Введение к работе
Актуальность проблемы. В мировой практике накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации средств защиты от колебательных процессов в трубопроводных системах. Таких как клапаны сброса воды, разрывные мембраны, гидрозатворы-переливы, системы частотного регулирования приводов насосных агрегатов и стабилизаторы давления.
Согласно эксплуатационному опыту, причинами разрушения трубопроводов в 60% случаев являются: гидравлический удар, перепады давления и вибрации, около 25% приходится на коррозионные процессы, 15% - на природные явления и непредвиденные обстоятельства. По данным Минрегионразвития РФ уровень износа коммунальных сетей и оборудования, в среднем, составляет 65%. Только на трубопроводных системах жилищно-коммунального комплекса России происходит 180 аварий на 100 км теплосетей, 70 аварий на 100 км водопроводов и сетей канализации.
Во время переходного процесса, то есть неустановившегося движения жидкости из-за изменения сечения трубопровода, вызванного перекрытием сечения трубопровода или его открытием, остановкой и пуском насосного агрегата и других элементов трубопроводной системы, сбросом давления и т.д., изменяется скорость движения жидкости. В результате этих процессов возникают волны повышенного и пониженного давления.
Гидравлический удар, колебания и пульсации давления, повышенная вибрация трубопроводов многократно повышают скорость внутренних коррозионных процессов, способствуют накоплению усталостных микротрещин в металле, особенно в местах концентрации напряжений, то есть сварные швы, царапины, задиры, заводские дефекты и др. и являются основными факторами возникновения аварийных ситуаций.
Дальнейшее развитие трубопроводных систем предъявляет высокие требования к безопасности эксплуатации и обеспечения надежности их работы, в связи с изношенностью гидромагистралей и недостаточным финансированием работ по их обслуживанию и перекладке. Использование стабилизаторов давления позволяет обеспечить: снижение аварийности трубопроводов и оборудования на 60 - 80 %; продление срока эксплуатации в 1,5 - 2 раза; сокращение прямых и косвенных затрат на аварийно-восстановительные работы; снижение эксплуатационных затрат трубопроводных систем. Стабилизаторы
давления окупаются в течение первого года работы при гарантийном сроке эксплуатации - от трех до восьми лет.
Целью работы является научное обоснование применения стабилизаторов давления для защиты напорных водоводов от недопустимых колебаний давления при переходных процессах. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
- осуществить анализ основных зависимостей для расчетов нестационарного
движения жидкости в напорных трубопроводах, рассмотреть перспективные
средства гашения колебаний давления и выделить главное направление
исследований;
- проанализировать методы исследования переходных процессов в
напорных системах водоподачи;
- усовершенствовать методику расчета переходных процессов в напорных
системах водоподачи в случаях, учитывающих действие стабилизаторов
давления;
разработать алгоритм расчета движения жидкости в стабилизаторе давления и реализовать его в компьютерной программе;
выполнить расчетно-теоретические исследования случаев переходных процессов для напорных трубопроводов при установке на них стабилизаторов давления с использованием усовершенствованной методики расчета;
осуществить натурные исследования переходных процессов в системах водоподачи при отключении и регулировании насосных агрегатов с учетом действующих систем защиты;
на основании проведенных расчетно-теоретических и натурных исследований разработать методы расчетного обоснования параметров пневмостабилизаторов с выносными камерами, позволяющие уменьшить амплитуду колебаний давления в системе водоподачи.
Опыт проектирования и эксплуатации напорных систем водоподачи показал, что в отдельные периоды давление в них может превышать рабочее, причем иногда значительно. Поэтому непременным и важнейшим условием повышения надежности работы напорных трубопроводов следует считать создание эффективных средств борьбы с гидравлическим ударом, рациональную их расстановку на водоводах и правильный подбор последних с учетом технических характеристик используемого оборудования.
В настоящее время нет общих методов расчета переходных процессов для напорных трубопроводов с учетом стабилизаторов давления, позволяющих обеспечивать повышение надежности сооружений и снижение затрат на их эксплуатацию.
Вышеизложенным подтверждается актуальность темы настоящей диссертации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- усовершенствована математическая модель движения жидкости в
стабилизаторе давления с выносными камерами для трубопроводных систем;
установлены зависимости между эффективностью гашения гидравлического удара в системах водоподачи и основными проектными характеристиками стабилизатора давления;
создана методика расчета переходных процессов, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов для напорных трубопроводов со стабилизатором давления;
проведены исследования эффективности стабилизаторов давления по защите напорных водоводов от гидравлических ударов при отключении насосных агрегатов на насосной станции.
Личный вклад автора заключается в усовершенствовании им математической модели и создании алгоритма и программы расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи с использованием стабилизаторов давления для гашения гидравлического удара, проведении расчетов на компьютере, разработке рекомендаций по снижению динамических нагрузок на трубопроводы и оборудование.
Практическая ценность работы. Реализация предложенной математической модели в компьютерном программном комплексе позволяет проводить расчеты переходных процессов в напорных водоводах, возникающих при аварийных отключениях насосных агрегатов, с учетом действия стабилизаторов давления для данной конструктивной схемы.
Достоверность результатов исследований обусловлена:
- применением точных теоретических методов анализа и исходных
зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов;
- использованием современной вычислительной техники;
- большим объемом и достаточной полнотой выполненных расчетно-
теоретических исследований, результаты которых подтверждены практическим
применением и сопоставлением с экспериментальнымими исследованиями, проведенными в реальных условиях эксплуатации на насосной станции «Сосновка-4», расположенной в п. Троице-Лыково, г. Москва.
Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных водоводов от гидравлического удара и в значительной мере исключить аварии от внутрисистемных возмущений, вносимых работой отдельных элементов самой трубопроводной системы, изменением режима водоподачи, срабатыванием запорной арматуры, аварийном отключении подачи электропитания и т.п.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на заседаниях кафедр «Гидравлика» и «Насосы и насосные станции» а также на научно-технических конференциях МГУП в 2010г., 2011г. и 2012г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (194 наименования, 16 на иностранных языках), приложения и содержит 153 страниц текста (включая 2 страницы приложения), 42 рисунка и 3 таблицы.
