Система скиду рідини через перевал

1. Система скиду рідини через перевал, що містить насосну станцію, висхідну та низхідну гілки напірного водоводу, між якими розміщено сифон, з'єднаний з одної сторони з напірною стороною насосів, а з другої - зі скидною трубою і лотком, яка відрізняється тим, що низхідна гілка обладнана як мінімум одним гідрозатвором, кількість яких визначається висотою низхідної гілки за формулою 3 мінімальних витратах рідини, а значить - перекачувати рідину із меншими енергозатратами. Поставлена задача досягається технічним рішенням, яке складається із насосної станції, напірного водоводу, який включає висхідну і низхідну гілки з розміщеним між ними сифоном. Характерним для сифона є те, що в ньому є вакуум. Висхідна гілка весь час заповнена перекачувальною рідиною і знаходиться у напірному режимі. Залежно від кількості перекачувальної рідини низхідна гілка може працювати в напірному режимі, а при невеликій кількості - в самопливному. Для робочої здатності сифона внутрішній простір водоводу правої гілки повинен підтримуватися наповненим. При малих подачах рідини для забезпечення такої заповненої роботи необхідно влаштовувати спеціальні інженерні заходи. Для влаштування зони гідравлічної ізоляції правої гілки сифона від атмосферного середовища, а отже для забезпечення роботи системи в режимі вакууму, передбачають гідрозатвор у вигляді сифонного коліна. На початку висхідної гілки напірного водогону передбачено зворотний клапан, а в кінці низхідної гілки цього водогону влаштовано хоча б один гідрозатвор, до якого приєднується скидний лоток відкритого типу. Кількість вказаних вище гідрозатворів залежить від величини вертикальної відстані між скидним лотком і піком перевалу, яка визначається залежністю (Zп-Zл)/10Kзап1,1), де Zп - позначка піка перевалу, м; Zл - позначка точки підключення скидного лотка до гідрозатвору, м; 10 - максимальна висота в метрах утримання вакууму в низхідній гілці при ідеальних умовах подачі на скид рідини; Кзап=0,95-0,98 - коефіцієнт запасу, що враховує втрати напору на гідрозатворі, конструкцію гідрозатвору, зміну густини і температури перекачувальної рідини. Результат за наведеною формулою завжди округляється до найближчого цілого значення в більшу сторону. В результаті застосування такої конструкції скидної системи сифон на рівні точки під'єднання лотка до нижньої сторони низхідної гілки напірного водоводу залишається заповненим (зарядженим) при будь-яких витратах скидної рідини, тобто водовід залишається ізольованим від тиску оточуючого атмосферного середовища. Доцільно звернути увагу на ефект сифона, при якому частина водоводу за вертикаллю з лівої й правої сторін траси виключається із дії насосів, тобто за рахунок створеного вакууму в сифоні рідина сама перетікає через перегин. Використання ефекту сифона дозволяє зменшити геометричну висоту підняття рідини при розрахунку напору насосів. Це означає, що на подачу рідини за такою складною трасою буде витрачатися менша кількість електроенергії. Головним при забезпеченні нормальної роботи системи скиду рідини потрібно забезпечити умови створення такого сифонного режиму при будь-яких витратах рідини згідно з режимом роботи станції. Запропонована система скиду рідини через перевал для забезпечення сифонного режиму перекачування рідини при будь-яких витратах включає насосну станцію, висхідну і низхідну гілки водоводу, які в області перегину утворюють си 61788 4 фон. Зліва сифон з'єднано через висхідну гілку з напірною стороною насосів, а з права - з низхідною гілкою водоводу, яка через скидну трубу подається на скид у річку (озеро чи водоймище). Для забезпечення сифонного режиму роботи системи скиду рідини через перевал і утворення заповненого режиму подачі рідини при будь-яких витратах по всьому водоводу, тобто ізоляції правої гілки водоводу від атмосферного середовища, низхідна гілка додатково обладнана як мінімум одним гідрозатвором, встановленим у місці приєднання низхідної гілки до скидного лотка. Крім того, система включає: насосну станцію, яка обладнується щонайменше двома робочими насосами, допоміжну систему заливання їх перед пуском, якщо вона потрібна, трубопроводи обв'язки цих насосів та запірно-регулюючу арматуру, встановлену на них. Кількість такої арматури передбачається достатньою для з'єднання насосів на послідовну роботу в режимі зарядки сифона і безперебійного переключення насосів у режим паралельної роботи при перекачуванні рідини на скид. При цьому потрібно визначити робочий напір насосів, котрий забезпечує економічну їх роботу в сифонному режимі. Згідно з джерелом [4] для середніх широт максимально допустимий вакуум у висхідній гілці для води не повинен перевищувати 7-7,5 м. При перевищенні цього значення робота сифона може стати нестійкою і призвести до вскіпання рідини і виникнення загрози так званого кавітаційного зриву вакууму. При використанні такої скидної системи дуже важливим є ситуації зарядки сифона при пуску її в роботу. Для цього насосна станція обладнана при ступеневій роботі як мінімум двома робочими насосами, котрі з'єднані між собою як на паралельну подачу скидної рідини, так і на послідовне їх підключення. Таке переключення забезпечується відповідним з'єднанням насосів трубопроводами і насиченням їх відповідною запірно-регулюючою арматурою. У робочому режимі вказаними засувками забезпечується окрема (самостійна) робота насоса, або паралельна подача скидної рідини двома або більшим числом насосів. У тих випадках, коли потрібно зарядити сифон, насоси з'єднують послідовно і при подвійному напорі й мінімальній подачі вони долають перевал і скидна рідина переливається в низхідну гілку напірного водогону, заповнюючи гідрозатвор, а при необхідності - й декілька нижче розташованих гідрозатворів. Переливаючись через вказані гідрозатвори, струмінь буде виносити з порожнини низхідної гілки повітря в атмосферу, утворюючи в ній розрідження. При цьому заповнений скидною рідиною гідрозатвор (гідрозатвори) буде утворювати в цій гілці весь час герметичну перешкоду для атмосферного тиску. Коли розрідження у сифоні досягне значення, достатнє для піднімання рідини повним перерізом у висхідній гілці, то ця частина сифона висотою від точки під'єднання лотка до піка пере 5 валу буде врівноважена і виключена із зони впливу роботи насосів. Якщо висота по вертикалі між піком перевалу й точкою приєднання лотка до низхідної гілки буде перевищувати стовп висотою 10 Кзап м (що відповідає максимально можливій висоті вакууму або вакууму в одну атмосферу, який при ідеальних умовах спрямований підняти лише такий стовп скидної рідини), то потрібно таку висоту розділити на відрізки, кратні значенню 10 Кзап, і в кінці кожного такого або меншого відрізка низхідної гілки влаштувати гідрозатвор. Таке розподілення спроможне врівноважувати рідину в лівій висхідній гілці напірного водоводу і більшої висоти, ніж висота 10 Кзап оскільки в кожній ділянці низхідної гілки напірного водоводу можливо утворити вакуум до одної атмосфери. Корисна модель пояснюється кресленнями. На фігурі 1 показана загальна схема скидної системи, а на фігурі 2 зображена схема обв'язки насосів трубопроводами з відповідним розташуванням запірно-регулюючої арматури на них. Система скиду рідини через перевал включає: резервуар скидної рідини 1, з якого робочими насосами 2 насосної станції вона забирається і подається у напірний водовід, що складається з висхідної гілки 3, низхідної гілки 4 і сифона 5, котрий згинається відповідно до перевалу 6. На початку висхідної гілки 3, після кожного з робочих насосів 2 на напірній лінії передбачено зворотний клапан 7, а низхідна гілка напірного водоводу 4 закінчується гідрозатвором 8, до якого приєднується верхнім кінцем скидний лоток 9. У тих випадках, коли відстань по вертикалі між піком перевалу 6 і точкою приєднання верхнього кінця лотка 9 перевищує 10 м, на низхідній гілці влаштовуються аналогічні гідрозатвори 8', 8" зі скидної труби в кінці кожного відрізка в 10 Кзап метрів. Таке конструктивне рішення дозволяє врівноважити скидну рідину зліва і справа сифона 5 і не дозволяє прорвати атмосферному тиску гідрозамок у гідрозатворі 8 у випадку перевищення розрідження перед гідрозамком більшого за 10 м (ідеального значення для збереження балансу тисків до і після гідрозатвору). При більших значеннях вакууму струмина в сифоні може розірватися, а сифон перестає працювати. Особлива увага приділена зарядці сифона 5 при пуску системи в роботу. Для цього згідно з фігурою 2 вибрано 3 насосних агрегати, два з яких робочі й один резервний - 2, 2', 2" (порядок установки насосів не має принципового значення). Обв'язка насосів трубопроводами виконана так, що дозволяє зв'язувати насоси на послідовну і паралельну роботи, при чому при виході з ладу одного з них кількість засувок й їх місце розташування на трубопроводі вибрано таким, щоб можна було організувати подачу скидної рідини через перевал 6 з великим напором, що досягається при послідовному з'єднанні насосів, або переключати роботу цих насосів на звичайний робочий режим при паралельній подачі рідини на скид. Для цього на всмоктуючій лінії кожного насоса передбачено засувки 10, 11 і 12 і несиметричні переходи 13, 14 і 15, об'єднані колектором 19 і 25, що переходить у 61788 6 напірну висхідну гілку 3. На напірній лінії від кожного насоса передбачені зворотні клапани 7 і засувки 20, 21 і 22, а також 23 і 24. Крім того, напірна лінія 25 насоса 2" приєднана через засувку 26 до всмоктуючого трубопроводу насоса 2' в точці між переходом 14 і засувкою 11, і далі ця лінія 25 через хрестовину 27, засувки 28 і 29 під'єднується через трійник 30 до всмоктуючого трубопроводу насоса 2 між переходом 13 і засувкою 10. Напірна лінія 17 насоса 2' також приєднується через засувки 23 і 29 до всмоктуючої лінії насоса 2. Для проведення профілактичних робіт на напірному колекторі 19 передбачені також засувки 31 і 32. Система скиду рідини через перевал працює наступним чином. При пуску системи в роботу проводять зарядку сифона 5. Для чого будь-яку пару насосів 2-2' або 2-2" чи 2'-2" з'єднують послідовно. Наприклад, з'єднують послідовно насоси 22' (насос 2" при цьому знаходиться в резерві). При закритих засувках 20, 21, 23, 26, 28 і 29 і відкритій засувці 11 заливається насос 2' і проводиться його плавний пуск. Після того як в порожнині насоса 2' напір досягне найбільшого значення Но (при нульовій подачі), плавно відкривають засувки 23 і 29 при закритих засувках 10, 21, 28 і 20. Коли напір в порожнині насоса 2 досягне значення Но, включають в роботу цей насос. Перекачувальну рідину подають на скид лише тоді, коли в порожнині насоса 2, при закритій засувці 20, буде досягнуто значення напору 2Нo. Попередніми розрахунками визначено, що такий напір є необхідним для підняття скидної рідини до піка перевалу 6 і подолання гідравлічних втрат напору у висхідній гілці напірного водоводу, а також втрат напору на місцевих опорах лінії подачі. При досягненні вказаного напору 2 Нo в порожнині насоса 2 повільно відкривають засувку 20 і подають рідину у висхідну гілку 3 напірного водоводу, долаючи перевал 6. Засувки 21, 28, і 10 і надалі залишаються закритими. При досягненні скидною рідиною вершини сифона 5 вона самопливом буде переливатися у низхідну гілку 4 і заповнюватиме гідрозатвор 8 на виході зі скидного водоводу, утворюючи таким чином герметичну перешкоду для входу атмосферного повітря іззовні. Витікаючи у вигляді струменя, скидна рідина при своєму рухові захоплює повітря, яке заповнювало низхідну гілку 4 водоводу, і виносить його за межі гідрозатвора 8, утворюючи таким чином у низхідній гілці 4 над гідрозатвором 8 розрідження. Коли вакуум у сифоні 5 досягне достатнього значення для піднімання і утримання рідини у висхідній гілці 3 і вона буде перетікати повним перерізом через сифон 5 і низхідну гілку 4, то ця частина сифона 5 буде виключена із зони впливу напору насосів. Якщо вказана частина сифона по вертикалі перевищує висоту 10 Кзап, то гідрозамок у гідрозатворі 8 не втримає тиску атмосферного повітря, тобто він "прорве" цю водяну перепону і такий стан приведе до порушення рівноваги правої й лівої сторін сифона 5. Щоб запобігти такій ситуації, на низхідній гілці скидного водоводу влаштовують також гідрозатвори 8 (на фігурі 2 наведена позиція 8') через кожні 10 Кзап м по вертикалі. Тепер при зупиненні у гідрозатворі 8' і ділянці низхідної гілки 7 між гідрозатворами 8 та 8' аналогічним чином буде утворюватися вакуум. Рідина в гідрозатворі 8' аналогічним чином буде утворювати герметичну камеру між гідрозатворами 8 і 8', врівноважуючи відповідну ділянку скидної рідини, що знаходиться у висхідній гілці 3. Таким чином сифон 5 на рівні останнього нижнього гідрозатвора 8' (а може і ще нижче) буде врівноважений і виключений із зони впливу напору робочих насосів. Тепер їм достатньо розвинути напір для підйому скидної рідини на рівень нижнього гідрозатвора, передбаченого на низхідній гілці водоводу, а верхня частина скидного водоводу, що належить до сифона 5, буде переливатися без допомоги насосів у сифонному режимі. Тепер насоси переключають на паралельну або одиночну роботу, їх напір буде значно менший за рахунок меншого Нг, але достатнім для підйому скидної рідини до врівноваженої сифонної частини водоводу. За рекомендаціями [4] для запобігання режиму вскіпання рідини таке максимально допустиме зменшення геометричної висоти підняття рідини відносно піка перевалу не може перевищувати 7-7,5 м. При чому зовсім не має значення на скидний водогін подається мала кількість рідини (на першому ступені) або велика кількість рідини, коли на другому ступені паралельно працюють два насоси 2 і 2'. Длязабезпечення такої роботи потрібно закрити засувки 28 і 29 та відкрити засувки 10, 11, 20, 21, 23 і 32, забезпечивши перед цим заливання всмоктуючого трубопроводу насоса 2 одним із відомих у технічній літературі з гідравлічних і аеродинамічних машин способом [2]. У процесі роботи системи скиду рідини через перевал може виникнути ситуація постановки одного із насосів на ремонт. При цьому можна задіяти в роботу одну з інших пар насосів 2-2", або 2'-2", використовуючи переключення відповідних засу 61788 8 вок на трубопроводах, що з'єднують насоси між собою. Будь-яку з указаних пар насосів можна з'єднати як на послідовну, так і на паралельну роботу, забезпечуючи роботу системи скиду рідини через перевал від зарядки сифона 5 до роботи в режимі скиду рідини. Для зупинення роботи системи скиду рідини відкривають кран 18 і повітря із атмосфери надходить у сифон та зриває в ньому вакуум, що призводить до розриву потоку в сифоні, а отже і зупинення роботи системи. Запропонована система скиду рідини через перевал має ряд технічно-економічних переваг: - запропонована система скиду рідини через перевал забезпечує виконання самостійної зарядки сифона, а також безпосереднє переходження в робочий режим при паралельній подачі скидної рідини у напірний водовід; - забезпечує роботу системи скиду рідини через перевал у сифонному режимі при будь-яких об'ємах скидної рідини на режимах роботи насосної станції, відмінних від рівномірного; - дозволяє при перекачуванні скидної рідини через перевал значно зменшити енергетичні затрати. Джерела інформації 1. Лобачев П.В. Насосы и насосные станции / П.В. Лобачев. – М.: СИ, 1992. - 320 с. 2. Срібнюк С.М. Гідравлічні та аеродинамічні машини / С.М. Срібнюк. - К.: ЦНЛ, 2004. - 328 с. 3. Патент № 43737 МПК 2009 Е02В13/00 на корисну модель. Україна. Система скиду рідини через перевал. / [Срібнюк С.М., Коваленко В.П., Зубричева Л.Л. та ін..], заявл. 17.04.09; опубл. 25.08.09, Бюл. № 16. 4. Константінов Ю.М. Технічна механіка рідини і газу: підручник / Ю.М. Константінов, О.О. Гіжа. К.: Вища шк., 2002. - 277 с: іл. 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 61788 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601