Противоударная защита для напорных водоводов насосных станций в режиме пуска насоса

УДК 502/504:626.83 Д. Ш. АПРЕСЯН

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ПРОТИВОУДАРНАЯ ЗАЩИТА ДЛЯ НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ В РЕЖИМЕ ПУСКА НАСОСА

Рассматривается комплекс вопросов, связанных с механическими и гидравлическими переходными процессами на насосных станциях при пуске насосного агрегата.

Напорная система водоподачи, насосная станция, насос, напорный трубопровод,

обратный клапан, переходные процессы.

There is considered a complex of questions connected with mechanical and hydraulic transient processes at the pump stations when setting up a pump aggregate.

Pressure water supply system, pump station, pump, pressure pipeline, back-pressure

valve, transient processes.

Переходные процессы в напорных системах водоподачи связаны в основном с неустановившимся движением жидкости в трубопроводах, т. е. основные процессы - гидравлические.

Переходные процессы возникают в результате изменения режима работы насосных агрегатов и степени открытия трубопроводной арматуры и устройств, являющихся различными механизмами, поэтому изменения их состояния определяются также механическими переходными процессами. Вода подается в напорные системы насосами, которые в большинстве случаев приводятся в действие от электродвигателей, поэтому изменение режима работы насосных агрегатов связано и с электрическими переходными процессами. Таким образом, в напорных системах водоподачи наряду с гидравлическими должны учитываться также механические и электрические переходные процессы.

Механические переходные процессы в насосных агрегатах. Следует отметить работы, выполненные в этом направлении В. И. Богдановским, В. И. Виссарионовым, Е. В. Гутовским, В. Я. Карелиным, Р. А. Но-водережкиным, А. В. Подласовым, Г. Г. Герасимовым, М. Я. Пановым, А. М. Кургановым, А.И. Степановым, Н. П. Яковлевым.

Ротор насосного агрегата приводится во вращение от двигателя, который развивает при работе момент Мд . Насос потребляет при этом момент Мн , который обычно называют моментом сопротивления. При нормальном режиме работы насосного агрегата

с постоянной частотой вращения вращающийся момент двигателя Мд равен моменту сопротивления насоса Мн. Разность между моментами Мд и Мн приводит к возникновению углового ускорения dw/dt, значение которого также зависит от момента инерции I вращающихся масс ротора насосного агрегата. Это может быть записано в виде следующего выражения:

Г йи) ,, ,,

I-= М„ -М„.

<И д н

При замене в этом уравнении угловой скорости частотой вращения

ЗД4п

и момента инерции маховым

т-С1>2

моментом 1 —

W =

30

4 g

получаем:

<1п 375 /,, „, \ — =-Нмл-МЛ

Момент сопротивления насоса Мн зависит от частоты вращения п ротора насосного агрегата и расхода воды Q, проходящего через насос. С учетом момента Мтр , затрачиваемого на трение в сальниках и подшипниках насоса, момент сопротивления насоса

Мн = М(пО) + sign(n)Mтp.

Момент, развиваемый электродвигателем с определенными допущениями (смотри ниже), можно принять зависящим только от частоты вращения Мд = Мд (п).

Момент инерции I вращающихся масс насосного агрегата включает в себя также момент инерции от присоединенных масс воды.

№ 3' 2011

(¡3

Механические переходные процессы, связанные с действием трубопроводной арматуры, прежде всего необходимо учитывать для обратных клапанов. На диск (та-рель) обратного клапана действуют: гидродинамический момент Мг, момент от веса диска Ма и момент от трения в опорах клапана Мт . В зависимости от соотношения этих моментов диск клапана может находиться в состоянии движения или быть неподвижным. Момент от веса Ме всегда действует в направлении закрытия диска; гидродинамический момент Мг при нормальном направлении движения воды действует на открытие, а при противоположном направлении - на закрытие диска; момент от трения действует всегда в направлении, противоположном направлению суммы моментов Мг и Ма . Движение диска клапана, таким образом, может происходить при условии (Мг + Ме) > Мтр.

В отдельных случаях при переходных процессах в напорных системах целесообразно учитывать также электромагнитные процессы, происходящие при изменениях режима работы электродвигателей. Эти вопросы рассмотрены в работах В. А. Веникова, А. А. Горева, Е. В. Гутовского. Уточнение математической модели в этих случаях совместным учетом в ней гидравлических и электромеханических процессов было впервые предложено В. И. Виссарионовым и практически реализовано И. С. Трусовым при рассмотрении им вопросов самозапуска насосных агрегатов. Для описания электромагнитных процессов в синхронных и асинхронных электродвигателях И. С. Трусовым использовалась система обыкновенных дифференциальных уравнений, разработанных Парком и Горевым.

Гидравлические переходные процессы возникают при плановых отключениях и пусках насосных агрегатов, их первоначальном пуске при заполненной водой системе, при регулировании их работы. Насосы и насосные станции - основные источники возмущения потоков воды в напорных системах [2].

Расчет режима пуска насосного агрегата связан прежде всего с определением изменения частоты вращения п ротора агрегата от нуля до номинального значения. Увеличение п происходит вследствие того, что момент, развиваемый

двигателем Мд, при этом больше, чем момент, потребляемый насосом Мн (момент сопротивления):

где К - коэффициент гидродинамического момента, зависящий (для данной конструкции клапана) от угла открытия диска а; - коэффициент гидравлического сопротивления клапана, также зависящий от а; V - скорость движения воды; р - плотность воды; g - ускорение свободного падения.

таким образом, если при пуске насосного агрегата величина Мд не будет превосходить Мн, насос не сможет войти в нормальный режим работы.

Для привода насосов в основном используют электродвигатели трехфазного применения тока: асинхронные с ко-роткозамкнутым и фазным ротором и синхронные. Электродвигатели постоянного тока для насосных станций напорных систем применяются редко - лишь при питании от небольших электростанций с генераторами постоянного тока.

Значение момента, развиваемого асинхронным двигателем, зависит от его частоты вращения. Обычно задается зависимость величин Мд не от частоты вращения п, а от скольжения:

п.

где П =

60/

синхронная частота вращения;

f - частота питающей сети (обычно 50 Гц); р - число пар полюсов электродвигателя.

График зависимости Мд от скольжения в называется механической характеристикой электродвигателя (рисунок).

График зависимотси М от скольжения 8

При расчете режима пуска насосного агрегата по сравнению с расчетом отключения насоса неизвестным будет также М , являющаяся функцией п (Р).

Для асинхронных двигателей с обычным ротором механическая характеристика может быть задана следующей формулой:

2

М-г. ------,

д 5/5^ + 5^/5 + 28

где Мкр - величина критического (максимального) момента; $кр - величина критического скольжения, соответствующая максимальному

5крт: « ^ ^о

моменту; 8 = -—; ^=14--; г1 - ак-

С1 Г 2 2е^К1

тивное сопротивление фазы статора, г12 - активное сопротивление фазы ротора, приведенное к статору; J0 - ток холостого хода; Jк -ток короткого замыкания.

При использовании формулы (4) необходимо задать три значеня: Мкр, вкр и в, причем для асинхронных двигателей большой мощности активным сопротивлением статора можно пренебречь (в = 0). При нормальной работе асинхронных двигателей скольжение находится в пределах 0,02...0,03, т. е. в какой-то степени частота изменяется в зависимости от нагрузки на двигатель [1-4].

Механическая характеристика синхронного двигателя при нормальном режиме работы представляет собой прямую линию, совпадающую с осью в (величина скольжения равна нулю). Таким образом, частота вращения от нагрузки на двигатель не зависит. Для синхронных двигателей наиболее распространенным является асинхронный пуск с помощью специальной пусковой обмотки, параметры которой определяют механическую характеристику синхронного двигателя в асинхронном режиме. При достижении двигателем в процессе асинхронного пуска частоты вращения примерно 0,95 от номинальной в обмотку ротора подается ток возбуждения и под действием синхронизирующего момента двигатель входит в синхронизм. Время этого перехода мало, поэтому при расчетах во многих случаях можно принимать, что при достижении подсинхронной частоты вращения 0,95п0 происходит мгновенный (скачкообразный) переход к номинальной частоте п0 .

Поскольку у центробежного насоса момент сопротивления с увеличением подачи увеличивается, а у осевого уменьшается, то пуск центробежного насоса целесообразно осуществлять при наименьшей подаче, т. е. нулевой, а осевого - при максимальной. На практике пуск центробежных насосов наиболее часто производится при закрытой запорной арматуре на их напорных линиях, и поэтому переходные процессы локализируются в самом насосном агрегате. Однако если в процессе режима пуска насоса одновременно будет происходить открытие полностью закрытой к началу пуска запорной арматуры, то насос после момента пуска будет связан с напорным трубопроводом и переходный процесс распространится на всю систему. Практически это происходит при пуске центробежных насосов на опорожненный трубопровод. В этих случаях необходимо учитывать изменение (уменьшение) гидравлического сопротивления запорной арматуры: = f(t) для t >0. Напор, развиваемый насосом, будет превышать напор в начале напорной линии на потери в этой линии:

Ящ ~ = =

= ~ ^з.о +

где /83О - гидравлическое сопротивление запорной арматуры в положении полного открытия.

Центробежные насосы необязательно запускать при закрытой запорной арматуре на напорных линиях насосов. Необходимо лишь, чтобы в процессе пуска наблюдалось противодавление воды, поэтому пуск можно осуществлять при заполненном трубопроводе на закрытый обратный клапан. Диск обратного клапана начнет открываться только после того как напор, развиваемый запускаемым насосом Н , станет больше напора в начале трубопровода Н , т. е. статического напора. Фактически открытие диска клапана начнется с некоторым запаздыванием, которое может быть определено так [1, 5]:

— /ок =МГ +М&-

- sign(Mг + М^М^,

где 1Ок - момент инерции диска обратного клапана с учетом присоединенных масс воды; Мг -гидродинамический момент; МСг - момент от веса диска; МТр - момент от трения в опорах.

№ 3' 2011

Однако запаздывание при пуске насоса практически не оказывает влияния на протекание этого процесса, поэтому обычно может не учитываться. После открытия диска движение воды начнется сначала лишь в части трубопровода, примыкающей к обратному клапану. Вода в этой части трубопровода будет сжиматься, труба расширяться, повышенное давление будет распространяться в виде волны по длине трубопровода. В случаях, когда трубопроводы имеют переломы профиля, переходные режимы при пуске насосов могут протекать более сложно, так как после отключения насосов в повышенных местах трубопроводов могут образовываться кавитаци-онные разрывы сплошности потока. В процессе пуска может произойти соударение разошедшихся колонн воды со значительным повышением давления в трубопроводе.

Выводы

Пуск характеризуется наличием двух этапов: набором синхронной частоты вращения и открытием затвора.

Основная задача расчета - определение продолжительности процесса, максимального давления в трубопроводе и момента сопротивления при синхронизации двигателя.

Целесообразно создать математическую модель нестационарных процессов

движения жидкости воды в напорных трубопроводах для систем коммунального и промышленного водоснабжения и разработать методику расчета на ПЭВМ гидравлического удара, вызываемого пуском насоса.

1. Вишневский К. П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи. - М.: Агропромиздат, 1986. -135 с.

2. Виссарионов В. И. Математическое моделирование переходных процессов в насосных установках / Проблемы и направления развития гидромашиностроения: сб. науч. трудов. - 1978. -С. 16-18.

3. Вишневский К. П. Использование ЭВМ для расчета переходных процессов // Гидротехника и мелиорация. - 1978. -№ 9. - С. 69-70.

4. Алышев В. М., Масс Е. И. Рекомендации по расчету неустановившегося движения многофазной жидкости в напорных системах. - М.: ЦНИИС МТС СССР, 1984. - 104 с.

5. Бегляров Д. С. Повышение надежности и эффективности работы закрытых оросительных систем. - М.: МГУП, 1996. - 140 с.

Материал поступил в редакцию 04.10.10. Апресян Давид Шамилевич, аспирант Тел. 8-926-569-34-34