Результаты испытаний по определению повышения давления в трубопроводах на системах теплоснабжения горячего водоснабжения и центрального отопления в условиях большой изношенности

Волновые процессы в трубопроводных системах, как правило, возникают на переходных режимах работы, а также при срабатывании различных видов клапанов, запорной арматуры и т.д. Все данные процессы приводят к значительным вибрациям, вызывающим разрушение трубопроводов. В отдельных случаях интенсивные волновые процессы могут происходить в трубопроводной системе и при стационарных режимах работы.

Ежегодно в любой крупной системе теплоснабжения по различным причинам (аварийная остановка насосной станции, неправильные действия обслуживающего персонала и т.п.) возникают скачки давления. Обычно сначала следует резкий гидравлический удар, затем достаточно быстрый рост давления. От гидравлического удара, распространяющегося со скоростью звука (≈1450м/с), в настоящее время методов защиты не существует, но и область его распространения не очень велика, до потребителя он, как правило, не доходит. Область повышенного давления распространяется значительно шире, проходит центральные тепловые пункты, достигает отопительных систем.

С целью наблюдений волновых процессов и повышения давления в трубопроводных системах теплоснабжения было проведено экспериментальное исследование рациональных структур автоматизированного тепловодоснабжения на центральном тепловом пункте, обработка результатов основывалась на определении полученной экономии электроэнергии, воды и тепла, а также влияния гидравлического удара на трубопровод.

На первом этапе работ было проведено экспериментальное исследование тепловых сетей с разработкой рекомендаций по их оборудованию стабилизаторами давления для гашения пульсаций давления и гидравлических ударов, возникающих в процессе эксплуатации, а также возможной установки частотных приводов для плавного запуска насосов с целью исключения возможности гидроудара.

Метод исследований

Проведены экспериментальные исследования рациональных структур автоматизированного водоснабжения на центральном тепловом пункте (ЦТП), обработка результатов экспериментов, определение полученной экономии электроэнергии, воды и тепла, сопоставление различных структур автоматизации. Измерение показаний проходило на ЦТП на трубопроводах Ду 200 мм, на двух системах теплоснабжения:

• -    центральное отопление (ЦО);

• -    горячее водоснабжение (ГВС).

Результаты испытаний

При проведении испытаний на трубопроводе системы ЦО датчики давления устанавливались:

• -    на всасе насоса;

• -    на выбросе насоса;

• -    на подающем трубопроводе сети;

• -    на обратном трубопроводе сети.

Насос отопления марки КМ 100-80-160, мощностью N= 15кВт. Система теплоснабжения центрального отопления независимая: вода проходит от насосов по замкнутому кругу, через водоводяной теплообменник центрального отопления (ВВП ЦО) на дома и обратно к насосам.

В наполненную статическую систему теплоснабжения центрального отопления с давлением Р 3 =4,8 атм включается насос (рис.2). Давление Р 3 за обратным клапаном начинает резко повышаться до значения 6,5атм. Пройдя через ВВП ЦО Р 3 снижается до значения 6,2 атм (при этом сопротивление бойлера 0,3 атм), в течение двух секунд давление в сети волновыми пульсациями резко снижается до значения 5,4 атм.

В результате включения – выключения насоса центрального отопления происходит резкое повышение давления в трубопроводе центрального отопления, происходит гидравлический удар, величина которого определяется скоростью и массой теплоносителя. Весь процесс выхода системы в рабочий режим занял 5секунд.

Пульсации давления измерялись при помощи датчиков давления, выполненных из коррозионностойкого материала — нержавеющей стали марки 300. Датчики через специальный штуцер соединялись с рабочим участком и устанавливались на трубопроводе.

Особенностью устройства является то, что измеряемая среда и чувствительный элемент разделены двойной стальной нержавеющей мембраной. Обе мембраны установлены в корпус без применения полимерных композиций, что исключает растворение прокладочного материала агрессивным рабочим телом и не приводит к разгерметизации датчика. Усилие от первой изолирующей мембраны, контактирующей с рабочим телом, передается на вторую, на которой размещаются чувствительные элементы датчика. Прогиб второй мембраны приводит к изменению сопротивления в плечах тензомоста. При этом параметры мембран в зависимости от измеряемого давления выбраны таким образом, что их деформация достаточна для формирования полезного сигнала и в то же время является обратимой. При снятии давления система устанавливается в ноль. Среднее время ответа при подаче импульса давления от нуля до максимума не превышает 500 мкс, что указывает на достаточную безинерционность системы мембран. Наличие стандартного выхода, встроенной защиты от гидравлических ударов и переполюсовки питающего напряжения, а также наличие версий с токовым выходом позволяют строить на основе датчиков этих типов различные автоматизированные системы современного уровня.

Проведение испытаний на трубопроводах системы теплоснабжения ГВС производилось двумя способами: при открытой задвижке и при закрытой задвижке с последующим открытием.

Датчики устанавливались:

• -    на трубопроводе из городского водопровода с давлением 2,0 атм (всас насоса);

• -    на выбросе насоса перед обратным клапаном;

• -    на выбросе насоса после обратного клапана;

• -    на подающем трубопроводе сети.

В существующую систему водоснабжения с городским давлением Р 8 =2,2 атм подключен насос марки КМ 100-65-200 мощностью N=22 кВт. При включении насоса давление Р 8 резко повышается до значения 6,2 атм (рис. 3). Все задвижки по направлениям открыты. Вода идет на разбор. В течение 30 секунд после максимального значения давления Р 8 происходит резкое снижение до значения 5,2 атм. Далее, пульсирующими процессами преодолев сопротивление обратного клапана, давление выходит в рабочий режим до значения 6,8 атм. Весь процесс выхода системы в рабочий режим занял 10 секунд. В результате включения – выключения насоса холодного водоснабжения давление в трубопроводе системы горячего водоснабжения резко повышается, происходит гидравлический удар, величина которого также определяется скоростью и массой теплоносителя. Для гашения гидроударов, возникающих у запорной арматуры вследствие ошибочных действий обслуживающего персонала, и предотвращения их распространения по всей сети, целесообразно устанавливать стабилизаторы давления как можно ближе к источнику их возникновения, т.е. непосредственно на ЦТП как на прямых, так и на обратных, также целесообразно устанавливать частотно-регулируемые приводы на насосах.

Рассматриваем существующую систему водоснабжения с закрытой запорной арматурой (рис.1). Насос выключен, задвижки по направлениям на выходе из ЦТП №7 подающего и №13 обратного трубопроводов, закрыты. В момент запуска насоса задвижки закрыты. Давление Р8 на выбросе насоса до об- ратного клапана резко возрастает с 2,2 до 8,5 атм. После чего происходит резкое открытие запорной арматуры. Давление резко снижается до 5,8 атм и далее, пульсирующими процессами преодолев сопротивление обратного клапана, выходит в рабочий режим до значения 6,8 атм. Статическое давление после обратного клапана в наполненной системе горячего водоснабжения резко увеличивается с 4,2 до 5,9 атм, которое также просаживается до значения 4,5 атм и волновыми импульсами выходит на рабочий режим в 7,5 атм. Увеличивается сопротивление на прохождение обратного клапана. Также наблюдается легкий гидравлический удар. Данный удар приводит к выходу из строя обратных клапанов и разрушению запорной арматуры. Весь процесс выхода системы в рабочий режим занял 11 секунд.

Рис. 1. ХВС и ГВС. Включение насоса при закрытой задвижке с последующим открытием

Существующие средства гашения волновых и вибрационных процессов малоэффективны. В то же время в области динамики трубопроводов появляются принципиально новые подходы к созданию средств предупреждения аварий - стабилизаторов давления или дезургеров, а также установки частотных приводов, основанных на комплексном воздействии на волновую энергию в трубопроводе (изменение податливости, приведенного гидравлического сопротивления и введение диссипативных элементов).

Проведенный анализ информационных источников показал, что ежегодно на трубопроводном транспорте, включая магистральный, происходит очень большое количество аварий, которое возрастает из года в год. Причиной аварий являются внутрисистемные возмущения - волны повышенного или пониженного давления и вибрации, что особенно актуально в условиях большой изношенности теплоснабжающих трубопроводов.

Рис. 2. Центральное отопление. Включение насоса при открытой задвижке