Предотвращение гидравлического удара с помощью приводов с регулируемой скоростью

Гидравлический удар может стать серьезной проблемой в насосных системах и должен учитываться проектировщиками по нескольким причинам. Если не принять меры, это может вызвать множество проблем: от повреждения трубопроводов и опор до трещин и разрывов компонентов трубопроводов. В худшем случае это может даже привести к травмам персонала станции.

Гидравлический удар возникает, когда происходит скачок давления и скорости потока жидкости в системе трубопроводов, вызывающий быстрые изменения давления или силы. Высокое давление может привести к выходу из строя трубопроводной системы, например, к протечкам в соединениях или разрыву труб. Опорные компоненты также могут испытывать сильные нагрузки из-за скачков напряжения или даже внезапного изменения направления потока. Гидравлический удар может возникнуть с любой жидкостью внутри любой трубы, но его серьезность варьируется в зависимости от условий как жидкости, так и трубы. Обычно это происходит в жидкостях, но может происходить и с газами.

Повышенное давление возникает каждый раз, когда жидкость ускоряется или замедляется из-за состояния насоса или при изменении положения клапана. Обычно это давление невелико, а скорость изменения постепенна, что делает гидроудар практически незаметным. При некоторых обстоятельствах может возникнуть давление во многие фунты, а силы на опорах могут быть достаточно большими, чтобы превысить их расчетные характеристики. Быстрое открытие или закрытие клапана вызывает скачки давления в трубопроводах, которые могут привести к тому, что давление значительно превысит установившиеся значения, вызывая скачок воды, который может серьезно повредить трубы и оборудование управления технологическим процессом. Важность контроля гидравлического удара на насосных станциях широко признается коммунальными предприятиями и насосными станциями.

Типичными причинами гидравлического удара являются запуск/выключение насоса, сбой в подаче электроэнергии и внезапное открытие/закрытие линейных клапанов. Упрощенная модель текущего цилиндрического столба жидкости будет напоминать металлический цилиндр, внезапно остановленный бетонной стеной. Решение этих проблем с гидроударом в насосных системах требует либо уменьшения его воздействия, либо предотвращения его возникновения. Существует множество решений, которые проектировщикам систем следует учитывать при разработке насосной системы. Для поглощения скачков давления можно использовать резервуары под давлением, уравнительные камеры или аналогичные аккумуляторы, которые являются полезными инструментами в борьбе с гидроударом. Однако зачастую более эффективной стратегией является предотвращение скачков давления. Этого можно добиться с помощью многооборотного привода с регулируемой скоростью для управления скоростью закрытия клапана на выходе насоса.

Совершенствование приводов и средств их управления открывает возможности их использования для предотвращения гидроударов. Вот три случая, когда устранение гидравлического удара было ключевым требованием. Во всех случаях линейная характеристика была важна для регулирования потока от насоса большого объема. Если бы этого не было достигнуто, произошел бы удар молота, который потенциально мог бы повредить систему водоснабжения станции.

Задача дизайна

Южная дожимная насосная станция East Cherry Creek Valley (ECCV) в Колорадо была оснащена насосами большой производительности и использовала обратные клапаны насосов для регулирования расхода. Чтобы избежать гидравлического удара и потенциально серьезного повреждения системы, в данном приложении требовалась линейная характеристика потока. Задача проектирования состояла в том, чтобы получить линейный поток из шарового клапана, который обычно демонстрирует нелинейные характеристики потока при закрытии/открытии.

Решение

С помощью привода с регулируемой скоростью положение клапана было установлено для достижения различных положений хода в течение определенных интервалов времени. При этом шаровой клапан можно было бы закрывать/открывать на различных скоростях для достижения более линейного изменения потока жидкости. Кроме того, в случае сбоя питания привод теперь можно настроить на закрытие клапана и опорожнение системы по заранее заданной аварийной кривой.

Выбранный привод с регулируемой скоростью имел возможность управлять положением клапана в заданное время. Привод можно запрограммировать на 10 заданных значений времени с соответствующими положениями клапана. Затем можно было бы контролировать скорость открытия или закрытия клапана, чтобы обеспечить достижение желаемого заданного положения в нужное время. Эта повышенная гибкость обеспечивает линеаризацию характеристик клапана, позволяя выбирать полнопроходной клапан и/или значительно снижать гидравлический удар при закрытии клапанов. Встроенные средства управления приводами были запрограммированы на создание линейного ускорения и замедления воды во время нормальной работы насоса. Кроме того, в случае отключения электроэнергии приводы обеспечивали быстрое закрытие за счет резервного источника бесперебойного питания (ИБП). Также было обеспечено линейное изменение скорости потока, что обеспечило минимальные переходные процессы в системе и легкую калибровку/регулировку кривой скорости-времени.