Гидравлический удар в канализационной насосной станции

В больших насосных системах при включении и выключении насосов (как с прямым пуском, так и с пуском звезда/треугольник) возможно появление гидравлического удара. Во многих случаях гидравлический удар является самой сильной нагрузкой на трубопровод, в результате чего может произойти его поломка. Гидравлический удар приводит также к появлению вакуума в трубопроводе, следствием этого часто бывает смещение или износ уплотнительных колец. 

Обычно это явление можно обнаружить только при возникновении шума. Существует программное обеспечение, с помощью которого можно просчитать гидравлический удар, возможный в данной системе.

Здесь приводится описание явлений, происходящих в напорной трубе насоса при его включении и выключении. На графике ниже показан продольный профиль напорного трубопровода насосной станции с двумя попеременно работающими насосами и одним резервным. 

Общий сигнал включения обоих насосов; для снижения пускового тока, насос 2 включается на 6 секунд позже насоса 1.

Общий сигнал одновременного выключения насосов.
Рабочая точка Р1 + Р2 = 140 л/с при 41 м.
Давление при закрытой задвижке: 55м
Обратные шаровые клапаны : DN 200 

В перекачиваемых стоках содержится газ, который может находиться в сжатом состоянии.Напорный трубопровод: номинальный диаметр DN 400, номинальное давление PN 6 бар, материал ПВХ, скорость распространения волны давления 250 – 350 м/с.
Потери на трение при 140 л/с: 12м
Скорость при 140 л/с: 1,3 м/с

При непрерывном режиме работы минимальная скорость потока, при которой выполняется условие самоочищения труб, равна 0,7 м/с, что соответствует подаче 75 л/с. Эффективный объем резервуара данной насосной станции составляет 8000 л, а объем напорного трубопровода – 330000 л. За один рабочий цикл установки из напорной трубы вытесняется жидкость, объем которой составляет всего около 2,5% от объема напорной трубы. Если не производится детального расчета скорости потока, то для возможности самоочищения напорного трубопровода скорость потока должна быть не менее 1 м/с.

Если включен только насос 1, то потери на трение при подаче 84 л/с и при скорости потока 0,75 м/с составят 4,4 м. Это означает, что при данных условиях эксплуатация только одного насоса недопустима – или же напорный трубопровод необходимо чистить скребком примерно два раза в год.  

Процессы, происходящие в напорном трубопроводе во время включения насосов

 1. При включении насоса 1 подача составит не 84 л/с, а всего 55 л/с, так как необходим большой напор (17м), который приводит в движение 330000 литров стоков в напорной трубе, разгоняя их с нуля до 0,4 м/с.

2. Через шесть секунд после включения первого насоса включается насос 2. При этом подача составит не 140 л/с, а всего 60 л/с. Это объясняется большим напором (20м), который приводит в движение 330000 литров стоков в напорной трубе, разгоняя их с 0,4 м/с до 0,7 м/с.
3. Приблизительно через 20 секунд после включения первого насоса скорость движения 330000 литров сточных вод в напорной трубе достигает примерно 1 м/с. После этого давление в напорной трубе уменьшается, что обусловлено гидравлическим ударом, который возник при включении первого насоса и проявил себя спустя примерно 25 секунд.
4. Спустя примерно 25 секунд после включения второго насоса может проявиться результирующее действие гидравлического удара.
5. Примерно через 45 секунд после включения первого насоса, все 330000 литров стоков начнут перемещаться со скоростью 1,3 м/с, или 4,7 км/ч. Насосы начинают работать с ожидаемой производительностью, примерно 140 л/с. Давление постоянно. 

Характеристики гидравлического удара после включения насоса:

•  Ни один гидравлический удар не превысил максимально допустимых значений (PN 6 бар).
• Если бы включение насоса 2 осуществлялось на 10 секунд позже включения насоса 1, то и гидравлический удар, вызванный включением насоса 2, по силе был бы меньше и соответствовал уровню гидравлического удара от включения насоса 1. В этом случае насос 1 разогнал бы данный объем сточных вод в напорной трубе до скорости 0,75 м/с, а при включении насоса 2 давление в нижней контрольной точке напорной трубы достигало бы 34 м.
• Процессы, описанные в пункте 4 выше, не являются принципиально важными при работе насосной установки. 

Содержание растворенного газа в перекачиваемых сточных водах достаточно велико – за счет этого основной гидравлический удар при включении будет погашен. Через 70 секунд после включения насоса 1 весь объем сточных вод, находящихся в резервуаре насосной станции (8000 литров), будет выкачан. При достижении минимального уровня воды в резервуаре сработает общий сигнал отключения насосов, и оба насоса остановятся. За время рабочего цикла содержимое напорной трубы заместится всего на 2,5% .Чтобы предотвратить отложение осадка в нижних точках напорной трубы, скорость потока должна быть не менее 1 м/с. Необходимо предусмотреть возможность очистки напорной трубы с помощью скребка.  

Процессы, происходящие в напорном трубопроводе во время выключения насосов

 После выключения насосов 330000 литров сточных вод в напорной трубе будут пытаться двигаться со скоростью, которую они до этого развили (1,3 м/с). Из-за этого в нижней части напорного трубопровода создастся вакуум и откроется обратный клапан насоса. За счет появившегося разрежения в трубопроводе сточные воды из резервуара будут подкачиваться в систему (примерно в течение 15 секунд). В низшей точке напорного трубопровода будет вакуум, который может вызвать разрыв труб из ПВХ, а также разрушение изношенных уплотнительных колец в местах соединения труб. 

Приблизительно через 25 секунд после того, как закроется обратный клапан, произойдет первый и самый мощный гидравлический удар силой 7,5 бар, что превышает допустимое значение давления для данного типа труб на 25%. Манжетные уплотнения на стыке труб при этом займут свое нормальное положение (при условии, конечно, что эти уплотнения не износились). Длительность гидравлического удара будет больше, если в перекачиваемых сточных водах будет высокое содержание газа. Обычно гидравлический удар длится долю секунды, а звук при этом похож на звук удара рукой по бочке. 

Через 25 секунд после первого и самого сильного гидравлического удара последует первый и самый сильный скачок разрежения, который окажет негативный эффект на манжетные уплотнения. 

После этого интенсивность гидравлического удара начнет уменьшаться.

Характеристики гидравлического удара после выключения насоса:

 Была превышена допустимая нагрузка на манжетные уплотнения для соединения труб ПВХ PN 6. 

Если бы выключение насоса 2 осуществилось позже, то гидравлический и последующий за ним вакуумный удар были бы вдвое слабее. В этом случае работающий насос 2 продолжал бы наполнять трубопровод, противодействуя тем самым появлению вслед за выключением насоса 1 сильного разрежения в трубопроводе. 

Если насос 2 остановится после первого насоса через 25 или более секунд, то скорость потока в напорном трубопроводе к этому моменту снизится с 1,3 до 0,75 м/с. Это означает, что гидравлический удар, вызванный более поздним выключением насоса 2, был бы вдвое слабее гидравлического удара, развивающегося в результате одновременного выключения двух насосов. 

При больших объемах сточных вод в напорном трубопроводе, одновременное выключение двух насосов может иметь самые нежелательные последствия. 

Положительный эффект гидравлического удара на трубопровод

 Во время гидравлического удара происходит отслоение от стенок труб. Если гидравлический удар не превышает уровня, при котором начинается образование вакуума в трубах, и если максимальные давления, возникающие в трубопроводе, ниже предельных значений для труб и соединений, то гидравлический удар можно рассматривать как положительное воздействие на насосную систему.  

Возникновение гидравлического удара зависит от давления в системе (при увеличении давления вероятность возникновения гидравлического удара так же увеличивается), от заполненности напорного трубопровода и от величины подачи на момент выключения последнего насоса. 

Способы предотвратить возникновение гидравлического удара

 1. Использовать в параллельной работе до четырех насосов, у каждого из которых будет свой уровень или время отключения. Во время перекачивания сточных вод, для выполнения условия самоочищения труб необходимо обеспечить минимальную скорость потока. Для этого может понадобиться одновременная работа двух насосов. В таких установках допускается работа одного насоса только перед выключением последнего: этим достигается постепенное снижение скорости потока. 

2. Использовать для выравнивания давления мембранные баки, полная емкость которых составляет 1% часовой производительности самого малого насоса или 1% от сточных вод, находящихся в напорном трубопроводе – ориентироваться нужно на большее значение. Последним должен выключаться насос с наименьшей производительностью. 

3. Если пункт 2 по каким-то причинам выполнить не удается, то рекомендуется провести обратную линию в резервуар насоса, регулируемую с помощью электроприводного клапана. Продолжительность открывания и закрывания клапана должна быть не менее 30 секунд. 

4. Если предыдущие пункты 1 – 3 по каким-то причинам выполнить не удается, следует использовать устройства плавного пуска и останова (не менее 15 – 30 секунд).