Спосіб боротьби з гідроударом у нагнітальних трубопроводах та насосна установка для його реалізації

1 Спосіб боротьби з пдроударом, що включає подачу повітря в трубопровід перед зупином насосної установки, який відрізняється тим, що попередньо задають величину об'ємного газовмісту в проміжному перерізі нагнітального трубопроводу, що мінімізує середню швидкість звуку в нагнітальному трубопроводі, подають стиснене повітря в нагнітальний трубопровід, контролюють величину об'ємного газовмісту в процесі подачі стисненого повітря і порівнюють із заданою, а при досягненні нею заданого значення безпосередньо роблять зупинку 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що вимагаєму об'ємну витрату стисненого повітря, що по дається в нижній переріз нагнітального трубопроводу, визначають за формулою 2 Q2=l(Q1+K-d ) де Q2 - об'ємна витрата стисненого повітря, що подається в нижній переріз нагнітального трубопроводу, м3/с, Q-I - об'ємна витрата рідини в нагнітальному трубопроводі, м3/с, К = 0,196 м/с - розмірний коефіцієнт, d - діаметр нагнітального трубопроводу, м З Насосна установка, що складається з багатоступінчастого насоса з всмоктувальним і нагнітальним трубопроводами, акумулятора, компресора і зливного резервуара, яка відрізняється тим, що нагнітальний трубопровід сполучений з донною і верхньою частиною акумулятора ВІДПОВІДНИМИ патрубками безпосередньо за насосом, а нагнітальний трубопровід містить керовану засувку, встановлену між цими патрубками, а всі з'єднані з акумулятором патрубки мають керовані засувки (О Винахід відноситься до гірничої промисловості, зокрема до експлуатації трубопровідного транспорту і призначений для шахтного водовідливу з великих глибин Відомий спосіб підйому води з великих глибин ерліфтом, що включає відкачку шахтної води, у складі водоповітряної суміші, шляхом подачі стисненого повітря в насос, відділення повітря від рідини до виходу його з підйомної труби і подачу його знову на стиск у проміжну ступінь насоса, (патент України № 29097, F04F 1/20, 2000 р ) Недоліком відомого способу є низька його ефективність у виді недостатнього зниження швидкості звуку у водоповітряній суміші нагнітального трубопроводу, що залежить від КІЛЬКОСТІ повітря, що подається, і постійна робота насоса на водоповітряній суміші Відомий пристрій компресора з гідравлічним приводом, що містить дві робітничі камери з всмоктувальним і нагнітальними клапанами і патрубками подачі і зливу рідини, розташовані в камерах сигналізатори верхнього рівня рідини, насос, на валу якого жорстко закріплена гідротурбіна, поворотний двохходовий двохпозиційний розподільний кран і джерело механічної енергії, (патент Російської Федерації № 1166557, F04B35/02, 1994р) Недоліком відомого пристрою є складність конструкції і значна металоємність установки Найбільш близьким технологічним рішенням є спосіб запобігання гідравлічних ударів у пульповодах і водоводах з насосами за допомогою впуску повітря в потік рідини, де повітря вводять у всмоктувальну трубу насоса перед його зупинкою на протязі часу, необхідного для поширення повітря по всій довжині нагнітального трубопроводу (А с о о о (О 60006 501245 СРСР, МПК F16L 55/04, F04B 49/10 Пневмокомпенсатор для гашення пульсації тиску в гідравлічних магістралях / Л И Махарадзе, Г И Кирмелашвілі, Д Г Сулаберидзе (СРСР) -2с іл ) Недоліком відомого способу є неможливість регулювання у вертикальних трубопроводах в широких межах витрати повітря через небезпеку зриву подачі насоса у наслідку перевищенні максимально припустимої витрати повітря, з наступним розривом ЦІЛЬНОСТІ потоку, у результаті чого стовп води в нагнітальному трубопроводі значно підсилить негативний вплив гідравлічного удару А так само в даному способі не врахована закономірність зміни концентрації стисненого повітря по довжині трубопроводу, що приводить до максимального ефекту гашення пдроудару Найбільш близьким технологічним рішенням є насосна установка для підйому води з великих глибин, що складається з багатоступінчастого насоса з всмоктувальним і нагнітальним трубопроводами, акумулятора, що сполучений воздуховодом із проміжною отупінню насоса, компресора і зливного резервуара, (патент України № 29097, F04F1/20, 2000р) Недоліком відомого пристрою є вузький діапазон регулювання об'ємного газозмісту (повітрязмісту) і, як наслідок, недостатнє гашення швидкості ударної хвилі в нагнітальному трубопроводі установки, істотне погіршення напірно-витратних характеристик насоса через подачу повітря безпосередньо в насос, значна енергоємність установки у зв'язку з наявністю потужного компресора В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого способу боротьби з пдроударом у якому, шляхом вибору інших технологічних параметрів, забезпечується можливість досягнення визначеного рівноважного газозмісту, у потоці водоповітряної суміші вертикального нагнітального трубопроводу, а так само суцільність потоку в всмоктувальному трубопроводі і за рахунок цього можливість більш ефективного гашення швидкості ударної хвилі, безпосередньо перед зупинкою установки Поставлена задача розв'язується таким чином, що, у способі боротьби з пдроударом, який включає подачу повітря в трубопровід перед зупином насосної установки, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, попередньо задають величину об'ємного газозмісту в проміжному перетині нагнітального трубопроводу, який мінімізує середню швидкість звуку в нагнітальному трубопроводі, подають стиснене повітря в нагнітальний трубопровід, контролюють величину об'ємного газозмісту в процесі подачі стисненого повітря і порівнюють із заданою, а при досягненні нею заданого значення безпосередньо роблять зупинку Крім того вимагаємо об'ємну витрату стисненого повітря, що подається в нижній перетин нагнітального трубопроводу визначають по формулі (1) Q2=l(Q 2 1 + K-d ), (1) де Ch, - об'ємна витрата стисненого повітря, що подається в нижній перетин нагнітального трубопроводу, м3/с, Qi - об'ємна витрата рідини в нагнітальному трубопроводі, м3/с, К = 0,196м/с - розмірний коефіцієнт, d - діаметр нагнітального трубопроводу, м В основу винаходу поставлена задача удосконалення насосної установки, у якій шляхом іншого з'єднання конструктивної схеми забезпечується можливість регулювання, у досить широкому діапазоні, об'ємного газозмісту в нагнітальному трубопроводі і за рахунок цього підвищення ступені гашення ударної хвилі в установці, поліпшення витратних характеристик насоса і зниження енергоємності установки Поставлена задача розв'язується так само тим, що насосна установка, яка складається з багатоступінчастого насоса з всмоктувальним і нагнітальним трубопроводами, акумулятора, компресора і зливного резервуара відрізняється тим, що нагнітальний трубопровід з'єднаний з донною і верхньою частиною акумулятора ВІДПОВІДНИМИ патрубками безпосередньо за насосом, а нагнітальний трубопровід містить керовану засувку, установлену між цими патрубками і датчик об'ємного газозмісту При цьому витрата стисненого повітря визначає ВІДПОВІДНИЙ датчик, а всі сполучені з акумулятором патрубки мають керовані засувки На фіг 1 зображена залежність швидкості звуку в суміші від газозмісту, для різних тисків, на фіг 2 - розрахункова схема установки з графіком розподілу тиску по довжині нагнітального трубопроводу, на фіг 3 - пристрій для реалізації способу, що заявляється Перевищення тиску при пдроударі можна визначити по формулі Жуковського Др= p - v a (2) де Др - перевищення тиску при пдроударі над його статичним значенням, р - ЩІЛЬНІСТЬ середовища, у якій протікає процес пдроудару, v - швидкість руху середовища в трубопроводі, а - швидкість звуку в даному середовищі Авторами встановлено, що для максимального зниження перевищення тиску при пдроударі, мінімальна швидкість звуку у водоповітряній суміші, досягається при об'ємному газозмісті а = 0,5, незалежно від тиску, див фіг1, повинна припадати на середній перетин вертикальної частини нагнітального трубопроводу При цьому подачу стисненого повітря раціонально здійснювати в нижній його перетин Спосіб реалізується таким чином Задають величину об'ємного газозмісту посередині вертикальної частини нагнітального трубопроводу а СР = 0,5 і визначають вимагаєму об'ємну витрату стисненого повітря Ch, необхідну для її забезпечення, яку можна визначити шляхом наступних міркувань ВХІДНІ дані для проектування водовідливної установки наступні Н - висота підйому ноди, що характернее довжину вертикальної частини нагнітального трубопроводу, м, Qi - витрата рідини, м3/с, d - діаметр нагнітального трубопроводу, м Приймаємо закон розподілу тиску, по висоті нагнітального трубопроводу, ЛІНІЙНИМ ДЛЯ вертикального режиму течи справедлива формула 60006 JJ J 2 + 1 + °> 25 (3) [1] де J 2 - приведена швидкість повітря, м/с, Ji - приведена швидкість рідини, м/с, 0,25м/с - швидкість дрейфу пузирів повітря відносно швидкості суміші при температурі 21 °С Ji = — (4) л А А де А - площа поперечного перетину трубопроводу, J2=—, 1 А= ті-d' (5) Вираз (2) з урахуванням (3) прийме вигляд 1 1 А ' ° 0,25(6) a Q2 Q2 Введемо в розгляд поняття газовий фактор С С= Qi Визначимо газозміст а коефіцієнт С А 0,25- ~ЇГ а С U) через безрозмірний (8) Позначивши А = 0,25 • — (9) одержимо (10) а С звідки c = ( 1 + F)-a (11) 1-а При а СР - 0,5 з урахуванням (11) визначимо C c p =1+F Враховуючи, що процес, в нагнітальному трубопроводі - ізотермічний (12), а закон поширення тиску по висоті трубопроводу - ЛІНІЙНИЙ, то з подоби трикутників ABC та ADE, див фіг 2, одержимо DE = рн/2, де рн - тиск у нижньому перетині нагнітального трубопроводу pV = const pQ = const (12) де V - об'єм середовища, що розглядається, З (12) випливає Рн г (13) Рн • РМАХ > РГ2 11919004,2 > 70 -105 > 6789975,8Па де РМАХ - 7010 5 максимальним тиск, що витримується існуючою стандартною запірною арматурою Результати розрахунків довели, що спосіб боротьби з пдроударом, згідно прототипу, неминуче приведе до руйнування стандартної запірної арматури з витікаючими звідси наслідками Тиск при пдроударі ргг значно менше, ніж р п так, що спосіб, що заявляється, виключає виникнення небезпечних динамічних тисків у нагнітальному трубопроводі Таким чином, застосування винаходу, що заявляється, дозволить значно знизити перевищення тиску при пдроударі у вертикальному нагнітальному трубопроводі, що дозволить підвищити безпеку і надійність роботи шахтних водовідливних установок при використанні стандартної напірної арматури, а також знизити енергоємність установки Література 1 Г Уоліс Одномірні двофазні течи Переклад з англ під ред проф II Алад'єва М Мир, 1972 60006 10 Moo 4ZBO 1000 гао €00 о,б ад / ~aas jYlfla ; *£Mfla ; =r,5 Mfla • Комп'ютерна верстка С Волобуев Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна