Журнал «Новости теплоснабжения» №8, 2003г.

Практический опыт внедрения новой технологии противоаварийной защиты гидросистем водоснабжения и теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства

Авторы: Заслуженный изобретатель РФ, д.т.н., Х.Н. Низамов; В.А. Заматаев

Разработан типовой ряд принципиально новых технических средств гашения гидроударов. Приведены примеры практического применения современных технических средств гашения волновых и вибрационных процессов в водяных трубопроводных системах - стабилизаторов давления.

Некоторые характеристики отрасли

Около половины основных фондов государства сосредоточено в ЖКХ. Бюджетное финансирование отрасли превышает затраты государства на содержание армии и системы образования вместе взятые.

Износ коммунальной инфраструктуры составляет более 60%, около четверти основных фондов полностью отслужили свой срок. Количество аварий выросло за 10 лет примерно в 5 раз и составило в 2002 г. 200 аварий на 100 км тепловых сетей.

Жилищно-коммунальные предприятия не имеют серьезных экономических стимулов оптимизации структуры тарифов, снижения нерациональных затрат материально-технических ресурсов. Численность персонала в расчете на 1000 обслуживаемых жителей в 1,5-2 раза выше, чем в аналогичных европейских предприятиях. Удельное потребление воды на одного жителя в 1,5-2 раза выше, чем в западноевропейских странах.

Потери с утечками из-за внутренней и внешней коррозии труб составляют от 15 до 18%, а срок службы теплотрасс по этой причине в настоящее время в 4-6 раз ниже нормативного. Суммарные потери в тепловых сетях достигают 30% от произведенной тепловой энергии, что эквивалентно 65-80 млн тут. в год.

Неудовлетворительное техническое состояние трубопроводных систем и связанные с ним непрекращающиеся аварии и техногенные катастрофы в сфере ЖКХ влекут за собой ряд негативных экономических, социальных, демографических, экологических последствий, представляющих серьезнейшую угрозу для государственного устройства и внутренней безопасности страны.

Нынешней зимой из-за обильных снегопадов и сильных морозов участились случаи аварийного нарушения энергоснабжения насосных станций тепловодоснабжения.

При аварийном обесточивании насосных групп, останавливаются насосные агрегаты, а гидросистемы испытывают сильные знакопеременные нагрузки (гидравлические удары), вызванные внезапной остановкой или изменением скорости потока. Гидравлические удары имеют высокие скорости (близкие к скорости звука в воде) распространения по гидросистеме и сопровождаются увеличением давления, которое зачастую значительно превосходит остаточные прочностные пределы изношенных труб. Поэтому происходит нарушение герметичности труб или порыв. Устранение аварийных повреждений требует привлечения ресурсов и времени, а при сильных морозах система успевает зачастую промерзнуть, и кризис получает дальнейшее негативное развитие.

Путем латания дыр изношенных гидросистем, установкой счетчиков, повышением оплаты услуг и т.д. сдержать надвигающиеся беды, связанные с ростом аварийности, уже невозможно. Следовательно, необходимы целенаправленные инженерно-технические решения, которые способны радикально смягчить остроту проблемы.

Внедрение новых инженерно-технических решений

С целью обеспечения эффективной защиты трубопроводных систем и предотвращения возникновения аварийных ситуаций, вызванных гидравлическими ударами и вибрацией, специалистами компании ДКМ Венчурные проекты (сегодня - ЗАО "ВОЛНОТЕХ" прим. авторов) разработан типовой ряд принципиально новых технических средств гашения гидроударов. Технология предполагает установку в трубопроводные системы специальных устройств - стабилизаторов давления (СД). В основе работы СД лежит российская конверсионная технология волновой стабилизации потока, которая по своему уровню, назначению и научно-техническому потенциалу, сохраняя приоритет российской науки, значительно превосходит по диапазону гасимых частот, эффективности и быстродействию все известные аналоги.

Опытно-экспериментальные образцы устройств испытаны в натурных условиях эксплуатации на пяти объектах тепловодоснабжения и имеется положительный опыт их эффективной эксплуатации на объектах атомной энергетики и др. отраслях промышленности.

СД практически не требуют технического обслуживания при эксплуатации. Установка устройства в действующий магистральный трубопровод обеспечивает гашение до безопасного уровня амплитуд колебаний давления и связанных с ними вибрационных процессов. При этом полностью устраняются аварийные ситуации, связанные с разрывами трубопроводов, вызванных гидроударами, внезапным обесточиванием трубопроводного оборудования, ошибками персонала, отказами трубопроводной арматуры и управляющего оборудования.

Технология стабилизации гидравлических режимов и подавления гидроударов, помимо ряда других положительных эффектов, позволяет значительно продлить срок эксплуатации даже изношенных трубопроводных систем и сократить при этом уровень потерь воды в сети, улучшить технику безопасности, охрану окружающей среды и уровень ресурсосбережения без крупных материальных затрат.

В настоящее время технология и устройства подготовлены к производству и есть возможность разместить лицензионный заказ на их серийное производство на любом среднем машиностроительном заводе в любом из проблемных регионов.

Стоимость устройства сопоставима с ценой двух-трех задвижек на трубопровод соответствующего диаметра. Опыт внедрения устройств показывает, что обращение к нашим сервисным услугам происходит, когда крупная авария уже произошла или возникла заинтересованность местного самоуправления. Для получения масштабного экономического эффекта необходимо использовать эти инновационные технологии не только для «старых», требующих замены или ремонта трубопроводных сетей, а применять их уже при проектировании новых систем коммунального хозяйства.

В реальной системе в объеме трубопровода при запуске насоса на закрытую задвижку происходит равномерное «уплотнение» водяного столба. Затем задвижку плавно открывают и таким образом предотвращают возникновение резкого волнового переходного процесса. На практике зачастую задвижки не обеспечивают полного закрытия сечения трубопровода, что неизбежно приводит к возникновению гидравлического удара, амплитуда которого в 1,5-2 раза превышает рабочее давление. В системе тепловодоснабжения рабочая среда перекачивается по замкнутому контуру, поэтому гидроудар распространяется по всей трубопроводной сети вплоть до радиаторов отопления у потребителей, а затем возвращается к энергетическим установкам.

Волновые процессы сопровождаются и другими негативными явлениями: снижением ресурса, мощности и КПД гидросистем, разрушением элементов и узлов арматуры, распаковкой фланцевых соединений, поломкой дорогостоящих насосных агрегатов.

Встречаются случаи непродуманного применения, потенциально опасного оборудования: Так на одной из городских котельных для подогрева обратной сетевой воды были широко использованы пароструйные подогреватели, где отработанный пар напрямую встречаясь с водой, конденсируясь, поднимал ее температуру. Работа подогревателя сопровождалась вибрацией и пульсациями, которые привели к деформации седла клапана, и через три месяца эксплуатации он полностью потерял работоспособность. При осуществлении переключения с одного насоса на другой в системе образовались мощные пароводяные пробки, последующее cхлопывание которых вызвало гидравлический удар, разрушивший два насоса и группу пластинчатых теплообменников. Пульсации давления на рабочих частотах насосов сокращают срок эксплуатации контрольно-измерительной аппаратуры, приборов замера расхода и датчиков управляющих систем.

Анализ существующих конструкций противоаварийной защиты (воздушно-гидравлических колпаков, аккумуляторов давления, ресиверов, клапанов сброса и регуляторов, использующих дроссельные шайбы) указывает на ряд недостатков: снижение только собственных частот системы без требуемого уменьшения амплитуды колебаний давления из-за отсутствия диссипативных элементов, неудовлетворительное время и качество регулирования переходных процессов, большие габариты вследствии значительных объемов газовой подушки, невозможность восстановления пониженного давления в системе, непригодность для демпфирования колебаний давления в многорежимных системах при скачкообразном изменении рабочего давления.

Современное импортное оборудование, используемое для предотвращения негативных последствий пульсаций давлений и вибраций, является энергозависимым и оказывается неработоспособным при отключении электричества, возникновении коротких замыканий и ошибок обслуживающего персонала.

О малой эффективности указанных средств свидетельствует рост аварийности на всей территории Российской Федерации.

Секреты эффективности работы устройств

Принцип эффективности гашения волновых процессов в трубопроводных системах, оснащенных стабилизаторами давления, основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсации на перфорационных отверстиях, равномерно распределенных по длине стабилизатора, а также вследствие демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполняемых в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых и эластичных материалов. Дополнительные эффекты гашения обеспечиваются при расширении потока в предкамерах и коллекторах стабилизатора, создании однонаправленного движения, т.е. в результате воздействия на геометрию потока. На рис. 2 показана конструкция стабилизатора давления.

После монтажа стабилизатора и подачи в систему воды заполняется корпус 1 стабилизатора и демпфирующая камера 2. При этом давление в корпусе 1 и демпфирующей камере 2 равно давлению в системе. Общая площадь перфорации труб 4 и 5 рассчитана таким образом, чтобы при возникновении гидравлического удара создать первичное сопротивление (строго определенное) потоку воды из системы в демпфирующую камеру. Этим достигается начальное гашение гидроудара. Основная составляющая давления при гидроударе гасится в демпфирующей камере 2, в которой демпфирующий элемент 3 с определенными характеристиками за счет собственной упругой деформации сглаживает и уменьшает амплитуду пульсации давления. В случае, если давление при гидроударе превышает максимальное расчетное давление стабилизатора, а серия пульсаций идет с несанкционированной сменой фазы среды, то избыточные объемы сбрасываются через отвод 6 в дополнительную отводную линию, а газообразная фаза уходит из демпфирующих камер через клапана высокого давления, которые устанавливаются в случаях особо экстремальных (модельных вариантах) действий эксплуатационного персонала.

Отличительная особенность стабилизаторов давления заключается в том, что они не нарушают форму трубопровода и имеют минимальное гидравлическое сопротивление.

Таким образом, в общем случае стабилизатор давления как специальное включение в трубопроводную систему препятствует распространению ударной волны вследствие упругодемпфирующего воздействия на поток, приводящего к перераспределению энергии в широком спектре колебаний, и механического воздействия, вызывающего необратимые потери этой энергии. Примером могут служить сравнительные диаграммы амплитудно-частотных характеристик (рис. 4, 5), замеры которых проводились независимой экспертной группой специалистов в присутствии представителя МЧС РФ.

Из приведенных диаграмм (рис. 4, 5) видно, что установка стабилизатора позволила снизить колебания давления при стационарной работе насоса в 4,2 раза. Следует отметить, что по условиям монтажа стабилизатор был установлен на расстоянии 80 м от насосной станции прямо в магистральный водовод, что значительно снизило расчетный эффект, предусмотренный первоначальным проектом.

Снижение диапазона гасимых частот и степени снижения амплитуды колебаний достигается варьированием таких конструктивных параметров, как количество демпфирующих камер, размеры и количество перфорационных отверстий, длина и диаметр трубопровода до стабилизатора, модуль упругости материалов, используемых для изготовления демпфирующих камер и упругодемпфирующих элементов набивки.

Поэтому отклонения от расчетно-проектных характеристик устройства и изменение схемных решений монтажа заставили стабилизатор бороться с инерционностью гидравлического тракта гидросистемы и несколько снизить расчетные параметры эффективности гашения частот.