OGÓLNE ZASADY DOBORU ZAWORU DO T UMIENIA UDERZE HYDRAULICZNYCH

XX-THJUBILEE-NATIONAL, VIII-THINTERNATIONALSCIENTIFICANDTECHNICALCONFERENCE

„WATER SUPPLY AND WATER QUALITY”

POLAND 15-18 JUNE2008

Dobrosáawa KACZOREK, Marian NIEàACNY

Instytut InĪynierii ĝrodowiska Politechnika PoznaĔska

OGÓLNE ZASADY DOBORU ZAWORU DO T àUMIENIA UDERZEē

HYDRAULICZNYCH

GENERAL RULES OF WATER HAMMER DUMPING VALVE SELECTION

Results of water hammer investigations performed in real water supply system equipped with automatic release valve are presented. Based on the obtained results general rules of the water hammer dumping valve selection are suggested.

1. Procedury badawczo - pomiarowe

Badania przeprowadzono na ujĊciu wody „Jurowce”, Wodociągu Biaáostockiego. Anal- izowana sieü skáada siĊ ze stacji pomp, oraz áączących je przewodów táocznych. Schemat rozpatrywanej sieci na terenie ujĊcia wody w Jurowcach przedstawiono na rys. 1. Woda transportowana jest rurociągiem o Ğrednicy Ø 600 mm na odlegáoĞü 2300 m do stacji uzdatniania wody. Sieü wodociągowa skáada siĊ z przewodów gáównych o ĞrednicyΦ 300 mm do Φ 600 mm i przewodów áączących studnie z siecią o Ğrednicach Φ 150 mm do Φ 250 mm. W budowie sieci przewaĪają przewody Īeliwne i stalowe. W komorze 9P na przewodzie táocznym ĭ 600 mm zainstalowany jest bocznikowo zawór przeciwuderzeniowy CLAVAL o Ğrednicy Dn = 315 mm, przejmujący gáówną falĊ uderzenia hydraulicznego.

Pomiary prowadzono przy pracy 16 pomp dla áącznej Ğredniej wydajnoĞci 776 m³/h.ĝrednie ciĞnienie panujące w punktach pomiarowych przy ustalonej pracy pomp zmieniaáo siĊ w zakresie p0 = 0.532 – 0.545 MPa. WartoĞü ciĞnienia w punktach pomiarowych mierzona byáa przetwornikami ciĞnieĔ podáączonych do rejestratora poprzez ukáad przewodów. Pomiar sygnaáu zmian ciĞnieĔ rejestrowano na komputerze ze staáą czasową ǻ t = 0,01 sekundy.

Przed przystąpieniem do badaĔ czujniki oraz caáy ukáad pomiarowy byá cechowany i kali- browany na stanowisku pomiarowym.

Woda transportowana jest rurociągiem o Ğrednicy Ø 600 mm na odlegáoĞü 2300 m do stacji uzdatniania wody. Sieü wodociągowa skáada siĊ z przewodów gáównych o ĞrednicyΦ 300 mm do Φ 600 mm i przewodów áączących studnie z siecią o Ğredni- cach Φ 150 mm do Φ 250 mm. W budowie sieci przewaĪają przewody Īeliwne i stalowe. W komorze 9P na przewodzie táocznym ĭ 600 mm zainstalowany jest boczni-

kowo zawór przeciwuderzeniowy CLAVAL o Ğrednicy Dn = 315 mm, przejmujący gáówną falĊ uderzenia hydraulicznego. Pomiary prowadzono przy pracy 16 pomp dla áącznej Ğredniej wydajnoĞci 776 m³/h.ĝrednie ciĞnienie panujące w punktach pomiaro- wych przy ustalonej pracy pomp zmieniaáo siĊ w zakresie p0 = 0.532 – 0.545 MPa.

WartoĞü ciĞnienia w punktach pomiarowych mierzona byáa przetwornikami ciĞnieĔ podáączonych do rejestratora poprzez ukáad przewodów. Pomiar sygnaáu zmian ciĞnieĔ rejestrowano na komputerze ze staáą czasową ǻ t = 0,01 sekundy. Przed przystąpieniem do badaĔ czujniki oraz caáy ukáad pomiarowy byá cechowany i kalibrowany na stanowi- sku pomiarowym.

Rys. 1 Schemat ukáadu pompowego oraz poáoĪenia punktów pomiarowych

Fig. 1. Scheme of pumping system and location of measuring points

2. Badania i pomiary

Badaniami objĊto pomiary rzeczywistych wielkoĞci przyrostu ciĞnienia oraz ich zmiany w czasie uderzenia hydraulicznego, które przeprowadzono w punktach pomia- rowych zlokalizowanych przy agregatach pompowych oraz w komorze 9P, gdzie zainstalowany zostaá zawór przeciwuderzeniowy (rys. 1)

Rezultatem prowadzonych na obiektach rzeczywistych prac badawczych byáo uzy- skanie szerokiej gamy operacji pomiarowych obrazujących przebiegi gwaátownych zmian ciĞnienia wywoáanych róĪnymi czynnoĞciami eksploatacyjnymi oraz symulacją nagáego zaniku energii elektrycznej. SpoĞród tak licznych wyników wybrano do dalszej szczegóáowej analizy zjawisk uderzeĔ hydraulicznych te, które najlepiej ilustrują charak- ter zjawiska i wystĊpujące zmiany wartoĞci ciĞnieĔ w ukáadzie wodociągowym.

Szczególną uwagĊ skupiono na metodyce analizy przebiegu stanów nieustalonych oraz na zagadnieniach zmniejszania wahaĔ ciĞnieĔ pojawiających siĊ wskutek uderzenia hydraulicznego za pomocą upustowych zaworów bezpieczeĔstwa.

Wyniki badaĔ i przykáadowych pomiarów wysokoĞci ciĞnieĔ dla rozpatrywanego ukáadu wodociągowego ujĊcie „Jurowce” w stanach nieustalonych przy wyáączeniu 16 pracujących pomp ( symulacja zaniku energii) przedstawiono na rysunkach 2, 3, i 4, przy róĪnej konfiguracji pracy urządzeĔ zabezpieczających P-03, P-05, P-07.

Pomiary ciĞnieĔ rejestrowano w komorze 9P, miejscu podáączenia zaworu przeciwu- derzeniowego (rys. 1).

Zestawy konfiguracji urządzeĔ oznaczono jako:

Pomiar P 03 – zamkniĊty zawór przeciwuderzeniowy i zamkniĊte napowietrzacze, Pomiar P 05 - otwarty zawór, zamkniĊte napowietrzacze,

Pomiar P 07 - otwarty zawór, otwarte napowietrzacze.

Odpowiednie wykresy przedstawiają wysokoĞci ciĞnieĔ w miejscu zamontowania zaworu przeciwuderzeniowego CLAVAL – komora 9P.

Rys. 2 Zestawienie przebiegów zmian ciĞnieĔ na zaworze CLAVAL, przy róĪnych konfigu- racjach pracy urządzeĔ przeciwuderzeniowych – czas pomiaru 0 ÷ 300 s.

Fig. 2. Comparison of the Claval – valve pressure variations for various antiwater ham- mer equipment arrangements – measuring time 0-300 s

Rys.3 Przebieg zmian ciĞnienia w punkcie p9 – miejsce zamontowania zaworu przeciwuderzeniowego CLAVAL – czas pomiaru 0 ÷ 100 s

Fig. 3. Pressure variations at the point p9 – where the anti – water – hammer valve Claval was installed – measuring time 0-100 s

Analiza wyników pomiarowych pokazuje, Īe okres powstaáych gáównych drgaĔ ude- rzenia hydraulicznego wynosi 13,95 sek i jest staáy dla wszystkich badanych trzech konfiguracji pracy urządzeĔ przeciwuderzeniowych.

Na wykresie (rys.2) widoczne jest szybkie wygaszenie pulsacji ciĞnieĔ przy pomiarze P-05 i P-07 tzn otwartym zaworze CLAVAL w stosunku do sytuacji gdy zawór jest wyáączony, pomiar P-03. ĝwiadczy to o prawidáowej pracy zaworu przeciwuderzenio- wego zainstalowanego w komorze 9P.

WartoĞü spadku amplitudy drgaĔ wynosi okoáo 0,589 ( wskaĨnik táumienia zaworu do szybkoĞci wygaszania pulsacji ) przy dziaáaniu zaworu przeciwuderzeniowego.

Maksymalna róĪnica ciĞnieĔ miĊdzy maksymalnymi i minimalnymi wartoĞciami powstaáego na zaworze p9 przy uderzeniu wynosiáa ~ - 0,981 MPa wzglĊdem pomiaru ciĞnienia przy zamkniĊtym zaworze CLAVAL pomiar P- 03. W dalszym cyklu wahaĔ amplitudy są znacznie mniejsze i uporządkowane.

Na podstawie przeprowadzonych badaĔ na obiekcie rzeczywistym z zamontowanym zaworem przeciwuderzeniowym otrzymano nowe wyniki zarówno poznawcze jak i utyli-

tarne. Dają one pogląd na przebieg zjawiska oraz pozwalają okreĞliü skutecznoĞü osáabia- nia uderzeĔ hydraulicznych za pomocą zaworów upustowych.

Rys. 4. Zmiany ciĞnienia w punkcie p9 – miejsce zamontowania zaworu przeciwuderze- niowego – czas pomiaru 0 ÷ 40 s

Fig. 4. Pressure variations at the point p9 – where the anti – water – hammer valve was installed –measuring time 0-40 s

3.

Ogólne zasady doboru zaworu przeciwuderzeniowego

Przedstawione informacje stanowią pewien wycinek z rozlegáej problematyki doboru zaworów przeciwuderzeniowych, nie mniej bardzo istotny. Mogą to byü podstawowe zasady, którymi naleĪy kierowaü siĊ w praktyce projektowej przy doborze zaworu prze- ciwuderzeniowego po to, by dobór zaworu nie byá przypadkowy lub nieprzemyĞlany.

1. Upustowy zawory przeciwuderzeniowe biorą peány udziaá w zmniejszaniu ampli- tudy uderzeĔ i wydáuĪeniu okresu przebiegu fali, przy czym przebiegi charaktery- styk uderzeĔ sugerują koniecznoĞü lokalizacji zaworów upustowych w bezpoĞred- nim sąsiedztwie pomp oraz odpowiedniego ich usytuowania w stosunku do chro- nionego rurociągu.

2. Przeprowadzone badania wykazaáy korzystny wpáyw dziaáania upustowego zaworu na zmniejszanie wahaĔ ciĞnienia uderzeĔ hydraulicznych. Wpáyw ten zaleĪy od ste- rowania jego otwieraniem i zamykaniem w trakcie trwania stanów nieustalonych.

3. Gáównym zagadnieniem związanym z odpowiednim doborem wielkoĞci zaworu jest okreĞlenie wymaganego natĊĪenia przepáywu przez zawór, które zapewnia utrzyma- nie ciĞnienia w ukáadzie w dopuszczalnych granicach. W pierwszym przybliĪeniu wielkoĞü tą dla prostych rozwiązaĔ moĪna okreĞliü z równania:

Q = k Av (2ghr)^0.5

w którym: k – bezwymiarowy wspóáczynnik przepáywu zaworu, Av – nominalna powierzchnia przepáywu przez zawór, m², hr – wysokoĞü strat ciĞnienia podczas przepáywu przez zawór, m.

Bezwymiarowy wspóáczynnik przepáywu k zazwyczaj przyjmowany jest w zakresie o,6 – 0,8 . Dla typowych zaworów sprĊĪynowych na drodze badaĔ eksperymental- nych uzyskano wartoĞü wspóáczynnika k=0,729 dla caákowicie otwartego zaworu.

JeĞli dla potrzeb odpowiedniego wypáywu wody z systemu istnieje koniecznoĞü za- instalowania równolegle wiĊcej niĪ jednego zaworu , wówczas powinny one byü na- stawione na nieco zróĪnicowane ciĞnienia otwarcia co pozwala uniknąü zjawiska wzbudzenia ruchu falowego. Korzystną zasadą ze wzglĊdów praktycznych jest pro- jektowanie i montaĪ jednego dodatkowego zaworu bezpieczeĔstwa stanowiącego rezerwĊ na wypadek konserwacji czy remontu co zapobiega koniecznoĞci wyáącze- nia z pracy caáego odcinka sieci lub stacji wodociągowej.

4. Przed przystąpieniem do opracowania szczegóáów dotyczących doboru zaworu, szczegóáowo naleĪy rozpatrzyü ukáad wodociągowy jako caáoĞü, wchodzą tu trzy elementy: pompownia – rurociąg táoczny – sieü.

5. Dokonaü wstĊpnego badania ukáadu wodociągowego w celu okreĞlenia czy zmiany ciĞnienia mogące wystąpiü przy uderzeniu hydraulicznym są zagraĪające dla trwa- áoĞci pracy ukáadu wodociągowego.

6. Dokonaü obliczenia przebiegu zmian ciĞnienia jakie mogą powstaü przy uderzeniu hydraulicznym za pomocą symulacji komputerowych lub dokonaü pomiarów zmian wysokoĞci ciĞnienia, o ile to moĪliwe na rzeczywistej sieci wodociągowej,

7. Na podstawie uzyskanych charakterystyk przebiegu fali uderzeniowej naleĪy usta- liü:

- maksymalne podwyĪszenie ciĞnienia, - minimalne obniĪenie ciĞnienia.

co pozwoli na odpowiednie ustalenie warunków konstrukcyjnych doboru zaworów przeciwuderzeniowych. Przy doborze zaworu przeciwuderzeniowego naleĪy wziąü pod uwagĊ reĪim pracy pomp, by zapewniü dziaáanie zaworu przy róĪnych alterna- tywach nagáych wyáączeĔ. Stosując zasadĊ wykreĞlania charakterystyk uderzenia w powiązaniu z charakterystykami pracy pomp.

8. Zastosowanie do táumienia uderzeĔ hydraulicznych zaworów przeciwuderzeniowych wymaga ustalenia 2 parametrów:

wartoĞci ciĞnienia potw – otwarcia zaworu, wartoĞci ciĞnienia pzam.- zamkniĊcia zaworu.

Parametry te powinny byü kaĪdorazowo podawane przez uĪytkownika systemu wo- dociągowego na podstawie wczeĞniejszych pomiarów oraz przeprowadzanej anali- zy hydraulicznej pracy ukáadu. Nastawiane natomiast są przez producenta zaworów.

9. Zawory przeciwuderzeniowe powinny byü zamontowane na obejĞciach od rurocią- gów gáównych.

4. Podsumowanie

Ogólnie rzecz biorąc zawory wymagają bardzo precyzyjnego wykonania i doboru wy- sokiej klasy materiaáów antykorozyjnych. W przeciwnym wypadku nie bĊdą gwarantowaáy speánienia stawianych im warunków co do pewnoĞci ruchu i niezawodnoĞci dziaáania.

Wybór najbardziej pewnego i niezawodnego w pracy zaworu jest bardzo trudny.

Wszystkie dziaáają na tej samej zasadzie a róĪnią siĊ jedynie szczegóáami konstrukcyjnymi.

Ostateczny wybór musi uwzglĊdniü nie tylko aspekt techniczny, ale równieĪ moĪliwoĞci montaĪu, dostĊpu do energii elektrycznej, czynniki ekonomiczne i eksploatacyjne.

Przy projektowaniu sieci wodociągowej i doborze urządzeĔ przeciwuderzeniowych na- leĪy braü pod uwagĊ tylko maksymalne wartoĞci ciĞnienia w stanach nieustalonych, wystĊ- pujące w ukáadzie przewodów w których miaáo miejsce zaburzenia przepáywu. WielkoĞci ciĞnieĔ ekstremalnych w przewodach dalej oddalonych od Ĩródáa zaburzeĔ oscylują wokóá wartoĞci stanu ustalonego i nie stanowią zagroĪenia dla samych przewodów i zainstalowanej armatury, poniewaĪ są znacznie niĪsze od dopuszczalnego ciĞnienia roboczego.

Praca naukowa finansowana ze Ğrodków KBN w latach 2004-2006 jako projekt badawczy.

Bbliografia

[1] Jaroszewicz J., Zaáuska W., Badania zjawiska uderzeĔ hydraulicznych w rurocią- gach przesyáowych wody, Pompy Pompownie, nr 3, 2003 r.

[2] Nieáacny M., Uderzenia hydrauliczne w systemach wodociągowych. Wyd. Poli- techniki PoznaĔskiej, PoznaĔ 2005 r.

[3] Nieáacny M., Model of the Water – Hammer Effect considering a Spring Safety Valve, Archives of Hydro – Engineering and Environmental Mechanics, vol. 51, 2004, No. 1.