Uderzenie hydrauliczne w wodociągowej stacji pomp średniej wielkości

Gwałtowne zmiany prędkości przepływu w rurociągach wodociągowych wywołują fale znacznie obniżonego lub podwyższonego ciśnienia, które nazywamy uderzeniem hydraulicznym. Jest to zjawisko niepożądane, które może doprowadzić do rozerwania rurociągu, uszkodzenia armatury zaporowo-regulacyjnej lub pojawienia się nieszczelności w miejscach połączeń.

Teoria zjawiska uderzenia hydraulicznego szczegółowo opisana została w wielu opracowaniach. Przedstawiane są mniej lub bardziej dokładne metody obliczeniowe, najczęściej dotyczące przebiegu uderzenia w prostych rurociągach o znanych parametrach materiałowo-geometrycznych.

Z taką sytuacją mamy do czynienia w zasadzie tylko w nowoprojektowanych i wykonywanych rurociągach. W praktyce jednak często należy określić wartość zmian ciśnienia w już istniejących, złożonych układach wodociągowych, w których w wielu fragmentach nie ma możliwości dokładnego określenia grubości ścianek przewodu, współczynnika szorstkości, a czasami i rodzaju materiału.

Brak tych danych sprawia, że metody obliczeniowe stają się mało przydatne, a przybliżone określanie możliwych zmian ciśnienia prowadzi zazwyczaj do ich przeszacowania. Spowodowane to jest m.in. nadmierną asekuracją przy ocenie zagrożenia wystąpienia uderzenia hydraulicznego.

Efektem są m.in. przewymiarowane lub zbędne urządzenia przeciwuderzeniowe – zbiorniki wodno-powietrzne bądź różnego typu zawory zmniejszające zmiany ciśnienia podczas uderzenia. Zwiększa to niepotrzebnie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Obiekt badań

W stacji pomp drugiego stopnia zasilającej sieć wodociągową zainstalowano pięć pionowych zespołów pompowych. Każda z pomp napędzana jest silnikiem elektrycznym o mocy 5,5 kW i nominalnej prędkości obrotowej 2900 obr/min. Współpracują one z przetwornicą częstotliwości, która umożliwia utrzymanie stałego ciśnienia 0,35 MPa na wyjściu z pompowni, przy zmieniającym się rozbiorze wody zależnym od pory dnia i roku oraz dnia tygodnia.

Strumień przepływu zmienia się w zakresie od ok. 30 m³/h w nocy do 200 m³/h w czasie rozbiorów szczytowych. Pompy pobierają wodę rurociągiem ssawnym z dwóch zbiorników terenowych wody uzdatnionej o poziomie zwierciadła 3,5 m powyżej osi wlotu do pomp. Stacja pomp podaje wodę do rurociągu tłocznego wykonanego z PE 100 o średnicy DN 200×11,9 mm (PN 10). Rurociąg ten jest początkiem miejskiej sieci wodociągowej.

W trakcie pracy stacji może dojść do gwałtownego zatrzymania pomp w wyniku chwilowej lub dłuższej przerwy w zasilaniu energią elektryczną. Jest to typowa sytuacja, w wyniku której powstają nagłe zmiany prędkości przepływu generujące zmiany ciśnienia. Takie nagłe wyłączenie zasilania może się zdarzyć w dowolnym czasie w zakresie prędkości przepływu od minimalnej (0,34 m/s odpowiadająca strumieniowi przepływu 30 m³/h) do maksymalnej powstającej podczas największych rozbiorów (ok. 2,3 m/s przy Q = 200 m³/h).

Opis układu pomiarowego

Do pomiaru i rejestracji wartości ciśnienia wykorzystano układ pomiarowy składający się z następujących elementów:

• przenośny komputer typu notebook,
• karta pomiarowa PCMCIA zainstalowana w notebooku,
• interfejs pomiarowy umożliwiający własne zasilanie i podłączenie przetworników pomiarowych z wyjściem prądowym o standardzie 4–20 mA,
• przetworniki ciśnienia z wyjściem 4–20 mA i system kabli obiektowych umożliwiających instalowanie czujników w różnych miejscach,
• zasilacz interfejsu pomiarowego 24 V.

W komputerze zainstalowano program akwizycji i analizy danych pomiarowych DAQ­View. Umożliwia on, zarówno przed dokonaniem pomiaru, jak i w czasie rejestracji wyników badań, podgląd bieżących wskazań podłączonych przetworników w postaci zapisu cyfrowego lub wykresu o zmiennej podstawie czasu, ustalanej według potrzeb. Pozwala to ocenić zakres zmienności mierzonych wartości oraz charakter przebiegu tych zmian. Wyniki pomiarów rejestrowane są ostatecznie w plikach tekstowych, które mogą być dowolnie obrabiane i drukowane, np. w postaci wykresów.

Podczas pomiaru przetwornik ciśnienia zamontowany został na odcinku tłocznym o średnicy 200 mm, wychodzącym ze stacji pomp. Wartość przepływu dla każdego punktu pomiarowego odczytywana była ze wskazań licznika podającego aktualną wartość strumienia objętości w oparciu o licznik impulsów zainstalowany na wodomierzu. Wartości te były również rejestrowane w układzie pomiarowo-sterującym stacji pomp.

Przebieg pomiarów

Pomiary dokonywane były podczas pracy stacji pomp i żeby uniknąć awarii, rozpoczęto je od najmniejszych wartości strumienia przepływu, które występują w pompowni podczas rozbiorów nocnych. Oceniając, czy zarejestrowane wartości zmian ciśnienia mogą być niebezpieczne dla elementów układu, podejmowano decyzję o stopniowym zwiększaniu prędkości przepływu w rurociągu tłocznym, przy którym symulowano gwałtowną przerwę w dopływie energii elektrycznej przez wyłączenie pracujących pomp. 

Pomiary kontynuowano aż do osiągnięcia maksymalnych prędkości przepływu odpowiadających szczytowym rozbiorom wody występującym w badanej stacji pomp. Wyniki rejestrowane były w pamięci komputera i wykorzystano je do sporządzenia wykresów przedstawiających przebieg zmian ciśnienia.

Wyniki pomiarów

Pomiary rozpoczęto przy jednej pracującej pompie. Po ustabilizowaniu się przepływu odpowiadającego rozbiorom nocnym, przy prędkości 0,4 m/s, wyłączono dopływ prądu. Zarejestrowany przebieg zmian ciśnienia przedstawiono na rys. 1. 

Wyłączenie jedynej pracującej pompy powoduje gwałtowny spadek ciśnienia o ok. 0,1 MPa, które następnie wraca do wartości zbliżonej do początkowej i powoli zmniejsza się w wyniku trwającego rozbioru wody w sieci. Takie zmiany ciśnienia uznano za niezagrażające elementom stacji pomp i sieci. Następnie przeprowadzono kolejne pomiary, zwiększając stopniowo liczbę jednocześnie pracujących pomp.

Na rys. 1 przedstawiono też przebieg zmian ciśnienia w rurociągu tłocznym stacji pomp, gdy pracują dwie pompy i wystąpi gwałtowna przerwa w dopływie energii elektrycznej. Dwie jednocześnie pracujące pompy wywołują prędkość przepływu 0,96 m/s. 

Po ich gwałtownym zatrzymaniu ciśnienie spada z 0,2 do 0,07 MPa, czyli o ok. 0,13 MPa, a następnie wzrasta do 0,17 MPa i powoli maleje w wyniku rozbioru w sieci, analogicznie jak w przypadku gwałtownego wyłączenia jednej pompy. Na rys. 2 przedstawiono przebiegi zmian ciśnienia po nagłym jednoczesnym wyłączeniu trzech, czterech i pięciu pracujących pomp.

Trzy jednocześnie pracujące pompy wywołują prędkość przepływu 1,56 m/s. Ich gwałtowne zatrzymanie powoduje spadek ciśnienia o 0,15 MPa. Jednocześnie pracujące cztery pompy generują prędkość przepływu 1,86 m/s, a pięć pracujących pomp prędkość 2,31 m/s. Gwałtowne zatrzymanie czterech pomp powoduje spadek ciśnienia o 0,19 MPa, a pięciu o ok. 0,25 MPa. 

Zmiany ciśnienia w stacji pomp powstają nie tylko w wyniku gwałtownego zatrzymania pomp, ale również podczas ich załączania. Obsługa stacji nie ma najczęściej wpływu na moment zaniku zasilania w energię elektryczną, stąd wyłączenie pomp może nastąpić przy dowolnym rozbiorze – od największego do najmniejszego. 

Natomiast załączanie pomp z reguły następuje w sposób kontrolowany, tzn. kolejno w pewnych odstępach czasowych, najczęściej z wykorzystaniem rozwiązań zmniejszających gwałtowny przyrost prędkości przepływu. Są to m.in. różnego rodzaju tzw. soft starty lub przetwornice częstotliwości. 

W trakcie badań wymuszono sytuacje, w których następuje gwałtowny wzrost prędkości przepływu. Po zatrzymaniu pracy wszystkich pomp i ustabilizowaniu się przepływu ręcznie załączono jedną pompę. Następnie po ustabilizowaniu się przepływu załączono drugą pompę – drugi pik ciśnienia na wykresie. Zmierzone wartości ciśnień pokazano na rys. 3.

Gwałtowne załączenie pojedynczej pompy powoduje chwilowy skok wartości ciśnienia o 0,13 MPa, a załączenie drugiej pompy chwilowy przyrost ciśnienia o 0,12 MPa, czyli podobnie jak po załączeniu pierwszej pompy.

Analiza wyników pomiarów i wnioski końcowe

Wartość przyrostu ciśnienia podczas tzw. prostego uderzenia hydraulicznego opisywana jest wzorem Żukowskiego w postaci:

gdzie:
a – prędkość rozchodzenia się fali ciśnienia, zależna głównie od wymiarów geometrycznych i rodzaju materiału, z którego wykonany jest rurociąg [m/s],
Dv – zmiana prędkości przepływu [m/s],
r – gęstość cieczy [kg/m3].

Zależność ta wykorzystywana jest często do szacowania możliwego największego przyrostu ciśnienia podczas uderzenia hydraulicznego w rurociągu wodociągowym. W badanym układzie rurociąg tłoczny wykonany jest z PE 100 o średnicy DN 200×11,9 mm. 

Prędkość rozchodzenia się fali uderzenia hydraulicznego w takim przewodzie wynosi ok. 260 m/s (dane producenta), zatem przyrost ciśnienia po gwałtownej zmianie prędkości przepływu o 2,31 m/s, co odpowiada nagłemu wyłączeniu pięciu pracujących pomp, wynosi 0,6 MPa i jest ponad dwukrotnie większy od wartości zmierzonej – patrz tabela 1.

Tak znaczną różnicę należy tłumaczyć tym, że w układzie nie dochodzi do tzw. prostego uderzenia hydraulicznego, a rozgałęziona sieć wodociągowa tłumi przebieg uderzenia. Przedstawione wyniki wskazują, że w badanym układzie wodociągowym nie jest konieczne instalowanie jakichkolwiek urządzeń tłumiących uderzenie hydrauliczne, pomimo że wartość przyrostu ciśnienia otrzymana z wzoru Żukowskiego mogłaby to sugerować.

Otrzymane wyniki pomiarów wskazują również, że nie zawsze przyrost ciśnienia podczas uderzenia hydraulicznego jest wprost proporcjonalny do zmiany prędkości przepływu, jak by to wynikało ze wzoru Żukowskiego. Na rys. 4 przedstawiono zmiany ciśnienia w zależności od początkowej prędkości przepływu. 

W oparciu o wyniki pomiarów wykonanych również w innych stacjach pomp można wnioskować, że często nie ma potrzeby stosowania urządzeń zmniejszających zmiany ciśnienia podczas załączania czy wyłączania pomp. W istniejących stacjach można to potwierdzić, przeprowadzając pomiary w sposób analogiczny do przedstawionego powyżej. 

Należy rozpoczynać pomiary od małej prędkości przepływu i następnie, po ocenie wartości zmian ciśnienia, stopniowo ją zwiększać, aż do maksymalnej, która może wystąpić w układzie wodociągowym. W przypadku projektowanych stacji pomp autor proponowałby pozostawienie miejsca na montaż ewentualnych urządzeń tłumiących, ale podjęcie ostatecznej decyzji w tej sprawie należałoby odłożyć do momentu wykonania pomiarów podczas rozruchu stacji pomp.

Literatura 

1. Grabarczyk Cz., Przepływy cieczy w przewodach. Metody obliczeniowe, Envirotech,  Poznań 1997.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!