автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета переходных процессов для напорных трубопроводов крупных насосных станций

На правах рукописи

Переверзев Сергей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ КРУПНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

'Ч-П-ЬВ^ц... 005545339 2 О ФЕВ 2014

Москва 2014

005545339

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» на кафедре «Сельскохозяйственное водоснабжение и водоотведение»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бегляров Давид Суренович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Косиченко Юрий Михайлович кандидат технических наук, главный специалист

Сахаров Илья Юрьевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Защита состоится 24 марта 2014 года в 17-00 на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru. ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19 и на сайте университета по адресу: Ь«р://тзиее.ги/тс1ех.рЬр?тос1и1е=ра£ез&!<1=131

Автореферат разослан « 6 » февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.Л. Снежко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Планами развития народного хозяйства РФ предусматривается широкое строительство крупных водохозяйственных систем (с подачей более 10 м3/с) для водоснабжения, орошения, судоходства и межбассейнового перераспределения стока. Неотъемлемой частью таких систем являются магистральные каналы с насосными станциями большой мощности. Кроме того, в ближайшие годы намечается использование агрегатов крупных насосных станций в качестве потребителей-регуляторов энергосистем.

При изменении режимов работы регулирующих органов в напорных трубопроводах гидросистем возникает неустановившееся движение жидкости. Частным случаем такого движения является гидравлический удар - одна из основных причин аварий, возникающих в напорных гидросистемах.

На стадии проектирования крупных насосных станций следует выполнять расчетно-теоретические исследования неустановившегося напорного движения реальной жидкости с целью обеспечения надежной работы гидросистем в различных режимах и снижения затрат на их строительство и эксплуатацию. Для выбора надежных способов и средств ограничения давления при переходных процессах необходимо проведение расчетов, учитывающих как физические закономерности, определяющие ход этих процессов, так и технические характеристики используемого оборудования.

Гидравлические удары, возникающие при выключении насосов, хотя и могут вызывать весьма значительные повышения давления, являются "предсказуемыми" - причина их возникновения известна, закономерности процесса изучены и средства борьбы с повышением давления теоретически обоснованы и экспериментально проверены. Поэтому можно принимать меры защиты, выбирая их применительно к особенностям условий работы данного водовода в соответствии с результатами расчетов, выполненных с использованием компьютерных программ.

В системах подачи и распределения воды могут так же возникать и "непредсказуемые" гидравлические удары в следствие запаздывания закрытия

обратных клапанов, быстрого закрытия или открытия запорных устройств, атак же неконтролируемого перемещения воздуха, зависящего от ряда факторов, учет которых практически невозможен.

Рассматривая вопросы совершенствования систем водоподачи и распределения воды, прежде всего необходимо отметить, что значительное снижение стоимости их строительства, которая обычно составляет 50...70 % общей стоимости гидроузла, может быть достигнута снижением избыточных давлений при стационарных и переходных режимах работы водохозяйственных систем.

В связи с вышеизложенным, большое научное и практическое значение имеют уточнение существующих и разработка новых методов расчета переходных процессов для крупных насосных станций, соединение с водоприемником которых осуществляется водовыпускным сооружением с быстропадающими затворами, что позволит создавать более совершенные и надежные водохозяйственные системы.

Решение задачи защиты оборудования крупных насосных станций и систем водоподачи от недопустимых мгновенных повышений давлений является весьма актуальным для разработки новых водохозяйственных объектов.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих

задач:

- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов переходных процессов в напорных трубопроводах и выделение главного направления развития исследований;

- совершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, часто встречающихся в водохозяйственной практике;

- разработка алгоритма расчета и его реализация в компьютерной программе;

- проведение расчетно-теоретических исследований различных случаев переходных процессов в напорных трубопроводах, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами;

- разработка, на основании проведенных расчетно-теоретических исследований, рекомендаций по комплексной защите напорных трубопроводов крупных насосных станций от гидравлического удара при отключении насосных агрегатов.

Научная новизна работы. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных процессов, возникающих в результате аварийных отключений насосных агрегатов, для крупных насосных станций с учетом норм технологического проектирования;

разработана методика проведения расчетно-теоретических исследований с учетом кавитационных разрывов сплошности потока;

- создан алгоритм и компьютерная программа для расчета переходных процессов, позволяющая полностью моделировать автоматическую работу подобных напорных систем с крупными насосными станциями.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по всем позициям диссертационных исследований обеспечена:

- применением точных теоретических методов анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов;

- использованием современных компьютерных программ;

- большим объемом и достаточной полнотой выполненных расчетно-теоретических исследований, согласующихся с материалами проектных разработок крупных насосных станций, выполненных ЗАО ПО "Совинтервод".

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы обусловлена актуальностью рассматриваемых проблем и конкретными результатами для оценки гидравлического удара в напорных трубопроводах. Реализация предложенной математической модели в компьютерной версии позволяет проводить расчеты переходных процессов в напорных трубопроводах с крупными насосными станциями с учетом действия средств защиты.

Методы исследований. Применены методы вычислительной математики, современные методы программирования, анализ и обобщение расчетно-теоретических исследований.

Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных трубопроводов с крупными насосными станциями от гидравлического удара при отключении насосных агрегатов и в значительной мере повысить надежность работы водохозяйственных систем.

Личный вклад автора. Постановка задач исследований в области гидравлики напорных трубопроводов с крупными насосными станциями, выбор направлений их решения, анализ и обобщение приведенных в диссертации результатов, выполнены автором.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических и научно-теоретических конференциях при ФГОУ ВПО "Московский государственный университет природообустройства" в 2011-2013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 152 страницы, состоит из введения, 4 глав, заключения, включает в себя 35

рисунков, 2 таблицы и приложение. Библиографический список литературы содержит 186 наименований, в том числе 16 иностранных изданий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В введении обоснованы актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и определена практическая значимость полученных результатов, а так же приведена информация о структуре и объеме работы и апробации ряда ее результатов.

В первой главе дается обзор современного состояния теории переходных процессов и гидравлического удара, выделяются главные направления ее развития.

Отмечается, что резкое изменение давления в напорном трубопроводе нужно учитывать при расчетах прочности и надежности трубопроводных систем и при автоматическом управлении устройствами, присоединенными к трубопроводам.

Указывается, что развитие теории гидравлического удара связано с фундаментальными исследованиями, следующими авторами: В.М. Алышев, М.М. Андрияшев, Н.В. Арефьев, В.А. Архангельский, H.H. Аршеневский, К.Г. Асатура, Д.С. Бегляров, В.В. Берлин, В.И. Блохин, В.И. Виссарионов, К.П. Вишневский, И.П. Гинзбург, JI.C. Геращенко, Е.В. Гладкова, А.Г. Джаваршейшвили, B.C. Дикаревский, Н.Г. Зубкова, Л.Б. Зубов, А.П. Канина, С.Н. Карамбиров, H.A. Карвелишвили, JI.H Картвелишвили, В.Н. Коваленко, Ю.М. Косиченко, Г.И. Кривченко, Б.Ф. Лямаев, Г.И. Мелконян, A.B. Мишуев, М.А. Мостков, Л.Ф. Мошнин, O.A. Муравьев, Е.М. Натариус, Г.Л. Небольсин, Г.В. Ольгаренко, Л.В. Полянская, А.Н. Рожков, И.Ю. Сахаров, A.A. Сурин, Е.Т. Тимофеев, И.С. Трусов, В.А. Фартуков, И.А. Чарный, П.П. Чиркова и другие. За рубежом наиболее значительные работы в области теории гидравлического удара принадлежат авторам: Л. Аллиеви, Р. Ангус, Л. Бержерон, И. Джозеф, Г. Еванжелисти, Р. Леви, Д. Пармакин, В. Стритер, Д. Фокс, X. Христов, Ф. Хэмилл, О. Шнидер и многим другим.

Рассматривается вопрос определения скорости распространения волн повышения давления в напорных трубопроводах в зависимости от материала труб, типа транспортируемой насосной станцией жидкости. Указывается, что значительное влияние на снижение скорости распространения ударных волн оказывает содержание нерастворенного воздуха, приводятся данные о исследованиях в данном направлении, проведенные авторами: В.М. Алышев, А.Г. Джаваршейшвили, B.C. Дикаревский, Н.Г. Зубкова, Л.Ф. Мошнин, В.О. Токмаджан и др. Отмечается, что значения скорости распространения ударной волны, определенные для одних и тех же условий по различным зависимостям, могут значительно отличаться.

Разработанные методики /В.М. Алышев, К.П. Вишневский, B.C. Дикаревский, С.Н. Карамбиров, JI.H Картвелишвили, Л.Ф. Мошнин, И.А. Чарный/ для расчета гидравлического удара разрешены еще не в полной мере, ввиду многообразия влияющих факторов и сложности процессов, как в трубопроводах, так и в насосных станциях.

Большинство работ в рассматриваемой области связано с расчетами основных параметров переходных процессов для насосных станций малой и средней подачи.

Во второй главе рассматриваются мероприятия, направленные на предотвращение повышения давления в напорных трубопроводах насосных станций. Средства борьбы с недопустимыми повышениями давления в напорных трубопроводах при переходных процессах могут быть подразделены на средства для уменьшения скоростей движения воды в обратном нормальному направлении и средства для сброса воды из трубопроводов. Эффективность применения различных средств защиты трубопроводов зависит от правильности их выбора.

В связи с этим в конце главы сделан вывод о том, что несмотря на большое количество средств защиты трубопроводов, разработанных для других систем транспортировки жидкости, они не всегда могут эффективно использоваться для напорных трубопроводов крупных насосных станций.

В третьей главе приводится описание разработанных и включенных в методику расчета, алгоритм и компьютерную программу дополнений, позволяющих проводить расчеты переходных процессов в наносных станциях при присоединении напорных трубопроводов к водоприемнику с помощью водовыпуска с быстропадающими затворами и с учетом нерастворенного в воде воздуха, а также основных положений по расчету переходных процессов при различных шагах по координате Дх и времени Д1.

Неустановившееся движение воды в трубопроводах напорных систем описываются уравнениями, которые представляют собой дифференциальную форму уравнения неразрывности и уравнения количества движения:

дН (дН д:Л а1 ди п

— + и\---+---= 0, (1)

д( \ дх дх) ё дх у '

ди ди дН . ЬЬ

—-4-и— + £-+- Л -—— = 0, (2)

5г дх дх 2(1

где Н и и - неизвестные функции: напор и скорость движения воды; х —

координата; г - отметка оси трубопровода; Г - время; а - скорость

распространения волн изменения давления; g - ускорение свободного падения;

й-диаметр трубопровода; X - коэффициент сопротивления труб на трение.

Система уравнений, записанных в таком виде, аналитически не разрешима. Для получения аналитического решения необходимо пренебречь

(дН дг} ди „ЬЬ

членом ——— в уравнении (1) и членами и— и Л— в уравнении (2).

^ ох дх) дх 2с1

Тогда уравнения (1) и (2) примут вид обычных волновых уравнений:

? + (3)

от g дх

ди дН Л ,..

аГ + *аГ = 0- (4)

Дифференцируя уравнение (3) по /, а уравнение (4) по исключив из них переменную и, а затем дифференцируя уравнение (3) по а уравнение (4) по г, исключив переменную Я, получаем волновые уравнения в следующем виде:

дгН гдгН

511

дги 2 д2и

д!1 — а —г-. дх2

(6)

Общим решением этих уравнений являются выражения:

Н = Н0 + р\1-Ц + ^1 + Ц, (7)

и = + + Ч (8)

где Н0 и и о - начальные значения напора и скорости; <р и ц/ — функции, характеризующие волны изменения давления, распространяющиеся по направлению оси х и соответственно против этого направления.

В большей степени для численного решения переходных процессов используется • метод характеристик. Для решения методом характеристик

дифференциальные уравнения (3) и (4) с учетом члена Х^— в частных

2 с1

производных заменяются четырьмя дифференциальными уравнениями:

Уравнением прямой характеристики, определяющим распространение волн по направлению оси х:

Ж 1

Л = а- (9)

Уравнением обратной характеристики, определяющим распространение волн против направления по оси х\

Л 1

— =--• (10)

ах а

Уравнением, определяющим соотношение между Н и V вдоль прямой характеристики:

+ = (11) а 2 с!

Уравнением, определяющим соотношение между Я и V вдоль обратной характеристики:

а 2й

Таким образом, интегрирование уравнений (3) и (4) неустановившегося движения жидкости заменяются интегрированием уравнений (3) и (4) вдоль характеристик, выраженных уравнениями (9) и (10).

Схема метода характеристик с прямоугольной сеткой, принятая для решения уравнений (11) и (12) приведена на рисунке 1.

У+1

У-1

Рисунок 1 - Схема определения параметров переходных процессом методом характеристик

¿-1

Важно отметить, что расчеты, моделирующие автоматическую работу крупных насосных станций практически можно осуществить только с различными шагами по времени Д1 и в особенности по координате Дх.

В соответствии с поставленной практикой задачей был принят шаг ЛХ| разбивки по длине трубопроводов напорных коммуникаций меньший (в отдельных случаях значительно меньший), чем шаг Дх2 для напорных трубопроводов. Также проводились расчеты переходных процессов в напорных коммуникациях насосов и самих насосах для моментов времени, отличающихся на интервал времени Д^ меньший, чем Д12 для напорных трубопроводов.

Для того, чтобы изменения в алгоритме расчета были бы как можно меньшими необходимо, чтобы Дх2 и Д12 были бы кратны Дх, и Д^. Схема расчета представлена на рис. 2.

В результате выполнения расчета для каждой точки, для каждого расчетного момента времени ] в общем случае определялись значения напоров ^¡(¡-1),; и в сечении до и после этой точки и скоростей движения воды

Уф-!),; и также в этих сечениях. Для точек, которые не являются

точками изменения диаметра, отбора воды, разветвлениями, концевыми и так далее, при условии сохранения сплошности потока, =Я;уИ

Для определения Нщ_ , , и К((£+1))/ в принятом для

расчета методе использовались значения волн изменения давления: (рц^щ, '/'¡О+Щ " подошедших к точке / в момент времени у от точки (/-1) (по направлению начального движения воды) и, соответственно, от точки (/+1) (против направления начального движения воды) и ср^ возникших в точке г в момент] в результате подхода волн (р^^-ц, '/'¡(¡+1),;.

Значение напоров и скоростей движения воды в точке в момент времени ] в соответствии с этим определялись по формулам:

#¡(¿-1),; = ^¡(¡-1),о + + Фи • (13)

v - v i 9(.<рк1-1у+ч>ф п4,

^¡(¡+1),; = Я(((+1).о + Фи + Фщ+1), ] > (15)

т/ - т/ , з(<рц+1рц1+р.1У.

Щ1+1Ц ~ ^(¡+1).о +---/ (До)

где о , Кр-о. ои Н,(,+!) о, о - начальные значения напоров и скоростей

движения воды в сечениях до точки и, соответственно, после этой точки.

Волны <р(_у , 4>1,] к следующему расчетному моменту времени (]+/) достигали точки (/+7) и, соответственно, (/-/), причем вследствие гидравлического сопротивления участка на трение величины этих волн изменялись. Эти, подошедшие к точкам (/+/) и (/-7), волны обозначались

Расчет для точки изменения шага имел при этом следующие особенности. Волна (рц, возникшая в точке / изменения шага достигает точки (/+/) через КИЗМД1] интервалов времени, то есть в момент времени ]+Ктм, поэтому фиксироваться должны лишь значения возникающие в моменты времени, кратные Ку, начиная с 1=0, то есть _/=0. При расчете для точки / волна ^¡(¡+1),; принималась неизменяющейся в течение Ку>И1 интервалов времени, так как

изменение значения этой волны осуществлялось только в моменты времени кратные ЛуЛ/.

В связи с этим, необходимо было фиксировать значение фщ+г)^ и изменять его через К/1/ интервалов времени после возникновения волны

Одна из задач диссертации состояла в разработке дополнения к алгоритму и компьютерной программе, позволяющего учитывать при расчетах переходных процессов водовыпускное сооружение с быстропадающими затворами. Для расчета принимались следующие условия работы водовыпуска данного типа. При полностью открытом затворе гидравлическое сопротивление водовыпускного устройства равно нулю и напор в конце напорного трубопровода соответствовал уровню воды в водоприемнике .

Закрытие затвора могло начаться одновременно с отключением электропитания двигателей насосов, а могло происходить и с некоторым запаздыванием, а так же как равномерно, так и неравномерно во времени. Каждому моменту времени с начала закрытия до полного закрытия соответствовала таким образом определенная степень открытия затвора и определенное гидравлическое сопротивление 5ВС водовыпускного сооружения.

Для расчета в диссертации гидравлическое сопротивление Бвс задавалось в функции времени I в табличной форме. Гидравлическое сопротивление изменялось в зависимости от степени открытия затвора весьма неравномерно -незначительно в начальной стадии закрытия и весьма резко в конце. Для случая полного закрытия величины гидравлического сопротивления Бвс и коэффициента гидравлического сопротивления 4 для случая полного закрытия затвора были приняты условно, в самом деле они стремятся к бесконечности.

Для вычисления отраженных волн в концевой точке п трубопровода (точке присоединения к водовыпускному сооружению с быстропадающим затвором) была получена следующая формула:

Фп,] = <Рп(п-Ц}

2 2<р

(17)

где IрП] - отраженная волна, возникшая в концевой точке п в момент времени];

<рп(п-1),] - волна, подошедшая к точке п от точки (п-1), возникшая в этой точке в момент времени (¡-1); а - скорость распространения волн изменения давления; g - ускорение свободного падения; У0 - начальная скорость движения воды в трубопроводе.

В рамках данной главы рассматривался вопрос учета влияния на переходные процессы нерастворенного в воде воздуха. В транспортируемой по напорным трубопроводам воде всегда имеется некоторое количество нерастворенного в воде воздуха. Практически при давлении в трубопроводах от 0,6 до 1 МПа содержание нерастворенного в воде воздуха может составлять от 0,1% до 2% от объема воды. Даже относительно небольшое содержание воздуха оказывает существенное влияние на протекание переходных процессов в напорных системах водоподачи. Прежде всего это выражается в уменьшении скорости распространения волн изменения давления а.

В данной работе использовался способ учета влияния нерастворенного в воде воздуха, предложенный К.П. Вишневским и Л.Ф. Мошниным. Для расчета приняты следующие допущения: масса находящегося в воде нерастворенного воздуха - постоянна; процесс сжатия и расширения воздуха - изотермический, так как температура воды и воздуха в трубопроводах при переходных процессах практически остается постоянной; нерастворенный в воде воздух находится между границами расчетных участков и перемещение его по трубопроводу таким образом не учитывается; изменение длин расчетных участков за счет расширения и сжатия воздуха так же не учитывается.

В качестве исходных данных для проведения расчетов переходных процессов с учетом нерастворенного в воде воздуха задавалось отношение:

Кв = У/в1Ш,

(18)

где У\/а - объем воздуха в трубопроводе при атмосферном давлении; IV - объем воды.

В соответствии со значением Кв, объем воздуха в начальный момент времени 1=0 (до возникновения переходного режима) в каждой расчетной точке /, определялось по формуле:

УГ,Л = К,,71 й2/4 Ах Ра„и,/Рабсио, (19)

где с! - диаметр трубопровода; Раг7с;о - абсолютное давление в точке переходного режима; Рш„„ - атмосферное давление.

Таким образом объемы воздуха в расчетных точках и при стационарном режиме были различными. При переходных процессах эти объемы также соответствовали значениям давления Ру в расчетных точках. Минимально возможное давление Рт1п принималось соответствующим давлению насыщенных паров воды.

Изменение объема воздуха за расчетный период времени Д1 в каждой расчетной точке определялось по средней величине разности расходов воды в сечениях до и после этой точки:

АОи +АОи_1 Юц = --2 ^ (20)

Так как процесс сжатия и расширения нерастворенного в воде воздуха принимался изотермическим, могло быть также записано следующее выражение, определявшее зависимость между давлением и объемом нерастворенного в воде воздуха:

с21)

В соответствии с этими выражениями была получена формула для определения значения волны

1 /-алд^-! а\Уи-1

2\ 2дш дшА1

- Ну, + —

Ра

РЗ

атм

<РЩ-1).} +

1 /аАдц.! аЩ.!-!

\ 2дсо дш ЛС

Р \ Р

г г . т атм , , \ I °

- Я,-о + Z¡ - —— - (рщ-гу + Ут-щ) + —

атм

откл'

р<72соЛс

Значение <р1 могло быть получено по аналогичной формуле или определено из соответствия срц^ц + = <Рц + ^¡(¡+1 ),;••

Расчет переходных процессов с учетом нерастворенного в воде воздуха осуществлялся в следующей последовательности. В каждый расчетный момент времени _/ для каждой расчетной точки г проверялась величина УУ^]. Если она

р

оказывалась меньше —~— , то есть меньше объема воздуха,

соответствующего минимальному давлению, то вычислялась по формуле (22), так же вычислялись значения <рц, Ну, Шу. Если при этом значение

р 1

Ну — получалось меньше , это означало, что в расчетной точке

происходило образование кавитационного разрыва сплошности потока.

Поэтому Ну = Ну — принималось в этих случаях равным и в

соответствии с этим условием осуществлялся расчет изменения объема разрыва сплошности потока. Таким образом в следующий момент времени 0+1) вер

личина будет больше Щдтм-—^—и управление передавалось к

расчету образования кавитационного разрыва сплошности потока. В случае

р

последующего уменьшения величины И/,-,- ниже —— вновь

осуществлялся расчет сжатия нерастворенного воздуха.

Блок-схема алгоритма расчета, разработанная автором, представлена на рис. 3.

В четвертой главе описываются и анализируются результаты расчетно-теоретических исследований переходных процессов в крупных насосных станциях, оборудованных водовыпускными сооружениями с быстропадающими затворами, возникающих при аварийных отключениях агрегатов.

Расчеты переходных процессов проводились для двух вариантов компоновки гидроузла проектируемой насосной станции канала для перераспределения части стока р. Волги в Дон.

Первая серия расчетов переходных режимов крупной насосной станции была проведена для случая подачи воды девятью вертикальными насосами марки 2400В - 25/100 в три трубопровода диаметром 5000 мм и длиной 1450 м уложенные открыто. Профиль трубопровода показан на рис. 4. Расстановка расчетных точек представлена на рис. 5. Таким образом на одну нитку трубопровода могут работать от одного до трех насосов. Соединение с водоприемником осуществляется водовыпускным сооружением с быстропадающими затворами. Время полного закрытия затвора составляло 120 с. На напорных линиях насосов диаметром 2800 мм предусматривалась установка дисковых затворов с гидроприводом того же диаметра. При расчетах использовались четырехквадрантные характеристики. Несмотря на то, что их использование связано с относительно большим объемом исходной информации, их применение имеет ряд преимуществ: во-первых, это привычное представление характеристик в первом квадранте, что соответствует обычной каталожной форме; во-вторых, это представление характеристик для всех режимов в относительных координатах. Насосы агрегированы с синхронными электродвигателями с частотой вращения 214.3 мин"1 и маховым моментом 00=1500 тм2. Расчеты проводились при геодезической высоте подъема воды Нг = 81.2 м, соответствующей уровню воды в водоисточнике 14.8 м и в водоприемнике 96.0 м. Расчеты в основном были проведены для случаев аварийных отключений электропитания двигателей насосов при максимальной величине расхода воды в трубопроводе, соответствующей работе трех насосов на одну нитку трубопровода; при этом подача насоса 21.7 м3/с, напор 99.6 м и скорость движения воды в трубопроводе 3.3 м/с.

Первый вариант расчета был проведен для случая, когда затворы на напорных линиях насосов после отключения насоса остаются полностью открытыми; отключение напорных трубопроводов от водоприемника с

быстропадающими затворами также не учитывалось. Скорость распространения воли изменения давления по трубопроводу принята равной 1000 м/с. Длина участка разбивки трубопровода была принята равной 29 м, т.е. число расчетных участков при этом 50. Результаты расчета - линии изменения скорости движения воды в начале напорного трубопровода, напора насоса и частоты вращения показаны на рис. 6. Результаты расчета показали, что на участке трубопровода на расстоянии от 580 до 750 м от его начала вакуум при переходном процессе превышает 8 м, т.е. возможно образование разрывов сплошности потока.

Второй вариант расчета был проведен для тех же условий, что и первый, но было принято, что в транспортируемой по трубопроводу воде находился нерастворенный воздух, содержание которого при атмосферном давлении составляет 0.2% от объема воды. Расчет таким образом проводился с использованием дополнений, разработанных и включенных в компьютерную программу для расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи. Результаты расчета этого варианта, как и следовало ожидать при таком незначительном содержании воздуха, мало отличались от результатов расчета первого варианта - максимальная величина реверсивной частоты также составляла 1.13 от номинальной, а напор при этом 97.1 м.

Третий вариант расчета выполнен также для условий аналогичных второму, но процентное содержание нерастворенного в воде воздуха было принято равным 1%. Большее содержание нерастворенного в воде воздуха обуславливает большие расхождения в результатах расчета по сравнению с предыдущим вариантом. В соответствии с этими результатами был проведен четвертый вариант расчета для аналогичных условий, но при еще большем содержании нерастворенного в воде воздуха, равному 2% от объема воды. Результаты этого расчета показаны на рис.7. Изменение направления движения воды в начале напорного трубопровода происходило при этом еще более быстро (через 8.6 с после отключения насоса). Реверсивное вращение начиналось через 23.2 с и частота достигает максимальной величины (1.19 от

номинальной) через 43.8 с, напор насоса при этом возрастал до 107.7 м. т.е. становился большим, чем рабочий напор. Таким образом в данном случае, определяющим для назначения прочностных показателей труб, является вариант расчета при значительном содержании нерастворенного в воде воздуха, несмотря на то, что скорость распространения волн изменения давления при этом меньше.

Пятый и шестой варианты расчета были выполнены с учетом фактического закрытия быстропадающих затворов водовыпускного устройства и закрытия затворов на напорных линиях насосов. Закрытие быстропадающих затворов за 120 с практически не влияло на протекание переходного процесса, вызываемого аварийным отключением электропитания двигателей насосов

Седьмой вариант проведен для случая, когда при трех работающих насосах происходило отключение одного из них при открытом затворе на его напорной линии. Изменение направления движения воды в напорной линии отключаемого насоса происходило весьма быстро через 2.5 с, а реверсивное вращение начиналось через 14 с после его выключения.

Вторая серия расчетов переходных режимов на крупной насосной станции была проведена для случая подачи воды девятью вертикальными центробежными насосами марки 2400 В - 31.5/80 в индивидуальные стальные трубопроводы, диаметром 3200 м и длиной = 1430 м, уложенные в грунте, рис. 8. Таким образом, по сравнению с вариантом, для которого выполнялась 1 серия расчетов, изменены не только диаметры трубопроводов, но и основное гидромеханическое оборудование. Четырехквадрантные характеристики насосов 2400 В - 31.5/80 построены по данным испытаний модельного насоса с рабочим колесом 289 мм, полученным от ВНИИ «Гидромаш». Расчеты проводились при наибольшей геодезической высоте подъема воды Hr max = 84.5 м, которая соответствует минимальному уровню воды в водоисточнике, равному 12.0 м и максимальному в водоприемнике 96.5 м. Поскольку каждый насос подает воду в индивидуальный трубопровод, расчеты выполнялись при

одних и тех же начальных значениях подачи насоса 25.8 м3/с, напора насоса 88.3 м и скорости движения воды в трубопроводе 3.3 м/с.

Первый вариант расчета был проведен для случая, когда установленный на напорной линии насоса дисковый затвор диаметром 2800 мм после отключения насоса остается открытым и при отсутствии на трубопроводе какой-либо противоударной арматуры. Скорость распространения волн изменения давления была принята равной 1000 м/с, что практически соответствовало отсутствию нерастворенного в воде воздуха. График изменения напора, скорости движения воды в начале напорного трубопровода и частоты вращения ротора насосного агрегата показаны на рис. 9. Результаты расчета показали, что в трубопроводе (участок от 600 м до 850 м от начала трубопровода) после отключения насоса образуется глубокий вакуум, что приводит к разрыву сплошности потока в трубопроводе. В данном случае последующая ликвидация разрыва сплошности потока не приводит к какому-либо ощутимому повышению давления. Однако, поскольку толщина стенок стального трубопровода была определена из условия, что вакуум не превосходит 5 м, это должно быть обеспечено принятием соответствующих мероприятий.

Поэтому второй вариант расчета был проведен при установке на трубопроводе двух аэрационных клапанов (клапанов для впуска и защемления воздуха) одного на расстоянии 50 м, а второго - 630 м от насосной станции, остальных в тех же условиях, что и в первом варианте. Третий вариант расчета проведен для таких же условий, что и второй, но было принято, что в транспортируемой по трубопроводу воде имелся нерастворенный воздух, содержание которого составляет 1% от объема воды при атмосферном давлении. Четвертый и пятый варианты расчета были выполнены с учетом равномерного закрытия затвора диаметром 2800 мм, установленного на напорной линии насоса за 120 с. В соответствии с этим было увеличено время переходного процесса, для которого проводились эти расчеты, более 120 с. Четвертый вариант был выполнен при скорости распространения волн

изменения давления равной 1000 м/с, т.е. при отсутствии нерастворенного в воде воздуха, в пятом влияние нерастворенного воздуха учитывалось снижением величины а до 500 м/с.

Три следующих варианта расчета (шестой, седьмой и восьмой) были выполнены при установке на трубопроводе двух аэрационных клапанов: первого на расстоянии 630 м от его начала, второго на расстоянии 1020 м. Эти варианты приведены для случая, когда затвор на напорной линии насоса оставался открытым.

Девятый и десятый варианты расчета выполнены с учетом равномерного закрытия затвора на напорной линий насоса за 90 с, при этом для девятого варианта было принято, что нерастворенный воздух в воде отсутствовал, а для десятого, что содержание его составляло 2% от объема воды. Результаты расчета девятого варианта приведены на рис. 10.

В главе так же рассмотрена экономическая эффективность применения предлагаемой методики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы, полученные в результате проведения расчетно-теоретических исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполненный анализ изученных автором научных материалов показал, что переходные процессы в системах водоподачи насосных станций могут сопровождаться существенными отклонениями параметров от значений, соответствующих рабочим режимам, что, в особенности, относится к давлению в трубопроводах и насосах. Значительное изменение этих параметров приводило к нарушению нормального режима эксплуатации напорных систем, преждевременному выходу из строя их отдельных элементов, а иногда и авариям.

2. Для расчета переходных процессов в напорных системах приняты дифференциальные уравнения неустановившегося движения воды в трубопроводах, в которых не учитываются конвективные члены и

пренебрежение которыми позволяет значительно упростить решение уравнений не приводя к ощутимым погрешностям в определении времени распространения волн по трубопроводам.

3. Среди различных направлений по определению скоростей распространения волны гидроудара наиболее обоснованными и полно отражающими физическую сущность процесса, являются зависимости, полученные: В.М. Алышевым, А.Г. Джаваршейшвили, B.C. Дикаревским, Н.Г. Зубковой, H.A. Картвелишвили, JI.H Картвелишвили, Б.Ф. Лямаевым, Д.Н. Смирновым, И.А. Чарньтм.

4. Созданная на основе теоретического обобщения существующих методик расчета математическая модель, дала возможность провести с необходимой степенью точности расчеты переходных процессов в напорных трубопроводах с крупными насосными станциями, входящих в комплексы сооружений водного хозяйства и гидроэнергетики.

5. Расчеты переходных процессов методом характеристик с различными шагами по координате Дх и времени At позволили:

- полностью смоделировать автоматическую работу напорных систем водоподачи с крупными насосными станциями;

- более точно проводить расчеты для случаев отключения или пуска насосного агрегата из нескольких, соединенных параллельно;

- более точно производить расчеты для случаев резкого подъема профиля напорного трубопровода на начальном участке.

6. Традиционные методы, основанные на аналитическом решении уравнений, во многих случаях требуют принятия определенного числа допущений, влияющих в конечном итоге на точность результатов:

- масса находящегося в воде нерастворенного воздуха принята постоянной. Это вполне допустимо, поскольку растворение воздуха при увеличении давления происходит медленно, выделение же воздуха при снижении давления более интенсивно, но увеличение объема воздуха в значительно большей степени происходит вследствие его расширения;

- процесс сжатия и расширения воздуха принят изотермическим, что также приемлемо, так как температура воды и воздуха в трубопроводах при переходных процессах практически остается постоянной;

- принято, что нерастворенный в воде воздух находится между границами расчетных участков и перемещение его по трубопроводу таким образом не учитывается. Эта расчетная схема, разумеется, условна. Однако достаточно просто возможность ее использования проверяется сопротивлением результатов расчетов при различных длинах расчетных участков, то есть при различном числе расчетных точек, что практически и было сделано при проведении проверочных расчетов на компьютере по принятому методу. Можно также отметить, что принятие потока в расчетах двухфазным также не совсем соответствует действительности, так как воздух скапливается в основном в повышенных (переломных) точках трубопроводов. Учет же перемещения воздуха по трубопроводам практически едва ли осуществим при использовании любого метода;

- изменение длин расчетных участков за счет расширения и сжатия воздуха не учитывается. Время Д1 распространения волн по расчетным участкам принято постоянным для всего периода расчета переходного процесса. Объемы нерастворенного воздуха всегда значительно меньше объемов, занимаемых в трубопроводах водой, поэтому уменьшение последних и, соответственно, длин трубопроводов, заполненных водой, можно не учитывать. Фактическое изменение времени распространения волн по трубопроводам учитывается в расчетах за счет сжатия и расширения объемов воздуха, принятых находящимися между границами расчетных участков.

7. Наибольший интерес представляют экстремальные величины различных параметров, изменяющихся при переходных процессах и, прежде всего, давления (напора). Алгоритмом расчета предусматривается проверка напоров в каждой расчетной точке в каждый расчетный момент времени на максимум и минимум.

Обобщение результатов расчетно-теоретичееких исследований с использованием разработанных алгоритма и дополнений для программного комплекса дало возможность: во-первых, проводить предварительную оценку колебаний давления при переходных процессах в напорных трубопроводах-крупных насосных станций, с водовыпускным сооружением с быстропадающими затворами; во-вторых, выявить влияние на эти процессы отдельных параметров (Я/. Ук <рц, гри); в-третьих, осуществить расчет неустановившегося напорного движения реальной жидкости с учетом разрывов сплошности потока.

8. Решение моделируемых процессов в компьютерной версии происходит за определенный период времени, который может быть уменьшен или увеличен по сравнению с реальным временем протекания процесса.

Для визуального наблюдения за изменениями изучаемого процесса результаты представлены в виде графиков (рис. 6, 7, 9, 10), которые дают возможность оценить правильность принятого значения времени переходного процесса для расчета.

9. На основании проведенных исследований и обобщению материалов по применению средств защиты от гидравлического удара позволили осуществить путем подбора такие мероприятия по защите напорных трубопроводов для крупных насосных станций от недопустимых повышений давления при переходных процессах, как впуск воздуха с помощью аэрационных клапанов.

Это дает возможность принимать трубы и трубопроводную арматуру с прочностными показателями, не превышающими значений, необходимых по условиям рабочих режимов. Как показали расчеты, уменьшение величины вакуума в напором трубопроводе может быть достигнуто установкой аэрационных клапанов (клапанов для впуска и защемления воздуха) в пределах до 5 м.

10. Экономический эффект от внедрения усовершенствованной программы расчета переходных процессов в практику проектирования

заключается в основном в снижении строительной стоимости напорного трубопровода.

Многофакторность переходных процессов не может быть полностью учтена универсальной математической моделью. Таким образом, в диссертационной работе рассматривается один из подходов к реализации решения данной проблемы.

Результаты диссертационной работы нашли свое практическое применение в проектных решениях ООО "ПроектГеоСтрой".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Переверзев С.Ю. Влияние времени закрытия гидравлической задвижки на величину гидравлического удара при эксплуатации оросительных систем [Текст] / С.Ю. Переверзев / Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения: Материалы Международной научно-практической конференции часть III Безопасность гидротехнических сооружений/ Московский государственный университет природообустройства. -2011.-с. 192-196.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

2. Переверзев С.Ю. Расчетно-теоретические исследования переходных процессов в закрытой оросительной системе [Текст] / Д.С. Бегляров, С.Ю. Переверзев / Природообустройство. - 2012. - № 4 - с. 52-57.

3. Переверзев С.Ю. Учет влияния нерастворенного в воде воздуха на переходные процессы в напорных трубопроводах [Текст] / С.Ю. Переверзев / Вестник ФГОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина серия Агроинженерия / Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина. - 2013. -№ 1 - с. 59-61.

4. Переверзев С.Ю. Серия расчетно-теоретических исследований переходных режимов для крупных насосных станций [Текст] / С.Ю. Переверзев/ Природообустройство. - 2013. - № 5 - с. 66-69.

ДХч

АХб

2ЛХб Координата х

Рисунок 2 - Схема расчета методом характеристик с различными шагами

Дх и Д1

ПУСК

Подача воды насосами

Е

[анные о насосных агрегатах (

Пересчет характеристшс насосов I

[Отметка уровня воды в водоисточнике [ Подача воды в открытые емкости [—

Ютметка уровня воды в водоприемнике

[Последовательная работа станций

Данные о последовательно работающей насосной стан ц и я

[Отбор воды из трубопроводов [Номера узлов отбора воды |

{Автоматическое регулирование I

¡Данные по автоматическому раупироватно

Определение расходов в трубопроводах и и а п о р о в вуз л; ах с ист емы

Разбивка трубопроводов на участки, вычисление отметок, напоров в расчетных и^^.с ива признаков

Признаки арматуры, устройств, оборудования системы и расстояния до них

Определение количества однотипных признаков, корректировка массива признаков

Признак оборудования насоса (насосной станции) Р щ 1 п , К » о а л

¡Водовыпуск с быстроиадзющим затвором

Данные о водовыпуске с быстропадающим затвором

Данные об арматуре и устройствах насосов (насосной станини)

Данные об арматуре, устройствах и оборудовании на трубопроводах

Засылка начальных значений для расчета очередного варианта

Рисунок 3 - Блок-схема, предусматривающая ввод данных и преобразование их к виду, используемому в расчетах

11.3-1 ^0.3

Рисунок 4 - Профиль напорного трубопровода. Первая серия расчетов 0^1 4 .5 е

|= 400 м

|= 500 м

а)

® о—

©

о—

7

© -О-

©

31 " 49

®

11 10

12 13 14 15. " 29

30

б)

Рисунок 5 - Расчетная схема (расстановка расчетных точек): а) - расстановка особых точек; б) - общая расстановка точек

1.0

0.8

0.6

а 0.4

> 0.2 л

О О о 8"-0.2

"-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

-1.2'

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 2-10 Э- О

I

- /- ч Ч

- н 7

\ —^

\\ /

н К /

кч Ч ✓

\ N -А

N \

4 8 12 16 \ 20 24] V 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80

N V \

ч „

X

ч I

Время Г,с

Рисунок 6 - Результаты расчета первого варианта первой серии расчетов: V - значения скорости движения воды в начале трубопровода, м/с; Н - значения напора в начале трубопровода, м; р - относительная частота вращения вала

1 3

СО

а- 2

ш

2 1 о

5 о

03 £

(13 ? -2

1.0

0.8

0.6

.а 0.4 2

>' 0.2 л

& О о §•-0.2

°-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

\

/ \

/ Ч Н

/ ч

\ /

\ /

\ \

ч

\ \ р., К

\ \ \

4 8 Ч2 16 20 24 \28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80

V. 1-Ч \ \

\ /

ч V-

V'. <

Время Т.с

Рисунок 7 - Результаты расчета первого варианта первой серии расчетов: V, V' - значения скорости движения воды в начале и конце трубопровода, м/с; Н - значения напора в начале трубопровода, м; р - относительная частота

вращения вала

4

3

I 2 >" 1

£ о о

°-2 -3 -4

110 100 90

50

40

30

20

= 10 X

Э- 0

N

\ У ч

ч н

\ /

\ /

\\ /

/

\

Ч N \

\ >

4 8 42 16 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84

\ ч \ V

\

к

\

Время Т,с

Рисунок 9 - Результаты расчета первого варианта первой серии расчетов: V - значения скорости движения воды в начале трубопровода, м/с; Н - значения напора в начале трубопровода, м; р - относительная частота вращения вала

3

5 0.2

0 §

1 -»А 1-0.68

С о-

о

££

7

ш

ш

ч/\

ч

22

п

Время Т.с

Рисунок 10 - Результаты расчета первого варианта первой серии расчетов: V - значения скорости движения воды в начале трубопровода, м/с; Н - значения напора в начале трубопровода, м; р - относительная частота вращения вала

•is?'-

Московский государственный университет природообустройства (МГУП)

Зак. № 16 Тираж 100

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Г1РИРОДООБУСТРОЙСТВА

04201456280

На правах рукописи

Переверзев Сергей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ КРУПНЫХ

НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Бегляров Давид Суренович

Москва —2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

ОГЛАВЛЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................2

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................6

1. АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ РАБОТ ПО ТЕОРИИ ПЕРЕХОДНЫХ

ПРОЦЕССОВ................................................................................................................................................................................................11

1.1. Основные факторы, приводящие к возникновению

нестационарных процессов в напорных системах водоподачи................................| ^

12

1.1.1. Выключение насосного агрегата........................................................

15

1.1.2. Остановка параллельно работающих насосов..................................

16

1.1.3. Остановка последовательно работающих насосов...........................

18

1.1.4. Пуск насосных агрегатов....................................................................

1.2. Гидравлический удар в двухфазном газожидкостном напорном 20 потоке.............................................................................................................

1.3. Определение максимального повышения давления при гидравлическом ударе в простом и разветвленном трубопроводе........... 25

1.4. Разрыв сплошности потока................................................................... 30

1.5. Определение скорости распространения волны гидравлического

удара............................................................................................................... 34

2. СПОСОБЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ РАЗРУШИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В НАПОРНЫХ ВОДОВОДАХ............................... 44

2.1. Мероприятия по снижению скорости воды в

водоводах......................................................................................................

2.2. Выброс излишков воды из водоводов..................................................................................................47

2.3. Впуск воздуха и воды в трубопровод....................................................................................................55

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ДЛЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ КРУПНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ..................................................................................................................59

3.1. Задачи исследования............................................................................................................................................................^

3.2. Уравнения, описывающие переходные процессы..............................................................60

3.3. Расчет переходных процессов в напорных системах водоподачи с водовыпускными сооружениями с быстропадающими затворами....................66

3.4. Учет влияния нерастворенного в воде воздуха на переходные процессы в напорных трубопроводах..................................................................................................................71

3.5. Основные положения метода расчета переходных процессов при различном шаге по времени и по координате Ах....................................................................76

4. РАСЧЕТЫ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ДЛЯ КРУПНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ..........................................................................................................................................................82

4.1. Задачи расчетно-теоретических исследований........................................................................82

4.2. Метод расчета переходных процессов при различных шагах Ах и

Лг............................................................................................................................................................................................................................................82

4.3. Дополнения к алгоритму и программе расчета........................................................................88

4.4. Общие положения проектирования крупных насосных станций............91

4.5. Первая серия расчетов переходных режимов............................................................................93

4.6. Вторая серия расчетов переходных режимов............................................................................106

4.7. Рекомендации по уменьшению колебаний давления при

переходных процессах....................................................................................................................................................................123

4.8. Экономическая эффективность..........................................................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................................131

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................................................................................................................153

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2 5

А — удельное сопротивление трубопровода, с /м

а — скорость распространения волн изменения давления, м/с

/?— относительная частота вращения ротора насосного агрегата

с1 — диаметр трубопровода, м

g — ускорение свободного падения, м/с

Н— напор, м

Нг — геодезический напор, м Н„ — напор насоса, м Нтр — напор в трубопроводе, м кт — потери напора, м

Мд— момент, развиваемый электродвигателем, Н-м Мп— момент сопротивления насоса, Н-м т — число ниток трубопровода И- мощность насоса, Кет

п - частота вращения вала насосного агрегата, мин1 Р - давление, МПа () - расход, м3/с (2,- подача насоса, м3/с

2 5

5 - коэффициент гидравлического сопротивления, с /м ? — время, с

Лг - шаг по времени, с

о- скорость движения воды, м/с

х — координата, м

Ах - шаг по координате, м

г — отметка оси трубопровода, м

ср - волна изменения давления, распространяющаяся в направлении начальной скорости, м/с

у/- волна изменения давления, распространяющаяся против направления начальной скорости, м/с

Я — коэффициент сопротивления труб на трение со - угловая скорость, с'1

сотр - площадь поперечного сечения трубопровода, м

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Планами развития народного хозяйства РФ предусматривается широкое строительство крупных водохозяйственных систем (с подачей более 10 м3/с) для водоснабжения, орошения, судоходства, межбассейнового перераспределения стока. Неотъемлемой частью таких систем являются магистральные каналы с насосными станциями большой мощности. Кроме того, в ближайшие годы намечается использование агрегатов крупных насосных станций в качестве потребителей-регуляторов энергосистем.

При изменении режимов работы регулирующих органов в напорных трубопроводах гидросистем возникает неустановившееся движение жидкости. Частным случаем такого движения является гидравлический удар - одна из основных причин аварий, возникающих в напорных гидросистемах.

На стадии проектирования напорных гидросистем для крупных насосных станций следует выполнять расчетно-теоретические исследования неустановившегося напорного движения реальной жидкости с целью обеспечения надежной работы гидросистем в различных режимах и снижения затрат на их строительство и эксплуатацию. Ряд исследователей указывал на то, что для выбора надежных способов и средств ограничения давления при переходных процессах необходимо проведение расчетов, учитывающих как физические закономерности, определяющие ход этих процессов, так и технические характеристики используемого оборудования.

Гидравлические удары, возникающие при выключении насосов, хотя и могут вызывать весьма значительные повышения давления, являются "предсказуемыми" - причина их возникновения известна, закономерности процесса изучены и средства борьбы с повышением давления теоретически обоснованы и экспериментально проверены. Поэтому можно принимать меры защиты, выбирая их применительно к особенностям условий работы данного водовода в соответствии с результатами расчетов, выполненных с использованием компьютерных программ.

В системах подачи и распределения воды могут так же возникать и "непредсказуемые" гидравлические удары в следствие запаздывания закрытия обратных клапанов, быстрого закрытия или открытия запорных устройств, а так же неконтролируемого перемещения воздуха, зависящего от ряда факторов, учет которых практически невозможен.

Рассматривая вопросы совершенствования систем водоподачи и распределения воды, прежде всего необходимо отметить, что значительное снижение стоимости их строительства, которая может составлять 50...70 % общей стоимости гидроузла, может быть достигнута снижением избыточных давлений при стационарных и переходных режимах работы водохозяйственных систем.

В связи с вышеизложенным, большое научное и практическое значение имеют уточнение существующих и разработка новых методов расчета переходных процессов для крупных насосных станций, соединение с водоприемником которых осуществляется водовыпускным сооружением с быстропадающими -затворами, что позволит создавать более совершенные и надежные водохозяйственные системы.

Решение задачи защиты оборудования крупных насосных станций и систем водоподачи от недопустимых мгновенных повышений давлений является весьма актуальным для разработки новых водохозяйственных объектов.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих

задач:

- рассмотрение основных существующих зависимостей для расчетов переходных процессов в напорных трубопроводах и выделение главного направления развития исследований;

- совершенствование существующей методики расчета переходных процессов в напорных трубопроводах крупных насосных станций, часто встречающихся в водохозяйственной практике;

- разработка алгоритма расчета и его реализация в компьютерной программе;

- проведение расчетно-теоретических исследований различных случаев переходных процессов в напорных трубопроводах, соединенных с водоприемником с помощью водовыпускных сооружений, оборудованных быстропадающими затворами;

- разработка, на основании проведенных расчетно-теоретических исследований, рекомендаций по комплексной защите напорных трубопроводов крупных насосных станций от гидравлического удара при отключении насосных агрегатов.

Научная новизна работы. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

- усовершенствована математическая модель гидравлических переходных процессов, возникающих в результате аварийных отключений насосных агрегатов, для крупных насосных станций с учетом норм технологического проектирования;

разработана методика проведения расчетно-теоретических исследований с учетом кавитационных разрывов сплошности потока;

- создан алгоритм и компьютерная программа для расчета переходных процессов, позволяющая полностью моделировать автоматическую работу подобных напорных систем с крупными насосными станциями.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов по всем позициям диссертационных исследований обеспечена:

- применением точных теоретических методов анализа и исходных зависимостей, общепринятых в теории исследования переходных процессов;

- использованием современных компьютерных программ;

- большим объемом и достаточной полнотой выполненных расчетно-теоретических исследований, согласующихся с материалами проектных разработок крупных насосных станций, выполненных ЗАО ПО "Совинтервод".

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы обусловлена актуальностью рассматриваемых проблем и конкретными результатами для оценки гидравлического удара в напорных трубопроводах. Реализация предложенной математической модели в компьютерной версии позволяет проводить расчеты переходных процессов в напорных трубопроводах с крупными насосными станциями с учетом действия средств защиты.

Методы исследований. Применены методы вычислительной математики, современные методы программирования, анализ и обобщение расчетно-теоретических исследований.

Реализация работы. Результаты исследований позволили разработать предложения по защите напорных трубопроводов с крупными насосными станциями от гидравлического удара при отключении насосных агрегатов и в значительной мере повысить надежность работы водохозяйственных систем.

Личный вклад автора. Постановка задач исследований в области гидравлики напорных трубопроводов с крупными насосными станциями, выбор направлений их решения, анализ и обобщение приведенных в диссертации результатов, выполнены автором.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических и научно-теоретических конференциях при ФГОУ ВПО "Московский государственный университет природообустройства" в 2011-2013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 152 страницы, состоит из введения, 4 глав, заключения, включает в себя 35

рисунков, 2 таблицы и приложение. Библиографический список литературы содержит 186 наименований, в том числе 16 иностранных изданий.

1. АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ РАБОТ ПО ТЕОРИИ ПЕРЕХОДНЫХ

ПРОЦЕССОВ

1.1. Основные факторы, приводящие к возникновению нестационарных процессов в напорных системах водоподачи

Параметры работы напорных систем водоподачи постоянно изменяются, отсюда следует вывод, что разделение процессов на стационарные и переходные представляется довольно условным. При тщательном рассмотрении режимов, которые принято считать за стационарные, можно обнаружить некоторое колебание характерных параметров, которые сравнительно малы, поэтому ими принято пренебрегать.

Общепринято считать переходный процесс переходом из одного условного стационарного режима работы насосной установки в другой с изменением основных параметров (количество оборотов вала насоса, скорость воды в трубопроводе, давление), характеризующих эти процессы за их пределы при работе в стационарных режимах.

Резкие скачки давления в напорных сетях водоподачи, происходящие при нестационарных процессах, возникают, как правило, при запланированных и экстренных остановках насосов, их запусках, изменении угловой скорости вращения валов насосных установок, манипулировании запорной арматурой, впуске в трубопровод воды.

Манипулируя режимом запирания и открытия запорной арматуры, на практике возможно избежать образование ударных явлений, спровоцированных работой запорной арматурой.

Осветим главные факторы, вызывающие резкие скачки напора в трубопроводах напорных сетей водоподачи: запуск и остановка насосных установок при полностью или фрагментарно открытых регулирующих механизмах на нагнетательных линиях насосов.

При закрытии запорной арматуры, когда насосы разъединены с трубопроводами, нестационарные процессы имеют место лишь в самих насосных установках и не влияют на трубопроводную сеть.

1.1.1. Выключение насосного агрегата

Напор, развиваемый насосом во время стационарного режима работы, идет на подъем воды на высоту Нг, которая равна разности отметок воды между водовыпускным сооружением и водоисточником, а также затрачивается на компенсирование гидравлических сопротивлений (потерь) как на трение воды о стенки по всей длине трубопровода, так и местных.

Если суммарное гидравлическое сопротивление обозначить как 5", то

■у

необходимый напор насоса можно записать выражением Н=Нг+80' (в котором 0-это расход воды в трубопроводе, в данном случае равный подаче насосов).

Кроме того, зависимость между подачей насоса и его напором определяется напорной характеристикой, из чего следует, что при нормальном режиме работы рабочая точка насоса - это пересечение характеристики самого насоса Я-0 с характеристикой трубопровода Нтр=Нгл-8<^. Во время нормального режима работы вал насосного агрегата вращается с постоянной частотой (точнее — с незначительно изменяющейся). При этом постоянство частоты вращения обуславливается тем, что развиваемый двигателем крутящий момент (как правило - электродвигателем) равен крутящему моменту, необходимому насосу и часто именуемому «моментом сопротивления».

Во время отключения двигателя крутящий момент, развиваемый им, обращается в ноль, вызывая уменьшение частоты вращения всего насосного агрегата и вызывая уменьшение подачи воды и напора насоса.

При уменьшении напора агрегата снижается и давление в начале трубопровода, распространяясь по трубопроводу в виде волны пониженного давления. Через определенное время, которое зависит от длины трубопровода, волна пониженного давления достигает конца трубопровода 1тр и скорости

распространения удар