфорацию 3 заполняет полость между трубопроводом 6 и гибким элементом 5. Полость между корпусом 2 и гибким элементом 5 заполнена газом с тем же давлением, что и в основной магистрали. Таким образом, гибкий элемент 5, являющийся разделителем двух сред, находится в среднем положении.

В момент возникновения колебаний давления в магистрали давление в жидкостной полости пневмостабилизатора становится либо больше, либо меньше давления в газовой полости, и гибкий элемент 5 под воздействием перепада давлений перемещается в какую-либо сторону. Вследствие большой податливости гибкого элемента 5 и газовой полости происходит увеличение скорости на сосредоточенных сопротивлениях, что приводит к диссипации энергии колебаний давления. Выбором податливости гибкого элемента 5, суммарной площади перфорации 3 и объема газовой полости можно добиться заданной степени уменьшения амплитуды колебаний.

Рассмотренный пневмостабилизатор пригоден для использования в гидромагистралях диаметром не более 0,5 м.

Для стабилизации колебаний давления в трубопроводах диаметром 0,5 м и более целесообразно использовать пневмостабилизатор, схема которого изображена на рис. 10.

Пневмостабилизатор представляет собой участок трубопровода 3, снабженный предкамерой 2, выполненной в виде цилиндра с отверстиями по образующей, которая охватывает снаружи поверхность участка трубопровода. Демпфирующие элементы выполнены в виде цилиндрических камер 9 с укрепленными в них двумя упругими мембранами 8, разделяющими камеру на три полости.

Средняя полость (гидравлическая) соединяется через предкамеру 2 и распределенную перфорацию 4 с магистралью трубопровода. Полости 6, образованные мембраной и корпусом камеры, соединены с аккумулятором давления газа.

С целью ограничения хода и предотвращения разрыва мембран при отсутствии давления в жидкостной полости в камере установлены сферические диафрагмы 1 с отверстиями, суммарная площадь которых равна или больше площади поперечного сечения основного отверстия 5, связывающего камеру 7 с предкамерой 2. Количество рабочих камер, их геометрические размеры, податливость и перфорацию (необходимое число поясов отверстий и количество отверстий в поясе, а также их диаметр) подбирают заранее, в зависимости от рабочих параметров гидросистемы и конструктивных особенностей данного стабилизатора давления.

Пневмостабилизатор работает следующим образом. При отсутствии давления в магистрали упругие элементы (мембраны) под действием давления наддува перемещаются в сторону гидравлической полости и занимают крайнее положение на диафрагме. Непосредственно при подаче номинального рабочего давления жидкости упругий элемент принимает среднее положение. При резком изменении давления в гидромагистрали (наличие колебательных процессов) упругие элементы в результате перепада давления в газовой и гидравлической полостях перемещаются в ту или иную сторону от среднего положения.

Главными достоинствами рассмотренных пневмостабилизаторов являются:

высокая надежность работы и эффективность использования их в системах с умеренным и номинальным давлением и температурой химически неактивной среды;

применение в конструкции пневмостабилизаторов недорогих и недефицитных материалов(пластмассы, резины).

Вместе с тем, использование неметаллических элементов ограничивает область применения пневмостабилизаторов в химически активных средах, при высоких температурах и давлениях среды. Кроме того, использование пневмостабилизаторов для гашения колебаний давления в трубопроводах связано с необходимостью обеспечения подачи какого-либо газа, находящегося под давлением, в наддувную полость пневмостабилизатора. Поэтому создание стабилизаторов давления без использования неметаллических упругих разделительных элементов и без дополнительного наддува является актуальной задачей.

Размещено на Allbest.ur